CC BY
59
УДК 621.43
ПУТИ ПОВЫШЕНИЯ ЭКОЛОГИЧЕСКИХ И ЭКОНОМИЧЕСКИХ ПОКАЗАТЕЛЕЙ МАЛОРАЗМЕРНОГО БЫСТРОХОДНОГО ДИЗЕЛЯ ЗА СЧЁТ УСОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ СМЕСЕОБРАЗОВАНИЯ
Ф.И. Абрамчук, профессор, д.т.н., А.И. Воронков, доцент, к.т.н., С.И. Отченашко, аспирант, ХНАДУ
Аннотация. Проведен анализ конструктивных особенностей современных дизелей с системой непосредственного впрыска. Сформулированы основные требования к конструкции и рабочему процессу, позволяющие повысить эколого-экономические показатели быстроходного малоразмерного дизеля 4ДТНА1.
Ключевые слова: малоразмерный быстроходный дизель, рабочий процесс, усовершенствование смесеобразования, эколого-экономические показатели.
Введение
В настоящее время наблюдается уверенное возрастание доли дизельных автомобилей во всех сегментах рынка транспортных средств [1-2]. С материальной точки зрения для отечественного производителя разумно использовать возрастающий спрос на дизельные автомобили, а особенно в сегменте малоразмерных дизелей как наиболее перспективном. Перспективность данного сегмента рынка обуславливается увеличением дизе-лизации именно легковых и легких грузовых автомобилей. Модернизируется двигатель 4Ч88/82,0, который является усовершенствованной версией тракторного двигателя 4ДТА.
Анализ конструкции базового двигателя
Для выявления путей повышения экологических и экономичных показателей двигателя 4ДТНА1 необходимо провести анализ его технических характеристик и конструкции.
Данный двигатель является представителем вихрекамерных дизелей. Сконструирован с использованием вихревой камеры и проточек в поршне по типу «Комета Ш», предложенной еще в 30-х гг. Риккардо. Предназначен для использования в качестве силовых установок на грузовых автомобилях малой грузоподъёмности типа «Газель». Его технические характеристики в сравнении с техническими характеристиками современных двигателей представлены в табл. 1. Несмотря на отсутствие некоторых данных, из таблицы видно, что двигатель 4ДТНА имеет наихудшие показатели по основным параметрам - литровой мощности и удельному крутящему моменту.
Таблица 1 Технические характеристики двигателей
Технические характеристики 4ДТНА ЯепаиИ 2.0<іЄі А. Яотео 1,9МиШ]е1 Богі 1,8 ОМ 660
Рабочий объем, л 2,0 1,99 5 1,9 1,753 0,799
Диаметр цилиндра, мм 88 н.д. н.д. н.д. 65,5
Ход поршня, мм 82 н.д. н.д. н.д. 79,0
Номинальная мощность, кВт 66,2 125 103 85 30
Частота вращения при N етах, мин-1 4200 3750 н.д. 4200
Максимальный крутящий момент, Нм 184 360 305 250 100
Частота вращения при Метах,мин 2600 2000- 3000 2000 1850 1800- 2800
Степени сжатия 18 16 н.д. н.д. 18,5
Масса двигателя, кг 175 н.д. н.д. н.д. н.д.
Расход топлива, комбинированный цикл Еи, л/100 км 10,5 н.д. 6 5,5 3,4
Литровая мощность. кВт/л 33,1 62,66 54,2 48,14 5 37,55
Удельный крутящий момент Нм/л 92 180,45 160,53 142,6 125,16
Габариты двигателя, мм длина ширина высота 700 520 700 н.д. н.д. н.д. н.д. н.д. н.д. н.д. н.д. н.д. н.д. н.д. н.д.
Кроме этого, двигатель 4ДТНА1 по нормам экологичности удовлетворяет требованиям Евро-2, в то время как остальные выполняют требования Евро-3,4 [3-5]. Отсюда можно сделать вывод, что
вопрос улучшения технических характеристик данного двигателя является актуальным, тем более, учитывая ужесточения мировых экологических норм по выбросам вредных веществ и все большее возрастания мировой цены на нефть.
Цель и постановка задачи
Целью данной работы является анализ мировой практики по созданию малоразмерных быстроходных дизелей с высокой удельной мощностью. Разрабатывается перечень рекомендаций применимых при модернизации двигателя 4ДТНА
Актуальность темы
Как было отмечено, в данном двигателе используется вихревая камера типа «Комета Ш», которая является одной из лучших среди всех вихревых камер. Однако, как и всем вихревым камерам ей присущ ряд существенных недостатков, связанных с конструктивными особенностями данной системы. Это:
- большие насосные потери, связанные с перетеканием рабочего тела из основной камеры сгорания в вихревую и обратно;
- потери энергии из-за теплопередачи в канале соединяющем вихревую камеру с основной (в общем дополнительные потери так же связанные с увеличением площади контакта рабочего тела со стенками цилиндра, поверхностью вихревой и основной камеры сгорания).
Так же необходимо упомянуть, что конструкция данного двигателя предусматривает два клапана на цилиндр, а это ухудшает рабочие характеристики двигателя, так как оба канала уменьшают гидравлическое сопротивление на 5-10% в сравнении с головкой также с четырьмя клапанами, с тангенциальным и спиральным каналами обычного расположения и на 30% - в сравнении с двухклапанной головкой цилиндров [6]. Раньше (до введения жестких экологических норм и менее развитой технологии производства) конструкция с двумя клапанами на цилиндр обеспечивала требуемые характеристики и была значительно дешевле в производстве, поэтому ей отдавали предпочтение большинство конструкторов. Теперь, когда ключевым фактором является борьба за экономичность двигателя и удовлетворения требованиям по экологичности, данная конструкция нуждается в серьёзной модернизации.
Выбор путей совершенствования дизеля 4ДТНА1
Для улучшения показателей двигателя необходимо снижать гидравлические потери при наполнении цилиндра и удалении продуктов сгорания, совершенствовать рабочий процесс в цилиндре.
Обращаясь к мировой практики двигателестрое-ния, мы видим, что наиболее распространенным сочетанием, применяемым конструкторами, является многоклапанная система (4, 5 и даже 7 клапанов на цилиндр), комбинированная с непосредственным впрыском топлива. Так, применив четырехклапанную головку в сочетании с непосредственным впрыском удалось повысить экономичность до 21% на частичных режимах, и до 15% на режиме максимальной мощности [6].
О многоклапанной системе упоминалось выше. Там необходимо обеспечить максимально возможное суммарное проходное сечение и правильно выбрать форму канала для уменьшения сопротивления на впуске и выпуске. В данной работе проанализировано применение системы непосредственного впрыска топлива на современных быстроходных дизелях.
Как правило, непосредственный впрыск реализуется тремя основными способами:
- плёночное смесеобразование (большинство топлива, до 80-90%, подается на стенки камеры сгорания);
- объёмно-плёночное смесеобразование (60-70% топлива испаряется в объёме, остальная часть на стенках камеры сгорания);
- объёмное смесеобразование (все топливо испаряется в объёме камеры сгорания).
Плёночное смесеобразование в конструкциях современных автомобильных малоразмерных быстроходных двигателей не используется. Наиболее распространённым является объемноплёночное смесеобразование. Первые системы непосредственного впрыска, «Common Rail» 1 и 2 поколения используют именно объёмно-пленочное смесеобразование и высокие давления впрыска. Доля плёночности варьируется в определенных пределах, т.к. ей регулируется жесткость работы двигателя. Высокое давление впрыска увеличивает подачу топлива в единицу времени, улучшает качество распыливания топлива, а, следовательно, и характеристики процесса сгорания. Данные системы показали себя достаточно хорошо с точки зрения эксплуатационных характеристик и удовлетворяют нормам токсичности Евро-
S. Но в силу ряда существующих причин наиболее перспективным является все же объёмное смесеобразование. В основном это связанно с возможностью удовлетворения более строгим экологическим нормам по выбросам, до Евро-5. Это достигается благодаря получению очень мелкого распыливания топлива, отсутствием замедления сгорания топлива из-за попадания его на стенку камеры сгорания, более полное сгорание топлива. Уменьшение периода сгорания топлива даёт возможность форсировать двигатель по оборотам и современные двигатели раскручиваются до 5 000 мин -1. Однако именно по этой причине
двигатели с объёмным смесеобразованием имеют очень высокие скорости нарастания давления, что ведет к увеличению шумности работы двигателя и возникновению запредельных нагрузок, разрушающих детали цилиндропоршневой группы и кривошипно-шатунного механизма. Именно высокая жёсткость работы была сдерживающим фактором в применении двигателей с объёмным смесеобразованием.
Настоящим прорывом в двигателестроении явилось создание форсунок с электромагнитным клапаном, а впоследствии и пьезоэлектрических форсунок [1]. Опуская все технические подробности отметим, что данное изобретение позволило разбивать процесс впрыска топлива на несколько подвпрысков и основной впрыск. Тем самым инженеры получили возможность контролировать процесс сгорания, а следовательно и степень нарастания давления, без замедления процесса сгорания. Данное техническое решение позволило использовать высокие значения давления впрыска (сейчас 180 МПа, а в перспективе до 250 МПа), что в сочетании с объёмным смесеобразованием положительно сказалось на характеристиках дизельных двигателей.
Как было отмечено выше, сущность многофазного впрыска заключается в разделении процесса впрыска на несколько этапов:
- пилотный впрыск - позволяет постепенно повышать давление и температуру в камере сгорания тем самым снижая жесткость и шумность работы двигателя;
- основной впрыск - с ним подаётся основная порция топлива;
- пост-впрыск - повышает температуру выхлопных газов для работы каталитического нейтрализатора.
500 1000 1500 2000 2500 3000 3500 4000 4500 5000
Частота врашения, мин'1
Рис. 1. Характеристика работы топливной аппаратуры в зависимости от режимов работы двигателя
На практике, фирмы, изготавливающие топливную аппаратуру, разбивают процесс впрыска на 2-5 частей. В дополнение ко всему количество впрысков, их продолжительность и распределение по времени так же целесообразно регулировать в зависимости от числа оборотов и нагрузки на двигатель (рис. 1). Достигается выполнение норм Евро-4 без применения сажевого фильтра и в дальнейшем - выполнение норм Евро-5 [7]. Всё изложенное указывает на перспективность совершенствования дизельного двигателя в данном направлении.
Выводы
Двигатель 4ДТНА нуждается в серьёзной модернизации, которая должна проводиться учитывая следующие аспекты:
- применение четырехклапанной головки;
- отказ от вихревой камеры и переход к непосредственному впрыску с центральным расположением форсунки;
- использование высоких давлений впрыска и объёмного смесеобразования;
- переход к многофазному впрыску;
- регулирование количества впрысков, их продолжительность и распределение по времени;
- применение регулируемого турбонаддува.
Полная модернизация двигателя 4ДТНА приведет к повышению его стоимости. Поэтому можно использовать не комплексную, а частичную модернизацию.
Литература
1. Наступление дизельных автомобильных двига-
телей // Автостроение за рубежом. - 2004. -№8. - С. 9-14.
2. Дизельные легковые автомобили в США // Ав-
тостроение за рубежом. - 2004. - №2. - С. 21-22.
3. Арбузов С. Дубликат // Auto, motor sport. -
2005. - №08. - С. 88-89.
4. Новый дизельный Ford TDCi с системой впры-
ска Common-Rail // Автостроение за рубежом.
- 2002. - №2. - С. 9-11.
5. Новый дизельный Multijet для Alfa Romeo //
Автостроение за рубежом. - 2003. - №7. -С. 14-15.
6. Automotive Engineering. - 1998. - №11. - С. 63-65.
7. Новый дизель фирмы Fiat // Автостроение за
рубежом. - 2004. - №5. - С. 10-11.
Рецензент: Д.Н. Пойда, профессор, д.т.н., ХНАДУ.
Статья поступила в редакцию 5 апреля 2006 г.
