_Улучшение энерго-экологических характеристик автомобилей. Государственный технический
 Скачать 3.39 Mb.
|
|
Методы совершенствования рабочего процесса двигателей с воспламенением рабочей смеси от сжатия ( ДВСВС) Основными токсичными компонентами отработавших газов ДВСВС являются окислы азота NO x и дисперсные частицы, состоящие, главным образом из сажи. Пути воздействия на процесс образования NO х практически те же, что и в ДВСПВ, различие состоит лишь в том, что дизели при любом типе смесеобразования в условиях нормальной эксплуатации работают при >1,3…1,5, поэтому уменьшить концентрацию кислорода в зоне сгорания можно только локально, т. е. при организации расслоения смеси. Выделение сажи дизелями можно сократить двумя путями: уменьшением образования сажи и улучшением условий её выгорания в процессе расширения. На оба этих процесса можно оказывать влияние за счёт оптимизации законов смесеобразования и сгорания в цилиндре. Оптимизация предусматривает организацию интенсивного вихря в камере сгорания, обеспечение мелкодисперсного распыления топлива, «фазированный 1 » впрыск, электронное управление зависимостью количества впрыскиваемого топлива от режима работы двигателя, параметров окружающего воздуха и других факоров. Схематично все мероприятия, направленные на снижение выброса загрязняющих веществ ДВСВС представлены на рис. 16. 1 Изменение количества впрыскиваемого топлива в зависимости от угла поворота коленчатого вала в фазе впрыска. 61 Рис. 16. Методы совершенствования рабочего процесса ДВС с воспламенением от сжатия (ДВСВС) 62 Рециркуляция отработавших газов Для уменьшения выделения NO в настоящее время широко применяется рециркуляция отработавших газов, т.е. возврат части ОГ обратно в цилиндр на следующем рабочем цикле. При этом уменьшается максимальная температура рабочего цикла. Снижение температуры происходит вследствие уменьшения цикловой подачи топлива (уменьшается количество свежей топливовоздушной смеси), а также из- за бóльшей удельной теплоёмкости продуктов сгорания по сравнению с воздухом (ОГ «забирают» на себя больше энергии, выделяющейся при сгорании топлива, чем воздух). Кроме того, наличие ОГ в цилиндре оказывает некоторое влияние на процесс сгорания. Уменьшение температуры влияет на концентрацию атомарного кислорода, что, в свою очередь, снижает скорость реакции образования NO. Для ДВСПВ известны две принципиально возможные схемы рециркуляции. Первая схема, называемая «внешней» рециркуляцией ОГ, заключается в перепуске некоторого количества ОГ из выпускного во впускной трубопровод в процессе такта впуска. Вторая схема, называемая «внутренней» рециркуляцией ОГ, обеспечивается за счёт регулирования фаз газораспределения, а именно за счёт регулирования степени перекрытия клапанов в конце такта выпуска и начале такта впуска. Такое регулирование позволяет «оставить» в камере сгорания некоторое количество ОГ. Существуют различные схемы «внешней» рециркуляции ОГ в ДВСПВ, но обычно ОГ во впускной трубопровод подаются за дроссельной заслонкой (в зоне разряжения), т.к. для того, чтобы ОГ начали поступать через клапан системы рециркуляции ОГ, необходимо, чтобы между впускным трубопроводом и выпускным коллектором существовал перепад давлений. Внешняя рециркуляция повышает температуру в зоне впускных клапанов, провоцируя образование отложений. Бороться с этим можно введением в бензин специальных моющих присадок. В ДВСВС разница давлений создаётся за счёт работы турбокомпрессора. В этом случае ОГ охлаждаются в теплообменнике системы рециркуляции ОГ и затем направляются во впускной трубопровод перед турбокомпрессором (в зону всасывания), где 63 создаётся разряжение. В безнаддувных дизелях для осуществления рециркуляции ОГ могут применяться конфигурации впускного трубопровода в виде сопла Вентури. В этом случае разряжение создаётся в сужении последнего, куда и организуется подача ОГ из выпускной системы. Для повышения эффективности рециркуляции иногда используют охлаждение перепускаемых ОГ и уменьшение угла опережения зажигания (или впрыска). Система рециркуляции ОГ используется для снижения расхода топлива и уменьшения выбросов NO в том числе и в ДВСПВ с непосредственным впрыском. Благодаря рециркуляции ОГ выбросы NO в условиях работы на обеднённых смесях снижаются настолько, что иногда можно обойтись без применения мер очистки ОГ. Но двигатели с непосредственным впрыском практически не дросселируются на режимах малых нагрузок. Кроме того, при работе на сверхобеднённой смеси через клапан системы рециркуляции ОГ во впускной трубопровод направляется значительное количество оставшегося в ОГ кислорода. Это требует определенного алгоритма управления, который бы координировал работу дроссельной заслонки и клапана системы рециркуляции ОГ. Поэтому к системе рециркуляции ОГ предъявляются повышенные требования: она должна работать точно и надёжно, а также препятствовать образованию отложений, которые могут образовываться в системе выпуска при низких температурах ОГ. Степень рециркуляции ОГ регулируется специальным клапаном. Клапан рециркуляции управляется в зависимости от нагрузки и частоты вращения коленчатого вала. Степень рециркуляции для легковых автомобилей составляет примерно 50%, для грузовых автомобилей 5...25%. Максимальный перепуск соответствует режимам работы при 50…75%-ной нагрузке. Поскольку степень рециркуляции влияет на количество свежего заряда в цилиндре, то на максимальных нагрузках её уменьшают практически до нуля с тем, чтобы не ухудшать мощностные характеристики двигателя (рис. 17). 64 Рис. 17. Зависимость между степенью рециркуляции и нагрузкой на двигатель Рециркуляция 10% отработавших газов в ДВСПВ уменьшает выделение NO X на 30…50% [13]. За счёт рециркуляции ОГ можно улучшить показатели экономичности двигателя на малых и средних нагрузках. Поскольку при рециркуляции ОГ уменьшается количество подаваемого в цилиндр свежего заряда, и, следовательно, мощность двигателя снижается, то для её восстановления приходится приоткрывать дроссельную заслонку. Это означает, что заданный нагрузочный режим реализуется с меньшими насосными потерями, следствием чего является более низкий расход топлива. При рециркуляции ОГ, вследствие разбавления топливовоздушного заряда продуктами сгорания, процесс сгорания протекает несколько хуже, поэтому концентрации СО и СН в отработавших газах немного увеличиваются. Необходимо предпринимать специальные меры для их уменьшения. Специальные исследования показали [51], что перепуск части ОГ во впускную систему не только уменьшает выделение NO Х , но и существенно снижает износ поршневых колец двигателя. Рециркуляция 12% отработавших газов при работе двигателя в условиях, имитирующих городское движение, привела к уменьшению износа поршневых колец примерно на 50%. Износ поршневых колец зависит от максимальной 65 температуры цикла. Однако физическая сущность процессов, приводящих к уменьшению износа, пока ещё не объяснена. Возможно, это связано с уменьшением коррозионного износа колец из-за уменьшения концентрации NO X При подаче ОГ на впуск в дизелях в некоторых случаях было получено существенное уменьшение выделения NO Х , однако при этом ухудшались экономические показатели дизелей (за исключением режимов малых нагрузок). Наибольшее относительное уменьшение концентрации NO Х наблюдается при малых и средних нагрузках. При больших нагрузках эффект от рециркуляции ОГ значительно меньше. Кроме того, рециркуляция увеличивает расход топлива, выделение сажи, СО и СН. Уменьшение выделения NO Х на 50% сопряжено для предкамерного дизеля с ухудшением экономичности примерно на 7%. Опыты показали, что рециркуляция отработавших газов в двухкамерных дизелях меньше влияет на выделение NO Х , чем в однокамерных. Увеличение энергии искры Организация работы ДВСПВ на бедных смесях позволяет повысить топливную экономичность и уменьшить выбросы ЗВ с ОГ. Однако при работе на очень бедных смесях затрудняются условия воспламенения смеси от искры. Применение рециркуляции ОГ ещё больше затрудняет воспламенение рабочей смеси. Поэтому для обеспечения надежной устойчивой работы ДВС необходим мощный начальный очаг горения, от которого пламя быстро и беспрепятственно распространяется по всему объёму камеры сгорания. Электрическая искра в ДВСПВ, создавая температуру около 10000 °С, вызывает появление в ограниченном объёме рабочей смеси первых активных центров, от которых начинается развитие цепной химической реакции окисления топлива. Искровой разряд, образующийся между электродами свечи зажигания, должен обладать необходимой энергией (0,25…1,4 мДж в обычных «классических» системах зажигания), обеспечивающей надёжное воспламенение рабочей смеси на всех режимах работы двигателя. От мощности искры и момента зажигания рабочей смеси в 66 значительной степени зависит экономичность и устойчивость работы двигателя, а также токсичность ОГ. По мере повышения энергии искры концентрационные границы зажигания расширяются. Энергию искры, при которой дальнейший её рост не расширяет концентрационные границы зажигания, называют насыщающей. Для каждого состава смеси существует определенная энергия искры, при которой смесь воспламеняется. Эту энергию принято называть минимальной энергией искрового зажигания для данного состава смеси. В табл. 9 представлены данные по минимальной при стехиометрическом составе смеси энергии искрового зажигания некоторых топливо-воздушных смесей [52]. Таблица 9 Минимальная энергия зажигания некоторых топливо-воздушных смесей (при стехиометрическом составе смеси) Топливо Содержание топлива в смеси, % об. Минимальная энергия зажигания, мДж Метан 9,50 0,48 Этан 5,68 0,28 Пропан 4,04 0,39 Бутан 3,14 0,38 Пентан 2,56 0,49 Гептан 1,87 0,70 Этилен 6,56 0,096 Циклопропан 4,45 0,35 Циклогексан 2,28 1,00 Бензол 2,73 0,55 Диэтиловый спирт 3,40 0,52 Водород 29,5 0,019 Свеча зажигания является своеобразным электрическим разрядником. Напряжение, при котором происходит пробой искрового промежутка свечи, называется пробивным. Источником высокого напряжения служит катушка зажигания. Потребляя ток низкого напряжения аккумуляторной батареи (12 В), она преобразует его в ток высокого напряжения (12…30 кВ). Величина пробивного напряжения для однородных 67 электромагнитных полей прямо пропорциональна давлению рабочей смеси Р и расстоянию между электродами δ и обратно пропорциональна температуре смеси Т (рис. 18): 𝑈 пр = 𝑓 ∙ 𝑃∙𝛿 𝑇 , (6) где f – коэффициент пропорциональности, зависящий от состава рабочей смеси, длительности и формы приложенного напряжения, полярности пробивного напряжения, материала электродов и режима работы двигателя. Рис. 18. Зависимость пробивного напряжения от температуры и давления рабочей смеси. Источник: [ 53 ] Так, например, при пуске холодного двигателя стенки цилиндра и электроды свечи холодные, всасываемая топливно-воздушная смесь имеет низкую температуру и плохо перемешана. При сжатии смесь слабо нагревается, и капли топлива не успевают испариться. Попадая в межэлектродное пространство свечи, такая смесь увеличивает пробивное напряжение на 15…20%. В течение первых 2 тыс. км пробега нового автомобиля пробивное напряжение повышается на 20…25% за счёт округления кромок 68 электродов свечи. В дальнейшем напряжение растёт за счёт износа электродов и увеличения зазора, что требует проверки и регулировки зазора в свечах через каждые 10…15 тыс. км пробега. Если двигатель работает на неустановившихся режимах, в результате неоднородности рабочей смеси, поступающей в цилиндры, пробивное напряжение в отдельных цилиндрах может значительно отличаться, а в некоторых случаях могут наблюдаться даже перебои искрообразования, приводящие к резкому росту выбросов СН. Для современных систем зажигания коэффициент запаса по пробивному напряжению принимают не менее 1,5, а в экранированных системах - не менее 1,8. Параметры искрового разряда ‒ энергия, длительность, зазор между электродами свечи зажигания ‒ влияют на развитие начала процесса сгорания в цилиндрах двигателя. Проведенными исследованиями установлено, что увеличение энергии и продолжительности индуктивной составляющей искрового разряда обеспечивает большую надёжность воспламенения смеси и снижение расхода топлива на этих режимах [53]. На рис. 19 представлена структурная схема батарейной системы зажигания и её основные элементы: Рис. 19. Структурная схема автомобильной батарейной системы зажигания. Источник: [53] 69 источник тока ИТ, функцию которого выполняет аккумуляторная батарея или генератор; выключатель цепи питания ВЗ, функцию которого выполняет замок зажигания; датчик-синхронизатор ДС, механическим способом связанный с коленчатым валом двигателя, определяет угловое положение коленчатого вала; регулятор момента зажигания РМЗ, который механическим или электрическим способом вычисляет момент подачи искры в зависимости от частоты вращения и нагрузки двигателя; источник высокого напряжения ИВН, содержащий накопитель энергии Н и преобразователь низкого напряжения в высокое П, функцию которых выполняет катушка зажигания; датчик-управления ДУ, представляющий собой электромеханический ключ (контакты прерывателя) или электронный ключ (мощный транзистор или тиристор), управляемый РМЗ, служит для подключения и отключения ИТ к накопителю ИВН, т.е. управляет процессами накопления и преобразования энергии; распределитель импульсов высокого напряжения Р механическим либо электрическим способом распределяет высокое напряжение по соответствующим цилиндрам двигателя; элементы помехоподавления ПП, функции которых выполняют экранированные провода и помехоподавительные резисторы, размещенные либо в распределителе Р, либо в свечных наконечниках, либо в высоковольтных проводах в виде распределенного сопротивления; свечи зажигания СВ, которые служат для образования искрового разряда и зажигания рабочей смеси в камере сгорания двигателя. Существующие системы зажигания получают необходимую энергию не непосредственно от аккумуляторной батареи, а от промежуточного накопителя энергии. Все системы зажигания разделяются на две группы, отличающиеся способами накопления энергии (в индуктивности или ёмкости) и способами размыкания первичной цепи катушки зажигания (типом силового реле). 70 В тиристорных или ёмкостных системах зажигания (англ. Capacitive Discharge Ignition, CDI) энергия для искрового разряда накапливается в конденсаторе, а в качестве силового реле применяется тиристор 1 . В этих системах катушка зажигания не накапливает энергию, а лишь преобразует напряжение. Характерной особенностью тиристорных систем зажигания является высокая скорость нарастания вторичного напряжения (1…3 мкс против 30…60 мкс в транзисторных системах), поэтому пробой искрового промежутка свечи надёжно обеспечивается даже при загрязнённом и покрытом нагаром изоляторе свечи. Кроме того, в тиристорных системах величина вторичного напряжения может быть практически постоянной при изменении частоты вращения коленчатого вала двигателя, т.к. конденсатор успевает полностью зарядиться на всех режимах работы двигателя. Мощность разряда легко увеличить простым увеличением ёмкости коммутирующего конденсатора. Однако тиристорные системы зажигания имеют сравнительно малую продолжительность индуктивной составляющей искрового разряда (не более 300 мкс), что приводит к ухудшению воспламеняемости и сгорания рабочей смеси в цилиндрах двигателя на режимах частичных нагрузок. Системы зажигания с накоплением энергии в ёмкости нашли широкое применение в высокооборотных мотоциклетных двигателях, которые не критичны к длительности искрового разряда, а также в двигателях, работающих на природном газе и спиртовом топливе, требующих высоких пробивных напряжений [53]. Многочисленными исследованиями установлено, что на режимах частичных нагрузок и при работе двигателя на сильно обеднённых рабочих смесях требуется продолжительность индуктивной составляющей искрового разряда не менее 1,5…2 мс, что достаточно просто реализуется в системах зажигания с накоплением энергии в 1 Тиристоры – это очень мощные электронные выключатели (ключи), они способны проводить коммутацию цепей, в которых напряжение может достигать 5000 В, а сила тока ‒ 5000 А (при этом частота не превышает 1000 Гц). Основное применение тиристоров ‒ управление мощной нагрузкой с помощью слабого сигнала, подаваемого на управляющий электрод. В отличие от транзистора тиристор может быть или полностью открыт, или полностью закрыт. 71 индуктивности (англ. Ignition Coil Inductor , ICI). Последние достижения в области создания транзисторных систем зажигания, такие, как использование высоковольтных составных транзисторов Дарлингтона, применение принципа нормирования времени накопления энергии, позволили практически устранить такие недостатки индуктивных систем, как большая зависимость вторичного напряжения от шунтирующего сопротивления на изоляторе свечи и от частоты вращения коленчатого вала. Перечисленные достоинства и простота реализации предопределили широкое использование систем зажигания с накоплением энергии в индуктивности в автомобильных двигателях. На энергию искры большое влияние оказывает способ размыкания первичной цепи катушки зажигания. «Классические» батарейные системы зажигания ДВСПВ оснащались контактным прерывателем и поэтому назывались «контактными». Применение в «бесконтактных» системах зажигания электронного коммутатора, датчика Холла и низкоомной катушки зажигания позволило исключить прерыватель, а вместе с ним и дуговой разряд между его контактами, бесполезно тративший энергию катушки. При этом стал ненужным и конденсатор, который снижал скорость нарастания ЭДС самоиндукции катушки, чтобы дать возможность контактам прерывателя разомкнуться раньше возникновения дугового разряда. В результате значительно подросли напряжение на свече и энергия искрового разряда. Дальнейшее развитие систем зажигания в направлении повышения энергии искры сопровождалось появлением камер сгорания с двумя свечами зажигания, специальными свечами высокой энергии 1 , распределённых катушек зажигания (по одной на каждую свечу с целью исключить высоковольтные провода и связанные с ними потери энергии), а также с появлением плазменного 2 зажигания. Горячий ионизированный газ − плазма − может воспламенять 1 Используя свечу высокой энергии с продленной до 5 мс длительностью искры, можно на 10…15% увеличить коэффициент избытка воздуха и удвоить величину рециркуляции ОГ. Однако выбросы СН и СО при этом не уменьшаются. 2 В данном случае этот термин несколько условен, так как любая искра представляет собой объём, занятый низкотемпературной плазмой. 72 рабочую смесь в ДВС более эффективно, чем электрическая искра. В состав плазмы входят свободные электроны и ионы, которые благодаря высокой температуре (до 40000°С) обладают большой энергией и химической активностью. Плазма создает много активных очагов горения, которые вызывают разветвленную цепную реакцию, способную поддерживать и расширять пламя. Это особенно важно для воспламенения бедных смесей, в которых скорость распространения фронта пламени сравнительно мала. |