Двигатель с искровым зажиганием (двигатель Отто)

Образование рабочей смеси. Двигатель с искровым зажи­ганием — это поршневой двигатель с внешним или внутренним образованием рабочей смеси и воспламенением ее от внешне­го источника. При такте сжатия смесь сжимается в цилиндре до давления 2...3 МПа (при степени сжатия е = 8... 12). Это позво­ляет в конце такта получать температуру смеси 400... 500 °С, что ниже температуры ее самовоспламенения. Поэтому она поджи­гается искрой, подаваемой при подходе поршня к ВМТ.

Система питания в двигателе с искровым зажиганием пред­назначена для получения гомогенной горючей топливовоздуш-ной смеси. Однако однородность должна быть обеспечена толь­ко для газовых или парогазовых смесей, т. е. перед зажиганием все топливо должно быть подвергнуто испарению. Если суще­ствуют факторы, которые не позволяют топливу полностью ис­париться (например, низкая температура во время холодного пуска двигателя), то следует подать дополнительную порцию топлива, чтобы обогатить топливовоздушную смесь и сделать ее легковоспламеняемой (обогащение смеси при холодном пуске).

Кроме приготовления гомогенной смеси система питания бензинового двигателя должна обеспечивать возможность регу­лировать ее количество в зависимости от нагрузки. Так как го­могенные рабочие смеси воспламеняются только в узком диа­пазоне значений коэффициента избытка воздуха (а = 0,8... 1,2), то мощность, развиваемая двигателем, и возможность преодо­ления им внешних нагрузок будут обеспечиваться определен­ным количеством смеси, поступающей в цилиндры (количе­ственное регулирование). На частичных нагрузках для этого изменяют положение дроссельной заслонки.

Однородность состава топливовоздушной смеси необходимо поддерживать для отдельных цилиндров во всем диапазоне на­грузочных и скоростных режимов работы транспортного двига­теля. Однако добиться однородности смеси по цилиндрам весь­ма сложно.

При частичных нагрузках дроссельная заслонка вызывает колебания давления во впускном тракте, что приводит к неста­бильности распределения свежего заряда по отдельным цилин­драм двигателя. Это характерно для карбюраторных двигателей и систем смесеобразования с одноточечным (центральным) впрыскиванием топлива (рис. 3.12, а). По мере уменьшения на­грузки давление во впускном тракте двигателя падает, способ­ствуя испарению топлива, что оказывает положительное влияние на равномерность распределения смеси по цилиндрам. В резуль­тате в отдельных цилиндрах формируются приблизительно од­нородные составы рабочей смеси. С увеличением нагрузки, т. е. по мере роста давления во впускном коллекторе, неравномер­ность распределения рабочей смеси постепенно увеличивается, достигая 62 % при частотах вращения коленчатого вала двига­теля 1000... 1200 мин^-1и полной нагрузке.

При многоточечном (распределенном) впрыске топлива (как во впускной тракт, так и непосредственно в камеру сго­рания), распределение рабочей смеси по цилиндрам характе­ризуется наименьшей однородностью состава в диапазоне ма­лых нагрузок (рис. 3.12, б), когда воздух неравномерно распре­делен по цилиндрам. С ростом нагрузки и, следовательно, улуч­шением распределения воздуха по цилиндрам разброс в соста­ве (качестве) топливовоздушной смеси для отдельных цилинд­ров уменьшается.

Устройства обогащения горючей смеси в системах питания бензиновых двигателей должны компенсировать ее естествен­ное обеднение в условиях холодного запуска двигателя и в слу­чае его работы при низких температурах воздуха (температур­ная коррекция обогащения топливовоздушной смеси).

Зажигание. Необходимо, чтобы система зажигания надеж­но воспламеняла сжатую смесь в точно установленный момент. Это достигается правильным размещением свечи зажигания, оптимизацией подачи смеси в цилиндры одновременно с обес­печением ее завихрения, что особенно важно при работе на обедненных смесях и при малом открытии дроссельной заслон­ки, или путем размещения свечи зажигания в небольшой вспо­могательной камере сгорания — предкамере. Энергия, требую­щаяся для воспламенения топливовоздушной смеси, существен­но зависит от ее состава. Так, для бензовоздушных смесей с ко­эффициентом избытка воздуха а = 1 нужна энергия зажигания около 200 кДж, а для воспламенения более бедных или, наобо­рот, богатых смесей — до 3 МДж.

Процесс сгорания. Начальная фаза воспламенения, опреде­ляемая временем, необходимым для формирования первично­го очага горения в топливовоздушной смеси в процессе высо­котемпературного искрообразования между электродами свечи, характеризуется относительной стабильностью во времени. По сути единственным фактором, оказывающим влияние на ста­бильность воспламенения смеси, является ее состав. Изменение частоты вращения коленчатого вала, как правило, приводит к изменению периода задержки воспламенения топлива, в то вре­мя как величина а оказывает влияние преимущественно на про­должительность процесса сгорания.

Основными факторами, определяющими характер протека­ния процесса выделения теплоты, являются форма камеры сго­рания и месторасположение очага воспламенения (свечи зажи­гания). Главный фактор, влияющий на продолжительность сго­рания, — скорость распространения пламени (скорость сгора­ния). Максимальная скорость сгорания 20...40 м/с достигается при Скорость сгорания определяется процессами диф-

фузии во фронте пламени, а также степенью турбулентности и температурой в тех зонах смеси, которые еще не воспламени­лись.

Степень турбулентности заряда в камере сгорания и зоне фронта пламени зависит от конструкции впускного тракта и формы камеры сгорания (например, наличия специального вы­теснителя для создания турбулентности). Турбулентность внут­ри камеры сгорания может возникнуть самопроизвольно в ре­зультате распространения пламени. На нее всегда оказывают влияние степень сжатия, температура воздуха на впуске и час­тота вращения коленчатого вала двигателя. Характер роста дав­ления при сгорании оказывает решающее влияние на конечную температуру процесса сгорания, в то время как влияние тепло­проводности и теплового излучения проявляется в бензиновых двигателях не столь заметным образом.

Малый расход топлива и высокий КПД обеспечиваются при большой скорости сгорания и характере тепловыделения, опти­мально согласованном с ходом поршня. Максимальное тепло­выделение должно наступать при повороте коленчатого вала на угол 5... 10° после прохождения ВМТ. Если большая часть теп­лоты высвобождается слишком рано, то возрастают ее потери в стенках камеры сгорания и на механическое трение. Позднее выделение теплоты приводит к снижению термического КПД и к высоким значениям температуры отработавших газов.

Момент зажигания рабочей смеси, обеспечивающий опти­мальное тепловыделение, выбирается с учетом соотношения воздуха и топлива в смеси (а), влияния конструкции на турбу­лентность заряда в камере сгорания, характера протекания про­цессов воспламенения и распространения пламени по объему камеры сгорания.

Нарушения процесса сгорания. Для надежного воспламе­нения и распространения пламени в двигателях с внешним сме­сеобразованием и искровым зажиганием, как правило, не ис­пользуют бедные смеси с а > 1,3. В то же время применение та­ких смесей весьма желательно для повышения термического КПД и эффективности газообмена, а также уменьшения потерь

теплоты, связанных с теплопередачей через стенки камеры сго­рания и диссоциацией реагентов.

Увеличение степени сжатия обеспечивает повышение КПД при частичных нагрузках, но в то же время приводит к росту вероятности возникновения детонации при полной нагрузке (рис. 3.13, см. также рис. 2.1). Детонация происходит тогда, ког­да скорость распространения пламени приближается к скорос­ти звука. Чаще это явление наблюдается при завершении про­цесса сгорания. К этому времени остаточные газы уже сильно сжаты и имеют высокую температуру. Детонация характеризу­ется резким повышением давления. Такое аномальное сгорание приводит к повреждению поршня, головки цилиндра и нередко прокладки между цилиндром и головкой. Вероятность возник­новения детонации уменьшается при применении специальных антидетонационных добавок к топливу (см. гл. 2) или обогаще­нии смеси (за счет дополнительного внутреннего охлаждения при парообразовании топлива).

Чтобы избежать явления детонации, момент зажигания дела­ют более поздним, однако это приводит к уменьшению значе­ний среднего эффективного давления (см. рис. 3.13) и сопро­вождается ростом температуры отработавших газов. Из-за огра­ниченных возможностей использования бедных смесей в бен­зиновых двигателях с искровым зажиганием регулирование мощ­ности в большей части рабочего диапазона нагрузочных режимов осуществляется изменением расхода воздуха. Это достигается либо дросселированием потока и регулированием таким образом плотности заряда, либо более ранним закрытием впускного кла­пана. С технической точки зрения наиболее простым (но менее эффективным) решением является первый способ.

Мощность и экономичность. Низкие значения КПД дви­гателей с внешним смесеобразованием и искровым зажигани­ем характерны для малых нагрузок и частот вращения коленча­того вала (рис. 3.14). Причина этого — низкая эффективность процесса сгорания из-за слабой турбулентности смеси, неболь­шой плотности заряда и незавершенности газообменных процессов.

КПД дополнительно снижается вследствие уменьшения механического КПД при малых нагрузках и частотах вращения коленчатого вала двигателя (рис. 3.15).

Любые способы, улучшающие показатели в отмеченной об­ласти рабочих режимов, позволяют повысить и значения обще го КПД двигателя.

Так, выборочное прекращение подачи топ­лива к отдельным цилиндрам позволяет обеспечить высокие значения КПД в оставшихся цилиндрах двигателя благодаря улучшению как сгорания топлива, так и газообмена. Отключе­ние некоторых цилиндров приводит к дополнительному умень­шению потерь мощности, поскольку впускные и выпускные клапаны в них закрыты во время протекания процессов в рабо­чих цилиндрах.

Снижение частоты вращения коленчатого вала двигателя так­же позволяет повысить общий КПД за счет уменьшения потерь на дросселирование газового потока и увеличения эффективно­сти газообмена. Одновременно с этим меры, направленные на уменьшение среднего давления механических потерь, также приводят к повышению механического КПД двигателя.

Дизель

Смесеобразование. Дизели являются двигателями с внут­ренним смесеобразованием. В гетерогенных смесях соотношение воздуха и топлива может изменяться от чистого воздуха (а —» °°), характерного для периферийных участков струи топлива, до чис­того топлива (а = 0) в середине топливного факела. На рис. 3.16 схематически показаны распределение коэффициента избытка воздуха а и зона пламени около отдельной неподвижной капли топлива. Так как подобная зона всегда возникает возле каждой впрыскиваемой капли, регулирование нагрузки при образова­нии гетерогенной смеси может быть осуществлено путем управ­ления топливоподачей, т. е. регулирования качества смеси.

Вблизи капли сгорание гомогенной смеси происходит в от­носительно узком диапазоне изменения состава (а = 0,3... 1,5). Непрерывная подготовка хорошо сгорающих смесей обеспечи­вается диффузией реагентов и турбулентностью газового пото­ка. Процесс смесеобразования в гетерогенной смеси продолжа­ется и во время объемного сгорания.

К

инетическая энергия струи топлива. Кинетическая энер­ гия распыляемой струи изменяется в зависимости от разности давлений у соплового отверстия распылителя форсунки. Вмес­те с формой топливной струи (определяемой геометрическими параметрами распылителя форсунки) и скоростью ее истечения из соплового отверстия значение энергии влияет на объем и дальнобойность (границы) факела, в котором происходит взаи­модействие воздуха и топлива, а также на диапазон размеров (дисперсность) капель топлива в камере сгорания. Энергия и, следовательно, дальнобойность топливной струи зависят от про­изводительности топливного насоса и диаметра калиброванно­го отверстия распылителя форсунки.

Теплота. Тепловая энергия, получаемая от нагретых стенок камеры сгорания и в результате сжатия воздуха, обеспечивает испарение той доли впрыскиваемого топлива, которая поступа­ет в цилиндры за период индукции. После воспламенения про­грев и испарение поступающего топлива обеспечиваются теп­лотой экзотермической реакции горения.

Организация процесса смесеобразования (рис. 3.17). Пра­вильно выбранная форма камеры сгорания (КС) может обеспе­чить эффективное взаимодействие топливной струи с воздухом, а также получение необходимой турбулентности и вихревого движения заряда за счет изменения объема при движении пор­шня.

Организация воздушного потока (воздушного вихря) в КС. Воздух обычно циркулирует в объеме камеры сгорания в форме вихря. Струя топлива направляется перпендикулярно вихревому движению таким образом, чтобы в результате их вза­имодействия воздушный поток смещался в направлении струи впрыскиваемого топлива, способствуя вытеснению инертных продуктов сгорания из области горения.

При испарении топлива со стенок камеры сгорания воздуш­ный вихрь захватывает паровой слой и создает «термоизоля­цию» между сгорающей смесью и свежим зарядом. В то же время микротурбулентность в вихре приводит к быстрому пе­ремешиванию паров топлива с воздухом. Воздушный вихрь создается благодаря особой геометрической форме впускного тракта или путем перемещения части заряда из цилиндра во вспомогательную камеру, которая обеспечивает его симмет­ричное вращение (при пропускании заряда через специальный канал).

Сгорание в вихревой камере. В процессе частичного выго­рания топливовоздушной смеси в вспомогательной камере ее давление оказывается выше давления смеси в основной КС. Перепад давлений заставляет частично окисленные продукты сгорания и испарившееся топливо проходить через один или несколько каналов и попадать в основную камеру сгорания, где они хорошо перемешиваются с оставшимся после сгорания воз-

Рис. 3.17. Схемы организации процесса смесеобразования в дизелях:

а — непосредственное впрыскивание в воздушный статический заряд; б — непосредственное впрыскивание во вращающийся воздушный заряд; в — пленочное смесеобразование (М-процесс); г — вихревая предкамера с при­нудительным зажиганием; д — предкамера с воздушным статическим зарядом и принудительным зажиганием; 1 — гильза цилиндра; 2 — головка цилиндра; 3 — поршень; 4 — форсунка; 5 — свеча зажигания; 6 — клапан духом. В дизелях применяются несколько способов организации смесеобразования.

Непосредственное впрыскивание топлива. Этот термин от­носится ко всем камерам сгорания, представляющим собой еди­ный (неразделенный) объем. Процесс смесеобразования реали­зуется впрыскиванием топлива при отсутствии движения возду­ха (впрыскивание со статическим зарядом) или впрыскиванием в воздушный вихрь при помощи многосопловой форсунки.

Впрыскивание топлива со статическим зарядом. Для рас­пыления топлива применяется форсунка с 6 —8 отверстиями, которые располагаются над центром камеры сгорания. При впрыскивании используется энергия, заключенная в топливе, поэтому наличие завихрения воздуха в камере сгорания не яв­ляется обязательным. Этот процесс перспективен для средне- и высоконаддувных двигателей большегрузных автомобилей.

Процесс сгорания с использованием многосопловых форсунок. В данном случае применяются форсунки с 3 — 5 рас­пылительными отверстиями, расположенными как можно бли­же к центру камеры сгорания. Этот процесс осуществляется в основном в дизельных безнаддувных двигателях легких грузовых автомобилей и быстроходных двигателях автофургонов и легко­вых автомобилей с использованием энергии воздуха, поступа­ющего в зону горения, а также энергии струи факела топлива. Система впуска создает завихрение потока воздуха. Скорость вращения воздуха выбирается такой, чтобы во время сгорания топливовоздушная смесь заполняла части камеры сгорания, расположенные по направлению струи распыляемого топлива.

М-система. В М-системе с пленочным смесеобразованием (системаMAN) значительная часть топлива подается на стенки камеры сгорания и создает на них пленку. Испаряясь, оно об­разует с завихренным воздухом достаточно однородную смесь. Этот процесс позволяет обеспечить высокий показатель исполь­зования воздуха в сочетании с низкой концентрацией выбросов сажи в отработавших газах.

Разделенные камеры сгорания. Конструкции с двумя каме­рами сгорания применяются на небольших быстроходных дизелях легковых автомобилей. Для них устанавливаются очень жесткие требования к скорости смесеобразования и коэффициенту избыт­ка воздуха. Наличие впускных каналов для завихрения воздуха затрудняет обеспечение необходимого коэффициента наполнения. Разделенные камеры сгорания позволяют получать обогащенные рабочие смеси в предкамере и относительно обедненные заряды в основной камере, благодаря чему значительно снижаются выбро­сы оксидов азота и углеводородов в отработавших газах.

Система смесеобразования с вихревой предкамерой. Вспомогательная (вихревая) камера полусферической формы находится на периферии основной камеры сгорания; вмести­мость вихревой камеры составляет около 50 % общей вместимо­сти камеры сгорания. В вихревой камере размещены форсунка и запальная свеча, необходимая для холодного пуска двигателя. Применение этой системы позволяет сочетать высокую частоту вращения коленчатого вала (свыше 5000 мин^-1) с хорошими по­казателями использования воздуха и довольно низким выбро­сом твердых частиц с отработавшими газами.

Система смесеобразования в предкамере. Особенностью данной системы является наличие вспомогательной камеры (предкамеры), которая расположена по центру основной каме­ры сгорания и имеет вместимость, составляющую 25... 35 % об­щей вместимости камеры сгорания. Ниже форсунки располага­ется отражающая поверхность, которая служит для ускорения смесеобразования путем регулирования турбулентности потока в предкамере. Таким способом обеспечивается сгорание с очень низкой концентрацией токсичных компонентов и твердых час­тиц в ОГ. Процесс, отличающийся высоким коэффициентом из­бытка воздуха, применяется в высокооборотных дизелях.

Процесс сгорания. В реальных условиях задержка воспла­менения определяется следующими факторами: способностью топлива к самовоспламенению (цетановое число); давлением сжатия (степень сжатия, степень наддува); температурой сжатия (степень сжатия, наличие промежуточного охлаждения); видом системы подачи топлива.

Процесс сгорания, начинающийся с воспламенения смеси, может быть разделен на две фазы. В начальной фазе быстрого сгорания подготовленной смеси топливо продолжает впрыски­ваться в камеру сгорания и смешиваться с воздухом. После вос­пламенения оно сгорает в так называемом диффузионном пла­мени (фаза замедленного сгорания). Та часть топлива, которая сгорает в первой фазе, обусловливает резкое повышение давле­ния (высокую жесткость сгорания), что служит главной причи­ной повышенного шума, вызываемого сгоранием, и образова­ния оксидов азота в отработавших газах. Диффузионное пламя, характеризующееся «мягким» горением, является основным источником возникновения в ОГ несгоревших частиц сажи.

Недостатки дизеля и ограничения, налагаемые на про­цесс сгорания. Дизель без выброса сажи создать невозможно. Снизить выброс твердых частиц позволяют увеличение давле­ния впрыскивания топлива и переход на оптимальные характе­ристики распыления путем изменения формы камер сгорания и форсунок с несколькими распылительными отверстиями. Тур-бонаддув, особенно с промежуточным охлаждением воздуха, является эффективным средством подавления сажеобразова-ния. Не следует смешивать понятие жесткого сгорания с дето­нацией, которая имеет место при средних и малых нагрузках дизеля. Детонация характеризуется возникновением пульсиру­ющего металлического звука.

Дизель «обречен» работать в условиях высоких максималь­ных давлений. Причинами тому являются высокая степень сжа­тия, необходимая для надежного пуска дизеля и уменьшения шумности его работы, обеспечение максимально возможной скорости распространения пламени для повышения топливной экономичности, применение турбонагнетателей. Это обуслов­ливает особые требования к прочности его деталей и, следовательно, к качеству используемых материалов. Из-за того что дизели должны работать на обедненной смеси в режиме полной нагрузки, они обычно имеют более низкие значения удельной мощности, чем у двигателей с искровым зажиганием.

Гибридные двигатели

Послойное смесеобразование. Гибридные двигатели — ус­ловное наименование энергетических установок, в которых могут совмещаться характеристики дизеля и двигателя с искро­вым зажиганием (послойное смесеобразование, многотоплив-ность и т.д.), а также использоваться альтернативные (нетради­ционные) источники энергии, в частности топливные элементы.

В двигателях с послойным смесеобразованием часть смеси, непосредственно контактирующая со свечой зажигания, обога­щается, в то время как ее остальная часть остается обедненной. Это позволяет при работе на частичных нагрузках сочетать топ­ливную экономичность с низкими уровнями выбросов оксидов азота и углерода.

Системы с неразделенной камерой сгорания по многим харак­теристикам аналогичны дизелям (качественное регулирование смеси, высокое давление вспрыскивания и т.п.). Исследования в этом направлении сосредоточены на использовании внутреннего смесеобразования для получения воспламеняемой смеси в зоне свечи зажигания и обедненных смесей (вплоть до чистого возду­ха) в остальной части камеры сгорания (системы TCCSфирмыTe­xaco, США;PROCOфирмыFord, США;Ricardo, Франция;FMфирмыMAN, Германия;ADфирмыKHD, Германия).

Двигатели с форкамерно-факельным зажиганием сходны с двигателями с искровым зажиганием (управление посредством дросселя, впуск смеси и т.п.). В них свеча зажигания распола­гается внутри небольшой дополнительной камеры сгорания (форкамеры), вместимость которой составляет 5...25 % общей вместимости камеры сгорания. В форкамере устанавливается либо дополнительная форсунка для впрыскивания топлива (си­стемы фирмы VWиSKSфирмыPorsche, Германия), либо вспо­могательный клапан для подачи топливовоздушной смеси в ка­меру сгорания (системаCVCCфирмыHonda, Япония).

Многотопливные двигатели. В многотопливных двигателях способность топлив к воспламенению и их детонационная стой­кость невысоки, поэтому внешнее смесеобразование сопровождается опасностью возникновения детонации или преждевре­менного воспламенения. По этой причине в таких двигателях всегда используются способы внутреннего смесеобразования и более позднее впрыскивание топлива (аналогично дизельным двигателям). Так как низкая склонность к воспламенению некоторых видов топлива делает воспламенение затрудненным или даже невозможным, многотопливные двигатели работают при чрезвычайно высоких степенях сжатия (двигательMTUфирмыMercedes-Benz, Германия, имеет е = 25). Двигатель мо­жет быть оборудован дополнительным источником зажигания, например, свечами зажигания или накаливания (системаFMфирмыMAN, Германия). Степень сжатия в этих двигателях со­ответствует значениям

В двигателях, работающих на газовом и спиртовом топливах могут применяться специальные типы зажигания (KHD,MWM, Германия), когда дополнительная порция дизельного топлива (5... 10 % подачи топлива в дизеле на режиме полной нагрузки) впрыскивается непосредственно в камеру сгорания для обес­печения гарантированного воспламенения. При таком процес­се смесь воздуха и основного топлива может образовываться как внутри, так и вне камеры сгорания.

Двигатели на топливных элементах. Топливный элемент (ТЭ) — это электрохимический генератор, обеспечивающий прямое преобразование химической энергии в электрическую. Принципиальным отличием ТЭ от электрической батареи явля­ется то, что электроэнергия генерируется в нем до тех пор, пока на анод поступает топливо, в частности водород, а на катод — окислитель, например кислород (рис. 3.18). Основные побочные продукты функционирования ТЭ — теплота и вода.

Т

Э могут изготавливаться с кислым или щелочным электро­литом, химический состав которого не изменяется в процессе работы.

Для ускорения химической реакции используются ка­тализаторы. Внешней электрической цепью топливный элемент соединен с нагрузкой, которая потребляет электроэнергию (на­пример, электродвигателем, который передает вращение коле­сам автомобиля).

Двигатели на ТЭ «всеядны»: они работают при поступлении на анод любого водородосодержащего топлива (после соответ­ствующей обработки) — природного, сжиженного или синтети­ческого газа, биогаза, метанола, дизельного топлива, продуктов газификации угля. ТЭ обладают двумя существенными преиму­ществами, благодаря которым без них сложно представить энер­гетику XXIв.: КПД до 75 % — по электроэнергии и 90... 95 % — с учетом утилизации теплоты. Более эффективной и экологичес­ки чистой энергетической системы человечество пока не знает.