Метод совершенствования процесса смесеобразования для двигателя с искровым зажиганием и расслоением заряда (1095054), страница 3
Текст из файла (страница 3)
В общем случае использование вихревого13движения заряда увеличивает индикаторный КПД рабочего процесса ввиду трехфакторов: сокращения времени сгорания, расширения пределов обеднения исоздания условий для увеличения степени сжатия. При этом по сравнению скаким-либо другим крупномасштабным внутрицилиндровым течением, призакрутке заряда создается более высокая турбулентность в процессе сгорания,которая обеспечивает быстрое распространение фронта пламени и способствуетувеличению поверхности горения [27]. Вихревое движение заряда такжеспособствует повышению стабильности сгорания, что ведет к снижениювыбросов CO и CH [42, 55].
Повышение скорости сгорания ведет к увеличениютемператур и давлений в цилиндре, что способствует образованию оксидов азота,однако использование вихревого движения расширяет пределы использованиярециркуляции ОГ, которая позволяет снизить уровень выбросов NOx. Такжеотмечается, что при периферийном зажигании интенсивное вихревое движениезаряда препятствует гашению пламени на стенках, что является одной из причинобразования несгоревших углеводородов в ДВС. Вихревое движение заряда такжепозволяет бороться с другой причиной образования CH – осаждением топлива настенках [47].Высокий уровень турбулентности при закрутке заряда влияет не только напроцесс сгорания, но и на смесеобразование. Интенсивное движение зарядаспособствует быстрому испарению и перемешиванию топлива с воздухом, чтоповышает качество получаемой смеси.
При расслоении заряда закрутка потокатакже выполняет функцию распределения богатой и бедной смеси по объемуцилиндра с сохранением неравномерности коэффициента избытка воздуха.Как и многие технические решения, использование вихревого движениясвежего заряда имеет и недостатки. Интенсивное движение заряда ведет кувеличению тепловых потерь в стенки цилиндра. Впускные каналы с геометрией,инициирующей вихревое движение, имеют большее сопротивление, чемстандартные. Как уже отмечалось, увеличение скорости сгорания ведет квозрастанию температур и давлений в цилиндре, что приводит к увеличениюжесткости рабочего процесса, а, следовательно – шумности работы и нагрузки на14детали двигателя.
Требуется тщательно соотнести преимущества и недостатки,связанные с использованием вихревого движения в конкретном двигателе. Стоиттакже отметить, что интенсивность вихревого движения заряда, котораяпозволяет получить улучшение эффективных и экологических показателейдвигателя, имеет строго определенную величину для каждого режима работыДВС, поэтому желательно организовать управление вихревым движением зарядапосредством заслонок или клапанов.Существуют три способа генерации вихревого движения заряда (рисунок1.2) [27].
Первый заключается в использовании тангенциального впускногоканала (рисунок 1.2, а), направленного по касательной к стенке цилиндрадвигателя. При этом создается вихревое движение, направляющееся к поршню повинтообразной траектории. Угол наклона β такого канала обычно меньше, чем уканала обычного ДВС, не обеспечивающего закрутку потока. Истечение попериметру клапанной щели неравномерное, что связано с соударением заряда состержнем и тарелкой клапана и отражением от них. В цилиндре возникаетобратный поток, который, сталкиваясь с основным, затухает. Турбулентноеперемешивание основного и обратного потоков при впуске приводит к потерямРисунок 1.2. Способы генерации вихревого движения заряда [27]:а – тангенциальный канал; б – винтовой канал; в – ширма на клапане15кинетической энергии заряда, которая должна сохраняться в цилиндре в процессесжатия.Второй способ (рисунок 1.2, б) связан с генерацией вихревого движения довхода заряда в цилиндр.
Движение свежего заряда задается формой впускногоканала, который выполняется в виде спирали, расположенной вокруг стержнявпускного клапана. В этом случае закрутка обусловлена геометрией самогоканала и слабо зависит от его расположения относительно оси цилиндрадвигателя. Истечение по периметру клапанной щели равномерное, что позволяетполучить относительно более высокий коэффициент расхода при той жеинтенсивности закрутки заряда. Винтовой канал может иметь как боковой, так ивертикальный подвод заряда.Третий способ (рисунок 1.2, в) предусматривает создание направленноговоздушного потока путем затенения части проходного сечения впускного клапанаспециальной вставкой – ширмой.
Ширма может быть расположена в головкецилиндра, или на самом клапане. В настоящее время подобный способ генерациивихревого движения практически не используется в серийных двигателях, так какиспользование ширмы ведет не только к увеличению массы и стоимостиклапанов, но и к снижению коэффициента наполнения на 5…10 %. Стоит такжеотметитьнеобходимостьфиксациивпускныхклапановсширмамиотпроворачивания. Однако ширмы широко используются в исследовательскихцелях, так как они позволяют быстро изменять интенсивность вихревогодвижения в цилиндре без изменения конструкции впускных каналов.Гидравлическое сопротивление двухфункционального канала, которыйслужит для закрутки потока, обычно выше, чем однофункционального, которыйслужиттолькодлянаполненияцилиндра.Следуетподчеркнуть,чтоинтенсивность вихревого движения, генерируемого впускным каналом, должнабыть оптимальной, поскольку как высокая, так и низкая интенсивность вихревогодвижения может привести к нежелательно высоким скоростям сгорания ичрезмерно интенсивной теплоотдаче, что снижает эффективные и экологическиепоказатели двигателя.
Форма впускных каналов должна быть согласована с16формой камеры сгорания так, чтобы в процессе наполнения имело местовысокоскоростное турбулентное течение, которое не затухает в процессе сжатия исохраняет достаточную степень турбулентности для ускорения перемещенияфронта пламени в процессе сгорания.В современных двигателях с НВБ наибольшее применение находитвертикальная закрутка, где ось вихря перпендикулярна оси цилиндра, так какэтому способствует форма поверхности поршня, а также четырехклапаннаяголовка с относительно большими углами наклона клапанов. Для двухклапаннойголовки с малыми углами наклона клапанов предпочтительной являетсягоризонтальная закрутка – при этом ось вихря совпадает с осью цилиндра [27].Отмечается, что горизонтальный вихрь менее подвержен диссипации, чемвертикальный, что позволяет дольше сохранять расслоение заряда в течениерабочего цикла [82].1.4.
Двигатели с искровым зажиганием, работающие на бедныхтопливовоздушных смесяхРазвитие двигателей с искровым зажиганием, работающих на обедненныхсмесях, началось в 20-е годы XX в. Шведский инженер Й. Гессельман разработалдвигательснепосредственнымвпрыскиваниемтоплива[45],которыйпредназначался для работы на тяжелых топливах, однако из-за низкой степенисжатия его запуск производился на бензине, а воспламенение производилосьсвечой зажигания.
Двигатель Гессельмана работал на бедных смесях, авпрыскивание топлива производилось в конце такта сжатия. В то же время Г.Рикардо во время своих исследований в 1922 г. выяснил, что устойчивогосгорания бедной смеси можно добиться, если создать в районе свечи зажиганиязону со смесью, состав которой будет близок к стехиометрическому [88].Подобная организация рабочего процесса получила название "расслоение заряда",так как в идеальном случае заряд располагается послойно с увеличением17коэффициента избытка воздуха по мере удаления от свечи зажигания.Работа двигателей с искровым зажиганием на бедных смесях долгое времяоставалась предметом исследований, которые становились все более актуальнымиввиду ужесточения норм токсичности ОГ.
Топливная экономичность такжеприобретала все большее значение, особенно в условиях топливного кризиса. В70-х годах XX в. начали появляться первые рабочие образцы двигателей сискровым зажиганием, работающих на бедных смесях. Разработка такихдвигателей проводится по двум основным направлениям:двигатели с разделенными камерами сгорания;двигатели с неразделенными камерами сгорания.1.4.1. ДВС с разделенными камерами сгоранияСамым простым способом улучшения условий сгорания бедной смеси былоразделение камер сгорания. Принцип такого технического решения состоял вследующем: в головке блока цилиндров выполнялась дополнительная камерасгорания небольшого объема (≈ 5 % объема камеры сгорания), соединенная сосновнойкамеройсгоранияузкимканалом.В дополнительнойкамере(форкамере) располагалась свеча зажигания.
При сжатии свежий заряд изосновной камеры сгорания попадал в форкамеру по узкому каналу, что вызывалоинтенсивное турбулентное движение и улучшало условия сгорания. Например, вфирме Toyota разработали двигатель с форкамерой Turbulence Generating Pot [84](рисунок 1.3). Двигатель с такой форкамерой мог устойчиво работать нагомогенной смеси с α ≤ 1,2.Для достижения больших α требовалось применение расслоения заряда. Этодостигалось путем подачи в форкамеру богатой смеси, при этом в основнуюкамеру сгорания подавалась бедная смесь.
При перемешивании двух смесей впроцессе сжатия в форкамере образовывалась смесь с составом, близким кстехиометрическому, что способствовало надежному воспламенению и быстрому18Рисунок 1.3. Схема двигателя Toyota с форкамерой TurbulenceGenerating Pot [73]распространению пламени в основном объеме камеры сгорания.
Наибольшееразвитие такие конструкции получили в СССР и Японии.В СССР работами по исследованию процессов сгорания расслоенныхсмесей с 1935 г. занимались ученые Института химической физики РАН во главес Н. Н. Семеновым [54]. Используя теорию цепных химических реакций Н. Н.Семенова и предложенный им цепочно-тепловой механизм воспламенения игорения, группа под руководством Л.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
