_Улучшение энерго-экологических характеристик автомобилей. Государственный технический
 Скачать 3.39 Mb.
|
|
Система впрыска топлива через одну форсунку (одноточечный или центральный впрыск) В системе одноточечного впрыска (англ. single point injection, SPI) топливо периодически впрыскивается во впускной трубопровод одной форсункой с электромагнитным приводом, расположенной во впускном трубопроводе перед дроссельной заслонкой (рис. 26). Рис. 26. Система одноточечного (центрального) впрыска топлива: 1) топливо; 2) воздух; 3) дроссельная заслонка; 4) впускной трубопровод; 5) форсунка; 6) двигатель [58] 94 По сравнению с карбюратором системы с центральным впрыском обеспечивали более простое и гибкое управление составом рабочей смеси, однако характеризовались определённой инерционностью и неравномерностью состава рабочей смеси, подаваемой в разные цилиндры. Это было связано с довольно большим и, что особенно важно, разным расстоянием от форсунки до впускных клапанов каждого цилиндра. Поэтому эта система довольно быстро сменилась многоточечным (распределённым) впрыском. Системы многоточечного (распределённого) впрыска топлива В системах многоточечного впрыска (англ. multi point injection, MPI) каждый цилиндр имеет свою форсунку, впрыскивающую топливо непосредственно на впускной клапан этого цилиндра (рис. 27). Поскольку форсунки изготавливаются и управляются с высокой степенью точности, состав рабочей смеси в каждом цилиндре обеспечивается практически одинаковый. Расстояние от форсунки до впускного клапана минимально возможное и одинаковое для всех цилиндров. Поэтому инерционность такой системы очень мала, что очень важно для точного и быстрого регулирования состава рабочей смеси. Рис. 27. Система многоточечного (распределённого) впрыска топлива: 1) топливо; 2) воздух; 3) дроссельная заслонка; 4) впускной трубопровод; 5) форсунки; 6) двигатель [58] 95 Однако у такой системы существует один недостаток. При запуске холодного двигателя распыляемое форсункой топливо попадает на холодные поверхности впускного трубопровода и впускного клапана, образуя плёнку из низкокипящих фракций топлива. Эта плёнка на протяжении нескольких рабочих циклов практически не участвует в процессе сгорания, но, испаряясь, формирует определённую долю несгоревших СН в ОГ. Чтобы минимизировать данный эффект, могут применяться форсунки, через которые в момент прогрева двигателя одновременно подаётся топливо и воздух (в т.ч. сжатый). Такие системы впрыска получили название «впрыск с воздушной поддержкой» (англ. air assist injection, AAI) или «впрыск с воздушным принуждением» (англ. air forced injection, AFI). В этих системах топливо подаётся в форсунки, где в специальной камере смешивается с поступающим туда же воздухом, и только после этого впрыскивается во впускной коллектор. Благодаря более высокому давлению впрыска и предварительному перемешиванию с воздухом формируется топливная струя с более мелкими каплями топлива (40 мкм для систем AAI и 15 мкм для систем AFI), чем в обычных системах впрыска (300 мкм). Это позволяет в период прогрева двигателя сократить выбросы СН на 50% [13]. Системы непосредственного впрыска топлива В системах непосредственного впрыска (с внутренним смесеобразованием) топливо впрыскивается форсунками, размещенными в каждом цилиндре, непосредственно в камеру сгорания ( рис. 28). Образование смеси в камере сгорания позволяет двигателю работать двумя совершенно разными способами. В условиях гомогенной смеси она распределена по своему составу однородно по всей камере сгорания, как и при внешнем смесеобразовании, — все количество находящейся в камере сгорания свежей смеси принимает участие в процессе сгорания. Поэтому такой режим используется, когда необходимо получение высокого крутящего момента. В условиях послойного распределения смеси она должна быть горючей только непосредственно возле свечи зажигания. В остальном объёме камеры сгорания находятся воздух и остаточные ОГ без следов топлива. Тем самым, на режимах холостого хода и частичной нагрузки создаётся, в 96 общем, весьма бедная смесь, что обеспечивает снижение расхода топлива и выброса продуктов неполного сгорания. Рис. 28. Система непосредственного впрыска топлива: 1) топливо; 2) воздух; 3) электронно-управляемая дроссельная заслонка; 4) впускной трубопровод; 5) форсунки; 6) двигатель [58] Совершенствование систем впрыска топлива ДВСВС Жёсткие ограничения по уровню выбросов ЗВ с ОГ и уровню шума, наряду с требованиями к обеспечению более низкого расхода топлива, постоянно формируют новые требования к системе впрыска ДВСВС. Система впрыска должна дозировать и подавать топливо с максимальной точностью под высоким давлением (в настоящее время — от 35 до 205 МПа) в камеру сгорания в нужном количестве и в нужный момент. При этом должно обеспечиваться хорошее смесеобразование, как при непосредственном впрыске, так и при впрыске в разделенные камеры сгорания (вихрекамерный или предкамерный впрыск) [102]. Основное различие между системами впрыска ДВСВС состоит в механизме создания высокого давления и типе управления открытием и закрытием форсунок. Высокое давление впрыска создаётся плунжерными парами 97 (плунжер и гильза прецизионного изготовления 1 ) в топливных насосах высокого давления (ТНВД). Классический рядный ТНВД для ДВСВС грузовых автомобилей создаёт давление в топливной магистрали высокого давления от 35 до 100 МПа. Распределительные ТНВД могут обеспечивать более высокое давление впрыска – от 60 до 120 МПа. В аккумуляторной системе впрыска Common Rail топливный насос создаёт давление от 130 до 150 МПа. Индивидуальные (на каждый цилиндр) ТНВД и насос-форсунки могут создавать давление до 205 МПа. Чем выше давление впрыска, тем более мелкодисперсное распыление струи топлива можно обеспечить. Кроме того, скорость движения капелек топлива становится больше, а продолжительность впрыска ‒ меньше. Это улучшает процессы смесеобразования и сгорания, протекающие в цилиндре ДВСВС. Способы управления законом впрыскивания топлива должны обеспечивать учёт режима работы двигателя, параметры воздуха и топлива, других факторов, с целью обеспечения требований к экономичности и экологичности работы двигателя. Понятие «закон впрыскивания», характеризует процесс впрыскивания в камеру сгорания определенного количества топлива в зависимости от времени (рис. 29). Механические системы управления системой впрыска позволяют учесть лишь наиболее важные факторы – положение органа подачи топлива, частоту вращения и атмосферное давление. Моменты открытия и закрытия форсунок определяются давлением Р 0 , создаваемым ТНВД. Впрыск осуществляется за одну фазу (штрихпунктирная линия 1). Характерно плавное нарастание и спад давления, а также относительно низкое значение давления впрыска Р s1 Наибольший контроль над законом впрыскивания топлива предоставляют электронные системы управления. Моменты открытия и закрытия форсунок задаются электромагнитными клапанами по сигналам, приходящим от электронного блока управления. Блок управления анализирует поступающие в него сигналы от датчиков 1 Допуски на овальность и конусообразность плунжера и гильзы ТНВД составляют 0,2…0,6 мкм, высота микронеровностей и сборочные зазоры в сопряжениях 1,5…2 мкм. 98 положения органа подачи топлива, частоты вращения коленчатого вала, давления и температуры воздуха, охлаждающей жидкости, противодавления на сажевом фильтре и т.п. и формирует оптимальный закон впрыскивания, который может состоять из нескольких фаз (т.н. «фазированный впрыск»): фаза предварительного впрыскивания (2.1) предназначена для снижения уровня шума сгорания и образования NO x , особенно в ДВСВС с непосредственным впрыском топлива; фаза основного впрыскивания (2.2) характеризуется интенсивным повышением давления для сокращения уровня образования NO x и сажи при работе без рециркуляции ОГ, а также удержанием постоянного и высокого давления впрыска Р s2 и последующим резким спадом давления для сокращения уровня образования сажи при работе с рециркуляцией ОГ; Рис. 29. Характерные фазы закона впрыскивания топлива для систем с механическим (1) и электронным (2.1…2.4) управлением [102] фаза дополнительного впрыскивания (2.3) непосредственно после основной фазы для сокращения уровня выбросов сажи (на 20…70%); фаза кратковременного периодического позднего дополнительного впрыскивания (2.4), осуществляемая для создания восстановительной среды в ОГ для десорбции аккумулирующего нейтрализатора NO x и/или с целью повышения температуры ОГ для регенерации сажевого фильтра. 99 Особенно неблагоприятно на работе ДВСВС отражаются нежелательные подвпрыскивания. При подвпрыскивании форсунки самопроизвольно открываются ещё раз вскоре после закрытия, и в цилиндр к концу рабочего такта попадает плохо подготовленное топливо. Оно не сгорает частично или полностью и устремляется в виде несгоревших углеводородов в выпускной тракт. Быстро запираемые распылители с достаточно высоким давлением закрытия и низким остаточным давлением в подающей магистрали предотвращают этот неблагоприятный эффект [102]. Подобно подвпрыскиваниям на работе дизеля негативно сказывается наличие остаточных порций топлива, скапливающихся в носке корпуса распылителя, за уплотняющей поверхностью. Остающееся топливо испаряется после окончания сгорания и также частично устремляется в выпускной тракт, повышая уровень выбросов несгоревших углеводородов. Распылители, в которых отверстия рассверливаются в районе уплотнительного седла, имеют самые незначительные объёмы остаточных порций топлива [102]. Применение водных эмульсий дизельного топлива Водные эмульсии дизельного топлива снижают образование NO x , но при этом с увеличением количества воды падает мощность двигателя (при той же величине цикловой подачи, что и для 100% дизельного топлива). Уровень эмиссии СН увеличивается, в частности, при низкой нагрузке и/или холодном двигателе. В водные эмульсии добавляют многочисленные присадки: эмульгаторы для стабилизации эмульсии; антикоррозионные присадки; средства против замерзания; смазывающие присадки; биозид или подобные добавки для уменьшения роста микроорганизмов и т. д. Эмульсии испытывались на двигателях с рядными ТНВД. Преимущество эмульсий заключается в том, что выбросы NO x на старых грузовиках на некоторый период времени можно снизить без дополнительных мероприятий. Для более новых систем впрыска водные 100 эмульсии не подходят, поэтому их появление на свободном рынке не планируется. Во многих современных системах питания температура топлива может превышать 100°С, при этом вода испаряется, а после охлаждения снова конденсируется в свободном виде, что вредно для топливной аппаратуры. При этом очень мелкие капли воды в эмульсии не отделяются от дизельного топлива сепаратором воды [102]. Воспламенение гомогенного заряда от сжатия Воспламенение гомогенного заряда от сжатия (англ. homogeneous charge compression ignition, HCCI) ‒ процесс, объединяющий признаки рабочих процессов традиционных ДВСПВ и ДВСВС. Впрыск топлива (как правило, бензина) осуществляется на такте впуска, поэтому в цилиндре двигателя на такте сжатия формируется относительно гомогенная рабочая смесь. Однако воспламенение смеси происходит не от искры зажигания, а за счёт самовоспламенения смеси, происходящего в момент, когда значения плотности и температуры, возрастающих по мере сжатия смеси, превышают определённый порог. Пороговые значения плотности (т.е. концентрации реагентов) и температуры смеси достигаются следующими способами [62]: увеличением степени сжатия; предварительным нагревом всасываемого в цилиндр заряда; увеличением степени наддува; увеличением доли остаточных газов или степени рециркуляции отработавших газов. Самовоспламенение смеси происходит очень быстро, практически по всему объёму камеры сгорания, так же, как это происходит при детонации. При потере контроля над протеканием данного процесса существует опасность поломки двигателя. Поэтому воспламенение гомогенного заряда от сжатия реализуется при работе двигателя на бедной смеси. При этом значение степени сжатия может достигать «дизельных» величин (ɛ>15), что сопровождается почти 30% улучшением эффективности рабочего процесса по сравнению с традиционным процессом с воспламенением смеси от искры. Горение бедной смеси происходит при относительно низкой температуре, что способствует существенному снижению образования NO x , а гомогенность смеси 101 предотвращает появление условий для образования дисперсных частиц. Тем не менее, значения выбросов СО и СН с отработавшими газами не укладываются в существующие жёсткие нормы, поэтому для очистки ОГ требуется применение каталитического нейтрализатора. Кроме того, организация процесса HCCI позволяет регулировать мощность не за счёт дросселирования всасываемого потока (т.н. «количественное» регулирование мощности), а за счёт изменения состава рабочей смеси (т.н. «качественное» регулирование мощности), что ведёт к снижению «насосных» потерь и, следовательно, росту эффективности. Контрольные вопросы к разделу 1. Перечислите и охарактеризуйте основные направления совершенствования рабочего процесса ДВСПВ с целью улучшения его энерго-экологических характеристик. 2. Перечислите и охарактеризуйте основные направления совершенствования рабочего процесса ДВСВС с целью улучшения его энерго-экологических характеристик. 3. В чём суть технологии рециркуляции ОГ? В чём отличие «внешней» от «внутренней» рециркуляции ОГ? Как влияет рециркуляция ОГ на энерго-экологические характеристики ДВС? 4. С чем связана необходимость увеличивать энергию искры? 5. Что называется «минимальной» и «насыщающей» энергией искрового зажигания? 6. Что называется «пробивным» напряжением? Какие факторы влияют на это напряжение? 7. Из каких основных элементов состоит батарейная система зажигания? 8. Опишите особенности и области применения тиристорных или ёмкостных систем зажигания. 9. Опишите особенности и области применения транзисторных или индуктивных систем зажигания. 10. Каким образом переход от контактных к бесконтактным системам зажигания повлиял на величину энергии искры? 11. Опишите особенности «плазменных» систем зажигания. 12. Что называется углом опережения зажигания? Для чего он нужен? Что называют оптимальным углом опережения зажигания? 102 13. Что такое детонация? Каковы причины и последствия её возникновения? 14. Как влияет изменение угла опережения зажигания на энерго- экологические характеристики ДВСПВ? 15. Как влияет изменение угла опережения впрыска топлива на энерго- экологические характеристики ДВСВС? 16. Что называют фазами газораспределения? Что такое перекрытие клапанов? Из каких соображений выбирают величину угла перекрытия клапанов? 17. Как осуществляется регулирование фаз газораспределения? Как это влияет на энерго-экологические характеристики ДВС? 18. Что такое полновариантное регулирование газораспределения? Какие преимущества оно обеспечивает? 19. Для чего используют резонаторные трубки и резонансные камеры в конструкции впускного трубопровода? 20. Для чего используют управляемые заслонки в конструкции впускного трубопровода? 21. Как организуется послойное смесеобразование в ДВСПВ? Как это влияет на энерго-экологические характеристики ДВС? 22. Какими преимуществами и недостатками обладают форкамерные ДВСПВ и вихрекамерные ДВСВС? 23. Из каких соображений выбирается степень сжатия ДВСПВ и ДВСВС? 24. Как регулируется степень сжатия в зависимости от режима работы ДВСПВ с изменяемой степенью сжатия? 25. В чём отличие цикла Миллера/Аткинсона от цикла Отто? Назовите преимущества и недостатки цикла Миллера/Аткинсона. 26. Как влияет наддув на энерго-экологические характеристики ДВС? 27. Какие существуют виды нагнетателей? Укажите их преимущества и недостатки. 28. Каким образом осуществляется регулирование давления наддува в зависимости от режима работы ДВС? 29. В чём отличие «внутреннего» и «внешнего» смесеобразования? 30. Опишите принцип работы одноточечного, многоточечного и непосредственного впрыска топлива в ДВСПВ. 103 31. Какие функции обеспечивает система впрыска топлива в ДВСВС? 32. Какие значения давления впрыска обеспечивают ТНВД различных типов? 33. Какие фазы реализуются при электронном управлении законом впрыскивания топлива в ДВСВС? 34. Что такое «подвпрыскивание» топлива? Как оно влияет на выбросы несгоревших углеводородов? 35. Для чего применялись водные эмульсии дизельного топлива? Почему не планируется широкое распространение этих эмульсий? 36. В чём заключаются особенности организации воспламенения гомогенного бензинового заряда от сжатия? Какие преимущества и недостатки имеет данная технология? 104 МЕТОДЫ ОЧИСТКИ ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ ДВС В тех случаях, когда не удаётся снизить выбросы загрязняющих веществ до желаемого уровня при помощи совершенствования рабочего процесса в двигателе, применяют методы очистки отработавших газов. Отличают очистку ОГ от дисперсных частиц, которая, как правило, осуществляется при помощи фильтров, и очистку от газообразных ЗВ, которая выполняется методами абсорбции, нейтрализации и адсорбции. Методы жидкостной абсорбции Принцип действия абсорберов (иногда называемых жидкостными нейтрализаторами) основан на растворении или химическом взаимодействии токсичных компонентов ОГ при пропускании их через жидкий абсорбент определенного состава: воду, водный раствор сульфита натрия, водный раствор двууглекислой соды и т.п. Пропускание ОГ дизелей через воду обеспечивает степень очистки от NO x до 50%, от альдегидов − до 98%, от SO 2 – до 99%. Жидкостные нейтрализаторы не требуют времени для выхода на рабочий режим после пуска холодного двигателя. Однако есть и недостатки: большая масса и габариты, необходимость частой смены абсорбента, неэффективность по отношению к СО, работа, как правило, только при положительных температурах. В настоящее время такие устройства применяются лишь при работе специализированной техники в замкнутых пространствах (например, шахтах или складских помещениях). |