Дьяченко В.Г. Теория двигателей внутреннего сгорания

Подождите немного. Документ загружается.

338

система экономайзера (эконостата) для повышенных нагрузок;

система отключения подачи топлива – для режимов принуди-

тельного холостого хода.

Традиционные карбюраторные системы питания отличают-

ся относительной простотой конструкции, надежностью работы.

Однако область их применения неуклонно сужается, так как они

не могут обеспечить жесткие ограничения по составу топливо-

воздушной смеси, необходимые для эффективной работы ката-

литической системы нейтрализации вредных веществ в отрабо-

тавших газах современных двигателей с искровым зажиганием.

Оптимальный состав топливовоздушной смеси по эффективности

работы каталитического нейтрализатора отработавших газов ( =

0,995–1,005) в двигателях с искровым зажиганием возможно

обеспечить только при использовании электронных систем впры-

ска (моновпрыск, распределительный впрыск) с электронной сис-

темой управления подачей топлива по расходу воздуха через дви-

гатель и обратной связью с помощью датчика кислорода, уста-

навливаемого в системе выпуска двигателя. Стоимость подобной

системы питания и системы нейтрализации вредных веществ,

выбрасываемых в атмосферу с отработавшими газами, сопоста-

вима со стоимостью двигателя.

Процессы формирования топливовоздушной смеси на входе

в надпоршневую полость двигателя с электронными системами

впрыска топлива на впуске практически те же, что и у двигателя с

традиционным карбюратором. Давление топлива перед форсун-

кой, создаваемое механическим топливным насосом с электро-

приводом, устанавливаемым обычно в топливном баке, составля-

ет 0,35–0,70 МПа. Средний диаметр капель топлива в факеле на

выходе из форсунки, как при непрерывном дробящем впрыске,

так и при циклическом впрыске, не превышает 100 мкм [2].

Все шире используется в современных двигателях с искро-

вым зажиганием непосредственный впрыск топлива (внутреннее

смесеобразование). Особенности конструкции системы непос-

редственного впрыска топлива, характеристики впрыскивания

(степень дисперсности распыливания, форма и дальнобойность

факела распыливания и т.п.) зависят от особенностей организа-

ции процессов смесеобразования и сгорания.

339

В двухтактных двигателях с кривошипно-камерной продув-

кой, искровым зажиганием и непосредственным впрыском топ-

лива фирмы Orbital Engine [3] используется объемное смесеобра-

зование практически без расслоения топливовоздушной смеси.

Высокая степень дисперсности распыла топлива (средний диа-

метр капель не превышает 40 мкм) и шарообразная форма факела

топлива, соответствующая форме камеры сгорания в головке ци-

линдра, достигаются использованием сжатого воздуха для рас-

пыла топлива. Давление топлива, подаваемого механическим

топливным насосом с электроприводом в смесительную камеру

пневматической форсунки (рис. 1.16), составляет 0,55 МПа, дав-

ление воздуха, создаваемое поршневым компрессором с приво-

дом от коленчатого вала, – 0,6 МПа. Изменение величины цикло-

вой подачи топлива, моментов начала подачи топлива и воздуха в

смесительную камеру пневматической форсунки, момента начала

подачи смеси пневматической форсункой в камеру сгорания,

осуществляется электронной системой управления. Благодаря

высокой эффективности процесса смесеобразования, а соответст-

венно и процесса сгорания достигнуты в этом двигателе предель-

но низкие выбросы вредных веществ с отработавшими газами и

эксплуатационные расходы топлива на уровне вихрекамерных

дизелей (на 15–25 % ниже, чем в лучших четырехтактных двига-

телях с искровым зажиганием).

Столь же высокая эффективность процессов смесеобразова-

ния по степени дисперсности распыла топлива, форме и дально-

бойности факела распыла топлива достигается и при использова-

нии аккумуляторной системы впрыскивания топлива высокого

давления, разработанной профессором М.Г. Сандомирским [4].

Давление топлива в аккумуляторе (р > 10 МПа) поддерживается

топливным насосом с манжетным уплотнением плунжера и

электроприводом. Управление моментом и продолжительностью

подъема клапана форсунки, определяющего цикловую подачу

топлива, осуществляется электронной системой путем подачи

электрического импульса непосредственно на электромагнит пе-

ремещения клапана форсунки. Этим достигается высокая ско-

рость открытия клапана, высокая дисперсность распыла топлива.

Электронная система управления позволяет в широких пределах

изменять продолжительность электрического импульса, подавае-

340

мого на электромагнит привода клапана форсунки, а соответст-

венно и величину цикловой подачи (В

= 3–100 мг/цикл). При

столь широком диапазоне изменения цикловой подачи топлива

возможно использование системы впрыска в двигателях с рабо-

чим объемом одного цилиндра от 200 до 1000 см

и частотой ра-

бочих циклов до 10

мин

–1

Механические системы непосредственного впрыска топлива

в камеру сгорания с клапанными форсунками и давлением начала

впрыска 2–6 МПа также обеспечивают высокую дисперсность

распыла топлива при столь же высокой частоте впрысков. На-

пример, топливные насосы высокого давления с манжетным уп-

лотнением плунжера, разработанные Центральным научно-

исследовательским институтом топливной аппаратуры (г. Санкт-

Петербург) и ГП ФЭД (г. Харьков) [5], с клапанными форсунка-

ми обеспечивают высокую дисперсность распыла при макси-

мальном давлении топлива перед форсункой не выше 15 МПа,

надежно работают на маловязких моторных топливах (бензин,

спирт и т.п.). При давлении начала подъема клапана форсунки

5 МПа, цикловой подаче топлива V

до 10 мм

/цикл и частоте

вращения кулачкового вала n

к.в

до 400 мин

–1

только отдельные

капли достигают размеров 100–150 мкм (рис. 10.3, а). С увеличе-

нием частоты вращения кулачкового вала до 1000 мин

–1

цикловой подаче топлива

до 25 мм

/цикл максималь-

ный диаметр следов капель

на слое окиси магния,

нанесенного на слой копо-

ти, не превышает 40 мкм

(рис. 10.3, б) [6].

Механическая система

впрыска топлива (аксиаль-

ный плунжерный насос) с

клапанной форсункой и на-

садкой для закрутки струи

топлива и увеличения угла

раскрытия топливного факе-

ла использована и в двига-

теле с непосредственным

Рисунок 10.3 – Фотографии следов капель

на слое окиси магния, нанесенного

на слой копоти (диаметр фотографи-

руемого участка поверхности, на ко-

торую осуществлялся впрыск – 5 мм):

а – n

к.в

= 400 мин

–1

; V

= 8 мм

/цикл;

б – n

к.в

= 1000 мин

–1

; V

= 25 мм

/цикл

341

впрыском топлива в камеру сгорания фирмы «Mitsubishi» [7].

Давление начала подъема клапана форсунки не превышает

5 МПа. Впрыск топлива осуществляется на днище поршня со

сферической поверхностью, формирующей поток топливовоз-

душной смеси, направленный в сторону электродов свечи зажи-

гания, установленной в головке цилиндра у оси цилиндра

(рис. 10.4).Благодаря сложной форме поверхности днища порш-

ня, согласованию направления движения воздуха над поверх-

ностью поршня и направления факела впрыскиваемого топлива,

изменению начала впрыска в зависимости от нагрузки (цикловой

подачи) и частоты вращения коленчатого вала, обеспечивается

достаточно глубокое расслоение топливовоздушной смеси. На

режимах холостого хода и частичных нагрузок до скорости авто-

мобиля 120 км/ч двигатель работает при значениях коэффициента

избытка воздуха 2–2,5, на повышенных нагрузках при   1,7.

Расслоение топливовоздушной смеси обеспечивает на ос-

новных эксплуатационных режимах значительный избыток воз-

духа, эффективное сгорание топливовоздушной смеси при значи-

тельном снижении выбросов токсичных веществ с отработавши-

ми газами. Эксплуатационная экономичность автомобильного

двигателя с данной схемой организации процессов смесеобразо-

вания и сгорания улучшилась в зависимости от условий эксплуа-

тации на 15–25 % по сравнению с экономичностью традицион-

ных автомобильных двигателей с внешним смесеобразованием.

Рисунок 10.4 – Динамика расслоения топливовоздушной струи:

1 – форсунка; 2 – свеча зажигания; 3 – поршень; 4 – струя топлива;

a – 40 ПКВ до ВМТ; б – 30 ПКВ до ВМТ; в – 20 ПКВ до ВМТ

342

Достаточно глубокое расслоение заряда достигается также

при использовании механической системы впрыска, расположе-

нии полуразделенной камеры сгорания в головке цилиндра, а

клапанной форсунки в стенке цилиндра для направления факела

впрыскиваемого топлива таким образом, что часть топлива обра-

зует пленку на поверхности вытеснителя и часть – на поверхно-

сти стенок камеры сгорания (рис. 1.15). Испарение топлива в фа-

келе при впрыске в начале такта сжатия незначительно. Пары

топлива над пленкой при подходе поршня к ВМТ потоком возду-

ха из-под вытеснителя переносятся в полость камеры сгорания и

оттесняются затем потоками воздуха из надпоршневой полости к

свече зажигания, установленной в верхней части камеры сгора-

ния (рис. 1.15). Процессы смесеобразования продолжаются и

после воспламенения топливовоздушной смеси у электродов све-

чи зажигания. Скорость испарения топлива и скорость переноса

паров топлива потоком воздуха из-под вытеснителя навстречу

фронту пламени определяет скорость выгорания топлива.

На режимах холостого хода и частичных нагрузок использу-

ется комбинированное регулирование мощности (перемещение

впускного клапана-дозатора в топливном насосе согласуется с

положением дросельной заслонки). Коэффициент избытка возду-

ха изменяется на этих режимах в пределах 2,2–1,5. На повышен-

ных нагрузках используется только качественное регулирование

мощности (до значений  = 1,5–1,1). Процесс сгорания топливо-

воздушной смеси осуществляется в центре надпоршневого объе-

ма в окружении воздуха (на периферии надпоршневого объема

находится воздух). Двигатель становится практически нечувстви-

тельным к октановому числу топлива. Значительный избыток

воздуха при сгорании предопределяет высокую экономичность

двигателя, незначительные выбросы токсичных веществ с отра-

ботавшими газами. Практически этих же результатов удается

достигнуть и при впрыске топлива только на поверхность стенки

камеры сгорания при соответствующем подборе расположения

свечи зажигания, форсунки и характеристик факела распыливае-

мого топлива.

Данная схема организации процессов смесеобразования мо-

жет быть использована и в четырехтактных двигателях при соот-

343

ветствующем выборе формы камеры сгорания и ее расположе-

ния, характеристик распыливания топлива. Однако достигнуть

более глубокого расслоения топливовоздушной смеси (  2,5)

при полуразделенных камерах сгорания чрезвычайно сложно.

Использование разделенных камер сгорания значительно расши-

ряет возможности глубокого расслоения топливовоздушной сме-

си [6]. При впрыске топлива в конце такта сжатия в направлении

соединительного канала топливовоздушная смесь сначала фор-

мируется у соединительного канала (рис. 10.5). Испарение капель

топлива в факеле после окончания впрыска происходит доста-

точно быстро (в течение нескольких градусов поворота коленча-

того вала – рис. 1.10). Затем образовавшаяся смесь паров топлива

и воздуха потоком воздуха из надпоршневого объема оттесняется

в направлении форсунки. Чтобы исключить переобогащение топ-

ливовоздушной смеси у электродов свечи зажигания с повыше-

нием цикловых подач, свеча зажигания должна быть смещена в

сторону соединительного канала. Однако и при этом для дости-

жения только качественного регулирования мощности ( = 1,1–4)

во всем поле эксплуатационных режимов работы автомобильного

двигателя требуется достаточно жесткое согласование моментов

начала впрыска топлива и зажигания топливовоздушной смеси.

Рисунок 10.5 – Динамика формирова-

ния топливовоздушной смеси при

впрыске бензина в дополнитель-

ную камеру сгорания четырех-

тактного двигателя с искровым

зажиганием:

S/D = 80/76;  = 12; n = 2000 мин

–1

;

форсунка однодырчатая, закрытая;

впр

= 10 МПа; V

= 19,7 мм

/цикл;

частота кадров киносъемки – 4000 1/с;

а – начало впрыска;

б – конец впрыска;

угол поворота коле

нчатого вала

между кадрами – 3 ПКВ

344

§2. Зажигание топливовоздушных смесей

от искры электрического разряда

В двигателях с искровым зажиганием воспламенение топли-

вовоздушной смеси осуществляется с помощью батарейной, на-

пример контактной, системы зажигания (рис. 10.6). При запуске

двигателя в замке зажигания замыкают контакты 2 цепи низкого

напряжения, а реле включения стартера замыкает при этом кон-

такты 3, отключая дополнительное сопротивление 4 для увеличе-

ния тока в первичной обмотке катушки зажигания 5. Частота

вращения кулачкового вала 8 прерывателя-распределителя, рото-

ра распределителя 9 в четырехтактном двигателе в два раза

меньше, чем частота вращения коленчатого вала. Максимальный

ток в цепи первичной обмотки катушки зажигания 5 при замы-

кании контактов 7 прерывателя составляет 2,5–4,7 А. Продолжи-

тельность замыкания контактов 7 прерывателя для достижения

максимального напряжения в цепи вторичной обмотки катушки

зажигания должна быть не менее 2010

–3

с. Параллельно контак-

там прерывателя подключен конденсатор 6 для снижения искро-

образования на контактах прерывателя при их размыкании.

При размыкании контактов 7 прерывателя в колебательном

контуре цепи первичной обмотки катушки зажигания возникает

ЭДС самоиндукции напряжением до 300 В (рис. 10.7), а в колеба-

Рисунок 10.6 – Принципиальная схема

батарейной контактной системы

зажигания:

1 – источник питания; 2 –

выключатель

зажигания; 3 – контакты на реле включе-

ния стартера; 4 – резистор; 5 –

катушка

зажигания; 6 – конденсатор; 7 –

контакты

прерывателя; 8 – кулачковый вал преры-

вателя; 9 – ротор распределителя; 10 –

распределитель высокого напряжения;

11 – помехоподавляющие резисторы; 12 –

свечи зажигания

345

тельном контуре цепи

вторичной обмотки

катушки зажигания –

ЭДС индукции на-

пряжением 15–20 кВ

(рис. 10.8, а), доста-

точное для образова-

ния канала электриче-

ского разряда между

электродами свечи за-

жигания. Величина

пробивного напряже-

ния зависит от давле-

ния топливовоздуш-

ной смеси в надпорш-

невой полости, ее со-

става (коэффициента

избытка воздуха), ве-

личины зазора между

электродами свечи за-

жигания (0,7–1,2 мм).

Длительность импульса пробивного напряжения не превы-

шает 10

–6

с (рис. 10.8, б) и определяется величиной емкостной со-

ставляющей электрического разряда. Максимальная сила тока в

канале электрического разряда между электродами свечи зажига-

ния может превышать 200 А [8]. Продолжительность индуктив-

ной составляющей электрического разряда значительно больше

(до 1,510

–3

с), но напряжение значительно ниже.

Сила тока в цепи первичной обмотки катушки зажигания

при индуктивном разряде составляет 0,1–0,4 А [8, 9]. Соотноше-

ние между емкостной и индуктивной составляющими энергии

электрического разряда зависит в основном от давления топливо-

воздушной смеси в надпоршневой полости. С прикрытием дрос-

сельной заслонки, уменьшением давления смеси в момент элек-

трического разряда емкостная составляющая электрического раз-

ряда уменьшается.

Рисунок 10.7 – Изменение напряжения при

размыкании контактов прерывателя на

первичной обмотке катушки зажигания

по углу поворота коленчатого вала (а) и

по времени (б) при минимальной частоте

вращения коленчатого вала четырехтакт-

ного четырехцилиндрового двигателя на

режиме холостого хода (n = 720 об/мин)

U, В

200

180

360

540



, мс





ПКВ

200

U, В

346

Канал электрического разряда между электродами свечи за-

жигания, диаметр которого составляет порядка 0,1 мм, представ-

ляет собой высокотемпературную плазму (поток электронов и

ионов), температура которой по оси канала превышает 10

(рис. 10.9). Энергия, освободившаяся при электрическом разряде,

расходуется на излучение, разогрев топливовоздушной смеси,

примыкающей к кана-

лу электрического раз-

ряда, разрушение мо-

лекул углеводородов

топлива, молекул кис-

лорода и азота, тепло-

вые потери в электро-

ды свечи зажигания, на

расширение (увеличе-

ние объема зоны элект-

рического разряда).

Температура в зоне

электрического разря-

да в радиальном на-

правлении при этом

резко снижается и, ес-

ли приток энергии

(энергия электрическо-

го разряда и выделяю-

щаяся теплота в реак-

циях окисления атомов

углерода, водорода,

осколков молекул уг-

леводородов) будет меньше потерь энергии в зоне электрическо-

го разряда, реакции окисления горючих элементов прекратятся, и

воспламенения топливовоздушной смеси не произойдет. Для ста-

билизации очага зажигания подвод энергии в зону очага воспла-

менения должен превышать потери энергии в этой зоне, т.е.

+ Q

 Е

изл

+ Е

акт

+ Q



+ Q

, (10.2)

где Е

= U I d – энергия электрического разряда; U, I – напря-

жение и сила тока в цепи вторичной обмотки катушки зажигания;

Рисунок 10.8 – Изменение напряжения при

размыкании контактов прерывателя на

вторичной обмотке катушки зажигания

по углу поворота коленчатого вала (а)

и по времени (б) при минимальной

частоте вращения коленчатого вала

четырехтакт

ного четырехцилиндрового

двигателя на режиме холостого хода

(n = 720 об/мин)





ПКВ



, мс

кВ

180

360

540

кВ

347

– теплота, выделяющаяся в реакциях окисления углерода, во-

дорода и осколков молекул углеводородов топлива в зоне разря-

да; Е

изл

– энергия излучения плазмы в канале электрического раз-

ряда; Е

акт

– энергия активации молекул углеводородов топлива,

кислорода и азота в топливовоздушной смеси, окружающей зону

электрического разряда; Q



, Q

– теплоотвод от очага воспламе-

нения вследствие теплопроводности смеси и конвективного теп-

лообмена; Q

– тепловые потери в электроды свечи зажигания.

Оценить энергию элек-

трического разряда, необходи-

мую для стабильного воспла-

менения топливовоздушной

смеси, достаточно сложно, так

как значительные трудности

представляет оценка с необхо-

димой точностью длительности

каждой из фаз электрического

разряда, изменение силы тока и

напряжения в каждой из фаз

электрического разряда. В ряде

работ [9, 10, 11] необходимая

энергия разряда для стабильно-

го воспламенения топливовоз-

душной смеси оценивается величиной от 2 до 80 мДж. Если, на-

пример, исходить из представленных на рис. 10.8 осциллограмм

изменения напряжения в цепи вторичной обмотки катушки зажи-

гания батарейкой системы зажигания четырехтактного четырех-

цилиндрового двигателя на режиме холостого хода при мини-

мальной частоте вращения коленчатого вала (n = 720 мин

–1

), то

энергия емкостной и индуктивной фаз разряда составит не менее

0,1 Дж. В современных электронных системах зажигания энергия

электрического или иного искрового разряда может быть увели-

чена до 1 Дж, что существенно повышает надежность воспламе-

нения. Однако при этом заметно возрастут потери энергии в сис-

теме зажигания, эрозия металла электродов свечи зажигания.

В зоне электрического разряда (в среде высокотемператур-

ной плазмы, Т  10

К) скорость химических реакций окисления

Рисунок 10.9

– Изменение температуры

среды в зоне электрического разряда

в зависимости от времени

см



= 0





пл