Гайдачук А.В., Пода В.Б. Двигатели внутреннего сгорания. Введение в специальность

Подождите немного. Документ загружается.

гидравлическим устройством. При режимах работы ниже 5300 об/мин

открытием и закрытием клапанов управляют только два наружных

толкателя, а при режимах свыше 5300 об/мин вступает в работу

центральный толкатель, увеличивая подъем клапанов и изменяя

фазы газораспределения. Такая система фазовращения применяется

на двигателях CRX-VTEC, устанавливаемых на автомобилях моделей

Honda CRX и Civic 1,6i. На более поздних двигателях

этой фирмы

стали устанавливать усовершенствованные системы VTEC,

позволяющие изменять фазы газораспределения и высоту подъема

клапанов не только на высоких оборотах, но и на средних и малых.

В 2001 году фирма BMW внедрила на своих двигателях

устройство Valvetronic, изменяющее фазу открытия впускных

клапанов за счет изменения плеча коромысел, толкающих клапаны, с

помощью дополнительного эксцентрикового

вала. Это устройство

настолько улучшило газообмен, что позволило отказаться от

традиционной для поршневых двигателей дроссельной заслонки во

впускном канале двигателя, которая регулировала количество

поступающего в цилиндры воздуха.

Еще одной разновидностью системы фазовращения,

применяемой на современных двигателях, является система

газораспределения, сконструированная итальянским инженером Титоло

в компании FIAT. В этой системе применен распределительный вал

коническими кулачками относительно большой ширины, имеющими в

разных своих сечениях, перпендикулярных оси вала, различные высоту

и профиль. Кулачки воздействуют на качающиеся опорные тарелки

клапанов. В зависимости от режима работы двигателя под

воздействием гидропривода происходит осевое смещение

распределительного вала. Там самым на тарелку клапана воздействуют

различные профили кулачка, вызывая изменение

фаз его открытия и

закрытия и высоты подъема.

В настоящее время все большую популярность начинают

приобретать системы газораспределения без кулачкового

распределительного вала. В таких системах каждый клапан

управляется непосредственно гидравлическим или электрическим

приводом. Можно предположить, что именно за этими системами

большое будущее, т. к. они позволяют плавно изменять фазы

газораспределения и

высоту подъема клапанов во всем диапазоне

режимов работы двигателя, что должно приводить к максимальной

экономии топлива.

4.1.3. Новые способы подачи топлива и смесеобразования

Экономичность работы поршневого двигателя и состав

выхлопных его газов во многом зависят от того, на каком участке

впускного тракта и каким образом происходит процесс смешивания

топлива с воздухом, а также от их соотношения в образующейся

топливовоздушной смеси.

Подавляющее большинство, а точнее будет сказать, почти все

бензиновые двигатели, до 70 – 80-х годов работали по

карбюраторной схеме и только некоторые авиационные бензиновые

двигатели использовали систему с непосредственным впрыском

топлива в цилиндры (см. подразд. 3.2). Как уже говорилось, такая

карбюраторная

схема ограничивала степень сжатия в цилиндрах

бензиновых двигателей, что снижало их экономичность, а высокая

температура сгорания при почти стехиометрическом коэффициенте

избытка воздуха приводила к большому количеству вредных

выбросов по сравнению с дизелями. Низкие экономичность и

токсичность карбюраторных двигателей были вызваны также

затруднениями при регулировании в широких пределах состава

топливовоздушной смеси, тем

более в зависимости от режимов

работы двигателя, и неравномерностью подачи подготовленной

смеси к цилиндрам.

Под давлением требований к экономии топлива и снижению

токсичности выбросов поршневых двигателей с 70-х годов начинают

появляться так называемые инжекторные двигатели с впрыском

топлива с помощью форсунок либо в центральный впускной

трубопровод (центральное впрыскивание топлива (ЦВТ

)), либо

во впускные каналы каждого цилиндра непосредственно перед их

впускными клапанами (распределенное впрыскивание топлива

(РВТ)). Последние системы оказались наиболее эффективными, т. к.

позволяли с использованием электронного управления создавать

оптимальное для данного режима двигателя смесеобразование в

каждом цилиндре и даже, при необходимости, на режимах холостого

хода или малых оборотов отключать то

или иное количество

цилиндров.

На данный момент эра

карбюраторных двигателей

так же, как и недолго просу-

ществовавших систем с ЦВТ,

практически закончилась. Как

показано на рис. 4.1, доля вы-

пускаемых карбюраторных

двигателей и двигателей с

системами ЦВТ снизилась к

2005 г. до 1,4 и 0,3% соответ-

ственно. Явно доминирующее

положение сегодня занимают

двигатели с

системами РВТ –

к 2005 г. их количество рас-

ширилось до 95%.

1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005

Годы

–

НВТ

– РВТ

– ЦВТ

– карбюратор

Рис. 4.1. Относительное

применение различных систем

топливоподачи в бензиновых

двигателях

На рубеже веков начался новый виток развития систем

впрыскивания топлива – все большее распространение получают

двигатели с системами непосредственного впрыскивания

топлива (НВТ) в цилиндры (как это принято в дизелях) и

принципиально новым электронным управлением. Появление таких

систем объясняется в основном стремлением конструкторов

приспособить бензиновый двигатель к работе на бедных смесях с

коэффициентами избытка воздуха

α > 2. При работе на бедных

смесях появляется возможность увеличения степени сжатия

ε в

цилиндрах бензиновых двигателей до 12…16 и даже выше, что

позволяет значительно поднять коэффициент полезного действия

бензинового двигателя.

Первыми на пути применения систем НВТ к автомобильным

двигателям успеха добились японцы. Компания Mitsubishi

запатентовала систему впрыска GDI (Gasoline Direct Injection) и

успешно опробовала ее на двигателях автомобилей Mitsubishi

Carisma. При небольших нагрузках двигатель работает на очень

бедных

смесях с α ≈ 2,7. Поджечь такую смесь трудно, поэтому

топливо впрыскивается в цилиндр в конечной стадии процесса

сжатия. При движении поршня к ВМТ благодаря специальной форме

рабочей поверхности его днища он закручивает сжимаемый воздух.

Центр образующегося смерча фокусируется возле свечи зажигания,

куда впрыскивается порция топлива, которое и поджигается свечой.

При средних и высоких нагрузках

топливо подается дважды. Первую

«пилотную» порцию топлива впрыскивают на такте впуска. Она

смешивается с воздухом в ничтожной пропорции 60:1 (

α = 4,14),

попутно снижая температуру в цилиндре. Это снижает вероятность

детонации смеси. Основная порция топлива впрыскивается в конце

такта сжатия. В цилиндре происходит так называемое послойное

смесеобразование. Использование системы GDI позволяет

сэкономить 10…15% топлива, особенно при работе двигателя на

режимах, соответствующих трети нагрузки.

Тем не менее системы НВТ, подобные GDI, не позволили

избавиться от большого

количества окислов азота NO

в выхлопных

газах из-за высоких температур сгорания смеси. Для их снижения

приходится устанавливать дорогостоящие нейтрализаторы в системе

выпуска. Кроме того, двигателю с непосредственным впрыском

требуется бензин с минимальным количеством серы, т. к. довольно

большое ее количество в обычном бензине быстро выводит из строя

нейтрализаторы. Впрочем, сегодня в Европе низкосернистое

топливо

уже освоено и «сернистый барьер» уходит в прошлое, а некоторые

фирмы уже разработали двигатели с непосредственным впрыском,

способные работать на обычном бензине, например двигатели для

автомобилей BMW 7-й серии или Porsche Carrera.

Совершенствование систем впрыска в бензиновых двигателях

привело также к увеличению точности и быстродействия впрыска, что

позволило значительно расширить диапазон оборотов и нагрузок, в

котором двигатель может работать на бедных смесях.

Внедрение новых систем топливоподачи является также одним

из перспективных направлений и для конструкторов дизельных

двигателей, т. к. для дизелей важнейшим

фактором, определяющим

показатели рабочего процесса является применяемая схема

смесеобразования. Использование дизелей на автомобильном

транспорте началось с предкамерных и вихрекамерных конструкций

(разделенные камеры сгорания), которые в подавляющем

большинстве случаев применялись до конца XX века. Разделенные

камеры сгорания – это такие камеры, у которых помимо главной

камеры сгорания между днищем поршня и крышкой цилиндра

имеется одна или несколько дополнительных камер, например,

предкамеры, вихревые камеры и т. д. Такие дополнительные камеры

соединяются с главной посредством каналов или сопел, в них

впрыскивают либо частичный, либо полный заряд топлива.

В последние годы наметилась четкая тенденция к расширению

применения непосредственного впрыскивания топлива в главную и

единственную камеру сгорания (

конструкции с неразделенной

камерой). Наиболее наглядно эта тенденция продемонстрирована

на рис. 4.2. Так, в течение десятилетия до 2005 г. доля дизелей с

неразделенными камерами

сгорания увеличилась с 17%

в 1996 г. почти до 91% в

2005 г. Согласно прогнозам

ведущих специалистов в

ближайшем будущем все

автомобильные дизели бу-

дут производиться только с

неразделенными камерами

сгорания, т.

к. они обладают

наибольшей экономичностью

и меньшей токсичностью по

сравнению с дизелями с

разделенными камерами.

К концу 90-х годов в

серию начали поступать пер-

вые дизели с разработанной

фирмой Bosch новой системой топливоподачи Сommon – Rail, с

едиными для группы цилиндров топливной рампой и электронным

управлением. Здесь топливо подается к форсункам цилиндров

насосом высокого давления через топливную рампу, именуемую

Common – Rail. Давление в рампе контролируется электроникой в

1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005

Годы

–

азделенные

КС

– неразделенные КС

Рис. 4.2. Относительное применение

различных конструкций камер

сгорания в автомобильных дизелях

зависимости от оборотов и нагрузки двигателя. Эти системы позволяют

держать наготове достаточный запас сжатого до очень высоких

давлений (133…180 МПа) топлива и в необходимый момент под

управлением электронной системы впрыскивать его через форсунки в

цилиндры. Заметим, что для дизелей очень важным является

достижение как можно более высоких давлений подачи топлива к

форсункам. В этом случае распыл топлива форсункой получается

более тонким и однородным, что приводит к заметному улучшению

процесса его сгорания, а значит, к повышению экономичности дизеля и

снижению вредных выбросов. Использование топливной системы

Сommon – Rail обеспечивает лучшее смесеобразование в цилиндрах,

что приводит почти к 20-процентной экономии топлива и снижению на

треть вредных

выбросов в атмосферу.

Сегодня также разрабатываются и внедряются дизельные

топливные системы с двухступенчатым повышением давления

впрыска. Вначале насос нагнетает топливо в аккумулирующий

резервуар до 135 МПа, а затем давление поднимают до 220 МПа, под

которым оно и поступает к форсункам.

Уже не первый год применяют в дизелях «пилотный впрыск»:

первая порция топлива

поступает в цилиндры чуть раньше основной

дозы, чем достигается более мягкая работа дизеля и более чистый

выхлоп.

Еще более прогрессивными являются внедряемые в настоящее

время системы топливоподачи с индивидуальными для каждого

цилиндра пьезоэлектрическими насосами-форсунками.

Применение таких насосов-форсунок позволяет значительно

повысить давление впрыска топлива по сравнению с традиционными

системами, использующими

единые топливные насосы высокого

давления. Кроме того, они отличаются высоким быстродействием –

до 0,1 миллисекунды (вчетверо меньшим, чем прежние

механические). Компьютерное управление позволяет за один рабочий

цикл произвести несколько впрыскиваний топлива. Чтобы избежать

жесткого процесса сгорания, в цилиндр на стадии сжатия

производится один или несколько «пилотных» впрысков. В конечной

стадии сжатия впрыскивается

основная порция, после воспламенения

которой может производиться еще пара коротких впрыскиваний

топлива для улучшения состава отработавших газов. Примером может

служить дизель Psa – Ford совместной разработки компаний Peugeot –

Citroën и Ford, в котором применены и система Common –Rail с

давлением 180 МПа, и пьезоэлектрические форсунки, впрыскивающие

топливо в цилиндр через семь 135-микронных отверстий шесть раз за

один оборот. Результатами

применения такой системы впрыскивания

топлива в этом дизеле стали: более чистый выхлоп, экономия топлива,

снижение вибраций. Подобный многоступенчатый впрыск топлива

используется и в технологии Multijet дизеля JM – FIAT.

Интерес представляют также результаты анализа относительного

количества бензиновых двигателей и дизелей, устанавливаемых

преимущественно на легковые автомобили. Так, за десятилетие с 1996 по

2005 гг. наметилась устойчивая тенденция увеличения относительного

количества автомобильных дизелей с 11 до 22% (рис. 4.3). Это может

объясняться, главным обра-

зом, большей экономич-

ностью и меньшей токсич-

ностью выхлопных газов

дизелей по

сравнению с

бензиновыми двигателями.

В 2007 г. компания

Mercedes – Benz удивила

мир сообщением об успеш-

ном испытании бензинового

двигателя с новой техноло-

гией смесеобразования и

объемного сгорания, назван-

ной DiesOtto. Суть техно-

логии заключается в органи-

зации процесса получения в

цилиндре двигателя гомоген-

ной смеси бензина с возду-

хом с последующим ее самовоспламенением

. В результате этого

бензиновый двигатель работает как дизель и сочетает в себе все

преимущества бензиновых и дизельных двигателей – увеличивается КПД

двигателя, снижаются удельный расход топлива и содержание в

выпускных газах оксидов азота NO

. Так, мерседесовский

четырехцилиндровый двигатель DiesOtto объемом 1,8 л развивал

мощность 238 л.с. при крутящем моменте 400 Нм и расходовал при этом

всего 5,9 л высокооктанового бензина на 100 км. Для возможности работы

этого двигателя на всех режимах по количеству оборотов и крутящему

моменту в его конструкции предусмотрены системы фазовращения и

изменения степени сжатия в пределах

от 8 до 14 (см. подразд. 4.1.4).

Компания планирует в 2009 г. выпустить на рынок автомобили Mercedes

Е-класса W212 с двигателем, работающим по технологии DiesOtto. Над

созданием подобных двигателей сегодня работают и в компании

Volkswagen – технологии GСI (Gasoline Compression Ignition) и CCS

(Combined Combustion System).

4.1.4. Регулируемый процесс сжатия

На протяжении всей истории поршневых двигателей такой

важный их параметр, как степень сжатия

ε, давали двигателю при

рождении на всю его жизнь. Так же, как и моменты открытия и

1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005

Годы

– бензиновые двигатели

– дизельные двигатели

Рис. 4.3. Относительное количество

выпускаемых бензиновых и

дизельных автомобильных

двигателей

закрытия впускных и выпускных клапанов (фазы газораспределения),

степень сжатия выбирали или рассчитывали, исходя из работы

двигателя на номинальном режиме.

Для бензиновых двигателей, как уже отмечалось, степень

сжатия ограничивается возможностью появления детонационного

(взрывного) горения воздушно-бензиновой смеси. На частичных же

режимах или нагрузках работы двигателя проблем с возникновением

детонации гораздо меньше

. Поэтому степень сжатия в бензиновых

двигателях на режимах ниже номинального можно поднимать вплоть

до

ε = 15…16 вместо применяемых в настоящее время на

номинальном режиме значений

ε = 7…10. Наиболее актуально

использование переменной степени сжатия в комбинированных

поршневых двигателях, как в бензиновых, так в дизелях, для

поддержания максимально возможного давления сгорания смеси p

на всех режимах на уровне, соответствующем номинальному режиму.

Изменение степени сжатия в зависимости от режима работы

двигателя позволяет повысить удельную мощность и топливную

экономичность на неноминальных режимах, улучшить пусковые

качества двигателя при низких температурах, снизить токсичность

отработавших газов, расширить диапазон применяемых сортов

топлив.

Реализация способа регулирования степени сжатия в металле

была мечтой многих конструкторов со времен первых поршневых

двигателей, но только в 80 – 90-е годы прошлого столетия начали

появляться первые единичные реально работающие двигатели с

регулируемой степенью сжатия.

Существует множество способов регулирования степени сжатия

в поршневых двигателях, которые можно свести к трем обобщающим:

регулирование количества свежего заряда в цилиндре

(количественное регулирование),

изменение объема камеры сгорания

(объемное регулирование) и нагрев или охлаждение свежего заряда в

цилиндре (тепловое регулирование). К настоящему времени

конструкторы поршневых двигателей отдают предпочтение

объемному способу регулирования степени сжатия посредством

применения поршней с автоматически изменяющейся высотой

или изменением рабочего объема цилиндров путем смещения

головки цилиндров, или всего блока цилиндров, или

коленчатого вала.

Так, например, фирма SААB в 2001 году представила миру

двигатель с подвижной головкой блока цилиндров. Предприятие

моторной техники FEV в Аахене в период с 2003 по 2004 гг. провело

достаточно успешно испытания системы VCR (Variable Compression

Ratio), которая была ими установлена на турбопоршневом двигателе

1,8 л мощностью 225 л. с. от Audi TT. Этот экспериментальный

двигатель испытывался

на автомобиле Audi A6. Принцип изменения

степени сжатия здесь был основан на смещении вдоль оси цилиндров

всего кривошипно-шатунного механизма вместе с коленчатым валом

посредством эксцентрикового механизма, управляемого

сервомотором. В результате при работе на различных режимах

степень сжатия изменялась в пределах от 8 до 16, что позволило

получить 8% экономии топлива по сравнению с таким же двигателем,

но с

неизменной степенью сжатия. Аахенские инженеры прогнозируют

возможности получения с использованием этой системы, при условии

ее дальнейшего совершенствования, экономии топлива в размере до

25%.

В подразд. 3.6 уже приводились сведения о том, что в 90-х годах

НАМИ г. Москва была разработана, изготовлена и испытана серия

опытных аксиальных двигателей с качающейся шайбой, в которых

степень сжатия в цилиндрах изменялась путем изменения угла

установки качающейся шайбы (см. рис. 3.14).

Достаточно много экспериментальных двигателей различных

фирм работали также с системами изменения степени сжатия, в

которых в зависимости от режима работы либо автоматически

изменяется объем вихревой камеры (дизели HS-103, HS-110,

HS-115 фирмы Hispano Suisa), либо подключается или

отключается буферное устройство, изменяющее объем

камеры

сгорания.

В упоминавшемся в подразд 4.1.3 новом двигателе DiesOtto

задача регулирования степени сжатия решается с помощью

электроприводной кинематики в кривошипно-шатунном механизме, в

результате чего меняется рабочий ход поршня.

Тем не менее, несмотря на множество решений по изменению

степени сжатия и наличию большого количества экспериментальных

и опытных двигателей, на сегодня пока что практически

отсутствуют

серийно выпускаемые двигатели с изменяемой степенью сжатия. Это

объясняется технической сложностью решения этой задачи, низкой

надежностью и недолговечностью применяемых конструкций.

4.1.5. Совершенствование впускных систем

Исследования, проводимые разработчиками поршневых

двигателей, показали, что степень заполнения цилиндров двигателя

свежей топливной смесью, особенно на средних и высоких режимах,

зависит от собственной частоты

колебаний контура впуска. Иначе

говоря, используя волны давления, которые образуются во впускном

трубопроводе, можно при определенной конфигурации трубопровода

для различных режимов получать оптимальные условия заполнения

цилиндров.

В связи со сказанным выше для получения оптимальных

характеристик работы в широком диапазоне оборотов коленчатого

вала современные двигатели оснащают также и впускными

трубопроводами переменной длины. При малых оборотах

двигателя воздушный поток поступает через длинное колено,

обеспечивая двигателю наилучшие тяговые возможности. С

переходом на большие обороты переключаются на более короткое

колено, что дополнительно увеличивает мощность двигателя. В

некоторых двигателях применяют три оптимальные конфигурации

впускного трубопровода. Примером

могут служить двигатели V 4.24

компании Citroën, устанавливаемые на автомобилях серии XM,

шестицилиндровые V-образные двигатели объемом 2,7 л,

устанавливаемые на автомобили фирмы Rover, шестицилиндровые

двигатели Omega объемом 3 л фирмы Opel.

На двигателях XM V 6.24 фирмы Citroën применяется система

питания воздухом с переменными акустическими характеристиками, в

которой характеристики впускного трубопровода изменяются с

помощью воздушных заслонок.

Компания BMW на двигателях моделей 735i / 745i применяет

бесступенчатое регулирование длины

впускного трубопровода,

похожего на гигантскую улитку. Его длина изменяется от 231 до

673 мм. Цилиндрический воздухораспределитель менее чем за

секунду поворачивается в полости впускного трубопровода на 236°,

изменяя тем самым длину тракта подачи воздуха.

В целях уменьшения массы двигателя впускные трубопроводы

часто изготавливают из полиамида.

4.1.6. Альтернативные топлива

Требования к экономии

топлива и еще более жесткие

требования к экологии окружающей среды заставили в последние

десятилетия конструкторов поршневых двигателей искать замену

бензину, дизельному и другим углеводородным топливам,

получаемым из нефти.

Разработчикам бензиновых двигателей давно уже известны

другие возможные виды топлив, которые могут заменить бензин в

этих двигателях.

Из жидких заменителей бензина достаточно

хорошим топливом

для поршневых двигателей являются некоторые алкоголи и эфиры.

Зачастую их используют в двигателях как добавки к бензинам для

улучшения их качеств, но они могут применяться и как

самостоятельное топливо – преимущественно это этиловый и

метиловый спирты (этанол и метанол). Так, в странах Южной и

Центральной Америки уже длительное время достаточно

большое

количество автомобилей работает на спиртах (этанол, метанол),

получаемых из сахарного тростника и кукурузы (основного богатства

этих стран). На этаноле работают также модификации автомобилей

100

Ford Fokus. Тем не менее более широкому применению спиртов в

качестве топлива препятствует их низкая относительно бензина

теплотворная способность (более чем в 1,5 раза), а также социальная

проблема, связанная с потреблением спиртовых жидкостей людьми,

особенно в странах Европы, Северной Америки и в некоторых других

странах мира. Метанол же, помимо этого, отличается повышенной

токсичностью

, а за счет бесцветности его пламени и коррозионной

активности просто опаснее бензина.

Большое внимание в качестве заменителей бензина сейчас

уделяется различным газообразным топливам. У широко

используемого сегодня сжиженного пропан-бутана перспектив не

много, т. к. его получают при перегонке нефти, запасы которой, как

уже говорилось, заканчиваются. Наибольшие перспективы в

настоящее

время из газообразных топлив имеют природный газ,

метан СН

и водород Н

По существу, природный газ и есть метан, т. к. содержание

метана в нем может достигать 99%. На сжатом природном газе

сейчас работает достаточно много автомобилей, например, варианты

мини-вэнов FIAT Multipla, модели Opel Zefira, Galaxy, Fiesta с

расходом топлива 4,5 л на 100 км и др. Однако запасы природного

газа органического происхождения так же как и нефти, близки к

исчерпанию. В этом смысле чистый метан имеет бóльшие

перспективы, поскольку его можно получать как из природного газа и

газов нефтепереработки, так и в результате анаэробного (с помощью

бактерий и других микроорганизмов) разложения различных

органических веществ, в частности целлюлозы (метановое брожение).

Такой газ, получаемый путем анаэробного разложения органических

веществ, называют биогазом

Мощным стимулом к значительному расширению использования

природного газа (метана) в поршневых двигателях могут стать

результаты геологических исследований в различных странах мира,

позволившие в последние два десятилетия обнаружить огромные

запасы так называемых газовых гидратов, содержащих

преимущественно метан. В таких газовых гидратах вода образует

полиэдрический каркас, в полостях которого располагаются молекулы

газов.

Подавляющее большинство газогидратных месторождений

находятся на дне океанов, они открыты в Черном и Каспийском

морях, в донных отложениях озера Байкал. Газовые гидраты суши

локализованы в полярных и приполярных зонах вечной мерзлоты.

Наибольшее их количество находится в России. По оценкам ученых

запасы метана в этих месторождения составляют порядка 2⋅10

что более чем на два порядка больше всех разведанных в мире

запасов обычного природного газа.

Но наибольший интерес из всех существующих и имеющих

перспективу топлив для тепловых двигателей представляет водород,