Все двигатели внутреннего сгорания имеют одну общую черту — сгорание топлива происходит после всасывания свежей смеси или воздуха и последующего сжатия. В поршневых двигателях это происходит, когда поршень находится вблизи верхней мертвой точки (ВМТ). Результатом является повышение давления, которое через поршень и шатун передается на коленчатый вал в виде крутящего момента (рис. «Рабочий цикл поршневого двигателя внутреннего сгорания» ). Вот о том, как происходит образование смеси в бензиновых двигателях, мы и поговорим в этой статье.

 

 

Последовательность сжатия и последующего сгорания топлива, с одной стороны, оказывает значительное влияние на характеристику давления и, следовательно, на к.п.д. и выходной крутящий момент. С другой стороны, эта последовательность определяет процесс образования токсичных продуктов горения. В этом отношении бензиновые и дизельные двигатели отличаются способом управления процессами.

 

 

Двигатель с искровым зажиганием

 

Характерной чертой бензиновых двигателей является использование внешнего источника зажигания, обычно электродной свечи зажигания. В идеальном случае имеет место образование надлежащей топливовоздушной смеси, что обеспечивает требуемую воспламеняемость. Это достигается за счет внешнего смесеобразования (впрыск топлива во впускной трубопровод) или внутреннего смесеобразования (прямой впрыск топлива).

 

Образование смеси в бензиновых двигателях

 

В основном приготовление однородной смеси осуществляется на двигателях с искровым зажиганием, т.е. всасываемый воздух полно­стью смешивается с испаряемым и распы­ленным топливом во время тактов впуска и сжатия. Превосходная испаряемость бензина позволяет впрыскивать его во впускной трубо­провод. С другой стороны, современные дви­гатели с послойным распределением заряда топлива характеризуются частично гетероген­ным смесеобразованием.

На процесс смесеобразования оказывают значительное влияние условия испарения то­плива, давление впрыска, движение заряда топлива в цилиндре и время, необходимое для гомогенизации смеси. В сущности, сме­сеобразование связано с взаимодействием двух процессов: испарение капелек топлива, вызванного разностью температур (см. рис. «Испарение топлива» ) и их расщепления под действием аэродина­мических сил (см. рис. «Образование капель топлива» ). Здесь различают впрыск топлива во впускной трубопровод и прямой впрыск топлива (см. табл. «Приготовление рабочей смеси в двигателях с искровым зажиганием» ).

Впрыск топлива во впускной трубопровод

 

В случае впрыска топлива во впускной трубопро­вод перед впускным клапаном создается пленка топлива, масса которой уменьшается по мере воз­растания скорости движения воздуха. Эта скорость движения воздуха линейно изменяется в зависимости от скорости вращения двигателя. Вслед­ствие низкой температуры и неполного испарения топлива во впускном трубопроводе с образованием в результате топливной пленки, впрыск топлива во впускной трубопровод происходит при очень низ­ком давлении впрыска, менее 10 бар.

Динамика поведения сцепленной со стенками впускного трубопровода пленки и механизмы, действующие во время испарения, являются одними из главных причин неточного дозиро­вания топлива, прежде всего во время работы двигателя в переходных режимах. Внутренней части цилиндра достигают только капли то­плива малого размера, захваченные потоком воздуха (см. рис. «Образование капель топлива» ). Типичный диаметр капель составляет 30 мкм. Ускорение капель пропор­ционально скорости движения капель относительно воздуха в зависимости от их диаметра.

Очень высокая степень турбулентности и высокие скорости потока дают очень хорошее смесеобразование. По мере развития процесса испаряются оставшиеся капли топлива малого размера. Топливо приобретает температуру смеси (см. рис. «Испарение капель топлива» ), и происходит гомогениза­ция смеси. За счет оптимальной конструкции камеры сгорания предотвращается интенсив­ный контакт топлива с ее стенками, всегда при­водящий к риску конденсации.

Прямой впрыск топлива

 

В системах прямого впрыска топлива (бен­зина) механизмы смесеобразования в зазоре клапана не используются. Поэтому здесь тре­буется более высокое давление впрыска, от 50 до 100 бар. Для обеспечения достаточного для гомогенизации времени впрыск произво­дится не позже момента достижения порш­нем нижней мертвой точки.

Затем впрыснутая смесь сжимается, в зависимости, прежде всего, от положения дроссельной заслонки и степени сжатия двигателя до уровня давления от 10 до 40 бар. Это соответствует уровню температуры от 300 до 500 °С, в зависимости, прежде всего, от степени сжатия. В гетерогенных процессах впрыск производится только в конце фазы сжатия.

Преимущество прямого впрыска топлива заключается в его точном дозировании. Про­цесс испарения топлива в камере сгорания также требует надлежащего охлаждения заряда топлива в цилиндре. Это позволяет повысить степень сжатия примерно на одну единицу, что дает повышение к.п.д. двига­теля.

Во всех процессах сгорания окисление топлива происходит только в конце фазы сжатия и в начале фазы расширения.

 

Процессы сгорания топлива в двигателях с искровым зажиганием

 

Последующий процесс сгорания топлива зависит от природы смесеобразования (го­могенной или гетерогенной). Полностью гомогенная смесь образуется в режиме предварительного смешивания, полностью гетерогенная смесь — в режиме контроля смесеобразования. На современных двигателях с прямым впрыском топлива и послойным рас­пределением заряда топлива большая часть впрыскиваемого топлива (>50 %) гомогени­зируется до начала сгорания.

Как при гомогенном, так и при частично гетерогенном смесеобразовании фактиче­скому сгоранию топлива предшествует ста­дия зажигания.

 

Зажигание

 

Зажигание обычно осуществляется при по­мощи электродной свечи зажигания. При подаче высокого напряжения происходит электрический пробой с образованием искры между электродами свечи, зависящий от со­стояния смеси (т.е. ее давления, температуры и состава). Как правило, величина высокого напряжения составляет более 10 кВ. Требуе­мая величина высокого напряжения опреде­ляется прежде всего количеством молекул между электродами. Зажженная свечой зажи­гания смесь в процессе сгорания должна вы­свободить количество энергии, достаточное для зажигания смеси, непосредственно примыкающей к области начального зажигания.

 

 

При обеднении смеси количество заключен­ной в ней энергии (при неизменном зазоре между электродами свечи) уменьшается. Это сопровождается увеличением потребности в энергии, необходимой для зажигания окружа­ющей, также бедной смеси. Путем увеличения зазора между электродами можно увеличить объем смеси, поджигаемой свечой, и тем са­мым повысить величину энергии. Однако, уве­личение зазора между электродами требует увеличения напряжения зажигания. Таким образом, эта потребность возрастает при обе­днении смеси или при увеличении нагрузки. В случае увеличения нагрузки одновременно снижается продолжительность искры, в то время как требуемая величина высокого на­пряжения возрастает (см. рис. «Продолжительность искры и требуемое напряжение зажигания» ).

В связи с тепловыми потерями на электро­дах свечи, потерями на тепловую конвекцию и циклическими изменениями состояния смеси энергия зажигания превышает теоре­тическую минимальную энергию не более чем на один порядок величины (см. рис. «Минимальная энергия искры пропано-воздушной смеси» ). Стохастические изменения состояния между электродами (поля потока и состояния смеси) являются основной причиной значи­тельных циклических изменений состояния на двигателях с искровым зажиганием. Эту ситуацию можно улучшить путем увеличения зазора между электродами. На современных двигателях эта величина уже составляет бо­лее 1 мм. Увеличение зазора между электро­дами вызывает необходимость в увеличении напряжения зажигания, что в свою очередь, приводит к повышенному износу электродов.

Целью зажигания является поджигание топливовоздушной смеси и, тем самым, инициация фактического процесса сгорания топлива. В зависимости скорости последую­щего сгорания топлива и скорости движения поршня (т.е. величины оборотов двигателя), момент зажигания должен соответствующим образом изменяться (см. рис. «Диаграмма момента зажигания» ).

 

Процессы сгорания гомогенных смесей

 

В двигателях с искровым зажиганием, рабо­тающих при гомогенном смесеобразовании, зажигание инициирует фактический процесс сгорания топлива. Пламя распространяется от свечи зажигания. При это можно опреде­лить скорость фронта пламени, равную сумме скоростей пламени и фронта пламени (дви­жения заряда топлива, расширения, вызван­ного разностью плотностей). Для двигателей с искровым зажиганием, работающих при гомогенном смесеобразовании, поскольку пламя непрерывно распространяется наружу, можно провести различие между сгоревшей и несгоревшей смесью (см. рис. «Распространение пламени и сгорание предварительно перемешанной смеси» ).

Для того чтобы пламя достигло радиуса около одного сантиметра и беспрепятственно распространялось от углубления в поршне и головки цилиндра со скоростью, значительно превышающей 10 м/с, требуется несколько миллисекунд. Решающим фактором здесь является скорость распространения пламени, также называемая турбулентной скоростью пламени. Чем быстрее распространяется пламя, тем лучше происходит сгорание то­плива внутри двигателя. Высокой скорости распространения пламени способствуют следующие факторы: низкое содержание инертных газов, повышение температуры несгоревшей смеси, повышение давления и высокий уровень турбулентности.

Для большинства видов топлива макси­мальная скорость распространения пламени достигается при работе двигателя на несколько обогащенной смеси (λ = 0,85-0,9). Дополни­тельным преимуществом несколько обога­щенной смеси является эффект охлаждения, обеспечиваемый избытком топлива. Поэтому двигатели спортивных и легковых автомо­билей в диапазоне номинальных мощностей работают с несколько обогащенной смесью. Увеличение содержания инертных газов сни­жает скорость распространения пламени. Практическим применением регулирования содержания инертных газов является система рециркуляции отработавших газов (EGR), в которой отработавшие газы с основными со­ставляющими СO₂, Н₂O и N₂ добавляются в топливовоздушную смесь. Существует эмпи­рическое правило, в соответствии с которым при степени рециркуляции 10 % скорость распространения пламени снижается на 20 %.

Причиной, по которой современные двига­тели с искровым зажиганием, тем не менее, могут работать высокой степенью рецирку­ляции отработавших газов, является влияние температуры. Увеличение температуры в два раза повышает скорость распространения пламени в четыре раза.

Давление в цилиндре оказывает меньшее влияние; повышение давления вызывает не­большое увеличение скорости распростране­ния пламени.

Самое большое влияние на скорость рас­пространения пламени оказывает уровень турбулентности в камере сгорания. Ско­рость распространения пламени изменяется приблизительно пропорционально интен­сивности турбулентности. Интенсивность турбулентности представляет собой меру вы­сокочастотных колебаний скорости потока в данной точке камеры. Кинетическая энергия турбулентного потока пропорциональна ква­драту интенсивности турбулентности.

Интенсивность турбулентности-это трехмер­ный количественный параметр, на величину которого влияет прежде всего профиль потока заряда топлива в камере сгорания. Скорость по­тока внутри камеры сгорания, линейно возрас­тающая до максимально возможной величины с увеличением величины оборотов двигателя, является чрезвычайно важным фактором. По мере увеличения скорости потока, возрастает и интенсивность турбулентности в камере сго­рания. Благодаря этому двигатель стабильно работает в очень широком диапазоне оборо­тов коленчатого вала. В противном случае при повышении оборотов и неизменной скорости распространения пламени имели бы место на­рушения в работе двигателя из-за уменьшения времени, имеющегося для сгорания.

Однако, положительное влияние турбулентности не мо­жет полностью компенсировать влияние вели­чины оборотов, поэтому при высоких оборотах процесс сгорания топлива чрезмерно растя­гивается и занимает более широкий диапазон угла поворота коленчатого вала. Это является дополнительной причиной снижения к.п.д. дви­гателей с искровым зажиганием при работе на высоких оборотах.

В двигателях с искровым зажиганием тур­булентность в камере сгорания чрезвычайно важна для процессов преобразования энер­гии. Главным фактором, вызывающим турбу­лентность, является движение заряда топлива в цилиндре, на которое в основном влияют входной поток (зависящий от конфигурации впускных каналов в головке блока цилиндров) и форма камеры сгорания (см. рис. «Турбулентная и средняя кинетическая энергия, отнесенные к массе в зависимости от положения коленчатого вала» ).

В процессе сгорания топлива происходит повышение давления, которое также может одновременно ощущаться. В целях повышения уровня комфорта следует принимать меры к сведению этого повышения давления к минимуму. Однако это противоречит полу­чению высокого термодинамического к.п.д. двигателя. Максимально допустимый гради­ент повышения давления для двигателей с искровым зажиганием лежит в диапазоне от 0,5 до 3 бар/° угла поворота коленчатого вала.

 

Сгорание частично гомогенных смесей

 

Современные двигатели с послойным рас­пределением заряда топлива могут работать с избытком воздуха в смеси в диапазоне ча­стичных нагрузок. При эффективном сред­нем давлении р_me<1 бар возможна работа даже при значении λ > 5. Основное преимущество здесь заключается в улучшении цикла подачи заряда топлива в цилиндр, поскольку это позволяет в основном исключить дрос­селирование (которое оказывает негативное влияние на общий КПД).

Нормальная работа невозможна без дрос­селирования в нижней части диапазона ча­стичных нагрузок, поскольку гомогенные смеси, обедненные таким образом, сгорают значительно медленнее и, следовательно, не­ полностью. Решение заключается в локальной стратификации топлива в зоне расположения свечи зажигания посредством оптимизации впрыска топлива в конце фазы сжатия. Труд­ность здесь заключается в оптимальном со­гласовании процессов впрыска и зажигания, поскольку имеет место изменение условий между электродами (см. рис. «Изменение коэффициента избытка воздуха λ во времени в сферическом объеме (радиусом r) с центром в средней точке между электродами» ).

 

Движение заряда топлива

 

Основными процессами во время подачи заряда топлива в цилиндр являются завихряющиеся и круговые потоки, имеющие диаметры, аналогичные характеристическим размерам камеры сгорания. Здесь основ­ное различие проводится между потоками, движущимися вокруг вертикальной оси (оси цилиндра), называемыми горизонтальными завихрениями, и потоками, движущимися во­круг двух поперечных осей (оси коленчатого вала и перпендикулярной к ней оси), которые называются вертикальными завихрениями (см. табл. «Цикл подачи заряда смеси в цилиндр и профиль потока» ). Более подробно о цикле подачи заряда смеси в цилиндр я расскажу в следующей статье.

В реальности имеет место пере­крытие этих трех потоков, сопровождаю­щееся образованием сложных трехмерных полей потока. Вертикальные и горизонталь­ные завихрения существенно различаются по своему поведению в двигателе.

Поток вертикального завихрения рас­сеивается до момента достижения верхней мертвой точки такта сжатия и в основном способствует распространению пламени в течение первой половины процесса сгорания топлива.

Поток горизонтального завихрения длится дольше и имеет место также в течение части последующей фазы расширения. Расщепле­ние больших вертикальных завихрений на уменьшающиеся в размерах турбулентные потоки способствует созданию турбулентно­сти. Однако, в дальнейшем вязкость рабочей среды становится причиной расщепления по­тока, что оказывает неблагоприятное влия­ние на скорость сгорания топлива.

Созданию турбулентности способствует специальная геометрия камеры сгорания. В частности, распространению пламени способствуют потоки в области углубления в поршне или в области вытеснения.

Одной из самых больших физических проблем, связанных с управлением процес­сами сгорания гомогенных смесей, является поведение процесса на стадии расширения, поскольку, как правило, свыше 10 % топлива в момент 30° после ВМТ остается не сгорев­шим. В этот момент несгоревшая смесь все еще находится в непосредственной близости к стенкам цилиндра и еще должна сгорать после того, как она вновь выйдет из области гребня поршня над канавкой верхнего порш­невого кольца. Это явление может стать причиной неполного сгорания топлива на заключительной стадии.

Неконтролируемое сгорание топлива

 

Многочисленные нежелательные процессы затрудняют достижение равномерного сгора­ния топлива. Кроме циклических изменений состояния, неблагоприятное влияние оказы­вают детонация и самовоспламенение. При этом могут иметь место крайние формы ран­него зажигания, в особенности на современ­ных двигателях с мощным турбонаддувом.

Циклические изменения состояния вызы­ваются процессами сгорания предварительно приготовленной гомогенной смеси, которые весьма чувствительны к многочисленным возмущениям (см. рис. «Циклические колебания давления в цилиндре в течение отдельных рабочих циклов во время работы в стехиометрическом режиме (λ = 1)» ). Такими возму­щениями являются, например, изменения состава смеси, остаточного содержания отработавших газов, термодинамических характеристик и профиля потока. Все эти значения варьируются от одного рабочего цикла к другому и вызывают заметные ци­клические колебания в процессе преобра­зования энергии. В частности, значительно повышает интенсивность этих циклических изменений обеднение смеси с избытком воз­духа более 40 %. Самое большое влияние на циклические изменения состояния оказывает инициация зажигания.

Еще одну проблему представляет детона­ция. Здесь остаточная смесь вследствие воз­растания температуры в процессе сгорания топлива достигает температуры зажигания и сгорает практически мгновенно, без даль­нейшего контролируемого распространения пламени. Пульсации давления, генерируемые в ходе процесса, вызывают износ подшипни­ков двигателя и в случае длительной работы двигателя в таком режиме могут привести к его серьезному повреждению. Повреждение компонентов также могут вызвать пиковые скачки температуры. Детонация возникает, как реакция на повышение температуры и давления после начала нормального сгора­ния топлива и продолжается до тех пор, пока локальные условия стимулируют самовоспламенение. (см. рис. «Степень сжатия, детонация и сгорание топлива в условиях детонации» )

Обычно детонация возникает в ходе рабочего цикла только в том случае, если 80 % количества топлива в камере сгорания остается несгоревшим. Детона­цию особенно часто можно наблюдать при низких оборотах двигателя, когда имеется достаточное время для самовоспламенения смеси, и при больших нагрузках с высокими температурами в камере сгорания. Использо­вание топлива с высокой температурой зажи­гания, например, метана или этана снижает чувствительность к детонации. Детонацию также можно уменьшить, сдвинув момент за­жигания в сторону запаздывания. Двигатели с высокой степенью сжатия и турбонаддувом более чувствительны к детонации в связи с более высокими температурами, достигае­мыми в конце стадии сжатия. Эффективные меры по предотвращению детонации вклю­чают интенсивное охлаждение горячих обла­стей цилиндра, в том числе за счет испарения бензина при прямом впрыске топлива, повы­шение турбулентности, уменьшение степени сжатия и оптимизацию топлива, например, при помощи тех или иных добавок.

В отличие от детонации, самовоспламене­ние может возникать даже в условиях значи­тельного запаздывания зажигания. Возмож­ные причины самовоспламенения включают:

• Чрезмерное запаздывание момента зажи­гания с неполным сгоранием смеси и об­разованием пленки топлива, способствую­щим самовоспламенению;
• Работа двигателя с полной нагрузкой, с высокими температурами компонентов цилиндра;
• Зажигание, вызываемое образивным из­носом и горячими частицами;
• Выбросы масла вследствие износа порш­невых колец.

 

Крайние формы самовоспламенения могут возникать в бензиновых двигателях с высо­кой степенью сжатия и турбонаддувом. Они могут вызывать скачки давления свыше 150 бар, которые могут привести к серьезному повреждению двигателя. Однако такие экс­тремальные формы самовоспламенения воз­никают чрезвычайно редко и имеют вероят­ность менее 0,01 на тысячу.

 

Образование токсичных продуктов и сниже­ние содержания токсичных продуктов в вы­бросах двигателей с искровым зажиганием

 

Кроме таких неизбежных продуктов горения, как диоксид углерода (СO₂) и вода (Н₂O), концентрация которых зависит от состава топлива, основными составляющими вы­бросов двигателей с искровым зажиганием являются оксиды азота (NO_х), несгоревшие углеводороды (НС) и оксид углерода (СО) (см. рис. «Выбросы бензиновых двигателей» ). Меньшее значение имеют сажа и оксиды серы.

Для образования оксидов азота (NO_х) требуется наличие четырех факторов: кисло­рода, азота, высоких температур и времени. Поскольку содержание кислорода и азота определяется составом топлива, а время, необходимое для образования оксидов — величиной оборотов двигателя, снизить содер­жание оксидов азота в выбросах бензиновых двигателей можно только за счет снижения температуры в камере сгорания (например, путем сдвига момента зажигания в сторону запаздывания или за счет охлаждения путем рециркуляции отработавших газов).

Повышенное содержание в выбросах угле­водородов (НС) и оксида углерода (СО) явля­ется результатом неполного сгорания смеси. Так, повышенное содержание НС и СО имеет место при работе двигателя на богатой смеси, в условиях недостатка кислорода. При работе на бедной смеси с соответствующим сниже­нием температуры пламени имеет место бо­лее интенсивное затухание пламени, прежде всего вблизи стенок цилиндра, сопровожда­ющееся увеличением содержания в выбросах НС. В то же время, за счет избытка кислорода имеет место снижение содержания СО.

Выброс сажи имеет место в двигателях, работающих на гомогенной смеси, только в случае очень сильного обогащения смеси. Содержание в выбросах соединений серы за­висит от состава топлива.

Благодаря современным системам очистки отработавших газов, современные двигатели с искровым зажиганием, при условии достижения рабочей температуры каталитического нейтра­лизатора, становятся моторами, практически не дающими вредных выбросов. Трехступенчатые каталитические нейтрализаторы, работая при λ = 1, снижают выбросы оксидов азота, одновременно окисляя молекулы НС и СО. Работа двигателя на бедной смеси требует иного под­хода.

В этом случае на двигатели с послойным распределением заряда топлива, как правило, устанавливаются каталитические нейтрализа­торы с нейтрализацией NO_х. Эти нейтрализаторы накапливают оксиды азота. Периодическая ра­бота двигателя на обогащенной смеси при высоких температурах уменьшает количество накопленных оксидов азота. Поскольку ката­литические нейтрализаторы с накоплением NO_x чувствительны к загрязнению соединениями серы, необходимо периодически выполнять ци­клы десульфатации, заключающиеся в работе двигателя на несколько обогащенной смеси при температурах свыше 600 °С.

 

Управление нагрузкой двигателей с искровым зажиганием

 

В двигателях с гомогенным зарядом топлива нагрузка регулируется путем изменения массы впрыскиваемого топлива. Соответ­ствующий массовый расход воздуха, тре­буемый для работы при λ = 1, регулируется путем изменения положения дроссельной заслонки. Этот процесс известен под на­званием количественного контроля. При работе в диапазоне частичных нагрузок это вызывает индукционное дросселирование, оказывающее неблагоприятное влияние на общий к.п.д. двигателя. Этот недостаток может быть частично скомпенсирован за счет изменения синхронизации клапанов. Типичные меры включают опережение или запаздывание момента закрытия впускного клапана, уменьшение высоты подъема кла­пана или запаздывание момента закрытия вы­пускного клапана.

В качестве альтернативной меры, с целью снижения дросселирования, возможно использование рециркуляции отра­ботавших газов. На бензиновых двигателях с турбонаддувом скорость воздушного потока и, соответственно, массовый расход топлива ре­гулируются в верхнем диапазоне нагрузок, как правило, путем изменения положения регуля­тора давления наддува на турбонагнетателе (см. «Турбонагнетатели отработавших газов» ), В двигателях с послойным зарядом то­плива нагрузка регулируется путем изме­нения массы впрыскиваемого топлива. Это называется качественным контролем. Изме­нение состава топливовоздушной смеси по признаку однородности/неоднородности в диапазоне средних нагрузок требует слож­ных инженерных решений и увеличения рас­ходов на разработки.

 

Выходная мощность и эффективность

 

При работе двигателей с искровым зажи­ганием в режиме частичной нагрузки имеет место ухудшение рабочих характеристик в результате потерь в цикле подачи заряда (дросселирования), плохого управления про­цессом (пиковые давления ниже 30 бар) и повышения потерь трения в двигателе в этом диапазоне нагрузок. Поскольку даже при скоростях движения легковых автомобилей свыше 100 км/ч большинство двигателей продолжают работать в диапазоне частичных нагрузок, весьма успешными оказываются меры, направленные на повышение к.п.д. К таким мерам относятся:

• Уменьшение рабочего объема;
• Отключение цилиндра (например, на двига­телях V8 и V12);
• Исключение дросселирования (примене­ние систем с послойным распределением заряда топлива, рециркуляция отработавших газов, изменение синхронизации клапанов);
• Увеличение степени сжатия;
• Изменение передаточного отношения трансмиссии с целью снижения величины оборотов двигателя.

 

 

РЕКОМЕНДУЮ ЕЩЁ ПОЧИТАТЬ: