Направления развития конструкций бензиновых двс для совершенствования процессов смесеобразования и сгорания

2020-06-032021-03-09zzyxelСтудИзба

2. Направления развития конструкций бензиновых двс для совершенствования процессов смесеобразования и сгорания

2.1 Краткие основы детонационного сгорания в поршневых ДВС

Изложение материала данного параграфа предполагает, что читателю уже известны основы теории горения и детонации, изложенные в преподаваемой на кафедре ДВС дисциплине «Основы физики горения». Более подробное изложение основ детонационного сгорания в двигателе можно найти в специальной литературе [2].

Как известно, детонационная волна представляет собой ударную волну, нагревающую смесь до температуры, при которой возникает экзотермическая реакция, протекающая в некоторой зоне за фронтом волны. Энергия химической реакции идет на поддержание ударной волны, амплитуда которой зависит от удельной величины выделяемой химической энергии. В свою очередь возможность самовоспламенения смеси в результате сжатия ударной волной определяется амплитудой волны и степенью химической подготовленности смеси.

Детонационная волна в условиях двигателя – это волна с искривленной увеличивающейся поверхностью (при зарождении – близкая к расходящейся сферической). Это значит, что даже без учета потерь, амплитуда ударной волны без поддержки горением за ее фронтом должна уменьшаться по мере распространения (за счет увеличения поверхности фронта).

Рассмотрим механизм образования первичной ударной волны. По устоявшимся к настоящему времени представлениям, она возникает в результате самовоспламенения определенного объема несгоревшей части топливовоздушной смеси. В ДВС горючая смесь нагревается сжатием до температуры, как правило, более чем достаточной для ее самовоспламенения, и если последнее не возникает, то только потому, что для этого не хватает времени. Рабочий заряд в камере сгорания успевает сгореть в процессе распространения по нему фронта пламени раньше, чем наступит его самовоспламенение. Однако самовоспламенение не является достаточным фактором возникновения детонационной волны. В зависимости от размера первоначального очага воспламенения (определяемого степенью неоднородности смеси) амплитуда, и, соответственно, воспламеняющая способность ударной волны на удалении от него будут различны (чем меньше очаг, тем меньше амплитуда) и, начиная с определенного размера, характер распространения пламени от таких очагов самовоспламенения будет сходен с распространением турбулентного пламени от искры.

Рассмотрим теперь характер развития ударной волны от первоначального очага при воспламенении некоторых конечных объемов, размер которых обеспечивает амплитуду, достаточную для воспламенения смеси в камере сгорания. Основное отличие детонационного самовоспламенения в двигателях от обычной (классической) детонации состоит в том, что в случае последней повышение температур и давлений во фронте ударной волны должно быть достаточным для воспламенения инертной исходной смеси, тогда как в условиях двигателя детонация распространяется по смеси, уже предельно подготовленной к самовоспламенению. Если в результате одновременного быстрого развития самовоспламенения в каком-либо объеме смеси возникнет слабая ударная волна, то небольшого дополнительного повышения давления и температуры во фронте этой волны может оказаться достаточным для того, чтобы вызвать воспламенение смеси в смежных, менее подготовленных объемах. Для предотвращения затухания слабой ударной волны в данном случае нет необходимости в полном завершении сгорания за ее фронтом. Достаточно, чтобы на пути ударной волны воспламенялась не вся смесь, а лишь небольшая ее часть, заключенная в наиболее подготовленных объемах, в которых к моменту прохождения ударной волны период задержки воспламенения в результате адиабатного сжатия практически полностью завершен. Этим объясняется то, что при детонации в двигателях сгорание обычно завершается в процессе неоднократного повторного прохождения по реагирующей смеси ударной волны, периодически отражающейся от стенок камеры сгорания. Соответственно повышение давления носит как бы ступенчатый характер, чем сильнее «стук», тем меньшее число таких ступенек и больше их амплитуда.

При слабом «стуке» скорости распространения ударных волн в продуктах сгорания составляют 1000 – 1200 м/с при скорости звука в них около 900 м/с. При сильном «стуке» скорость ударных волн увеличивается до 1400 – 1500 м/с при повышении давления во фронте этих волн сверх давления окружающей смеси в 1,4 – 1,5 раза. В случае крайне сильного «стука» могут достигаться и скорости подлинной детонации 1800 м/с с соответствующим повышением давления и полным завершением сгорания в фронте детонационной волны. Термодинамические расчеты [2], показывают, что для предотвращения затухания слабой ударной волны, распространяющейся в последней части заряда в камере сгорания двигателя со скоростью 1200 м/с, достаточно выделения энергии, равной 25 % полной энергии сгорания.

Резюмируя вышеизложенное отметим, что возможность развития детонации из первоначального очага воспламенения и ее интенсивность в двигателе определяется комплексом факторов, состоящим, в основном, из готовности смежных объемов смеси к самовоспламенению (от степени завершенности предпламенных реакций), количества выделяемой за фронтом ударной волны энергии и искривленности поверхности ее фронта (радиуса кривизны).

Детонационные волны представляют большую опасность для конструкции двигателя. При отражении ударной волны от стенки давление, по крайней мере, удваивается, а температура возрастает на 30-40% по сравнению с давлением и температурой за фронтом падающей детонационной волны. Таким образом, на поршень, головку цилиндра, цилиндр действуют давления, превышающие 15 МПа при контакте с газами, имеющими температуру более 3000 – 3500 К. Масло, находящееся на поверхности гильзы цилиндра сгорает. В случае длительной работы на данном режиме участки деталей двигателя, подверженные воздействию детонационных волн, перегреваются, размягчаются, металл начинает течь. В результате образуются каверны, и двигатель выходит из строя.

2.2 Способы расширения диапазона изменения коэффициента избытка воздуха и реализации высоких степеней сжатия

Турбулизация заряда

Одним из способов позволяющих реализовать повышенные степени сжатия при существующих антидетонационных качествах бензинов является повышение скорости сгорания. К числу мероприятий, увеличивающих скорость тепловыделения в современных бензиновых двигателях, относятся [2]:

1. Создание в цилиндре интенсивного турбулентного (вихревого) движения рабочего заряда за счет тангенциального направления впускного патрубка или выполнения его в виде улитки и позволяет создать устойчивое вращательное движение горючей смеси в камере сгорания, если последняя также имеет форму тела вращения. Кинематографирование через прозрачную крышку цилиндра показало, что даже в том случае, когда свеча зажигания расположена сбоку, начальный очаг горения при наличии вихря очень быстро переносится в центр камеры, откуда затем фронт пламени начинает распространяться равномерно во все стороны в радиальных направлениях. Исследования с использованием быстро вращающейся цилиндрической бомбы с прозрачными торцовыми стенками, по отношению к которым смесь оказывалась неподвижной, показали, что перенос к центру камеры начального очага пламени, значительно менее плотного, чем свежая смесь, происходит под действием центробежных сил, причем этот перенос происходит по логарифмической спирали за 0,6 полного оборота вихря независимо от его угловой скорости. Однако действие тех же центробежных сил, препятствуя диффузии сгоревших газов в радиальном направлении, замедляет процесс догорания периферийных слоев смеси. Еще одним недостатком является уменьшение коэффициента наполнения двигателя. В результате эффекта центрифугирования в пристеночных слоях оказывается большая доля топлива, в особенности его тяжелые фракции.

2. Придание камерам сгорания таких очертаний, при которых основная масса рабочего заряда была бы сосредоточена в компактном объеме, а остальная часть заключена в так называемых вытеснителях – относительно узких зазорах между днищем поршня и поверхностью головки цилиндра. При этом появляется возможность значительно снизить или даже устранить нежелательные эффекты первого метода. Наличие вытеснителей не только создает дополнительную турбулизацию заряда в основной части камеры вследствие выталкивания в нее смеси из относительно более быстро уменьшающихся по высоте в конце такта сжатия щелевых зазоров, но также может способствовать ускоренному завершению сгорания вследствие засасывания в эти же зазоры горящей смеси при ходе поршня вниз, как схематически показано на рис.2.1, а. Аналогичный эффект достигается и в камерах сгорания, ограниченных сферическими поверхностями различных радиусов (рис.2.1, б), а также в камерах сгорания клиновидной формы или выполненных в виде углубления в поршне.

Рис.2.1. Характер движения рабочего заряда, создаваемого вытеснителями в конце сжатия и начале расширения [2]

В качестве примера использования описанного метода борьбы с детонацией за счет ускорения сгорания можно привести процесс May Fireball, позволяющий при существующих антидетонационных качествах бензинов существенно повысить степень сжатия и работать на обедненной смеси (a » 1,1 – 1,2) (см. рис.2.2). В экспериментальных вариантах двигателя степень сжатия доводилась до 15.

В конце такта сжатия смесь вытесняется поршнем из цилиндра и поступает через соединительный тангенциальный канал в расположенную под выпускным клапаном компактную шаровидную камеру сгорания. В камере сгорания образуется интенсивный вихревой поток смеси.

Рис. 2.2. Схема камеры сгорания для реализации процесса May Fireball

Малые размеры камеры, ее компактность, интенсивное вихреобразование, связанное как с тангенциальным входом, так и турбулизацией потока со стороны кромок камеры, способствуют быстрому горению без четкого фронта пламени, по крайней мере, во второй половине видимого сгорания, что приводит, в том числе, к дроблению очагов воспламенения. Это позволяет избежать условий, способствующих возникновению детонации.

Но наличие вытеснителей (защемленных объемов), высокая скорость заряда относительно стенок камеры сгорания вызывает увеличение поверхности стенок камеры, усиливает теплоотдачу, а также приводит к увеличению доли рабочего заряда, заключенной в пристеночных слоях, где процесс догорания оказывается сильно растянутым и неполным.

Форкамерно-факельное зажигание

В конце 30-х гг. был предложен принцип форкамерно-факельного зажигания в бензиновом двигателе [2]. Он состоит в том, что воспламенение рабочей смеси в основной камере сгорания двигателя осуществляется не непосредственно искрой свечи, а факелом пламенных газов, образующихся при сгорании очень небольшого количества обогащенной смеси в особой форкамере, отделенной от основной камеры одним или несколькими узкими сопловыми отверстиями. Объем форкамеры составляет 3 - 4% всего объема камеры сжатия. Информации о применении степени сжатия выше значения e = 10 нет.

Рис. 2.3. Схематическое устройство двигателя с форкамерно-факельным зажиганием [2]

Энергичное воспламенение в значительных объемах приводит к тому, что в основной камере оказываются способными гореть с достаточно высокими скоростями сильно обедненные смеси при a = 1,5 – 1,6. Воспламеняются и значительно более бедные смеси, но достаточно быстрое их сгорание наблюдается лишь в зоне действия форкамерных факелов, дальнейшее же догорание затягивается и оказывается неполным.

Целесообразным, оказывается, начинать дросселирование двигателя при обеднении смеси до a = 1,5, сохраняя такой же состав смеси на меньших нагрузках и лишь незначительно обогащая ее на режимах холостого хода (до a = 1,2). Это приводит к экономии топлива в условиях эксплуатации в среднем на 10%.

Затрудненной является очистка форкамеры от ОГ. Появляются потери на перетекание газов и дополнительные тепловые потери вследствие увеличения поверхности КС. На режимах холостого хода существенно увеличиваются концентрации несгоревших углеводородов в основной камере вследствие появления пропусков воспламенения.

Расслоение заряда.

Одним из предполагаемых путей улучшения показателей рабочего процесса бензиновых двигателей при работе на частичных нагрузках, давно привлекавшим к себе внимание большого числа исследователей, является такое распределение топлива в камере сгорания, при котором в зоне свечи зажигания находилась бы смесь, близкая к стехиометрической, а по мере удаления от свечи смесь бы обеднялась. Предполагаемое преимущество такого расслоения в том, что при работе двигателя на малых нагрузках процесс сгорания локализуется лишь в относительно небольшой части камеры, причем, так же как в дизелях, не требуется дросселирования, т. е. имеет место термодинамически более выгодное качественное регулирование мощности. Рассмотрим некоторые из способов [2].

В 70-е годы возрос интерес к двухполостным камерам сгорания в связи с тем, что именно таким путем удается достигнуть существенного снижения токсичности двигателя. Наличие в дополнительной камере обогащенной, и к тому же в большей степени разбавленной остаточными газами смеси, препятствует образованию в ней окислов азота, а процесс дожигания продуктов неполного сгорания такой обогащенной смеси в результате их смешения с воздухом, находящимся в цилиндре, происходит уже при существенно пониженных температурах на такте расширения.

Примером может служить экспериментальный двигатель VW с воздушным охлаждением с шарообразной вихревой камерой, сходной с используемыми в дизелях. Ее объем составляет около 25% от объема камеры сгорания. На малых нагрузках топливо впрыскивается только в вихревую камеру в начале такта сжатия, а в цилиндр подается чистый воздух; на больших нагрузках в него поступает обедненная карбюрированная смесь; дросселирование отсутствует. При значениях a > 1,1 концентрации СО и СН весьма малы, а концентрация NО_x хотя и монотонно увеличивается по мере увеличения нагрузки, но в общем она также очень невелика. Однако удельный расход топлива чрезмерно высок. Этот недостаток касался всех двигателей подобного типа.

Рис.2.4. Камера сгорания бензинового двигателя VW с расслоением заряда: 1 - форсунка; 2 -свеча зажигания [2]

В двигателе Тексако (рис. 2.5) легкое топливо впрыскивается в направлении воздушного вихря, и его пары воспламеняются расположенной на некотором расстоянии от форсунки свечой, между электродами которой создается длительный разряд, состоящий из серии последовательных искр. Этим обеспечивается поддержание как будто бы стационарного факела пламени в течение всего периода впрыска. В дальнейшем сгорание завершается вследствие турбулентного смешения продуктов сгорания обогащенной смеси в этом факеле с заполняющим камеру чистым воздухом.

В двигателе Вицкого (рис.2.6) топливо впрыскивается под некоторым углом против направления воздушного вихря, в результате чего капли и пары топлива скапливаются в средней части камеры, где воспламеняются обычной свечой.

Описание: Безымянный

Рис. 2.5. Схема организации смесеобразования и сгорания по способу сгорания в двигателе Тексако [2]: 1 - форсунка; 2 - свеча зажигания;

3 - направление воздушного вихря; 4 - факел пламени

Описание: Безымянный

Рис. 2.6. Схема организации смесеобразования и сгорания по способу сгорания по способу Вицкого [2]:

1 - форсунка; 2 - свеча зажигания; 3 - направление воздушного вихря;

а - направление вихря; b - направление впрыска; с - траектория движения капель и паров топлива

Двигатель концерна Ford с послойным распределением заряда получил название «РRОСО ». Он отличается системой непосредственного впрыска, двумя свечами зажигания, поршнем с глубокой впадиной в днище, составляющей часть камеры сгорания, и впускным каналом, который способствует завихрению смеси. В цилиндрах обеспечивается достаточно хорошее смесеобразование, послойное распределение смеси и полное сгорание. Степень сжатия равна 11.

Впрыск топлива при малых нагрузках заканчивается к моменту искрового зажигания. Такой поздний впрыск позволяет образовать воспламеняемую смесь около свечи даже при небольшом количестве топлива. Для предотвращения обогащения смеси с увеличением нагрузки предусмотрено опережение впрыска. При максимальной нагрузке впрыск заканчивается за 70 – 90° до верхней мертвой точки.

Рис. 2.7. Фазы работы двигателя «РRОСО »: 1 – впрыск; 2 – зажигание;

3 – активное сгорание; 4 – догорание

Последние 40 - 50 лет почти все автомобилестроительные фирмы пытались строить бензиновые двигатели с расслоением заряда. Несмотря на большое число реализованных в опытных конструкциях целого ряда вариантов расслоения заряда и достигаемое при этом существенное уменьшение удельных расходов топлива на частичных нагрузках, ни одна из таких систем не получала широкого распространения по следующим причинам. Крайне трудно совместить расслоение заряда на частичных нагрузках с требованием достаточно высокой его однородности на полных одновременно с требованием сохранения в области искрового разряда состава смеси, близкого к стехиометрическому. В следующем параграфе представлены современные методы решения этой проблемы.

Современные способы реализации непосредственного впрыска

Двигатели с непосредственным впрыском и расслоением заряда первого поколения. Разделяют три основных вида бензиновых двигателей с непосредственным впрыском и расслоением заряда:

1. Двигатели с непосредственным впрыском первого поколения. Свеча зажигания и форсунка располагаются достаточно далеко друг от друга. Формирование смеси в районе искрового разряда, реализуется преимущественно за счет взаимодействия топливной струи со стенкой камеры сгорания (далее «СКС»).

2. Двигатели с непосредственным впрыском также первого поколения. Свеча зажигания и форсунка располагаются достаточно далеко друг от друга. Формирование смеси в районе искрового разряда, реализуется преимущественно за счет взаимодействия топливной струи со специально организованным вихрем («вихрь»).

3. Двигатели с непосредственным впрыском второго поколения. Искровой разряд располагается вблизи границ струи, в зоне турбулентного перемешивания.

Таблица 2.1[6]

Главное преимущество концепции первого поколения состоит в том, что решена проблема загрязнения свечи зажигания, так как топливо доставляется к свече зажигания достаточно испаренным и перемешанным с воздухом. Концепция двигателей первого поколения «СКС» имела следующие четыре основные черты:

• Поток внутри цилиндра образуется в виде вертикального вихря либо за счет специальных дополнительных заслонок на впуске (далее вихревая заслонка) (рис. 2.8), либо за счет вертикальных впускных каналов (рис. 2.9).

• Электромагнитная вихревая форсунка распыляет при относительно низком давлении нагнетания.

• Поршень, геометрия которого разработана таким образом, чтобы оптимизировать отражение топливовоздушной струи и подвод смеси к свече зажигания (рис. 2.9, 2.10).

• Изменение угла опережения впрыска в зависимости от нагрузки (рис. 2.10). Для образования гомогенной смеси на полной нагрузке используется ранний впрыск во время такта впуска. Расслоение на частичных нагрузках и холостом ходе осуществляется за счет позднего впрыска во время такта сжатия.

Рис. 2.8. Создание «вертикального» вихря за счет дополнительной заслонки на впуске [7]

Первой реализовала данную концепцию фирма Мitsubishi. На рис. 2.9 представлена схема процесса. Вихрь создается за счет вертикальных впускных каналов. Условия протекания процесса позволяют повысить степень сжатия до 12, а отношение масс воздуха и топлива на частичных нагрузках – до 1:40. Давление впрыска составляет примерно 5 МПа.

Рис. 2.9. Схема смесеобразования в зависимости от нагрузки [7]

На рисунке 2.10 приведена схема реализации концепции СКС в двигателе VW FSI (Fuel Stratified Injection). Процесс схожий с Мitsubishi, но вихрь создается за счет дополнительной заслонки на впуске.

Рис.2.10. Схема процесса VW-FSI [15]:

1 – вихревая заслонка; 2 – впускная труба; 3 – дроссельная заслонка;

4 – впускной клапан

После первого запуска бензинового двигателя с непосредственным впрыском в массовое производство в 1996 году, на рынке появилось множество альтернативных схем, использующих различные виды вихрей, формы камер сгорания и форсунок. Хотя некоторые схемы использовали концепцию «СКС», другие концепцию «вихрь», такой вид классификации, как представляется, имеет мало смысла. Это объясняется тем, что их разделение достаточно условно, поскольку в обеих схемах реализуются одновременно в той или иной мере и формирование смеси за счет направленного вихря, и за счет формы камеры сгорания. Деление было принято, по-видимому, потому, чтобы подчеркнуть некоторое упрощение формы поршня и снижение площади его поверхности в двигателях, реализующих вторую схему. Поэтому часто при классификации первые два типа двигателей с непосредственным впрыском не разделяют.

В качестве примера реализации концепции «вихрь» можно привести процесс на двигателе Audi 2,0l FSI (рис.2.11). Максимальный коэффициент избытка воздуха на холостом ходе составляет α = 3.9, сокращение расхода топлива на этом режиме по сравнению со схемой впрыска во впускную систему составляет 41%.

Рис. 2.11. Схема процесса Audi 2,0 l FSI [15]:

слева режим гомогенного смесеобразования на высоких нагрузках,

справа режим расслоения заряда на низких нагрузках и холостом ходе

Двигатели с непосредственным впрыском и стехиометрической стратегией управления. Хотя преимущества в топливной экономичности бензиновых двигателей с непосредственным впрыском и расслоением заряда на частичных нагрузках во время их запуска в 1996 году были значительными, по сравнению с аналогами с впрыском топлива во впускную трубу, за последующие 10 лет они постепенно потеряли часть своих преимуществ. Причиной этому являются следующие основные факторы:

Двигатели с впрыском топлива во впускную систему значительно улучшились.
Появились усовершенствованные технологии передачи мощности.
Режимы экономичной работы бензиновых двигателей с непосредственным впрыском не могли быть в полной мере реализованы из-за необходимости удовлетворения все более строгих норм токсичности.

Кроме того, в последние годы возросла удельная мощность дизельных двигателей при сохранении традиционно высокой топливной экономичности. Этот фактор также способствовал уменьшению интенсивности исследований в области бензиновых двигателей с непосредственным впрыском и расслоением заряда.

Самым значительным развитием двигателей с впрыском топлива во впускную трубу было введение технологий регулируемых фаз газораспределения, которые являются теперь стандартными. Стало возможным снижение насосных потерь на частичных нагрузках.

Новые передачи, такие как бесступенчатая коробка передач, многоступенчатая автоматическая коробка передач и т.д. являются технологиями способными улучшить эффективность передачи путем минимизации работы двигателя на низких нагрузках.

Наконец, хотя технологии нейтрализации оксидов азота при работе двигателя в широком диапазоне коэффициентов избытка воздуха интенсивно развиваются, его эффективность пока составляет около 90%. Эффективность же его конкурента – трёхкомпонентного нейтрализатора, использующегося в двигателях с впрыском топлива во впускную систему, может превышать 99%. Таким образом, можно утверждать, что эффективностью бензиновых двигателей с непосредственным впрыском пожертвовали для того, чтобы достичь уровня выбросов, сопоставимых с двигателем с впрыском топлива во впускную систему. Однако в настоящее время расход топлива вновь привлекает все больше внимания из-за акцента на глобальном потеплении и истощении ресурсов ископаемых топлив, что привело к возобновлению интереса к двигателям с непосредственным впрыском топлива второго поколения, которые будут представлены позже.

Некоторым компромиссом в этом направлении является концепция бензиновых двигателей с непосредственным впрыском топлива и стехиометрическим составом смеси независимо от нагрузки. Топливо в этом способе впрыскивается в цилиндр только во время такта впуска, в результате чего реализуются только однородные стехиометрические смеси. Хотя улучшение топливной экономичности по сравнению с двигателями с впрыском во впускную систему, которое получается за счет более высокой степени сжатия, незначительно, этот подход имеет то преимущество, что позволяет использовать для нейтрализации отработавших газов трехкомпонентный каталитический нейтрализатор, эффективность которого как уже отмечалось около 99%.

Причины, которые обуславливают возможность увеличения степени сжатия, следующие. В случае двигателей с впрыском топлива во впускную систему часть затрат теплоты на испарение топлива компенсируется теплоподводом от поверхностей впускных клапанов, головки и гильзы цилиндра и т.д. В случае раннего непосредственного впрыска, контакт с элементами системы впуска исключен. Контакт топлива осуществляется в основном только с головкой поршня, который также можно минимизировать при правильном сочетании движения поршня к НМТ и движением струи. Таким образом, испарение топлива идет в основном за счет энергии воздуха, что снижает его температуру примерно на 15K. Это означает, что температура смеси в конце такта сжатия может быть снижена примерно на 30К. К тому же в случае непосредственного впрыска топливовоздушная смесь более неоднородна.

Достигнутый уровень степени сжатия аналогичен двигателям с расслоением заряда и составляет величину равную примерно 12. Это приводит к снижению расхода топлива на 3 – 10% по сравнению с двигателями с впрыском во впускную систему. Давление впрыска составляет 5-20 МПа.

В качестве примера можно привести 12 цилиндровый двигатель BMW, где непосредственный впрыск бензина комбинируется с системой Valvetronic (описание системы будет представлено в отдельном разделе). Дроссельная заслонка отсутствует. Максимальное давление впрыска составляет 12 МПа. Топливо впрыскивается вихревой форсункой на такте впуска. Применение системы Valvetronic позволяет снизить насосные потери. Кроме этого, перенос критического сечения на клапан, увеличение его значения позволяет существенно увеличить скорость и турбулентность течения, как на клапане, так и в цилиндре. Тем самым, улучшается смесеобразование, особенно в режиме холодного пуска. Все в сумме позволило увеличить мощность на 3%, крутящий момент на 5% и снизить расход топлива примерно на 10% по сравнению с двигателем с впрыском топлива во впускную систему. Эти улучшения были достигнуты при использовании традиционного трехкомпонентного нейтрализатора без ужесточения требований к содержанию серы в топливе.

Как видно улучшение топливной экономичности не существенно. Но когда данная концепция впрыска применяется в сочетании с наддувом, это улучшение имеет более высокий потенциал. Применение турбонаддува позволяет использовать небольшой турбированный двигатель вместо большого атмосферного двигателя той же мощности, что дает два преимущества с точки зрения улучшения топливной экономичности:

1.Меньший вес и габариты двигателя.

2. Меньшие потери на трение и насосные потери.

Не смотря на то, что возможности снижения расхода топлива бензиновых двигателей при применении наддува известны давно, он не имел широкого распространения ввиду необходимости снижения из-за детонации степени сжатия. Улучшение антидетонационных характеристик бензинового двигателя с непосредственным впрыском свело к минимуму требования для ее снижения. Таким образом, сочетание турбонаддува и непосредственного впрыска топлива приводит к тому, что может быть компенсирован определенный процент потерь топливной экономичности, вызванный отказом от обеднения смеси на частичных нагрузках. Учитывая возможность использования традиционного трехкомпонентного каталитического нейтрализатора, данная концепция организации рабочего процесса приобрела в последнее время большую популярность. Большинство конструкции с непосредственным впрыском и стехиометрической стратегией управления нагрузкой используют для сохранения высокой интенсивности турбулентности на низких частотах вращения (менее 3000 об/мин) дополнительные заслонки для создания горизонтального или вертикального вихревого движения. Ниже приведены примеры реализации концепции.

Двигатель 2,0 TFSI применяется для Audi S3. По сравнению с базовым вариантом мощность возросла с 147 до 195 кВт. Степень сжатия снизили с 10,3 у безнаддувного варианта до 9,8 в турбированном исполнении. Максимальное давление в цилиндре 11 МПа, среднее эффективное давление 2,2 МПа.

Фирма Volkswagen под аббревиатурой TSI вывела на рынок 1,4 литровый мотор с комбинированным турбо- и приводным наддувом (описание системы будет представлено в отдельном разделе). Данный тип наддува используется в комбинации с непосредственным впрыском бензина впервые. Впрыск осуществляется вихревой форсункой с давлением впрыска 12 МПа. Степень сжатия равна 10.

BMW также разработала двигатель непосредственным впрыском HPI (High Precision Injection) и стехиометрической стратегией управления нагрузкой (рис.2.12). Система впрыска разработана совместно с фирмой Siemens. Турбонаддув – посредством импульсной парциальной турбины. Пъезофорсунка расположена центрально между клапанами. Степень сжатия равна 10,2.

Рис.2.12. Двигатель BMW с центрально расположенными форсункой и свечой зажигания [15]

Двигатели с непосредственным впрыском и расслоением заряда второго поколения. В настоящее время расход топлива вновь привлекает все больше внимания из-за акцента на глобальном потеплении и истощении ресурсов ископаемых топлив, который привел к возобновлению интереса к двигателям с непосредственным впрыском топлива. Основной причиной внедрения концепции второго поколения, несмотря на свои очевидные технические трудности, в том, что она способна существенно расширить диапазон изменения коэффициента избытка воздуха, тем самым снизить расход топлива на частичных нагрузках по сравнению с двигателями с непосредственным впрыском первого поколения. Формирование смеси в районе искрового разряда в данной концепции не зависит ни от формы полости поршня, ни от потока внутри цилиндра. Преимущества этой концепции по сравнению с двумя другими приведены в табл. 2.1. Близкое расположение форсунки и свечи зажигания требует очень точного расположения искрового зазора, около которого в момент воспламенения должна быть смесь близкая к стехиометрической. Хотя концептуально это кажется довольно простым, на практике очень трудно иметь высокую повторяемость характеристик струи, смесеобразования и воспламенения для каждого цикла. Следует подчеркнуть, что условия весьма неблагоприятны для надежного зажигания из-за [15]:

• высокой скорости двухфазного потока в непосредственной близости от свечи зажигания;

• возможности появления крупных капель;

• колебания угла конуса струи;

• различия в характеристиках искрового разряда;

• колебания местной скорости впрыска и состава горючей смеси.

Таким образом, характеристики системы впрыска топлива играют ключевую роль в повторяемости процесса горения, который определяет шансы на успех концепции бензиновых двигателей с непосредственным впрыском второго поколения. В течение последних лет специально для бензиновых двигателей с непосредственным впрыском были разработаны два типа форсунок: электромагнитная бесштифтовая многодырчатая форсунка и пьезоэлектрическая форсунка с открывающимся наружу штифтовым распылителем. Оба варианта обеспечивают значительные преимущества по сравнению с вихревой форсункой, широко использующейся в бензиновых двигателях с непосредственным впрыском первого поколения (табл.2.2).

Рис. 2.13 Компоновка элементов концепции второго поколения [15]

В отличие от бесштифтовой форсунки, которая схожа с дизельными аналогами, пьезоэлектрическая форсунка с открывающимся наружу штифтовым распылителем представляет собой относительно новую конструкцию, специально созданную для второго поколения бензиновых двигателей с непосредственным впрыском топлива. Дальнобойность струи такой форсунки является функцией от термодинамических параметров (давления/температуры). С увеличением противодавления струя становится более компактной, четче проявляется головной вихрь (рис.2.14). Кроме того, необходимо иметь в виду, что головной вихрь увеличивается в размерах, с ростом расхода топлива. Создание завихрений на границах струи и их устойчивость в пространстве относительно свечи зажигания являются ключевыми процессами концепции. Стабильный диапазон зажигания в условиях расслоения заряда составляет примерно ± 2,5 градусов угла ПКВ относительно конца впрыска.

Несмотря на значительно более высокую цену, чем у бесштифтовой форсунки, новая пьезоэлектрическая форсунка с открывающимся наружу штифтовым распылителем, позволяет реализовать очень быстрое открытие и закрытие, и соответственно – многофазный впрыск. Кроме того, процесс с такой конструкцией форсунки позволяет уменьшить загрязнение и намокание свечи зажигания по сравнению с бесштифтовой форсункой.

Таблица 2.2 [6]

Бесштифтовой многодырчатый тип форсунки имеет много преимуществ (см. табл. 2.2), несмотря на более высокую склонность к закоксовыванию форсунки и намоканию свечи зажигания. Главным из них является большая гибкость в геометрии и пространственной ориентации отверстий форсунки, которая допускает большое их количество (6 - 12), различие размеров, расположения (симметрично и асимметрично) и соотношений длины к диаметру (L/D). К тому же электромагнитные бесштифтовые форсунки проще и дешевле, чем пьезоэлектрические форсунки с открывающимся наружу штифтовым распылителем. Свеча зажигания может располагаться вблизи одной из струй.

Рис.2.14 Распространение струй при различных противодавлениях [7]

Первой представила серийный образец двигателя c впрыском второго поколения фирма DaimlerChrysler (рис.2.15). Двигатель с аббревиатурой M272 DE 35 установлен на автомобиле Mercedes CLS 350 CGI. Это 3,5 литровый V-образный шестицилиндровый двигатель с центрально расположенной в 4 клапанной головке цилиндра пъезофорсункой с открывающимся наружу штифтовым распылителем фирмы Бош. Свеча зажигания расположена таким образом, что ее электроды позиционированы в пограничном слое струи. Топливо подается в камеру сгорания посредством трехкратного впрыска с давлением до 20 МПа. Степень сжатия равна 12,2. В зависимости от степени расслоения сокращение расхода топлива по сравнению с аналогом со впрыском во впускную систему составляет от 10 до 40%. Сокращение расхода по европейскому ездовому циклу составляет 10%. При этом двигатель имеет на 15 кВт больше мощности (максимальная 215 кВт). В точке поля нагрузок n = 2000 об/мин, p_e = 0,2 МПа удельный расход топлива достигает 290 г/кВтч, против 360 г/кВтч аналога со впрыском во впускную систему. Минимальный удельный эффективный расход топлива составляет 240 г/кВтч.

Рис.2.15. Разрез двигателя DaimlerChrysler M272 DE [15]

Фирма BMW также разработала двигатели с непосредственным впрыском бензина HPI (High Precision Injection) и расслоением заряда второго поколения. Эти двигатели снабжены идентичной «стехиометрическому» двигателю с турбонаддувом системой впрыска. Двигатели имеют центрально расположенную форсунку и, размещенную в непосредственной близости от нее, свечу зажигания. Впрыск производится пъезофорсункой с открывающимся наружу штифтовым распылителем, которая, наряду с многократной подачей топлива, позволяет также реализовать полные и частичные подъемы штифта. Трехцилиндровый аксиально-поршневой насос создает максимальное давление топлива 20 МПа. Степень сжатия равна 12. Минимальный удельный эффективный расход топлива составляет 240 г/кВтч. В точке поля нагрузок n = 2000 об/мин, p_e = 0,2 МПа удельный расход топлива достигает 295 г/кВтч. По сравнению с лучшим по экономичности бензиновым аналогом с системой Valvetronic (g_e= 340 г/кВтч) расход ниже на 13%. В области частичных нагрузок эти двигатели достигли расходов топлива дизельных двигателей.

Пневматическая система распыливания используется в системах впрыска, разработанных австралийской моторостроительной фирмой Orbital (рис.2.16). В коммерческую эксплуатацию были введены в мотоциклах, подвесных моторах начиная с середины 1990-х годов. Высокое качество распыливания позволяет воспламенять даже тяжелые топлива. Характеристики струи практически не зависят от типа топлива (рис. 2.17). Система впрыскивает топливо под небольшим давлением (0,8 МПа) вместе с подачей небольшого количества сжатого воздуха для улучшения смесеобразования. Сжатый воздух для системы топливоподачи подается небольшим компрессором, развивающим давление около 0,6 МПа. Топливовоздушная смесь впрыскивается непосредственно к свече зажигания, при этом не требуется специальной формы поверхности поршня или специально организованного вихревого движения воздуха в целях достижения стабильного воспламенения топлива. Форма поверхности поршня выбирается в большей мере из условий сгорания, а не воспламенения. Максимальное соотношение воздуха к топливу на холостом ходе равна 50:1, степень сжатия - 10,5.

Рис. 2.16 Элементы, реализующие процесс Orbital [13]

При больших нагрузках бензиновые двигатели с непосредственным впрыском топлива, используют стратегию раннего впрыска, где характеристики горения идентичны характеристикам при предварительном смесеобразовании в двигателях с впрыском топлива во впускную трубу. Тем не менее, улучшение эксплуатационных характеристик двигателей реализуется за счет улучшения противодетонационных характеристик и, соответственно, возможности повышения степени сжатия, в большинстве случаев до 12. Объясняется это следующим. В случае двигателей с впрыском топлива во впускную трубу часть затрат теплоты на испарение топлива компенсируется теплоподводом от поверхностей впускной системы, головки и гильзы цилиндра. В случае раннего непосредственного впрыска, струя топлива следует за поршнем и отражение жидкого топлива от головки поршня можно минимизировать. Таким образом, испарение топлива идет в основном за счет энергии воздуха, что снижает его температуру предположительно на 15K. Это означает, что температура смеси в конце такта сжатия может быть снижена примерно на 30К. К тому же в случае непосредственного впрыска топливовоздушная смесь более неоднородна, и степень ее неоднородности можно регулировать за счет угла опережения впрыска.

Представляется перспективным сочетание концепции второго поколения с турбонаддувом. В данном случае провал тяги, который является одним из недостатков турбонаддува в бензиновых двигателях, может быть уменьшен, потому что до ускорения двигатель работает на бедном режиме, соответственно масса отработавших газов поступающих на турбину больше, чем в двигателе со стехиометрической стратегией управления мощностью. Скорость вращения турбины и компрессора до ускорения поддерживается на уровне в 2 или 3 раза выше, тем самым, уменьшая провал тяги при ускорении.

Вопросы для самоконтроля

1. Детонация в ПДВС. Причины возникновения.

2. Влияние детонации на эффективные показатели двигателя.

3. Какие факторы влияют на склонность двигателя к детонации?

4. Причины отсутствия детонации в дизельных ДВС. Возможно ли осуществление детонационного сгорания в дизельных ДВС?

5. Методы борьбы с детонацией.

6. Как влияет на развитие детонации размер очага воспламенения?

7. Объясните причины отсутствия детонации при воспламенении от искрового разряда и развития детонации от очага самовоспламенения в одном и том же цикле двигателя?

8. Как влияет на склонность к детонации эффективная энергия активации реакций самовоспламенения?

9. Как влияет на склонность к детонации форма поверхности очага воспламенения? В каком случае ударная волна затухнет быстрее: при распространении расходящегося сферического, расходящегося цилиндрического фронтов или при одномерном распространении плоской ударной волны?

10. Скорость распространения ламинарного пламени, определяемая скоростью химической реакции и процессами молекулярного переноса составляет десятки сантиметров в секунду. Скорость распространения турбулентного пламени, определяемая скоростью химической реакции и процессами турбулентного переноса составляет десятки метров в секунду. Какой механизм позволяет не отстать зоне пламени от ударной волны, движущейся со скоростью в сотни и даже тысячи метров в секунду?

11. Преимущества и недостатки ДВС с искровым воспламенением.

12. Причины возможности реализации состава смеси, близкого к стехиометрическому, и сложности реализации высоких коэффициентов избытка воздуха в бензиновых двигателях.

Рекомендация для Вас - 1 Жидкотекучесть литейных сплавов.

13. Назовите причины, которые определяют возможность повышения степени сжатия в двигателях с высокой турбулизацией заряда.

14. Назовите причины, которые определяют возможность повышения степени сжатия в двигателях с непосредственным впрыском топлива.

15. Перечислите преимущества и недостатки расслоения смеси на частичных нагрузках.

16. Перечислите преимущества и недостатки двигателей с непосредственным впрыском и стехиометрической стратегией управления нагрузкой.

17. В чем заключаются преимущества систем впрыска второго поколения по сравнению с первым?

18. В чем заключается сложность реализации систем впрыска второго поколения?

Поделитесь ссылкой:

Популярные услуги