_Улучшение энерго-экологических характеристик автомобилей. Государственный технический
 Скачать 3.39 Mb.
|
|
Организация «послойного» смесеобразования Для уменьшения выделения всех основных токсичных компонентов (NO x , СО, СН) целесообразно применять глубокое расслоение рабочей смеси в камере сгорания ДВСПВ, при котором в первой стадии процесс сгорания протекает в зоне обогащенной смеси, а во второй стадии — в зоне сверхбедной смеси. Образование NO x в первой стадии ограничивается недостатком кислорода, а во второй — низкой температурой. Снижение продуктов неполного сгорания обеспечивается высоким значением среднего по камере сгорания коэффициента избытка воздуха . Однако у двигателя с расслоением смеси следует ожидать повышенного выделения альдегидов, так как в последней стадии процесс сгорания происходит при невысокой температуре. При послойном смесеобразовании обогащённая смесь находится в зоне свечи зажигания; это создает благоприятные условия для воспламенения смеси электрической искрой и формирования начального очага пламени, что обеспечивает устойчивую работу двигателя на обеднённых смесях и уменьшение цикловой неравномерности. В настоящее время известно много способов послойного смесеобразования и сжигания неравномерно распределенной смеси. 84 Они могут быть разделены на две основные группы: расслоение в неразделенной камере сгорания; расслоение при применении разделённых камер сгорания. Расслоение смеси внутри неразделённой камеры сгорания ДВСПВ может быть достигнуто подачей в неё расслоённой смеси, с помощью создания вихревого движения заряда или при организации непосредственного впрыска бензина в камеру сгорания (см. раздел «Управление геометрией впускного тракта»). Расслоение смеси в конструкциях ДВСПВ с форкамерой обеспечивается следующим образом. Камеру сгорания делают разделённой на 2 части: один объём – форкамера (полость в головке блока цилиндров), второй – основная камера сгорания (объём между поршнем и головкой блока). В форкамеру подаётся обогащённая смесь, а в основную камеру сгорания ‒ переобеднённая. Свеча зажигания устанавливается в форкамере, что обеспечивает надёжное воспламенение обогащённой смеси, подаваемой в этот объём. Горящая смесь, вырываясь факелом из связывающего обе камеры канала, поджигает основной объём бедной смеси. Данные системы не получили широкого распространения из-за низкой эффективности, которая связана как с большими гидравлическими потерями на «перетекание» смеси из форкамеры в основную камеру сгорания, так и с большими тепловыми потерями, вызванными большой поверхностью обеих частей камеры сгорания. Однако в ДВСВС для легковых автомобилей конструкции с разделённой камерой сгорания (вихрекамерные или предкамерные дизели) получили в своё время широкое распространение. Несмотря на худшую топливную экономичность, такие конструкции обладали определёнными преимуществами: меньшим уровнем вибрации и шума; меньшим уровнем концентраций сажи и NО x Однако в последнее время решить проблемы шума, вибрации и выбросов сажи и оксидов азота оказалось возможным благодаря появлению системы Common Rail, где характеристика впрыска топлива задаётся электронной системой управления двигателем, а также благодаря применению систем очистки ОГ. Поэтому последние модели 85 ДВСВС для легковых автомобилей имеют, как правило, неразделённую камеру сгорания. Управление степенью сжатия В зависимости от конструкции двигателя и типа смесеобразования степень сжатия (обычно обозначается ) ДВСВС для легковых и грузовых автомобилей составляет ε=16...24. Эта величина у ДВСПВ значительно ниже (ε=7...13). Высокая степень сжатия в ДВСВС необходима для создания условий самовоспламенения впрыскиваемого в камеру сгорания дизельного топлива. Температура воспламенения для легковоспламеняющихся компонентов дизельного топлива составляет около 250°С. Воздух в дизелях сжимается до 3...5 МПа в двигателях без наддува и до 7...15 МПа в двигателях с наддувом. Температура при этом достигает 700...900°С, что обеспечивает надёжное самовоспламенение дизельного топлива. В ДВСПВ величина степени сжатия ограничивается из соображений предотвращения детонации. Из-за ограниченных антидетонационных свойств бензина рабочая смесь при высоком давлении сжатия в камере сгорания ДВСПВ и возникающей при этом высокой температуре самовоспламенялась бы неконтролируемым образом, т.е. возникала бы детонация. В случае использования в ДВСПВ топлив с лучшими антидетонационными свойствами (метана, пропана, спиртов и т.п.) степень сжатия увеличивают 1 для улучшения мощностных и экономических показателей. В обычных ДВС степень сжатия – величина постоянная, задаваемая размерностью кривошипно-шатунного механизма. Однако периодически появляются экспериментальные конструкции ДВСПВ с изменяемой степенью сжатия. Идея регулирования степени сжатия заключается в следующем. Поскольку детонация возникает на режимах больших нагрузок, то на этих режимах необходимо уменьшать степень сжатия до значений, гарантирующих отсутствие детонации (ε=7...10). С другой стороны, режимы средних и особенно малых нагрузок свободны от 1 При условии монотопливного исполнения ДВС. 86 детонации, но характеризуются низкой эффективностью рабочего процесса. Поэтому на этих режимах необходимо увеличивать степень сжатия (ε=13...17) для повышения эффективности ДВС. При увеличении степени сжатия концентрация несгоревших углеводородов возрастает. Это главным образом объясняется тем, что с увеличением возрастает относительная поверхность камеры сгорания F KC /V KC [60 ], что увеличивает объём зоны гашения и количество несгоревших углеводородов. Изменение не оказывает существенного воздействия на концентрацию СО. Изменение существенно влияет на концентрацию NO X при работе на бедных смесях (увеличение увеличивает концентрации NO X ); при работе на богатых смесях влияние степени сжатия значительно уменьшается. В результате можно сделать вывод, что при повышении степени сжатия ДВСПВ токсичность отработавших газов несколько возрастает из- за повышения концентраций оксидов азота (при регулировках на обедненную смесь) и несгоревших углеводородов. Степень сжатия в ДВСВС влияет главным образом на выделение окислов азота. Характер влияния тот же, что и в ДВСПВ. Цикл Аткинсона (Миллера) Большинство современных бензиновых двигателей работает по циклу Отто 1 . Несколько усовершенствованный цикл носит название цикла Аткинсона. В 1886 году Аткинсон предложил изменить соотношение времён тактов цикла Отто. В двигателе Аткинсона рабочий ход (3-й такт цикла Отто) был увеличен за счёт усложнения кривошипно-шатунного механизма. В XIX веке двигатель распространения не получил из-за сложной механики. Цикл Миллера был предложен в 1947 году американским инженером Ральфом Миллером как способ совмещения достоинств 1 От фамилии изобретателя Николауса Августа Отто, впервые представившего 4-тактный газовый двигатель с синхронизацией впрыска и сгорания топлива в 1876 г. 87 двигателя Аткинсона с более простым кривошипно-шатунным механизмом двигателя Отто. Вместо того чтобы сделать такт сжатия механически более коротким, чем такт рабочего хода (как в классическом двигателе Аткинсона, где поршень движется вверх быстрее, чем вниз), Миллер предложил сократить такт сжатия за счёт такта впуска, сохраняя движение поршня вверх и вниз одинаковым по скорости (как в классическом двигателе Отто). Для этого Миллер предложил два разных подхода: либо закрывать впускной клапан существенно раньше окончания такта впуска (или открывать позже начала этого такта), либо закрывать его существенно позже начала такта сжатия. Первый подход носит условное название «укороченного впуска», а второй — «укороченного сжатия». В конечном счете оба этих подхода дают одно и то же: снижение фактической степени сжатия рабочей смеси относительно геометрической, при сохранении неизменной степени расширения (то есть такт рабочего хода остается таким же, как в двигателе Отто, а такт сжатия как бы сокращается — как у Аткинсона, только сокращается не по времени, а по степени сжатия смеси) [61]. В двигателе, работающем по циклу Аткинсона/Миллера, происходит определенная задержка закрытия впускного клапана, что приводит к эффективному снижению степени сжатия посредством выпуска части рабочей смеси обратно во впускной коллектор (рис. 24). Это приводит к тому, что степени сжатия и расширения отличаются друг от друга. Более высокая степень расширения означает более полное использование энергии топлива, т.е. растет эффективность. А степень сжатия сохраняется на приемлемом с точки зрения предотвращения детонации уровне. Благодаря тому, что степень расширения оказывается выше, чем степень сжатия, снижается термонагруженность двигателя. Поэтому циклы Миллера и Аткинсона называют циклами с высокой степенью расширения или циклами с внутренним охлаждением. 88 Рис. 24. Сравнение индикаторных диаграмм циклов Отто и Аткинсона/Миллера [61] Выгода от повышения тепловой эффективности цикла Аткинсона/Миллера относительно цикла Отто сопровождается потерей пиковой выходной мощности для данного размера (и массы) двигателя из-за ухудшения наполнения цилиндра, особенно на малых частотах вращения коленчатого вала. Решением этой проблемы является использование приводного компрессора, например, компрессора Лишольма (Lisholm), для обеспечения наддува. Управление наддувом В противоположность атмосферному впуску у двигателей с наддувом воздух подаётся в цилиндры под избыточным давлением. Этим увеличивается масса рабочей смеси в цилиндре 1 , что приводит к повышению выходной мощности двигателя при равном рабочем объёме. В моторе с меньшим рабочим объёмом тратится меньше энергии на преодоление сил инерции движущихся деталей (относительно более лёгких), поверхности трения и насосные потери также меньше. В итоге 1 Коэффициент наполнения может доходить до величины 3,0. 89 коэффициент полезного действия ДВС с наддувом оказывается выше. Наддув воздуха осуществляется при помощи так называемых нагнетателей. Привод нагнетателей может быть: механическим, газодинамическим, электрическим. Нагнетатели (компрессоры) с механическим приводом от коленчатого вала двигателя («механический наддув») могут быть объёмного (нагнетатель со скользящими лопатками, поршневой нагнетатель, винтовой нагнетатель и т.п.) или центробежного типа. При непосредственном приводе нагнетателя от коленчатого вала двигателя частота вращения вала нагнетателя напрямую зависит от частоты вращения коленчатого вала. За счёт этого достигаются лучшие динамические характеристики двигателя по сравнению с турбонаддувом. Но на привод нагнетателя затрачивается часть мощности двигателя, что приводит к дополнительному расходу топлива. Этот недостаток можно уменьшить посредством отключения нагнетателя на режимах малых нагрузок двигателя. Нагнетатели с приводом от газодинамической турбины («турбонаддув») относятся к центробежному типу. Горячие ОГ действуют на лопатки газовой турбины, придавая ей быстрое вращательное движение (до 250000 об/мин). Лопатки колеса компрессора, соосно вращающегося вместе с колесом турбины, нагнетают воздух во впускной трубопровод под давлением в несколько раз выше атмосферного. Турбокомпрессор расположен непосредственно в потоке горячих ОГ (для ДВСПВ – около 1000°С, для ДВСВС – порядка 600°С) и поэтому должен изготавливаться из термостойких материалов. Сопротивление движению ОГ, возникающее перед турбиной, увеличивает работу выталкивания, производимую двигателем на такте выпуска. Несмотря на это, КПД двигателя в диапазоне частичных нагрузок повышается. К недостаткам двигателя с турбонаддувом следует отнести низкий крутящий момент при очень низких оборотах коленчатого вала. Энергии, содержащейся в ОГ в этом диапазоне частот вращения, для привода турбины не хватает. На неустановившемся режиме разгона двигателя 90 характеристика крутящего момента хуже и на средних оборотах, чем у двигателя без наддува (эффект «турбоямы»). Причина ‒ инерция формирования потока ОГ. Нагнетатели с электрическим приводом («электронаддув») используют электроэнергию для вращения центробежного компрессора. Как правило, такой вид наддува применяется на автомобилях с гибридной силовой установкой, где используются более мощные агрегаты электрооборудования, и осуществляется «интеллектуальное» управление энергопотоками. Электропривод может быть автономным, а может комбинироваться с турбонаддувом. В этом случае электромотор помогает ОГ раскрутить турбину на режимах максимальной нагрузки, а также ликвидировать «турбояму». Во время сжатия воздух в нагнетателе может нагреваться почти до 180°С. Поскольку нагретый воздух обладает меньшей плотностью по сравнению с холодным, подобный разогрев отрицательно сказывается на наполнении цилиндров. Охлаждение сжатого и нагретого воздуха осуществляется в специальном теплообменнике («интеркулере»), что приводит к повышению наполнения цилиндров. Более низкая температура воздуха ведёт и к более низкой температуре заряда смеси в цилиндре. Это даёт следующие преимущества: снижение риска возникновения детонации (в ДВСПВ); повышение термического КПД и, тем самым, снижение расхода топлива; уменьшение термической нагрузки на поршни; уменьшение выбросов NO x с ОГ. Двигатели должны развивать высокий крутящий момент уже при низкой частоте вращения коленчатого вала, поэтому нагнетатель конструируется из расчета небольшого расхода ОГ. Для того чтобы при больших расходах ОГ нагнетатель не перегружал двигатель и сам не выходил из строя, давление наддува необходимо регулировать. Для этого используются следующие конструктивные варианты: нагнетатель с перепуском части ОГ (англ. waste-gate); нагнетатель с двумя различными каналами подвода ОГ (англ. twin- scroll); нагнетатель с изменяемой геометрией турбины (англ. variable 91 geometry turbocharger, VGT); нагнетатель с дросселированием турбины (англ. variable nozzle turbocharger, VNT). В первом случае регулирование давления наддува осуществляется через перепускной канал. Часть сжатого в нагнетателе воздуха подаётся в цилиндр и определяет его наполнение, а другая часть направляется через перепускной канал обратно на вход нагнетателя. Второй вариант предусматривает два параллельных, но разного размера и формы канала для ОГ в едином корпусе «улитки» турбины — ОГ в каждый из каналов попадают от своей группы цилиндров, но крутят единое турбинное колесо. Его лопатки выполнены таким образом, что одинаково эффективно воспринимают импульсы из обоих каналов. Из-за различной геометрии каналов достигаются заданные характеристики наддува в широком диапазоне частот вращения двигателя, а отсутствие столкновения и завихрения потоков ОГ от разных групп цилиндров улучшает газодинамические свойства системы. Турбина с изменяемой геометрией лопаток предоставляет ещё одну возможность ограничения потока ОГ при высоких оборотах коленчатого вала. Такие нагнетатели широко применяются на ДВСВС. На ДВСПВ они ещё довольно редки из-за высоких термических нагрузок, вызванных свойственными этим двигателям более горячими ОГ. На малых частотах вращения коленчатого вала соответствующим поворотом направляющих лопаток устанавливается малая площадь поперечного сечения отверстий для прохода ОГ, так чтобы поток ОГ развивал в турбине высокую скорость, разгоняя её до высокой частоты вращения. При высоких частотах вращения коленчатого вала обеспечивается увеличение поперечного сечения отверстий для прохождения ОГ, так чтобы поток ОГ не разгонял газовую турбину до слишком высоких скоростей, тем самым ограничивается давление наддува (рис. 25). Нагнетатель с дросселированием турбины устанавливают на небольших двигателях легковых автомобилей. Регулировочная заслонка постепенным открытием нескольких подводных каналов изменяет в этой конструкции проходное сечение для подвода ОГ к турбине. Меньшее поперечное сечение приводит к высокой скорости течения ОГ и тем самым к высокой частоте вращения вала газовой турбины. При 92 достижении желаемого давления наддува регулирующая задвижка плавно открывает дополнительный канал, подводящий ОГ к турбине. Скорость течения ОГ, а вместе с тем частота вращения вала турбины и давление наддува уменьшаются. Рис. 25. Положение лопаток турбины VGT-нагнетателя, соответствующее 7%, 50% и 90% давлению наддува. Источник: Detroit Diesel Многоступенчатый наддув позволяет существенно расширить пределы регулирования мощности ДВС по сравнению с одноступенчатым наддувом. При этом удаётся улучшить как подачу воздуха в цилиндры, так и удельный расход топлива на стационарных и переходных режимах работы двигателя. Имеются конструкции с двух- и даже трёхступенчатым наддувом, в которых используются различные комбинации нагнетателей. Следует отметить, что при высоких степенях наддува возрастает риск детонации, поэтому необходимо предусматривать ряд мер по предотвращению этого явления, в частности, уменьшать степень сжатия, уменьшать угол опережения зажигания, обеднять рабочую смесь и т.п. Совершенствование систем впрыска топлива Для соблюдения жёстких требований к организации рабочего процесса как в ДВСПВ, так и в ДВСВС в настоящее время используются системы впрыска топлива с электронным управлением. Это обеспечивает наиболее полный учёт всех влияющих факторов и наиболее гибкое регулирование. 93 Совершенствование систем впрыска топлива ДВСПВ В ДВСПВ система впрыска заменила карбюратор – устройство, устанавливаемое во впускном трубопроводе и предназначенное для приготовления рабочей смеси необходимого состава на всех режимах работы двигателя. Таким образом, рабочая смесь готовилась прежде, чем поступала в камеру сгорания. Это называется «внешним смесеобразованием». Существующие в настоящее время системы впрыска топлива могут выполняться по схемам, как с внешним смесеобразованием, так и с внутренним, т.е. происходящим непосредственно в камере сгорания. В бензиновых двигателях давление впрыска топлива не превышает 0,4…0,5 МПа. |