Захаров Е.А., Шумский С.Н. Экологические проблемы автомобильного транспорта

Подождите немного. Документ загружается.

Сама концепция НВТ не является новой. Еще в XIX веке делались по-

пытки впрыскивать бензин непосредственно в цилиндры двигателя. В 50-х.

годах XX века фирмой “R.Bosch” в небольших объемах производились ме-

ханические системы НВТ для некоторых легковых автомобилей. Однако

электронная версия НВТ долгое время не могла выйти на уровень про

мышленного производства из-за ряда технических трудностей ее реализа-

ции (закоксовывание распылителя форсунки, электронное управление

впрыском при высоком давлении топлива и др.). Создание промышленных

образцов электронных систем НВТ явилось результатом проведения веду-

щими автомобильными фирмами многолетних исследовательских и опыт-

но-конструкторских работ с использованием современных технологий.

Начало промышленного производства систем

НВТ знаменует собой начало

нового витка в развитии систем топливоподачи бензиновых двигателей.

На рис. 3.2 показана схема системы НВТ типа Motronic MED 7 фирмы

“R. Bosch”.

В системе применен термоанемометрический расходомер воздуха но-

вой конструкции (с твердопленочным чувствительным элементом), а также

использован ряд традиционных для систем впрыска датчиков. Ключевыми

и наиболее сложными в системе являются новые

узлы – топливный насос

высокого давления и электромагнитные форсунки для впрыска бензина

под высоким давлением. Кроме этого применяется датчик давления топли-

ва, подкачивающий электробензонасос погружного типа, клапан рецирку-

ляции ОГ новой конструкции и др.

Стратегии управления дозированием топлива в таких системах мо-

гут быть различными и выбираются отдельными фирмами – разработчи-

ками в

зависимости от параметров скоростных и нагрузочных режимов

работы двигателя. При этом состав топливовоздушной смеси, как прави-

ло, изменяется от гомогенного (при α, близких к 1) до предельно рассло-

енного (α = 1,3…2,2).

Рис. 3.2. Схема системы НВТ Motronic MED 7: 1 – расходомер воздуха;

2 – электроуправляемая дроссельная заслонка; 3 – датчик давления во впускном

трубопроводе; 4 – топливный насос высокого давления; 5 – стабилизатор пере-

пада давления топлива; 6 – топливная рампа; 7 – катушка зажигания на свече; 8

и 10 – кислородные датчики; 9 – каталитический нейтрализатор; 11 – подкачи-

вающий электробензонасос; 12 – электромагнитная форсунка; 13 – датчик дав-

ления топлива; 14 – клапан рециркуляции ОГ; 15 – микропроцессорный блок

управления

В наибольшей степени преимущества двигателей с НВТ проявляются

при работе на обедненных смесях на частичных нагрузках. Устойчивая ра-

бота двигателя достигается расслоением смеси с образованием зоны бога-

той смеси вблизи свечи зажигания, после воспламенения которой начина-

ется процесс горения всего заряда в цилиндре.

Для более надежного воспламенения смеси используется зажигание с

повышенной энергией искрового разряда. Момент впрыска и давление то-

плива также изменяются в зависимости от режима работы двигателя для

обеспечения требуемых условий смесеобразования в цилиндре при данном

составе смеси. Например, если на холостом ходу давление топлива под-

держивается на уровне 3 МПа, то при полной нагрузке и номинальной час-

тоте вращения (до 6000 мин

-1

) оно возрастает до 10…12 МПа. Все эти меры

позволяют достичь эффективного сгорания экстремально обедненных сме-

сей (α > 2,0), что и обеспечивает повышение топливной экономичности

двигателей с НВТ, примерно, на 20% по сравнению с применением РВТ.

Кроме этого, реализация НВТ позволяет повысить мощностные показатели

двигателя, примерно на 10% (за счет возможности использования высоких

степеней сжатия

ε = 11…12 и увеличение наполнения), также снизить

суммарную токсичность ОГ на 20% по сравнению с другими системами

впрыска. Последнее достигается высокой степенью рециркуляции ОГ (до

40%) и применением трехкомпонентного нейтрализатора с иридиевым ка-

тализатором. В целом системы НВТ на сегодняшний день характеризуются

значительной стоимостью и сложностью, что пока сдерживает их широкое

применение.

Сравнительная

оценка различных систем впрыска топлива приведена

в таблице 3.1.

Таблица 3.1

Сравнительная оценка концептуально различных систем впрыска топлива

Системы впрыска

Параметры оценки

ЦВТ РВТ НВТ

1 2 3 4

Сложность конструк-

ции и технологии

невысокая повышенная высокая

Обеспечиваемая топ-

ливная экономичность

двигателя (по сравне-

нию с карбюратором)

улучшение на

3…5%

улучшение на

5…15%

улучшение на

25…35%

Возможность повыше-

ния мощностных пока-

зателей двигателя (по

сравнению с карбюра-

тором)

0…8%

5…15%

20…25%

продолжение таблицы 3.1

1 2 3 4

Реализуемый способ

смесеобразования

внешнее

(гомогенный

заряд)

внешнее

(гомогенный

заряд)

внутреннее

(гомогенный и

расслоенный за-

ряд)

Стоимость системы

невысокая

(400…500$)

средняя

(700…800$)

высокая

(3000…5000$)

Рабочие составы

топливовоздушной

смеси

0,85…1,1

0,85…1.2

0,95…2,5

Другие особенности

Не требует изме-

нения конструк-

ции двигателя.

Взаимозаменяе-

мость с карбюра-

тором. Более на-

дежная работа

форсунки. Расши-

рение возможно-

сти форсировки

двигателя при ра-

боте с наддувом

Требует изменения

конструкция впу-

скного трубопро-

вода, головки ци-

линдра, воздушно-

го фильтра. Допус-

кает повышения ε

на 0,5…1,5 едини-

цы по

сравнению с

карбюраторным

вариантом. Хоро-

шо сочетается с

газодинамическим

и газотурбинным

наддувом.

Требует особой

формы камеры

сгорания, днища

поршня, специаль-

ного профиля впу-

скных каналов,

изменения конст-

рукции головки

цилиндров и впу-

скного трубопро-

вода. Допускает

повышение ε до 12

единиц. Возмож-

ность коксования

форсунки.

3.2 Форсирование зажигания

Одним из перспективных направлений улучшения экономических и

экологических характеристик бензиновых ДВС является создание двига-

теля с рабочим процессом на бедных топливовоздушных смесях. Однако

практическая реализация этой идеи требует решения ряда проблем, глав-

ная из которых – возрастающая по мере обеднения смеси межцикловая не-

стабильность процесса сгорания, обусловленная растущим

количеством

циклов с вялым протеканием процесса сгорания и пропусками воспламе-

нения. Это приводит к резкому росту расхода топлива и увеличению со-

держания токсических компонентов в отработавших газах.

Величина межцикловой нестабильности непосредственно связана с

длительностью начальной фазы сгорания. В этой связи обеспечение быст-

рого развития начального очага (НО) горения является главным путем по-

вышения межцикловой стабильности и расширения

пределов эффективно-

го обеднения смеси.

Форсирования развития НО и расширения, тем самым, пределов эф-

фективного обеднения смеси можно достичь, например, увеличением вос-

пламеняющей способности искры.

Самым простым решением этого является увеличение объема на-

чального очага за счет увеличения межэлектродного зазора d

эл

свечей за-

жигания при сохранении традиционных схем систем зажигания.

Зазор между электродами определяет длину канала искры и объем ак-

тивированной разрядом области. При этом увеличивается площадь кон-

такта искрового канала с зажигаемой смесью и уменьшается теплоотвод в

электроды, очаг начинает развиваться от больших начальных размеров,

что способствует ускоренному развитию пламени (

рис. 3.3). Наибольший

эффект достигается при увеличении зазора в ДВС от 0,6 до 0,9…1,2 мм.

а б

Рис. 3.3 Фотографии искрового разряда

(стандартные атмосферные условия):

а – d

эл

= 1 мм; б – d

эл

= 3 мм

Дальнейшее его увеличение приводит к росту величины пробивных

напряжений и увеличению потребляемой энергии.

Увеличение размеров НО можно достичь применением многоочагово-

го воспламенения. Такое зажигание может быть реализовано при помо-

щи специальных многоэлектродных свечей зажигания, имеющих два,

три или четыре боковых электрода, равномер-

но распределенных по окружности. Примене-

ние таких свечей заметно уменьшает невос-

производимость изменения давления в после-

довательных рабочих циклах. Это объясняет-

ся большей вероятностью попадания в зону ис-

кры топливовоздушной смеси оптимального

состава и форсированием развития начальной

фазы сгорания благодаря увеличению его на-

чального размера.

Еще один благоприятный фактор связан с

условиями распространения фронта пламени. В

случае применения одноэлектродных свечей зажигания зарождающийся

фронт пламени ограничен поверхностью бокового электрода (рис. 3.4, а).

Его интенсивное развитие начинается лишь по выходу из межэлектродного

пространства. У многоэлектродных свечей, напротив, зазор «открыт» и

развитие фронта происходит без гасящего влияния боковых электродов

(рис. 3.4, б).

Рис. 3.4 Динамика

развития фронта

пламени

Помимо воздействия на динамику процесса сгорания, многоискровой

разряд снижает

интенсивность образования нагара на свече, а увеличе-

ние площади разряда – эрозию электродов свечи зажигания.

Наиболее простым способом форсирования процесса воспламенения,

не требующим конструктивного вмешательства в ДВС, является воздей-

ствие на формирование начального очага через увеличение параметров

традиционного искрового разряда – силы тока и длительности разряда.

Увеличение силы тока I

в ионизационном канале между электрода-

ми свечи зажигания приводит к повышению температуры смеси вокруг

него, что интенсифицирует реакции горения.

Однако, увеличение тока разряда свыше 200 мА нецелесообразно, что

связано с падением напряжения разряда и потерями энергии в сопротивле-

ниях вторичной цепи системы зажигания. Кроме того, при больших то-

ках усиливается эрозия

электродов свечи зажигания и сокращается срок ее

службы.

Увеличение длительности разряда

повышает его воспламеняющую

способность. Кроме того, при длительном разряде создается большая ве-

роятность благоприятного для зажигания локального сочетания парамет-

ров смеси в области межэлектродного зазора. Положительную роль играет

также подпитка начального очага энергией, выделяющейся в индуктивной

фазе.

Длительный разряд способен также в определенной степени компен-

сировать негомогенность смеси в области

межэлектродного зазора.

Все это в значительной мере повышает вероятность развития из на-

чального очага горения устойчивого фронта пламени (рис. 3.5).

Современные электронные системы зажигания способны генерировать

комбинированные разряды сложной формы и автоматически изменять

мощность, длительность искрового разряда, а также угол опережения за-

жигания в соответствии с режимом работы двигателя.

Для каждого режима

работы ДВС имеется оптимальное сочетание

указанных выше параметров искровых разрядов, отвечающее максималь-

ной топливной экономичности и минимальной токсичности отработавших

газов. В электронных системах зажигания электрические сигналы от соот-

ветствующих датчиков Д (датчика Холла, датчика температуры охлаж-

дающей жидкости, датчика детонации, датчика массового расхода воздуха)

поступают в электронный блок управления – контроллер (рис. 3.6), в кото-

ром происходит их обработка.

Рис. 3.5. Кинограммы развития начального очага горения в пропановоздушной

смеси (стандартные условия, I

= 200 мА, α = 1,5 ):

а –

= 1 мс; б –

= 4 мс

На основе анализа сигналов датчиков контроллер выдает оптималь-

ный с точки зрения токсичности ОГ и расхода топлива управляющий им-

пульс на транзисторный коммутатор ТК, который прерывает ток в катушке

зажигания КЗ.

Рис. 3.6. Схема системы зажигания с электронным управлением:

Д – датчики; К – контроллер; ТК – транзисторный коммутатор;

КЗ – катушка зажигания; СЗ – свечи зажигания

КЗ

СЗ

ТК

ДВС

3.3. Рециркуляция отработавших газов

Рециркуляция отработавших газов является одним из эффективных

средств для уменьшения выбросов оксидов азота.

Принцип работы системы рециркуляции ОГ (EGR system – Exhaust

Gas Recirculation system) основан на возвращении строго определенного

количества отработавших газов обратно во впускной коллектор в строго

определенное время. Далее, смешиваясь со свежей топливовоздушной

смесью, они поступают обратно

в цилиндры двигателя.

Поскольку часть свежей смеси замещается отработавшими газами,

постольку это приводит к снижению ее теплоты сгорания и, как следствие,

температуры сгорания. А так как температура сгорания определяет выход

, то ее снижение способствует уменьшению выбросов оксидов азота.

Количество перепускаемых ОГ определяется электронным блоком

управления 1 (рис. 3.6) по заложенной на заводе-изготовителе программе

на основании показаний ряда датчиков (например, датчика температуры

охлаждающей жидкости, датчика расхода воздуха, датчика угла поло-

жения дроссельной заслонки, датчика частоты вращения коленчатого

вала и др.).

Блок управления переводит эти данные в

управляющие сигналы на

электромагнитный клапан рециркуляции 5, который и управляет непо-

средственно перепуском отработавших газов. Использование в системе

клапана с электроприводом позволяет реализовать оптимальный закон

изменения количества перепускаемых ОГ в зависимости от режима рабо-

ты ДВС.

Во время запуска холодного двигателя, на холостом ходу, когда обо-

роты меньше 900 мин

-1

и при повышенных оборотах свыше 3200…4000

мин

-1

клапан рециркуляции закрыт и система рециркуляции не работает.

ОГ

Рис. 3.6. Принципиальная схема системы рециркуляции ОГ:

1 – ДВС; 2 – электронный блок управления; 3 – впускной коллектор;

4 – выпускной коллектор; 5 – клапан рециркуляции с электроприводом

3.4. Нейтрализация отработавших газов

в выпускной системе ДВС

Многочисленные исследования рабочего процесса ДВС показали, что

добиться выполнения современных норм токсичности лишь за счет улуч-

шения процесса сгорания, управления составом топливовоздушной смеси

и углом опережения зажигания невозможно.

В этой связи современный автомобильный двигатель обязательно

имеет специальные устройства, позволяющие обеспечить снижение

кон-

центрации токсичных компонентов ОГ непосредственно в выпускной сис-

теме. Эти устройства называются нейтрализаторами ОГ.