Сгорание дизельного топлива и выбросы вредных веществ

Дизельные двигатели в настоящее время, бесспорно, являются самыми эффективными двигателями внутреннего сгорания.

В Западной Европе рыночная доля новых автомобилей с дизельными двигателями порой превышает 50%. Такие двигатели сочетают низкий расход топлива и небольшие выбросы углекислого газа с очень высоким крутящим моментом. Удельная мощность дизельных двигателей находится на уровне бензиновых. Недостатками являются выбросы частиц и окислов азота. За последние годы был достигнут огромный прогресс в плане плавности работы и уменьшения выбросов дизельных двигателей. Автомобиль с современным дизельным двигателем расходует примерно на треть меньше топлива, чем сопоставимый по мощности и другим параметрам автомобиль с бензиновым двигателем. Насколько хороши современные дизельные двигатели, показало испытание, проведенное Национальным институтом онкологии в Милане (Италия). Было установлено, что при выкуривании трех сигарет выбрасывается в 10 раз больше частиц, чем при работе современного дизельного двигателя на холостом ходу в течение 30 минут.

Сгорание дизельного топлива

Процесс сгорания дизельного топлива бывает двух типов:

  • непосредственный впрыск
  • впрыск в разделенные камеры сгорания

Использовавшиеся ранее процессы с разделенными камерами, такие как форкамерное и вихрекамерное смесеобразование, имели существенные недостатки, поэтому больше практически не используются, и мы не будем подробно останавливаться на них. Перспективные разработки в области организации сгорания дизельного топлива лежат в области использования однородной смеси. В современных двигателях используются системы непосредственного впрыска топлива с организацией кругового воздушного потока и углублением в днище поршня. Относительно высокий уровень шума, вызываемый жестким сгоранием топлива с быстрым ростом давления, удалось снизить посредством организации предварительного впрыска топлива (в том числе многократного) и различных второстепенных мер, таких, как полное капсулирование двигателя и уменьшение степени сжатия.

Непосредственный впрыск в дизеле

Рис. Непосредственный впрыск в дизеле

Различия между дизельными двигателями легковых и грузовых автомобилей состоят главным образом в геометрии камеры сгорания и использовании распылителей форсунок с одним или несколькими отверстиями. У двигателей легковых автомобилей с непосредственным впрыском камера сгорания имеет форму сердца, а топливо впрыскивается через форсунки с несколькими отверстиями (4, 5, 6 или 8). Такая технология требует мощного кругового воздушного потока вокруг оси цилиндра, чтобы обеспечить хорошее смешивание воздуха с топливом в камере сгорания. Этот круговой воздушный поток называют также спином.

Преимущества непосредственного впрыска перед использованием разделенных камер сгорания:

  • снижение расхода топлива на 15-20%;
  • отсутствие потерь при переходе смеси из форкамеры или вихревой камеры в камеру сгорания;
  • более низкие тепловые потери за счет меньшей площади поверхности в дне поршня;
  • более высокий тепловой КПД;
  • удельный расход топлива 160-200 г/кВтч.

Проблемы непосредственного впрыска топлива:

  • создание вихревого потока частично мешает очистке от продуктов сгорания в цилиндре;
  • затруднено изготовление конструктивно сложных впускных каналов особой формы;
  • аэродинамически разные формы каналов при многоклапанной конструкции;
  • проблемы с холодным пуском из-за вихревого движения воздуха;
  • охлаждение камеры сгорания отчасти затруднено (требуется охлаждение днища поршня разбрызгиванием масла).

Однако преимущества этой технологии существенно перевешивают ее недостатки. Большие конструктивные сложности при изготовлении систем впуска быстро окупаются. При непосредственном впрыске особое значение имеют положение и количество впрыскиваемых струй в камере сгорания. Они влияют на:

  • совокупность условий образования смеси;
  • процесс подготовки и сжигания смеси;
  • шум при сгорании (скорость нарастания давления);
  • КПД двигателя;
  • мощность, крутящий момент и характеристики крутящего момента двигателя;
  • достигаемый диапазон частот вращения коленчатого вала двигателя;
  • условия образования сажи и выбросов частиц;
  • условия образования всех остальных вредных выбросов;
  • использование воздуха для сжигания топлива;
  • расход топлива.

Впускной винтовой канал и ротация воздуха

Основным условием для качественного образования смеси у дизельных двигателей с непосредственным впрыском топлива является по возможности большая турбулентность всасываемого воздуха в камере сгорания. У современных двигателей мощная ротация воздуха достигается посредством вихревых каналов или тангенциальных каналов. Всасываемый воздух, проходя через всасывающий трубопровод особой формы, подвергается сильному завихрению. В результате воздух с высокой скоростью и с сильным вращением вокруг оси цилиндра устремляется в камеру сгорания. При сжатии за счет завихрения под давлением (уменьшения внутреннего диаметра цилиндра до диаметра камеры сгорания) происходит еще одно повышение скорости вращения и турбулентности воздуха.

Вихревой и заполняющий впускные каналы

Рис. Вихревой и заполняющий впускные каналы

Проблема у этой системы впуска состоит в том, чтобы при высоких оборотах и нагрузках достичь достаточного расхода воздуха (заполнения) с как можно меньшими аэродинамическими потерями, а на низких оборотах гарантировать достаточную скорость вращения воздуха. Многоклапанная схема и турбонаддув (особенно с изменяемой геометрией) обеспечивают неплохой компромисс.

Некоторые автопроизводители работают также с двумя различными впускными каналами. Один канал выполняется в виде вихревого, а другой — в виде заполняющего. Заполняющий канал особенно необходим для верхнего диапазона нагрузок, чтобы обеспечить достаточную подачу воздуха. С появлением систем управления клапанами в дизельных двигателях следует ожидать дальнейшей оптимизации подачи воздуха.

Чтобы оптимизировать условия заполнения воздухом и завихрения воздушного потока, наряду с делением впускных каналов проводятся эксперименты по отключению каналов. Преимуществами отключения впускных каналов являются хорошая подготовка смеси во всем диапазоне оборотов и дальнейшее снижение выбросов вредных веществ.

Процесс сгорания в дизельном двигателе

Образование смеси и процесс ее сгорания в дизельном двигателе значительно отличаются от условий в бензиновом двигателе постоянным давлением и очень поздним смешением топлива с воздухом. Основная проблема — за очень короткий промежуток времени распределить холодное жидкое топливо в горячем воздухе и смешать их таким образом, чтобы получить относительно «тихое» сгорание с небольшими выбросами вредных веществ. Основные требования — предотвращение образования сажи и детонационного сгорания. Сажа образуется во время сгорания при трех основных условиях:

  1. впрыск холодного, жидкого и неподготовленного топлива во фронт горения;
  2. недостаток кислорода и локальные неблагоприятные условия образования смеси;
  3. внезапное падение давления или температуры в камере сгорания и преждевременное прекращение сгорания.
ПО ТЕМЕ:  Характерные неисправности подогревательных устройств двигателей

Особенно важную роль при образовании сажи играют условия 1 и 2.

Весь процесс сгорания, а также выбросы вредных веществ и уровень шума определяются процессами во время запаздывания воспламенения. У современных дизельных двигателей инженеры пытаются оптимизировать процессы, происходящие во время запаздывания воспламенения во всех диапазонах нагрузки и оборотов.

Запаздывание воспламенения — это время или угол поворота коленчатого вала от начала впрыска до начала роста давления сверх давления сжатия.

Реальный интервал запаздывания воспламенения находится в пределах от 1/1000 до 2/1000 секунды и может регулироваться лишь в небольших пределах.

Факторы, влияющие на запаздывание воспламенения

Интервал запаздывания воспламенения и процессы во время запаздывания воспламенения определяются большим количеством порой противоположных факторов. Эту противоположность можно преодолеть лишь путем целенаправленного влияния на отдельные факторы и с помощью электронной регулировки.

Таблица. Факторы, влияющие на запаздывание воспламенения

Факторы, влияющие на запаздывание воспламенения

В таблице приведены важнейшие факторы, влияющие на запаздывание воспламенения. Еще одной важной величиной, влияющей на подготовку топлива, является распределение температуры в струях впрыскиваемого топлива. На рисунке показано распределение температуры во впрыскиваемой струе при соприкосновении ее с горячим воздухом в камере сгорания.

Распределение температуры

Рис. Распределение температуры

Находящиеся на периферии струи легкие компоненты топлива при соприкосновении с воздухом измельчаются до еще более мелких капель топлива. Те компоненты топлива, которые первыми соприкасаются с горячим воздухом, закипают и испаряются. В компактной сердцевине струи топливо относительно долго остается холодным, жидким и неподготовленным.

Образование смеси и сгорание в дизельном двигателе

Протекание впрыска, подготовки и сгорания

Рис. Протекание впрыска, подготовки и сгорания (упрощенное представление)

На рисунке в упрощенной форме показано протекание впрыска топлива, подготовки топлива и его сгорания в дизельном двигателе.

Процессы изображены в пределах поворота коленчатого вала (коленвала) на угол 5 В процессе впрыска на каждые 5° поворота коленвала впрыскивается точно определенное количество топлива с определенным содержанием энергии. Сначала часть топлива 1 соприкасается с горячим воздухом и начинается ее подготовка. Подготовка части 2 начинается на 5° поворота коленвала позже. Подготовка части 3 топлива вообще может начаться лишь через 10° поворота коленвала после начала впрыска. Этот процесс продолжается до части 5. Подготовка этой части топлива к сгоранию может начаться лишь через 20° поворота коленвала после начала впрыска.

К этому моменту к сгоранию подготовлены уже большие количества впрыснутого топлива части 1. Если теперь поставить условие, что сгорание должно произойти через 10° поворота коленвала после начала впрыска, и резко вырастут давление и температура, то в течение этого времени будет подготовлено уже относительно большое количество топлива частей 1 и 2. Тогда это подготовленное топливо будет, к примеру, сжигаться дополнительно к основному в пределах следующих 5° поворота коленвала. Сгорание этого дополнительного топлива становится заметным по ощутимым скачкам давления. На слух они воспринимаются как детонация. Если сгорание произойдет лишь через 15 ° поворота коленвала после начала впрыска, то будет подготовлено еще большее количество топлива. Он также будет сгорать дополнительно к основному в пределахследующих 5° поворота коленвала. Скачки давления станут еще больше.

Из-за них значительно усиливается шум двигателя и нагрузки по давлению. Их особенно заметно при холодном запуске дизельного двигателя. Начало впрыска переносится на более ранний момент, чтобы дать топливу достаточно времени на подготовку, и одновременно впрыскивается добавочное количество при запуске. Тогда к началу сгорания будет подготовлено большое количество дополнительно сжигаемого топлива. Описанные скачки давления также приводят к росту температуры в камере сгорания. Увеличивается выброс NOx.

Проблема у всех дизельных двигателей состоит в том, чтобы смешивание горячего воздуха с холодным топливом происходит лишь в камере сгорания. Для смешивания имеется очень мало времени. В результате в камере сгорания не получается полностью однородного распределения смеси. Хотя дизельный двигатель работает с заметным избытком воздуха, в камере сгорания может иметь место локальная нехватка воздуха. Она может стать причиной образования сажи.

Если холодному топливу не дать достаточно времени на смешивание с воздухом, то произойдет реакция не окисления, а крекинга. В результате крекинга рвутся углеводородные цепочки в топливе и отщепляются атомы углерода. Образуется сажа. Чистый углерод (сажа) очень инертен. Однако в процессе сжигания для сгорания этих частиц сажи не остается достаточно времени. Это причина образования сажи и, как следствие, выбросов частиц у дизельных двигателей. Длительность прогорания смеси становится тем меньше, чем больше имеется времени на подготовку и топлива и смешивание его с воздухом. Хорошо подготовленное и смешанное с достаточным количеством воздуха топливо сгорает быстро, чисто и почти полностью.

Выводы по сгоранию дизельного топлива

Для сгорания с небольшим образованием сажи следует выбирать как можно более длительное запаздывание воспламенения (время на подготовку топлива). Если же во время длительного запаздывания воспламенения будет подготавливаться слишком большое количество топлива, то оно будет за очень короткое время дополнительно сгорать со скачками давления. Это проявляется в скачках температуры и давления (детонация) и приводит к повышенным выбросам NOх.

Используемые в дизельных двигателях технические и конструктивные решения (высокое давление впрыска, завихрение воздушного потока, короткое время впрыска, управляющий впрыск, четырехклапанная техника, турбонаддув, магистраль Common Rail, впрыск с насос-форсунками и пр.) по сути нацелены на решение этого конфликта целей.

ПО ТЕМЕ:  Двигатель BMW S50B30. Диагностика (M3 Е36)

Резюме

Слишком короткое запаздывание воспламенения приводит к повышенному выбросу сажи, но более мягкому и тихому сгоранию. Слишком длинное запаздывание воспламенения дает сгорание с меньшим выбросом сажи, но более шумное, с повышенными выбросами NOx и более высокой нагрузкой на детали.

Управление впрыском в современных дизельных двигателях

Описанные выше конфликты целей не удалось разрешить с помощью традиционных распределительных насосов высокого давления. Использование современных систем впрыска в дизельных двигателях, таких как магистраль Common Rail (CRS) и блок насос-форсунок (PDE) открывает совершенно новые возможности для регулирования и моделирования процесса впрыска и сгорания. За последние годы особо больших успехов достигла немецкая автопромышленность и ее поставщики. Наряду с давлением впрыска более 2000 бар важным качественным скачком стало почти произвольное моделирование процесса впрыска. Здесь фантазиям инженеров-механиков нет предела. Сложная электроника позволяет использовать системы OBD и для дизельных двигателей.

Варианты предварительного впрыска

Рис. Варианты предварительного впрыска

На рисунке показано несколько принципиальных вариантов впрыска. Особенно использование пьезотехники обеспечивает разнообразные вариации предварительного и последующего впрыска. Точный выбор количества впрыскиваемого топлива и момента впрыска уже можно назвать искусством регулировки. Так, очень ранний предварительный впрыск положительно влияет на шумность работы, но отрицательно сказывается на выбросах частиц. При слишком позднем последующем впрыске топливо уже не сгорает полностью, из-за чего оседает на поверхности цилиндра и происходит усиленное разбавление масла; как следствие, сокращается интервал замены масла.

Вариант 1

Предварительный впрыск используется во всех системах CRS. Объем предварительно впрыскиваемого топлива составляет 1,0-1,5 мм^3. Благодаря предварительному впрыску достигаются более короткое запаздывание зажигания и более низкая скорость роста давления. Топливо лучше подготавливается, а процесс сгорания становится чище и тише. Из-за технических ограничений предварительный впрыск выключается в диапазоне 3000-3500 мин^-1.

Вариант 2

Предварительный впрыск осуществляется непосредственно перед основным. Исследования показали, что при этом варианте выбросы вредных веществ наименьшие. Из-за короткого интервала между предварительным и основным впрыском этот вид предварительного впрыска используется только у форсунок второго поколения.

Вариант 3

Двойной предварительный впрыск может при определенных условиях стать альтернативой простому предварительному впрыску. Этот вариант тоже может реализован только с форсунками второго поколения. Необходимый объем предварительного впрыска делится примерно пополам.

Вариант 4

Последующий впрыск в такте выпуска приводит к росту температуры ОГ. Топливо испаряется в камере сгорания и сгорает лишь в катализаторе окисления или сажевом фильтре, из-за чего повышается температура. В результате частички сажи могут сгореть, и выброс сажи может снизиться на 40%. В сочетании с более высокой скоростью рециркуляции ОГ (до 60%) снижаются и выбросы оксидов азота. Увеличение расхода почти не заметно. Этот тип последующего впрыска особенно необходим для восстановления при использовании сажевых фильтров.

У некоторых нейтрализаторов оксидов азота последующий впрыск можно использовать и для другой цели. Впрыскиваемое в отработавшие газы топливо испаряется и с возникающими углеводородными компонентами служит восстановителем для оксидов азота в специально предусмотренных для этого восстановительных катализаторах. Часть испарившегося топлива через рециркуляцию ОГ снова подается на впуск и действует как при очень раннем предварительном впрыске. В обоих случаях необходимо предотвратить разжижение моторного масла.

Вариант 5

Этот вариант демонстрирует потенциал современных пьезофорсунок. Возможности моделирования впрыска почти безграничны. Возможны самые различные комбинации предварительного и последующего впрыска в пределах рабочего диапазона двигателя. Это делает современные дизельные двигатели еще более тихими и экологичными. Предварительный впрыск зависит от нагрузки, оборотов и включенной передачи. Характеристики различных типов впрыска показаны на рисунке.

Эффективный диапазон предварительного впрыска у системы CRS

Рис. Эффективный диапазон предварительного впрыска у системы CRS

Различные варианты впрыска дизельного двигателя

Рис. Различные варианты впрыска дизельного двигателя

На рисунке изображены пять различных вариантов предварительного впрыска, обеспечиваемые электроникой управления двигателем в рабочем диапазоне. Каждый вариант оптимизирован для соответствующего диапазона нагрузок и оборотов. Дополнительно учитываются окружающие условия.

  1. Вариант 1 — для небольших нагрузок и оборотов.
  2. Вариант 2 — в диапазоне частичной нагрузки с растущими нагрузками и оборотами.
  3. Вариант 3 — в диапазоне нагрузок с оптимизированным расходом топлива.
  4. Вариант 4 — в диапазоне разгона.
  5. Вариант 5 — в диапазоне полной нагрузки с максимальным крутящим моментом.

Адаптация впрыска в современных дизельных двигателях

У современных дизельных двигателей уже самые незначительные изменения объема впрыска могут привести к очень серьезному ухудшению характеристик вредности ОГ и уровня шума. Поэтому необходимо, чтобы системы сами постоянно адаптировались к двигателю. Для этого используются различные адаптирующие приемы.

Адаптация по нулевому количеству

Под адаптацией по нулевому количеству понимают процесс адаптации, гарантирующий для каждой отдельной форсунки наличие точно заданного, очень небольшого количества предварительно впрыскиваемого топлива. Это необходимо для надежного соблюдения нормы Евро-5 в течение всего срока эксплуатации. Адаптация по нулевому количеству должна проводиться постоянно.

В режиме нагрузки в каждый цилиндр впрыскивается небольшое количество топлива; оно варьируется до тех пор, пока управляющая электроника не распознает заданный крутящий момент. Для вычисления крутящего момента используется неравномерность вращения коленвала, определяемая датчиком коленвала. Таким образом электроника определяет, при какой длительности активации начинает работать тот или иной цилиндр. Впрыснутое во время адаптации топливо используется в качестве корректирующего значения для характеристики предварительного впрыска. Адаптация по нулевому количеству происходит для каждого цилиндра отдельно, в фазе нагрузки у прогретого двигателя на оборотах 1500-2500 мин^-1.

Уравнивание количества топлива в форсунках

Уравнивание количества топлива по форсункам может осуществляться различными путями — либо по зашитому в форсунке коду, либо по кодировке сопротивления на контактах форсунки. Дополнительно к адаптации по нулевому количеству в современных системах впрыска дизельного топлива изготовители проводят уравнивание количества топлива, при котором каждой форсунке сопоставляется закодированное компенсирующее значение.

Компенсирующие значения назначаются соответственно месту установки форсунки и записываются в электронную память. Эти значения уменьшают специфичный для цилиндров разброс объемов впрыска. При замене форсунок нужно обязательно соблюдать инструкции изготовителя по уравниванию количества топлива. При кодировке сопротивления процесс уравнивания выполняется автоматически в момент подключения.

ПО ТЕМЕ:  Топливная экономичность

Адаптация по нулевому количеству с датчиком детонации

В системах фирмы Delphi адаптация по нулевому количеству происходит с помощью датчика детонации, размещаемого в середине блока цилиндров. Контроль шумов двигателя выполняется в двух диапазонах. В первом диапазоне фиксируется шум исследуемого цилиндра и сравнивается с шумами предварительного и последующего впрыска. После этого время предварительного впрыска сокращается до тех пор, пока не исчезнет шум сгорания. ЭБУ вычисляет минимальное время предварительного впрыска для соответствующей форсунки и записывает это значение в память. Таким образом, независимо от состояния износа обеспечивается равномерная работа двигателя. Дополнительно к этому используются сигналы датчика детонации для контроля механики двигателя и распознавания постоянно открытой (неисправной) форсунки.

Регулирование плавности работы

На холостом ходу частота вращения коленвала контролируется датчиком ВМТ. При возникновении отклонений какого-либо цилиндра от вычисленного среднего значения объем впрыска уменьшается или увеличивается. Датчик ВМТ калибруется в режиме нагрузки.

Коэффициент избытка воздуха и выбросы вредных веществ в дизельных двигателях

Как уже было описано для бензиновых двигателей, все важные параметры дизельных двигателей также зависят от коэффициента избытка воздуха. Ниже описаны важнейшие условия образования вредных веществ. Поскольку дизельные двигатели в основном работают в диапазоне обедненных смесей, было решено отказаться от подробного описания теоретически возможных соотношений в диапазоне богатых смесей.

Коэффициент избытка воздуха и выбросы вредных веществ у дизельного двигателя

Рис. Коэффициент избытка воздуха и выбросы вредных веществ у дизельного двигателя

На рисунке показаны основные взаимосвязи между коэффициентом избытка воздуха в дизельном двигателе и образованием вредных веществ.

Ниже описаны важнейшие условия образования вредных веществ в дизельном двигателе.

Частицы (РМ)

На выбросы частиц главным образом влияет наличие достаточной массы кислорода при образовании и сжигании смеси. Таким образом, в диапазоне очень бедных смесей выбросы резко падают, а в диапазоне, близком к полной нагрузке, при лямбда 1,1-1,5, отмечается заметное увеличение выбросов частиц.

Оксид углерода СО

Оксид углерода у дизельных двигателей не создает никаких проблем, так как он образуется в основном при нехватке кислорода. Но поскольку речь идет о сгорании в закрытой системе и на охлаждаемых стенках камеры сгорания окисление прерывается, либо сгорание происходит с опозданием или не происходит вообще, как оно не происходит в мертвых зонах, то и в диапазоне бедных смесей имеют место выбросы СО.

Углеводороды СН

Увеличение выбросов углеводородов в диапазоне очень бедных смесей связано с затягиванием сгорания в этом диапазоне. Минимальные выбросы углеводородов приходятся на диапазон значений лямбда 1,1-1,3. В этом диапазоне имеется достаточно кислорода для образования углекислого газа и воды. Увеличение в диапазоне очень бедных смесей происходит из-за очень медленного протекания реакций горения.

Оксиды азота NOx

Максимальное образование NOx, как и у бензиновых двигателей, приходится на значения лямбда 1,1-2,0. Чем беднее становится смесь, тем меньше становятся пиковые температуры в камере сгорания и тем инертнее оказывается азот во всасываемом воздухе. Поскольку дизельные двигатели принципиально работают всегда в диапазоне бедных смесей, они создают здесь больше проблем, чем бензиновые. Для образования оксидов азота также необходимы два условия:

  • высокая температура сгорания для активации содержащегося в воздухе инертного азота;
  • свободный кислород, который уже не может вступить в реакцию с углеродом и водородом.

Меры по снижению вредных выбросов и сажи

Динамика предельных значений для дизтоплива от Евро-3 до Евро-5

Рис. Динамика предельных значений для дизтоплива от Евро-3 до Евро-5.

Основные проблемы выбросов вредных веществ у дизельных двигателей являются выбросы оксидов азота и частиц. Оба этих вредных компонента также стоят в центре внимания в плане дальнейшего снижения предельных значений у дизельных двигателей.

На рисунке показана динамика предельных значений от Евро-3 до Евро-5. Эффективнее всего бороться с выбросами сажи путем предотвращения образования частиц сажи в камере сгорания. Это достигается оптимизацией процессов подготовки и организации сгорания смеси, т.е. внутри двигателя. Дальнейшее снижение выбросов можно получить с помощью установки сажевых фильтров и катализаторов. Потенциал развития дизельных двигателей — в комбинировании этих двух мер.

Возможность уменьшения вредных выбросов Эффект/результат/примечание
Давление впрыска 1500-2250 бар  •            Необходимое количество топлива для данной рабочей точки очень быстро попадает в камеру сгорания

•             Очень высокое качество распыления топлива

•             Очень маленькие капли топлива быстрее нагреваются и благодаря этому быстрее испаряются

Использование многоканальных сопел или вариосопел  •            Очень мелкое распыление отдельных струй топлива

•             Точное разделение топлива в камере сгорания чем больше отверстий для впрыска, тем лучше распыление

•             Ограничения устанавливает технология изготовления

Регулируемый начальный впрыск  •            Предотвращение сильного роста давления в камере сгорания

•             Для восстановления сажевых фильтров или катализаторов SCR

Создание сильной турбулентности воздуха в винтовых каналах  •            Создание сильного вращения воздуха вокруг оси цилиндра благодаря геометрической форме впускного канала

•             Целенаправленное создание завихрения в камере сгорания для усиления вращения воздуха

•             Интенсивное и быстрое перемешивание воздуха и топлива

Покрытие из благородных металлов у используемого фильтра  •            Нанесение на поверхность фильтра благородных металлов, таких как платина, для снижения температуры реагирования частиц

•             Впрыск специальных добавок для дальнейшего снижения температуры сгорания частиц

Использование в топливе специальных добавок или химических средств зажигания  •            Улучшение воспламеняемости дизельного топлива путем повышения цетанового числа

•             Использование кислородсодержащих добавок в топливе

•             Использование СеО2 (диоксида церия) или Fe2O3 (оксида железа) для снижения температуры реагирования частиц

Электронное управление характеристикой впрыска  Отрегулировать расход впрыска и момент впрыска так, чтобы температура ОГ эпизодически поднималась до 650°С (проблема: также увеличиваются выбросы NOx)
Дроссельная заслонка во всасывающем трубопроводе  Из-за кратковременного снижения подачи воздуха в двигатель увеличивается температура ОГ для сжигания сажи (проблема: увеличение аэродинамического сопротивления во впускном трубопроводе затрудняет подачу и завихрение воздуха)
Регулируемая геометрия турбины (VTG), регулируемая геометрия компрессора, ступенчатый наддув, регистровый наддув  •            Независимое от оборотов регулирование давления наддува

•             Поддержание завихрения в нижнем диапазоне оборотов

•             Во всех диапазонах нагрузок и оборотов обеспечивается достаточный избыток воздуха

Рециркуляция ОГ (внутренняя, внешняя, с охлаждением)

Высокое или низкое давление рециркуляции ОГ

 •            Отработавшие газы (ОГ) относятся к негорючим газам

•             Снижается пиковая температура в камере сгорания и, соответственно, условие образования оксидов азота

•             Снижается также заполнение цилиндров свежей порцией смеси

•             Максимальный процент рециркуляции ОГ 30-50% у дизельных двигателей, (проблема: большой процент рециркуляции ОГ способствует образованию сажи)

Различные системы катализаторов для восстановления оксидов азота   •           Каталитическое дожигание и преобразование вредных веществ

•             Накопительные катализаторы или SCR-катализаторы

Однородное или полуоднородное сгорание дизтоплива  Однородное самовоспламенение смеси при лямбда 1 или в районе лямбда 1
Использование новых видов синтетического или полусинтетического топлива  •            Сниженная доля ароматиков и нулевое содержание серы в топливе

•             Нет сжигания ископаемых энергоносителей (дизельное топливо)

•             Адаптирование параметров топлива к потребностям двигателя

В таблице показаны некоторые технические меры по уменьшению выбросов, которые внедрены в серийное производство или это ожидается в ближайшее время.

Перспективные разработки для двигателей внутреннего сгорания

Непосредственный пьезовпрыск (PDI)

Система непосредственного пьезовпрыска (Piezo Direct Injection, PDI) производства Siemens VDO предназначена для струйных способов организации сгорания в бензиновых двигателях. В них топливо в любых режимах работы впрыскивается непосредственно перед свечой зажигания, что позволяет ощутимо расширить режим послойного распределения топлива в заряде. Струйные способы организации сгорания предъявляют крайне высокие требования к давлению и динамике впрыска, подготовке струи и точности дозирования в форсунках. В прежде использовавшихся системах это было невозможно. По сравнению со впрыском во всасывающий трубопровод, непосредственным впрыском на стенку или в воздушный поток здесь следует ожидать снижения расхода на 20%. Как показано на рисунке, возможно еще большее снижение расхода топлива у бензиновых двигателей путем использования одно- или двухступенчатого наддува.

Снижение расхода топлива за счет непосредственного впрыск

Рис. Снижение расхода топлива за счет непосредственного впрыск [источник: Bosch]

Непосредственно воздействующий на иглу форсунки пьезоэлемент из 180-200 слоев кристаллов придает форсунке высокую динамику. Полный подъем иглы достигается уже через 0,2 миллисекунды. При этом отклонение отдельных впрыскиваемых объемов даже при коротких импульсах впрыска послойного заряда не превышает двух процентов. Для развития решающее значение имеет то, что сочетание быстрой коммутируемости и точности форсунки означает существенно лучший контроль впрыска топлива и сгорания. Так, с помощью пьезофорсунок в режиме нагрузки можно реализовать очень поздний момент зажигания без пропусков.

Пьезофорсунки позволяют выполнять точные по времени и дозировке многократные впрыски в нижнем и среднем диапазонах нагрузки, обеспечивая стабильное сгорание с небольшими циклическими колебаниями. При необходимости электроника управления двигателем может адаптировать момент впрыска к потребностям метода сгорания или даже к очистке ОГ. Для качества дозирования топлива в режиме послойного заряда преимуществом является то, что с помощью пьезоэлемента форсунка может открываться и закрываться не только полностью, но и частично. Другие функции — это произвольно задаваемая высота и скорость подъема иглы, а также управление многократным впрыском с максимум тремя импульсами впрыска на цилиндр и рабочий цикл. Посредством соответствующих датчиков система управления PDI позволяет также индивидуально регулировать подъем иглы для каждого цилиндра.

Для чистого сгорания важно распылять топливо как можно мельче. При давлении впрыска около 200 бар средний диаметр капель топлива составляет всего 0,015 мм. Необычно высокое для бензинового двигателя давление впрыска в 200 бар обеспечивают осевые поршневые насосы с очень эффективной регулировкой количества смеси. Насосы подают лишь столько топлива, сколько на самом деле нужно двигателю. В стадии разработки — системы с давлением впрыска более 300 бар. Так что в перспективе у бензиновых двигателей будет такое давление впрыска, которое несколько лет назад было обычным для распределительных насосов дизельных двигателей.

Пьезоэффект

Распыл топлива пьезофорсункой

Рис. Распыл топлива пьезофорсункой (источник VDO)

Принцип пьезоэффекта («пьезо» в переводе с древнегреческого означает „давить») показан на рисунке. Пьезоэлементы — это коммутирующие элементы, использующие открытый в конце 19-го века инверсивный пьезоэффект. Если на пьезоэлемент (кварцевый или кристаллический) подать напряжение, то в течение тысячных долей секунды изменяется атомарная структура. Из-за сдвига электрически заряженных ионов расширяется кристаллическая решетка. В зависимости от полярности можно достичь расширения или сжатия. Поперечное сечение кристалла определяет подъемную силу, а высота подъема определяется напряжением и количеством кристаллов.

Новые способы организации сгорания для прямого впрыска бензина

Пьезоэффект

Рис. Пьезоэффект

Однородное самовоспламенение для бензиновых двигателей HCCI

HCCI (Homogeneous Charge Compression Ignition), воспламенение с однородным сжатием заряда — новый метод организации сгорания смеси, эффективный в диапазоне частичной нагрузки. Сгорание происходит одновременно во всей камере сгорания, что предотвращает температурные пики, способствующие образованию NOx. Благодаря однородному самовоспламенению можно обойтись без сложной очистки выхлопа от сгорания бедных смесей, SCR-катализатор не требуется. Эта технология предполагает крайне точное дозирование остаточного газа в цилиндр. При этом полностью регулируемые приводы клапанов могут благоприятно влиять на дозирование.

Технология CAI (Controlled Auto Ignition)

Контролируемое сгорание с самовоспламенением (CAI) у бензиновых двигателей с непосредственным впрыском из-за горячих ОГ или горячего сжатого воздуха возможно в определенном диапазоне нагрузок и оборотов.

Технология сгорания CAI

Рис. Технология сгорания CAI

Смесь в этом случае воспламеняется не свечой, а находящимися в камере сгорания горячими отработавшими газами или воздухом, причем одновременно по всей поверхности. Поскольку при этой технологии не возникает температурных пиков, выбросы NOx по сравнению с традиционными двигателями несколько снижаются. Ощутимо снижаются и выбросы углеводородов и расход топлива. Эта технология объединяет преимущества бензиновых двигателей (невысокая токсичность ОГ) с преимуществами дизельных двигателей (малый расход топлива) и подходит для всех предлагаемых во всем мире и перспективных видов и сортов топлива.

Контролируемое сгорание с самовоспламенением пока может использоваться только в нижнем и среднем диапазонах оборотов и ограничено детонационным пределом. В настоящее время различные изготовители работают над этими новыми технологиями. На стадии разработки находится еще одна технология организации сгорания — CSI (Compression Spark Ignition). Она была специально разработана компанией AVL для небольших ДВС.

Концерн Volkswagen работает над технологией CCS (Combined Combustion System), где также используется самовоспламенение у бензиновых двигателей. Здесь используется стратегия раннего впрыска в сочетании с очень интенсивной рециркуляцией ОГ. Эту технологию можно использовать и для однородного сгорания в дизельном двигателе. Путем различных мер зажигание задерживается либо впрыск ускоряется настолько, чтобы топливо достаточно хорошо распределилось в камере сгорания и больше не сгорало во фронте пламени. Зажигание в этом случае происходит одновременно во множестве локальных точек при оптимальных локальных температурах и коэффициентах избытка воздуха. Эта технология предполагает специальную подстройку рециркуляции ОГ, момента и характеристики впрыска. В сочетании с новыми видами топлива (например SynFuel) уже были достигнуты выдающиеся результаты.

Удельные выбросы вредных веществ находятся на близком к пределу обнаружения уровне. Возможным представляется сгорание с почти нулевой токсичностью. Однако эти системы будут готовы к применению только после 2015 года.

В ближайшие годы будут проводиться революционные разработки технологий впрыска и организации сгорания у бензиновых двигателей с непосредственным впрыском и у дизельных двигателей. Выбор в пользу бензиновых или дизельных двигателей пока еще не сделан. С помощью новых технологий может получиться соединить небольшие выбросы вредных веществ бензиновых двигателей с небольшим расходом топлива дизельных двигателей.

Перспективные системы впрыска для дизельных двигателей

Системы Common Rail 3 и 4 поколения с пьезоэлементами

Благодаря масштабным инновациям с начала 90-х годов выбросы частиц у автомобилей с дизельными двигателями были снижены на 80%, а другие выбросы — на 90%. Для выполнения нормы Евро-5 выбросы частиц должны были снизиться не менее чем на 90%, а выбросы СО, NOx и углеводородов — не менее чем на 95%. В перспективе законодательство в области контроля токсичности ОГ станет еще более жестким. Важнейший фактор для достижения этих целей — как можно более высокое давление впрыска. На рисунке показано сравнение и тенденция динамики давлений впрыска у различных систем.

Сравнение давления впрыска

Рис. Сравнение давления впрыска

В пьезосистемах Common Rail 3-го поколения форсунка и пьезоэлемент стали еще меньше, чем в системах предыдущих поколений. При этом уменьшенный пьезоэлемент встраивается непосредственно в стержень клапана. Форсунки новой конструкции рассчитаны на давление впрыска 1800-2000 бар и еще эффективнее используют преимущества многократного впрыска.

В системах 4-го поколения, которые используются компанией Bosch, с помощью гидропреобразователей может достигаться усиление давления порядка 1:2 прямо в форсунке. Дизельная форсунка с гидроусилением (HADI, Hydraulically Amplified Diesel Injector) работает с передаточным поршнем, увеличивающим давление в системе с 1350 бар до давления впрыска 2500 бар.

Преимущество этой технологии в том, что высокое давление создается не во всей системе, а лишь в форсунке. Форсунки могут работать как традиционные либо как регулируемые.

Две иглы открывают два расположенных друг над другом ряда отверстий, через которые впрыскивается различное количество топлива. Отдельные иглы открываются и закрываются быстрее, из-за чего топливо при меньшем дросселирующем эффекте впрыскивается под большим давлением и с существенно лучшим распылением. Форсунки могут производить до шести впрысков, а количество впрыскиваемого в цилиндр топлива может быть меньше одного миллиграмма. В результате значительно уменьшается и возвращаемый объем топлива, и ТНВД требуется подавать его меньше, расходуя соответственно меньше энергии на привод.

Особенностью этой системы является гидравлический элемент системы компенсации зазоров между пьезоэлементом и форсункой, выравнивающий минимальные допуски изготовления и температурные расширения. Датчик детонации контролирует процесс сгорания, а ЭБУ двигателя регулирует характеристику впрыска.

Пьезонасосная форсунка(PPD)

Концерн VW впервые применил пьезоэлемент с насос-форсунками. Эта система реагирует примерно в 4 раза быстрее, чем электромагнитные исполнительные механизмы. Это позволяет достичь давления впрыска до 2200 бар. Форсунка с шестью отверстиями позволяет очень мелко распылять топливо. Порцию впрыска можно поделить максимум на семь частей. Топливо накапливается в маленьком ресивере и впрыскивается очень быстро включающимся пьезоклапаном. На рисунке показан принцип работы новой системы.

PDE 3-го поколения

Рис. PDE 3-го поколения (источник: Bosch)

В настоящее время компания Bosch разрабатывает коаксиальную регулируемую форсунку для систем с насос-форсунками. Регулируемая форсунка отличается от традиционной количеством, расположением, диаметром и формой отверстий для впрыска. Электромагнитный клапан управляет двумя коаксиальными иглами и открывает два ряда отверстий. Первый ряд отверстий с небольшой пропускной способностью подготавливает в начале сгорания небольшие количества топлива, обеспечивая таким образом мягкое сгорание и низкий уровень шума. Кроме того, в диапазоне частичной нагрузки он обеспечивает более оптимальное образование смеси с заметно пониженными выбросами вредных веществ.

Однородное самовоспламенение для дизельных двигателей HCCI

Работа над технологией HCCI ведется как для бензиновых, так и для дизельных двигателей. Здесь топливо впрыскивается очень рано, и остается достаточно времени на образование однородно бедной смеси в камере сгорания. Одновременно с образованием смеси она при сжатии нагревается и затем при включении зажигания может одновременно сгореть во всех местах камеры сгорания. При этом за короткое время сгорания выделяется большое количество тепла, что предотвращает образование сажи и оксидов азота. Преимуществом здесь будет использование топлива с более высокой точкой кипения и очень точно спланированный впрыск. Для этого предлагается использовать пьезофорсунки. С увеличением распространения синтетического топлива улучшаются условия для однородного сгорания топлива. Возможно, тогда удастся отказаться от использования сажевых фильтров и накопительных катализаторов для соблюдения норм токсичности ОГ.

1 Звезда2 Звезды3 Звезды4 Звезды5 Звезд (1 голосов, средний: 5,00 из 5)

Система питания воздухом двигателя

Система питания воздухом служит для очистки его от пыли и подвода к цилиндрам двигателя. Основная функция рассматриваемой системы — очистка воздуха от пыли, поскольку, попадая в цилиндр двигателя, ее частицы вызывают интенсивное абразивное изнашивание деталей кривошипно-шатунного механизма, в осн...

Изменения фаз газораспределения форсированного двигателя

При модернизации двигателя наддувом особое внимание должно быть уделено правильному выбору фаз газообмена. Для двигателя без наддува выбор фаз газообмена определяется задачей наилучшей очистки цилиндра от остаточных газов (оптимальная продувка), задачей получения максимального коэффициента наполнени...

Система электрического пуска двигателя

В систему электрического пуска двигателя входят механические и электрические узлы, которые обеспечивают проворачивание двигателя при его пуске. В начале прошлого века двигатель проворачивали вручную, с помощью заводной рукоятки. В состав современных схем электрического пуска двигателя входят следующ...

Запуск двигателя

Запуск двигателя включает в себя процесс воспламенения и разгона до устойчивого состояния. Воздух, нагретый при такте сжатия, должен воспламенять впрыснутое топливо. Требуемая температура воспламенения для дизельного топлива составляет примерно 220°С. Эта температура должна быть гарантирована с дост...

Пусковой двигатель

Рис. Пусковое устройство с дистанционным управлением: 1 — рычаг включения муфты сцепления редуктора; 2 — редуктор пускового двигателя; 3 — пробка контрольная; 4 — пробка сливная; 5 — рычаг включения шестерни механизма включения; 6 — электростартер; 7 — пусковой двигатель; 8 — воздухоочиститель пу...
✪Устройство автомобиля Авто⚡сайт №❶