Заряд смеси в цилиндре бензинового двигателя

Заряд смеси в цилиндре бензинового двигателя

Заряд смеси в цилиндре бензинового двигателя представляет собой массу смеси, оставшейся в цилиндре после за­крытия впускных клапанов. Заряд состоит из топливно-воздушной смеси, поступившей в цилиндр до закрытия впускных клапанов, и остаточных отработавших газов.

 

 

Свежая топливовоздушная смесь

 

Компонентами всасываемой свежей топлив­новоздушной смеси бензинового двигателя являются свежий воздух и в системах с внешним смесеобразованием, распыленное в нем топливо (см. рис.1 «Подача заряда смеси в цилиндр бензинового двигателя»). Основ­ное количество свежего воздуха поступает через дроссельную заслонку, дополнительное количество свежей топливновоздушной смеси может быть подано через систему улавливания паров топлива. Смесь, поступившая в цилиндр двигателя до закрытия впускных клапанов, является решающим фактором процесса сго­рания, определяющим величину крутящего мо­мента двигателя. Поэтому для повышения мак­симального крутящего момента и мощности двигателя почти всегда требуется увеличивать массу заряда. Теоретическая максимальная масса заряда определяется рабочим объемом цилиндра, а в случае двигателей с наддувом также достижимым давлением наддува.

Подача заряда смеси в цилиндр бензинового двигателя 22

Остаточные отработавшие газы в цилиндре бензинового двигателя

 

К остаточным отработавшим газам, входя­щим в состав заряда, относятся:

  • масса отработавших газов, оставшаяся в ци­линдре, и не вытесненная из него за время открытого состояния выпускного клапана;
  • при наличии системы рециркуляции от­работавших газов — масса возвращенных отработавших газов.

Количество остаточных отработавших газов в цилиндре определяется циклом заряда. Они не оказывают прямого вклада в процесс сгорания топлива, но оказывают влияние на процессы зажигания и сгорания топлива в целом. При полностью открытой дроссельной заслонке количество остаточных отработавших газов должно быть как можно меньшим, чтобы обеспечить максимальную массу свежего воздуха и выходную мощность двигателя.

В то же время при частичной нагрузке при­сутствие остаточных отработавших газов же­лательно для снижения расхода топлива. Это достигается посредством более благоприят­ного цикла, за счет изменения состава смеси, а также снижения потерь на прокачивание, по­скольку для подачи такого же заряда свежего воздуха требуется более высокое давление во впускном трубопроводе. Специально вве­денное количество остаточных отработавших газов может снизить содержание в отработав­ших газах оксидов азота (NOх) и несгоревших углеводородов (НС).



Регулирование заряда воздуха

 

Для двигателей с искровым зажиганием, с на­ружным и внутренним смесеобразованием и гомогенным зарядом смеси в цилиндре крутя­щий момент двигателя определяется величи­ной заряда воздуха. В отличие от этого, в случае внутреннего смесеобразования с из­быточным количеством воздуха крутящий момент двигателя можно регулировать, из­меняя количество впрыскиваемого топлива (работа с послойным распределением заряда топлива).

Дроссельная заслонка

 

Диаграмма работы дроссельной заслонки бензинового двигателяДроссельная заслонка является основным устройством регулирования массового рас­хода воздуха. За счет дросселирования потока, когда дроссельная заслонка открывается не полностью, уменьшается развиваемый кру­тящий момент (максимальное значение ко­торого может быть получено при полностью открытой заслонке). Этот эффект дроссели­рования зависит от положения дроссельной заслонки и, следовательно, от площади се­чения открытого канала, а также от частоты вращения коленчатого вала (см. рис.2 «Диаграмма работы дроссельной заслонки бензинового двигателя»). Мак­симальный крутящий момент развивается при полностью открытой дроссельной заслонке.

На двигателях с электронной системой ре­гулирования положения дроссельной заслонки (ЕТС) требуемый заряд воздуха вычисляется, ис­ходя из желаемого значения крутящего момента двигателя (положения педали акселератора), в зависимости от которого дроссельная заслонка открывается на соответствующий угол.

В механических системах водитель сам изменяет степень открытия дроссельной за­слонки, нажимая педаль акселератора.

Цикл подачи заряда смеси в цилиндр

Цикл подачи свежего заряда топливно­-воздушной смеси и остаточных отработавших газов регулируется открытием и закрытием впускных и выпускных клапанов. Критич­ными факторами являются продолжитель­ность открытого и закрытого состояния клапанов и характеристика подъема клапана.

Изменение фаз газораспределения

Период перекрытия клапанов, когда впускной и выпускной клапаны одновременно открыты, оказывает решающее влияние на массу отра­ботавших газов, оставшихся в цилиндре. Ко­личество свежей топливно-воздушной смеси и остаточных отработавших газов в цилиндре можно регулировать, изменяя характеристику подъема клапанов во времени (внутренняя ре­циркуляция отработавших газов).

Большой угол перекрытия клапанов (при раннем открытии впускного клапана) позво­ляет увеличить внутреннюю рециркуляцию отработавших газов и поэтому может помочь в снижении выбросов NОx. Однако, т. к. рецир­кулирующие отработавшие газы вытесняют свежую топливно-воздушную смесь, раннее открытие впускного клапана также ведет к уменьшению максимального крутящего мо­мента. Кроме того, чрезмерная рециркуляция отработавших газов, особенно при работе дви­гателя на холостом ходу, может стать причи­ной перебоев в зажигании, что, в свою очередь, приводит к увеличению выбросов углеводоро­дов (НС). При наличии системы регулирования фаз газораспределения, такое регулирование в зависимости от рабочей точки двигателя по­зволит оптимизировать количество выбросов.

Посредством регулирования фаз газора­спределения можно регулировать массовый расход воздуха и, следовательно, крутящий мо­мент двигателя без использования дроссель­ной заслонки. Посредством регулирования фаз газораспределения также можно регулировать количество остаточных отработавших газов.

В современных системах клапаны приво­дятся в действие механически от распреде­лительного вала. В некоторой степени этот процесс можно регулировать при помощи дополнительных систем (например, системы регулирования положения распределитель­ного вала). Однако, эти механические си­стемы не могут полностью исключить необ­ходимость в дроссельной заслонке.



Рециркуляция отработавших газов (EGR)

Масса остаточных отработавших газов в цилин­дре также может быть увеличена за счет «внеш­ней рециркуляции отработавших газов» (EGR). В этом случае впускной трубопровод и выпуск­ной коллектор соединяются друг с другом через дополнительный клапан (см. рис. 1). Когда этот клапан открыт, и имеет место перепад давлений во впускном трубопроводе и в системе выпуска отработавших газов, двигатель всасывает смесь свежей топливно-воздушной смеси и отработав­ших газов. Блок управления двигателем (ECU), вычисляет степень рециркуляции отработавших газов, необходимую для данного рабочего состоя­ния двигателя, и соответствующим образом акти­вирует клапан рециркуляции отработавших газов.

Снижение расхода топлива

Рециркуляция отработавших газов вызывает увеличение давления во впускном трубопро­воде. Это увеличение давления вызывает уменьшение работы, совершаемой в про­цессе цикла подачи заряда смеси в цилиндр, что способствует снижению расхода топлива.

Снижение выбросов NOx

Системы рециркуляции отработавших газов применяются на автомобилях с бензиновыми двигателями с прямым впрыском топлива, ра­ботающими на обедненной смеси (в режиме послойного распределения заряда) для сни­жения содержания NOx в отработавших газах. Рециркуляция отработавших газов является основным способом свести к минимуму ко­личество выбросов оксидов азота и таким об­разом увеличить продолжительность работы двигателя на обедненной смеси, которая огра­ничивается состоянием каталитического ней­трализатора NOx аккумуляторного типа.

Отработавшие газы направляются обратно в камеру сгорания для снижения максималь­ной температуры сгорания с целью снижения образования NOx. Снижение температуры до­стигается благодаря тому, что возвращенные отработавшие газы не участвуют в процессе сгорания смеси и, следовательно, не добав­ляют энергии горения. Они также представляют собой дополнительную тепловую массу — это означает, что энергия сгорания топлива распре­деляется по большей общей массе.

Увеличение температуры горения топлива вызывает непропорциональное увеличение количества выбросов NOx. Поскольку рецир­куляция отработавших газов (EGR) вызывает снижение этой температуры, она представ­ляет собой особенно эффективный способ снижения количества выбросов NOx.

Наддув бензинового двигателя

Величина создаваемого крутящего момента пропорциональна поступающему в цилиндры заряду топливно-воздушной смеси. Это по­зволяет повысить максимальный крутящий момент за счет увеличения заряда воздуха в цилиндрах это может быть достигнуто дина­мическим наддувом, механическим наддувом или турбо наддувом с использованием энер­гии отработавших газов (см. «Наддув»)

Компоненты электронной системы управления дроссельной заслонкой (ЕТС)

 

электронной системы управления дроссельной заслонкой (ЕТС)Основные компоненты регулирования заряда воздуха показаны на рис. 1. Наиболее важ­ным компонентом в современных системах является дроссельная заслонка.

Электронная система управления дрос­сельной заслонкой (см. рис.3 «Электронной системы управления дроссельной заслонкой (ЕТС)») состоит из модуля педали акселератора, блока управления двигателем и дроссельного узла. Дроссельный узел включает дроссельную заслонку, привод дроссельной заслонки и датчик положения дроссельной заслонки. Привод дроссельной заслонки представляет собой электродвигатель постоянного тока, воздействующий на вал дроссельной за­слонки через редуктор. Датчик положения дроссельной заслонки является в данном случае дублирующим элементом.

Команда водителя считывается датчиком положения педали акселератора и переда­ется на блок управления двигателем. Блок управления двигателем вычисляет требуе­мую величину заряда смеси в зависимости от рабочей точки двигателя и регулирует угол открытия дроссельной заслонки, используя для этого привод и датчик положения дрос­сельной заслонки.

Дублирование работы модуля педали ак­селератора и дросселирующего устройства является частью концепции мониторинга ЕТС, позволяющей уменьшить вероятность сбоев.

В следующей статье я расскажу о системе подачи топлива дизельного двигателя.

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *