Метод совершенствования процесса смесеобразования для двигателя с искровым зажиганием и расслоением заряда (1095054), страница 4
Текст из файла (страница 4)
А. Гуссака проводила исследования,результатом которых стало открытие в 1974 г. явления высокой химическойактивности продуктов неполного сгорания богатой смеси с α = 0,4…0,7 [1].Существо этого открытия в том, что при сгорании богатой топливовоздушнойсмеси образуются продукты неполного сгорания, некоторые из которых имеютвысокую химическую активность – например, свободные атомы (H и др.) ирадикалы (CH3, CH). Поступая в топливовоздушную смесь во время ихобразования, они инициируют быстрые разветвленные цепные химическиереакции. Процесс сгорания начинается во всем объеме камеры сгорания сбольшой скоростью, высокой полнотой и устойчивостью.Открытие Л. А.
Гуссака позволило разработать новый способ зажигания вДВС [11] и создать ряд конструкций двигателей с форкамерно-факельнымзажиганием, которые успешно прошли испытания на моторных стендах и19автомобилях.Завод ГАЗ совместно с ЗМЗ и Ленинградским карбюраторным заводомпровел большой объем работ по разработке и доводке узлов и деталей двигателя сфоркамерно-факельным зажиганием, результатом которых в 1982 г.
стал запуск впроизводство двигателя ЗМЗ-4022.10 (рисунок 1.4). В основной объем цилиндрапо каналу 6 через впускной клапан 7 подавалась бедная смесь, которая готовиласьосновным карбюратором. В форкамеру 14 по каналу 3 через вспомогательныйклапан 12 подавалась богатая смесь с α = 0,3…0,4, которая к моменту поджиганиясвечой зажигания 13 обеднялась до α = 0,7..0,8 путем перемешивания сцилиндровой смесью. Форкамера соединялась с основной камерой сгорания 16сопловыми каналами 15. При поджигании богатой смеси в форкамере свечойРисунок 1.4.
Схема форкамерного ДВС ЗМЗ-4022.10 [14]:1 – цилиндр; 2 – поршень; 3 – канал подачи смеси в форкамеру; 4 – карбюраторфоркамерной смеси; 5 – карбюратор цилиндра; 6 – впускной канал;7 – впускной клапан; 8 – толкатель впускного клапана; 9 – коромысло; 10 –толкатель клапана форкамеры; 11 – головка цилиндра; 12 – клапан форкамеры;13 – свеча зажигания; 14 – форкамера; 15 – сопловой канал; 16 – камерасгорания; 17 – толкающая штанга; 18 – толкатель; 19 – распределительный вал20зажигания продукты ее сгорания распространялись в основную камеру сгорания,вызывая цепную реакцию горения в бедной смеси.Испытания автомобиля "Волга" с двигателем ЗМЗ-4022.10 показали, чтоприменениефоркамерно-факельногозажиганияпрактическиполностьюустраняет CO в ОГ, снижает концентрацию CH в 15-20 раз, а NOx – в два раза посравнению со стандартным двигателем с искровым зажиганием [34].
Подобныепоказатели были достигнуты благодаря возможности без пропусков зажиганиясжигать в цилиндре форкамерного двигателя смеси с α > 1,2.Двигатель подобной конструкции был разработан фирмой Honda в 1972 г.(рисунок 1.5) и получил название CVCC (Compound Vortex Controlled Combustion)[65]. Хотя этот ДВС также являлся форкамерным, процесс сгорания существенноотличался от разработанного Гуссаком: объем форкамеры и диаметр отверстий вней были существенно больше, чем в двигателе ЗМЗ, что влияло на характерраспространения пламени. Для оценки размеров форкамеры целесообразноиспользовать относительные параметры:а)б)где Vf – объем форкамеры, Vc – объем камеры сгорания;где Ft – площадь поперечного сечения соединительного канала (иликаналов).Так, для двигателя ЗМЗдвигателя CVCC, а,, для.
Если в двигателе ЗМЗРисунок 1.5. Схема ДВС Honda CVCC [104]21при прохождении сопловых отверстий пламя гасло и горение инициировалосьактивными продуктами неполного сгорания одновременно в нескольких точкахкамеры сгорания, то в двигателе CVCC фронт пламени распространялся отфоркамеры по объему камеры сгорания. Стоит отметить, что при малом диаметресопловых отверстий факел продуктов сгорания обладает большой проникающейспособностью, поэтому для предотвращения его столкновения со стенкой камерысгорания форкамера имеет небольшой объем. Двигатель CVCC успешно прошелиспытания американского агентства EPA (Environmental Protection Agency) ипоказал полное соответствие нормам выбросов вредных веществ с ОГ безиспользования систем очистки ОГ.
Отличительными особенностями двигателяявлялись также высокая стабильность сгорания даже при работе на бедныхсмесях, а также улучшенная топливная экономичность. Двигатель выпускалсясерийно до конца 80-х годов, однако ужесточение норм токсичности потребовалоприменения окислительного нейтрализатора и рециркуляции ОГ для снижениявыбросов токсических веществ с ОГ. Двигатель неоднократно модернизировался,и последний вариант конструкции имел форкамеру, смещенную к центру камерысгорания и снабженную пятью сопловыми отверстиями.Несколько отличную схему двигателя с разделенной камерой сгоранияпредставила фирма Volkswagen [62].
Двигатель PCI (рисунок 1.6) имелфоркамеру, в которой была установлена форсунка для впрыскивания топлива.Интересно отметить, что авторы исследовали также вариант с дополнительнымклапаномдляфоркамерыинашлипоказателитакойконструкциинеудовлетворительными.
Стоит также отметить, что соединительный каналмежду форкамерой и основной камерой сгорания был выполнен со смещением,что вызывало интенсивное вихревое движение, когда свежий заряд поступал вфоркамеру на такте сжатия. Исследования на одно- и четырехцилиндровойустановках показали возможность снижения выбросов NOx на 75 % по сравнениюсо стандартным двигателем, однако выполнение строгих требований к выбросамCH было невозможно без доработок. Серийное производство двигателя не былоорганизовано, как не пошел в серию и двигатель Porsche SKS (рисунок 1.7) [72].22Рисунок 1.6. Схема ДВС VolkswagenРисунок 1.7.
Схема ДВС Porsche SKSPCI [62][70]В этом двигателе использована свеча зажигания с встроенной форкамерой, вкоторую попадает богатая смесь, подаваемая форсункой, расположенной внебольшой вспомогательной камере. Таким образом, пламя распространяется изфоркамеры через вспомогательную камеру в основную камеру сгорания, гдебыстро охватывает весь объем свежего заряда ввиду высокой турбулентности.Как и в двигателе Volkswagen, в двигателе Porsche не удалось решить проблемуповышенных выбросов несгоревших углеводородов, хотя показатели топливнойэкономичности были улучшены.Основной проблемой форкамерных двигателейнастройкеиэксплуатации.Совершенствованиенейтрализации, а также электронногостали сложностисистемвпрыскиваниявкаталитическойтоплива вытеснилиавтомобильные форкамерные двигатели из серийного производства.
В настоящеевремя существуют лишь экспериментальные образцы таких двигателей, напримерфирмы Mahle [58, 61]. Однако форкамерные двигатели широко распространены вэнергетической промышленности, где форкамерное зажигание используется вдвигателях большого объема с диаметром цилиндра Dц > 100 мм, работающих наприродном газе [39, 63, 90]. Обеднение смеси в сочетании с высоким наддувомпозволяет получать высокие показатели эффективности, а также снизить выбросыNOx для выполнения современных норм.23Оригинальный способ расслоения заряда был предложен в 1962 г. В. М.Кушулем [36].
Двигатель (рисунок 1.8) имеет цилиндры I и II, которыесообщаются между собой тангенциальным каналом 3 в районе верхней мертвойточки (ВМТ). В цилиндрах расположены поршни 2 и 4, соединенные шатунами 1и5сколенчатымвалом6.ЦилиндрIзаполняетсяобогащеннойтопливовоздушной смесью, в цилиндр II дозируется чистый воздух. Движениепоршней происходит со сдвигом по фазе на 22…30 ° п. к. в., причем поршень 4отстает от поршня 2. За 10…12 ° до прихода поршня 2 в ВМТ происходитзажигание, при этом поршень 4 продолжает сжимать чистый воздух.
Когдадавление в цилиндре II превышает давление в цилиндре I, чистый воздухначинает перетекать по тангенциальному каналу из цилиндра II в цилиндр I,вызывая интенсивное вихревое движение заряда. Горение заканчивается вмомент, соответствующий ВМТ поршня 4, и расширение происходит в обоихцилиндрах.Особенностью двигателя является также различная степень сжатия вцилиндрах. В цилиндре I степень сжатия равна 6,5, тогда как цилиндр IIфактически не имеет камеры сгорания. Таким образом, общая степень сжатияРисунок 1.8.
Схема двигателя Кушуля [50]:1 – шатун цилиндра I; 2 – поршень цилиндра I; 3 – тангенциальный канал; 4 –поршень цилиндра II; 5 – шатун цилиндра II; 6 – коленчатый вал24составляет 11, однако склонность к детонации не была выявлена даже прииспользовании низкооктанового бензина.Отмечается, что двигатель Кушуля также имеет низкий уровень выбросоввредных веществ. Несмотря на большой объем проведенных исследований,производство двигателя начато не было, так как конструкция была признанаслишком сложной, а также имела высокий удельный вес.Еще один способ нестандартного разделения камеры сгорания предложилЛ.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
