Чайнов Н.Д. - Конструирование двигателей внутреннего сгорания, страница 95

Дляуменьшения материалоемкости и451Рис. 11.2. Поперечный разрез автомобильного двигателя с принудительным воспламенениемтипа 2 Ч7,6/7,1массы двигателя, а также снижениястоимости его изготовления все шире применяют алюминиевые сплавы, композиционные материалы,порошковые материалы и керамики.Примером рядного двухцилиндрового четырехтактного карбюраторного двигателя является двигатель, устанавливаемый на автомобиль "Ока" (рис. 11.2). В пятицилиндровых двигателях силы инерции первого и второго порядковуравновешены, а моменты от этихсил воспринимаются упругими опорами и гасятся демпфером.Однако, несмотря на удовлетворительные показатели по массе иразмерам, высокую литровую мощность, хорошую динамику автомобиля, отлаженную технологию производства и низкую стоимость изготовления, двигатели с принудительным воспламенением не отвечают вполной мере современным требованиям с точки зрения эксплуатационной экономичности и токсичности отработавших газов.При движении автомобиля погороду двигатель работает б\льшуючасть времени на переходных режимах при частых пусках и недостаточном прогреве.

В этих условияхдвигатели легковых автомобилейимеют пониженную экономичностьи высокую токсичность отработавших газов. Если при полной нагрузке двигателя с принудительнымвоспламенением hе = 30–32 %, то452при работе на частичных нагрузкахhе = 5–15 %. Для устранения этихнедостатков необходимо улучшитьработу двигателей с принудительным воспламенением на переходных режимах.Снижение вредных выбросов приработе двигателей и топливная экономичность связаны между собой.Помимо традиционных токсичныхсоставляющих, все большее внимание уделяется снижению количествауглекислого газа, что напрямую связано с уменьшением расхода топлива.Для двигателей современных автомобилей малого и в ряде случаев среднего класса требуется ограничениерасхода топлива до 5 л на 100 км пробега и далее до 3,5 л при ужесточениинормирования выбросов СО2.

Достижение этих целей связано с реализацией известных решений: применением четырехклапанной головки цилиндров с двумя впускными каналами; организацией многостадийноговпрыска топлива в цилиндр; повышением энергии электрического разряда при центральном расположениисвечи зажигания; обеспечением переменного давления впрыска; управляемым расслоением заряда и работой на бедных смесях; повышениемстепени рециркуляции; установкойсовершенных нейтрализаторов.В настоящее время во вновь разрабатываемых конструкциях двигателей с принудительным воспламенением наметилась тенденция повышения степени сжатия e. Приконтроле детонации вибродатчиком,устанавливаемым в головке цилиндров, степень сжатия e можно повышать до границы детонации.

Увеличение e на дветри единицы обусловливает снижение расхода топлива на 8–10 %. Особенно целесообразно повышать фактическое значение e при работе двигателя на режимах частичных нагрузок.Для снижения расхода топливапри работе двигателя на частичныхнагрузках в некоторых конструкциях используют системы, автоматически увеличивающие e на этих режимах вследствие изменения ходапоршня. В результате этого обеспечивается оптимальная по экономичности степень сжатия при работе двигателя на любом режиме.Одновременно снижается и токсичность отработавших газов.При работе двигателей с принудительным воспламенением на сильнообедненных смесях также повышается топливная экономичность и снижается токсичность отработавших газов.

Однако работа двигателя в этомслучае ограничивается верхним пределом воспламенения смеси.Одним из возможных методовповышения экономичности двигателей с принудительным воспламенением является отключение частицилиндров при работе на частичныхнагрузках. Это возможно при числецилиндров свыше четырех и особенно эффективно в двигателях с Vобразной компоновкой. Цилиндрыотключаются автоматически электронной системой, которая в то жевремя одновременно увеличиваетподачу топлива в работающие цилиндры. Кроме того, эта системаобеспечивает и изменение порядказажигания в работающих цилиндрах, что уменьшает неравномерность вращения коленчатого вала.Для исключения влияния насосныхпотерь в неработающих цилиндрахпредусмотрено выключение из работы впускных и выпускных клапанов. Отключение цилиндров целесообразно при непосредственномвпрыске топлива во впускной трубопровод каждого цилиндра.Испытания показали, что приотключении части цилиндров приработе на частичных нагрузках453средние эксплуатационные расходы топлива снижаются на 25–30 %.В настоящее время все большеевнимание уделяется переводу двигателей с принудительным воспламенением легковых автомобилей на газообразное топливо, в частности, насжиженный и сжатый природныйгаз.

Конструкция двигателя при этомпрактически сохраняется, изменяетсятолько система топливоподачи. Газовые двигатели лучше пускаются принизкой температуре, имеют более однородную топливовоздушную смесь срасширенными пределами горючести, меньшие отложения на свечах истенках камеры сгорания, что снижает стоимость эксплуатации и увеличивает долговечность двигателя.В газовых двигателях по сравнению с бензиновыми двигателями,содержание тяжелых углеводородови оксидов азота в отработавших газах значительно ниже, причем большее снижение токсичности наблюдается на режимах пуска и прогрева.При переводе двигателя с принудительным воспламенением на газообразное топливо для компенсации потери мощности, возникающей вследствие разной теплоты сгорания этих топлив, повышают степень сжатия до 11–13. Однако широкое использование газа в качестветоплива автомобильных двигателейтребует организации сети заправочных станций и обслуживания.

Кроме того, увеличивается масса автомобиля за счет установки дополнительного оборудования и, в первуюочередь, газовых баллонов.Для автомобильных двигателейвозможно также применение топлива, получаемого из возобновляемыхисточников: продуктов земледелия,лесоводства и др. В качестве такоготоплива перспективны спирты – этанол и метанол. Однако используемыев чистом виде спирты обладают существенными недостатками – имеютвысокую скрытую теплоту испарения, что затрудняет пуск холодногодвигателя, пониженную теплоту сгорания, а также достаточно высокуюстоимость.

Тем не менее, этанол нашел применение в некоторых странах. Спирты используют и в виде добавки к бензину (например, газохол– бензина 90 % и этанола 10 %).Длительное время проводятсяисследования по использованиюводорода в качестве топлива длядвигателей внутреннего сгорания, втом числе и для двигателей легковых автомобилей.

Широкие пределы воспламеняемости водородновоздушной смеси (a = 0,14–10) посравнению с бензиновоздушной(a = 0,4–1,4) позволяют реализовать в двигателе с принудительнымвоспламенением качественное регулирование, что обеспечивает высокую топливную экономичность.Заметное улучшение эксплуатационной экономичности и снижения токсичности отработавших газов по ряду компонентов связано сприменением на легковых автомобилях дизелей. Широкому использованию дизелей на легковых автомобилях способствует их более высокая экономичность по сравнениюс двигателями с принудительнымвоспламенением: до 35 % в условияхгородского движения, до 15 % всредних дорожных условиях и до5 % при движении на магистралях.Учитывая массовый характерпроизводства двигателей для легковых автомобилей, большинство автомобильных фирм для снижениястоимости производства создают дизели на базе существующих двигателей с принудительным воспламенением, унифицируя основные детали.В основном на легковых автомобилях используют четырехцилиндровые четырехтактные дизели с рядным454вертикальным расположением цилиндров.

Реже применяют пяти ишестицилиндровыеконструкции.Блоки цилиндров, как правило, литые чугунные с рабочими цилиндрами, выполненными непосредственнов блоке. Реже используют вставныегильзы цилиндров как "мокрые", таки "сухие". Головку блока цилиндровчаще выполняют из алюминиевогосплава, реже из чугуна. Дизели легковых и малотоннажных грузовых автомобилей с неразделенными (однополостными) камерами называютсядвигателями с непосредственнымвпрыском. Такие дизели отличаютсясущественным улучшением экономичности по сравнению с дизелями сразделенными камерами.Привод распределительного валав дизелях осуществляется, главнымобразом, сдвоенной цепью или зубчатым ремнем.

При этом применяют, как правило, верхнее расположение распределительного вала. Втопливной аппаратуре, кроме насосов высокого давления распределительного типа, используют аккумуляторную систему типа CommonRail, а также насосфорсунки. В результате применения турбонаддувакомпенсируется снижение агрегатной мощности дизеля по сравнениюс исходным двигателем с принудительным воспламенением того жерабочего объема.При установке турбокомпрессораухудшается приемистость двигателя.Поэтому используют ротор турбокомпрессора меньших размеров приодновременном повышении его частоты вращения. Дизель с наддувомимеет тяговые характеристики иудельные показатели по массе и размерам, близкие к показателям двигателя с принудительным воспламенением, вместо которого он устанавливается, меньшие расход топлива итоксичность отработавших газов.В конце 60х и начале 70х гг.большое внимание уделялось развитию роторнопоршневых двигателейс принудительным воспламенением.Эти двигатели имеют по сравнению собычными поршневыми двигателямиулучшенные некоторые показатели,включая меньшие массу и размеры.Однако по ряду основных показателей, включая эксплуатационную экономичность, токсичность отработавших газов и надежность, они уступают традиционным поршневым двигателям.