1

Оглавление

Введение.................................................................................................................. 3

1. Возможности повышения эффективного КПД поршневых ДВС .................. 6

Вопросы для самоконтроля............................................................................ 18

2. Совершенствование смесеобразования и сгорания в бензиновых ДВС...... 19

2.1 Краткие основы детонационного сгорания в поршневых ДВС ............ 19 2.2 Способы расширения диапазона изменения коэффициента избытка

воздуха и реализации высоких степеней сжатия ......................................... 22 Турбулизация заряда ................................................................................. 22 Форкамерно-факельное зажигание .......................................................... 25 Расслоение заряда. Исторический обзор ................................................. 26 Современные способы реализации непосредственного впрыска ......... 30

Вопросы для самоконтроля............................................................................ 45

3. Управление фазами газообмена ..................................................................... 47

4. Совершенствование смесеобразования и сгорания в дизельных ДВС ........ 52

4.1 Общие сведения о рабочем процессе дизельного двигателя ................ 52 4.2 Преимущества и недостатки дизельного процесса ................................ 57 4.3 Особенности сгорания в дизелях с разделенными камерами ............... 62 4.4 Различные способы организации смесеобразования и сгорания в

дизелях с полуразделенными камерами ....................................................... 65 4.5 Принудительное воспламенение ............................................................. 73 4.6 Многократный впрыск топлива. .............................................................. 77 4.7 Газодизели. ................................................................................................ 83 Вопросы для самоконтроля............................................................................ 84

5. Повышение механического КПД двигателя .................................................. 85

5.1 Общие сведения ........................................................................................ 85 5.2 Современные способы реализации высокого наддува .......................... 89

6. Анализ современных способов снижения токсичности

отработавших газов ДВС ................................................................................... 110

Вопросы для самоконтроля.......................................................................... 122

7. Альтернативные силовые установки ............................................................ 123

7.1 Гибридные силовые установки .............................................................. 123

2

Типы гибридных силовых установок .................................................... 124 Компоновочные схемы автомобилей с гибридными силовыми

установками ............................................................................................. 126 Классификация гибридных силовых установок по мощности

электрической силовой установки ......................................................... 135 7.2 Электромобили ....................................................................................... 137

Компоновка электромобилей ................................................................. 141 Электродвигатели и контроллеры ......................................................... 143 Бортовые источники электроэнергии .................................................... 145

Вопросы для самоконтроля.......................................................................... 149

Список литературы ............................................................................................ 150

3

Введение

Общая мощность поршневых ДВС составляет 80 85%

мощности всех энергоустановок мировой энергетики. На автомобильном,

железнодорожном, водном транспорте, в сельском хозяйстве, в

строительстве, средствах малой механизации и ряде других областей

поршневой ДВС как источник энергии не имеет альтернативы. Мировое

производство только автомобильных двигателей превысило 60

миллионов единиц в год. Количество производимых малоразмерных

стационарных двигателей также превышает десятки миллионов в год. В

авиации поршневые двигатели доминируют по суммарной мощности,

количеству моделей и модификаций и общему количеству установленных

на самолеты двигателей. Так, в США на долю поршневых двигателей

приходится около 70% мощности всех двигателей, установленных на

гражданских летательных аппаратах. За последние несколько

десятилетий поршневые ДВС достигли высокой степени совершенства и

в ближайшее время не предвидится их массовая замена на какой-либо

альтернативный источник механической энергии.

Поршневые ДВС потребляют огромные количества топлива и

являются одним из главных источников теплового, токсического и

акустического загрязнения окружающей среды. Объем потребления

нефти для производства моторных топлив достиг 3,5 млрд. тонн и

продолжает увеличиваться. Между тем, извлекаемые запасы нефти в

мире и России оцениваются, соответственно, в 140 и 7 млрд. т., этих

ресурсов даже при сохранении нынешних объемов добычи (в РФ – ок.

470 млн. т. в год) хватит лишь на несколько десятков лет. Эта статистика

означает, что наступившее столетие станет последним нефтяным веком,

назревает необратимый глобальный нефтяной кризис. Ситуация с газом

чуть более оптимистична, однако принципиально не отличается. Уже в

ближайшей перспективе проблема исчерпания запасов нефти и газа

обещает стать исключительно тревожной, прежде всего для

отечественной экономики, поскольку в России до сих пор серьезно не

осознали назревающую опасность и продолжают наращивать объемы

добычи углеводородов и, что особенно недальновидно, экспортировать

более половины ее добычи.

Другой актуальнейшей является экологическая проблема,

связанная с токсичностью отработавших газов поршневых двигателей и парниковым эффектом. В настоящее время силовые установки с

4

поршневыми двигателями, в первую очередь автомобили, стали наиболее

массовыми загрязнителями окружающей среды. Доля автотранспорта в

загрязнении атмосферы крупных городов достигает 80 – 90 % по

выбросам оксида углерода и оксидов азота. Автомобили являются также

мощным источником канцерогенов: бенз(α)пирена, его гомологов и

несгоревших углеводородов. Осознание серьезности назревающей

экологической опасности привело к введению в развитых странах

поэтапно ужесточающихся норм предельно допустимых выбросов для

автомобилей и требований к экологическим свойствам моторных топлив.

Введение жестких норм на токсичность отработавших газов

двигателя не решает проблем, связанных с истощением ресурсов

ископаемых топлив и парниковым эффектом. Поэтому, экономически

развитые страны мира для обеспечения своей экономической и

экологической безопасности, а также независимости от экспортѐров

ископаемых топлив, заинтересованы во внедрении в широкое

использование альтернативных (неископаемых) топлив. При этом новое

топливо должно удовлетворять ряду требований:

- экологичность продуктов горения при сжигании в устройствах,

потребляющих топливо;

- незначительное изменение топливной инфраструктуры при

переходе на новое топливо;

- возможность адаптации устройств-потребителей под

использование нового топлива.

Идеальным, с экологических позиций, топливом является

водород, результатом сгорания которого в воздухе является вода.

Внедрение водородных двигателей требует решения многих проблем,

главным образом проблем его экономичного и безопасного производства

и применения, а также создания новой инфраструктуры, что отодвигает

перспективу их масштабного использования.

Наиболее приемлемым топливом, удовлетворяющим

перечисленным выше условиям, могло бы быть топливо, участвующее в

кругообороте веществ в природе. Таковыми являются топлива из

растительного сырья, при использовании которых не происходит роста

содержания углекислого газа в атмосфере, а производство и переработка

могут быть налажены практически в любой стране мира. Применение

альтернативных топлив в качестве моторных связано как с разработкой

эффективных технологий их производства, так и с разработкой новых

5

рабочих процессов и конструктивных схем ДВС для эффективного

сжигания этих топлив.

Еще одним аспектом проблемы развития двигателестроения

является проблема утилизации вышедших из эксплуатации двигателей.

Утилизация – это не только решение экологических проблем, но и

существенная экономия природных ресурсов и энергии при вторичной

переработке и рециклировании материалов двигателя. Этому в последние

годы уделяется все больше внимания.

Развитие двигателестроения идет и в направлении

совершенствования таких характеристик двигателя как снижения шума,

вибрации, эксплуатационной экономичности, увеличения удельной

мощности, повышения моторесурса и надежности. Значение и

конкретные пути решения каждой из перечисленных проблем зависят от

области применения двигателя. Однако проблемы, связанные:

1. с воздействием на окружающую среду,

2. с эффективностью преобразования энергии,

являются важнейшими. Будущее поршневого двигателя будет в

значительной степени зависеть от возможности его адаптации к новым

требованиям касающихся этих пунктов.

6

1. Возможности повышения

эффективного КПД поршневых ДВС

На экономичность двигателя оказывает воздействие большое

количество факторов. В данном разделе мы рассмотрим лишь те из них,

которые связаны с одним из наиболее ответственных элементов рабочего

процесса двигателя – подводом теплоты в цикле. Именно он в основном и

определяет пути совершенствования поршневого ДВС согласно

требованиям, обозначенным в предыдущем разделе. В ДВС подвод тепла

осуществляется, в основном путем сжигания углеводородных топлив в

воздухе.

Эталоном совершенства тепловой машины, к которым относятся

и поршневые двигатели внутреннего сгорания, является тепловая

машина, в которой реализуется цикл Карно. Как известно, КПД этого

цикла зависит от температуры горячего источника Т1 и температуры

холодильника Т2:

1

21

Т

ТТ

.

Практическая реализация этого цикла затруднена, что объясняется целым

рядом факторов, главными из которых являются:

1. Сложность осуществления изотермических подвода и отвода

теплоты.

2. Современные конструкционные материалы имеют предел по

температурному режиму, что ограничивает допустимую

максимальную температуру цикла. Если учесть, что КПД

цикла Карно максимально в сравнении с другими циклами

лишь при условии одинаковых температурных диапазонов в

цикле, то в реальных условиях при заданных материалах

другие циклы могут иметь более высокую максимальную

температуру вследствие значительно меньшего времени

воздействия ее на стенки рабочей камеры.

Представляет интерес сравнение КПД цикла Карно с циклами,

реализуемыми в современных поршневых ДВС. Условия сравнения

должны быть следующими:

1. Так как в современных ДВС в качестве окислителя

используется кислород атмосферы, то в циклах должна быть

7

общая начальная точка цикла, соответствующая параметрам

окружающей среды.

2. В связи с тем, что основной схемой двигателя является

поршневой двигатель с жестким кривошипно – шатунным

механизмом, необходимо сравнивать эти циклы при

одинаковой степени сжатия.

Рис. 1.1. Термодинамические циклы поршневого ДВС: Vz – изохора

минимального объема; Va – изохора максимального объема; а – общая

начальная точка циклов, соответствующая параметрам окружающей

среды, с – точка конца сжатия для различных циклов; z – точка конца

подвода теплоты для различных циклов

Если рассмотреть эти циклы в T-S координатах, то видно, что

лишь при количестве тепла подведенном в цикле стремящемся к нулю,

КПД цикла Карно и КПД с подводом теплоты при р = const становятся

равными КПД цикла с изохорным подводом теплоты. Поэтому при

указанных выше ограничениях более эффективен цикл с подводом тепла

при постоянном объеме. Однако на практике, сокращать

продолжительность меньше 40 – 50 градусов угла п.к.в. нецелесообразно

ввиду сильного роста механической и тепловой нагрузки на двигатель.

Таким образом, 40 – 50 град. является оптимальной продолжительностью

сгорания.

8

Известно, что увеличение степени сжатия и показателя адиабаты

рабочего тела приводит к однозначному росту термического КПД цикла.

Для цикла с подводом теплоты при постоянном объеме термический КПД

определяется по формуле:

1

11 kt

.

Ниже приведены примерные значения показателя адиабаты для

идеального газа: одноатомного – 1,67; двухатомного – 1,4; трех- и

многоатомного – 1,29. Отсюда, нетрудно вычислить прирост

термического КПД при переходе рабочего тела от трехатомной

структуры к двухатомной. К двухатомным молекулам принадлежат

кислород и азот, к трехатомным – продукты полного сгорания –

углекислый газ и вода. Таким образом, все мероприятия, которые

направлены на сокращение коэффициента остаточных газов в рабочей

камере будут приводить к росту КПД. Это означает, что с точки зрения

термического КПД необходимо стремиться к повышению коэффициента

наполнения на режимах близких к полной нагрузке и к обеднению смеси,

а, следовательно, отказу от дросселирования на частичных нагрузках.

Характер изменения индикаторного и эффективного КПД в

зависимости от степени сжатия и способа регулирования нагрузки более

сложен. На рис. 1.2 представлены характерные зависимости

эффективного КПД безнаддувного четырехтактного двигателя с

качественным регулированием нагрузки от степени сжатия при

различных нагрузках, полученные при частоте вращения коленчатого

вала, соответствующей максимальному крутящему моменту.

Продолжительность сгорания – 80 град. п.к.в. Видно, что повышение

степени сжатия выше определенного значения приводит к падению

эффективного КПД двигателя. Это обусловлено двумя основными

причинами. Во-первых, увеличением механических потерь (рис. 1.3),

поскольку с повышением степени сжатия растет давление газов в

цилиндре двигателя (рис.1.4). При увеличении коэффициента избытка

воздуха относительная доля механических потерь возрастает,

соответственно снижается значение степени сжатия, соответствующее

максимальному эффективному КПД.

Во-вторых, повышение степени сжатия при неизменной

продолжительности сгорания влечѐт большее отклонение от изохорного

подвода теплоты. Это легко понять, если ввести условную величину:

9

V

VV ch

где

ch VVV

∆Vh – часть рабочего объѐма двигателя, на которую распространяется

процесс теплоподвода. При изохорном подводе теплоты (∆Vh=0) это

выражение переходит в известное выражение для степени сжатия

(расширения):

c

ch

V

VV

Отношение этих величин характеризует отклонение от изохорности

подвода теплоты в зависимости от объема камеры сгорания:

1

c

h

V

V

Видно, что с уменьшением объема камеры сгорания, а,

следовательно, с увеличением степени сжатия, отклонение от

изохорности при постоянной продолжительности теплоподвода

увеличивается. Как следствие, с повышением степени сжатия (при

неизменной продолжительности сгорания) индикаторный КПД будет

расти гораздо медленнее термического и, при определѐнных условиях,

даже снижаться (рис. 1.3). По этой же причине практически не

увеличиваются максимальные значения температуры цикла (рис. 1.4).

При меньшей продолжительности сгорания рост индикаторного КПД

будет продолжаться до более высоких значений степени сжатия.

Таким образом, варьирование степени сжатия в диапазоне от 12,5

до 20 практически не влияет на эффективный КПД двигателя на полной

нагрузке. Если учесть, что большинство транспортных двигателей

эксплуатируется на частичных режимах (меньше половины

максимальной мощности) до 50 – 70% общего времени, а на режимах

холостого хода до 40%, то можно констатировать, что снижение степени

сжатия до значений 12,5 - 15 не повлечѐт ухудшения экономичности. При

этом уровень нагрузок на элементы двигателя (рис. 1.4) значительно

уменьшится (до 30%).

К тому же высокие степени сжатия приводят к необходимости

увеличения массы и габаритов двигателя, что в условиях применения его

в автомобилях и тракторах, как правило, приводит к увеличению расхода

10

топлива, а также – к перерасходу материалов и энергии при производстве,

как двигателей, так и агрегатов, на которые они устанавливаются.

Рис.1.2. Зависимость эффективного КПД от степени сжатия при

различных нагрузках

Рис.1.3. Зависимость механического (m) и индикаторного (i) КПД от

степени сжатия при различных нагрузках

11

Рис. 1.4. Зависимости максимального давления и максимальной

температуры цикла от степени сжатия.

На рис. 1.5 представлены характерные зависимости показателей

четырехтактного двигателя от коэффициента избытка воздуха,

полученные на режиме близком к холостому ходу (обороты двигателя

n = 1000 об/мин и цикловая доза топлива постоянны). Рост эффективной

мощности четырехтактного двигателя с увеличением коэффициента

избытка воздуха объясняется ростом индикаторного КПД, а

соответственно и индикаторной мощности, и снижением насосных

потерь. В расчетах мощность насосных потерь включена в индикаторную

мощность. Поэтому кривая 2 есть результат суммирования их влияний.

Мощность механических потерь состоит только из потерь на трение.

Увеличение с ростом коэффициента избытка воздуха индикаторного КПД

является следствием относительного уменьшения количества продуктов

сгорания, содержащих в основном трехатомные компоненты, которые

обладают более высокой теплоемкостью.

На рис. 1.6 представлены зависимости показателей двухтактного

двигателя с кривошипно-камерной продувкой от коэффициента избытка

воздуха, полученные на режиме, близком к холостому ходу (обороты

двигателя n = 2000 об/мин и цикловая доза топлива постоянны).

Зависимость 2 на этом рисунке представляет собой, как и в случае с четырехтактным двигателем индикаторную мощность за вычетом

12

мощности, затрачиваемой на насосные ходы двигателя. Поэтому

мощность механических потерь определяется только потерями на трение.

Рис.1.5. Распределение мощностей при работе двигателя на режиме

близком к холостому ходу: 1 – эффективная мощность; 2 – индикаторная

мощность; 3 – мощность механических потерь; 4 – мощность насосных

потерь двигателя

В случае двухтактного двигателя с кривошипно-камерной

продувкой рост индикаторной мощности с увеличением коэффициента

избытка воздуха практически компенсируется соответствующим ростом

насосных потерь, что наряду с увеличением мощности механических

потерь приводит к тому, что эффективная мощность изменяется меньше,

чем в четырехтактном ДВС. Следовательно, менее значительно будет

меняться и расход топлива.

Дросселирование на впуске вызывает рост относительного

количества остаточных газов. Разбавление смеси остаточными газами

может создать в цилиндре двигателя такие условия, когда воспламенение

смеси или вообще прекращается, или сгорание развивается вяло. Отсюда

вытекает необходимость обогащения смеси по мере дросселирования,

поскольку максимумы скоростей воспламенения и распространения

13

пламени лежат в области богатых смесей. Это приводит к выбросу в

атмосферу продуктов неполного сгорания и перерасходу топлива.

Поэтому, на практике, при переходе с количественного регулирования

нагрузки двухтактного ДВС на качественное, выигрыш в топливной

экономичности, видимо, будет более значительным.

Рис. 1.6. Зависимости показателей двигателя от коэффициента

избытка воздуха; режим, близкий к холостому ходу:

1 – эффективная мощность; 2 – индикаторная мощность; 3 – мощность

механических потерь; 4 – мощность насосных потерь двигателя

Таким образом, как для двухтактных, так и четырехтактных

двигателей в безнаддувном исполнении для повышения эффективного

КПД необходимо, чтобы рабочий процесс позволял реализовать

следующие основные требования:

1. Подвод теплоты в цикле, близкий к изохорному (40 – 50

град.пкв).

2. Отсутствие ограничений по степени сжатия (оптимальная

находится в диапазоне 12 – 15).

3. Качественное регулирование – работа в широком диапазоне изменения коэффициента избытка воздуха (1 – 6).

14

4. Учитывая, что двигатели находятся в составе автомобилей,

экономичность которых также зависит от массы и размеров, необходимо

добавить требование высокой удельной мощности, которая зависит и от

частоты вращения. Как показала практика, достаточным диапазоном

эксплуатации по целому ряду причин является диапазон, реализованный

в современных двигателях с искровым воспламенением.

Необходимо упомянуть еще об одном требовании к рабочему

процессу поршневого ДВС, которое, по всей видимости, в будущем

может стать определяющим.

Массовое использование ископаемых источников сырья для

производства моторных топлив привело к истощению углеводородных

ресурсов. В свете надвигающегося глобального топливного кризиса

многие ведущие научно-исследовательские организации и предприятия

энергетической отрасли мира ведут широкомасштабные исследования по

предотвращению его возможных негативных последствий. Анализ

современных подходов позволил выделить два лидирующих направления

в этом вопросе:

1. Увеличение энергоэффективности использования ископаемых

топливных ресурсов

2. Замена современных товарных топлив на возобновляемые

альтернативные топлива.

В современных условиях вопрос увеличения эффективности

производства механической энергии не может быть решѐн без

рассмотрения полного цикла производства и потребления топлива, что

может быть описано системой «перерабатывающий завод – топливо –

двигатель». С такой позиции можно установить взаимосвязь между

эффективностью производства топлива и эффективностью его сжигания в

традиционном поршневом ДВС. Так, например, увеличение

коэффициента полезного действия бензинового двигателя обеспечивается

за счѐт повышения степени сжатия, что, в свою очередь, требует

увеличения детонационной стойкости топлива, и, следовательно,

существенное увеличение энергозатрат, усложнение производства и

увеличение стоимости топлива.

Принципиальным решением этого вопроса могло бы стать

использование нефтяных топлив широкого фракционного состава, что, по

оценкам специалистов, должно значительно повысить эффективность

переработки сырья за счѐт отказа от дорогостоящих методов нефтепереработки, снижения требований к перерабатывающему

15

оборудованию и экономии углеводородного сырья. Однако,

традиционные типы поршневых двигателей не способны

функционировать на таком топливе.

Осуществление второго пункта также имеет некоторые

особенности. По данным ведущих двигателестроительных фирм мира,

одним из наиболее предпочтительных альтернативных топлив,

способным частично, а в перспективе и полностью, заменить

традиционные нефтяные топлива, являются спирты, произведенные из

лигноцеллюлозного сырья, в том числе биоэтанол. Объясняется это

практически неисчерпаемой сырьевой базой (при производстве из

органического сырья и отходов), простотой производства и хранения.

Тем не менее, как и в случае с традиционными топливами, анализ

системы «перерабатывающий завод – топливо – двигатель» даѐт более

полное представление о перспективах внедрения этанола. В

традиционных поршневых двигателях можно использовать только

обезвоженный этанол (содержание воды менее 1%) ввиду необходимости

добавления бензина, что объясняется низкой испаряемостью и, как

следствие низкими пусковыми свойствами этанола. При этом

производство обезвоженного этанола значительно дороже

обводненного – примерно в полтора-два раза. И если для производства

обезвоженного этанола требуется специальное высокоорганизованное

производство, то обводненный этанол можно производить, в том числе, и

в условиях крупного сельскохозяйственного предприятия из отходов

обычных посевных культур, без высоких требований к квалификации

обслуживающего персонала.

В то же время, добавление в рабочую камеру двигателя воды

является наиболее перспективным способом понижения токсичности

отработавших газов. Этанол является наилучшим топливом, с точки

зрения добавления воды, поскольку он образует с водой устойчивые

смеси, а с товарными топливами вода не смешивается. Применение

обводнѐнного этанола в качестве топлива для поршневого ДВС

позволило бы одновременно радикально улучшить экологические

характеристики двигателя, решить проблемы исчерпания источников

углеводородного сырья и роста количества парниковых газов в

атмосфере. Тем не менее, как уже отмечалось выше, воспламенять и

сжигать обводнѐнный этанол в традиционных поршневых двигателях не

представляется возможным.

16

Таким образом, как в случае с нефтяными топливами, так и в

случае с альтернативными топливами производители вынуждены идти на

компромисс между эффективностью производства топлива и

эффективностью двигателя, функционирующего на этом топливе.

Обобщая вышесказанное, необходимо ещѐ раз отметить, что в

современных условиях вопрос увеличения КПД производства

механической энергии не может быть решѐн без рассмотрения полного

цикла производства и потребления топлива. Анализ системы

«перерабатывающий завод – топливо – двигатель» показывает, что

существенного результата в этом вопросе можно добиться, если

обеспечить эффективную работу поршневого двигателя внутреннего

сгорания на дешѐвых и простых в изготовлении видах топлива.

Таким образом, еще одним требованием к рабочему процессу

является возможность работы:

1. на любых современных товарных топливах (от дизельного топлива до

высокооктановых бензинов;

2. на водных растворах этанола.

Рабочий процесс, реализующий все эти требования, обеспечит

широкое применение нефтяных топлив широкого фракционного состава

и водных растворов этанола в качестве моторного топлива и,

одновременно, объединит лучшие качества дизелей и бензиновых

двигателей. Широкое внедрение двигателя с таким рабочим процессом

позволит добиться существенного повышения эффективности

производства топлив без ухудшения эффективности самого двигателя,

что означает повышение энергоэффективности всей системы

«перерабатывающий завод – топливо – двигатель». С экономической

точки зрения необходимо также, чтобы рабочий процесс реализовывался

на базе традиционного поршневого ДВС, т.е. имелась возможность

конвертирования традиционных поршневых двигателей (в том числе уже

эксплуатируемых).

Традиционные бензиновые двигатели имеют к моменту

воспламенения уже подготовленную, близкую к однородной, смесь. Это

условие налагает два ограничения:

1. по максимальной (вблизи 10) степени сжатия, т.к. в

однородных смесях при повышенных степенях сжатия возникает

детонация,

17

2. по максимальному обеднению топливовоздушной смеси, т.к. в

однородных смесях бедный концентрационный предел искрового

воспламенения близок к составу с 1.

Эти же ограничения практически исключают возможность

реализации работы на низкооктановых топливах. С другой стороны

однородная стехиометрическая смесь, в сочетании с искровым

воспламенением позволяют реализовать высокую удельную мощность.

Дизели имеют к моменту самовоспламенения неоднородную

смесь, что позволяет реализовать качественное регулирование и

бездетонационное сгорание. Однако снижение степени сжатия в

быстроходных безнаддувных модификациях до вышеуказанного

оптимального диапазона приводит к ухудшению процессов

воспламенения и сгорания (будет рассмотрено в последующих разделах).

Дизели позволяют осуществить многотопливный цикл при

высоких степенях сжатия (более 20). Повышенные значения

максимального давления и жесткости сгорания цикла при высоких

степенях сжатия определяют высокие нагрузки на детали

цилиндропоршневой группы, что приводит к увеличению механических

потерь и требует более прочной конструкции двигателя. При

использовании топлив с низкими цетановыми числами (например,

бензинов) указанные явления усиливаются, поэтому время работы дизеля

на резервных топливах по техническим условиям не превышает 10% от

общего ресурса двигателя. Снижение степени сжатия в дизелях до уровня

12 – 15 позволило бы снизить массу и габариты двигателя без увеличения

расхода топлива. Однако в традиционном дизеле снижение степени

сжатия менее 15 приводит к ухудшению смесеобразования,

воспламенения и сгорания.

В связи с ограничениями по максимальной частоте вращения и

минимальному значению коэффициента избытка воздуха дизели имеют

низкую, относительно поршневых ДВС с искровым воспламенением,

литровую мощность. Вес и габариты дизеля из-за высоких степеней

сжатия достаточно большие. Соответственно, остается относительно

низкой удельная мощность, что в условиях применения его в

автомобилях и тракторах, как правило, приводит к увеличению расхода

топлива, а также приводит к перерасходу материалов и энергии при

производстве, как двигателей, так и агрегатов, на которые они

устанавливаются.

18

Решение вышеперечисленных задач выдвигает ряд проблем

смесеобразования, воспламенения и сгорания, которые необходимо

разрешить в целях достижения высоких экологических и экономических

показателей как двигателя, так и системы «перерабатывающий завод –

топливо – двигатель» в целом.

Вопросы для самоконтроля

1. Цикл Карно. Причины отсутствия практической реализации цикла

Карно.

2. Обоснуйте преимущества цикла двигателя с изохорным подводом

теплоты. При каких условиях они справедливы. Причины

необходимости увеличения продолжительности теплоподвода до 40 –

50 град. угла пкв.

3. Каково влияние продолжительности теплоподвода на КПД? Как

влияет на КПД величина теплоподвода?

4. Объясните причины влияния свойств рабочего тела на КПД

двигателя.

5. Назовите способы регулирования мощности в поршневых ДВС, их

суть. В каких типах поршневых двигателей они применяются?

6. Охарактеризуйте поведение индикаторного КПД в зависимости от

степени сжатия. Как влияют на него свойства рабочего тела,

скоростной режим двигателя?

7. Как изменяется зависимость индикаторного КПД от степени сжатия

при различных нагрузках. Влияет ли способ регулирования мощности

на их протекание?

8. Охарактеризуйте поведение эффективного КПД в зависимости от

степени сжатия. Как влияют на него свойства рабочего тела, нагрузка,

способ регулирования, скоростной режим двигателя?

9. Объясните причины влияния способа регулирования мощности на

эффективный КПД двигателя. Влияет ли способ регулирования

мощности на КПД при полной нагрузке?

10. Охарактеризуйте зависимость степени сжатия, соответствующей

максимальному эффективному КПД, от нагрузки при качественном

регулировании мощности.

19

2. Совершенствование смесеобразования и сгорания

в бензиновых ДВС

2.1 Краткие основы детонационного сгорания

в поршневых ДВС

Изложение материала данного параграфа предполагает, что

читателю уже известны основы теории горения и детонации, изложенные

в преподаваемой на кафедре ДВС дисциплине «Основы физики горения».

Более подробное изложение основ детонационного сгорания в двигателе

можно найти в специальной литературе [2].

Как известно, детонационная волна представляет собой ударную

волну, нагревающую смесь до температуры, при которой возникает

экзотермическая реакция, протекающая в некоторой зоне за фронтом

волны. Энергия химической реакции идет на поддержание ударной

волны, амплитуда которой зависит от удельной величины выделяемой

химической энергии. В свою очередь возможность самовоспламенения

смеси в результате сжатия ударной волной определяется амплитудой

волны и степенью химической подготовленности смеси.

Детонационная волна в условиях двигателя – это волна с

искривленной увеличивающейся поверхностью (при зарождении –

близкая к расходящейся сферической). Это значит, что даже без учета

потерь, амплитуда ударной волны без поддержки горением за ее фронтом

должна уменьшаться по мере распространения (за счет увеличения

поверхности фронта).

Рассмотрим механизм образования первичной ударной волны. По

устоявшимся к настоящему времени представлениям, она возникает в

результате самовоспламенения определенного объема несгоревшей части

топливовоздушной смеси. В ДВС горючая смесь нагревается сжатием до

температуры, как правило, более чем достаточной для ее

самовоспламенения, и если последнее не возникает, то только потому,

что для этого не хватает времени. Рабочий заряд в камере сгорания

успевает сгореть в процессе распространения по нему фронта пламени

раньше, чем наступит его самовоспламенение. Однако

самовоспламенение не является достаточным фактором возникновения

детонационной волны. В зависимости от размера первоначального очага

воспламенения (определяемого степенью неоднородности смеси) амплитуда, и, соответственно, воспламеняющая способность ударной

20

волны на удалении от него будут различны (чем меньше очаг, тем

меньше амплитуда) и, начиная с определенного размера, характер

распространения пламени от таких очагов самовоспламенения будет

сходен с распространением турбулентного пламени от искры.

Рассмотрим теперь характер развития ударной волны от

первоначального очага при воспламенении некоторых конечных объемов,

размер которых обеспечивает амплитуду, достаточную для

воспламенения смеси в камере сгорания. Основное отличие

детонационного самовоспламенения в двигателях от обычной

(классической) детонации состоит в том, что в случае последней

повышение температур и давлений во фронте ударной волны должно

быть достаточным для воспламенения инертной исходной смеси, тогда

как в условиях двигателя детонация распространяется по смеси, уже

предельно подготовленной к самовоспламенению. Если в результате

одновременного быстрого развития самовоспламенения в каком-либо

объеме смеси возникнет слабая ударная волна, то небольшого

дополнительного повышения давления и температуры во фронте этой

волны может оказаться достаточным для того, чтобы вызвать

воспламенение смеси в смежных, менее подготовленных объемах. Для

предотвращения затухания слабой ударной волны в данном случае нет

необходимости в полном завершении сгорания за ее фронтом.

Достаточно, чтобы на пути ударной волны воспламенялась не вся смесь, а

лишь небольшая ее часть, заключенная в наиболее подготовленных

объемах, в которых к моменту прохождения ударной волны период

задержки воспламенения в результате адиабатного сжатия практически

полностью завершен. Этим объясняется то, что при детонации в

двигателях сгорание обычно завершается в процессе неоднократного

повторного прохождения по реагирующей смеси ударной волны,

периодически отражающейся от стенок камеры сгорания. Соответственно

повышение давления носит как бы ступенчатый характер, чем сильнее

«стук», тем меньшее число таких ступенек и больше их амплитуда.

При слабом «стуке» скорости распространения ударных волн в

продуктах сгорания составляют 1000 – 1200 м/с при скорости звука в них

около 900 м/с. При сильном «стуке» скорость ударных волн

увеличивается до 1400 – 1500 м/с при повышении давления во фронте

этих волн сверх давления окружающей смеси в 1,4 – 1,5 раза. В случае

крайне сильного «стука» могут достигаться и скорости подлинной детонации 1800 м/с с соответствующим повышением давления и полным

21

завершением сгорания в фронте детонационной волны.

Термодинамические расчеты [2], показывают, что для предотвращения

затухания слабой ударной волны, распространяющейся в последней части

заряда в камере сгорания двигателя со скоростью 1200 м/с, достаточно

выделения энергии, равной 25 % полной энергии сгорания.

Резюмируя вышеизложенное отметим, что возможность развития

детонации из первоначального очага воспламенения и ее интенсивность в

двигателе определяется комплексом факторов, состоящим, в основном, из

готовности смежных объемов смеси к самовоспламенению (от степени

завершенности предпламенных реакций), количества выделяемой за

фронтом ударной волны энергии и искривленности поверхности ее

фронта (радиуса кривизны).

Детонационные волны представляют большую опасность для

конструкции двигателя. При отражении ударной волны от стенки

давление, по крайней мере, удваивается, а температура возрастает на 30-

40% по сравнению с давлением и температурой за фронтом падающей

детонационной волны. Таким образом, на поршень, головку цилиндра,

цилиндр действуют давления, превышающие 15 МПа при контакте с

газами, имеющими температуру более 3000 – 3500 К. Масло,

находящееся на поверхности гильзы цилиндра сгорает. В случае

длительной работы на данном режиме участки деталей двигателя,

подверженные воздействию детонационных волн, перегреваются,

размягчаются, металл начинает течь. В результате образуются каверны, и

двигатель выходит из строя.

На детонацию оказывают влияние степень сжатия, состав рабочей

смеси и степень ее неоднородности, угол опережения зажигания, частота

вращения двигателя, температура двигателя, температура рабочей смеси,

смазочное масло, нагароотложение, число свечей и их расположение,

влажность воздуха, дросселирование.

Борьба с детонацией до настоящего времени развивалось по двум

направлениям:

1. Производство товарных бензинов с более высоким октановым

числом, характеризующим склонность топлива к детонационному

сгоранию.

2. Конструкционное решение проблемы.

Увеличение октанового числа топлив вызывает существенное

увеличение энергозатрат, усложнение производства и увеличение стоимости топлива. В связи с истощением ресурсов ископаемых топлив

22

можно ожидать ужесточения требований к повышению

энергоэффективности процесса переработки топлив. Принципиальным

решением этого вопроса могло бы стать использование нефтяных топлив

широкого фракционного состава, что, по оценкам специалистов, должно

значительно повысить эффективность переработки сырья за счѐт отказа

от дорогостоящих методов нефтепереработки, снижения требований к

перерабатывающему оборудованию и экономии углеводородного сырья.

Поэтому в будущем можно ожидать ухудшения качеств топлив с точки

зрения октанового числа. Таким образом, возникает необходимость

усиления поиска в другом направлении – конструкционном решении

проблемы детонации на базе глубокого понимания ее природы.

2.2 Способы расширения диапазона изменения коэффициента

избытка воздуха и реализации высоких степеней сжатия

Турбулизация заряда

Одним из способов позволяющих реализовать повышенные

степени сжатия при существующих антидетонационных качествах

бензинов является повышение скорости сгорания. К числу мероприятий,

увеличивающих скорость тепловыделения в современных бензиновых

двигателях, относятся [2]:

1. Создание в цилиндре интенсивного турбулентного (вихревого)

движения рабочего заряда за счет тангенциального направления

впускного патрубка или выполнения его в виде улитки и позволяет

создать устойчивое вращательное движение горючей смеси в камере

сгорания, если последняя также имеет форму тела вращения.

Кинематографирование через прозрачную крышку цилиндра показало,

что даже в том случае, когда свеча зажигания расположена сбоку,

начальный очаг горения при наличии вихря очень быстро переносится в

центр камеры, откуда затем фронт пламени начинает распространяться

равномерно во все стороны в радиальных направлениях. Исследования с

использованием быстро вращающейся цилиндрической бомбы с

прозрачными торцовыми стенками, по отношению к которым смесь

оказывалась неподвижной, показали, что перенос к центру камеры

начального очага пламени, значительно менее плотного, чем свежая

смесь, происходит под действием центробежных сил, причем этот

перенос происходит по логарифмической спирали за 0,6 полного оборота

23

вихря независимо от его угловой скорости. Однако действие тех же

центробежных сил, препятствуя диффузии сгоревших газов в радиальном

направлении, замедляет процесс догорания периферийных слоев смеси.

Еще одним недостатком является уменьшение коэффициента наполнения

двигателя. В результате эффекта центрифугирования в пристеночных

слоях оказывается большая доля топлива, в особенности его тяжелые

фракции.

2. Придание камерам сгорания таких очертаний, при которых

основная масса рабочего заряда была бы сосредоточена в компактном

объеме, а остальная часть заключена в так называемых вытеснителях –

относительно узких зазорах между днищем поршня и поверхностью

головки цилиндра. При этом появляется возможность значительно

снизить или даже устранить нежелательные эффекты первого метода.

Наличие вытеснителей не только создает дополнительную турбулизацию

заряда в основной части камеры вследствие выталкивания в нее смеси из

относительно более быстро уменьшающихся по высоте в конце такта

сжатия щелевых зазоров, но также может способствовать ускоренному

завершению сгорания вследствие засасывания в эти же зазоры горящей

смеси при ходе поршня вниз, как схематически показано на рис.2.1, а. Аналогичный эффект достигается и в камерах сгорания, ограниченных

сферическими поверхностями различных радиусов (рис.2.1, б), а также в

камерах сгорания клиновидной формы или выполненных в виде

углубления в поршне.

Рис.2.1. Характер движения рабочего заряда, создаваемого

вытеснителями в конце сжатия и начале расширения [2]

В качестве примера использования описанного метода борьбы с детонацией за счет ускорения сгорания можно привести процесс May

24

Fireball, позволяющий при существующих антидетонационных качествах

бензинов существенно повысить степень сжатия и работать на

обедненной смеси ( 1,1 – 1,2) (см. рис.2.2). В экспериментальных

вариантах двигателя степень сжатия доводилась до 15.

В конце такта сжатия смесь вытесняется поршнем из цилиндра и

поступает через соединительный тангенциальный канал в

расположенную под выпускным клапаном компактную шаровидную

камеру сгорания. В камере сгорания образуется интенсивный вихревой

поток смеси.

Рис. 2.2. Схема камеры сгорания для реализации процесса May Fireball

Малые размеры камеры, ее компактность, интенсивное

вихреобразование, связанное как с тангенциальным входом, так и

турбулизацией потока со стороны кромок камеры, способствуют

быстрому горению без четкого фронта пламени, по крайней мере, во

второй половине видимого сгорания, что приводит, в том числе, к

дроблению очагов воспламенения. Это позволяет избежать условий,

способствующих возникновению детонации.

Но наличие вытеснителей (защемленных объемов), высокая

скорость заряда относительно стенок камеры сгорания вызывает

увеличение поверхности стенок камеры, усиливает теплоотдачу, а также

приводит к увеличению доли рабочего заряда, заключенной в

пристеночных слоях, где процесс догорания оказывается сильно

растянутым и неполным.

25

Форкамерно-факельное зажигание

В конце 30-х гг. был предложен принцип форкамерно-факельного

зажигания в бензиновом двигателе [2]. Он состоит в том, что

воспламенение рабочей смеси в основной камере сгорания двигателя

осуществляется не непосредственно искрой свечи, а факелом пламенных

газов, образующихся при сгорании очень небольшого количества

обогащенной смеси в особой форкамере, отделенной от основной камеры

одним или несколькими узкими сопловыми отверстиями. Объем

форкамеры составляет 3 - 4% всего объема камеры сжатия. Информации

о применении степени сжатия выше значения = 10 нет.

Рис. 2.3. Схематическое устройство двигателя с форкамерно-факельным

зажиганием [2]

Энергичное воспламенение в значительных объемах приводит к

тому, что в основной камере оказываются способными гореть с

достаточно высокими скоростями сильно обедненные смеси при = 1,5 – 1,6. Воспламеняются и значительно более бедные смеси, но достаточно

26

быстрое их сгорание наблюдается лишь в зоне действия форкамерных

факелов, дальнейшее же догорание затягивается и оказывается неполным.

Целесообразным, оказывается, начинать дросселирование

двигателя при обеднении смеси до = 1,5, сохраняя такой же состав

смеси на меньших нагрузках и лишь незначительно обогащая ее на

режимах холостого хода (до = 1,2). Это приводит к экономии топлива в

условиях эксплуатации в среднем на 10%.

Затрудненной является очистка форкамеры от ОГ. Появляются

потери на перетекание газов и дополнительные тепловые потери

вследствие увеличения поверхности КС. На режимах холостого хода

существенно увеличиваются концентрации несгоревших углеводородов в

основной камере вследствие появления пропусков воспламенения.

Расслоение заряда. Исторический обзор

Одним из предполагаемых путей улучшения показателей

рабочего процесса бензиновых двигателей при работе на частичных

нагрузках, давно привлекавшим к себе внимание большого числа

исследователей, является такое распределение топлива в камере сгорания,

при котором в зоне свечи зажигания находилась бы смесь, близкая к

стехиометрической, а по мере удаления от свечи смесь бы обеднялась.

Предполагаемое преимущество такого расслоения в том, что при работе

двигателя на малых нагрузках процесс сгорания локализуется лишь в

относительно небольшой части камеры, причем, так же как в дизелях, не

требуется дросселирования, т. е. имеет место термодинамически более

выгодное качественное регулирование мощности. Рассмотрим некоторые

из способов [2].

В 70-е годы возрос интерес к двухполостным камерам сгорания в

связи с тем, что именно таким путем удается достигнуть существенного

снижения токсичности двигателя. Наличие в дополнительной камере

обогащенной, и к тому же в большей степени разбавленной остаточными

газами смеси, препятствует образованию в ней окислов азота, а процесс

дожигания продуктов неполного сгорания такой обогащенной смеси в

результате их смешения с воздухом, находящимся в цилиндре,

происходит уже при существенно пониженных температурах на такте

расширения.

Примером может служить экспериментальный двигатель VW с

воздушным охлаждением с шарообразной вихревой камерой, сходной с

27

используемыми в дизелях. Ее объем составляет около 25% от объема

камеры сгорания. На малых нагрузках топливо впрыскивается только в

вихревую камеру в начале такта сжатия, а в цилиндр подается чистый

воздух; на больших нагрузках в него поступает обедненная

карбюрированная смесь; дросселирование отсутствует. При значениях

> 1,1 концентрации СО и СН весьма малы, а концентрация NОx хотя и

монотонно увеличивается по мере увеличения нагрузки, но в общем она

также очень невелика. Однако удельный расход топлива чрезмерно

высок. Этот недостаток касался всех двигателей подобного типа.

Рис.2.4. Камера сгорания бензинового двигателя VW с расслоением

заряда: 1 - форсунка; 2 -свеча зажигания [2]

В двигателе Тексако (рис. 2.5) легкое топливо впрыскивается в

направлении воздушного вихря, и его пары воспламеняются

расположенной на некотором расстоянии от форсунки свечой, между

электродами которой создается длительный разряд, состоящий из серии

последовательных искр. Этим обеспечивается поддержание как будто бы

стационарного факела пламени в течение всего периода впрыска. В

дальнейшем сгорание завершается вследствие турбулентного смешения

продуктов сгорания обогащенной смеси в этом факеле с заполняющим

камеру чистым воздухом.

В двигателе Вицкого (рис.2.6) топливо впрыскивается под

некоторым углом против направления воздушного вихря, в результате

чего капли и пары топлива скапливаются в средней части камеры, где

воспламеняются обычной свечой.

28

Рис. 2.5. Схема организации смесеобразования и сгорания по способу

сгорания в двигателе Тексако [2]: 1 - форсунка; 2 - свеча зажигания;

3 - направление воздушного вихря; 4 - факел пламени

Рис. 2.6. Схема организации смесеобразования и сгорания по способу

сгорания по способу Вицкого [2]:

1 - форсунка; 2 - свеча зажигания; 3 - направление воздушного вихря;

а - направление вихря; b - направление впрыска; с - траектория движения

капель и паров топлива

29

Двигатель концерна Ford с послойным распределением заряда

получил название «РRОСО». Он отличается системой непосредственного

впрыска, двумя свечами зажигания, поршнем с глубокой впадиной в

днище, составляющей часть камеры сгорания, и впускным каналом,

который способствует завихрению смеси. В цилиндрах обеспечивается

достаточно хорошее смесеобразование, послойное распределение смеси и

полное сгорание. Степень сжатия равна 11.

Впрыск топлива при малых нагрузках заканчивается к моменту

искрового зажигания. Такой поздний впрыск позволяет образовать

воспламеняемую смесь около свечи даже при небольшом количестве

топлива. Для предотвращения обогащения смеси с увеличением нагрузки

предусмотрено опережение впрыска. При максимальной нагрузке впрыск

заканчивается за 70 – 90° до верхней мертвой точки.

Рис. 2.7. Фазы работы двигателя «РRОСО»: 1 – впрыск; 2 – зажигание;

3 – активное сгорание; 4 – догорание

Последние 40 - 50 лет почти все автомобилестроительные фирмы

пытались строить бензиновые двигатели с расслоением заряда. Несмотря

на большое число реализованных в опытных конструкциях целого ряда

вариантов расслоения заряда и достигаемое при этом существенное

уменьшение удельных расходов топлива на частичных нагрузках, ни одна

из таких систем не получала широкого распространения по следующим

причинам. Крайне трудно совместить расслоение заряда на частичных

нагрузках с требованием достаточно высокой его однородности на

полных одновременно с требованием сохранения в области искрового

разряда состава смеси, близкого к стехиометрическому. В следующем

параграфе представлены современные методы решения этой проблемы.

30

Современные способы реализации непосредственного впрыска

Двигатели с непосредственным впрыском и расслоением заряда первого поколения. Разделяют три основных вида бензиновых

двигателей с непосредственным впрыском и расслоением заряда:

1. Двигатели с непосредственным впрыском первого поколения.

Свеча зажигания и форсунка располагаются достаточно далеко друг от

друга. Формирование смеси в районе искрового разряда, реализуется

преимущественно за счет взаимодействия топливной струи со стенкой

камеры сгорания (далее «СКС»).

2. Двигатели с непосредственным впрыском также первого

поколения. Свеча зажигания и форсунка располагаются достаточно

далеко друг от друга. Формирование смеси в районе искрового разряда,

реализуется преимущественно за счет взаимодействия топливной струи

со специально организованным вихрем («вихрь»).

3. Двигатели с непосредственным впрыском второго поколения.

Искровой разряд располагается вблизи границ струи, в зоне

турбулентного перемешивания.

Таблица 2.1[6]

Главное преимущество концепции первого поколения состоит в

том, что решена проблема загрязнения свечи зажигания, так как топливо

доставляется к свече зажигания достаточно испаренным и перемешанным

с воздухом. Концепция двигателей первого поколения «СКС» имела

следующие четыре основные черты:

31

• Поток внутри цилиндра образуется в виде вертикального вихря

либо за счет специальных дополнительных заслонок на впуске (далее

вихревая заслонка) (рис. 2.8), либо за счет вертикальных впускных

каналов (рис. 2.9).

• Электромагнитная вихревая форсунка распыляет при

относительно низком давлении нагнетания.

• Поршень, геометрия которого разработана таким образом,

чтобы оптимизировать отражение топливовоздушной струи и подвод

смеси к свече зажигания (рис. 2.9, 2.10).

• Изменение угла опережения впрыска в зависимости от нагрузки

(рис. 2.10). Для образования гомогенной смеси на полной нагрузке

используется ранний впрыск во время такта впуска. Расслоение на

частичных нагрузках и холостом ходе осуществляется за счет позднего

впрыска во время такта сжатия.

Рис. 2.8. Создание «вертикального» вихря за счет дополнительной

заслонки на впуске [7]

Первой реализовала данную концепцию фирма Мitsubishi. На

рис. 2.9 представлена схема процесса. Вихрь создается за счет

вертикальных впускных каналов. Условия протекания процесса

позволяют повысить степень сжатия до 12, а отношение масс воздуха и

32

топлива на частичных нагрузках – до 1:40. Давление впрыска составляет

примерно 5 МПа.

Рис. 2.9. Схема смесеобразования в зависимости от нагрузки [7]

На рисунке 2.10 приведена схема реализации концепции СКС в

двигателе VW FSI (Fuel Stratified Injection). Процесс схожий с Мitsubishi,

но вихрь создается за счет дополнительной заслонки на впуске.

Рис.2.10. Схема процесса VW-FSI [15]:

1 – вихревая заслонка; 2 – впускная труба; 3 – дроссельная заслонка;

4 – впускной клапан

33

После первого запуска бензинового двигателя с

непосредственным впрыском в массовое производство в 1996 году, на

рынке появилось множество альтернативных схем, использующих

различные виды вихрей, формы камер сгорания и форсунок. Хотя

некоторые схемы использовали концепцию «СКС», другие концепцию

«вихрь», такой вид классификации, как представляется, имеет мало

смысла. Это объясняется тем, что их разделение достаточно условно,

поскольку в обеих схемах реализуются одновременно в той или иной

мере и формирование смеси за счет направленного вихря, и за счет

формы камеры сгорания. Деление было принято, по-видимому, потому,

чтобы подчеркнуть некоторое упрощение формы поршня и снижение

площади его поверхности в двигателях, реализующих вторую схему.

Поэтому часто при классификации первые два типа двигателей с

непосредственным впрыском не разделяют.

В качестве примера реализации концепции «вихрь» можно

привести процесс на двигателе Audi 2,0l FSI (рис.2.11). Максимальный

коэффициент избытка воздуха на холостом ходе составляет α = 3.9,

сокращение расхода топлива на этом режиме по сравнению со схемой

впрыска во впускную систему составляет 41%.

Рис. 2.11. Схема процесса Audi 2,0 l FSI [15]:

слева режим гомогенного смесеобразования на высоких нагрузках,

справа режим расслоения заряда на низких нагрузках и холостом ходе

34

Двигатели с непосредственным впрыском и стехиометрической стратегией управления. Хотя преимущества в

топливной экономичности бензиновых двигателей с непосредственным

впрыском и расслоением заряда на частичных нагрузках во время их

запуска в 1996 году были значительными, по сравнению с аналогами с

впрыском топлива во впускную трубу, за последующие 10 лет они

постепенно потеряли часть своих преимуществ. Причиной этому

являются следующие основные факторы:

Двигатели с впрыском топлива во впускную систему значительно

улучшились.

Появились усовершенствованные технологии передачи

мощности.

Режимы экономичной работы бензиновых двигателей с

непосредственным впрыском не могли быть в полной мере

реализованы из-за необходимости удовлетворения все более

строгих норм токсичности.

Кроме того, в последние годы возросла удельная мощность

дизельных двигателей при сохранении традиционно высокой топливной

экономичности. Этот фактор также способствовал уменьшению

интенсивности исследований в области бензиновых двигателей с

непосредственным впрыском и расслоением заряда.

Самым значительным развитием двигателей с впрыском топлива

во впускную трубу было введение технологий регулируемых фаз

газораспределения, которые являются теперь стандартными. Стало

возможным снижение насосных потерь на частичных нагрузках.

Новые передачи, такие как бесступенчатая коробка передач,

многоступенчатая автоматическая коробка передач и т.д. являются

технологиями способными улучшить эффективность передачи путем

минимизации работы двигателя на низких нагрузках.

Наконец, хотя технологии нейтрализации оксидов азота при

работе двигателя в широком диапазоне коэффициентов избытка воздуха

интенсивно развиваются, его эффективность пока составляет около 90%.

Эффективность же его конкурента – трѐхкомпонентного нейтрализатора,

использующегося в двигателях с впрыском топлива во впускную систему,

может превышать 99%. Таким образом, можно утверждать, что

эффективностью бензиновых двигателей с непосредственным впрыском

пожертвовали для того, чтобы достичь уровня выбросов, сопоставимых с двигателем с впрыском топлива во впускную систему. Однако в

35

настоящее время расход топлива вновь привлекает все больше внимания

из-за акцента на глобальном потеплении и истощении ресурсов

ископаемых топлив, что привело к возобновлению интереса к двигателям

с непосредственным впрыском топлива второго поколения, которые

будут представлены позже.

Некоторым компромиссом в этом направлении является

концепция бензиновых двигателей с непосредственным впрыском

топлива и стехиометрическим составом смеси независимо от нагрузки.

Топливо в этом способе впрыскивается в цилиндр только во время такта

впуска, в результате чего реализуются только однородные

стехиометрические смеси. Хотя улучшение топливной экономичности по

сравнению с двигателями с впрыском во впускную систему, которое

получается за счет более высокой степени сжатия, незначительно, этот

подход имеет то преимущество, что позволяет использовать для

нейтрализации отработавших газов трехкомпонентный каталитический

нейтрализатор, эффективность которого как уже отмечалось около 99%.

Причины, которые обуславливают возможность увеличения

степени сжатия, следующие. В случае двигателей с впрыском топлива во

впускную систему часть затрат теплоты на испарение топлива

компенсируется теплоподводом от поверхностей впускных клапанов,

головки и гильзы цилиндра и т.д. В случае раннего непосредственного

впрыска, контакт с элементами системы впуска исключен. Контакт

топлива осуществляется в основном только с головкой поршня, который

также можно минимизировать при правильном сочетании движения

поршня к НМТ и движением струи. Таким образом, испарение топлива

идет в основном за счет энергии воздуха, что снижает его температуру

примерно на 15K. Это означает, что температура смеси в конце такта

сжатия может быть снижена примерно на 30К. К тому же в случае

непосредственного впрыска топливовоздушная смесь более неоднородна.

Достигнутый уровень степени сжатия аналогичен двигателям с

расслоением заряда и составляет величину равную примерно 12. Это

приводит к снижению расхода топлива на 3 – 10% по сравнению с

двигателями с впрыском во впускную систему. Давление впрыска

составляет 5-20 МПа.

В качестве примера можно привести 12 цилиндровый двигатель

BMW, где непосредственный впрыск бензина комбинируется с системой

Valvetronic (описание системы будет представлено в отдельном разделе). Дроссельная заслонка отсутствует. Максимальное давление впрыска

36

составляет 12 МПа. Топливо впрыскивается вихревой форсункой на такте

впуска. Применение системы Valvetronic позволяет снизить насосные

потери. Кроме этого, перенос критического сечения на клапан,

увеличение его значения позволяет существенно увеличить скорость и

турбулентность течения, как на клапане, так и в цилиндре. Тем самым,

улучшается смесеобразование, особенно в режиме холодного пуска. Все в

сумме позволило увеличить мощность на 3%, крутящий момент на 5% и

снизить расход топлива примерно на 10% по сравнению с двигателем с

впрыском топлива во впускную систему. Эти улучшения были

достигнуты при использовании традиционного трехкомпонентного

нейтрализатора без ужесточения требований к содержанию серы в

топливе.

Как видно улучшение топливной экономичности не существенно.

Но когда данная концепция впрыска применяется в сочетании с

наддувом, это улучшение имеет более высокий потенциал. Применение

турбонаддува позволяет использовать небольшой турбированный

двигатель вместо большого атмосферного двигателя той же мощности,

что дает два преимущества с точки зрения улучшения топливной

экономичности:

1.Меньший вес и габариты двигателя.

2. Меньшие потери на трение и насосные потери.

Не смотря на то, что возможности снижения расхода топлива

бензиновых двигателей при применении наддува известны давно, он не

имел широкого распространения ввиду необходимости снижения из-за

детонации степени сжатия. Улучшение антидетонационных

характеристик бензинового двигателя с непосредственным впрыском

свело к минимуму требования для ее снижения. Таким образом,

сочетание турбонаддува и непосредственного впрыска топлива приводит

к тому, что может быть компенсирован определенный процент потерь

топливной экономичности, вызванный отказом от обеднения смеси на

частичных нагрузках. Учитывая возможность использования

традиционного трехкомпонентного каталитического нейтрализатора,

данная концепция организации рабочего процесса приобрела в последнее

время большую популярность. Большинство конструкции с

непосредственным впрыском и стехиометрической стратегией

управления нагрузкой используют для сохранения высокой

интенсивности турбулентности на низких частотах вращения (менее 3000 об/мин) дополнительные заслонки для создания горизонтального или

37

вертикального вихревого движения. Ниже приведены примеры

реализации концепции.

Двигатель 2,0 TFSI применяется для Audi S3. По сравнению с

базовым вариантом мощность возросла с 147 до 195 кВт. Степень сжатия

снизили с 10,3 у безнаддувного варианта до 9,8 в турбированном

исполнении. Максимальное давление в цилиндре 11 МПа, среднее

эффективное давление 2,2 МПа.

Фирма Volkswagen под аббревиатурой TSI вывела на рынок 1,4

литровый мотор с комбинированным турбо- и приводным наддувом

(описание системы будет представлено в отдельном разделе). Данный тип

наддува используется в комбинации с непосредственным впрыском

бензина впервые. Впрыск осуществляется вихревой форсункой с

давлением впрыска 12 МПа. Степень сжатия равна 10.

BMW также разработала двигатель непосредственным впрыском

HPI (High Precision Injection) и стехиометрической стратегией

управления нагрузкой (рис.2.12). Система впрыска разработана совместно

с фирмой Siemens. Турбонаддув – посредством импульсной парциальной

турбины. Пъезофорсунка расположена центрально между клапанами.

Степень сжатия равна 10,2.

Рис.2.12. Двигатель BMW с центрально расположенными форсункой и

свечой зажигания [15]

38

Двигатели с непосредственным впрыском и расслоением заряда второго поколения. В настоящее время расход топлива вновь

привлекает все больше внимания из-за акцента на глобальном

потеплении и истощении ресурсов ископаемых топлив, который привел к

возобновлению интереса к двигателям с непосредственным впрыском

топлива. Основной причиной внедрения концепции второго поколения,

несмотря на свои очевидные технические трудности, в том, что она

способна существенно расширить диапазон изменения коэффициента

избытка воздуха, тем самым снизить расход топлива на частичных

нагрузках по сравнению с двигателями с непосредственным впрыском

первого поколения. Формирование смеси в районе искрового разряда в

данной концепции не зависит ни от формы полости поршня, ни от потока

внутри цилиндра. Преимущества этой концепции по сравнению с двумя

другими приведены в табл. 2.1. Близкое расположение форсунки и свечи

зажигания требует очень точного расположения искрового зазора, около

которого в момент воспламенения должна быть смесь близкая к

стехиометрической. Хотя концептуально это кажется довольно простым,

на практике очень трудно иметь высокую повторяемость характеристик

струи, смесеобразования и воспламенения для каждого цикла. Следует

подчеркнуть, что условия весьма неблагоприятны для надежного

зажигания из-за [15]:

• высокой скорости двухфазного потока в непосредственной

близости от свечи зажигания;

• возможности появления крупных капель;

• колебания угла конуса струи;

• различия в характеристиках искрового разряда;

• колебания местной скорости впрыска и состава горючей смеси.

Таким образом, характеристики системы впрыска топлива играют

ключевую роль в повторяемости процесса горения, который определяет

шансы на успех концепции бензиновых двигателей с непосредственным

впрыском второго поколения. В течение последних лет специально для

бензиновых двигателей с непосредственным впрыском были разработаны

два типа форсунок: электромагнитная бесштифтовая многодырчатая

форсунка и пьезоэлектрическая форсунка с открывающимся наружу

штифтовым распылителем. Оба варианта обеспечивают значительные

преимущества по сравнению с вихревой форсункой, широко

использующейся в бензиновых двигателях с непосредственным впрыском первого поколения (табл.2.2).

39

Рис. 2.13 Компоновка элементов концепции второго поколения [15]

В отличие от бесштифтовой форсунки, которая схожа с

дизельными аналогами, пьезоэлектрическая форсунка с открывающимся

наружу штифтовым распылителем представляет собой относительно

новую конструкцию, специально созданную для второго поколения

бензиновых двигателей с непосредственным впрыском топлива.

Дальнобойность струи такой форсунки является функцией от

термодинамических параметров (давления/температуры). С увеличением

противодавления струя становится более компактной, четче проявляется

головной вихрь (рис.2.14). Кроме того, необходимо иметь в виду, что

головной вихрь увеличивается в размерах, с ростом расхода топлива.

Создание завихрений на границах струи и их устойчивость в

пространстве относительно свечи зажигания являются ключевыми

процессами концепции. Стабильный диапазон зажигания в условиях

расслоения заряда составляет примерно ± 2,5 градусов угла ПКВ

относительно конца впрыска.

Несмотря на значительно более высокую цену, чем у

бесштифтовой форсунки, новая пьезоэлектрическая форсунка с

открывающимся наружу штифтовым распылителем, позволяет

реализовать очень быстрое открытие и закрытие, и соответственно –

многофазный впрыск. Кроме того, процесс с такой конструкцией

форсунки позволяет уменьшить загрязнение и намокание свечи

зажигания по сравнению с бесштифтовой форсункой.

40

Таблица 2.2 [6]

Бесштифтовой многодырчатый тип форсунки имеет много

преимуществ (см. табл. 2.2), несмотря на более высокую склонность к

закоксовыванию форсунки и намоканию свечи зажигания. Главным из

них является большая гибкость в геометрии и пространственной

ориентации отверстий форсунки, которая допускает большое их

количество (6 - 12), различие размеров, расположения (симметрично и

асимметрично) и соотношений длины к диаметру (L/D). К тому же

электромагнитные бесштифтовые форсунки проще и дешевле, чем

пьезоэлектрические форсунки с открывающимся наружу штифтовым

распылителем. Свеча зажигания может располагаться вблизи одной из

струй.

Рис.2.14 Распространение струй при различных противодавлениях [7]

41

Первой представила серийный образец двигателя c впрыском

второго поколения фирма DaimlerChrysler (рис.2.15). Двигатель с

аббревиатурой M272 DE 35 установлен на автомобиле Mercedes CLS 350

CGI. Это 3,5 литровый V-образный шестицилиндровый двигатель с

центрально расположенной в 4 клапанной головке цилиндра

пъезофорсункой с открывающимся наружу штифтовым распылителем

фирмы Бош. Свеча зажигания расположена таким образом, что ее

электроды позиционированы в пограничном слое струи. Топливо

подается в камеру сгорания посредством трехкратного впрыска с

давлением до 20 МПа. Степень сжатия равна 12,2. В зависимости от

степени расслоения сокращение расхода топлива по сравнению с

аналогом со впрыском во впускную систему составляет от 10 до 40%.

Сокращение расхода по европейскому ездовому циклу составляет 10%.

При этом двигатель имеет на 15 кВт больше мощности (максимальная

215 кВт). В точке поля нагрузок n = 2000 об/мин, pe = 0,2 МПа удельный

расход топлива достигает 290 г/кВтч, против 360 г/кВтч аналога со

впрыском во впускную систему. Минимальный удельный эффективный

расход топлива составляет 240 г/кВтч.

Рис.2.15. Разрез двигателя DaimlerChrysler M272 DE [15]

Фирма BMW также разработала двигатели с непосредственным

впрыском бензина HPI (High Precision Injection) и расслоением заряда

42

второго поколения. Эти двигатели снабжены идентичной

«стехиометрическому» двигателю с турбонаддувом системой впрыска.

Двигатели имеют центрально расположенную форсунку и, размещенную

в непосредственной близости от нее, свечу зажигания. Впрыск

производится пъезофорсункой с открывающимся наружу штифтовым

распылителем, которая, наряду с многократной подачей топлива,

позволяет также реализовать полные и частичные подъемы штифта.

Трехцилиндровый аксиально-поршневой насос создает максимальное

давление топлива 20 МПа. Степень сжатия равна 12. Минимальный

удельный эффективный расход топлива составляет 240 г/кВтч. В точке

поля нагрузок n = 2000 об/мин, pe = 0,2 МПа удельный расход топлива

достигает 295 г/кВтч. По сравнению с лучшим по экономичности

бензиновым аналогом с системой Valvetronic (ge = 340 г/кВтч) расход

ниже на 13%. В области частичных нагрузок эти двигатели достигли

расходов топлива дизельных двигателей.

Пневматическая система распыливания используется в системах

впрыска, разработанных австралийской моторостроительной фирмой

Orbital (рис.2.16). В коммерческую эксплуатацию были введены в

мотоциклах, подвесных моторах начиная с середины 1990-х годов.

Высокое качество распыливания позволяет воспламенять даже тяжелые

топлива. Характеристики струи практически не зависят от типа топлива

(рис. 2.17). Система впрыскивает топливо под небольшим давлением (0,8

МПа) вместе с подачей небольшого количества сжатого воздуха для

улучшения смесеобразования. Сжатый воздух для системы

топливоподачи подается небольшим компрессором, развивающим

давление около 0,6 МПа. Топливовоздушная смесь впрыскивается

непосредственно к свече зажигания, при этом не требуется специальной

формы поверхности поршня или специально организованного вихревого

движения воздуха в целях достижения стабильного воспламенения

топлива. Форма поверхности поршня выбирается в большей мере из

условий сгорания, а не воспламенения. Максимальное соотношение

воздуха к топливу на холостом ходе равна 50:1, степень сжатия - 10,5.

43

Рис. 2.16 Элементы, реализующие процесс Orbital [13]

При больших нагрузках бензиновые двигатели с

непосредственным впрыском топлива, используют стратегию раннего

впрыска, где характеристики горения идентичны характеристикам при

предварительном смесеобразовании в двигателях с впрыском топлива во

впускную трубу. Тем не менее, улучшение эксплуатационных

характеристик двигателей реализуется за счет улучшения

противодетонационных характеристик и, соответственно, возможности

повышения степени сжатия, в большинстве случаев до 12. Объясняется

это следующим. В случае двигателей с впрыском топлива во впускную

трубу часть затрат теплоты на испарение топлива компенсируется

теплоподводом от поверхностей впускной системы, головки и гильзы

цилиндра. В случае раннего непосредственного впрыска, струя топлива

следует за поршнем и отражение жидкого топлива от головки поршня

можно минимизировать. Таким образом, испарение топлива идет в

основном за счет энергии воздуха, что снижает его температуру

предположительно на 15K. Это означает, что температура смеси в конце

такта сжатия может быть снижена примерно на 30К. К тому же в случае

непосредственного впрыска топливовоздушная смесь более неоднородна,

и степень ее неоднородности можно регулировать за счет угла

опережения впрыска.

44

Представляется перспективным сочетание концепции второго

поколения с турбонаддувом. В данном случае провал тяги, который

является одним из недостатков турбонаддува в бензиновых двигателях,

может быть уменьшен, потому что до ускорения двигатель работает на

бедном режиме, соответственно масса отработавших газов поступающих

на турбину больше, чем в двигателе со стехиометрической стратегией

управления мощностью. Скорость вращения турбины и компрессора до

ускорения поддерживается на уровне в 2 или 3 раза выше, тем самым,

уменьшая провал тяги при ускорении.

Выводы. В результате совершенствования бензиновых

двигателей с непосредственным впрыском топлива определились две

лидирующих концепции:

1. Двигателей с непосредственным впрыском

пьезоэлектрическими штифтовыми форсунками и расслоением заряда

второго поколения.

2. Двигатели с непосредственным впрыском и стехиометрической

стратегией управления нагрузкой.

Дальнейшее развитие технологий нейтрализации оксидов азота и

систем впрыска высокого давления безштифтовыми многодырчатыми

форсунками, как ожидается, может выдвинуть на первый план двигатели

с расслоением заряда второго поколения с турбо- и/или приводным

наддувом.

Тем не менее, эта концепция двигателя должна решить проблемы:

1. Расширения верхнего предела коэффициента избытка воздуха

до α = 5 – 6. Серийные двигатели с искровым воспламенением и

непосредственным впрыском используют, так называемое, умеренное

расслоение (α = 2,5 – 3,9), поэтому на режимах сверхмалых нагрузок и

холостом ходе двигатель приходится дросселировать и более выгодное

качественное регулирование мощности реализуется лишь частично.

2. Повышения степени сжатия до уровня 12 – 15 в надувном

варианте без повышения требований к октановому числу.

3. Нейтрализации оксидов азота.

Без их решения, в ситуации жесткой конкуренции: 1) по

топливной экономичности с современными дизельными двигателями и

гибридными системами, 2) по токсичности - с бензиновыми двигателями

со стехиометрической стратегией управления, концепция может потерять

преимущества.

45

Вопросы для самоконтроля

1. Детонация в ПДВС. Причины возникновения.

2. Влияние детонации на эффективные показатели двигателя.

3. Какие факторы влияют на склонность двигателя к

детонации?

4. Причины отсутствия детонации в дизельных ДВС. Возможно

ли осуществление детонационного сгорания в дизельных

ДВС?

5. Методы борьбы с детонацией.

6. Как влияет на развитие детонации размер очага

воспламенения?

7. Объясните причины отсутствия детонации при

воспламенении от искрового разряда и развития детонации от

очага самовоспламенения в одном и том же цикле двигателя?

8. Как влияет на склонность к детонации эффективная энергия

активации реакций самовоспламенения?

9. Как влияет на склонность к детонации форма поверхности

очага воспламенения? В каком случае ударная волна затухнет

быстрее: при распространении расходящегося сферического,

расходящегося цилиндрического фронтов или при

одномерном распространении плоской ударной волны?

10. Скорость распространения ламинарного пламени,

определяемая скоростью химической реакции и процессами

молекулярного переноса составляет десятки сантиметров в

секунду. Скорость распространения турбулентного пламени,

определяемая скоростью химической реакции и процессами

турбулентного переноса составляет десятки метров в секунду.

Какой механизм позволяет не отстать зоне пламени от

ударной волны, движущейся со скоростью в сотни и даже

тысячи метров в секунду?

11. Преимущества и недостатки ДВС с искровым

воспламенением.

12. Причины возможности реализации состава смеси, близкого к

стехиометрическому, и сложности реализации высоких

коэффициентов избытка воздуха в бензиновых двигателях.

46

13. Назовите причины, которые определяют возможность

повышения степени сжатия в двигателях с высокой

турбулизацией заряда.

14. Назовите причины, которые определяют возможность

повышения степени сжатия в двигателях с непосредственным

впрыском топлива.

15. Перечислите преимущества и недостатки расслоения смеси на

частичных нагрузках.

16. Перечислите преимущества и недостатки двигателей с

непосредственным впрыском и стехиометрической

стратегией управления нагрузкой.

17. В чем заключаются преимущества систем впрыска второго

поколения по сравнению с первым?

18. В чем заключается сложность реализации систем впрыска

второго поколения?

47

3. Управление фазами газообмена

Цель внедрения данных систем – обеспечить во всем диапазоне

частот вращения:

1. Максимальное наполнение рабочего объема свежим зарядом

при полной нагрузке.

2. Необходимое соотношение между ОГ и свежим зарядом, а

также минимизацию насосных потерь и потерь заряда при частичных

нагрузках.

Управление фазами газообмена осуществляется через изменение

моментов и функции открытия (и закрытия), длительности открытого

состояния и хода впускных и выпускных клапанов. Изменение

перечисленных параметров может быть реализовано за счет

механических, электромагнитных, гидравлических сил или их

комбинации.

Параметры регулируются с помощью ступенчатых и

бесступенчатых систем с распределительным валом. В ступенчатых

системах есть выбор только между двумя или тремя положениями,

обеспечивающими заданную закономерность открытия клапанов. Хотя

дополнительно здесь может реализовываться, с помощью поворота

распределительного вала относительно коленчатого, и бесступенчатое

смещение фаз. В бесступенчатых, как следует из названия,

вышеперечисленное регулирование осуществляется непрерывно.

Существуют газораспределительные механизмы и без

распределительного вала. Однако в серийном производстве по целому

ряду причин они не реализованы.

Наиболее известные системы – «VarioCamPlus»

(двухступенчатый ход впускного клапана + смещение фаз впускного

клапана) компании Porsche, «Valvetronic» (бесступенчатое изменение

хода (и связанной с ним продолжительности открытия) впускных

клапанов + смещение фаз впускных и выпускных клапанов) от BMW и

«VTEC» (двухступенчатый ход + смещение фаз клапанов) от Honda.

«Valvetronic» от BMW является первой серийной системой реализующей

бесступенчатое изменение параметров фаз газообмена.

Наиболее существенные преимущества бесступенчатые схемы

управления дают на низких нагрузках, поскольку появляется

возможность реализации бездроссельного управления нагрузкой. Однако

это не означает, что метод управления стал качественным. В данном

48

случае он остается лишь разновидностью количественного метода. Как

уже отмечалось в предыдущих разделах, качественное регулирование

нагрузки, реализуемое в дизелях, более предпочтительно, нежели

количественное. Реализация бездроссельного управления расходом

воздуха в двигателях с внешним смесеобразованием позволяет снизить

насосные потери и тем самым сократить разрыв в экономичности между

двумя типами регулирования. При этом применяются следующие

стратегии управления, осуществляемые за счет регулирования хода

клапана – раннее закрытие впускного клапана (РЗВК), позднее закрытие

впускного клапана (ПЗВК), позднее открытие впускного клапана (ПОВК).

Рис.3.1 Схема протекания процесса газообмена при различных методах

управления [14]

На рис.3.1 темным цветом на рисунке обозначена работа,

теряемая вследствие насосных потерь. Комбинация раннего закрытия впускного клапана и уменьшения его хода дает уменьшение количества

49

смеси в цилиндре с значительно меньшим дросселированием, чем в

классическом варианте количественного регулирования. Кроме этого,

перенос критического сечения на клапан, увеличение его значения

позволяет существенно увеличить скорость и турбулентность течения,

как на клапане, так и в цилиндре, по крайней мере, в начале сжатия. Тем

самым, улучшается смесеобразование, особенно в режиме холодного

пуска. В двигателях с турбонаддувом, он также известен как метод

Миллера и может также использоваться на высоких нагрузках. Это

объясняется тем, что при сохранении давления конца сжатия, массовый

заряд цилиндра можно увеличить. Хотя для этого нужно увеличить

давление наддува. Если последнее потребует увеличения размеров

турбокомпрессора, то ухудшится приемистость двигателя.

В методе позднего закрытия впускного клапана, также известном

как обратный цикл Миллера, впускной закрывается во время такта

сжатия. Чем ниже нагрузка, тем позже закрывается клапан. Часть заряда

отводится, как правило, во впускную систему. Таким образом, часть

заряда дважды проходит через клапан, что с одной стороны

интенсифицирует смесеобразование, с другой – возникают потери при

перетекании. В двигателях с наддувом на поршень действует

увеличенное противодавление, что приводит к росту насосных потерь.

При очень низких нагрузках, требуемое время закрытия клапана

становится позже, чем оптимальный угол опережения зажигания, что

приводит к необходимости уменьшения последнего и снижению КПД

двигателя. В турбированных бензиновых двигателях в области полных

нагрузок можно незначительно обеднять смесь, что приведет к

уменьшению теплонапряженности двигателя.

Результаты исследований различных методов управления на

небольшом атмосферном бензиновом двигателе, приведенные в работе

[14], показали, что на частичных нагрузках использование обратного

цикла Миллера приводит к снижению расхода топлива примерно на 8%.

В отличие от прямого цикла Миллера, при управлении нагрузкой

методом ПОВК, впускной клапан открывается во время движения

поршня к НМТ и закрывается тогда, когда в цилиндр попало

необходимое количество заряда. Момент закрытия может лежать как до,

так и после НМТ. В момент открытия клапана достигается высокий

перепад давления между впускным каналом и рабочей камерой

двигателя, так что свежий заряд втекает с высокой скоростью, генерируя турбулентность. Это приводит к быстрому сгоранию. Недостатком

50

является то, что при позднем закрытии впускного клапана увеличиваются

насосные потери.

Как уже упоминалось, при управлении количеством смеси

посредством изменения максимального хода клапана, зона

дросселирования перемещается на клапан. Степень дросселирования при

этом находится на значительно более низком уровне, нежели в

традиционных системах с дроссельной заслонкой. При частичных

нагрузках впускной клапан открывается незначительно. В результате

снижения проходного сечения на клапане достигается высокая скорость

истечения и генерируется турбулентность. Это улучшает

смесеобразование, повышает стабильность и скорость сгорания.

Снижается межцикловая нестабильность процесса. К тому же при

снижении максимального хода клапана сокращаются потери на трение.

Работу системы, реализующей бесступенчатое изменение

параметров фаз газообмена, рассмотрим на примере схемы «Valvetronic»

фирмы BMW . Как уже упоминалось, она является первой серийной

системой, реализующей бесступенчатое регулирование. Следует

упомянуть, что схожие решения предложили фирмы Meta (VVH) и Mahle

(MV2T).

Рис.3.2. Система Valvetronic

51

Управление в схеме реализуется за счет комбинации

механических и электрических сил. Между впускным клапаном и

кулачком располагаются новые элементы – эксцентриковый вал и

промежуточный рычаг (рис.3.2). Эксцентриковый вал вращается

электродвигателем через червячную передачу. При повороте

эксцентрикового вала, изменяется плечо промежуточного рычага.

Благодаря этому меняется ход клапана и продолжительность открытия

клапана. Возможности электродвигателя позволяют производить это

изменение непрерывно. Дроссельная заслонка отсутствует.

Рис.3.3. Управление фазами газообмена посредством изменения

максимальной высоты подъема клапана [14]

На рис.3.3 приведена закономерность изменения фаз в системе.

Для сравнения приведены закономерности схемы компании Мета.

Применение системы Valvetronic позволяет снизить насосные потери.

Кроме этого, перенос критического сечения на клапан, увеличение его

значения позволяет существенно увеличить скорость и турбулентность

течения, как на клапане, так и в цилиндре. Тем самым, улучшается

смесеобразование, особенно в режиме холодного пуска.

52

4. Совершенствование смесеобразования и сгорания

в дизельных ДВС

4.1 Общие сведения о рабочем процессе дизельного двигателя

Вряд ли можно найти какую-либо другую область

машиностроения, в которой одновременно существовало бы такое

разнообразие конструктивных решений, как в камерах сгорания дизелей.

Общим во всех случаях остается инициирование горения в результате

самовоспламенения топлива, впрыскиваемого в нагретый сжатием

воздух, и совместное развитие процессов смесеобразования и сгорания

образующейся неоднородной смеси. Использование в некоторых случаях,

в так называемых многотопливных дизелях, искрового зажигания не

меняет существа дела, так как такое принудительное зажигание служит

лишь вспомогательным средством, обеспечивающим воспламенение в

оптимальный момент по фазе цикла независимо от свойств

используемого топлива. В равной мере это относится и к установке в

камерах сгорания тех или иных «горячих поверхностей», облегчающих

воспламенение впрыскиваемого топлива, а также нагреваемых

электрическим током спиралей, обеспечивающих запуск холодного

двигателя [2].

Однако возможные способы организации такого сложного и

внутренне противоречивого процесса могут быть очень разнообразны,

причем каждый из этих способов обладает своими преимуществами и

недостатками. Наиболее широко используются в современных дизелях

[2]:

1) Камеры сгорания открытого типа (однополостные), в которых

достаточно равномерное распределение топлива в объеме воздушного

заряда достигается применением форсунок с большим числом сопловых

отверстий, причем специально организованное вихревое движение

воздуха отсутствует (рис. 4.1, а).

2) Сходные по своим очертаниям, также однополостные камеры

сгорания, в которых создается достаточно интенсивное вращательное

движение воздушного заряда, что позволяет обойтись меньшим числом

струй впрыскиваемого топлива; сюда же относятся камеры сгорания

чечевицеобразной формы, образуемые соответствующими углублениями

53

в днищах противоположно движущихся поршней двухтактных дизелей с

прямоточной продувкой цилиндров (рис. 4.1, б).

3) Камеры сгорания, где основная полость, в которую

впрыскивается топливо, выполняется в виде той или иной формы

углубления в днище поршня, существенно меньшего диаметра, чем

цилиндр. Процесс смесеобразования осуществляется за счет

соответствующим образом организованного вихревого движения

воздушного заряда, тангенциального (рис. 4.1, е) или радиального (рис.

4.1, г). В связи с тем, что начальные стадии процессов смесеобразования

и сгорания локализуются в основной полости камеры, а завершение

сгорания происходит уже в существенно иных условиях в полости

цилиндра, такие камеры называются полуразделенными.

4) Двухполостные, или разделенные, камеры, в которых топливо

впрыскивается в той или иной конфигурации и размеров полость,

отделенную от полости цилиндра одним или несколькими каналами

относительно небольшого сечения (рис. 4.1, д, е). Смесеобразование здесь

осуществляется за счет высоких скоростей втекания воздуха в

дополнительную камеру в такте сжатия, а ускоренное завершение

сгорания – за счет выбрасывания с еще более высокими скоростями не

полностью сгоревших газов из дополнительной камеры в полость

цилиндра в начале такта расширения.

В открытых камерах струи впрыскиваемого топлива не достигают

стенок – имеет место так называемое объемно-струйное

смесеобразование. В полуразделенных камерах вследствие относительно

малого диаметра основной полости некоторая часть капель топлива

достигает стенок, оседая на них в виде жидкой пленки, с поверхности

которой происходит дальнейшее испарение, т. е. имеет место объемно-

пленочное смесеобразование. К полуразделенным относятся также

камеры с преимущественно пленочным смесеобразованием (М-процесс),

а также с расслоением заряда (так называемое пристеночное

смесеобразование). Особенности процессов в этих камерах будут

рассмотрены отдельно.

Рассмотрим особенности процесса воспламенения и сгорания в

случае объемно-струйного смесеобразования в открытых камерах без

завихривания заряда.

54

Рис. 4.1. Схемы некоторых наиболее распространенных камер сгорания

быстроходных дизелей [2]: а и б – открытые камеры с объемно-струйным

смесеобразованием; в и г – полуразделенные камеры с объемно-

пленочным смесеобразованием; д – с предкамерой;

е – с вихревой камерой; 1 – калильная свеча

В зависимости от конструктивных особенностей топливной

аппаратуры, размеров сопловых отверстий форсунок и давлений впрыска

топливо поступает в камеру сгорания в виде мелких капель, диаметр

которых может колебаться в пределах 2 – 100 мкм. В начальный и

конечный периоды впрыска капли крупнее, в середине впрыска они

мельче; более крупные капли сосредоточены в центральной зоне факела

распыла, мелкие – ближе к его периферии. Скорость движения капель

при вылете из сопловых отверстий весьма велика (до 300 м/с), но по мере

удаления от форсунки она быстро снижается из-за сопротивления

сжатого воздуха. Последний, в свою очередь, подсасывается внутрь

факела распыла создаваемым топливными струями эжекционным

эффектом. Это приводит к тому, что последующие капли топлива

движутся уже в спутном воздушном потоке и перегоняют предыдущие,

успевшие потерять свою скорость, тормозятся и испаряются в основном в

головной части факела, где они встречают на своем пути еще

55

невозмущенный горячий воздух. В результате происходит как бы

послойное заполнение каплями и парами топлива всего объема факела

распыливания. Для возникновения воспламенения необходимо, чтобы

какая-то часть впрыснутого топлива испарилась, и его пары смешались с

воздухом, образуя горючую смесь, в которой должны успеть развиться

прогрессивно ускоряющиеся предпламенные реакции. Этим объясняется

обязательное наличие некоторого периода задержки воспламенения.

Вследствие затрат теплоты на испарение топлива и нагревание

его паров до равновесной с воздухом температуры, последняя в зонах, где

происходит смесеобразование, снижается, а соответственно несколько

уменьшается и общее давление в начальной стадии периода задержки по

сравнению с давлением сжатия воздуха, разбавленного остаточными

газами, но без впрыска топлива. Затем давление начинает повышаться

уже вследствие тепловыделения в предпламенных реакциях. Период

задержки представляет собой как бы подготовительную фазу к процессу

собственно сгорания в дизелях. Длительность этой подготовительной

фазы тем меньше, чем выше давление и температура сжатия. Важное

значение в сокращении периода задержки имеет мелкость распыливания,

наличие в камере сгорания накаленных поверхностей, а также

продолжающееся сжатие реагирующей смеси поршнем. Первые очаги

воспламенения обычно возникают вблизи внешних границ факелов

распыливания, сравнительно невдалеке от сопловых отверстий форсунки,

там, где в первую очередь успевает образоваться топливовоздушная

смесь состава, близкого к α = 1. От этих очагов пламя распространяется с

высокими скоростями по периферии топливных факелов на смежные

объемы также уже в достаточной мере подготовленной к воспламенению

смеси. Одновременно с этим возможно возникновение новых очагов

самовоспламенения в основном вблизи сильно нагретых поверхностей.

Рождение таких очагов вблизи от уже возникших, а также от

распространяющихся от них фронтов пламени маловероятно.

Синхронно с воспламенением и сгоранием уже подготовленной

смеси в процесс горения вовлекается топливо, поступившее и

продолжающее поступать через форсунку, но еще не успевшее

образовать сколько-нибудь однородной паровоздушной смеси. В

начальных стадиях процесса сгорания в дизелях при больших общих

значениях коэффициента избытка воздуха это смешение идет достаточно

быстро, так как капли топлива встречают на своем пути чистый воздух. Скорость сгорания при этом в основном определяется скоростью

56

поступления топлива. По мере развития сгорания и расходования

кислорода все большая часть топлива впрыскивается уже не в воздух, а в

продукты сгорания ранее поступивших порций топлива. В связи с этим

скорость испарения капель увеличивается, а скорость сгорания начинает

все больше замедляться и лимитироваться скоростями диффузионного

смешения паров топлива с остатками неизрасходованного кислорода.

Процесс диффузионного догорания можно значительно ускорить

созданием в этот период интенсивной турбулизации заряда, что отчасти

имеет место в полуразделенных камерах и в максимальной степени

реализуется в разделенных камерах.

В целях достижения удовлетворительного смесеобразования при

меньшем числе топливных струй, что увеличивает надежность работы

форсунок и способствует уменьшению значений dp/d, в ряде дизелей с

открытыми (однополостными) камерами сгорания создается

вращательное движение воздушного заряда за счет тангенциального

направления патрубков впускных клапанов или впускных окон в

двухтактных двигателях.

Направленные радиально топливные струи пересекают вихрь,

который уносит с собой пары и мелкие капли топлива, в результате чего

наиболее подготовленная к самовоспламенению смесь оказывается

сосредоточенной в наружных оболочках топливных струй со стороны,

противоположной набегающему воздушному потоку, где и возникают

первые очаги воспламенения, как схематически показано на рис. 4.2,а.

Затем пламя распространяется по поверхности топливных факелов также

преимущественно с «подветренной» их стороны, там, где находится

основная масса испарившегося топлива. Образующиеся продукты

сгорания, в свою очередь, также сносятся воздушным потоком, т. е. около

каждой из топливных струй возникают как бы фронты стационарного

пламени, в которые с одной стороны, непрерывно поступает вновь

образующаяся горючая смесь, а с другой вытекают продукты сгорания

(как показано стрелками на рис. 4.2, б).

Но такое положение сохраняется лишь до тех пор, пока

перемещающиеся совместно с вихрем сгоревшие газы не достигнут

смежного топливного факела. Начиная с этого момента, продолжающие

поступать из форсунки капли топлива будут встречать на своем пути уже

не воздух, а горячие продукты сгорания, что приводит к резкому

ухудшению полноты сгорания. Капли быстро испаряются, и пары

топлива подвергаются термическому распаду в условиях сильного

57

недостатка кислорода, сопровождающемуся обильным выделением сажи.

Во избежание этого отношение угловой скорости вихря к угловой

скорости коленчатого вала – так называемое вихревое отношение, не

должно превышать некоторого предела.

Рис. 4.2 . Схема развития процесса сгорания при наличии

тангенциального движения воздушного заряда [2]:

а – момент возникновения первичных очагов воспламенения в зонах;

б – последующее развитие сгорания по мере испарения топливных струй

Преимуществом неразделенных камер сгорания является

простота конструкции, наивысшая топливная экономичность, высокая

компактность элементов системы охлаждения и хорошие пусковые

качества. Недостатки: жесткость работы, рассогласование форм и

размеров факела распыленного топлива и камеры сгорания, вихревого

отношения и частоты вращения коленчатого вала при работе на

нерасчетных режимах. Рассмотрим более подробно преимущества и

недостатки дизельного процесса.

4.2 Преимущества и недостатки дизельного процесса

Из приведенного краткого анализа процессов, протекающих в

различных фазах сгорания в дизелях, наглядно видна крайняя сложность

58

происходящих явлений, включающих смесеобразование, рождение

очагов самовоспламенения, охват последним смежных объемов

подготовленной смеси, распространение турбулентного пламени, при

одновременно продолжающемся смесеобразовании и диффузионное

догорание неоднородной смеси [2].

Требования к наиболее совершенной организации процесса

сгорания оказываются в значительной мере противоречивыми. Для

достижения в быстроходном дизеле высокой полноты сгорания при

низких значениях коэффициента избытка воздуха, необходима такая

организация впрыска, которая бы обеспечивала возможно более

равномерное распределение топлива по всему объему воздушного заряда,

например при впрыске через форсунки с большим числом сопловых

отверстий. Но при этом неизбежно одновременное возникновение

значительного числа начальных очагов воспламенения и бурное его

развитие, что приводит к быстрому нарастанию давления и высоким

максимальным его значениям. Если стремиться к получению умеренных

скоростей повышения давления, то трудно обеспечить быстрое

завершение сгорания и избежать затяжного догорания в период

расширения [2].

Впрыск топлива непосредственно перед сгоранием обусловливает

ряд важных преимуществ дизелей перед двигателями с предварительным

смесеобразованием. При этом, естественно, отпадает всякая возможность

преждевременного воспламенения. В значительной мере устраняется

также детонация, так как для возникновения самовоспламенения

взрывного типа необходимо, чтобы предпламенные реакции развивались

в условиях более или менее однородной смеси с тем, чтобы

воспламенение смогло возникать одновременно в достаточных объемах.

В дизелях подобные условия могут создаться при чрезмерно больших

периодах задержки и одновременно высокой испаряемости топлива,

например при работе на бензине. В этом случае к моменту воспламенения

в камере сгорания успевают образоваться скопления значительных

количеств паров топлива, достаточно хорошо смешанных с воздухом. В

результате воспламенение может приобретать взрывной характер и

сопровождаться возникновением ударных волн, т. е. наблюдаются

явления, подобные детонации в двигателях с искровым зажиганием, но не

в конце, а в начале сгорания [2].

Влияние на подобное взрывное воспламенение повышения степени сжатия, давления на впуске и теплового состояния двигателя

59

оказывается прямо противоположным влиянию тех же факторов на

детонацию в двигателях с предварительным смесеобразованием. Все, что

способствует возникновению детонации в двигателях легкого топлива с

искровым зажиганием, в дизелях, наоборот, устраняет возникновение

ударных волн вследствие сокращения задержек воспламенения и

соответственно уменьшения количества топлива, подаваемого до его

воспламенения в цилиндр. Не менее существенно то, что в отличие от

двигателей с искровым зажиганием, где детонация может приводить к

глубоким нарушениям рабочего процесса вследствие перегрева деталей

камеры сгорания, в дизелях подобная опасность полностью исключена, и

эффективность рабочего процесса при наличии ударных волн может

оставаться весьма высокой. Основной недостаток взрывного

самовоспламенения в дизелях состоит в увеличении шумности их работы

и ускорении износа деталей цилиндро-поршневой группы.

Важным преимуществом дизелей является также возможность

чисто качественного регулирования мощности изменением только

количества подаваемого за цикл топлива при неизменном количестве

засасываемого воздуха. Получаемое при этом значительное увеличение

общего коэффициента избытка воздуха не только не приводит к

замедлению сгорания, но, наоборот, делает его более быстрым и полным.

Это объясняется тем, что при уменьшении количества впрыскиваемого

топлива все большее число капель встречает на своем пути только

сжатый, нагретый воздух, а не продукты сгорания ранее поступивших

порций топлива. Соответственно сокращается фаза диффузионного

догорания.

То обстоятельство, что по мере уменьшения количества

впрыскиваемого топлива все большая его доля сгорает в объеме камеры в

удалении от стенок, способствует уменьшению теплоотдачи. Не меньшее

значение имеет также снижение средней теплоемкости продуктов

сгорания, благодаря чему возрастает эффективность использования

выделяющейся теплоты для совершения полезной работы.

Все это приводит к тому, что в отличие от двигателей легкого

топлива, индикаторный к. п. д. которых на режимах малых нагрузок

снижается, в дизелях его значения, с уменьшением нагрузки

увеличиваются. Соответственно экономия топлива в условиях

эксплуатации автомобилей с дизелями по сравнению с расходом топлива

автомобилей с бензиновыми двигателями достигает в среднем 40%, в то

60

время как различия в минимальных удельных расходах топлива

значительно меньше – лишь около 10%.

Следует, однако, отметить, что подобное улучшение полноты

сгорания при работе дизелей на малых нагрузках возможно лишь в том

случае, если при этом не происходит заметного удлинения задержек

воспламенения. При работе двигателя на холостом ходе с малой частотой

вращения мелкость распыливания обычно существенно ухудшается и

одновременно снижается температура стенок камеры сгорания, что

сопровождается увеличением длительности задержек. Это приводит к

тому, что значительная доля капель впрыснутого топлива успевает

полностью испариться к моменту воспламенения. При равномерном

распределении паров топлива в камере сгорания получается однородная

смесь такого состава, который уже выходит за пределы горючести, что

может приводить к выбрасыванию из двигателя продуктов неполного

окисления топлива, обладающих неприятным запахом. Некоторые из этих

продуктов токсичны.

Одним из основных недостатков дизелей, связанных с процессом

сгорания является появление черного дыма на выпуске при больших

нагрузках в случае увеличения цикловой подачи топлива или, что то же –

уменьшения общего коэффициента избытка воздуха ниже некоторых

пределов. Это объясняется тем, что при диффузионном горении

неоднородных смесей в зонах местного их переобогащения происходит

образование частиц твердого углерода (сажи) при высоких температурах

сгоревших газов в смежных зонах, где местные значения α близки к

единице.

Одновременно с появлением дыма начинает увеличиваться

удельный расход топлива вследствие возрастания неполноты сгорания.

По мере дальнейшего увеличения цикловой подачи повышение мощности

сначала замедляется, а затем мощность даже начинает падать. В наиболее

совершенных двигателях с хорошо отрегулированной топливной

аппаратурой коэффициент избытка воздуха, соответствующий пределу

допустимого дымления, редко оказывается ниже α = 1,3.

Невозможность эффективного использования для сгорания всего

имеющегося в цилиндре воздуха обусловливает существенно меньшую

удельную мощность дизелей по сравнению с двигателями легкого

топлива с искровым зажиганием, в которых горит уже в достаточной мере

однородная смесь. Хотя значения pi в дизелях удается существенно повысить (до 2,0 и более МПа) применением наддува, но при этом

61

утяжеляется конструкция двигателя вследствие очень высоких

максимальных значений рz.

Другой недостаток дизелей связан с ограниченными

возможностями повышения частоты вращения коленчатого вала не

только из-за большой массы поршней и деталей кривошипно-шатунного

механизма, но также в связи с особенностями в первую очередь

процессов воспламенения.

Увеличение задержек отчасти удается скомпенсировать большим

опережением углов начала впрыска, но лишь в сравнительно небольших

пределах, так как при этом топливо впрыскивается в еще недостаточно

нагретый сжатием воздух, что, в свою очередь, вызывает увеличение

длительности задержек.

Наиболее эффективным средством сокращения задержек

воспламенения в дизелях до предельно низкого уровня ( = 0,3 мс),

определяемого в основном физическими факторами (время распада

топливной струи на капли и образование некоторого количества

реакционноспособной смеси), слабо зависящими от частоты вращения

является наличие в камере сгорания сильно нагретых поверхностей.

Практически только таким способом в сочетании с интенсивной

турбулизацией заряда раньше удавалось осуществить в дизелях

эффективное воспламенение и своевременное сгорание при частоте

вращения коленчатого вала до 4500 об/мин.

Скорость самого сгорания при наличии надлежащим образом

организованного вихревого движения воздушного заряда не является

лимитирующим фактором. Еще один существенный недостаток дизелей –

жесткость и шумность их работы, связанная с высокими скоростями

повышения давления в начале основной фазы сгорания. В дизелях с

открытыми камерами и струйным смесеобразованием максимальные

значения dp/d достигают 1,2 - 1,5 МПа/градус против 0,15 - 0,2

МПа/градус в бензиновых двигателях с искровым зажиганием. Хотя в

дизелях именно такого типа достигаются наименьшие удельные расходы

топлива (до 224 г/кВтч), а в судовых дизелях с цилиндрами большой

размерности – до 203 г/кВтч, но создаваемый ими шум превышает

допустимые нормы. В связи с этим усилия большого числа

исследователей и конструкторов уже с давних пор были направлены на

изыскание таких способов организации процессов смесеобразования и

сгорания, которые позволили бы снизить значения рz и dp/d, что привело

62

к созданию очень большого числа различных вариантов дизелей с

полуразделенными и разделенными камерами сгорания [2].

4.3 Особенности сгорания в дизелях с разделенными камерами

Мягкую работу дизелей с плавным нарастанием давления в

цилиндрах и умеренными значениями рz при работе на всех скоростных и

нагрузочных режимах удается получить при впрыскивании топлива в

особую камеру, отделенную от полости цилиндра одним или

несколькими каналами относительно небольшого сечения. Таким путем

можно обеспечить благоприятные условия для развития как начальных,

так и завершающих фаз процесса сгорания [2].

Энергия перетекания воздуха из цилиндра в дополнительную

камеру на такте сжатия обеспечивает в ней хорошие условия

смесеобразования в начальных стадиях процесса. Истечение же с

высокой скоростью частично сгоревших и горящих газов из

дополнительной камеры в полость цилиндра способствует быстрому

завершению сгорания. Как правило, дополнительные камеры снабжаются

горячими вставками с затрудненным теплоотводом в рубашку цилиндра.

Температура этих вставок при работе двигателя на полных нагрузках

может достигать 600 – 750 °С, что способствует быстрому испарению

топлива и сокращению задержек воспламенения. В вихрекамерных и

предкамерных дизелях достигаются наименьшие значения = 0,3 - 0,4 мс,

что крайне важно при работе двигателей на высоких скоростных

режимах.

Все вместе взятое позволяет применять в двигателях более

простые и надежные, не склонные к закоксовыванию штифтовые

форсунки с одним сопловым отверстием относительно большого

диаметра, а также использовать пониженные давления впрыска, что

снижает требования к топливной аппаратуре. Одновременно также

снижаются требования к испаряемости и цетановому числу топлива.

Известно большое число решений позволяющих получить

многотопливные варианты подобных типов дизелей.

Конструкции разделенных камер могут быть весьма

разнообразными. В свое время (20-е и 30-е годы) отдельными авторами и

фирмами было опробовано очень большое число самых разных вариантов

подобных камер, включая и ряд несколько иных решений, таких, как камеры с воздушными аккумуляторами, акро-камеры и др.

63

В дальнейшем положение несколько стабилизировалось и в

основном используются два типа предкамер: относительно небольшого

объема (20 - 30% общего объема камеры сжатия) с узкими сопловыми

отверстиями, создающими значительные перепады давления между

предкамерой и цилиндром, и так называемые вихревые камеры большего

объема (до 60% всего пространства сжатия), но с меньшими перепадами

давления. В первом случае улучшение смесеобразования в предкамере

достигается в основном за счет создания в ней интенсивной

беспорядочной турбулентности. Во втором случае движению воздуха

сообщается определенным образом организованный вихревой характер,

согласованный с направлением струи впрыскиваемого топлива. Примеры

наиболее типичных конструкций предкамеры и вихревой камеры

схематически показаны на рис. 4.1.

Предкамеры с основной частью камеры соединяют одним или

несколькими (до восьми) каналами, что при относительно больших

скоростях втекания (до 320 метров в секунду) воздуха и малых размерах

предкамер создает в них интенсивные беспорядочные вихри,

разрушающие факел и перемешивающие топливо с воздухом. При

высоких степенях сжатия ( = 19 22) и наличии горячей вставки это

позволяет снизить начальное давление впрыска до 7.8-12.3 МПа, а до

1.2. Суммарное сечение соединительных каналов равно 0.3 - 1.0

площади поршня, что обеспечивает максимальную разность давлений в

конце сжатия в предкамере и в надпоршневом пространстве равную 0.3 -

0.5 МПа. Предкамеры применяют в дизелях с D 350мм.

В предкамерах малого объема с высокой скоростью сгорает лишь

относительно небольшая часть топлива от всего количества, подаваемого

на полных нагрузках, и хотя давление в предкамере при этом повышается

весьма быстро и достигает высоких значений, это не вызывает жесткой

работы двигателя вследствие дросселирования газов в сопловых

отверстиях и относительно медленного догорания их в основной камере.

Скоростями сгорания можно управлять в широких пределах, выбирая

соответствующее число сопловых отверстий предкамеры, их диаметр и

направление. При этом достигаются желаемые скорости смешения

выбрасываемых из предкамеры продуктов неполного сгорания с

воздушным зарядом основной камеры.

Высокие скорости истечения, соответствующие большим

перепадам давления между предкамерой и цилиндром, приводят к

значительным гидравлическим потерям и увеличенной отдаче тепла в

64

стенки камеры и днище поршня. Также сильно затягивается, охватывая

значительную часть такта расширения, процесс догорания остающейся в

предкамере сильно обогащенной смеси по мере ее вытекания в цилиндр.

В результате всего этого двигатели с предкамерами отличаются

относительно низкой топливной экономичностью. Значения dp/d не

превышают (0,25 – 0,3)МПа/градус при рz = 6 – 6,5 МПа.

Благодаря тангенциальному направлению воздушного потока в

вихревых камерах удается достигнуть хорошего смесеобразования при

значительно меньших перепадах давления. Соответственно также

значительно ниже и скорости вытекания в цилиндр продуктов сгорания

из вихревой камеры, но это компенсируется большей их массой. Кроме

того, само переобогащение смеси в вихревой камере оказывается не

таким значительным – даже на максимальных нагрузках состав смеси,

отнесенный ко всему поданному топливу и лишь к воздуху,

находящемуся в вихревой камере, отвечает значениям = 0,7. Благодаря

этому пределы общего возможного обогащения смеси в вихрекамерных

дизелях, отвечающие началу дымления, отвечают значениям = 1,15 -

1,4. Суммарная площадь соединяющих отверстий – 0,8 - 2,7% площади

поршня, что позволяет получать скорости втекания до 200 м/с и вихревое

отношение Н = 2040. Начальное давление впрыска не более 12 - 15 МПа.

Однако вследствие большого перепада давлений к концу процесса сжатия

(pв/pc=0.920.97) и увеличенной поверхности теплоотдачи степень сжатия

приходится выбирать не менее 17. Вихревые применяют в дизелях с D

150мм.

Специально проведенными исследованиями было показано, что

наилучшие результаты достигаются при использовании вихревой камеры

с соединительным каналом, расширяющимся в сторону полости цилиндра

с углом раствора 20 - 25°. Это объясняется тем, что при втекании воздуха

из цилиндра через суживающийся канал, струя получается компактной,

слабо турбулизированной, что обеспечивает создание в дополнительной

камере организованного вихря и способствует сокращению задержки

воспламенения. При истечении же горящих газов из вихревой камеры в

цилиндр через расширяющееся сопло турбулизация потока резко

усиливается, что способствует более быстрому завершению процесса

диффузионного догорания.

Следует отметить, что в удачно выполненных конструкциях

вихрекамерных дизелей с каналами именно такой формы, минимальные

65

удельные расходы топлива достигают 238 г/кВтч, а значения dp/d не

превышают 0,3 – 0,35 МПа/градус при pz = 0,65-0,7 МПа.

Основным недостатком двигателей с разделенными камерами

сгорания является низкая экономичность, которая сравнима с

экономичностью современных бензиновых двигателей. Недостатком

также является трудность пуска холодного двигателя вследствие

усиленной теплоотдачи в процессе перетекания воздуха в

дополнительную полость, где должно возникнуть воспламенение.

Выходом является применение специальных свечей накаливания в виде

нагреваемых электрическим током спиралей (см. рис. 4.1, е), что в

условиях эксплуатации не всегда удобно.

Кроме того, усложняется конструкция головок цилиндров,

причем наличие в них отверстий, в которых размещаются сильно

нагретые вставки, нередко приводит к образованию трещин.

В то же время именно дизели с разделенными камерами были в

свое время одними из наиболее пригодных для использования на

легковых автомобилях вместо бензиновых двигателей, почти не уступая

последним по скоростным и весовым показателям и обладая лишь не

намного большей жесткостью работы. Весьма существенно то, что в

вихрекамерных и предкамерных дизелях благодаря .наличию поршней с

плоскими днищами и относительно невысоким значением рz масса

деталей кривошипно-шатунного механизма может быть примерно такой

же, как в двигателях легкого топлива с высокой степенью сжатия. В ряде

современных вихрекамерных дизелей максимальная частота вращения

достигает 4500 об/мин. Дополнительным преимуществом вихрекамерных

дизелей является существенно меньшее содержание в отработавших газах

оксидов азота.

4.4 Различные способы организации смесеобразования и сгорания в

дизелях с полуразделенными камерами

Стремление улучшить процессы смесеобразования и сгорания и

уменьшить недостатки разделенных камер сгорания привело к созданию

так называемых полуразделенных камер сгорания [2].

Как уже отмечалось, к полуразделенным камерам относятся

такие, в которых основная камера, куда впрыскивается топливо и где

развиваются первая и в значительной мере вторая фазы сгорания, выполняется в виде той или иной формы углубления в днище поршня,

66

диаметр которого существенно меньше, чем диаметр цилиндра (см. рис.

4.1, в, г). Сходные по своим очертаниям камеры сгорания иногда

размещаются в головке цилиндра, а днище поршня выполняется плоским.

Быстрое увеличение в начале такта расширения объема

заполненной воздухом кольцевой полости окружающего камеру сгорания

вытеснителя, в которую как бы засасываются не полностью сгоревшие

газы из основной камеры, способствует ускоренному развитию процесса

диффузионного горения. Это проявляется в том, что в дизелях с такими

камерами обычно наблюдается еще один максимум скорости

тепловыделения в конце второй фазы горения (рис. 4.3).

Немаловажное отличие процесса сгорания в полуразделенных

камерах состоит в том, что вследствие их относительно малого диаметра

некоторая часть впрыскиваемого топлива достигает стенок, растекаясь по

ним в виде жидкой пленки, с поверхности которой происходит

дальнейшее испарение топлива частично за счет теплоты, подводимой от

стенки, частично – от омывающих поверхность пленки горячих газов. По

мере увеличения нагрузки двигателя, а соответственно – количества

подаваемого топлива за счет большей длительности впрыска,

относительное значение подобного пленочного смесеобразования

возрастает.

Рис. 4.3. Типичный характер изменения скорости активного

тепловыделения в дизеле с полуразделенной камерой сгорания [2]

Пленочное смесеобразование имеет ряд преимуществ перед

объемным с точки зрения уменьшения сажеобразования благодаря тому,

что горючая смесь здесь образуется в процессе смешения паров топлива с

омывающим стенки воздухом, в результате чего зона пламени

локализуется на некотором расстоянии от стенки, там, где состав смеси

67

оказывается близким к α = 0,9. Здесь также известно большое количество

многотопливных вариантов базовых двигателей.

М-процесс. Радикальное решение проблемы «смягчения»

сгорания в дизелях при сохранении высокой топливной экономичности

(на уровне дизелей с открытыми камерами) и снижения дымности

отработавших газов достигнуто при использовании преимущественно

пленочного смесеобразования, получившего название «М-процесс» [2].

Сущность М-процесса сводится к тому, что топливо

впрыскивается форсункой с одним сопловым отверстием, ось которого

направлена под малым углом к стенке камеры сгорания сферической

формы, выполненной в поршне, в которой создается интенсивное

вращательное движение воздушного заряда (рис. 4.4).

Рис. 4.4 Схема камеры сгорания и организации впрыска и движения

воздуха в двигателе с М-процессом [2]:

1 – топливная струя; 2 – направление воздушных потоков

Необходимо при этом обеспечить равномерное растекание

топлива по стенкам камеры и образование на них очень тонкой жидкой

пленки, а около стенки организовать движение так, чтобы был

интенсивный отвод паров топлива от пленки, но пленка не разрушалась

бы. Это оказалось возможным при вихре, направленном вдоль факела

68

топлива с относительной скоростью движения около стенки примерно 10

– 15 м/с.

Начальный очаг воспламенения возникает в объеме камеры за

счет попадания в него лишь относительно небольшой части капель,

отражающихся от стенки. Первоначально для этого применяли форсунку

с двумя сопловыми отверстиями различного диаметра, через меньшее из

которых около 5% топлива впрыскивалось в центральную часть камеры.

Но опыты показали, что такие же результаты достигаются и при наличии

лишь одного отверстия, направленного к стенке под углом около 15°.

Температура стенки в выполненных конструкциях поддерживается Тст =

620725К.

В связи с тем, что количество топлива, испаряющегося в объеме

камеры в течение периода задержки воспламенения, мало,

соответственно невелико и понижение температуры в начальных очагах

смесеобразования, чем достигается сокращение задержек. Дальнейшее

испарение топлива происходит постепенно с поверхности пленки уже в

период сгорания, в основном за счет теплоты, передаваемой от горячих

газов.

Сгорание в дизелях с М-процессом протекает очень «мягко» –

достигаются примерно такие же значения dp/d, как в двигателях с

искровым зажиганием. И вместе с тем сгорание оказывается достаточно

полным и бездымным, пределы возможного обогащения смеси,

соответствующие началу дымления, здесь больше, чем в дизелях других

типов, отвечают значениям = 1,15 - 1,2, а минимальные удельные

расходы топлива достигают 225 г/ кВтч.

Дополнительным преимуществом М-процесса является

возможность использования топлив, сильно различающихся как по

испаряемости, так и по воспламеняемости – от обычных дизельных до

автомобильных бензинов с октановыми числами до 70 - 72. При этом

согласно результатам ряда проведенных испытаний экономичность

двигателей с М-процессом при работе на бензине оказывается несколько

лучшей, чем при работе на дизельном топливе, хотя значения рz и dp/d

при работе двигателя на бензине больше. Следует обратить внимание на

то, что при работе на всех топливах по мере увеличения частоты

вращения значения рz и dp/d существенно возрастают, например, от

7 МПа и 0,2 МПа/градус при п = 900 об/мин до соответственно 10 МПа и

0,45 МПа/градус при п = 1800 об/мин.

69

В случае использования топлив с лучшей испаряемостью, а также

при увеличении с ростом частоты вращения скорости вихревого

движения воздушного заряда и интенсивности его турбулизации

возрастает значение объемного смесеобразования и уменьшается –

пленочного.

В дизелях с М-процессом длительности, как первой, так и второй

фаз сгорания с ростом частоты вращения не только не увеличиваются, а,

наоборот, сокращаются. Объяснить это можно тем, что скорости

диффузионного сгорания, определяемые интенсивностью процессов

переносов тепла и вещества в зонах пламени, возрастают не только

вследствие увеличения самой скорости вихря, но одновременно также за

счет возрастания интенсивности турбулентности, причем в первую

очередь в пристеночных слоях. Именно благодаря этому в случае

пленочного или пристеночного смесеобразования удается обеспечить

достаточно быстрое и полное сгорание при частоте вращения

коленчатого вала до 3000 об/мин и выше.

К недостаткам М-процесса относятся затрудненный пуск

холодного двигателя, так как попадающее на еще не нагретые стенки

топливо испаряется с трудом – необходим сильный подогрев

засасываемого воздуха, неполное сгорание осевшего на стенках топлива

при пониженных температурах рабочего цикла, а соответственно и стенок

камеры сгорания.

Следует отметить, что идея пленочного смесеобразования

оказалась в резком противоречии с существовавшими ранее

представлениями о нежелательности попадания впрыскиваемого топлива

на стенки, так как это приводит к отложениям на них кокса, но это

справедливо лишь в том случае, когда отсутствует интенсивное смывание

стенок воздушным потоком. Высокую полноту сгорания и пониженную

склонность к дымлению (сажеобразованию) в случае М-процесса можно

объяснить тем, что здесь сводится к минимуму попадание топлива в

продукты сгорания с высокой температурой, где капли быстро

испаряются, и пары топлива, подвергаясь крекингу без доступа воздуха,

образуют сажу. При пленочном смесеобразовании основная масса

топлива растекается по стенке камеры сгорания и в основном горят лишь

его пары при их смешении с омывающим стенку потоком воздуха. При

этом вследствие интенсивного вращательного движения газов в камере

происходит как бы их сепарация – образующиеся горячие продукты с меньшей плотностью скопляются в центральной части камеры, а

70

остающийся воздух оттесняется к стенкам, где смешивается с парами

топлива, снова образуя горючую смесь.

Процесс Пишингера. Несколько иным путем решена задача

предотвращения чрезмерно быстрого повышения давления в начальной

фазе сгорания Пишингером, реализованная в 70-е годы в двигателях

фирмы Дейтц [2]. Идея сводится к тому, чтобы направлением двух

топливных струй параллельно стенкам особой формы наклонной

цилиндрической камеры сгорания в поршне, в которой создается

интенсивный воздушный вихрь с окружной скоростью до 90 м/с,

осуществить расслоение заряда, локализовав так же, как в М-процессе,

смесеобразование и сгорание в основном в пристеночном слое.

Рис. 4.5. Устройство камеры сгорания двигателя Дейтц [2]:

1 – форсунка; 2 и 3 – оси топливных струй;

4 – направление воздушного вихря; 5 – пары топлива

Как показано на рис. 4.5, капли и пары топлива под действием

центробежных сил, создаваемых воздушным вихрем, движутся в

основном в пристеночном слое, где образуется сильно переобогащенная

относительно холодная смесь, неспособная к самовоспламенению.

Последнее возникает в некотором удалении от стенок в зонах, где = 1,

но количество такой, подготовленной к воспламенению

топливовоздушной смеси, даже при довольно длительных задержках

оказывается относительно небольшим, в связи с чем горение развивается

плавно. В него постепенно вовлекается основная масса переобогащенной

смеси по мере ее смешения с воздухом, сосредоточенным в центральной

71

части камеры сгорания, чему помогает эффект центрифугирования, т. е.

имеет место явление, сходное с М-процессом. Горячие газы,

образующиеся при сгорании, движутся к центру камеры, а более

холодный воздух – к ее периферии, где встречается с парами топлива,

которые сгорают без образования сажи, давая плавную кривую

нарастания давления при низких значениях удельного расхода топлива.

Когда обнаружились недостатки пленочного смесеобразования,

начали организовывать объемно-пленочное смесеобразование, при

котором на стенку подается 40-60% топлива и используются вихри

вытеснения и тангенциальные составляющие вращательного движения

заряда. Остальное топливо должно подаваться в объем камеры сгорания.

В дизелях иностранного производства, как правило, применялась

закрутка на впуске, в отечественных дизелях – вихри вытеснения. Было

разработано большое количество камер сгорания, сам процесс

рассмотрим на примере камеры сгорания ЦНИДИ (см. рис. 4.1, г).

Камера сгорания ЦНИДИ. Преимущество этой камеры состоит

в том, что здесь не требуется создания в цилиндре вращательного

движения воздушного заряда [2]. Интенсивный тороидальный вихрь

образуется в полости камеры при втекании в нее воздуха из цилиндра в

такте сжатия (рис.4.6, а).

Несколько радиальных струй топлива (обычно четыре)

направлены под малым углом к внутренней конической поверхности

камеры и образуют на ней пленку. Одновременно часть наиболее мелких

капель увлекается к центру камеры потоками воздуха, вытесняемого в

конце такта сжатия из кольцевого зазора между нижней плоскостью

головки и днищем поршня. Испаряясь, эта часть топлива создает очаги

воспламенения. Опыты показали, что наилучшие результаты дает такое

направление топливных струй в вертикальной плоскости, при котором в

начальный период впрыска, когда поршень еще не дошел до ВМТ,

некоторая часть капель проникает в зазор навстречу вытесняемому из

него потоку воздуха.

Возникшее в такте сжатия тороидальное движение воздуха

продолжает сохраняться и при нисходящем ходе поршня, в результате

чего коническая поверхность стенок камеры с находящейся на них

топливной пленкой омывается восходящими газовыми потоками (рис.

4.6, б).

72

Рис. 4.6. Особенности движения газовых потоков в камере сгорания

ЦНИДИ [2]: а – в конце такта сжатия; б – в начале такта расширения

Основной недостаток камеры ЦНИДИ – перегрев острых кромок

ее горловины, приводящий к появлению на них трещин при работе

двигателей на форсированных режимах, в частности, при использовании

наддува.

Жесткость процесса сгорания в случае полуразделенных камер

несколько меньше, чем при объемно-струйном смесеобразовании, хотя

довольно высока. Максимальные значения скорости нарастания давления

в начале первой фазы сгорания при работе на хорошем дизельном

топливе обычно составляют 0,8 - 1,0 МПа/градус. Пределы возможного

общего обогащения смеси, отвечающего допустимому уровню дымления

несколько больше, чем в случае открытых камер (α = 1,3 - 1,35).

Следует отметить, что тщательным подбором оптимальных

характеристик впрыска, направлением топливных струй и очертанием

внутренней поверхности камер в поршне удается заметно снизить

жесткость сгорания и улучшить его полноту. К сожалению, уже

небольшие неточности в изготовлении форсунок, а также появление

вблизи сопловых отверстий отложений кокса, изменяющих направление

топливных струй, могут существенным образом ухудшать

характеристики сгорания, в частности увеличивать дымность

отработавших газов.

73

4.5 Принудительное воспламенение

Разрешение проблемы воспламенения в дизеле в оптимальный

момент по фазе цикла, при работе на топливах с низкими цетановыми

числами и низких степенях сжатия, дает применение искрового

зажигания. Специалисты технического центра двигателей фирмы Komatsu

(Япония) и Юго-Западного исследовательского института США провели

исследование работы дизеля с неразделенной КС и свечей зажигания для

определения требований нормальной работы и надежного пуска такого

дизеля к степени сжатия, взаимному расположению форсунки и свечи

зажигания, а также чувствительности его к типу топлива. При этом

использовалась специальная система зажигания с рядом

последовательных искр.

Эксперименты с низкими цетановыми числами (вплоть до

метанола) проводились при степени сжатия =16. Информации о

применении в данном случае более низких степеней сжатия нет.

Рис. 4.7. Относительное расположение свечи зажигания и струй

топлива в двигателе Komatsu

При экспериментах на дизельном топливе исследовалось

несколько значений степени сжатия (9,5, 11,5, 12,76 и 16). При 12,76

двигатель без применения искрового разряда не пускался, в то время как

при = 16 наличие или отсутствие искрового разряда никак не влияло на

пуск дизеля. Авторы рекомендовали для дизелей с искровым зажиганием

степень сжатия равную 12. Угловая длительность искрового разряда составила 40 град. п.к.в.

74

Авторы описывают процесс следующим образом. «На ранней

стадии процесса сгорания заряда горение, обеспечивающееся свечой

зажигания в районе боковой поверхности одной из струй впрыснутого

топлива, не должен влиять на воспламенение смеси в районе других

факелов топлива. Позже, на второй стадии горения, остаток впрыснутого

топлива под влиянием повышения температуры, вызванного сгоранием

факела топлива, находящегося в зоне искрового зазора свечи зажигания,

образует способную к воспламенению горючую смесь, сгорающую с

мягким, далеким от детонации, повышением давления. Заметного

перехода между первой и второй фазой горения обнаружено не было».

При использовании высокооктановых топлив для

самовоспламенения «остатков» впрыснутого топлива требуется более

высокая степень сжатия, что и определило, по всей видимости,

использование в многотопливном варианте степени сжатия равной 16.

Иначе, на низких нагрузках и в режиме холостого хода возможен выброс

значительных количеств углеводородов, связанных с недогоранием части

заряда «отделенной» от заряда, воспламененного искрой, объемом

воздуха.

Пониженные степени сжатия предъявляют к распылу более

жесткие требования. При снижении степени сжатия, в наблюдалась

повышенная дымность отработавших газов. Авторы указывают на

необходимость изменения характеристик распыла, однако никаких

действий в этом плане предпринято не было. Дальнейших публикаций на

эту тему не обнаружено.

Похожий рабочий процесс применен и в работах фирмы KHD

(Дейтц). Вместо свечи зажигания используется калильная свеча,

расположенная рядом с форсункой. Испытания проходили при двух

вариантах степени сжатия: 17,4; 13,9. Расход топлива снижался при более

низкой степени сжатия, однако, при этом, наблюдался повышенный

выброс СН.

В дизелях фирмы MAN с М-процессом используется особая свеча

с удлиненными электродами, установленная в противоположном от

форсунки конце сферической камеры сгорания в поршне, как показано на

рис. 4.8 [2]. При этом для направления на свечу потока образующейся при

испарении топливной пленки смеси в стенке камеры выфрезерована

канавка. Однако двигатели с таким способом воспламенения, которому

присвоено название FM-процесс, широкого распространения не получили. По-видимому, это связано с трудностями в обеспечении

75

оптимального момента воспламенения в широком диапазоне изменения

скоростных и нагрузочных режимов, так как путь, который должны

пройти пары топлива, двигаясь вдоль стенки от момента начала впрыска

до искрового промежутка свечи, оказывается довольно большим.

Рис. 4.8. Размещение свечи зажигания в камере сгорания

двигателя с FМ-процессом [2]

Искровое зажигание с рядом последовательных искр применяется

и в серийных многотопливных дизелях с пристеночным

смесеобразованием фирмы Дейтц, однако только в качестве

вспомогательного источника и при высоких степенях сжатия [2]. С целью

увеличения срока службы свечи, определяемого эрозией электродов,

принудительное зажигание используется лишь тогда, когда это

действительно необходимо. При работе двигателя на дизельном топливе

и больших нагрузках она автоматически отключается. Как показано на

рис. 4.9, свеча особой конструкции установлена в непосредственной

близости от форсунки, причем искровой промежуток защищен от

прямого попадания на него капель жидкого топлива цилиндрическим

кожухом с двумя диаметрально противоположными окошками. Благодаря

высокой температуре этого кожуха, донышко которого служит

заземленным электродом, падающие на его наружную поверхность капли

испаряются, пары топлива смешиваются с омывающим кожух

воздушным вихрем, и проникающая во внутреннюю полость свечи

76

горючая смесь воспламеняется искрой. При этом используется

специальная система зажигания повышенной мощности с рядом

последовательных искр. С целью увеличения срока службы свечи,

определяемого эрозией электродов, принудительно зажигание

используется лишь тогда, когда это действительно необходимо. При

работе двигателя на дизельном топливе и больших нагрузках она

автоматически отключается – соответствующий выключатель связан с

рейкой топливного насоса. В связи с тем, что при переходе от работы на

дизельном топливе к работе на бензине требуется увеличение активного

хода плунжера (вследствие меньшей удельной массы бензина и

увеличенных утечек через зазор между плунжером и втулкой топливного

насоса), одновременно с включением электрозажигания автоматически

происходит перестановка ограничителей хода рейки насоса.

Рис. 4.9. Камера сгорания дизеля Deutz [2]:

а) размещение свечи зажигания; б) и в) устройство свечи зажигания;

1 – форсунка; 2 – свеча; 3 – изолятор; 4 – электрод

Подобное использование электрического зажигания в дизеле

лишь как вспомогательного средства для обеспечения оптимального

момента воспламенения впрыскиваемого топлива независимо от его

цетанового числа при сохранении неизменными всех особенностей

процессов смесеобразования и сгорания приводит к тому, что как

мощностные, так и экономические показатели двигателя остаются

практически одинаковыми как при работе на дизельных топливах, так и

77

при работе на бензинах различных сортов. Этому в значительной мере

способствует наличие пристеночного смесеобразования, при котором

скорость сгорания в основном определяется взаимной диффузией паров

топлива и воздуха.

Как видно, искровое зажигание является действенным средством

снижения степени сжатия в дизелях. Однако необходимость

использования серии последовательных искр, значительно снижающих

срок службы свечи и вызывающей неопределенность момента

воспламенения, а также повышенное дымление до настоящего времени

сдерживает развитие подобного типа двигателей.

4.6 Многократный впрыск топлива.

Сокращение периода задержки воспламенения дает такая

организация процессов смесеобразования и сгорания, когда для

воспламенения отводится лишь небольшая часть цикловой дозы топлива.

При этом снижается количество теплоты, затрачиваемой на нагрев,

испарение жидкой фазы топлива и перегрев его паров, вследствие чего

уменьшается охлаждение реагирующей смеси. Одним из способов

реализации данного направления является организация рабочего процесса

с многократным впрыском топлива. Топливо в этих системах подается не

непрерывно, а порциями, что, наряду с сокращением задержки

воспламенения, позволяет регулировать динамику сгорания за счет

изменения закона подачи топлива. Такая организация топливоподачи

дополнительно позволяет снизить зависимость процесса сгорания от

температурного состояния двигателя, режима его работы и физических

свойств топлива, которая характерна для рабочего процесса с пленочным

смесеобразованием.

Сочетание такой системы топливоподачи и неразделенных камер

сгорания позволяют получить одновременно высокую топливную

экономичность, управляемое, определяемое законом подачи топлива,

сгорание, улучшить пусковые характеристики и повысить верхний предел

частоты вращения. В комбинации с наддувом дизели с таким рабочим

процессом приблизились по удельной мощности к бензиновым

двигателям.

Ключевую роль в данном процессе играет система

топливоподачи. На сегодняшний день внедрены в серийное производство

две основные системы впрыска высокого давления, обеспечивающие

78

данный рабочий процесс. Концепция первого типа, так называемого

«Common-Rail», представлена на рис.4.10. Здесь, создание давления и

процесс впрыска разделены. Это дает большую гибкость в изменении

характеристик впрыска и смесеобразования. Топливо под высоким

давлением хранится внутри рампы, которая обычно изготавливается из

толстостенной трубы. ТНВД постоянно поддерживает давление в рампе.

Датчик регулирует необходимое давление с помощью дополнительного

клапана, который регулирует поток избыточного топлива обратно в

топливный бак. Таким образом, давление в рампе не зависит от числа

оборотов двигателя, и могут быть достигнуты оптимальные

характеристики двигателя. Рампу с форсунками соединяют короткие

трубки.

Рис. 4.10. Система впрыска Common Rail [7]

Объем рампы достаточно большой, чтобы снизить влияние

колебаний давления на впрыск. Момент и продолжительность впрыска

контролируются э/м клапаном форсунки и не зависят от давления. Таким

образом, система впрыска CR способна поддерживать давление впрыска

на требуемом уровне и выполнять предварительный впрыск (для

снижения шума, жесткости сгорания, оксидов азота, увеличения частоты

вращения, улучшения пусковых характеристик), основной впрыск,

заключительный впрыск (для сокращения выбросов сажи, обогрева

79

катализаторов). Все это с переменными моментом и продолжительностью

впрыска, которые соответствуют требованиям конкретного режима

работы двигателя.

На рис. 4.11 изображена типичная форсунка системы Common-

Rail. Движение иглы управляется электромагнитным клапаном. На

рисунке игла закрыта. Сумма сил действующих от пружины Fпр и F1 давления топлива в верхней части стержня управления (мультипликатора

давления) больше, чем силы F2, действующей на дифференциальную

площадку иглы в закрытом положении. Как только электромагнитный

клапан открывается, давление в управляющей камере уменьшается, и

игла начинает открываться. Излишки топлива поступают обратно в

топливный бак. Процесс закрытия инициируется закрытием

электромагнитного клапана. Давление в камере управления

увеличивается, и стержень управления закрывает иглу. Скорости

открытия и закрытия определяются площадью дросселей (жиклеров).

Второй основной тип систем впрыска топлива высокого давления

- топливная система неразделенного типа (или насос-форсунки), в

которой процессы генерации давления и впрыск происходят синхронно

(рис.4.12). Насос-форсунки приводятся распределительным валом.

Отсутствие труб высокого давления между насосом и форсункой

позволяет значительно увеличить максимальное давления впрыска (около

200 МПа и больше). Форма кулачка определяет движение плунжера и,

таким образом создает давление в зависимости угла кривошипа. Пружина

в верхней части форсунки возвращает поршень в исходное положение.

На рис. 4.13, показана упрощенная схема насос-форсунки с

закрытым распылителем. Несмотря на движение плунжера вниз впрыск

не происходит до тех пор пока открыт электромагнитный клапан и

топливо вытекает в сливную магистраль. В зависимости от требуемого

начала впрыска, блок управления двигателя, закрывает клапан, и плунжер

сжимает топливо. Как только усилие от давления становится

достаточным, чтобы превысить усилие пружины, начинается впрыск. В

связи с большой скоростью движения плунжера возникает треугольный

профиль расхода, рис. 4.14. В отличие от системы CR, в которой

максимальное давление впрыска присутствует уже в начале (что

приводит к прямоугольной форме профиля), качество распыливания в

начале впрыска значительно хуже.

80

Рис. 4.11. Типичная форсунка Common Rail [7]

В конце впрыска, электромагнитный клапан открывается,

топливо подается в сливную магистраль, давление впрыска снижается,

игла закрывается. При движении плунжера вверх подплунжерная полость

заполняется. Движение плунжера непосредственно связано с двигателем,

максимальное давление впрыска увеличивается с частотой вращения

двигателя. Кроме того, высокое давление доступно не при любом угле

поворота коленвала, что затрудняет осуществление пред- и поствпрыска.

Очевидно, что из-за прерывистого изменения давления, зависимого от

формы кулачка, гибкость системы впрыска, имеет гораздо более

ограниченный характер по сравнению с системой CR. Недостаточное

качество распыливания из-за низкого давления вызывает проблемы в

81

случае применения предвпрыска. Тем не менее, значительным

преимуществом этих систем являются высокие максимальные давления

впрыска, которые не могут быть обеспечены системой CR.

Рис. 4.12. Насос-форсунка [7]

82

Рис. 4.13. Схема насос-форсунки [7]

Рис. 4.14. Типичные профили изменения расхода в системе Common Rail

и насос-форсунке [7]

83

Таким образом, описанные технологии многократного впрыска

позволяют уменьшить скорость нарастания давления в камере сгорания и,

соответственно, уменьшить шум, создаваемый в процессе сгорания.

Малые дозы предварительного впрыскивания позволяют также снизить

задержку воспламенения за счет меньшего снижения температуры в

процессе испарения, увеличить УОВТ. Это позволяет увеличить частоту

вращения двигателя и снизить нагрузку на элементы двигателя, что

соответственно наряду с применением турбонаддува позволяет

приблизить дизель по удельной мощности к бензиновому двигателю.

4.7 Газодизели.

Сущность процесса заключается в том, что находящаяся в

цилиндре газовоздушная смесь, состав и способ образования которой

может быть различным, сжимается до температуры ниже, чем

температура ее самовоспламенения, но выше температуры

самовоспламенения жидкого топлива. В сжатую смесь дизельной

топливной аппаратурой подается небольшое количество запального

жидкого топлива, которое самовоспламеняется и поджигает

газовоздушную смесь одновременно во многих точках. Общее

количество тепла, выделяющегося на участке видимого сгорания при

дизельном и газодизельном процессе примерно одинаково (при

одинаковом составе смеси), но на газодизельном процессе количество

тепла выделяющееся на участке V = const больше, а на участке P=const

меньше, чем при дизельном процессе, а, следовательно, выше

экономичность. При работе на номинальной мощности оптимальный

коэффициент избытка воздуха в процессе сжатия лежит в пределах 1,8 –

2,4. Общий коэффициент при этом α = 1.6 - 2.0 при доле тепла вносимой

жидким топливом q = 0,15. Дальнейшему обогащению смеси

препятствует удлинение задержек воспламенения вследствие недостатка

кислорода. Благодаря этому ухудшаются показатели двигателя, а в

отработавших газах появляется значительное количество несгоревших

углеводородов, количество которых и так достаточно много (особенно на

частичных режимах). При использовании сжиженного (пропан, бутан) и

попутного газа, где много тяжелых углеводородов, к вышеуказанному

препятствию добавляется возможность самовоспламенения газа.

84

Вопросы для самоконтроля

1. Преимущества и недостатки дизельных ДВС.

2. Причины отсутствия детонации в дизельных ДВС. Какие

мероприятия необходимо предпринять, чтобы осуществить

детонационное сгорание?

3. Причины возможности реализации высоких коэффициентов

избытка воздуха и сложности реализации низких

коэффициентов избытка воздуха в дизельных двигателях.

4. Причины сложности повышения верхнего предела частоты

вращения в дизельных ДВС.

5. Способы снижения «жесткости» сгорания в дизельных

двигателях.

6. Способы повышения верхнего предела частоты вращения в

дизельных ДВС.

7. Способы снижения нижнего предела коэффициента избытка

воздуха в дизельных ДВС.

8. Сопоставьте преимущества и недостатки систем впрыска с

насос-форсункой и Common Rail. 9. Преимущества и недостатки дизельных ДВС с

неразделенными камерами сгорания.

10. Преимущества и недостатки дизельных ДВС с разделенными

камерами сгорания.

11. Преимущества и недостатки дизельных ДВС с

полуразделенными камерами сгорания.

85

5. Повышение механического КПД двигателя

5.1 Общие сведения

Перед изложением материала данного раздела следует отметить,

что отнесение мероприятий по совершенствованию двигателя к

конкретному виду КПД носит достаточно условный характер.

Практически все действия по улучшению механического КПД,

приведенные в данном разделе, вызывают улучшение и индикаторного

КПД.

В разделе приведены лишь те мероприятия по увеличению

механического КПД двигателя, которые могут быть охарактеризованы

широко используемым в мире понятием «Downsizing». Под ним

понимается сокращение рабочего объема двигателя при сохранении его

требуемой мощности, что может быть достигнуто путем увеличения

номинальной частоты вращения или путем увеличения среднего

эффективного давления. Но «Downsizing» за счет увеличения частоты

вращения приводит к уменьшению механического, а соответственно и

эффективного КПД двигателя вследствие существенного роста

механических потерь с увеличением частоты вращения. С повышением

механического КПД связана только та часть концепции «Downsizing», в

которой реализуются высокое среднее эффективное давление. Но нужно

иметь ввиду, что двигатели с высокой номинальной частотой вращения

оказываются легче. Поэтому если оценивать не КПД двигателя, а

экономичность транспортного средства, установка таких двигателей, в

определенных условиях, может оказаться выгодной.

Четкой границы разделяющей обычные двигатели от двигателей,

в которых реализована концепция «Downsizing», нет. Ориентировочно

она представлена на рис. 5.1.

Двигатели со средним эффективным давлением от 2 МПа могут

относится к высоконагруженным. В дизелях оно достигается при

давлении наддува (в зависимости от минимального коэффициента

избытка воздуха) примерно от 0,22 МПа и выше. В бензиновых

двигателях, благодаря возможности использования стехиометрических

смесей, достаточно иметь более низкое давление наддува, равное

приблизительно 0,19 МПа. С номинальной частоты вращения около 7000 об/мин начинается область высокоскоростных двигателей.

86

Все агрегаты, лежащие ниже этих двух ориентировочных границ

представляют собой обычные двигатели. Рисунок показывает, что до

настоящего времени на высоконагруженную и высокоскоростную

концепции приходится лишь очень малая доля бензиновых двигателей.

Но в последнее время ситуация начала меняться.

Рис.5.1 Максимальное среднее эффективное давление

и номинальная частота вращения автомобильных

бензиновых двигателей [14]

В дизелях, в отличие от бензиновых двигателей, увеличение

удельной мощности за счет увеличения частоты вращения является

сложной проблемой обусловленной, прежде всего, спецификой

организации воспламенения и сгорания. Причины этого были

рассмотрены в предыдущих разделах. В современных легковых

автомобилях с дизельными двигателями номинальная частота вращения

находится в диапазоне 3700 – 4500 об/мин. Поэтому «Downsizing» за счет

высокой частоты вращения является особенностью исключительно

бензиновых двигателей, а «Downsizing» дизелей реализуется только за

счет увеличения среднего эффективного давления. Как уже упоминалось

87

выше, именно последний метод приводит к повышению эффективного

КПД двигателя. В зависимости от качества исходного двигателя, его

нагрузки ожидаемое сокращение расхода двигателя составляет 10 – 30%.

Механизм данного сокращения рассмотрен в предыдущих разделах.

Повышение мощности за счет более высокого среднего

эффективного давления предъявляет более высокие требования к

топливной системе, системе газообмена (в том числе системе наддува), к

ужесточению требований в области трибологии и т.д. Увеличение

нагрузок на элементы двигателя приводит, в том числе, и к увеличению

массы относительно обычного двигателя той же размерности. Тем не

менее, эта масса получается ниже, чем у обычного двигателя той же

мощности.

При наддуве бензиновых двигателей обостряется проблема

борьбы с детонацией, которая представляет ограничивающий фактор на

пути увеличения среднего эффективного давления. Основы

детонационного сгорания были даны в отдельном разделе, поэтому здесь

на этом вопросе останавливаться не будем.

В дизельном двигателе, в котором отсутствует детонация,

фактором, ограничивающим давление наддува, является максимальное

давление цикла. Для его уменьшения снижают степень сжатия

относительно безнаддувных вариантов. Однако снижение также имеет

предел, определенный процессом самовоспламенения. Подробно об этом

было изложено в отдельном разделе пособия, поэтому здесь на этом

вопросе мы также останавливаться не будем.

Ниже будет в основном представлен анализ систем турбонаддува.

Термогазодинамические основы наддува даются в дисциплине «Агрегаты

наддува», поэтому материал данного пособия предусматривает

ознакомления лишь с современными типовыми схемами реализации

высокого наддува. Но перед его изложением вкратце напомним основные

проблемы реализации турбонаддува.

Процесс реализации турбонаддува полон компромиссов. С одной

стороны, система наддува должна обеспечивать высокие давления уже

при низких частотах вращения и быстро реагировать на смену нагрузки

при ускорении без ощутимых «турбоям». Но при низких частотах

вращения из-за низкого расхода выхлопных газов создается

незначительное давление наддува, а инертность турбокомпрессора

определяет низкую приемистость двигателя. Решением этой проблемы могло бы быть применение турбокомпрессора малых размеров.

88

С другой стороны, на высоких частотах вращения необходимо

иметь высокий расход воздуха, с которым маленький турбокомпрессор

уже не справляется. Необходим турбокомпрессор большего размера.

Таким образом, для работы двигателя во всем диапазоне частот

вращения одного компрессора не достаточно. Это в основном касается

бензиновых двигателей со стехиометрической стратегией управления,

диапазон частоты вращения которых, значительно больше, чем у дизелей,

и которые имеют значительно меньший расход газов на частичных

нагрузках.

Описанные проблемы становятся все более выраженными с

ростом давления наддува. Из рис. 5.2 видны значительно более низкий

крутящий момент на низких частотах, а также более плохая динамическая

характеристика двигателя с высоким наддувом. Чем выше давление

наддува, тем больше разница мощностей между установившимися и

переходными режимами работы двигателя. Кроме того, диапазон частоты

вращения, соответствующий максимальному значению среднего

эффективного давления, в случае высокого наддува ниже.

Рис.5.2 Схематическое сравнение одноступенчатого обычного и

одноступенчатого высокого наддува (газотурбинный наддув)

автомобильного двигателя [14]

89

Необходимо иметь также ввиду более высокую чувствительность

двигателей с высоким наддувом к условиям окружающей среды.

Особенно это проявляется при сложных условиях, например, при

большой высоте (низкая плотность воздуха) и низких температурах

(увеличенное трение, незначительная энтальпия отработавших газов).

5.2 Современные способы реализации высокого наддува

Регистровый наддув

Если несколько турбокомпрессоров одинакового или разного

размера расположены параллельно (то есть имеют свой отдельный тракт)

и включаются в зависимости от нагрузочного или скоростного режима

работы двигателя, то это называется последовательным турбонаддувом

(STC – Sequential Turbocharging). Под термином «последовательный»

понимается последовательное, в зависимости от режима, подключение, а

не расположение турбокомпрессоров друг за другом в едином тракте. Во

избежание путаницы, далее для обозначения данного вида наддува будем

применять термин «регистровый» (нем. Registeraufladung) При этом

наддув в каждом тракте может быть как одноступенчатым, так и

двухступенчатым. В отличие от обычного двухступенчатого наддува, при

котором турбокомпрессоры расположены в едином тракте (отдельно

впускном и отдельно выпускном), при регистровом наддуве тракты

разделены.

В данном способе, каждый турбокомпрессор отвечает за свой

диапазон работы двигателя. В отличие от обычных схем, данный способ

предоставляет более широкие возможности получения нужной кривой

среднего эффективного давления за счет использования подходящего

турбокомпрессора для каждого диапазона работы двигателя. Тракт

каждого турбокомпрессора подключается или выключается в

зависимости от нагрузки или частоты вращения двигателя по сигналу

электронной системы управления. В целях улучшения приемистости

тракт турбины подключается раньше тракта компрессора. Тракт

компрессора подключается тогда, когда достигнуто заданное давление

предыдущим компрессором.

На рис. 5.3 схематически изображен пример реализации наддува с

помощью трех различных по размерам турбокомпрессоров. Поле

характеристик двигателя разбито на пять областей, в каждой из которых

работает свой турбокомпрессор или их комбинация.

90

Рис. 5.3 Регистровый наддув с тремя турбокомпрессорами

(схематично) [14]

Каждый турбокомпрессор работает на близком к расчетному

режиме. Инертность системы достаточно низкая, большой крутящий

момент развивается уже при низких оборотах двигателя, в результате

чего может быть сокращен расход топлива.

Данный вид наддува используется уже достаточно

продолжительное время фирмой MTU Friedrichshafen GmbH для

высокооборотных тяжелых дизельных двигателей. В легковых

автомобилях используется компаниями Porsche, Mazda и Subaru.

Большой диапазон частот вращения двигателей для легковых

двигателей вызывает необходимость частых переключений

турбокомпрессоров. В результате предъявляются высокие требования к

соответствующим исполнительным механизмам, и затрудняется

получение кривой крутящего момента без каких-либо резких изменений.

Поэтому такой наддув следует применять, в первую очередь для

двигателей, которые хотя и работают в большом диапазоне частот

вращения, но частота переключений может быть низкой.

Предпочтительным приложением является сегмент высокооборотных

тяжелых дизельных двигателей.

Первым применила данный вид наддува на легковом автомобиле

фирма Porsche (модель 959). Его реализация привела к очень высокой для

серийного двигателя удельной мощности около 116 кВт/дм3 при

максимальном значении среднего эффективного давления выше 2,2 МПа.

91

На рис. 5.4 представлена схема работы системы наддува данного

двигателя в зависимости от частоты вращения. Для ясности принципа

работы охладители надувочного воздуха не показаны. Договоримся

далее, что под обозначением «клапан» может пониматься и заслонка.

Рис.5.4 Схема наддува Porsche [14]

В системе используются два одинаковых турбокомпрессора

относительно небольшого размера, один из которых работает во всем диапазоне частот вращения. На низких частотах весь поток выхлопных

92

газов проходит через него до тех пор, пока не достигается заданное

давление наддува. Клапаны турбины 4 и компрессора 1, а также клапан

перепуска отработавших газов мимо турбины 3 (далее «Wastegate»)

закрыты. Правый турбокомпрессор не работает. После того как

достигнуто необходимое давление, а расход отработавших газов

продолжает увеличиваться, избыточный поток газов направляется на

второй турбокомпрессор. Воздух с правого компрессора через клапан 2

подается на вход левого компрессора. Клапан «Wastegate» закрыт, и

давление наддува регулируется клапаном 4. Как только оба

турбокомпрессора достигают определенной частоты вращения с

достаточной энергией отработавших газов, второй турбокомпрессор

начинает работать в режиме полного открытия клапана 4. Клапан 2

закрывается. Давление за вторым компрессором сильно возрастает и

открывается клапан 1. Теперь сжатый воздух подается во впускной

коллектор, как первым, так и вторым турбокомпрессорами. Расход

воздуха и отработавших газов распределяются по турбокомпрессорам

равным образом. При дальнейшем увеличении частоты вращения

двигателя, в целях ограничения давления наддува избыток отработавших

газов выбрасывается через клапан 3. Основной проблемой является выбор

подходящих турбокомпрессоров и надежное управление переключением

клапанов. Цель – достижение нужной кривой момента без скачков при

переключении клапанов во всем диапазоне работы двигателя.

Рис. 5.5 Момент двигателя Porsche 959 [14]

93

На рис. 5.5 представлена кривая крутящего момента

рассматриваемого двигателя с изображением зон работы одного и обоих

компрессоров. Там же для сравнения представленная кривая момента

двигателя в традиционном варианте наддува «Biturbo», в котором в

любой момент времени поток отработавших газов и воздуха проходит

через оба турбокомпрессора.

На рис.5.6 показана схема работы двухступенчатого регистрового

турбонаддува для дизельных двигателей большой мощности фирмы MTU.

Для облегчения понимания изображено только две группы турбонаддува,

каждая из которых состоит из одного турбокомпрессора низкого и одного

высокого давления, а также охладителей надувочного воздуха. В целом

система наддува состоит из четырех групп, с соответствующими

диапазонами работы.

Рис. 5.6 Схема двухступенчатого регистрового наддува фирмы MTU [14]

Система позволяет получить высокий момент в широком

диапазоне частот вращения, в том числе на низких. Весь поток отработавших газов в первой зоне работы двигателя проходит только

94

через одну турбогруппу. Последовательное включение остальных групп

происходит в зависимости от нагрузки и частоты вращения. В четвертой

зоне работают все четыре группы турбонаддува. Из-за низкого расхода

газов в первой зоне работа сжатия осуществляется почти полностью

турбокомпрессором высокого давления. Турбокомпрессор низкого

давления работает в режиме холостого хода. При увеличении расхода

отработавших газов постепенно начинает участвовать и ступень низкого

давления. Давление наддува возрастает. Благодаря предварительному

сжатию в компрессоре низкого давления, возможна работа компрессора

высокого давления при больших массовых расходах воздуха. Для

получения другого поля характеристик двигателя изменяют

закономерность подключения групп турбокомпрессоров. Для работы

такой системы наддува необходимо иметь компрессоры с достаточно

широким полем характеристик.

Использование небольших турбокомпрессоров на низких

частотах является ключевым фактором получения высокого давления

наддува на низких частотах вращения. В целом такая система позволяет

получить высокое давление наддува во всем диапазоне частот двигателя и

среднее эффективное давление выше 3 МПа.

Двухступенчатый регулируемый наддув

В двухступенчатый регулируемый турбонаддув (RTS – Regulated

Two Stage) является сложной электронно управляемой системой наддува,

которая представляет собой комбинацию двухступенчатого наддува и

регистрового наддува. Его применение позволяет значительно поднять

среднее эффективное давление во всем диапазоне работы двигателя.

Система состоит из двух последовательно соединенных

турбокомпрессоров разного размера (ступени высокого и низкого

давления), одного или двух охладителей надувочного воздуха, системы

перепуска воздуха и отработавших газов. Для каждой области расхода

воздуха имеется соответствующий компрессор, так что в сумме

получается система наддува с широким полем характеристик. В нижнем

диапазоне частот вращения используется маленький турбокомпрессор, в

верхнем – большой.

Малый турбокомпрессор может быть намного меньше, чем в

одноступенчатых системах, т.к. не требуется пропускать через него большие объемы воздуха, соответствующие номинальной мощности.

95

Работа при высоких и низких частотах вращения аналогична работе

системы регистрового наддува. В среднем диапазоне частот вращения,

оба турбокомпрессора работают последовательно, аналогично

классической системе двухступенчатого турбонаддува. На рис. 5.7

изображены кривая среднего эффективного давления при полной

нагрузке и связанные с ним степени повышения давления в компрессорах

дизельного двигателя с двухступенчатым регулируемым турбонаддувом

для легкового автомобиля. Давление наддува 3-4 бара создается во всем

диапазоне частот вращения (имеются ввиду установившиеся режимы).

Давление наддува остается на высоком уровне даже на частичных

нагрузках, оставляя резерв для разгонных режимов.

Рис. 5.7. Зависимость показателей дизеля от частоты вращения

на полной нагрузке [14]

В системе могут быть использованы относительно простые

турбокомпрессоры, которые могут обойтись без сложных устройств

регулирования, таких как, например, переменная геометрия турбины.

Недостатком является удвоение компонентов системы. На рис. 5.8

представлена примерная схема двухступенчатого регулируемого наддува

6-цилиндрового транспортного дизеля.

До тех пор пока расход отработавших газов остается небольшим,

канал перепуска мимо турбины закрыт. Весь поток расширяется на

турбине высокого давления, а турбина низкого давления работает в

96

режиме холостого хода. Благодаря этому высокое давление достигается

уже на низких частотах.

Рис. 5.8. Примерная схема двухступенчатого регулируемого наддува [14]

С увеличением частоты вращения все большая часть работы

расширения срабатывается на турбине низкого давления. Канал

перепуска постепенно открывается. Таким образом, при средних частотах

вращения, наддув происходит в варианте близком к классическом

двухступенчатому турбонаддуву. В результате предварительного сжатия

в компрессоре низкого давления малый компрессор (КВД) работает на

более высоком уровне давления, за счет чего обеспечивается

необходимый массовый расход воздуха. При высоких частотах вращения

основную работу сжатия осуществляет компрессор низкого давления.

При этом поток продолжает течь через компрессор высокого давления.

Для снижения потерь давления в КВД иногда осуществляется перепуск

воздуха. Уровень среднего эффективного давления при таком наддуве

превышает таковой у одноступенчатого наддува с турбокомпрессором с

переменной геометрией турбины во всем диапазоне частот вращения.

Данный метод наддува реализуется на дизельных двигателях для

легковых автомобилей фирмы BMW под обозначением «Variable Twin

Turbo» Система состоит из двух относительно простых

турбокомпрессоров различного размера с диаметрами рабочих колес 39 и

66 мм. Степень сжатия 6-цилиндрового двигателя - 16,5, абсолютное

давление наддува составляет 0,285 МПа, соответствующее среднее эффективное давление - 2,35 МПа. Двигатель развивает мощность

97

200 кВт при 4400 об/мин, что соответствует удельной мощности

66,8 кВт/дм3. Рядная конструкция двигателя существенно облегчает

реализацию системы наддува по сравнению с V-образными аналогами,

т.к. каждый из потоков воздуха или ОГ локализованы на своей стороне

двигателя.

Рис. 5.9. Принципиальная схема двухступенчатого регулируемого

наддува фирмы BMW (Variable Twin Turbo) [14]

Принцип работы системы наддува изображен на рис. 5.9. На

низких частотах вращения до 1500 об/мин (диапазон I), воздух сжимается

в малом компрессоре, а через большой компрессор проходит без

существенного сжатия. При этом вся работа выхлопных газов

срабатывается на малой турбине. Этот турбокомпрессор с низкой

инерцией позволяет получить желаемое давление наддува, начиная с

холостых частот вращения с очень короткой задержкой, а двигатель

развивает момент в 530 Нм на установившемся режиме уже при 1.500

об/мин.

98

С увеличением частоты вращения воздух предварительно

сжимается в большом компрессоре и дожимается в малом. В этой области

(зона II) осуществляется двухступенчатое сжатие с небольшой степенью

повышения давления в каждой из ступеней. Из-за этого охлаждение

надувочного воздуха не осуществляется. В большом компрессоре степень

повышения давления ниже, чем в малом. Совместная работа двух

турбокомпрессоров позволяет осуществить плавный переход с низких

частот в область высоких. При частотах вращения более 3250 об/мин

поток отработавших газов и воздуха перепускается мимо малого

турбокомпрессора, поскольку возросший расход газов становится выше

расчетного значения агрегата. В этой области (зона III) вся работа

расширения срабатывается на большой турбине, а воздух сжимается

только в большом компрессоре. В случае очень высоких частот вращения

срабатывает клапан перепуска отработавших газов мимо турбины, через

который проходит часть расхода.

Рис. 5.10. Внешняя скоростная характеристика рядного 6-

цилиндрового дизельного двигателя фирмы BMW [14]

На рис. 5.10 показана внешняя скоростная характеристика

двигателя с описываемой системой и с традиционной системой наддува с

переменной геометрией турбины.

Эффективность турбонаддува сохраняется на относительно

высоком уровне во всем диапазоне частот вращения. Для того, чтобы для

99

каждой точки поля характеристик двигателя использовать подходящий

турбокомпрессор или наиболее выгодное сочетание турбокомпрессоров

необходимо иметь сложную систему управления расходом воздуха и ОГ.

Для того, чтобы компенсировать неизбежные скачки в зависимости КПД

компрессора и турбины от частоты вращения вала двигателя вследствие

переключений, требуется сложное программное обеспечение. Из-за этого,

а также вследствие наличия дополнительных компонент стоимость

системы наддува увеличивается. Поэтому внедрение системы изначально

произошло на автомобилях представительского класса. Несмотря на это,

значительные преимущества, которые дает эта система, позволяет

ожидать расширения ее использования.

Схемы с дополнительным приводным нагнетателем

Для улучшения пусковых качеств двигателей с турбонаддувом

можно использовать дополнительный приводной нагнетатель, который

соединяется с двигателем через муфту и мультипликатор. Чтобы

преимущество системы имело место во всей области работы двигателя

необходимо правильно подобрать их комбинацию. Ниже описана схема,

предназначенная для дизельного двигателя, в которой приводной

нагнетатель предшествует турбокомпрессору.

Турбокомпрессор находится в работе постоянно. В области

низких нагрузок и частот вращения подключается приводной компрессор

и тем самым реализуется двухступенчатый наддув. При средних частотах

приводной компрессор используется только для переходных процессов. В

области высоких частот используется только турбокомпрессор, причем

как в стационарных, так и в переходных режимах. На рис. 5.11

представлена схема данного наддува. Подобная схема использована

фирмой Volkswagen (рис.5.12, 5.13,5.14).

Комбинация приводного и турбонаддува имеет много

преимуществ. Во-первых, из-за практически мгновенного повышения

давления при механическом наддуве время перехода от частичных до

полных нагрузок снижается во всем диапазоне частот вращения. В связи с

независимостью механического наддува от расхода отработавших газов

давление создается уже при низких частотах вращения. Турбокомпрессор

в данном случае может работать в более узком, нежели при обычном

турбонаддуве, диапазоне частот, а, следовательно, повышается его КПД. Это ведет к снижению расхода топлива в области высоких частот. К

100

недостаткам можно отнести высокую стоимость системы и увеличение

расхода топлива при работе приводного компрессора.

Рис. 5.11. Схема турбонаддува с дополнительным приводным

нагнетателем [14]

Рис. 5.12. Поле работы комбинированного наддува Volkswagen:

1 – зона постоянной работы приводного компрессора; 2 – зона

использования приводного компрессора при переходных режимах; 3 –

зона работы турбокомпрессора; 4 – зона работы без наддува

101

Рис.5.13 Схема наддува Volkswagen TSI [15]

Рис. 5.14. Приводной нагнетатель фирмы Volkswagen

102

Турбонаддув с вспомогательной электросвязью

В предыдущем параграфе была показана возможность устранения

недостатков турбонаддува, связанных с инертностью турбокомпрессора и

недостатком энергии отработавших газов на низких частотах, при

помощи дополнительной механической связи. Аналогичные задачи

решают и системы с дополнительной электросвязью (EBS – Electric

Boosting Systems).

Преимущество таких систем в относительной легкости передачи

энергии. Может использоваться, как существующая электрическая

система (12-вольтовая), либо отдельные, более мощные системы

(например, 42-вольтовые). Последние, однако, в ближнесрочной

перспективе не ожидаются. Следует отметить, что в 12-вольтовых

электрических системах, из-за необходимости ограничения силы тока,

можно кратковременно получить лишь до 2 кВт электроэнергии. Поэтому

их в существенной мере можно использовать лишь на переходных

режимах работы двигателя.

Схема наддува с электрическим приводом дополнительного

компрессора

Одним из способов улучшения характеристики двигателя на

установившихся так и переходных режимах, является применение

дополнительного компрессора с электрическим приводом. В такой схеме

процесс сжатия не зависит от стояния ОГ, соответственно

воздухоснабжение при низких частотах существенно улучшается.

На рис. 5.15 показана схема такой системы. Небольшое

преимущество с энергетической точки зрения и гибкости в компоновке

имеет расположение вспомогательного компрессора перед

турбокомпрессором [14]. При условии наличия необходимой

электрической энергии система представляет собой аналог

двухступенчатого регулируемого наддува. Когда наддув производится

только от турбокомпрессора, для уменьшения потерь воздух

перепускается мимо дополнительного компрессора.

Как уже отмечалось, при 12-вольтовой бортовой электрической

системе кратковременно можно получить не более 2 кВт электрической

энергии. Причем это значение почти не зависит от объема двигателя. Таким образом, преимущества системы больше проявляются в

103

малолитражных двигателях и при низких частотах вращения в начале

процесса разгона. Дальнейшее попытки сокращение времени достижения

максимального давления посредством использования более мощных

электродвигателей приносят небольшой эффект поскольку момент

инерции электродвигателя растет интенсивнее его мощности.

Рис. 5.15. Схема наддува с электрическим приводом дополнительного

компрессора [14]

Схема наддува с комбинированной газовой и электрической связью

компрессора

В этой схеме электродвигатель установлен непосредственно на

валу турбокомпрессора. Как и в предыдущем случае, данная схема в

серии пока не реализована, хотя уже имеет коммерческие обозначения –

«e-Turbo», «EAT» (Electrically Assisted Turbocharger). Схема данного типа

наддува изображена на рис.5.16.

Размеры турбокомпрессора увеличиваются, вследствие

компоновки электродвигателя и вспомогательных компонент,

незначительно. Тепловая нагрузка на электродвигатель вследствие

близости турбины является значительной даже тогда, когда он не

работает. Это выдвигает соответствующие требования к системе

охлаждения. По этой же причине силовая и управляющая электроника

размещены отдельно от турбокомпрессора в соответствующем месте

моторного отсека.

104

Рис.5.16. Схема наддува с комбинированной газовой и электрической

связью компрессора [14]

Несмотря на увеличение, из-за установки электродвигателя,

момента инерции ротора, протекание переходных режимов улучшается.

Поскольку сам компрессор и его характеристика не изменяются,

повышение момента на установившихся режимах возможно лишь в узких

пределах. Например, в диапазоне частот вращения вала двигателя, где

компрессор из-за недостаточной энергии отработавших газов работает

близко к границе помпажа. Хотя ограничивающим фактором опять же

является наличие достаточного количества электроэнергии. Получить

увеличение среднего эффективного давления во всем диапазоне частот

вращения с помощью такой системы невозможно. Кроме того, в

сравнении с предыдущей системой, есть еще один недостаток, связанный

с переходной характеристикой. В то время как в предыдущей схеме

электродвигателю необходимо раскручивать только относительно легкий

компрессор и собственный ротор, то в рассматриваемой схеме к ним

добавляется относительно тяжелая турбина. Это и определяет ее худшую

динамическую характеристику (рис. 5.17). Преимуществом системы

является возможность использования системы в генераторном режиме.

105

Рис. 5.17. Сравнение различных систем на переходном режиме [14]

Схема с использованием нестационарных газодинамических

эффектов при турбонаддуве

Традиционные недостатки присущие системам высокого наддува,

а именно неудовлетворительная характеристика протекания момента при

малых частотах вращения и неудовлетворительная приемистость

двигателя, могут быть частично устранены при реализации системы,

использующей нестационарные газодинамические эффекты во впускном

трубопроводе четырехтактного ДВС. При изложении дальнейшего

материала предполагается, что читатель уже знаком с физическими

основами этих эффектов, поэтому в пособии они рассматриваться не

будут. К тому же ниже будет описана лишь та разновидность схемы,

которая использует для управления процессом дополнительную заслонку,

расположенную перед впускным клапаном.

При изначальной настройке системы на максимальную мощность

расход в области низких частот вращения при использовании системы

можно увеличить на 20 – 30%. В меньшей степени можно поднять расход

106

и на других частотах вращения. На рис. 5.18 представлена

принципиальная схема описываемой системы.

Рис.5.18. Принципиальная схема турбонаддува с использованием

нестационарных газодинамических эффектов [14]

Принцип работы системы при полной нагрузке заключается в

следующем. После открытия впускного клапана заслонка остается

закрытой, так что при перемещении поршня вниз в рабочей камере

создается разряжение. При быстром открытии заслонки в нужный момент

времени образуется волна разряжения, которая, достигнув ресивера,

отражается волной сжатия. При подходе к впускному клапану после

прохождения поршня НМТ, волна дозаряжает рабочую камеру. После

прохождения волны заслонка закрывается и поэтому, несмотря на

широкую фазу открытого состояния впускного клапана (из-за

высокооборотной настройки) обратного движения воздуха не

происходит. Давление между впускным клапаном и заслонкой

сохраняется высоким даже после закрытия первого, что положительным

образом сказывается во время перекрытия клапанов.

Подбирая моменты срабатывания заслонки можно получить

настройку в широком диапазоне частот вращения, причем в отличие от

других подобных схем не требуется регулировка длины впускных труб.

Очевидно, что сам принцип работы исключает инерционность этой части

системы наддува и не ухудшает приемистость двигателя.

107

Поскольку на низких частотах вращения вала двигателя

наполнение цилиндра повышается на 20 – 30%, то это ведет при

изначально равной частоте вращения компрессора или равном давлении

наддува к повышению расхода воздуха, что в свою очередь повышает

КПД сжатия. Зона работы компрессора отодвигается дальше от границы

помпажа. Увеличение расхода воздуха приводит, по очевидным

причинам, к увеличению расхода газов, что повышает работу на турбине

и приводит к увеличению частоты вращения турбокомпрессора. Это

приводит к увеличению давления наддува. Поэтому при равной частоте

вращения вала двигателя в данной системе достигается больший момент,

а равный момент, соответственно, достигается при более низких частотах

вращения. В работе [14] указывается, что увеличение крутящего момента

в зависимости от частоты вращения составляет от 25 до 50% по

сравнению с турбонаддувным двигателем без использования

нестационарных газодинамических эффектов. На рис.5.19 схематично

представлены характеристики двигателя.

Рис. 5.19. Сравнение характеристик двигателей с турбонаддувом [14]

При позднем открытии заслонки при наполнении рабочей камеры

происходит нагрев воздуха, причем, чем больше перепад давления, тем

больше прогрев. Значение последнего может достигать 60 К. Хотя этот

108

эффект с точки зрения детонации в бензиновом двигателе играет

отрицательную роль, для дизеля он дает преимущества с точки зрения

холодного запуска и прогрева, а также позволяет снизить степень сжатия.

К системе управления заслонкой предъявляются серьезные

требования. C одной стороны, чтобы не было дросселирования с самого

начала движения заряда, она должна обеспечивать большие проходные

сечения и срабатывать за время менее 2 мс. С другой стороны, в закрытом

положении заслонка должна обеспечивать достаточную герметичность.

Кроме того, момент срабатывания заслонки изменяется в зависимости от

режима работы двигателя. Поэтому в системе используется

электромагнитный привод заслонки, который может работать при

бортовом электрическом напряжении 12 вольт. В стадии срабатывания

ему требуется 30 Вт электроэнергии для каждой заслонки, в режиме

ожидания – 10 Вт.

Сравнение систем высокого наддува

В предыдущих разделах были представлены схемы, которые

вписываются в высоконагруженную часть концепции «Downsizing». Ниже

представлена их сравнительная оценка, применительно к двигателям,

предназначенных для легковых автомобилей. Акцент сделан на

технической стороне вопроса.

При чистом двухступенчатом турбонаддуве с охлаждением

наддувочного воздуха достигается наивысшее среднее эффективное

давление. В зависимости от настройки оно может быть реализовано либо

на низких, либо на высоких частотах вращения вала двигателя. Наличие

двух турбокомпрессоров ухудшает приемистость двигателя. Природа

снижения расхода топлива состоит в Downsizing-эффекте и высоком КПД

турбины и компрессора.

Регистровый турбонаддув имеет, помимо высокой стоимости,

единственный недостаток, связанный с обеспечением надежной и

долговременной работы переключателей компрессоров и турбин на

высоких частотах переключения. Поскольку каждый турбокомпрессор

спроектирован так, чтобы его работа приходилась лишь на часть

диапазона частот вращения, то достигаются хорошая приемистость

двигателя и низкий расход топлива.

То же самое касается двухступенчатого регулируемого турбонаддува. При еще более сложной системе в сравнении с

109

регистровым наддувом, потенциал данного метода можно реализовать

только при сложных стратегиях управления. Но в долгосрочной

перспективе он, возможно, будет самым значимым методом в концепции

«Downsizing».

Основные преимущества дополнительного механического

наддува – это увеличение крутящего момента на низких оборотах

двигателя и улучшенная переходная характеристика. Снижение расхода

топлива возможно только, тогда, когда двигатель большую часть времени

эксплуатируется в области, где работает исключительно

турбокомпрессор. Таким образом, цена преимуществ данной системы –

относительно более высокий расход топлива.

В схеме наддува с комбинированной газовой и электрической

связью компрессора обеспечивается улучшение пуска и переходных

характеристик двигателя. Однако для этой цели требуется электрическая

мощность в диапазоне 2 – 4 кВт. Поэтому при наличии частых режимов

ускорения, необходимо иметь электрическую систему с существенно

более высоким бортовым напряжением (например, 42 вольт). По этой

причине увеличение крутящего момента на низких частотах возможно

лишь в течении короткого времени, например в процессе

непродолжительного пуска. Силовая и управляющая электроника имеет

высокую цену. Наддув с электроприводом дополнительного компрессора

имеет меньше недостатков.

Наддув с использованием нестационарных газодинамических

эффектов и управляемой дополнительной заслонки имеет большой

потенциал для увеличения крутящего момента при низких частотах

вращения вала двигателя как для атмосферных, так и турбонаддувных

двигателей. При правильном подборе турбокомпрессора можно повысить

номинальную мощность и снизить расход топлива. Однако здесь еще

требуются работы по отработке и развитию системы.

110

6. Анализ современных способов снижения токсичности

отработавших газов ДВС

Все токсичные компоненты, содержащиеся в отработавших газах

ДВС можно условно разделить по природе их возникновения на две

группы:

продукты неполного окисления исходного

углеводородного топлива (монооксид углерода – CO, углеводороды – CH,

сажа)

продукты окисления элементов, входящих в состав

топлива и воздуха (оксиды азота – NOx).

Основными причинами образования продуктов неполного

окисления топлива в ДВС можно назвать локальные обогащения или

обеднения топливо-воздушной смеси ввиду несовершенства процесса

смесеобразования, диссоциацию двуокиси углерода, происходящую при

высоких температурах и холоднопламенные реакции (в дизелях). Кроме

того, образование продуктов неполного сгорания возможно в

пристеночных слоях, где уровень температур ввиду интенсивного

теплообмена, недостаточен для полного окисления углеводородов

исходного топлива.

В настоящее время есть представления о четырѐх различных

способах образования NOx, каждый из которых по-своему важен в

зависимости от состава топлива, особенностей рабочего процесса и

других условий, в которых происходит сгорание:

термический путь (или механизм Зельдовича),

«быстрое» образование NOx (механизм Фенимора),

образование оксидов азота через N2O,

образование оксидов азота из топливного азота.

Механизм образования NOx через N2O часто не учитывают,

поскольку он даѐт незначительный вклад в полный выход NOx в условиях

поршневого ДВС.

Суть механизма Зельдовича заключается в протекании

следующих реакций:

О + N2 → NO + N

N + O2 → NO + O

N + OH → NO + H Механизм называется термическим, так как первая из

приведѐнных реакций имеет очень высокую энергию активации

111

(необходимы температуры порядка 1700°С – 2000°С, так как

межмолекулярная связь в молекуле азота чрезвычайно сильна); скорость

же реакции напрямую зависит от концентрации реагентов и температуры,

которой, как известно, пропорциональна константа скорости.

«Быстрые» NOx нарабатываются в основном на начальном

участке факела, в области фронта пламени, со стороны свежей, ещѐ

несгоревшей смеси, где термическое образование NOx отсутствует.

Механизм наработки «быстрых» оксидов более сложный, поскольку в

нѐм участвуют радикалы CH, выступающие в горении в качестве

промежуточного компонента. Радикалы СН, образующиеся во фронте

горения, реагируют с азотом и образуют цианисто-водородную кислоту

НСN, которая затем сложным образом реагирует с образованием NOx.

Лимитирующей стадией в этом случае является реакция

CH + N2 →НСN + N Зависимость интенсивности образования оксидов азота от

коэффициента избытка воздуха, представлена на рис. 6.1 [1].

Рис. 6.1. Зависимость интенсивности образования оксидов азота

по термическому и смешанному (термический и быстрый) механизмам от

коэффициента избытка воздуха [1]

112

Осознание серьезности назревающей экологической опасности

привело к введению в развитых странах поэтапно ужесточающихся норм

предельно допустимых выбросов для автомобилей (табл. 6.1, 6.2)

В 1964 г. в штате Калифорния (США) была впервые введена

обязательная система контроля эмиссии отработавших газов

автомобилей. Первое законодательное требование в этом плане

появилось в США в 1970 г. (так называемый «Акт о чистом воздухе»);

тогда же в США было основано Агентство по защите окружающей среды

(ЕРА — Environmental Protection Agency). Обусловлено это было

большим количеством транспортных средств в стране, что привело в ряде

регионов США, в первую очередь в Калифорнии с ее жарким климатом, к

ощутимому воздействию вредных веществ на состояние здоровья

населения.

Требования к экологической чистоте, реализуемые в Калифорнии

являются одними из самых строгих в мире и предполагают поэтапное

внедрение всѐ более ужесточающихся норм вплоть до достижения

нулевой токсичности (табл. 6.1)

Таблица 6.1

Калифорнийский стандарт на легковые автомобили

и легкие грузовики (г/миля) [3]

Категория 50,000 миль/5 лет 120,000 миль/11 лет

Орг.

газы CO NOx PM Альдегиды

Орг.

газы CO NOx PM Альдегиды

LEV 0,075 3,4 0,05 - 0,015 0,090 4,2 0,07 0,01 0,018

ULEV 0,040 1,7 0,05 - 0,008 0,055 2,1 0,07 0,01 0,011

SULEV 0,010 1,0 0,02 0,01 0,004

(LEV – low emission vehicle, ULEV – ultra low emission vehicle, SULEV– super ultra low emission vehicle – автомобили соответственно с низкой,

ультранизкой и суперультранизкой токсичностью).

В настоящее время практически все страны Америки, Европы и

Азии придерживаются требований тех или иных нормативных документов. Указанная нормативно-техническая документация не

113

унифицирована для всего мира, но перечень веществ, содержание

которых в ОГ ДВС и транспортных средств регламентируется, определен.

До конца 1980-х годов во всех промышленно развитых странах

мира производили контроль и нормирование содержания в отработавших

газах бензиновых и дизельных двигателей трех газообразных токсичных

компонентов: оксидов азота, оксида углерода и суммарных

углеводородов; для дизелей также нормировали дымность отработавших

газов. С начала 1990-х годов в США ввели нормирование неметановых

углеводородов (наряду с суммарными), считая, что метан безвреден, а

также — формальдегида (табл. 6.1). В соответствии с требованиями

Правил ЕЭК ООН №101 введено нормирование содержания диоксида

углерода СO2 в отработавших газах двигателей транспортных средств.

В Европе с начала 90-х годов были разработаны системы

нормирования токсичности отработавших газов автомобилей и качества

топлива, получившие наименование евро. Евро – одна из самых строгих в

мире систем контроля токсичности отработавших газов автомобильных

двигателей. Она устанавливает нормы токсичности, которым должны

соответствовать продаваемые в странах Евросоюза машины. Первый этап

внедрения этой системы начался с введения норм токсичности Евро 1,

распространяющихся на новые и подержанные автомобили, которые

вступили в силу с 1993 года (табл. 6.2).

Таблица 6.2

Нормы предельно допустимых выбросов, г/км [3]

Нормы

Год

введения, ЕС (РФ)

Бензиновые двигатели Дизельные двигатели

СО CmHn NOx СО CmHn NOx Твердые

частицы

Евро 1 1993

(1999) 2,72 0,97 (сумма) 2,72 0,97 (сумма) 0,14

Евро 2 1996

(2006) 2,2 0,5 (сумма) 1,0 0,67 (сумма) 0,08

Евро 3 2000

(2008) 1,5 0,2 0,15 0,64 0,06 0,5 0,05

Евро 4 2005

(2010) 1,0 0,1 0,08 0,5 0,05 0,25 0,025

Евро 5 2008 1,0 0,1 0,06 0,5 0,05 0,18 0,005

Евро 6 (проект)

2014 1,0 0,1 0,06 0,5 0,05 0,08 0,005

114

Для удовлетворения всѐ более ужесточающихся норм

токсичности в современных поршневых ДВС используются системы

нейтрализации отработавших газов. Наиболее эффективным для

двигателей с количественным регулированием и принудительным

воспламенением в настоящее время считается применение электронных

систем впрыска топлива и каталитических нейтрализаторов.

Основными недостатками таких систем являются необходимость

применения дорогостоящих материалов в катализаторах и необходимость

поддерживания коэффициента избытка воздуха в пределах 1.

Объясняется это тем, что для окисления продуктов неполного сгорания

СО и СnНm необходим избыточный кислород (желательно обеспечить

обеднение смеси), а для восстановления NOx избыточный кислород не

нужен. При отклонении состава смеси от стехиометрического, активность

нейтрализации по одному типу из видов вредных веществ снижается: в

области α < 1 – по продуктам неполного сгорания, а в области α > 1 – по

оксидам азота.

Использование каталитических нейтрализаторов налагает

дополнительные требования к качеству топлива и технической

исправности двигателя. Недопустимо использование этилированного

бензина, так как даже случайная заправка этилированным бензином

выводит каталитический нейтрализатор из строя. В случае выхода из

строя свечи зажигания, перебоев в подаче топлива и других нештатных

режимах работы двигателя, ведущих к отклонению состава смеси от

стехиометричексокого или пропускам воспламенения, каталитический

нейтрализатор теряет свою эффективность и также может выйти из строя.

Двигатели с качественным регулированием работают в широком

диапазоне коэффициентов избытка воздуха (равно как и бензиновые

двигатели с системой непосредственного впрыска топлива), что

обуславливает невозможность применения на них нейтрализаторов,

характерных для двигателей с количественным регулированием.

Поскольку методики нейтрализации оксидов азота и продуктов

неполного окисления топлива принципиально различаются, система

очистки отработавших газов двигателя с качественным регулированием

носит комплексный характер. Для нейтрализации продуктов неполного

сгорания топлива используется либо дожигатели, либо каталитические

нейтрализаторы, аналогичные используемым на двигателях с

количественным регулированием, поскольку в отработавших газах таких двигателей всегда присутствует избыточное количество кислорода.

115

Для борьбы с выбросами твѐрдых частиц в дизельных двигателях

используются сажевые фильтры, накапливающие частицы сажи на

специальных керамических или стальных блоках с развитой контактной

поверхностью. Для очистки этих блоков используют метод выжигания –

управляющая аппаратура обогащает топливо-воздушную смесь, что

обеспечивает увеличение температуры отработавших газов. Для

облегчения процедуры выжигания накопленной сажи контактную

поверхность фильтрующих блоков покрывают специальным

катализатором, а также осуществляют впрыск реагента, способствующего

процессу окисления сажи.

Определѐнную сложность в двигателях с качественным

регулированием представляет нейтрализация оксидов азота. В настоящее

время существуют два подхода к решению этой проблемы:

использование рециркуляции отработавших газов совместно

с накопительными фильтрами NO (EGR + NOx trap)

использование системы избирательной очистки (SCR)

Катализаторы накопительного типа более эффективны, но

чрезвычайно чувствительны к высокосернистым топливам, чему менее

подвержены системы избирательной очистки.

Принцип рециркуляции отработавших газов предполагает

частичный перепуск определѐнного количества отработавших газов с

промежуточным охлаждением обратно во впускную систему. Основными

недостатками системы рециркуляции отработавших газов являются

ухудшение параметров рабочего процесса, повышение выброса частиц и

дымности отработавших газов, увеличение тепловой напряженности

двигателя. Принципиальная схема системы очистки отработавших газов

двигателя посредством использования рециркуляции представлена на

рис. 6.2.

Ввиду негативного влияния на рабочий процесс двигателя

больших степеней рециркуляции отработавших газов для

совершенствования нейтрализации NOx используют накопительные

фильтры. Накопительные фильтры NOx работают по принципам,

аналогичным принципам работы сажевых фильтров – во время работы на

обеднѐнных смесях они аккумулируют оксиды азота, а по достижении

определѐнного уровня заполнения управляющая электроника подаѐт

сигнал на выжигание накопленного вещества (рис. 6.3, 6.4). Одним из

активных элементов в нем является основное покрытие из солей бария,

также присутствует покрытие из платины, палладия и родия. При работе

116

на бедной смеси все оксиды азота окисляются до диоксида NO2 при

помощи платинового катализатора, а затем взаимодействуют с

покрытием основы и удерживаются на ней в виде нитрата бария.

Периодически (обычно раз в минуту на 3 секунды), оксиды азота

выводятся из накопителя при помощи обогащения смеси. В этот момент в

отработавших газах увеличивается содержание CO и HC, которые

взаимодействуют с NO2 – на родиевом покрытии происходят

окислительно-восстановительные реакции, в которых нитрат

восстанавливается до чистого азота N2, а CO и CH окисляются до CO2 и

H2O (углекислого газа и воды).

Рис. 6.2. Принципиальная схема системы рециркуляции ОГ [9]

117

Рис. 6.3. Аккумуляция NO на режиме обеднения [9]

Рис. 6.4. Расходование накопленного NO на режимах

обогащения и выжигания [9]

Нейтрализация NOx зависит от температуры отработавших газов -

после 500°С эффективность накопительного катализатора значительно

падает. Поэтому он расположен в зоне, где температура обычно

составляет 300 - 450° С (в городском режиме езды). При езде по трасе

температура газов превышает 500°С, и блок управления обогащает смесь

до того уровня, когда газы смогут быть нейтрализованы в

трехкомпонентном каталитическом нейтрализаторе.

Большую угрозу для NO-катализатора представляет высокое

содержание серы в топливе. Сера в процессе сгорания окисляется до

диоксида SO2, который также взаимодействует с солями бария, как и NO2,

и образует сульфат бария, который химически более стабилен, чем

нитрат, постепенно снижая емкость и эффективность катализатора,

вплоть до его полного выхода из строя.

Для борьбы с этим явлением используется режим очистки от серы, в котором блок управления периодически заметно увеличивает

118

температуру отработавших газов и содержание в них содержание CO и

CH. В результате - растет расход топлива, который таким образом,

напрямую зависит от содержания серы в топливе.

Подобная система нейтрализации отработавших газов

установлена на автомобиле Mercedes CLS 350 CGI (рис.6.5). Для

снижения выбросов углеводородов предназначен трехкомпонентный

каталитический нейтрализатор. Так как он начинает эффективно

функционировать при температуре не менее 250°С (максимальная

эффективность 400 - 850оС), то для его быстрого прогрева два

трехкомпонентных нейтрализатора расположены близко к двигателю.

Накопительный катализатор NOx смонтирован для защиты от слишком

высоких температур в днище. Его активное температурное окно от 250 до

500 °C. Для точного регулирования накопительного катализатора NOx

перед ним установлен датчик температуры, после него – датчик

содержания NOx.

Рис.6.5. Нейтрализатор двигателя M272 DE, установленного на

Mercedes CLS 350 CGI [15]

Альтернативным способ очищения отработавших газов

дизельного двигателя является впрыск в выхлопную систему

специального реагента, способствующего нейтрализации токсичных

компонентов. Так как он менее подвержен «отравлению» серой, то его применяют преимущественно в дизелях, в топливе которых содержится

119

больше серы, чем в бензине. Принцип действия системы SCR (Selective

Catalytic Reduction, что можно перевести как «селективный

каталитический преобразователь») заключается в химической реакции

аммиака с оксидами азота выхлопных газов, в результате которой

образуются безвредный азот и водяной пар. Селективный

преобразователь состоит из двух основных узлов: непосредственно

каталитического нейтрализатора с сотовой структурой, вмонтированного

в глушитель автомобиля, и дополнительного бака под аммиачный

заменитель AdBlue. Общая схема системы очистки отработавших газов с

системой SCR показана на рис. 6.6.

Рис. 6.6. Принцип работы системы SCR

Поэтапное ужесточение норм токсичности, особенно эмиссии

оксидов азота, предъявляет всѐ большие требования к системам

120

нейтрализации отработавших газов. Совершенствование современных

систем рециркуляции отработавших газов и каталитической

нейтрализации влечѐт усложнение конструкции и удорожание

энергетической установки. Для удовлетворения перспективных норм

токсичности уже не достаточно той эффективности нейтрализации

токсичных компонентов, которую могут обеспечить современные

системы. По этому при разработке перспективных систем понижения

токсичности двигателей внутреннего сгорания особое внимание

уделяется подавлению образования токсичных компонентов

непосредственно в рабочей камере двигателя. Анализ перспективных

методов снижения токсичности продуктов сгорания позволяет выделить

двух «лидеров», при реализации которых, например в ГТУ, удалось

снизить содержание оксидов азота до значений менее 10 млн-1

:

1) Организация рабочего процесса со сжиганием бедных

предварительно перемешанных смесей с коэффициентом избытка воздуха

в зоне горения ≈ 2;

2) организация рабочего процесса со сжиганием обводненных

топливовоздушных смесей.

Снижение выбросов оксидов азота при сжигании бедных

предварительно перемешанных смесей ( ≈ 2) происходит за счет

снижения температуры горения до 1400–1500о

С. Поскольку работа на

полной нагрузке с такими коэффициентами избытка воздуха ведет к

существенному снижению удельной мощности двигателя, то данный

метод более целесообразен в стационарных установках.

В поршневых ДВС, где рабочий процесс, в отличие от

газотурбинных, носит циклический характер, наряду с проблемами

сгорания бедных смесей, возникают проблемы, связанные с их

воспламенением. Для расширения концентрационных пределов

воспламенения и сгорания товарных топлив до ≈ 2 необходимы очень

высокие степени сжатия (>20), что опять же влечет повышение

температуры в зоне горения, значительное увеличение массы двигателя и,

следовательно, дополнительное снижение его удельной мощности. На

основе этой концепции в настоящее время производятся работы по

совершенствованию дизельных двигателей с гомогенным зарядом (HCCI – Homogeneous Charge Compression Ignition), которые демонстрируют

значительные преимущества в плане снижения токсичности.

Этих недостатков лишен процесс со сгоранием обводненных околостехиометрических топливовоздушных смесей. Как для двигателей

121

с внутренним смесеобразованием, так и для двигателей с внешним

смесеобразованием впрыск воды может производиться двумя способами:

1. Отдельно от топлива;

2. В цилиндр двигателя в виде смеси с топливом – водотопливной

эмульсии (ВТЭ).

В первом случае воду можно вводить как во впускной тракт

двигателя, так и непосредственно в цилиндр. Пока нельзя говорить об

абсолютном превосходстве какого-либо способа подачи воды, но

необходимо отметить, что для эффективного подавления эмиссии NOx

необходимо реализовать значительное обводнение топливо-воздушной

смеси (количество воды должно быть равным или даже большим

количества топлива). Как показывает анализ опубликованных

источников, такие степени обводнения недостижимы при использовании

ВТЭ, где максимальное содержание воды не превышает 50%. Это

объясняется нестабильностью ВТЭ с высоким содержанием воды, что

влечѐт необходимость использования большого количества эмульгаторов.

Специфика метода впрыска воды во впускной коллектор

заключается в необходимости установки на двигателе дополнительных

систем хранения, подвода и распыливания воды. В этом случае, в отличие

от метода впрыска воды непосредственно в цилиндр, аппаратура более

проста и надежна. Для равномерного распределения воды по цилиндрам

многоцилиндрового двигателя специальные форсунки устанавливаются

во впускных патрубках напротив каждого цилиндра. Испарение воды

начинается во впускном патрубке и заканчивается в цилиндре. Пары воды

к концу процесса сжатия образуют в камере сгорания гомогенную смесь с

воздушным зарядом. При этом происходит снижение температуры

воздушного заряда, что ведѐт к снижению температур конца сжатия и

горения, а также к увеличению периода задержки воспламенения в

дизелях. В последнем случае отмечается рост эмиссии продуктов

неполного сгорания и постепенное ухудшение характеристик двигателя

вплоть до его останова.

Впрыск воды во впускной тракт позволяет реализовать

значительно большие, чем при использовании ВТЭ, соотношения

количества воды к количеству топлива (порядка 1,25 – 1,5), что

способствует сокращению концентрации NOx в отработавших газах

двигателя на 70%. При этом не наблюдается значительного увеличения

эмиссии продуктов неполного окисления топлива и ухудшения мощностных и экономических характеристик. Дальнейшее обводнение,

122

хотя и позволяет продолжить снижение уровня эмиссии NOx, ведѐт к

неприемлемому ухудшению эффективных параметров и росту продуктов

неполного окисления топлива на обоих современных типах поршневых

ДВС. Объяснено это может быть возникновением проблемы

воспламенения и смесеобразования. Во втором случае – вследствие

недостаточной однородности распределения воды и топлива в объѐме

камеры сгорания. Неоднородность распределения воды и топлива по

объѐму камеры сгорания может быть выражена двумя негативными

явлениями:

- в областях, где концентрация воды минимальна, будет иметь место

простое горение топлива, что повлечѐт локальное повышение

температуры и, следовательно, локальный очаг образования оксидов

азота.

- в областях, где концентрация воды максимальна, воспламенение может

вообще не произойти вследствие интенсивного охлаждения, что повлечѐт

ухудшение характеристик двигателя (вплоть до пропусков зажигания) и

повышение выбросов углеводородов.

Таким образом, при осуществлении впрыска воды во впускной

трубопровод поршневого ДВС как с внешним, так и с внутренним

смесеобразованием, невозможно полноценно использовать эффект

понижения эмиссии NOx без негативного влияния на рабочий процесс

двигателя.

Вопросы для самоконтроля

1. Механизм возникновения выбросов продуктов неполного сгорания

топлива и оксидов азота в бензиновых ДВС.

2. Механизм возникновения выбросов продуктов неполного сгорания

топлива и оксидов азота в дизельных ДВС.

3. В чем заключается сложность устранения нейтрализатором ОГ

токсичных выбросов в двигателях с качественным регулированием.

4. Для чего производится рециркуляция ОГ.

5. Механизм снижения концентрации оксида азота при сгорании бедных

предварительно перемешанных смесей. Преимущества и недостатки.

6. Механизм снижения концентрации оксида азота при сгорании

обводненных околостехиометрических смесей. Преимущества и

недостатки.

123

7. Альтернативные силовые установки

Для привода транспортных средств возможно использовать не

только поршневые ДВС, но и другие силовые установки, в том числе

комбинированные или, как их принято называть, гибридные.

Изначально в качестве двигателя для автомобилей использовалась

паровая машина, но, ввиду низкого к.п.д., она была вытеснена

электроприводом, который вскоре также был замещѐн поршневыми ДВС.

На протяжении последних 100 лет не прекращаются попытки заменить

поршневые ДВС на другие альтернативные силовые установки: двигатель

Стирлинга (внешнего сгорания), газотурбинный двигатель, роторно-

поршневой двигатель, топливные элементы. Тем не менее, широкого

распространения такие схемы не получают.

Наиболее вероятной альтернативой, способной хотя бы частично

заменить силовые установки на базе поршневых ДВС, являются

современные электрические силовые установки и гибридные силовые

установки (в составе которых, тем не менее, присутствует поршневой

ДВС).

7.1 Гибридные силовые установки

Вопрос повышения экономичности и экологичности транспортных

средств не ограничивается совершенствованием непосредственно

поршневого ДВС. Снизить расход топлива возможно путѐм реализации

рекуперации кинетической энергии движущегося транспортного

средства, обычно теряемой в виде теплоты при торможении. Уменьшения

расхода топлива и токсичных выбросов, помимо рекуперации энергии

торможения, можно добиться также исключением низкоэффективных

режимов работы ДВС (холостой ход, малые нагрузки).

Для организации рекуперации энергии торможения в условиях

современного автомобиля на его шасси, помимо традиционной силовой

установки на базе поршневого ДВС, должна быть установлена другая

силовая установка, способная преобразовывать кинетическую энергию

движущегося транспортного средства при торможении в удобный для

хранения и накопления вид, и расходовать накопленную энергию при

ускорении или езде с малой скоростью. Силовая установка, состоящая из

двух и более силовых установок, работающих на разнородной энергии,

называется гибридной.

124

Уменьшить продолжительность работы двигателя на

низкоэффективных режимах также можно, например, за счѐт системы

«Старт-Стоп», принудительно останавливающей двигатель при остановке

автомобиля, что позволяет значительно повысить экономичность,

особенно в городских условиях.

В то же время гибридные силовые установки обладают рядом

существенных недостатков:

1. Повышенная сложность конструкции и системы управления.

2. Увеличенная масса.

3. Увеличенная стоимость, в том числе и эксплуатационная.

Автомобили, оборудованные гибридными силовыми установками,

часто условно называют «гибридами», что некорректно.

Типы гибридных силовых установок

Гибридные силовые установки различаются в зависимости от того,

какой вид энергии используется в силовой установке, работающей в паре

с традиционным поршневым ДВС. В настоящее время выделяют два

основных типа гибридных силовых установок: электрические и

механические.

В механических гибридных силовых установках для накопления

энергии могут быть использованы сосуды, работающие под давлением

(пневматические аккумуляторы, гидроаккумуляторы с пневматическим

накопителем.). Большие массогабаритные показатели систем с

подобными накопителями, а также сложность преобразования энергии

при рекуперации ограничивают их применимость на мобильных

установках.

Также к механическим гибридным силовым установкам относятся

системы на основе инерционных накопителей. В качестве аккумулятора

энергии здесь выступает маховик, раскручиваемый при рекуперативном

торможении до высоких оборотов (порядка 60 тыс. об/мин).

Преимуществами подобной схемы является относительная простота

конструкции и компактность накопителя, широкие температурные

диапазоны работы, отсутствие необходимости преобразования вращения

в другой вид энергии. Основной недостаток – сложность трансмиссии,

согласующей вращение накапливающего маховика и ведущих колѐс

автомобиля. Тем не менее, подобные системы уже используются в

болидах Формулы 1 (в рамках системы KERS - Kinetic Energy Recovery

125

Systems, допущенной к применению в соответствии с техническим

регламентом Формулы 1 от 2009 года). Некоторые ведущие

автомобилестроительные фирмы мира (Volvo, Porsche) работают над

реализацией серийных версий подобной системы (рис. 7.1) [17].

Рис. 7.1 Инерционный накопитель [17].

Большой опыт по созданию гибридных силовых установок

показывает, что рекуперацию, накопление и возвращение энергии на

привод колѐс проще всего организовать посредством преобразования

вращения в электрическую энергию. Именно поэтому наибольшее

распространение в последнее время получили электрические гибридные

силовые установки (далее просто «гибридные силовые установки»).

Основным их недостатком является необходимость использования

аккумуляторных батарей в качестве накопителей электрической энергии.

Даже самые современные электрические аккумуляторы имеют

ограниченный ресурс и низкие показатели удельной запасаемой энергии,

что влечѐт необходимость размещения на шасси автомобиля массивных

аккумуляторных комплексов. Кроме того, электрические аккумуляторы

имеют узкий температурный диапазон работы, что вынуждает

использовать специальные подогревающие или охлаждающие системы.

Определѐнные трудности вызывает также утилизация отработавших

аккумуляторов [4].

Несмотря на то, что наиболее динамично автомобили с гибридными

силовыми установками развиваются последние 20 лет, основы технологии были заложены ещѐ в начале 20 века. Так, первым подобным

126

автомобилем считается Lohner-Porsche, построенный в 1900-1901 годах

известным конструктором Фердинандом Порше, основателем

одноимѐнной автомобильной компании (рис. 7.2).

Рис. 7.2 Lohner-Porsche - первый в мире автомобиль с гибридной силовой

установкой

Компоновочные схемы автомобилей с гибридными силовыми

установками

Несмотря на то, что индустрия автомобилей с гибридными

силовыми установками уже практически полностью сформировалась, до

сих пор нет единых подходов к классификации их основных

компоновочных схем. Наиболее часто в литературе встречается их

подразделение на три группы, в зависимости от того, каким образом

осуществляется привод ведущих колѐс автомобиля:

1. Последовательная схема.

2. Параллельная схема.

3. Смешанная схема (последовательно-параллельная).

Главной особенностью последовательной схемы является то, что

ведущие колѐса автомобиля приводятся только от электродвигателя. ДВС

на таком автомобиле выполняет функцию зарядного устройства для

аккумуляторных батарей. Схема автомобиля, оборудованного гибридной силовой установкой с последовательным приводом показана на рис. 7.3.

127

Рис. 7.3 Последовательная схема компоновки автомобиля с гибридной

силовой установкой [4]

Работа подобной системы происходит следующим образом: Тяговый

электродвигатель расходует энергию, запасѐнную в батареях.

Специальная электроника полностью контролирует процесс движения

транспортного средства и по возможности активирует режим

рекуперативного торможения. Но в отличие от электромобилей, при

сильном разряде тяговых батарей запускается поршневой ДВС и, вращая

генератор, заряжает батареи.

Подобная схема давно известна и широко применяется в тех случаях,

когда сложно или нецелесообразно организовывать механическую

трансмиссию (карьерные самосвалы, тепловозы, подводные лодки и т.д.).

К преимуществам последовательной схемы можно отнеси

следующее:

1. Отсутствие сложной механической трансмиссии.

2. Поскольку ДВС при генерировании электроэнергии постоянно

работает на одном и том же режиме, можно максимально оптимизировать

его рабочий процесс под этот режим.

Недостатками такой схемы являются:

128

1. Ограничение максимальной мощности автомобиля максимальной

мощностью электродвигателя, что вынуждает использовать более

мощные, а, следовательно, более тяжѐлые и дорогостоящие

электродвигатели, генераторы и батареи.[4].

2. Низкая эффективность установки, обусловленная потерями энергии

при преобразовании вращения в электричество, аккумулировании и

обратном преобразовании электроэнергии во вращение. Поскольку вся

вырабатываемая на борту энергия проходит двойное преобразование,

потери будут значительно выше, чем на других видах компоновки

гибридных силовых установок.

Характерным представителем последовательной схемы компоновки

автомобиля с гибридной силовой установкой можно назвать Chevrolet

Volt (рис. 7.4).

Рис. 7.4 Схема реализации последовательной компоновки на примере

автомобиля Chevrolet Volt [10]

Этот автомобиль оборудован электродвигателем мощностью 150 л.с.,

питающимся от Т-образного блока литий-ионных батарей с запасом хода

до 65 км. При исчерпании батарей для их подзарядки используется

поршневой ДВС объѐмом 1,4 литра и мощностью 84 л.с. Топливо –

бензин либо его смесь с этанолом (Е85).

В отличие от рассмотренной выше последовательной схемы,

параллельная схема компоновки автомобиля с гибридной силовой

установкой предполагает, что оба двигателя совместно приводят ведущие

колѐса автомобиля. В электрической силовой установке функции двигателя и генератора энергии рекуперативного торможения выполняет

129

одно устройство - обратимый электродвигатель, или мотор-генератор

(G/M). При этом реализация такой схемы возможна двумя путями (рис.

7.5).

Рис. 7.5 Параллельная схема компоновки автомобиля с гибридной

силовой установкой. А – с подключением электромотора через

трансмиссию; Б – с расположением электромотора на оси

коленвала ДВС [4]

В первом случае (рис. 7.5А) ДВС и электродвигатель совместно

вращают ведомые валы коробки переключения передач (КПП).

Специальный механизм внутри КПП суммирует крутящий момент от

обеих энергоустановок и передаѐт его на ведущие колѐса. Такая схема

отличается сравнительной простотой и широкими возможностями по

компоновке узлов и агрегатов на шасси автомобиля. Развитием этой

схемы стало внедрении более сложной трансмиссии (планетарной, либо с

несколькими узлами сцепления), позволяющей приводить ведущие

колѐса либо только от ДВС, либо только от электродвигателя, либо от

ДВС и электромотора совместно, что привело к появлению

принципиально новой, последовательно-параллельной (смешанной)

130

схемы компоновки автомобиля с гибридной силовой установкой, которая

будет рассмотрена ниже.

Во втором случае (рис. 7.5Б) электрический мотор-генератор

устанавливается непосредственно на валу ДВС. Такое решение

дополнительно упрощает конструкцию, поскольку даѐт возможность

использования серийных КПП, но при этом несколько усложняет

размещение гибридной силовой установки на шасси автомобиля.

Характерным представителем параллельной схемы компоновки

автомобиля с гибридной силовой установкой является система IMA

(Integrated Motor Assist), разработанная японской фирмой Honda и

используемая на ряде моделей этой фирмы, в том числе на

автомобиле Honda Civic Hybrid (рис. 7.6).

Рис. 7.6 Гибридная силовая установка автомобиля Honda Civic Hybrid,

реализующая параллельную схему [12].

Этот автомобиль оборудован поршневым бензиновым двигателем

(рабочий объѐм 1,5 литра, мощность 110 л.с.), на коленчатом валу

которого установлен плоский электромотор-генератор (мощность 23 л.с.,

вес 20 кг.), выполняющий также роль маховика и стартера. Запасание

электрической энергии и питание электродвигателя осуществляется от

блока литий-ионных батарей (напряжение 144В, вес 22 кг). Трансмиссия

автомобиля не требует каких-либо специфических изменений и в ней

используются серийные узлы и агрегаты (на данном автомобиле

131

устанавливается бесступенчатая коробка передач (вариатор) аналогичная

устанавливаемым на другие модели фирмы Honda, в то числе не

оборудованные гибридной силовой установкой).

Для системы IMA характерны следующие режимы работы:

1. При остановке автомобиля ДВС принудительно глушится.

2. При работе на малых нагрузках (равномерное движение с малыми

скоростями, движение при затруднѐнном трафике) работает только

электродвигатель (до истощения батарей, далее подключается ДВС:

приводит колѐса и заряжает батарею).

3. На режимах средних и высоких нагрузок автомобиль приводится от

ДВС.

4. При максимальной нагрузке электродвигатель и ДВС работают

совместно, выдавая максимально возможную мощность.

5. При рекуперативном торможении ДВС глушится, а

электродвигатель переходит на режим работы генератора.

Положительными сторонами параллельной схемы компоновки

автомобиля с гибридной силовой установкой является простота

конструкции, малые габариты и масса электрической силовой установки.

Немаловажным фактором также является возможность использования

большинства узлов и агрегатов серийных автомобилей (Honda Civic

Hybrid построена на базе серийного автомобиля Honda Civic с

традиционным бензиновым двигателем).

Недостатком схемы является жѐсткая связь между ДВС и

электродвигателем, поскольку в режиме рекуперативного торможения и

при движении только на электродвигателе часть энергии неизбежно

теряется на вращение ДВС. Как следствие, сокращаются возможные

режимы движения только за счѐт электродвигателя[4]. Для уменьшения

потерь на таких режимах движения, посредством фирменной системы

управления фазами газораспределения Honda i-VTEC, отключается

привод клапанов ДВС [12].

Смешанная (последовательно-параллельная) схема компоновки

автомобиля с гибридной силовой установкой, как это следует из

названия, способна функционировать как последовательно, так и

параллельно, в зависимости от режима движения автомобиля. Причина

появления этой схемы заключается в желании избавиться от основного

существенного недостатка параллельной схемы – необходимости вращать

ДВС во время рекуперативного торможения и движения только на электродвигателе. Очевидно, что добиться этого возможно за счѐт

132

введения различных дополнительных узлов и агрегатов: отдельного

генератора, дополнительного сцепления, специфических КПП и так

далее. Следовательно, негативной стороной такого подхода станет

сложность конструкции и увеличение массы. В то же время реализация

смешанной схемы позволит значительно расширить режимы движения,

при которых используется только электродвигатель. По той же причине

увеличится возможность исключения малоэффективных режимов работы

ДВС.

Смешанная схема компоновки автомобиля с гибридной силовой

установкой показана на рис. 7.7.

Рис. 7.7 Последовательно-параллельная (смешанная) схема компоновки

автомобиля с гибридной силовой установкой [4]

Характерным примером реализации смешанной схемы является

автомобиль Toyota Prius, самый популярный в настоящее время

автомобиль с гибридной силовой установкой, выпускаемый японской

компанией Toyota c 1997 года (в период с 1997 по 2011 годы на конвейере

сменилось 3 поколения автомобиля). В последнем поколении этот

автомобиль оборудуется поршневым ДВС объѐмом 1,8 литра и

мощностью 99 л.с., при этом мощность электродвигателя составляет 82

л.с. Электроэнергия запасается в никель-металлогидридных

аккумуляторах (напряжение 201,6В, вес 45 кг) [16].

Особым отличительным элементом это автомобиля, характерным для всех представителей смешанной схемы компоновки автомобиля с

133

гибридной силовой установкой, является уникальная планетарная

трансмиссия (запатентованная технология Toyota Hybrid Synergy Drive),

позволяющая распределять крутящий момент между ДВС,

электродвигателем, генератором и ведущими колѐсами (рис. 7.8).

Рис. 7.8 Планетарная трансмиссия автомобиля Toyota Prius [16]:

1 - маховик; 2 – генератор; 3 - солнечная (центральная) шестерня

планетарного редуктора; 4 - водило с сателлитами планетарного редуктора;

дополнительный планетарный редуктор электродвигателя; 6 - ведущая

шестерня главной передачи (коронная шестерня планетарного редуктора);

7 - ведомая шестерня главной передачи; 8 - электродвигатель

Планетарный редуктор (рис. 7.9), лежащий в основе этой

трансмиссии, состоит из трѐх основных частей: солнечной (центральной)

шестерни, водила, фиксирующего подвижные сателлиты друг

относительно друга и коронной шестерни (эпицикла). Ведущие колеса

автомобиля (через главную передачу) и тяговый электродвигатель

соединены с коронной шестерней, ДВС соединѐн с водилом (то есть с

блоком шестерен-сателлитов), а генератор – с солнечной шестерней.

134

Применение такой системы позволило полностью отказаться от

дополнительной КПП, поскольку обороты ДВС плавно регулируются

электроникой посредством изменения нагрузки генератора (потребляемая

генератором энергия ДВС в зависимости от режима движения и степени

зарядки аккумуляторов может либо запасаться, либо сразу подаваться на

электродвигатель). Для согласования скоростных режимов ДВС и

электродвигателя на данном автомобиле потребовалось включить в

трансмиссию ещѐ один планетарный редуктор, понижающий обороты

электродвигателя (рис. 7.8) [16].

Рис. 7.9 Планетарный редуктор

Принцип регулирования ДВС посредством нагружения сопряжѐнного

с ним генератора позволяет эксплуатировать ДВС на наиболее

эффективных режимах работы. Инженеры фирмы Toyota использовали

эту возможность и в качестве поршневого двигателя гибридной силовой

установки использовали ДВС, работающий по циклу Аткинсона (код

двигателя 2ZR-FXE). В этом двигателе впускные клапана закрываются с

запаздыванием, в результате чего часть свежего заряда вытесняется

обратно во впускную систему. Давление конца сжатия в данном цикле

меньше, чем в двигателе, работающем по циклу Отто той же геометрии.

Это позволяет дополнительно увеличить геометрическую степень сжатия

и, соответственно, степень расширения (степень сжатия ДВС автомобиля

Toyota Prius равна 13). Таким образом, при той же фактической степени

сжатия, двигатель, работающий по циклу Аткинсона, имеет большую

степень расширения, чем двигатель, работающий по циклу Отто. Это дает

возможность более полно использовать энергию расширяющихся в

135

цилиндре газов, что повышает тепловую эффективность двигателя.

Основным недостатком подобного решения является низкая стабильность

работы на малых нагрузках и холостом ходу, что в условиях смешанной

схемы компоновки автомобиля с гибридной силовой установкой

полностью устраняется [16].

Режимы работы смешанной схемы практически не отличаются от

таковых для параллельной схемы. Исключение составляет режим

затруднѐнного движения (в пробках) или движения с малой скоростью,

когда автомобиль передвигается только за счѐт электродвигателя. На

этом режиме при разряде батареи система управления автоматически

запускает ДВС для подзарядки (как в последовательной схеме). В

автомобиле Toyota Prius, ввиду специфики регулирования, на режимах

высоких нагрузок часть энергии, выработанной ДВС, всѐ равно уходит на

привод электродвигателя, питающегося одновременно ещѐ и от батарей

[4].

Классификация гибридных силовых установок по мощности

электрической силовой установки

В параллельных и смешанных схемах компоновки автомобилей с

гибридными силовыми установками возможно широкое варьирование

мощностей как ДВС, так и электродвигателя. Классификация таких

установок производится как по абсолютной, так и по относительной доле

электропривода в суммарной мощности. Относительная доля

представляет собой отношение мощности электрической силовой

установки (элктродвигателя) к суммарной мощности гибридной силовой

установки (мощность ДВС плюс мощность электродвигателя).

Классификация по абсолютной доле (PE) более распространена ввиду

простоты применения. В соответствии с ней выделяют следующие

категории гибридных силовых установок [8]:

1. Микро гибрид (менее 6 кВт)

2. Малый гибрид (6 - 20 кВт)

3. Полный гибрид (более 40 кВт)

В микро гибридах электродвигатель не приводит ведущие колѐса

автомобиля, а используется для запуска ДВС при движении в режиме

«старт-стоп». Такие электродвигатели, как правило, используют

напряжение 12В. Цена автомобиля с подобной системой возрастает

136

ориентировочно на 300 - 800€, а еѐ применение позволяет сократить

потребление топлива на 3 - 6%.

Электродвигатели в малых гибридах не только обеспечивают

движение в режиме «старт-стоп», но и увеличивают максимальную

мощность гибридной силовой установки на высоких нагрузках. Также

они способны обеспечить движение автомобиля с малой скоростью при

заглушенном ДВС. Реализуется преимущественно параллельная схема

компоновки. Электродвигатели здесь работают при напряжении 42В или

144В, а увеличение стоимости автомобиля с такой системой, в

зависимости от характеристик и конфигурации, находится в пределах

1000-2000€. Расход топлива, благодаря реализации принципа

рекуперации энергии торможения, понижается на 10-20%.

В полных гибридах возможна реализация как параллельной (по

аналогии с малыми гибридами), так и смешанной схем компоновки. В

последнем случае, на режимах малых нагрузок, автомобиль способен

долговременно передвигаться на электродвигателе, а ДВС будет

периодически подзаряжать аккумулятор. Такая система, как описывалось

выше, достаточно сложная и дорогостоящая (порядка 4000-8000€).

Рабочее напряжение находится в пределах 250В, а потенциал для

снижения расхода топлива составляет 30-40%.

Тем не менее, возможности микро, малого и полного гибридов

сократить расход топлива в значительной степени зависит от

конкретного ездового цикла (рис. 7.10).

Из рис. 7.10 видно, что использование микро и малого гибридов

выгодно в условиях затруднѐнного городского движения. В обычном

городском режиме движения их эффективность заметно снижается и при

движении по трассе сходит на нет. Полный гибрид наиболее выгоден при

затруднѐнном городском движении, при этом он превосходит другие

гибриды, а также дизельный двигатель. В городском режиме полный

гибрид практически не имеет преимущества по сравнению с

современным дизельным двигателем, а при движении по трассе он ему

заметно уступает [8].

Анализируя вышесказанное можно сделать вывод, что применение

электрических гибридных силовых установок, вне зависимости от схемы

подключения или мощности электродвигателя целесообразно в том

случае, если автомобиль подавляющую часть времени эксплуатируется в

условиях города с плотным движением. Если при эксплуатации автомобиля большая часть времени приходится на движение по трассе,

137

более целесообразным будет использование традиционного дизельного

двигателя.

Рис. 7.10 Экономичность микро, малого и полного гибридов в

сравнении с традиционным дизельным двигателем

на основных ездовых циклах [8]

7.2 Электромобили

Радикальным подходом к вопросу улучшения экологической

обстановки является широкое внедрение электромобилей. В отличие от

автомобилей с гибридными силовыми установками, здесь предполагается

полностью устранить традиционные поршневые двигатели, заменив их

электродвигателями соответствующей мощности.

Электромобили нельзя назвать инновационной разработкой,

поскольку их применение началось ещѐ на заре автомобилизации, задолго

до широкого внедрения поршневых ДВС. Первые экспериментальные дорожные электромобили появились ещѐ в 1840-х годах, но наиболее

138

широко они распространились только в конце 19 - начале 20 века. К 1900

году более половины всех автомобилей в США имело электрический

привод.

Совершенствование электродвигателей и аккумуляторных батарей

позволяло электромобилям выдавать впечатляющие для того времени

показатели. Так, электромобиль Morrison, созданный Уильямом

Моррисоном в 1891 году и предположительно считающийся первым

электрическим экипажем в США, оснащался электродвигателем

мощностью 4 л.с. и имел максимальную скорость 32 км/час. Машина

предназначалась для перевозки 6-12 пассажиров, весила около 2 тонн, а

запас хода составлял 80 км (рис. 7.11).

Рис. 7.11 Электромобиль Morrison, 1891 год

Электромобили Babcock и электрические фаэтоны Bailey,

выпускаемые в 1910-х годах, имели рекордный запас хода до 160 км на

одном заряде аккумуляторов (рис. 7.12).

1 мая 1899 года в предместье Парижа, бельгийский гонщик-

изобретатель Камилл Жанатци на самодельном электромобиле La Jamais-

Contente (от французского «Вечно недовольная») первым в истории

преодолел 100-километровый рубеж скорости с результатом в 105,9 км/ч.

Рекордный электромобиль имел форму снаряда, а суммарная мощность

электромоторов составляла 100 л.с. (рис. 7.13).

139

Рис. 7.12 Электромобили Babcock, 1909 год (слева)

и Bailey, 1909 (справа)

Рис. 7.13 Электромобиль La Jamais-Contente («Вечно недовольная»),

впервые развивший скорость свыше 100 км/ч, 1899 год

Тем не менее, несмотря на бурное развитие электромобилей в начале

20 века, уже к 1910 году их доля рынка вместе с паромобилями снизилась

до 1%. Подавляющее большинство автомобилей начали оснащать быстро

совершенствующимися поршневыми ДВС, использующими в качестве

топлива очень дешѐвые на тот момент продукты переработки нефти.

140

Ухудшение экологической обстановки в крупных городах в 60-е годы

20 века вынудило исследователей вновь вернуться к электромобилям.

Также причиной возобновления интереса стал рост цен на

нефтепродукты, спровоцированный топливными кризисами, а жѐсткие

ограничения выбросов токсичных компонентов, внедряемые в последние

20 лет, вынудили большинство мировых автопроизводителей начать

работы в этом направлении [4].

Электромобили обладают следующими преимуществами:

1. Отсутствие вредных выбросов в месте использования (перенос

экологически вредных процессов выработки энергии к месту

расположения электростанций).

2. Возможность использования для выработки электроэнергии

практически любых источников энергии (использование энергии

атомных электростанций, гидроэлектростанций, солнечных

электростанций и тепловых электростанций, работающих на более

дешѐвом и доступном топливе (уголь, газ, биомасса, торф).

3. Упрощение конструкции автомобиля (в первую очередь двигателя

и трансмиссии), а, следовательно, и процесса его эксплуатации и

обслуживания.

4. Низкий уровень шума

5. Возможность рекуперации энергии торможения.

При очевидной привлекательности такого решения в реальных

условиях внедрение электромобилей сопряжено с рядом принципиальных

трудностей:

1. Необходимость запасания и хранения на борту большого

количества электроэнергии в аккумуляторных батареях, которые к

настоящему времени имеют либо значительно меньшие, чем

углеводородное топливо показатели удельной запасѐнной энергии (а,

следовательно, для приемлемого пробега на одной зарядке такая батарея

будет иметь большую массу и габариты), либо очень дороги. Как

следствие – высокая цена и малый пробег от одного заряда (пробег без

подзарядки современных электромобилей примерно равен пробегу

электромобилей 1910-х годов).

2. Длительное время зарядки аккумуляторов (до 6 - 8 часов от

бытовой электросети) по сравнению с заправкой топливом.

Необходимость разворачивания специальных зарядных станций (в том

числе в городах с плотной застройкой)

141

3. При широком распространении электромобилей прогнозируется

нехватка электроэнергии, что повлечѐт строительство большого

количества новых электростанций и, как следствие, повышение тарифов

на электроэнергию.

4. Экологически небезопасное производство аккумуляторных батарей

и необходимость их утилизации.

5. Низкий суммарный КПД системы «топливо – электроэнергия–

механическая энергия на валу электродвигателя автомобиля». КПД

производства механической энергии, с учѐтом выработки и

транспортировки электроэнергии составляет примерно 15%, тогда как

КПД дизельного ДВС находится в пределах 40% [4]. Кроме того, как

показали исследования Британской ассоциации по аренде и лизингу

автомобилей (BVRLA), 3-х годичная эксплуатация серийного

электромобиля Nissan Leaf со всеми льготами обходится примерно на

5000 фунтов стерлингов дороже, чем аналогичного автомобиля с

дизельным двигателем [5].

6. Увеличение расхода электроэнергии из-за необходимости

обеспечивать вспомогательные устройства, например климатическую

установку, которая в традиционном автомобиле использовала тепло,

отводимое системой охлаждения ДВС [4].

Компоновка электромобилей

За последние 100 лет принципиальная схема электромобиля

практически не поменялась (рис. 7.14).

Рис. 7.14 Компоновочная схема электромобиля [4]

142

Силовая установка состоит из трѐх основных элементов: Тяговых

высоковольтных аккумуляторных батарей, блока управления и

электродвигателя. Блок управления, в зависимости от положения

управляющих органов водителя, регулирует подачу электроэнергии от

тяговых батарей на привод электродвигателя. При замедлении

автомобиля переключает двигатель в генераторный режим, обеспечивая

рекуперацию кинетической энергии.

В современных электромобилях такая простейшая компоновка

дополняется узлом зарядки батарей, дополнительными источниками

питания, защитными устройствами и т.д. (рис. 7.15)

Рис. 7.15 Блок-схема современного электромобиля [4]

На рис. 7.15 цифрами обозначено:

1. Зарядное устройство. Обеспечивает подключение электромобиля к

электросети, преобразует переменное напряжение в постоянное для

заряда тяговых и вспомогательных аккумуляторных батарей.

2. Устройство защиты. Блок реле и предохранителей, которые

включены между аккумуляторной батареей и потребителями.

3. Тяговая аккумуляторная батарея.

4. Блок управления.

5. Вспомогательная аккумуляторная батарея. Обычно имеет

напряжение 12В. Обеспечивает работу вспомогательных устройств с

малым потреблением энергии (осветительных приборов, панели приборов, стеклоподъемников, и т.д.)

143

6. Система климат-контроля салона. Является потребителем с

большим расходом электроэнергии и обычно питается от тяговых

батарей. Состоит из кондиционера и электроотопителя.

7. Электронный контроллер электродвигателя. Формирует требуемый

вид напряжения питания, таким образом управляя числом оборотов и

крутящим моментом двигателя.

8. Электродвигатель.

9. Механическая трансмиссия (использоваться при необходимости

совместно с некоторыми видами электродвигателей).

10. Органы управления электромобилем.

11. Колеса электромобиля.

Электродвигатели и контроллеры

Для управления тяговыми электродвигателями необходимо изменять

обороты двигателя и крутящий момент на валу в соответствии с

воздействиями водителя и изменяющимися условиями движения,

ограничивать максимальный ток. Для этих целей используется

электронный контроллер электродвигателя, который должен

обеспечивать:

Плавное регулирование оборотов двигателя.

Рекуперация энергии при торможении.

Защита от перегрузок и перегрева.

Реверс.

В электромобилях используются электроприводы постоянного и

переменного тока. В приводах постоянного тока используются

традиционные коллекторные электродвигатели с последовательным

возбуждением. Обороты регулируются с помощью импульсных

преобразователей постоянного напряжения. В бесколлекторных

двигателях постоянного тока значительно снижается необходимость в

обслуживании.

Двигатели переменного тока недороги, практически не нуждаются в

обслуживании. Для их управления нужны сложные трехфазные

инверторы, формирующие напряжение переменной частоты. К электродвигателям, применяемым на электромобилях,

предъявляется ряд специфических требований:

Высокая эффективность.

Простота техобслуживания.

144

Малый вес и габариты.

Способность выдерживать перегрузки и загрязнение.

Безопасность.

Для удовлетворения этих требований производителями

электромобилей специально разрабатываются электродвигатели под

конкретный автомобиль в соответствии с его массогабаритными

характеристиками. Обычно на электромобилях используются

электродвигателя следующих типов:

1. Трехфазные асинхронные электродвигатели переменного тока с

короткозамкнутым ротором. Управление скоростным режимом двигателя

осуществляется за счѐт специального контроллера, изменяющего частоты

питающего напряжения. Такая конструкция практически не требует

обслуживания. КПД двигателя зависит от оборотов. Момент на валу

изменяется при переключении обмоток статора с треугольника на звезду

и обратно. При соединении обмоток статора в треугольник двигатель

развивает большие обороты, что необходимо при равномерном движении

(например, по шоссе). При соединении в звезду увеличивается момент на

валу двигателя, чем обеспечиваются такие режимы движения как

трогание с места, ускорение, движение на подъем. Переключение

обмоток звезда-треугольник аналогично переключению скоростей в

коробке передач.

2. Электродвигатели постоянного тока с последовательным

возбуждением. Имеют хорошие скоростные и тяговые характеристики.

Поскольку обороты такого двигателя пропорциональны напряжению

питания, проще организовать управление скоростным режимом. По

сравнению с двигателями переменного тока у двигателей постоянного

тока более низкий КПД, сложнее конструкция, ниже максимальные

обороты, они нуждаются в регулярном обслуживании, более

чувствительны к перегрузкам. На электромобилях с двигателями

постоянного тока устанавливают многоскоростные механические

коробки передач.

В двигателях постоянного тока, используемых на электромобилях,

обмотки возбуждения и ротора включаются последовательно. При

трогании момент на валу такого двигателя большой, но падает с ростом

оборотов. Такая характеристика удовлетворительна для езды по городу,

но малопригодна для движения по шоссе. Поэтому па некоторых

электромобилях используются электродвигатели со смешанным (последовательно-параллельным) включением обмоток возбуждения.

145

3. Бесколлекторные электродвигатели постоянного тока состоят из

ротора на базе постоянных магнитов и трех- или четырехсекционной

обмотки на статоре. Электронный коммутатор поочередно возбуждает

секции обмотки так, чтобы возникающее магнитное поле постоянно

приводило в движение ротор с магнитами. Позиция ротора определяется

системой управления с помощью датчика положения.

Преимуществами такой схемы перед обычными электродвигателями

постоянного тока является отсутствие стираемых щеток, искрения в

коллекторе, его эффективность и надежность. Бесколлекторные

электродвигатели постоянного тока особенно эффективны при езде с

высокой постоянной скоростью. Основной недостаток - высокая

стоимость. При размещении на электромобиле обычно оборудуются

одноступенчатой коробкой передач (редуктором) [4].

Бортовые источники электроэнергии

В качестве источников электрической энергии для электромобилей

предполагается использовать следующие основные устройства:

Аккумуляторные батареи,

Ионисторы (суперконденсаторы),

Топливные элементы.

Несмотря на все современные достижения, ни топливные элементы,

ввиду дороговизны и сложности, ни ионисторы, из-за малого значения

удельной запасаемой энергии, не нашли широкого применения в

электромобилях. Вследствие этого основными источниками энергии для

электромобилей, как и сто лет назад, остаются химические аккумуляторы,

объединѐнные в тяговые аккумуляторные батареи [4].

Энергия, запасѐнная в тяговых аккумуляторных батареях,

затрачивается на привод ведущих колѐс и обеспечение внутренних

потребителей (либо напрямую, как, например, в случае климатической

установки, либо посредством вспомогательной аккумуляторной батареи с

низким напряжением). К тяговым аккумуляторным батареям

предъявляются следующие требования:

Высокая удельная энергия и мощность.

Высокий КПД.

Большое число циклов «заряд-разряд».

Низкая стоимость.

146

Безопасность.

Надежность.

Незначительные затраты па техническое обслуживание.

Малое время заряда.

Восстанавливаемость материалов.

В настоящее ни один из производимых аккумуляторов не

соответствуют большинству из предъявляемых требований. Основные

недостатки - недостаточная надѐжность, малый срок эксплуатации,

большое время заряда, малая удельная энергия аккумуляторов

ограничивают широкое распространение электромобилей. Из всей

номенклатуры современных аккумуляторов на электромобилях

применяются только четыре типа, основные характеристики которых

приведены в табл. 7.1 [15].

Табл. 7.1

Тип аккумулятора

Удельная

энергия

[Вт*час/кг]

Удельная

мощность

[Вт/кг]

Плотность

энергии

[Вт*час/дм3]

Цена

[€/кВт*час]

Свинцово-

кислотные 32 430 68 100-150

Никель-

кадмиевые 35 700 100 225-350

Никель-

металлогидридные 40 1200 100 225-300

Литий-ионные 70 2000 150 > 700

Самым популярным типом аккумуляторов, используемым в

настоящее время, как в традиционных автомобилях, так и в

электромобилях, являются свинцово-кислотные аккумуляторы. Их

принцип работы основан на электрохимических реакциях свинца и

диоксида свинца в сернокислотной среде. Во время разряда происходит

восстановление диоксида свинца на катоде и окисление свинца на аноде.

При заряде протекают обратные реакции, к которым в конце заряда

добавляется реакция электролиза воды, сопровождающаяся выделением

кислорода на положительном электроде и водорода - на отрицательном,

что определяет необходимость вентиляции секций батареи.

Такие аккумуляторы характеризуются малой стоимостью и высокой

надѐжностью, но заметно проигрывают другим типам аккумуляторов по

удельной энергии и мощности. С понижением температуры

характеристики свинцово-кислотных аккумуляторов постепенно

147

ухудшаются, но не так резко, как это происходит на других типах

аккумуляторов, чем отчасти объясняется их широкое применение на

транспорте. Применение в качестве электролита серной кислоты

негативно влияет на окружающую среду [4].

Никель-кадмиевые аккумуляторы (Ni-Cd) выпускаются в виде

герметичных блоков, поскольку образующиеся при зарядке газы

специальным образом рекомбинируются и не выходят за пределы

батареи, что исключает необходимость слежения за уровнем электролита.

Анодом является гидрат закиси никеля Ni(OH)2 с небольшим

добавлением графитового порошка, электролитом - гидроксид калия KOH

с добавкой гидроксида лития LiOH, катодом - гидрат закиси кадмия

Cd(OH)2 или металлический кадмий Cd.

Основной процесс, происходящий на положительном оксидно-

никелевом электроде в цикле заряда-разряда аккумуляторов, описывается

следующим образом:

Ni(OH)2 + OH- → NiOOH + H2O + e

- (заряд)

NiOOH + H2O + e- → Ni(OH)2 + OH

- (разряд)

На отрицательном кадмиевом электроде аккумулятора проходит

реакция:

Cd(OH)2 + 2e- → Cd + 2OH

- (заряд)

Cd + 2OH- → Cd(OH)2 + 2e

- (разряд)

Преимущества:

возможность быстрого заряда, даже после длительного хранения

аккумулятора;

большое количество циклов заряд/разряд;

хорошая нагрузочная способность и возможность эксплуатации при

низких температурах;

продолжительные сроки хранения при любой степени заряда;

наибольшая приспособленность для использования в жестких

условиях эксплуатации;

приемлемая стоимость;

Недостатки:

относительно низкая энергетическая плотность;

«эффект памяти» (образование двойного электрического слоя в

электрохимической системе аккумулятора если зарядка была начата

до фактической разрядки, что ведѐт к падению напряжения) и

необходимость проведения периодических работ по его устранению;

токсичность применяемых материалов;

148

высокий саморазряд [4].

В никель-металлгидридных аккумуляторах (Ni-MH) в качестве

положительного электрода используется оксидно-никелевый электрод,

как и в никель-кадмиевом аккумуляторе, а электрод из сплава никеля с

редкоземельными металлами (например, сплав лантан-никель-кобальт,

La-Ni-Co), поглощающий водород, используется вместо отрицательного

кадмиевого электрода.

На положительном оксидно-никелевом электроде Ni-MH

аккумулятора протекает реакция:

Ni(OH)2 + OH- → NiOOH + H2O + e

- (заряд)

NiOOH + H2O + e- → Ni(OH)2 + OH

- (разряд)

На отрицательном электроде металл с абсорбированным водородом

превращается в металлгидрид:

M + H2O + e- → MH + OH

- (заряд)

MH + OH- → M + H2O + e

- (разряд)

Ni-MH аккумуляторы, по сравнению с Ni-Cd аккумуляторами, имеют

повышенную ѐмкость, практически лишены «эффекта памяти» и

безопасны для окружающий среды (благодаря исключению токсичного

кадмия). В то же время их срок службы меньше, чем у Ni-Cd

аккумуляторов, а саморазряд выше [4].

В качестве отрицательного электрода литий-ионных аккумуляторов

(Li-ion) применяется углеродистый материал, в который обратимо

внедряются ионы лития. Активным материалом положительного

электрода обычно служит оксид кобальта, в который также обратимо

внедряются ионы лития. Электролитом является раствор соли лития в

неводном растворителе (или полимерный материал с включениями

гелеобразного литий-проводящего наполнителя в более совершенных

литий-полимерных аккумуляторах).

При разряде Li-ion аккумулятора происходят выделение лития из

углеродного материала (на отрицательном электроде) и внедрение лития

в оксид кобальта (на положительном электроде). При заряде

аккумулятора процессы идут в обратном направлении:

На положительных пластинах:

LiCoO2 → Li1-xCoO2 + xLi+ + xe

-

На отрицательных пластинах:

С + xLi+ + xe

- → CLix

Преимущества:

Высокая энергетическая плотность,

149

Низкий саморазряд,

Отсутствие эффекта памяти,

Простота обслуживания.

Недостатки

Возможность взрывного разрушения при перезаряде и/или

перегреве (требуется специальная защитная система),

Выход из строя при глубоком разряде,

Старение,

Ограниченный температурный диапазон работы,

Высокая цена [4].

Вопросы для самоконтроля

1. Какие альтернативные силовые установки считаются наиболее

перспективными?

2. Что такое гибридные силовые установки?

3. В чѐм особенность механических гибридных силовых установок?

4. В чѐм особенность электрических гибридных силовых установок?

5. Чем характерна последовательная схема компоновки автомобиля с

гибридной силовой установкой?

6. Чем характерна параллельная схема компоновки автомобиля с

гибридной силовой установкой?

7. Чем характерна смешанная схема компоновки автомобиля с

гибридной силовой установкой?

8. Что такое электромобиль? Как устроен?

9. Какие электродвигатели используются на электромобилях?

10. Какие источники электроэнергии используются на электромобилях?

150

Список литературы

1. Варнатц Ю. Горение. Физические и химические аспекты,

моделирование, эксперименты, образование загрязняющих веществ /

Ю. Варнатц, У. Маас, Р. Диббл; Пер. с англ. Г.Л. Агафонова; Под ред.

П.А. Власова. – М.: ФИЗМАТЛИТ, 2003. – 352 с.

2. Воинов А.Н. Сгорание в быстроходных поршневых двигателях. – М.:

Машиностроение, 1977. – 277 с.

3. Кульчицкий, А. Р. Токсичность автомобильных и тракторных

двигателей: учеб. пособие – М.: Академический проспект, 2004. – 400

с.2. C.

4. Соснин Д.А., Яковлев В.Ф. Новейшие автомобильные электронные

системы. –М.: СОЛОН-Пресс, 2005. – 240 с.

5. British vehicle rental and leasing association, http://www.bvrla.co.uk

6. C. Arcoumanis, T. Kamimoto. Flow and Combustion in Reciprocating

Engines. Springer-Verlag Berlin Heidelberg, 2009.

7. Carsten Baumgarten .Mixture Formation in Internal Combustion

Engines. Springer-Verlag Berlin Heidelberg 2006.

8. Cornel Stan. Alternative antriebe für automobile. Springer-Verlag Berlin

Heidelberg, 2008. – 343 p.

9. Emission Control Technologies for Diesel-Powered Vehicles. //

Manufacturers of Emission Controls Association, Washington, D.C. 2007.

– 42 p.

10. GMC, http://www.chevrolet.com

11. Helmut Eichlseder,Manfred Kluting, Walter F. Piock. Grundlagen und

Technologien des Ottomotors. Der Fahrzeugantrieb. Springer-Verlag/Wien

2008.

12. Honda Motor, http://automobiles.honda.com

13. J. G. Smyth, D. P. Sczomak, F. Indra. Zentraleinspritzung - die Zukunft

der Direkteinspritzung? Central Injection - the Heart of the Next

Generation DI-Gasoline Engine? Aachener Kolloquium Fahrzeug- und

Motorentechnik 2001.

14. Rainer Golloch. Downsizing bei Verbrennungsmotoren. Springer-Verlag

Berlin Heidelberg 2005.

15. Richard van Basshuysen (Hrsg.). Ottomotor mit Direkteinspritzung.

Verfahren, Systeme, Entwicklung, Potenzial. Friedr. Vieweg & Sohn

Verlag | GWV Fachverlage GmbH, Wiesbaden 2007

16. Toyota Motor, http://www.toyota.com

17. Volvo Group, http://www.volvogroup.com