Метод совершенствования процесса смесеобразования для двигателя с искровым зажиганием и расслоением заряда (1095054), страница 5
Текст из файла (страница 5)
М. Соболев [53]. Двигатель (рисунок 1.9) имел выступы на головке цилиндра ипоршне, которые при положении поршня в ВМТ разделяли камеру сгорания надве части, оставляя свободным узкий канал. Было разработано два вариантаподачи топливовоздушной смеси: топливо либо подавалось через канал 1непосредственно в конце впускного канала со стороны стенки камеры сгорания,либо перемешивалось с воздухом в канале 3 при подаче через канал 2 чистоговоздуха. Таким образом, к моменту зажигания в полости 5, где находилась свечазажигания 4, образовывалась богатая смесь, а в полости 6 – бедная смесь. ПриРисунок 1.9. Схема двигателя Соболева [52]:а – питание топливом по отдельному каналу; б – разделение впускноготрубопровода; в – первая фаза сгорания; г – вторая фаза сгорания;1 – канал для подачи топлива; 2 – канал для подачи воздуха; 3 – канал дляподачи топливовоздушной смеси; 4 – свеча зажигания; 5 – полость с богатойсмесью; 6 – полость с бедной смесью25сгорании факел горящих газов и активных продуктов неполного сгоранияраспространялся из полости 5 в полость 6 через узкий соединительный канал, чтовызывало интенсивное турбулентное движение смеси в полости 6, способствуя ееполному сгоранию.Результаты испытаний показали возможность снижения выбросов CO и NOxпри использовании обедненных смесей с α = 1,25…1,35, а также снижениесклонности ДВС к детонации, что позволило уменьшить октановое числоиспользуемого бензина на 12 единиц при сохранении степени сжатия.
Несмотряна положительные результаты испытаний, двигатель не был запущен в серийноепроизводство.1.4.2. ДВС с неразделенными камерами сгоранияКак упоминалось ранее, расслоение заряда проще всего получить, еслиразделить камеру сгорания на две части, в одной из которых будет находитьсяобогащенная смесь, а в другой – обедненная. Однако это приводит к увеличениюплощади поверхности теплообмена, а также усложнению конструкции ввидунеобходимости питания дополнительной камеры топливом. Таким образом,желательно получить расслоение заряда в неразделенной камере сгорания.Получение расслоенного заряда в неразделенной камере сгорания связано снесколькимисложностями.Дляполучениятребуемогораспределениятопливовоздушной смеси по объему цилиндра необходимо точное дозированиетоплива, а также специальная форма впускных каналов и камеры сгорания.
Приэтом следует учитывать тот факт, что на практике трудно реализовать резкийперепад коэффициента избытка воздуха по объему камеры сгорания, что ведет кобразованию смесей неоптимального состава на границе областей богатой ибедной смеси и, следовательно, приводит к увеличению выбросов несгоревшихуглеводородов. Еще одним фактором, который следует учитывать припроектировании двигателя с расслоением заряда, являются повышенные выбросы26оксидов азота ввиду наличия в цилиндре зон со стехиометрической смесью [3].История развития двигателей с непосредственным впрыскиванием бензинаведет свое начало от упомянутого выше двигателя Гессельмана. Однако, первымидвигателями с непосредственным впрыскиванием топлива и расслоением заряда вцилиндре были разработки американских фирм Ford и Texaco.КомпаниейFordбылразработандвигательPROCO(PROgrammedCOmbustion) [92] (рисунок 1.10), который имел топливную систему низкогодавления и центрально расположенную форсунку, подававшую факел топлива суглом распыливания около 90°.
Капли топлива имели достаточно большой размер(≈ 100 мкм) и низкую скорость (≈ 50 м/с). Система впуска обеспечивалаинтенсивное вихревое движение свежего заряда. При работе с высокой нагрузкойвпрыск осуществлялся на такте впуска, что позволяло получить гомогеннуюсмесь к моменту зажигания. На частичных нагрузках впрыск производился насередине такта сжатия. Таким образом, к моменту зажигания происходилосущественное перемешивание паров топлива с воздухом, однако в цилиндресохранялась неравномерность распределения богатой и бедной смеси.
Двигательпоказал лучшую топливную экономичность и меньшие выбросы NOx посравнению с карбюраторным ДВС, однако большие выбросы CO и CH. Длясниженияпоследнихприменялисьтермореакторыиокислительныенейтрализаторы, а снижение уровня выбросов оксидов азота достигалось путемРисунок 1.10. Схема двигателя Ford PROCO [104]27применения рециркуляции ОГ (во время исследований степень рециркуляциидоводилась до 40 % без пропусков зажигания [81]).В двигателе Texaco TCCS (Texaco Controlled Combustion System) [83](рисунок 1.11) использована стандартная топливная система дизеля, причемфорсунка расположена под наклоном так, чтобы топливо подавалось в камерусгорания, расположенную в поршне, и перемещалось к свече зажиганияпосредством вихревого движения свежего заряда.
Ввиду высокого давлениявпрыскивания диаметр капель топлива относительно мал (≈ 10 мкм), а скоростьих велика (≈ 200 м/с). Впрыскивание происходит на такте сжатия, причем взависимости от нагрузки варьируется количество подаваемого топлива, но немомент начала впрыскивания. Как и в дизельном двигателе, максимальноеколичество подаваемого топлива ограничено уровнем дымности выхлопныхгазов. Подобно двигателю Ford PROCO, в ДВС Texaco для соблюдения нормтоксичности ОГ были применены нейтрализатор и рециркуляция ОГ.
Двигательимел относительно низкие показатели мощности, однако во время исследованийустойчиво работал на широком диапазоне топлив.Развитие технологии впрыскивания топлива во впускной трубопровод (какраспределенного,такиоднойфорсункой)исистемкаталитическойнейтрализации снизили интерес к исследованиям двигателей с расслоениемРисунок 1.11. Схема двигателя Texaco TCCS [104]28заряда. Новый виток развития этих двигателей произошел в конце 1990-х годов,когда японские фирмы Mitsubishi, Nissan и Toyota представили двигатели снепосредственным впрыскиванием бензина в цилиндр [15, 16].
В отличие отранних конструкций, в которых форсунка подачи топлива располагалась в районесвечизажигания,этидвигателиимелиинуюорганизациюпроцессасмесеобразования. Форсунка находилась в районе впускных клапанов, а свечазажигания – в центре камеры сгорания. Подобная организация подачи топливапредотвращала закоксовывание свечи зажигания, которое в ранних конструкцияхприводило к пропускам зажигания и повышенным выбросам несгоревшихуглеводородов. Днище поршня имело специальную форму, которая направлялаоблако богатой смеси к электродам свечи к моменту зажигания.
Примерыконструкций таких двигателей приведены на рисунке 1.12.Системауправлениядвигателемреализовывалачетырережимавпрыскивания (рисунок 1.13) в зависимости от режима движения автомобиля:1. Впрыскивание в конце такта сжатия – использовалось при малыхнагрузках и частотах вращения коленчатого вала. Двигатель работал насверхобедненной (α ≤ 2,7) смеси с расслоением заряда.Рисунок 1.12. Конструкции двигателей с непосредственным впрыскиваниембензина [60]29Рисунок 1.13.
Зависимость режима впрыскивания от нагрузки на двигатель ичастоты вращения коленчатого вала [66]2. Впрыскивание на такте впуска с получением бедной гомогенной смеси –использовалось при частичных нагрузках и средних частотах вращенияколенчатого вала.3. Впрыскиваниенатактевпускасполучениемгомогеннойстехиометрической смеси – использовалось при высоких нагрузках и частотахвращения коленчатого вала. Топливо впрыскивалось на такте впуска дляобразования гомогенной смеси к моменту зажигания.4. Двухстадийное впрыскивание – использовалось при больших нагрузках инизких частотах вращения коленвала для перехода от работы на расслоенномзаряде к работе на гомогенной смеси без повышения выбросов вредных веществ.Для обеспечения оптимальных условий смесеобразования на всех режимахработы двигателя в ДВС Nissan [93], Toyota [66] и Volkswagen [80]использовались управляемые системы впуска.
В двигателе Toyota один извпускных каналов был выполнен винтовым, другой – прямым, причем впоследнем была установлена заслонка. Эта заслонка закрывалась при работе нагомогенных смесях, что позволяло получить интенсивное вихревое движениезаряда в цилиндре для полного перемешивания смеси, и открывалась при работена расслоенном заряде, когда требовалось точно направлять топливо в район30свечи зажигания. В двигателе Volkswagen оба впускных канала имелиодинаковую форму и каждый был снабжен продольной перегородкой изаслонкой, которая перекрывала половину канала для усиления вихревогодвижения заряда. В двигателе Nissan заслонка была расположена междувпускным коллектором и впускными клапанами, и вихревое движениерегулировалось ее частичным прикрытием.
Стоит отметить, что инженерамNissan удалось сохранить геометрию впускной системы, использовавшуюся вдвигателе с распределенным впрыскиванием топлива.В России в 2007 г. в НАМИ совместно с ЗМЗ были проведены разработка иисследование двигателя с непосредственным впрыскиванием бензина [57].Двигатель был изготовлен на основе серийного ДВС, однако в его конструкциюбыли внесены существенные изменения.
Впрыск топлива осуществлялся черезаккумуляторную систему топливоподачи с электромагнитными форсунками,причем закон впрыскивания менялся в зависимости от условий работы двигателяпо сигналу от микропроцессорной системы управления ДВС. Как и в двигателяхзарубежных фирм, форсунка была установлена в районе впускных клапанов. Вдвигателебылаиспользованаоригинальнаясистемавпускасдвумятангенциальными каналами, один из которых перекрывался заслонкой. Такимобразом, можно было получать в цилиндре вихрь с осью как параллельной (начастичных нагрузках), так и перпендикулярной оси цилиндра.Для стабильной работы двигателя на бедных смесях важно точноорганизовать движение воздуха, которое позволит не только переместить топливок свече зажигания, но и создать в районе свечи зажигания к моментупроскакивания искры облако гомогенной смеси, близкой по составу кстехиометрическому.
Немаловажную роль играет также выбор момента ипродолжительности впрыскивания топлива. При этом разную по значимости рольмогут играть топливный факел, поток воздуха и геометрическая форма стеноккамеры сгорания. На основании этих факторов различают три способасмесеобразования при использовании непосредственного впрыскивания топлива ирасслоения заряда (рисунок 1.14) [68]:31Рисунок 1.14.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
