ᐉ Организация процесса сгорания и выбросы вредных веществ в бензиновых двигателях

Организация процесса сгорания и выбросы вредных веществ в бензиновых двигателях

При оценке выбросов вредных веществ двигателя нужно учитывать, что каждый цилиндр представляет собой закрытую систему. Суммарные выбросы вредных веществ двигателя складываются из отдельных выбросов каждого из работающих цилиндров. Чем меньше будет выброс вредных веществ в каждом цилиндре, тем меньше будут суммарные выбросы двигателя. Отсюда вытекают три основных требования к конструкции камер сгорания, конструкции и конструктивным параметрам систем питания, выпуска отработавших газов и управления двигателем, а также использованию различных методов наддува. Вот эти требования:

точное дозирование воздуха и топлива в каждом цилиндре при любых режимах работы двигателя;
в каждом цилиндре должно быть одинаковое количество топливовоздушной смеси;
в каждом цилиндре топливовоздушная смесь должна быть однородная по составу.

Современные двигатели с электронным управлением впрыском и зажиганием, а также двигатели с непосредственным впрыском топлива практически полностью соответствуют этим идеальным требованиям.

Коэффициент избытка воздуха

При сгорании топлива в цилиндрах двигателя происходят очень сложные химические и физические процессы. Процесс сгорания, как правило, протекает в несколько этапов (взрыв, расширение фронта пламени, диффузионное сгорание) и на него влияет множество специфичных факторов и цепных реакций. В упрощенном виде процесс сгорания можно представить как окисление. Для сгорания 1 кг топлива необходима определенная масса кислорода. Зная состав топлива и содержание кислорода в воздухе (20,6% = 0,23 кг кислорода на 1 кг воздуха), можно рассчитать, так называемый, минимальный расход воздуха, необходимый для полного сгорания топлива.

Для точного расчета необходим химический элементарный анализ топлива по пропорциям масс углерода, водорода, серы и кислорода. В среднем для полного сгорания 1 кг топлива требуется 14,7 кг воздуха (Л =1).

Однако сгорание топлива в двигателе происходит не с теоретически минимальным расходом воздуха, а с фактическим расходом воздуха, поступившего в двигатель. Отношение количества воздуха, поступившего в двигатель, к количеству воздуха, которое теоретически необходимо для полного сгорания топлива, называют коэффициентом избытка воздуха и обозначают Л.

Коэффициент избытка воздуха — центральная величина во всей моторной технике, системах управлении двигателем и OBD. Она определяется следующими значениями:

Л = 1 — теоретическая, идеальная, стехиометрическая горючая смесь;
Л > 1 — избыток воздуха или недостаток топлива (бедная смесь);
Л <1 — недостаток воздуха или избыток топлива (богатая смесь).

Для воспламенения в цилиндрах двигателя внутреннего сгорания смесь должна иметь определенные пропорции топлива и воздуха. Воспламенение и сгорание возможно лишь в определенных пределах воспламеняемости. Реальные пределы воспламеняемости у бензиновых и дизельных двигателей сильно различаются.

Возможные пределы воспламеняемости у обычных бензиновых двигателей находятся в диапазоне Л от 0,65 до 1,5.

При некоторых технологиях непосредственного впрыска, таких как GDI и FSI, может быть достигнуто значение 3,0.

Возможные пределы воспламеняемости у дизельных двигателей находятся в диапазоне Л от 1,1 до 7,0.

У современных дизельных двигателей с непосредственным впрыском топлива этот показатель может достигать 10,0 при работе на холостом ходу.

Коэффициент избытка воздуха и выбросы вредных веществ бензиновыми двигателями

Все важные параметры двигателя зависят от коэффициента избытка воздуха. Из-за очень сложных химических и физических процессов сгорания конструктивные параметры двигателя в плане мощности, крутящего момента, расхода топлива и выбросов вредных веществ, всегда являются суммой большого числа компромиссов. Если в камере сгорания образуется небольшое количество вредных веществ, то можно повысить эффективность систем очистки отработавших газов (например, катализатора). Основной проблемой всех высокооборотных ДВС является очень маленький интервал, в котором все сложные процессы должны протекать по возможности оптимально.

Рис. Зависимость отдельных компонентов ОГ от коэффициента избытка воздуха

На рисунке показана зависимость отдельных компонентов отработавших газов от коэффициента избытка воздуха.

Ниже приведены важнейшие условия образования вредных выбросов и зависимость мощности двигателя от коэффициента избытка воздуха. При этом рассматривается только обычный рабочий диапазон традиционных бензиновых двигателей и — для упрощения понимания — только тенденции характеристик. У двигателей с непосредственным впрыском топлива выбросы углеводородов и NOх смещаются в диапазон более бедных смесей.

Мощность

Бензиновые двигатели развивают максимальную мощность при Л=0,9, так как при этом используется почти весь всасываемый кислород. Но одновременно большая часть компонентов топлива не сгорает. При Л >1 мощность снижается, так как неизрасходованному кислороду не с чем реагировать. Расход топлива при этом падает, так как почти все топливо сгорает.

Оксид углерода (СО)

Оксид углерода всегда образуется при недостатке кислорода, которого не хватает для полного сгорания топлива и превращения его в углекислый газ. Теоретически, начиная с Л = 1, доля СО в отработавших газах должна быть равна нулю. Но поскольку сгорание происходит в закрытой системе и на охлаждаемых стенках камеры сгорания окисление прерывается, кроме того, сгорание происходит с задержкой, а в «мертвых зонах» (например, зазор в области огневой перемычки) не происходит вовсе, то в бедной смеси также образуется оксид углерода.

Углеводороды (СН)

В диапазоне Л<1 для полного сгорания топлива и превращения углеводородных соединений в углекислый газ и воду не хватает кислорода. Минимум выбросов углеводородов приходится на диапазон А от 1,1 до 1,2. При еще более бедной смеси пропуски зажигания и задержка сгорания снова приводят к увеличению выбросов углеводородов.

Окислы азота (NOх)

Повышенные выбросы оксидов азота всегда происходят при сгорании более бедной смеси. Максимальный выброс оксидов азота происходит при Л=1,1. Для образования окислов азота необходимы два условия:

высокая температура сгорания, при которой активизируется содержащийся в воздухе инертный азот;
свободный кислород, который уже не может вступить в реакцию с углеродом и водородом.

Должны всегда выполняться оба условия. Они достигаются при коэффициенте избытка воздуха, составляющем около 1,1.

Ориентировочные значения для компонентов ОГ

Таблица. Ориентировочные значения компонентов ОГ

В таблице приведены общие ориентировочные значения для компонентов ОГ при безупречно работающей системе подготовки смеси. Часто уже по результатам измерения и грамотного анализа состава ОГ можно выполнить первичную диагностику и оценку ее погрешности. Поскольку отдельные компоненты ОГ образуются лишь при определенных условиях, можно ограничить объем диагностических работ. Обработка блоков измеряемых величин в режиме 1 системы OBD еще больше сужает круг неисправностей. Окислы азота при измерении ОГ на СТО не учитываются. Выбросы окислов азота должны измеряться под нагрузкой (с целью повышения температуры) на мощном испытательном стенде. Методы для вычисления количества окислов азота по другим компонентам ОГ слишком неточны и до сих пор не нашли применения.

Меры по снижению вредных выбросов, образующихся при работе бензиновых двигателей

В настоящее время автопроизводители и поставщики проводят очень дорогие исследования и разработки для соблюдения действующих и перспективных норм токсичности ОГ. Чем жестче становятся требования законодательства, тем больше требуется затрат (в том числе технических) на их соблюдение. Достигнутые за последние годы успехи были отмечены «легко» реализуемыми возможностями. В будущем необходимо выбирать новые пути, что также включает в себя разработку новых методов организации процессов сгорания и новые решения в «старых» системах.

Рис. Направления перспективных разработок по организации процесса сгорания и снижения выбросов вредных веществ в бензиновых двигателях

Таблица. Меры по уменьшению вредных выбросов у бензиновых двигателей

Возможность уменьшения вредных выбросов	Эффект, результат, примечание
Электронный впрыск бензина, адаптивные системы, регулирование крутящего момента двигателя	Самое точное дозирование топлива на всех режимах и при любых нагрузках с соблюдением окружающих условий (системы Motronic), системы OBD, использование системы E-Gas для двигателей с регулировкой крутящего момента
Непосредственный впрыск бензина (по стенке, в воздушном потоке, струйный)	• возможны слишком бедные смеси в диапазоне частичной нагрузки • отсутствие дроссельной заслонки • богатая готовая к воспламенению смесь только на свече зажигания • в целом смесь в камере сгорания бедная (GDI или FSI)

Конструкция камеры сгорания	• маленькие, компактные, куполообразные камеры сгорания • из-за большой турбулентности могут вырасти компрессия и тепловой КПД
Положение свечей зажигания	• центральное положение свечей зажигания обеспечивает короткий путь пламени • компрессия и тепловой КПД могут увеличиться без опасности детонации
Многоклапанная техника	• предполагает компактные камеры сгорания и центральное положение свечей зажигания • из-за большой турбулентности получается очень хорошее смешивание • компрессия и тепловой КПД могут увеличиться без опасности детонации
Оптимизированная конструкция впускного коллектора (регулируемые системы всасывания)	• использование эффекта наддува • использование полностью регулируемых впускных коллекторов (напр. Multi Ram) • создание целенаправленной турбулентности воздуха (завихрение)
Регулируемая геометрия турбины (VTG), регулируемая геометрия компрессора, ступенчатый наддув, регистровый наддув, сочетание механического наддува и турбонаддува	• независимое от оборотов регулирование давления наддува • наддув высокого давления при непосредственном впрыске топлива • в настоящее время имеются проблемы с материалом из-за высокой температуры ОГ у бензиновых двигателей — до 1050°С, • возможны небольшие рабочие объемы с высокими мощностями и моментами, уменьшение размеров (напр. система TSI концерна VW)
Регулируемые фазы газораспределения (цель — избавиться от распределительного вала, но идея пока на стадии разработки)	• рассматриваются электрические, электрогидравлические или электропневматические клапанные приводы без распределительного вала • на низких оборотах топливо не попадает в систему выпуска, из-за чего снижается выброс углеводородов • на высоких оборотах ОГ могут оставаться в цилиндре и из-за этой внутренней рециркуляции ОГ могут снизиться выбросы оксидов азота • возможно управление наполнением без дроссельной заслонки с регулировкой хода клапана (напр. Valvetronic у BMW) • оптимальное наполнение во всех диапазонах нагрузок и оборотов
Отключение цилиндров или регулируемое сжатие	повышение КПД каждого цилиндра более оптимальное адаптирование к текущим оборотам и нагрузкам двигателя использование эксцентрично расположенных коленвалов концепция SVC концерна Saab со степенью сжатия 8:1-14:1
Подача воздуха в ОГ незадолго до или сразу после их выхода из цилиндра (система впуска добавочного воздуха)	• реализация термического дожига в выпускной трубе • СН и СО окисляются при температурах выше 600°С, в результате получаются СO2 и Н2O • в фазе холодного запуска катализатор быстрее нагревается до рабочей температуры
Рециркуляция ОГ (внутренняя, внешняя, с охлаждением)	• отработавшие газы относятся к инертным (негорючим) газам • снижается пиковая температура в камере сгорания и, соответственно, условие образования оксидов азота • снижается также заполнение цилиндров свежей порцией смеси • макс, процент рециркуляции ОГ10 — 15 % у бензиновых двигателей, 30-50% у дизельных двигателей и до 30% у бензиновых двигателей с непосредственным впрыском бензина • более высокий процент — до 70% — теоретически возможен в определенных рабочих точках • самовоспламенение от ОГ при методе САI
Сокращение фазы прогрева, охлаждение с программным управлением, термоуправление	• предотвращение масляного и водяного охлаждения в фазе прогрева • снижение выбросов СО, СН и расхода топлива • использование насосов охлаждающей жидкости с электроприводом • катализатор быстрее нагревается до рабочей температуры • электронный термостат и насос охлаждающей жидкости с электроприводом • электронное термоуправление охлаждением
Система зажигания с программным управлением, регулирование детонации и более оптимальное регулирование угла опережения зажигания, регулируемые зазоры между электродами свечей, лазерное зажигание или многократное зажигание	• стабильно высокий уровень энергии искры при любых нагрузках и оборотах, нет износа • оптимальный момент зажигания для всех возможных режимов работы • с регулировкой детонации компрессия и КПД могут повыситься без риска повреждения двигателя вплоть до физико-технических пределов • смещение угла зажигания в фазе прогрева в сторону более «позднего» для повышения температуры ОГ и нагрева катализатора • очень большая энергия зажигания у новых систем
Уменьшение внутреннего трения в двигателе и потерь во вспомогательных агрегатах	• новые материалы — напр. керамические клапаны, углеродные поршни, новые технологии нанесения покрытий на гильзы цилиндров и пр. • подключаемые вспомогательные агрегаты, такие как сервонасосы и насосы охлаждающей жидкости
Снижение оборотов за счет 5- или 6-ступенчатой КПП или АКПП (также бесступенчатой АКПП)	• снижение трения в двигателе • потребление мощности вспомогательными агрегатами падает • достижение одинакового момента при меньших оборотах

Системы Start-Stop, система прямого пуска	• прерывание подачи топлива при выключенном двигателе • прямой запуск путем поджигания смеси в камере сгорания и щадящее использование механической и электрической систем запуска
Новые методы организации процесса сгорания, такие как контролируемое самовоспламенение (CAI); (HCCI)	• однородное поджигание смеси в диапазоне частичной нагрузки горячими ОГ или горячим воздухом в камере сгорания • однородное самовоспламенение смеси
Различные системы катализаторов	• каталитическое дожигание и преобразование вредных веществ в неядовитые компоненты

На рисунке и в таблице показаны некоторые технические меры по снижению расхода топлива и выбросов вредных веществ для бензиновых двигателей, уже выпускаемых серийно или разрабатываемых для серийного выпуска. Зачастую прогресс в снижении расхода топлива и выбросов вредных веществ при работе двигателей дают только комбинации различных мер.