CC BY
111
УДК 621.43.052
ОЦЕНКА ФАКТОРОВ, ВЛИЯЮЩИХ НА АНТИДЕТОНАЦИОННЫЕ КАЧЕСТВА ДВИГАТЕЛЕЙ С РАССЛОЕНИЕМ ЗАРЯДА
А.В. Мотлохов, к.т.н., ХНАДУ
Аннотация. Рассмотрены наиболее эффективные способы расслоения топливовоздушной смеси, обеспечивающие улучшение экономичности работы двигателей с искровым зажиганием, определены факторы, влияющие на ан-тидетонационные качества двигателей, а также факторы, вызывающие повышение токсичности ОГ. Сделан вывод о неперспективности применения расслоения заряда в целях дальнейшего улучшения показателей работы двигателей данного типа.
Ключевые слова: впрыск топлива, расслоение смеси, сепарация капель, топливная пленка, испарение, сгорание, детонация.
Введение
По оценкам специалистов, создание двигателя, работающего на водороде, - основной альтернативы существующим типам двигателей, следует ожидать не ранее 2050 г., в связи с чем работы по совершенствованию показателей традиционных двигателей, работающих на нефтяных топливах, остаются актуальными на ближайшие несколько десятилетий.
В настоящее время определилось два направления дальнейшего улучшения эколого-эко-номических показателей (ЭЭП) двигателей, работающих на светлых нефтяных топливах,
- за счет сгорания расслоенной смеси с принудительным воспламенением и сгорания гомогенизированной топливовоздушной смеси с воспламенением от сжатия (процесс НСС1). Оба направления, по сути, прямопротивоположны и тем не менее позволяют получить улучшение показателей работы двигателя. В основе обоих направлений используются наиболее эффективные средства - обеднение состава рабочей смеси и повышение степени сжатия.
Применительно к двигателям с искровым зажиганием переход к обеднению смеси сопровождается нарушением стабильности работы
двигателя, что вызвало необходимость разработки процессов с расслоением топливовоздушной смеси в объеме камеры сгорания с целью получения обогащенного состава смеси у электродов свечи зажигания в момент искрообразования.
Также при разработке процессов с расслоением заряда определилась тенденция к повышению степени сжатия, что в целом вызывает ухудшение антидетонационных характеристик двигателей. Дополнительно повышает склонность к возникновению детонации стремление использовать в двигателях с расслоением заряда топлива различного фракционного состава и переход к качественному (комбинированному) регулированию мощности. Выполнение подобного сложного комплекса требований, при разработке новых схем организации рабочих процессов, на первый план выдвигает поиск методов борьбы с детонацией.
В данной статье будут рассмотрены особенности работы двигателей с искровым зажиганием и расслоением топливовоздушной смеси в камере сгорания при осуществлении различных способов расслоения в процессе смесеобразования, при этом основное внимание будет уделено оценке факторов, влияющих на антидетонационные качества двигателя.
Состояние проблемы
Результаты исследований двигателей с различными способами расслоения заряда подтвердили возможность использования в двигателях с искровым зажиганием обедненных смесей, повышения степени сжатия (на 2-3 ед.), снижения требований к октановому числу топлива, при этом отмечается уменьшение содержания в продуктах сгорания окиси углерода (СО) и окислов азота (NOx). Недостатком двигателей с расслоением заряда является пониженный уровень мощности и повышенное содержание несгоревших углеводородов (CnHm) в ОГ. Наибольшую эффективность при использовании процессов с расслоением заряда удается получить на частичных нагрузках при общем обеднении смеси по объему цилиндра до а > 2. Сложность процесса заключается в обеспечении расслоенной структуры заряда во всем поле эксплуатационных режимов работы двигателя, исключая режим номинальной мощности. Наилучших результатов в отношении получения требуемого закона расслоения, с использованием сложного алгоритма управления процессом, удалось достичь фирме «Mitsubishi», которая улучшила эксплуатационную экономичность автомобилей при использовании двигателей данного типа на 15.. .20%, при этом двигателю были обеспечены высокие антидетонационные качества. Лицензии на производство двигателей у «Mitsubishi» закупили фирмы «Hyundai Motor», «Peugeot» и др.
Цель и постановка задачи
Цель - определить основные факторы, обеспечивающие повышение антидетонационных качеств двигателей с расслоением топливовоздушной смеси.
Анализ особенностей работы двигателей с расслоением топливовоздушной смеси
Необходимо рассмотреть один из первых способов глубокого расслоения заряда, предложенный в середине прошлого столетия и показавший преимущества подобных схем смесеобразования. Речь идет о двигателе Кушуля, в котором за счет особенностей конструкции обеспечивается механическое разделение обогащенной смеси и воздуха [1]. Рабочий процесс в двигателе осуществляют в двух смежных цилиндрах, сообщающихся
каналом, выполненным в головке цилиндров, причем на такте впуска один из цилиндров заполняется топливовоздушной смесью, а другой - воздухом. За счет различной кинематики шатунов в цилиндр, заполненный смесью, поршень которого движется с опережением, после начала сгорания из второго цилиндра в зону горения вдувается воздух, что турбулизирует и ускоряет процесс сгорания. За счет этого обеспечивается улучшение показателей работы двигателя и, как это принято считать, его антидетонационных качеств. Однако, по мнению автора, повышение антидетонационных качеств двигателя в данном случае обеспечивается вследствие интенсивного перемешивания участков топливовоздушной смеси, сгорающей за фронтом пламени и образующей очаги детонации, с продуктами сгорания [2]. При этом последующее сгорание паров топлива, равномерно распределенных в объеме продуктов сгорания, является причиной «жесткой» работы двигателя, что отмечается при проведении исследований. Применение данного способа расслоения обеспечивает стабильную работу двигателя при общем обеднении смеси по объему двух цилиндров до значений а ~ 2. При этом в двигателе возможно использование низкооктанового бензина при повышении степени сжатия до е = 10. Необходимо отметить, что вследствие повышенной сложности и низкого механического КПД изготовление подобного двигателя нецелесообразно. Практический интерес представляет определение физической сущности фактора, обеспечивающего высокие антиде-тонационные качества двигателя с данным способом расслоения заряда, который заключается в интенсивной турбулизации продуктов сгорания непосредственно за фронтом пламени, что препятствует формированию очагов (центров) детонации, образующихся вследствие растянувшегося процесса испарения высококипящих бензиновых фракций. К сожалению, обеспечить турбулизацию продуктов сгорания для повышения подобным образом антидетонационных качеств двигателей традиционных схем не представляется возможным.
В основе способов расслоения заряда, разработанных для неразделенных камер сгорания, используется согласование движения струи впрыскиваемого топлива с динамикой воздушного потока в цилиндре двигателя. К подобным способам следует отнести процес-
сы Техасо «TCCS» и Ford «PROCO» [3]. Двигатели, реализующие данные процессы, имеют высокую степень сжатия (е=12), допускают качественное регулирование мощности и использование низкооктановых топлив. Особенностью работы обоих двигателей является позднее зажигание и позднее впрыскивание топлива, совпадающее по фазе с подачей искры ^оМ «PROCO») или многоискровым разрядом на электродах свечи (Техасо «TCCS»), что обеспечивает большую вероятность воспламенения слоя смеси, содержащего пары топлива. Следует отметить, что эффективность протекания процесса расслоения топливовоздушной смеси определяется интенсивностью движения воздушного вихря в цилиндре и зависит от скоростного режима работы двигателя. Ограничение частоты вращения в этих целях является одной из причин пониженной литровой мощности (не более 20кВт/л) и делает двигатели данного типа неконкурентоспособными.
В данном случае, по мнению автора, фактором, определяющим возможность работы двигателей с искровым зажиганием и высокой степенью сжатия на низкооктановом топливе является то, что при поздних фазах впрыскивания топлива и подачи искры работа двигателя обеспечивается за счет сгорания легких фракций в составе цикловой порции топлива, испаряющихся в первую очередь, тогда как процесс испарения тяжелых фракций, составляющих последнюю часть заряда, растягивается и завершается на такте расширения. Подобная закономерность испарения топлива в процессе смесеобразования объясняет необходимость обязательного применения поздних фаз подачи топлива и искры, что обеспечивает возможность работы двигателей Ford «PROCO» и Техасо «TCCS» на низкооктановых топливах - за счет смещения сгорания последней части топливного заряда ниже границы детонации. При этом сгорание тяжелых фракций топлива на такте расширения в среде продуктов сгорания является неполным, вследствие отсутствия кислорода , что обуславливает основной недостаток работы двигателей - повышенное содержание несгоревших углеводородов в ОГ. Подобный анализ процесса смесеобразования также позволяет говорить об ограниченной возможности двигателей с данным способом расслоения заряда в отношении дальнейшего форсирования по Ре, т.к. с повышением давления и температуры (Рг Tг)
ускорится процесс испарения последней части топливного заряда и ее сгорание будет проходить выше границы детонации и вызовет нарушения в работе двигателя. В отношении снижения токсичности ОГ двигателей Ford «PROCO» и Техасо «TCCS» следует отметить, что данное положительное качество возможно не является результатом улучшения полноты сгорания топлива в рабочем процессе с расслоением заряда, а является следствием уменьшения эффективно сгорающей части цикловой подачи топлива в этих двигателях, о чем свидетельствует возросшее содержание несгоревших углеводородов в ОГ. В данном случае можно говорить об абсолютном уменьшении количества продуктов сгорания, в том числе СО и N0^ в результате сгорания меньшего количества топлива.
Необходимо рассмотреть особенности наиболее эффективного способа расслоения реализуемого в двигателях «Mitsubishi», в которых расслоенная структура смеси достигается за счет сочетания конструкции камеры сгорания и аэродинамики потока в цилиндре двигателя. Для этой цели в днище поршня предусмотрена сферическая выемка, которая обеспечивает необходимое направление движения вертикально входящего в цилиндр потока воздуха, а также направляет впрыскиваемое форсункой топливо к свече зажигания. Двигатель может работать на смеси стехиометрического, обогащенного и обедненного (экономичного) состава, что обеспечивается различными фазами подачи топлива. В частности, гомогенная смесь стехиометрического состава образуется при впрыскивании топлива на такте впуска. Экономичный состав достигается за счет обеднения смеси по объему цилиндра до
а ~ 2,5 - 2,7 при обеспечении состава смеси в пределах воспламеняемости у электродов свечи зажигания путем использования поздних фаз подачи искры и топлива. Для приготовления смеси обогащенного состава в двигателе используется впрыск топлива в два этапа - на такте впуска и на такте сжатия. Следует отметить, что реализуемый в двигателе сложный алгоритм управления подачей топлива предусматривает не только приготовление смеси оптимального состава для соответствующих режимов работы, но и обеспечивает повышенные антидетонационные качества двигателя при изменении условий смесеобразования - на экономичном режиме
за счет смещения сгорания последней части заряда ниже границы детонации, а на обогащенной смеси путем улучшения испарения топлива в процессе подготовки смеси и уменьшения вероятности образования очагов детонации, что позволило повысить степень сжатия двигателя до в ~ 12, однако при условии использования высокооктанового бензина.
Предложены способы расслоения заряда в сферической вихревой камере сгорания, в одном из которых применено оригинальное техническое решение - особенностью камеры сгорания данного типа, используемой в двигателе «Marker», разработанном фирмой «Fiat», является наличие стержня, проходящего через центр сферы и служащего заземляющим электродом свечи зажигания, которая имеет удлиненный центральный электрод и обеспечивает искровой разряд в центре камеры сгорания (рис.1). При впрыскивании топлива специальной форсункой во вращающийся воздушный поток крупные частицы концентрируются вокруг стержня, образуя смесь обогащенного состава, которая воспламеняется в первую очередь. По данным опубликованных материалов двигатель с такой схемой расслоения заряда при степени сжатия в = 10,7 работает на топливе широкого фракционного состава, обладает удовлетворительной экономичностью и пониженной токсичностью ОГ [3]. Однако серийно двигатель не выпускается вследствие пониженной литровой мощности (не более 25 кВт/л), которая достигается при работе на смеси с а ~ 1,4. Ограничение дальнейшего обогащения смеси и повышения литровой мощности двигателя, по мнению автора, связано с появлением детонации, для развития которой создаются благоприятные условия. В частности, данный способ расслоения основан на предварительной сепарации частиц топлива, в результате последующего испарения которых достигается требуемая структура заряда. Однако полнота испарения топлива в процессе смесеобразования зависит от величины цикловой подачи, с увеличением которой в зоне обогащенной смеси к моменту воспламенения остаются неиспа-рившиеся частицы, образующие очаги детонации,
ограничивающей уровень мощности двигателя с этой схемой смесеобразования.
Неполное испарение топлива является причиной появления детонации в двигателе с вихревой камерой сгорания и при расположении распылителя форсунки и электродов свечи зажигания на образующей камере сгорания [4]. При впрыскивании топлива во вращающийся воздушный поток крупные частицы под воздействием центробежных сил отбрасываются к стенкам камеры, после испарения которых обеспечивается расслоение заряда в объеме камеры сгорания с обогащением периферийной зоны. С увеличе-нием цикловой подачи испарение топлива ухудшается, на стенках камеры сгорания образуется топливная пленка и создаются условия для формирования очагов детонации. О наличии топливной пленки возможно судить по появлению пропусков воспламенения вследствие шунтирования электродов свечи зажигания. Исключить попадание топлива на электроды свечи в подобном случае удается путем устранения их выступания в объем камеры сгорания. Возникновение же детонации при работе двигателя на мощностных режимах свидетельствует о неполном испарении топлива в процессе смесеобразования. Необходимо отметить, что детонация в двигателях с вихревой камерой сгорания не вызывает быстрого разрушения поршня, т.к. сгорание последней части заряда происходит в компактном объеме, сообщающимся с надпоршне-вой полостью сравнительно узким каналом. Это затрудняет попадание неиспарившихся частиц топлива на днище поршня, последующее сгорание которых вызывает его разрушение [5].
ftl
£?/ 1 у УШЮ/Г <жз
1 4
у/Ац////м ) к
ТШ ЇГг \V vs \ 4 \ 4 \ 4
Рис. 1. Камера сгорания двигателя «Marker»
Расслоения заряда с обогащением периферийной зоны возможно достичь в двигателях с полусферической камерой сгорания и непосредственным впрыском при подаче цикловой порции топлива на поверхность камеры сгорания [6]. Представляют интерес приведенные в статье результаты экспериментальных исследований двигателя с данным способом смесеобразования на топливах с различными физико-химическими свойствами, на основании которых возможно проследить следующую закономерность. С увеличением плотности применяемого топлива мощность двигателя снижается, при этом увеличивающееся количество несгоревших углеводородов в ОГ показывает, что увеличивается часть топлива в составе цикловой подачи, не эффективно используемая в рабочем процессе. Подобная тенденция объясняется увеличением количества тяжелых высококипящих фракций в объеме цикловой подачи, процесс испарения которых затягивается и завершается на такте расширения, снижая удельные показатели, повышая токсичность ОГ и склонность двигателя к детонации.
Данному способу смесеобразования свойственны недостатки предыдущего способа -образование топливной пленки, в связи с чем работа двигателя на мощностных режимах также сопровождается детонацией, особенности развития которой рассмотрены в работе [5]. Однако автор статьи [6] не упоминает о детонации, как о факторе ограничивающем мощность двигателя при изменении физикохимических свойств топлива, но о борьбе с ней можно судить по существенному уменьшению значения угла опережения зажигания (УОЗ) при работе двигателя на дизельном топливе и смеси бензина с дизельным топливом до 0з = 7 гр. п.к.в. до ВМТ, который является нехарактерным для нагрузочных режимов высокооборотного двигателя (рекомендуемый заводом-изготовителем УОЗ при работе на бензине - 0з = 28 гр. п.к.в. до ВМТ). Следует отметить наличие принципиальных ошибок в статье [6], допущенных при анализе результатов экспериментальных исследований, что свидетельствует о необходимости более глубокого изучения проблемы.
В целом на основании исследований двигателей со сферической и полусферической камерами сгорания и непосредственным впрыскиванием топлива возможно сделать вывод о невысокой эффективности данного
способа смесеобразования при подаче струи топлива в объем или на стенку камеры сгорания. Также отмеченная по результатам исследований двигателя с полусферической камерой сгорания взаимосвязь основных показателей позволяет говорить, что менее экономичный двигатель обладает повышенной токсичностью ОГ и более расположен к возникновению детонации. Подобный вывод подтверждается при сравнении показателей двигателей с карбюраторной системой питания, от выпуска которых обоснованно отказались, и двигателей с электронной системой управления подачей топлива. В отношении пониженной склонности двигателей с электронным управлением к детонации следует уточнить, что данное качество является не только следствием применения в электронном блоке управления работой двигателя канала обратной связи с датчиком детонации -повышение антидетонационных качеств двигателей с впрыском бензина обеспечивается за счет улучшения дисперсности распылива-ния топлива и гомогенизации смеси в процессе смесеобразования. При этом положительным качеством систем управления с датчиком детонации следует рассматривать возможность обеспечить работу двигателя на границе детонации, что позволяет получить наилучший уровень показателей на каждом из режимов работы (при условии использования бензина, рекомендуемого заводом-изго-товителем).
В связи с предложенным выше выводом о недостаточной эффективности процесса смесеобразования в сферической и полусферической камерах сгорания необходимо рассмотреть условия протекания процесса смесеобразования в достаточно экономичном, с высокими антидетонационными качествами двухтактном двигателе фирмы «Orbital Eng. Co.», который также имеет полусферическую смещенную от оси цилиндра камеру сгорания, особенностью которого является подача топлива в цилиндр с помощью сжатого воздуха (рис. 2). Как утверждают разработчики, улучшение ЭЭП двигателя получено за счет расслоения заряда в процессе смесеобразования [7]. Однако следует учесть, что достоинством пневматического способа подачи топлива является улучшение дисперсности его распыливания и ускоренное перемешивание форсуночного воздуха, содержащего топливо, с объемом воздуха в цилиндре двигателя, т.е. улучша-ется гомогенизация топ-
ливовоздушной смеси. С учетом данных положительных качеств
Рис. 2. Двигатель «Orbital» с пневматической подачей топлива
пневматического способа топливоподачи и отсутствия в конструкции двигателя специальных мероприятий по осуществлению расслоения, улучшение показателей работы и антидетонационных качеств двигателя, по мнению автора, достигается вследствие улучшения испарения топлива в процессе смесеобразования. Подтверждает эту точку зрения отсутствие информации о снижении мощности экспериментального двигателя по сравнению с двигателем данного рабочего объема с карбюраторной системой питания, что характерно для двигателей с несложными способами расслоения заряда.
Необходимо обратить внимание на особенность представления результатов исследований двухтактных двигателей по материалам [6, 7], в которых приводится высокое значение коэффициента избытка воздуха расслоенной смеси порядка а ~ 2, при этом не уточняется объем воздуха используемый при его расчете - замеренный на входе в двигатель или действительный, который остается в цилиндре после окончания продувки. Учитывая, что определение действительного количества воздуха, участвующего при сгорании топлива в двухтактных двигателях затрудни-
тельно, то представленные значения а завышены, и с учетом поправки на величину потерь при продувке до 35% [8], эффект обеднения смеси будет выглядеть менее внушительным.
Заключение
Анализ результатов исследований двигателей с расслоением заряда позволяет сделать вывод, что расслоение заряда в объеме камеры сгорания на зоны с различным составом топливовоздушной смеси создает благоприятные условия для развития детонации, т.к. в смеси обогащенного состава всегда имеются частицы неиспарившегося топлива. Для устранения детонации необходимо применять поздние значения УОЗ и смещать сгорание последней части заряда на такт расширения. Эта особенность определяет основной недостаток двигателей данного типа - повышенное содержание несгоревших углеводородов в ОГ. Для снижения уровня токсичности и выполнения действующих требований на автомобили, оснащенные подобными двигателями, должны устанавливаться сложные и дорогостоящие нейтрализаторы типа <^еп-ох». Также двигатели с расслоением заряда
чувствительны к изменению характеристик распыливания топлива, что вследствие нарушений закономерностей расслоения сопровождается ухудшением показателей работы. С учетом перечисленных недостатков и в связи с тем, что резервы повышения экономичности за счет расслоения заряда, даже при реализации сложных алгоритмов управления смесеобразованием практически исчерпаны, возможно говорить о неперспективности данного направления для дальнейшего улучшения показателей двигателей с искровым зажиганием.
Литература
1. Воинов А.Н. Сгорание в быстроходных
поршневых двигателях. - 2-е изд. пере-раб. и доп. - М.: Машиностроение, 1977.
- 277 с.
2. Мотлохов А.В. О причинах детонации в
двигателях с искровым зажиганием // Автомобильный транспорт. - Харьков: ХНАДУ. - 2005. - Вып. 17. - С.55 - 60.
3. Лурье В.А., Мангушев В.А., Маркова И.В.
Пути повышения экономичности автотракторных двигателей. Серия «Двигатели внутреннего сгорания». Итоги науки и техники, ВИНИТИ АН СССР. - М., 1982, т.3. - 232 с.
4. Астахов В.А. Разработка рабочих процес-
сов бензинового двигателя с расслое-ни-ем заряда в дополнительной камере сгорания: Автореф. дис... канд. техн. наук. - Харьков: ХИИТ. 1987. - 22 с.
5. Мотлохов А.В. Особенности развития про-
цесса детонации в двигателях с искровым зажиганием // Автомобильный транспорт. - Харьков: ХНАДУ. - 2006. -Вып. 18. - С. 110 - 113.
6. Корогодский В.А. Оценка показателей ра-
бочих процессов двигателя с искровым зажиганием и непосредственным впрыскиванием углеводородных топлив различного состава // Двигатели внутреннего сгорания. Научно-технический журнал.
- Харьков: НТУ «ХПИ». - 2005. -№1(6). - С.21 - 24.
7. Илей Л. Новый двухтактный двигатель
«Orbital» //Автомобильная промышленность США. - 1986. - №7.- С. 5 - 8.
8. Двухтактные двигатели внутреннего сгора-
ния / В.М. Кондрашов, Ю.С. Григорьев, В.В. Тупов и др. - М.: Машиностроение, 1990. - 272 с.
Рецензент: Ф.И. Абрамчук, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 22 мая 2007 г.
