Тема 4. Вдосконалення процесів згоряння-розширення.

 

Ціль: опанувати поняття про загальні тенденції і напрямки вдосконалення процесів згоряння і розширення в ДВЗ.

Завдання: відпрацювати навички прогнозування і визначення можливих напрямків вдосконалення процесів згоряння і розширення в ДВЗ.

 

Лекція №6

1. Основні типи камер згоряння двигунів Отто.

2. Особливості конструкції камер згоряння типу Fireball.

3. Основні типи камер згоряння дизелів.

4. Вплив способу організації робочого процесу на показники ДВЗ.

5. Поглиблення роботи розширення горючих газів в ДВЗ.

 

Раціональна конструкція камери згоряння (КЗ), у поєднанні з організованим рухом заряду, дозволяють оптимізувати процес згоряння, підвищують економічність та знижують токсичність відпрацьованих газів. Однак критерії підбору форми камери згоряння дуже різноманітні. Іноді ту чи іншу форму КЗ, яка задовольняла б вимоги економічності або тягових властивостей, не можна застосовувати з конструктивних міркувань, економічних, тощо. Особливо це стосується КЗ дизельних двигунів.

В свою чергу, різномаїття форм камер згоряння настільки велике, що розглянути детально хоча б половину з них виявляється складним завданням, і крім того, окремим – досить великим – науковим напрямком. Тому, доцільно розглянути конкретні конструкції в загальному випадку.

Всі КЗ двигунів Отто, так чи інакше, за формою поділяються на наступні основні: шатрову (циліндричну, напівсферичну); клинову; плоско-овальну (рис. 6.1 а, б, в).

Рис.6.1а                       Рис.6.1б                        Рис.6.1в

Бажання інтенсифікувати процеси сумішоутворення і згоряння бідних сумішей (α=1,15…1,55) на сучасних ДВЗ призвели до створення конструкцій КЗ (на базі основних), що забезпечують розшарування горючої суміші: в зоні свічки α=0,85…0,9, а у пристінній зоні циліндра — α=1,3…1,6.

Яскравим прикладом КЗ з такими властивостями є КЗ конструкції М. Мея (M. May), що отримали загальну назву “Fireball” – вогняна куля (шар).

КЗ FB №1 (Рис. 6.2) являє собою КЗ, що створена безпосередньо в днищі поршня, при асиметричному її розташуванні відносно вертикальної осі. Застосування КЗ такої конструкції призвело до місцевого збагачення суміші в зоні С3 до α=0,8, а у пристінній зоні — до α=1,5.

	Було досягнуто 20% економії палива. Однак суттєвим недоліком такої КЗ виявилась конструкція поршня. Крім того, внаслідок постійного місцевого перегріву днища в зоні КЗ, траплялися часті прогари поршня.
Рис.6.2
		Намагання позбавитись цих недоліків призвели до створення конструкції КЗ FB №2 (Рис. 6.3). У цій конструкції, КЗ була організована шляхом підйому сідла випускного клапана відносно сідла впускного. Вперше така КЗ була застосована на двигуні Ягуар НЕ-V12.
Рис.6.3

 

Пізніше, КЗ даної конструкції стала застосовуватись на автомобілях VW Passat TS. Це дало змогу зменшити витрату палива з 8,5л/100км до 4,96л/100км.

Камери згоряння типу FB добре зарекомендували себе на ДВЗ, однак суттєвим їх недоліком було те, що вони могли бути реалізовані лише при двоклапанній схемі. Тому, з появою 3-х та 4-х клапанних конструкцій КЗ, перевагу надали так званим “шатровим”.

Намагання досягнути ще більшого ступеня розшарування горючої суміші на карбюраторних двигунах призвели до створення конструкцій камер згоряння форкамерно-факельного типу, основні елементи якої показано на рис. 6.4.

	1.Основний впускний клапан. 2. Впускний клапан форкамери. 3. Форкамера. 4. Свічка запалювання. 5. З’єднувальний канал.
Рис.6.4

Процеси сумішоутворення і згоряння в такій камері відбуваються наступним чином. У процесі впуску, через клапан-1 в основну КЗ-6 надходить дуже збіднена горюча суміш (α£1,3). В кінці процесу наповнення, відкривається клапан-2 форкамери-3 і до неї надходить сильно збагачена горюча суміш (α=0,4-0,7). Об’єм форкамери становить 3-5% об’єму основної КЗ. Загальна величина  таким чином становитиме α=1,7…2,5. Свічка запалювання-4 підпалює збагачену горючу суміш у форкамері-3. Цим формується потужний високотемпературний факел, що з великою швидкістю виривається в основну КЗ-6 через з’єднувальний канал-5 і займає збіднену горючу суміш.

Двигунам, що обладнані таким типом форкамер (вентильована форкамера) притаманне більш стабільне згоряння на часткових навантаженнях та холостому ходу. Крім того, суттєвою перевагою їх є низька токсичність по всіх основних компонентах. Паливна економічність і зростання потужності сягають 20 і 30% відповідно. Однак, ускладнення конструкції введенням додаткового клапана спричинили до обмеженого використання КЗ такого типу на спортивних і псевдоспортивних автомобілях.

Слід також відмітити, що форкамерно-факельна конструкція КЗ фактично явилась вершиною досконалості карбюраторних двигунів. Перевершити показники таких двигунів вдалося лише за допомогою застосування інжекторних систем живлення та безпосереднього впорскування.

Конструкції камер згоряння дизелів відрізняються більш широкою різноманітністю, ніж двигунів Отто. Однак, в загальному випадку, вони поділяються на дві великі групи: нерозділені (однопорожнинні) та розділені (двопорожнинні).

Перші мають порівняно невелику поверхню тепловіддачі і, у поєднанні з добре організованим об’ємним сумішоутворенням, забезпечують роботу дизелів з

. Лише притаманна їм жорсткість роботи (1,0-1,2МПа наростання тиску на кожен градус повороту колінчастого вала) обмежує застосування таких камер, особливо на легкових автомобілях.

Однак наполегливе вдосконалення енергетичних і економічних показників дизелів дало свої позитивні наслідки. Так, зокрема, чашоподібна форма КЗ, несиметрична і зміщена в сторону форсунки (рис. 6.5), “Мercedes-Вenz”, у поєднанні з гвинтовими впускними трубопроводами, що забезпечують інтенсивний обертальний рух заряду в циліндрі, дозволили зменшити жорсткість роботи (0,6-0,8МПа) при збереженні

 

Рис.6.5

Камера згоряння ЦНИДИ, зображена на рис. 6.6, має форму зрізаного конуса з малою основою, що відкривається у надпоршневу порожнину.

Паливо впорскується багатодірковою форсункою таким чином, що, пройшовши товщу гарячого повітря, струмені сягають стінок КЗ і розтікаються по них тонкою плівкою. Таким чином забезпечується об’ємно-плівкове сумішоут-ворення. Це дає можливість дизелям працювати дуже м’яко (0,4МПа на 10 повороту колінвала), полегшити пуск та, що досить суттєво, дозволяє працювати практично на всіх видах рідкого палива, яке можна подати в камеру

Рис.6.6

згоряння. Економічність дизелів з такою камерою згоряння сягає

.

Не дивлячись на суттєві переваги однопорожнинних КЗ за економічністю і простотою конструкції вони дають можливість дизелям працювати у досить вузькому діапазоні частот, що не перевищують 3,5тис.хв^-1. Тому, на дизелях легкових автомобілів переважного застосування набули двопорожнинні КЗ. Дизелі з такими КЗ можуть працювати при частотах n=4000-5000хв^-1 і більше; їм притаманні динамічність та плавність ходу (0,3-0,6МПа на 1⁰). Найбільшого ж розповсюдження на дизелях легкових автомобілів набули так звані вихорокамерні КЗ (рис. 6.7 а, б, в).

Рис.6.7а                      Рис.6.7б                       Рис.6.7в

Застосування таких КЗ дало можливість досягти показників літрової потужності до 45кВт/літр (рис.6.7б — КЗ Міцубісі). Об’єм передкамери сягає 0,5-0,6 об’єму основної КЗ, ступінь стиску — ε=18-24, а g_e=230-245г/кВт·год. Для полегшення пуску, такі КЗ обладнують свічками розжарювання (рис.  6.7а).

Ідея безпосереднього впорскування бензину в циліндри (подібно дизелям) не нова. Вперше такі системи почали застосовувати на авіаційних поршневих двигунах. Паливна апаратура таких двигунів була аналогічною за конструкцією до апаратури дизелів. Тиск впорскування сягав 0,9-1,5 МПа.

Пізніше, коли авіація почала оснащуватись ГТД та ТГД, були спроби встановити систему безпосереднього впорскування бензину (СБВБ) на автомобільні двигуни. Застосування СБВБ покращує наповнення циліндрів, розпилювання та дозування палива по циліндрах, регулювання паливоподачі, залежно від умов роботи двигуна, застосувати високі ступені стиску без небезпеки виникнення детонації. Вперше така система була встановлена на двигуні автомобіля Merсedes-Benz SL 1956 року випуску.

Однак, висока вартість таких систем, недовговічність роботи паливної апаратури (бензин не має змащувальних властивостей, як у дизпалива), недостатня швидкодія механічних систем регулювання, призвели до того, що СБВБ перестали застосовуватись, поступившись місцем вдосконаленим карбюраторам та інжекторним системам.

Інтенсивний розвиток автомобільної електроніки, поява нових матеріалів і технологій, а також зростаюча жорсткість нормативів на шкідливі викиди та витрату палива, повернули СБВБ на автомобільний транспорт.

В якості прикладу розглянемо силову систему, що отримала назву  IMA System (Integrated Motor Assist) фірми Honda. Система включає в себе 3х циліндровий (Vh=1,0л) двигун VTEC, спарений з електродвигуном-генератором (10кВт), та спеціальну АКБ, так званого “конденсаторного типу”. Схема СБВБ приведена на рис. 6.8 , її характеристика — на рис. 6.9. В цілому ж система працює наступним чином.

Рис.6.8	Рис.6.9

Під час розгону автомобіля, електродвигун-генератор живиться струмом з АКБ конденсаторного типу. Сумарна потужність електродвигуна і ДВЗ забезпечує автомобілю необхідні тягово-швидкісні характеристики.

Під час гальмування електродвигун починає працювати в режимі генератора, підзаряджаючи АКБ і створюючи додаткове гальмове зусилля колесам. Сумарна потужність ДВЗ і електродвигуна-генератора рівноцінна потужності 4х циліндрового ДВЗ з Vh=1,5л. Система забезпечує пробіг 30км ділянки на 1літрі бензину, за швидкості автомобіля Va=108км/год (60миль). Про особливості конструкції паливної апаратури фірма не повідомляє

Першою європейською фірмою, що розпочала випуск автомобілів з СБВБ, стала Renault. Її автомобіль Megane Classic 1,4RTE обладнується двигуном FR5 (4P,16V, Vh=2,0л , Ne=140к.с.).

Слід однак відмітити, що двигун даного автомобіля конструктивно не є чимось особливим. Звертає увагу лише витрата палива автомобілем, що скоротилась і, за даними фірми, становить 7,6л/100км за змішаним циклом ЕРА, проти 10,8л/100км для попередньої моделі.

Як відомо з курсу теплотехніки, термічний ККД любої теплової машини залежить від ступеня перепаду температур на початку процесу розширення і в кінці. В загальному випадку, ця залежність приймає наступний вигляд:

                                    ,

де Т_пр і Т_кр –температури робочого тіла на початку і в кінці процесу розширення відповідно.

Отже, величину ККД можна підвищити трьома способами: збільшити температуру робочого тіла на початку розширення; зменшити у кінці розширення; і, відповідно, збільшити та зменшити ці температури.

Температура горючих газів сучасних ДВЗ сягає 1800-2900К, що набагато перевищує температуру експлуатаційної міцності конструкційних матеріалів. Тому, доцільним є шлях, направлений на зменшення температури кінця розширення, що добре зарекомендував себе на довгохідних, мало-оборотних судових ДВЗ, ККД яких сягає 55-60%.

Проте, на ДВЗ автотракторного типу, зменшення температури розширення за рахунок збільшення довжини ходу поршня, не завжди доцільне з конструктивних міркувань. Тому, зусилля спеціалістів зосередились на створенні конструкцій ДВЗ, в яких величина ходу поршня змінювалася б наступним чином: впуск, стиск, випуск — короткий хід; розширення — довгий. Конструкцій таких двигунів було чимало, але всі вони мали спільний суттєвий недолік — складність, за рахунок введення додаткових механізмів. Втрати ж у цих механізмах, практично завжди зводили нанівець усі намагання підвищити потужність та заощадити паливо.

Однак вирішити практично цю проблему все ж вдалося. У 1949 році американський інженер Томас Міллер проводив випробування нижньоклапанних двигунів, в яких e_геом сильно перевищувала e_факт.

Як відомо з курсу теорії автомобільних двигунів, ступінь наступного розширення ДВЗ рівна відношенню ступеня стиску до ступеня попереднього розширення:

                                     ,

де r=1,0 для двигунів Отто і r=1,2-1,7 — для дизелів.

На експериментальних двигунах Міллер збільшував e_геом з 6 до 9 одиниць, а e_факт, за рахунок зменшення η_V, залишалась на попередньому рівні. В результаті здійснення таких заходів було отримано приріст ККД з 22 до 28%. Подальше збільшення ККД виявилося неможливим, внаслідок особливостей конструкції нижньоклапанних ДВЗ. Роботи було згорнуто і про результати цих досліджень надовго забули.

Відома японська фірма ММС почала проводити дослідження по вдосконаленню процесу Міллера на початку 80х років ХХ століття. Результатами цих досліджень стало створення ряду бензинових двигунів для автомобіля Xedos. Геометричний ступінь стиску e_геом цих двигунів було збільшено до 16 одиниць, а e_факт залишився таким же, як для e_геом=9,5. Це досяглося зменшенням величини η_V шляхом запізнення моменту закриття впускних клапанів на 20% проти стандартної величини. В результаті, за даними фірми, двигун з Vh=2,0л “отримав” потужність і крутний момент 3,0 літрового, а витрату палива — 1,5 літрового, що рівнозначне збільшенню ККД з 32 до 36%.

Слід відмітити, що про застосування принципу Міллера на дизелях відомостей немає.

 

 

 

Література: [1.4],ст.200-201; [1.5],ст.100-104,112-114,74-76; [2.4],ст.12-18