_Улучшение энерго-экологических характеристик автомобилей. Государственный технический
 Скачать 3.39 Mb.
|
|
Плазменная система зажигания отличается от стандартной встроенным высокочастотным (12 кГц) прерывателем постоянного тока с напряжением 12 В. Индукционная катушка повышает напряжение до 3000 В, которое далее выпрямляется. В момент разряда между электродами свечи возникает обычная искра, сопротивление искрового промежутка резко уменьшается и постоянное напряжение 3 кВ образует электрическую дугу, действующую в течение 30…40° угла поворота коленчатого вала двигателя. Для поддержания дуги достаточно напряжения 900 В. При этом на сжигание рабочей смеси затрачивается до 80…120 мДж энергии, что значительно больше, чем при обычном электрическом искровом разряде. В камере сгорания образуется большая поверхность воспламенения, фронт подожженной смеси сильно возрастает [54, 55]. Плазменное зажигание позволяет надёжно воспламенять сильно обеднённую и разбавленную отработавшими газами рабочую смесь. Управление углом опережения зажигания в ДВСПВ Существенное влияние на мощность, экономичность и токсичность ДВСПВ оказывает момент зажигания. Этот момент определяют углом опережения зажигания, т.е. углом, на который повернётся коленчатый вал ДВС от момента появления искрового разряда в свече до прихода поршня в положение верхней мёртвой точки (ВМТ). Угол опережения зажигания (обычно обозначается ) , при котором двигатель развивает максимальную мощность на данном режиме работы, называют оптимальным (рис. 20). Максимум мощности двигатель развивает в том случае, если 73 наибольшее давление в цилиндре создается через 10…15° ПКВ 1 после ВМТ, т.е. когда процесс сгорания заканчивается несколько позднее ВМТ. Оптимальный угол опережения зажигания определяется временем, которое отводится на сгорание смеси, и скоростью сгорания смеси. В свою очередь, время, отводимое на сгорание, зависит от частоты вращения коленчатого вала, а скорость сгорания определяется составом рабочей смеси и степенью сжатия. При раннем зажигании (угол опережения больше оптимального) максимальное давление в цилиндре возрастает и «сдвигается» ближе к ВМТ. Это приводит к потере мощности и к риску возникновения детонации с характерными металлическими стуками и форсированным износом деталей двигателя. Рис. 20. Фрагменты индикаторных диаграмм ДВСПВ при различных углах опережения зажигания . 1 ‒ 1 =0; 2 ‒ 2 =7 °; 3 ‒ 3 =22 °; 4 ‒ 4 =27 ° [ 56 ] 1 Градусов поворота коленчатого вала ДВС. 74 Нормальный процесс сгорания протекает со скоростью 20…50 м/с. В процессе детонации скорость сгорания достигает 2…3 тыс. м/с. Причиной детонации является образование перекисей. Кислород при высокой температуре внедряется в углеводородную молекулу топлива, повышая её способность к самовоспламенению. Детонационному (взрывному) сгоранию подвергается та часть рабочей смеси, которая должна была сгореть в последнюю очередь. Перекиси накапливаются в несгоревшей части рабочей смеси и при достижении критической концентрации распадаются со взрывом и выделением большого количества тепла, активизируя всю рабочую смесь. Признак детонации – чёрный дым. Его причиной является заброс несгоревшего топлива в зону горения, где нет кислорода. При детонации ударная волна отражается от стенок цилиндра с частотой 2000…3000 Гц, при этом возникают металлические стуки. Давление и температура в цилиндре резко возрастает, а мощность падает. Для устранения детонации уменьшают угол опережения зажигания. В современных автомобилях это выполняется автоматически. В блоке цилиндров установлен датчик детонации. При появлении детонации сигнал с датчика передаётся на бортовой компьютер, который при помощи исполнительного механизма автоматически уменьшает угол опережения зажигания, снижая давление и температуру в камере сгорания и предотвращая детонацию. Регулирование угла опережения зажигания производится отдельно для каждого цилиндра. На детонационное сгорание рабочей смеси кроме угла опережения зажигания влияют: степень сжатия (повышение степени сжатия ускоряет детонацию), качество топлива (октановое число меньше, детонация больше), состав рабочей смеси (богатая смесь более склонна к детонации) и другие факторы. При позднем зажигании (угол опережения зажигания меньше оптимального) большая часть рабочей смеси горит после прохождения поршнем ВМТ, на такте расширения. Давление газов не достигает своей максимальной величины, мощность и экономичность двигателя снижаются. Однако при этом снижается и максимальная температура в камере сгорания, что приводит к снижению образования NO. 75 При работе двигателя на обедненных смесях ( >1) с уменьшением угла опережения зажигания резко снижается концентрация NO в ОГ. Это связано с понижением максимальной температуры цикла, которая в данном случае ограничивает выход окислов азота. Уменьшение угла опережения зажигания на 10% относительно оптимального приводит к снижению образования NO на 50% [13]. При работе двигателя на обогащенных смесях с =0,8…0,95 выход окислов азота ограничивается недостатком свободного кислорода в продуктах сгорания. Поэтому изменение практически не влияет на концентрацию NO в отработавших газах. Изменение угла опережения зажигания на концентрацию СО и СО 2 в отработавших газах практически не влияет. Выбросы углеводородов при небольшом уменьшении угла опережения зажигания уменьшаются. Это объясняется тем, что температура ОГ, выходящих из цилиндра, увеличивается, что приводит к более интенсивному окислению углеводородов в выпускной системе. Однако при чрезмерно позднем зажигании наблюдается увеличение выбросов СН, т.к. сокращение времени, отводимого на сгорание смеси, приводит к её неполному сгоранию. Управление углом опережения впрыска топлива в ДВСВС Рабочий процесс ДВСВС сильно зависит от того, как топливо впрыскивается в камеру сгорания. Самыми важными факторами, определяющими мощность и КПД двигателя, а также образование ЗВ являются: момент начала впрыскивания топлива; продолжительность впрыскивания и цикловая подача топлива; дисперсность распыливания и распределение топлива в камере сгорания, что в свою очередь определяется давлением впрыскивания, количеством и направлением струй впрыскивания. Обобщенные данные по влиянию угла опережения впрыска топлива на изменение токсичности и эффективных показателей ДВСВС приведены на рис. 21. 76 Рис. 21. Влияние изменения угла опережения впрыска топлива на экономичность, дымность и концентрацию NО x в ОГ ДВСВС. Источник: [ 57 ] Зависимости удельных (г/кВтч) показателей расхода топлива и выбросов ЗВ с ОГ от момента начала впрыска и продолжительности впрыска для 6-цилиндрового ДВСВС грузового автомобиля с системой впрыска Common Rail на режиме n=1400 об/мин и 50% нагрузке показаны на рис. 22. Изменение продолжительности впрыскивания в данном случае производилось путём изменения давления впрыска топлива. Как видно из представленных зависимостей, угол опережения впрыска топлива существенным образом влияет на изменение концентрации в ОГ как оксидов азота, так и сажи, причём это влияние взаимообратное. Таким образом, выбирая стратегию по управлению величиной угла опережения впрыска топлива в ДВСВС, необходимо принимать компромиссное решение, учитывающее не только относительную опасность этих двух ЗВ, но и возможные пути дальнейшей борьбы с ними методами очистки ОГ, о которых речь пойдёт в соответствующей главе данного учебного пособия. 77 Рис. 22. Зависимости удельных (г/кВтч) показателей расхода топлива (а), выбросов NO x (б), сажи (в) и СН (г) от момента начала впрыска θ и продолжительности впрыска [102] 78 Управление изменением фаз газораспределения Задача механизма газораспределения ‒ обеспечить наполнение цилиндров свежей смесью и очистку цилиндров от ОГ во время работы двигателя. Фазы газораспределения ‒ это периоды от момента открытия клапанов до момента их закрытия, выраженные в градусах поворота коленчатого вала и отмечаемые по отношению к начальным или конечным моментам соответствующих тактов (рис. 23). Рис. 23. Изменение фаз газораспределения за счёт регулировки впускных и выпускных клапанов. Адаптировано из [ 58 ] В конце такта выпуска и начале такта впуска одновременно открыты и выпускные и впускные клапаны, такая ситуация называется перекрытием клапанов. Угол перекрытия клапанов выбирают обычно из условий обеспечения максимального коэффициента наполнения цилиндра на режиме номинальной мощности. Коэффициентом наполнения называется отношение количества воздуха, фактически попавшего в цилиндр, к определённому рабочим объёмом теоретическому количеству при стандартных условиях (атмосферное давление р 0 =105 Па, 79 температура Т 0 =273,15 К). В двигателях без наддува он невелик (20…70° угла поворота коленчатого вала). В период перекрытия клапанов уходящие с большой скоростью через выпускную систему ОГ создают в камере сгорания разрежение, способствующее поступлению в неё свежей смеси. Происходит так называемый «динамический наддув», в результате которого коэффициент наполнения достигает максимальных величин. Однако на режимах малых нагрузок в период перекрытия клапанов скорость уходящих ОГ невелика, и разрежение в камере сгорания оказывается меньше, чем в выпускном коллекторе. В результате этого продукты сгорания засасываются обратно в цилиндр и даже забрасываются во впускной трубопровод. Это приводит к разбавлению свежей рабочей смеси продуктами сгорания. На режимах холостого хода и торможения, когда дроссельная заслонка прикрыта почти полностью, разрежение во впускном трубопроводе и в цилиндре двигателя увеличивается, что приводит к увеличению количества продуктов сгорания, попадающих в цилиндр, и к ухудшению процесса сгорания. Особенно опасно такое явление при работе двигателя на обедненной смеси. По указанным выше причинам на режимах холостого хода и малых нагрузок необходимо уменьшать угол перекрытия клапанов. С уменьшением перекрытия клапанов резко падает содержание СН, особенно при работе двигателя на богатых смесях [59]. Концентрация СО не зависит от угла перекрытия клапанов и определяется только величиной . Поэтому уменьшение угла перекрытия клапанов, которое позволяет работать на холостом ходу на обедненной смеси при практически неизменной концентрации СН, приводит к резкому снижению концентрации СО. Такого же эффекта от уменьшения угла перекрытия клапанов следует ожидать и на режиме принудительного холостого хода. Однако необходимо помнить, что уменьшение угла перекрытия клапанов приводит к понижению коэффициента наполнения при большой частоте вращения коленчатого вала. На режимах полностью открытой дроссельной заслонки, особенно при обеднённых смесях, суммарная токсичность в основном определяется содержанием окислов азота. Для 80 их уменьшения как один из методов применяют разбавление заряда отработавшими газами. Вместо перепуска части ОГ во впускную систему (см. рециркуляция отработавших газов) можно для указанных режимов разбавить заряд в цилиндре продуктами сгорания, увеличив угол перекрытия клапанов. Таким образом, целесообразно иметь регулируемые фазы газораспределения. В обычном двигателе коленчатый и распределительный валы связаны друг с другом механически (посредством зубчатого ремня, шестерен или цепи). В двигателях с регулированием фаз газораспределения с помощью поворота распределительного вала (по меньшей мере, распределительного вала привода впускных клапанов, хотя всё чаще и выпускных) распределительный вал может поворачиваться относительно коленчатого вала, благодаря чему можно изменить фазы газораспределения. Поворот распределительного вала осуществляется посредством электрического или электро- гидравлического привода. Простые устройства могут повернуть этот вал только в одно из двух положений. Более сложные устройства позволяют в пределах определенного диапазона плавно поворачивать распределительный вал относительно коленчатого. Но на период открытого положения и высоту подъёма клапанов рассмотренное поворачивание распределительного вала не влияет. С тем чтобы задействовать и эти возможности для более полного контроля над рабочим процессом ДВС, применяются системы с изменяемой высотой (и скоростью) подъёма впускных клапанов. Такой подход позволяет частично переложить функции дроссельной заслонки на газораспределительный механизм. В таких системах высота подъёма и продолжительность фазы впуска изменяются в зависимости от нажатия на педаль газа. Регулирование газораспределения, при котором можно изменять как высоту подъёма впускных клапанов, так и фазы газораспределения, называется полновариантным. Небольшая высота подъёма впускных клапанов с одновременным небольшим открытием дроссельной заслонки обеспечивают повышенную скорость всасывания смеси и, тем самым, лучшую степень турбулентности потока свежего воздуха (при непосредственном впрыске топлива в камеру сгорания) либо рабочей смеси (при впрыске топлива во 81 впускной трубопровод). Таким образом, обеспечивается очень хорошее перемешивание рабочей смеси на режиме частичной нагрузки, и следовательно, её более полное сгорание. Максимальную гибкость регулирования фаз газораспределения и наибольшую возможность снижения расхода топлива предоставляют системы с регулированием фаз газораспределения без участия распределительного вала. При таком регулировании открытие/закрытие клапанов осуществляют, например, электромагнитные исполнительные механизмы, управляемые дополнительным блоком управления. Экономия топлива от применения системы «бездроссельного» управления составляет от 8% до 15%, что связано с уменьшением насосных потерь и улучшением смесеобразования, а прирост мощности изменяется в пределах от 5 до 15%, что связано с улучшением коэффициента наполнения цилиндра свежей смесью [58]. Управление геометрией впускного тракта На процессы газообмена в ДВС влияют не только фазы газораспределения, но и конструкция впускного и выпускного трактов. Движение поршня на такте впуска приводит к образованию волны разряжения-сжатия, распространяющейся по впускному трубопроводу. На открытом раструбе впускного трубопровода эта волна встречается с массой неподвижного окружающего воздуха, отражается от неё и движется обратно к впускному клапану. Возникающие вследствие этого колебания давления у впускного клапана можно использовать для увеличения наполнения цилиндров зарядом свежей смеси и, тем самым, получения большей мощности. Такой эффект «динамического наддува» основан на использовании динамических свойств воздуха на впуске. Динамические эффекты во впускном трубопроводе зависят от геометрических форм этого трубопровода, параметров воздуха, а также от частоты вращения коленчатого вала ДВС. Длина и диаметр отдельных элементов впускного трубопровода ( резонаторных трубок и резонансных камер) согласуются с фазами газораспределения таким образом, чтобы в требуемом диапазоне частоты вращения коленчатого вала волна сжатия, отражающаяся на конце резонаторной трубки, вернулась через открытый впускной клапан в 82 цилиндр, тем самым обеспечивая лучшее наполнение цилиндра. Длинные тонкие резонаторные трубки дают больший эффект динамического наддува при низкой частоте вращения коленчатого вала. Короткие широкие резонаторные трубки способствуют получению лучшей характеристики крутящего момента в диапазоне высоких оборотов коленчатого вала [58]. При использовании впускного трубопровода с изменяемой геометрией, в зависимости от режима работы двигателя, при помощи специальных заслонок производят: • изменение длины и/или диаметра резонаторных трубок; • изменение объёмов резонансных камер. Это позволяет увеличить наполнение цилиндра свежей смесью и тем самым повысить энергоотдачу двигателя в широком диапазоне частот вращения. Существенную роль в формировании гомогенной рабочей смеси играют условия поступления воздуха во впускной трубопровод и цилиндры. Быстрое движение заряда обеспечивает хорошее перемешивание рабочей смеси и, соответственно, полное сгорание с низкой концентрацией ЗВ в ОГ. Существует несколько различных возможностей для улучшения гомогенизации рабочей смеси: управление подъёмом впускных клапанов (см. раздел «Управление изменением фаз газораспределения»); применение заслонки управления движением заряда в двухклапанных газораспределительных механизмах. В данном случае впускной трубопровод вблизи клапана разделяется перегородкой на два параллельных канала. Один из каналов на режимах малых и средних нагрузок может перекрываться заслонкой, заставляющей рабочую смесь двигаться по оставшемуся открытым каналу с большей скоростью. На режимах больших нагрузок клапан открывается, обеспечивая максимальное наполнение цилиндра рабочей смесью; применение заслонки управления движением заряда в четырёх- клапанных газораспределительных механизмах. В этом случае заслонка перекрывает один из каналов, ведущих к двум впускным клапанам. Отличие от предыдущего варианта заключается в том, что при перекрытии одного из впускных каналов не только увеличивается 83 скорость движения заряда, но и создаётся тангенциальный вихрь, улучшающий перемешивание смеси. В ДВСПВ с непосредственным впрыском дополнительно используется ещё один способ. На режимах частичных и малых нагрузок в таких двигателях необходимо создавать глубоко расслоённую рабочую смесь, когда в области камеры сгорания, прилегающей к свече зажигания, создаётся обогащённая смесь, а на периферии камеры сгорания – сверхбедная смесь. Для этого перекрытием одного из впускных каналов создают интенсивный тангенциальный вихрь, а впрыск топлива осуществляют в середине такта впуска. Сконцентрированное «облако» обогащённой смеси специальным выступом на днище поршня направляется к свече зажигания. На режимах полных нагрузок необходимо обеспечивать максимальное наполнение всей камеры сгорания гомогенной смесью. Для этого открывают оба впускных канала, а впрыск топлива осуществляют в самом начале такта впуска. |