Снижение вредных выбросов в атмосферу является основной задачей по сохранению окружающей среды и уменьшению негативного влияния на здоровье человека. Ежегодно автомобили выбрасывают миллионы тонн вредных и опасных веществ, которые отравляют почву, губят растения и водоемы, отрицательно воздействуют на животных и людей. На производителях автомобилей лежит ответственность по внедрению современных способов снижения выбросов в атмосферу, освоению инновационных технологий и решений.

 

Смесеобразование и сгорание в дизелях

 

Дизели работают на топливе с высокой температурой кипения (около 160…360°С), которое имеет более низкую температуру воспламенения (цетановое число около 50), чем бензин.

Смесеобразование у дизеля можно разделить на две фазы:

• Фазу предварительного смесеобразования, которая протекает во время задержки воспламенения;
• Фазу диффузии, которая происходит во время сгорания.

 

Топливовоздушная смесь у дизеля гетерогенна. Чтобы избежать сильного выброса сажи, высокого уровня эмиссии СО и СН, а также большого расхода топлива, постоянно необходимо иметь избыток воздуха (λ > 1,0). Смесеобразование определяется следующими величинами:

• Количеством сопловых отверстий форсунки, соответствующим интенсивности воздушного вихря;
• Направлением сопловых отверстий форсунки, соответствующим форме камеры сгорания, моменту начала и продолжительности впрыскивания;
• Давлением впрыскивания (величиной и распределением капель);
• Законом подачи топлива (зависимостью подачи топлива от времени).

 

Частота вращения коленчатого вала, величина подачи топлива, давление и температура, а также коэффициент избытка воздуха λ являются параметрами, меняющимися во время работы дизеля. Величинами, характеризующими работу двигателя, являются также:

• Удельный расход топлива;
• Уровни эмиссии NO_x (NO и NO₂), твердых частиц, СН, СО;
• Уровень шума сгорания смеси.

 

Характеристика мощности и, соответственно, крутящего момента, в зависимости от частоты вращения коленчатого вала, формируется под требования производителя дизеля. Образованию NО_x способствует высокая температура сгорания, а также избыток и движение воздуха в начале этого процесса. Сажа возникает при локальном недостатке воздуха и неудовлетворительном смесеобразовании.

 

Методы совершенствования конструкции дизеля

 

На уровень эмиссии отработавших газов и расход топлива, влияют, наряду с упомянутым выше смесеобразованием, конфигурация камеры сгорания, степень сжатия, а также движение воздушного заряда. В четырехклапанных двигателях форсунка может быть установлена в центре камеры сгорания, что обеспечивает оптимальное и равномерное распределение факелов топлива.

Турбонагнетатель с переменной геометрией турбины дает больший расход воздуха в широкой области универсальной характеристики, сокращает время нарастания давления наддува и уменьшает противодавление отработавших газов. Охлаждение наддувочного воздуха снижает уровень эмиссии NO_x и расход топлива.

 

Рециркуляция отработавших газов

 

Рециркуляция отработавших газов — эффективный процесс для сокращения уровня эмиссии NOx — в течение многих лет используется в дизелях автомобилей. В соответствии с законодательно установленными циклами сертификации легковых автомобилей, рециркуляция применяется только в нижней области нагрузок и частоты вращения коленчатого вала. В то же время у грузовых автомобилей она нужна почти во всем поле характеристик нагрузки и частоты вращения.

Эффект рециркуляции, снижающий уровень эмиссии NOx, основывается на трех действиях:

• Снижении концентрации кислорода в камере сгорания;
• Сокращении расхода отработавших газов;
• Снижении температуры в цилиндре благодаря более высокой теплоемкости инертных газов, которые не участвуют в реакции (например, СО₂).

 

Особенно эффективной является рециркуляция охлажденных отработавших газов. Степень рециркуляции отработавших газов составляет у легковых автомобилей около 50%, у грузовых —порядка 5…25%.

У грузовых автомобилей при высокой нагрузке давление отработавших газов перед турбиной обычно ниже, чем давление наддува после нагнетателя и охладителя наддувочного воздуха. В результате для осуществления рециркуляции отработавших газов необходимо либо спроектировать турбонагнетатель таким образом, чтобы имелся необходимый перепад давления, либо использовать нагнетатель с изменяющейся геометрией турбины. Следующая возможность — применение сопел Вентури (снижение давления в узком месте) в перепуске к каналу свежего воздуха.

Степень рециркуляции отработавших газов регулируется перераспределением массы воздуха с помощью воздушной заслонки.

 

Впрыскивание топлива

 

Самые важные параметры, влияющие на работу дизеля — момент начала впрыскивания, давление впрыскивания, закон подачи топлива, а также обеспечение предварительного и дополнительного впрыскивания.

Легковые автомобили — Низкий уровень эмиссии NO_x по испытательному циклу оценки отработавших газов достигается поздним моментом начала впрыскивания. При высокой нагрузке и высокой частоте вращения коленчатого вала раннее начало впрыскивания применяется для снижения расхода топлива и повышения мощности. На холодном дизеле опережение начала впрыскивания увеличивается.

Грузовые автомобили — Низкий уровень эмиссии NO_x при средних и высоких нагрузках достигается поздним моментом начала впрыскивания, однако при этом повышается расход топлива. Раннее начало впрыскивания требуется при низких нагрузках и холодном двигателе.

В современных системах впрыска с электронным управлением момент начала впрыскивания зачастую не зависит напрямую от частоты вращения коленчатого вала. Регулирование момента начала впрыскивания или момента начала подачи топлива должно осуществляться с точностью до <±1° угла поворота коленчатого вала. Система Common Rail для достижения необходимой точности управляет моментом начала впрыскивания с помощью электромагнитного клапана.

 

Давление впрыскивания топлива

 

С увеличением давления впрыскивания топлива уровень эмиссии сажи, как правило, уменьшается. При раннем угле опережения впрыскивания расход топлива меньше, чем при позднем. Если давление впрыскивания повышается при позднем его начале, расход может снова немного снизиться, однако уровень эмиссии NО_x увеличивается.

При тестировании важны, с одной стороны, расход топлива и уровень эмиссии сажи, с другой — уровень эмиссии NО_x. Между этими параметрами требуется искать рациональный компромисс.

Это будет отчетливо видно, если регулировать расход топлива и уровень эмиссии сажи по содержанию NO_x. У легковых автомобилей с дизелями для получения высокой мощности и низкого удельного расхода топлива в области высокой частоты вращения и нагрузки требуется очень высокое давление впрыскивания.

 

Закон подачи топлива

 

Под законом подачи топлива понимают временную зависимость массового расхода топлива по фазе впрыскивания. Для получения низкого уровня эмиссии NO_x и незначительного уровня шума сгорания выгодно за время задержки воспламенения впрыскивать лишь небольшую часть цикловой подачи. Точно дозированное предварительное впрыскивание топлива значительно снижает уровень шума сгорания. При этом также уменьшаются уровень эмиссии NO_x и, при более высоких нагрузках, расход топлива, однако количество черного дыма, как правило, несколько увеличивается.

Полностью распыленная, непосредственно после основного впрыскивания, доза дополнительно впрыснутого топлива может уменьшить уровень эмиссии сажи без того, чтобы другие параметры двигателя существенно изменились.