впрыск воды. Впрыск воды в цилиндр двигателя и его влияние на экологические параметры двигателя
 Скачать 122.14 Kb.
|
 Факультет энергетики и электроники Кафедра «Тепловые двигатели» РЕФЕРАТ На тему: «Впрыск воды в цилиндр двигателя и его влияние на экологические параметры двигателя» Выполнил: студент Ермаков В. Группы: О-19-ЭМ-ДВС-Б Проверил: Новиков М.А. БРЯНСК 2021 СOДEPЖАНИEСOДEPЖАНИE 2 ВВЕДЕНИЕ 3 Как работает система впрыска воды 4 Принцип работы 6 Как впрыск воды в цилиндры повышает мощность и экономичность двигателя 8 Сущность процесса 9 Не все так просто 9 Заключение 11 ЛИТЕРАТУРА 12 ВВЕДЕНИЕВпрыск воды в ДВС — идея, пришедшая в автомобильную отрасль из авиастроения. Еще во времена Второй Мировой войны американские и немецкие инженеры использовали впрыск смеси воды и метанола в двигатели истребителей. Тем самым повышается мощность моторов в режиме форсажа. Развитие этой идеи было похоронено после наступления эпохи турбореактивных двигателей. В 80-е годы XX столетия технология вернулась, но уже в автоспорте. Впрыск воды начал использоваться для повышения отдачи двигателей гоночных болидов Формулы-1, а позднее в гонках на выносливость Ле-Ман и в раллийной серии. Однако неизменно конструкция запрещалась организаторами чемпионатов. Максимального распространения идея впрыска воды в мотор достигла в мире дрэг-рейсинга, где не было серьезного контроля со стороны организаторов гонок. С этого момента впрыск воды в цилиндры поршневых ДВС стал одним из элементов автотюнинга. Такое положение не изменило даже появление интеркулеров, которые более эффективны, чем системы впрыска воды в двигатель. Последние до сих пор остаются популярны из-за своей дешевизны, неприхотливости и легкости установки. Однако используют их, как правило, на высокофорсированных двигателях, особенно оснащенных турбиной. Как работает система впрыска водыВ современных силовых агрегатах, оснащаемых данной системой, может устанавливаться разный тип комплектов. В одном случае используется одна форсунка, размещенная на патрубке впускного коллектора перед разветвлением. В другой модификации используется несколько форсунок по типу распределенного впрыска. Самый простой способ смонтировать подобную систему – установить отдельный резервуар для воды, в котором будет размещен электронасос. К нему подключается трубка, по которой жидкость будет подаваться на распылитель. Когда мотор выйдет на нужную температуру, водитель включает распыление, благодаря чему во впускном коллекторе обеспечивается создание влажного тумана. Простейшая установка может устанавливаться даже на карбюраторный мотор. Но при этом не обойтись без некоторой модернизации впускного тракта. Управление системой в таком случае обеспечивается из салона водителем. В более продвинутых модификациях, которые можно найти в магазинах для автотюнинга, настройка режима распыления обеспечивается либо отдельным микропроцессором, либо его работа связана с сигналами, исходящими из ЭБУ. В этом случае для установки системы потребуется воспользоваться услугами автоэлектрика. В устройство современных систем распыления входят такие элементы: Электронасос, обеспечивающий давление до 10 бар; Одна или несколько форсунок для распыления воды (их количество зависит от устройства всей системы и принципа распределения влажного потока по цилиндрам); Контроллер – микропроцессор, который управляет моментом и количеством впрыска воды. К нему подключается насос. Благодаря этому элементу обеспечивается постоянная высокоточная дозировка. Алгоритмы, прошитые в некоторых микропроцессорах, позволяют системе автоматически подстраиваться под разные режимы работы силового агрегата; Бачок для жидкости, которую нужно распылять в коллектор; Датчик уровня, размещенный в этом резервуаре; Шланги нужной длины и соответствующие крепления. Система работает по такому принципу. На контроллер впрыска поступают сигналы от датчика расхода воздуха. В соответствии с этими данными при помощи соответствующих алгоритмов микропроцессор рассчитывает время и количество распыляемой жидкости. В зависимости от модификации системы форсунка может быть выполнена просто в виде втулки с очень тонким распылителем. Большинство современных систем просто подают сигнал на включение/выключение насоса. В более дорогих комплектах имеется специальный клапан, который изменяет дозировку, но в большинстве случаев он работает некорректно. В основном контроллер срабатывает, когда мотор выходит на 3000 об/мин. и более. Прежде, чем устанавливать подобную установку на свое авто, нужно учесть, что большинство производителей предупреждают о некорректной работе системы на некоторых автомобилях. Подробного списка никто не предоставит, так как все зависит от индивидуальных параметров силового агрегата. Хотя основной функцией впрыска воды является повышение мощности мотора, в основном его используют только в качестве интеркулера для охлаждения потока воздуха, идущего от раскаленной турбины. Помимо повышения отдачи мотора многие уверены, что работа впрыска также обеспечивает очищение рабочей полости цилиндра и выпускного тракта. Некоторые уверены, что наличие пара в выхлопе создает химическую реакцию, которая нейтрализует некоторое количество токсичных веществ, но в таком случае машине не нужен будет такой элемент, как автомобильный катализатор или сложная система AdBlue. Подкачка воды имеет эффект только на высоких оборотах мотора (он должен быть хорошо разогретым и поток воздуха должен быть стремительным, чтобы влага сразу попадала в цилиндры), а в большей степени в турбированных силовых агрегатах. Этот процесс обеспечивает создание дополнительного крутящего момента и небольшой прирост мощности. Если двигатель атмосферный, то он не станет ощутимо мощнее, но от детонации он точно не будет страдать. У турбированного ДВС установленный перед нагнетателем впрыск воды обеспечит повышение КПД за счет снижения температуры поступающего воздуха. А для еще большего эффекта в такой системе используется упомянутая раньше смесь воды и метанола в пропорции 50х50. Принцип работыПринцип работы впрыска в мотор основан на работе отдельной форсунки, через которую во впускной коллектор мотора впрыскивается вода. В итоге топливно-воздушная смесь (ТВС) состоит не только из бензина и воздуха, но и воды. Так как она обладает большей теплоемкостью, то температура в цилиндрах мотора снижается, а температура взвеси — повышается. Такая смесь обладает большей плотностью и весом, что позволяет тратить меньшие ресурсы на сжатие. В результате повышается КПД и отдача мотора: увеличивается мощность (до 20 %), повышается крутящий момент, уменьшается детонация. Одновременно из-за использования воды снижается концентрация вредных веществ в выхлопе автомобиля. Есть у системы впрыска воды в топливо и свои недостатки. Почти ни одна система впрыска воды в двигатель не позволяет добиться равномерного распределения жидкости. Один или несколько цилиндров получают меньший объем воды, в результате работая на обедненной смеси. В результате могут наблюдаться нестабильность работы движка и снижение скорости разгона при полностью открытой дроссельной заслонке. Решить такую проблему может использование индивидуальной форсунки для каждого цилиндра мотора. Однако такая система получается слишком дорогостоящей. Для использования подходит исключительно дистиллированная вода — обычная водопроводная не пригодна. Использование обычной воды приводит к образованию солевых отложений, что снижает эффективность движка и может способствовать его поломке. Еще один недостаток системы — трудность использования в российских условиях. Вода элементарно замерзает при отрицательных температурах. Поэтому в отечественных условиях чаще используется вода в сочетании со спиртовыми добавками, однако при низких отрицательных температурах не помогают и они. В этом случае приходится демонтировать систему с автомобиля.  Как впрыск воды в цилиндры повышает мощность и экономичность двигателяВпрыск воды в цилиндры звучит несколько необычно. Как вода, являясь негорючей жидкостью может повысить мощностные или экономические показатели двигателей? Но это работает. Конечно, вода не является топливом и не может передавать энергию, но она может выполнить другие, достаточно важные функции, позволяя увеличивать степень сжатия двигателя без возникновения побочных явлений. А это ключ к повышению мощности при меньшем расходе топлива. Исследованиями доказано, что при увеличении степени сжатия увеличивается и мощность, но при этом возрастает опасность, что смесь воздуха и бензина воспламенится еще до того, как появится искра. То есть произойдет так называемое детонационное горение со стремительным распространением пламени (скорость горения при детонации нарастает скачкообразно и достигает 1500 … 2500 м/сек, тогда как при нормальном — около 25 м/сек). Это может быть фатальным для двигателя, поскольку при этом в результате взрывного горения часть топлива не успевает полностью сгореть, что внешне сопровождается появлением дымного выхлопа темного цвета. При этом вследствие взрывного сгорания двигатель работает неуравновешенно, происходит перегрев его деталей, прогорают поршни и клапаны, пригорают поршневые кольца, резко повышается износ цилиндропоршневой и кривошипно-шатунной групп. И не допустить детонации повышением октанового числа бензина, которое характеризует стойкость его к детонации, становится невозможным, поскольку все имеет свои пределы. Однако, на помощь может прийти вода, которая охлаждает поступающую в цилиндр смесь при большой нагрузке двигателя и предотвращает ее преждевременное возгорание. В конце концов, ничего нового под солнцем. Этот принцип годами использовался в авиадвигателях и автоспорте. Были также попытки и на серийных автомобилях. Однако, для массового производства автомобилей это было слишком дорого и сложно. В последние годы наблюдается возврат к подзабытым технологиям в связи с необходимостью повышения экономических и экологических показателей поршневых двигателей. В частности, компания Bosch, произвела тестирование системы впрыска воды в двигатель, которая предназначена для 3-х и 4-цилиндровых агрегатов с наддувом. Специальная форсунка впрыскивает небольшое количество водяного тумана перед впускным клапаном во время всасывания смеси в цилиндр. Впоследствии вода испаряется, охлаждая при этом смесь воздуха и топлива, да и саму камеру сгорания. Впрыск водяного тумана во впускной коллектор снижает температуру в цилиндре. Следовательно, двигатель может иметь более высокую степень сжатия и, соответственно, более высокую мощность при меньшем расходе топлива. Сущность процессаВ поршневом двигателе впрыск воды существенно понижает температуру топливовоздушной смеси, что увеличивает ее плотность и, следовательно, большая масса смеси, поступает в цилиндр, обеспечивая повышение литровой мощности. Вода, находящаяся в небольших каплях, поглощает тепло (и понижает давление) при сжатии заряда, тем самым уменьшая работу, на его сжатие. Дополнительный эффект возникает во время сгорания, когда вода поглощает значительное количество тепла при испарении, снижая пиковую температуру и, как следствие, обеспечивает уменьшение образование NOx, а также снижает потери тепловой энергии, которая поглощается стенками цилиндра. Это позволяет преобразовать дополнительную часть энергии, получаемой при сгорании из тепловой в механическую давления на поршень. Когда капли воды испаряются, поглощая тепло, они превращаются в пар под высоким давлением. Конечный результат – получение заряда топливовоздушной смеси с более высоким октановым числом, который выдерживает высокие степени сжатия без возникновения детонации. Контроль над впрыском воды очень важен. Такой впрыск следует применять только тогда, когда возникают соответствующие условия. Обычно это происходит, когда двигатель сильно форсирован и работает на полную мощность. В противном случае, а также когда воды впрыскивается слишком много, значительно снижается температура в процессе сгорания, что приводит к отрицательным эффектам — снижению мощности и увеличению расхода топлива. В принципе, прямой впрыск воды в поршневом двигателе возможен в любой точке цикла двигателя, в зависимости от желаемого эффекта, даже в конце рабочего такта или во время такта выпуска, но тогда будет использоваться только для снижения температуры двигателя. Обычно в двигателе впрыск воды происходит прямо перед впускным клапаном. Это охлаждает всасываемый воздух, делая его более плотным (больший объемный КПД) и предотвращает детонацию топлива в цилиндрах. Не все так простоБольшинство современных двигателей транспортных средств заранее запрограммированы на определенные пропорции топлива и воздуха, поэтому добавление воды без перепрограммирования электронного блока управления (ЭБУ) или иного изменения этих соотношений, скорее всего, не принесет никакой пользы и может даже снизить его показатели или вовсе повредить двигатель. Кроме того, системы управления большинства современных топливных систем в которых не предусматривался впрыск воды, не могут определить наличие воды в смеси, и, соответственно, не могут определить новую оптимальную степень сжатия или иным образом воспользоваться преимуществами более низких температур цилиндров. В большинстве случаев в обычных предварительно запрограммированных двигателях автомобилей использование метода непрямого впрыска воды приводит к потере мощности, поскольку водяной пар заменяет воздух, который требуется для осуществления процесса сгорания и выработки энергии. Как правило, хороший результат получают только двигатели, специально переоборудованные для впрыска воды и имеющие соответствующие прошивки системы управления. Кроме того, двигатель может быть поврежден, если впрыскивается слишком много воды или если сам инжектор неисправен и заливает цилиндр. Вода не сжимается, и слишком много воды в цилиндре во время такта сжатия может вызвать гидроудар, когда объем жидкости в двигателе близок или превышает объем между поршнем и головкой цилиндра двигателя в верхней мертвой точке, что приводит к чрезвычайно высокому давлению в цилиндре, которое может вызвать разрушение головки, поршней, шатунов, а также другие повреждения двигателя. Такие ситуации обычно являются фатальными требует его капитального ремонта или даже замены двигателя. Многие «специалисты» утверждают, что, вставив трубку для подачи воды во впускном коллекторе, гарантируют увеличение пробега или повышение мощности. Однако, если при этом не перепрограммируется ЭБУ автомобиля или не будут внесены существенные изменения в двигатель, в конечном итоге может произойти потеря мощности и его повреждение. Надежная работа системы впрыска зависит не только от своевременной ее очистки, но и от состояния прочих систем двигателя. Есть вещи, почти безвредные для карбюраторного мотора, но недопустимые для двигателя с впрыском - например, износ маслосъемных колпачков клапанов, вызывающий большой угар масла. Карбюраторный просто «затроит» от замасливания или замыкания нагаром свечи, а на впрысковом датчики начнут врать, в катализатор попадает не сгоревший в цилиндрах бензин. Из-за повышенного уровня залитого масла оно попадает во впускной коллектор через систему вентиляции картера, а затем и в цилиндры. Так что система впрыска топлива требует регулярного техобслуживания. ЗаключениеИнжекторная система по устройству и обслуживанию гораздо сложнее карбюраторной, и поэтому ремонт тоже сложнее и дороже. Но если соблюдать несколько правил, большинство неприятностей можно избежать. Например, плохой бензин разрушает насосы, забивает фильтры, выводит из строя форсунки, поэтому покупать бензин по возможности лучше на проверенных автозаправках. И конечно, надо не забывать чистить бензобак от остающихся воды, грязи и ржавчины, часто менять топливные фильтры, стараться не допускать длительных простоев. Необходимо помнить, что эффективность работы инжекторного двигателя во многом определяет и состояние форсунок - управляемых электромагнитных клапанов, обеспечивающих дозированную подачу в цилиндры двигателя топлива. А вот блок управления, которому и подчиняются все форсунки, хоть и деталь немаловажная, но и ломается он редко, да и проблем с регулировкой немного. Согласно статистике, 90% поломок инжектора связаны с поломкой датчиков или нарушением питания электронного блока. Системы впрыска бензина по сравнению с карбюраторами имеют целый ряд преимуществ: благодаря более точной дозировке топлива снижается токсичность выхлопов, повышается экономичность, улучшаются мощностные характеристики. Кроме того, исправный двигатель с системой впрыска характеризуется лучшими пусковыми свойствами (независимо от температуры), более устойчивой работой, большей надежностью. Недостатков у инжекторов два - высокие требования к качеству используемого топлива и более дорогая стоимость обслуживания и запчастей. А ресурс инжекторов действительно во многом зависит от качества бензина. В качестве профилактики для увеличения срока их службы в наших условиях эксплуатации может служить систематическая промывка инжекторов - через каждые 20 - 25 тыс. км. В противном случае они могут так закоксоваться, что никакая промывка уже не поможет. ЛИТЕРАТУРАКирилин В.А., Сычев В.В., Шейндлин А.Е. Техническая термодинамика. – М.: «Энергия», 1968. Белоусов Е.В. Охлаждаемое сжатие в твердотопливных поршневых двигателях со слоевым сжиганием топлива. Сб. науч. трудов НУК им. адм. Макарова. – Николаев: НУК, 2005. Белоусов Е.В. Создание и совершенствование твердотопливных поршневых двигателей внутрен- Рабочие процессы в ДВС 78 ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ 1'2006 него сгорания. – Херсон: ОАО ХГТ, 2006. Гюльднер Г. Двигатели внутреннего сгорания их работа, конструкция и проектирование: в 2-х Т – Т.2. – М.: «МАКИЗ», 1928. |