Соснин - Автотроника

ются разверткой текущих значений фаз и фазовых состояний на периметр окружности. Фаза в таком случае определяется как угол поворота радиуса развертки, а фазовое состояние — как раскрыв угла. Если фаза определяется как момент наступления события, то угол поворота в угловых градусах отсчитывается по круговой диаграмме от краевой точки процесса по часовой стрелке. Во втором случае, когда фаза определяется как продолжительность части процесса, раскрыв угла измеряется в тех же угловых градусах между двумя границами для данной части процесса.

В теории поршневых двигателей внутреннего сгорания для описания работы газораспределительного механизма используются оба только что описанных определения термина "фаза". Так, когда надо определить момент открытия или закрытия клапана относительно мертвых точек, используют первое определение фазы (как угла).

Если же необходимо описать продолжительность открытого состояния клапана, используется второе значение термина "фаза", в соответствии с которым фаза открытого состояния клапана — это раскрыв угла на круговой диаграмме между началом открытия и концом закрытия данного клапана. Тогда фаза впуска — это фазовое состояние открытого впускного клапана, выраженное в градусах поворота коленчатого вала от начала открытия впускного клапана до конца его закрытия. А фаза выпуска — это фазовое состояние открытого выпускного клапана, выраженное в градусах угла поворота коленвала от начала открытия до конца закрытия этого клапана.

Когда фазы впуска и выпуска накладываются друг на друга, говорят, что имеет место перекрытие фаз, или перекрытие фазовых состояний клапанов, или просто — перекрытие клапанов. Таким образом, перекрытие клапанов — это раскрыв угла от начала открытия впускного клапана до конца закрытия выпускного.

Перечисленные терминалогические соглашения для фаз газораспределения наглядно проиллюстрированы на рис. П.7.

Круговая диаграмма, изображающая фазы поршневого двигателя, называется фазовой диаграммой газорас-

пределения. На рис. П.8 показана такая диаграмма для двигателя автомобиля "Москвич".

• Кулачки распределительного вала. При теоретическом рассмотрении работы ДВС можно допустить, что фазы впуска и выпуска в точности совпадают по протяженности с тактовыми ходами поршня при впуске и выпуске. Тогда фазы газораспределения идеального двигателя будут иметь вид, показанный на рис. П.Эа.

Как видно из диаграммы П.Эа фазы впуска и выпуска идеального двигателя имеют раскрыв угла в 180°. Все фазы моментов равны нулю.

Чтобы клапан четырехтактного двигателя мог находиться в открытом состоянии в течение 180° поворота коленвала, надо чтобы кулачок распредвала "нажимал" на толкатель клапана в течение 90° своего поворота (поворота рас-

Рис. П.8.

предвала). При этом желательно, чтобы клапан открывался сразу на всю высоту своего хода и находился бы в таком состоянии до момента закрытия. Однако мгновенное открытие клапана на заданную высоту и поддержание этой высоты неизменной с помощью распредвала осуществить невозможно. Во-первых, никакой кулачок распредвала не выдержит ударных перегрузок, если восходящий выступ профиля кулачка будет слишком крутым. Во-вторых, как уже было сказано, в современном верхнеклапанном механизме газораспределения возможно соударение клапана с поршнем, если клапан сразу открыть на всю высоту подъема, или заблаговременно не опустить его на фаску седла. В-треть- их, распредвал с крутыми кулачками работает с повышенным шумом. Таким образом, кулачок распредвала "обречен" на то, чтобы быть пологим и иметь определенную форму профиля. Для получения пологости и нужной формы профиль кулачка составляется сопряжением четырех окружностей с разными радиусами (гармонический кулачок) или сопряжением двух окружностей и двух прямых линий (тангенциальный кулачок). В любом случае для идеального двигате-

угол между базовыми точками кулачкового выступа, Rk — радиус базовой окружности кулачка (рис. П.10).

На рис. П.10 приведены профили трех кулачков:

Из рис. П.Юа следует, что высота hk вершины кулачка равна отрезку L45 и не может быть больше отрезка L35, ко-

го лишь 1,8...2,1 мм. Такому ходу соответствует площадь пропускной щели клапана около 250 мм2 (диаметр D головки клапана не превышает 40 мм). Этого недостаточно для современных высокоскоростных двигателей большой мощности. Чтобы увеличить пропускную способность клапана, приходится увеличивать его ход, а значит, и угол между базовыми точками кулачкового выступа. Это в свою очередь приводит к расширению фаз впуска и выпуска.

Расширение фаз реализуется соответствующим изменением формы кулачков. На рис. 2.10, б показана геометрия кулачка, который обеспечивает фазу открытого состояния клапана в 240° по повороту КВ. Профиль этого кулачка составлен сопряжением базовой окружности с радиусом 01, окружности для вершины кулачка с радиусом 54 и двух прямых линий 13 и 23, которые являются касательными к обеим окружностям. Из геометрии профиля следует, что чем больше радиус окружности вершины (отрезок 54), тем больше будет раскрыв угла и тем больше высота hk выступа кулачка, которая равна этому радиусу. Такой кулачок называется тангенциальным, и он сравнительно просто может быть изготовлен с помощью копира.*

На рис. П.10, в изображен профиль гармонического (пологого) кулачка** с раскрывом угла в 150° (300° по KB). Он назван гармоническим потому, что на его профиле сопрягаются четыре окружности: базовая, вершинная и две сопрягающих. Главное достоинство кулачка с таким профилем то, что он не вызывает ударных перегрузок и вредных колебаний в конструктивных элементах распредвала и может работать с любым видом толкателя. Относительный недостаток гармонического кулачка — более сложная технология обточки и шлифовки. Конструктивной особенностью гармонического кулачка является та плавность хода, которую он обеспечивает клапану, и то, что он более пригоден для работы с клапанами низких камер сгорания.

Из рассмотрения профилей различных типов кулачков следует, что при узких фазах впуска и выпуска (около 180°) высота рабочего выступа кулачка ограничена значением

. В идеальном двигателе такой высоте кулачка соответствует максимально возможный ход клапана всего лишь 2 мм. Высоту рабочего выступа кулачка можно значительно увеличить, но при этом должны быть увеличены фазы впуска и выпуска. Это можно делать до определенных пределов, за которыми увеличение фаз становится вредным явлением. С другой стороны, ход клапана не может быть больше высоты камеры сгорания в той точке, где поршень ближе всего подходит к клапану. В современных двигателях при степени сжатия не менее 10 сближение клапана и поршня доведено до 1,5 мм. Таким образом, возможность увеличения эффективности газообмена за счет расширения фаз, а также за счет увеличения хода клапана в классической конструкции двигателя с одним впускным и с одним выпускным клапаном на цилиндр полностью исчерпана.

П.5.Газораспределительныемеханизмы в современных поршневых двигателях

При различных режимах работы двигателя газообмен в его цилиндрах происходит по-разному. На оборотах холостого хода, когда скорость движения газообразных масс в двигателе низкая, отработавшие газы не успевают эвакуироваться из цилиндров и двигатель, "задыхаясь", может остановиться. Чтобы этого не произошло, горючую смесь обога-

*Копир — это технологический шаблон, по которому в процессе произвоАства на специальном копировальном станке обтачивают и шлифуют отливки распределительных валов.

** Иногда кулачок с тангенциальным профилем называют острым, а гармонический — пологим.

щают, что приводит к дополнительному расходу топлива и повышенному образованию СО в отработавших газах. Оптимальные условия работы двигателя нарушаются. Однако эффект задымления цилиндров на холостом ходу можно свести к минимуму более ранним открытием выпускного клапана в такте "рабочий ход". Тогда часть энергии расширения рабочего тела будет затрачиваться на принудительную и интенсивную эвакуацию отработавших газов. Но при высоких оборотах двигателя под большой нагрузкой раннее открытие выпускного клапана приводит к значительной потере развиваемой двигателем мощности. Получается так: фазу начала открытия выпускного клапана желательно иметь разной, а жесткий распредвал этого не обеспечивает.

Другой пример. Когда двигатель работает на очень высоких оборотах, скорость движения топливовоздушной смеси на входе цилиндра и выхлопных газов на его выходе тоже очень высокая. Это придает газовым потокам значительную дополнительную энергию движения за счет инерции. Поэтому одновременное открытие впускного и выпускного клапанов (перекрытие клапанов) в цилиндрах в конце выпуска и в начале впуска является крайне желательным явлением. Фаза перекрытия клапанов в таком случае должна быть расширена по сравнению с режимами работы двигателя в менее скоростных режимах, так как это способствует дополнительной продувке цилиндра под напором быстрых впускных газов и под сильным разрежением быстро вылетающих отработавших газов. Однако подобное расширение фазы перекрытия клапанов в режиме холостого хода недопустимо, т.к. приводит к нарушению процесса внешнего смесеобразования из-за обратного выхлопа части отработавших газов во впускной коллектор. Из этого примера следует, что и фазу перекрытия клапанов жесткий распредвал формирует неоптимально. Для сравнения на рис. П.9 приведены диаграммы фаз газораспределения теоретического двигателя (рис. П.9, а), реального двигателя ЗИЛ-116 (рис. П.9, б), двигателя с оптимальным холостым ходом по газораспределению (рис. П.9, в) и двигателя с форсированным режимом (рис. П.9, г).

Ясно, что каждому виду фазовой диаграммы соответствует определенная форма кулачков на распредвале. Так, для впускного и выпускного клапанов в идеальном двигателе кулачки симметричные, с идеальным профилем; у двигателя ЗИЛ кулачки гармонические, впускной с разворотом в сторону опережения, выпускной — почти симметричный; двигатель оптимальный по холостому ходу имеет тангенциальные кулачки — выпускной кулачок со значительным разворотом в сторону отставания, а впускной — в сторону опережения; у двигателя, работающего в форсированном режиме с расширенной фазой перекрытия клапанов, впускной кулачок гармонический и должен давать опережение по открытию клапана, а выпускной тангенциальный — отставание по закрытию. Опережение или отставание фазовых состояний клапана определяется и формируется разворотом кулачка против вращения распредвала (отставание) или по направлению (опережение). Важно также заметить, что в реальных двигателях с жестким распредвалом фазы впуска и выпуска почти никогда не бывают симметричными (их середина сдвинута относительно середины рабочего такта — хода поршня от одной мертвой точки к другой).

«? Из рассмотрения диаграмм ясно, что жесткая привязка фаз газораспределения к вращению коленчатого

вала, даже при их расширении и (или) смещении относительно рабочих тактов двигателя, не является оптимальным способом формирования процессов газораспределения в реальных ДВС. Получается так: изменился режим работы двигателя, надо бы соответственно изменить и фазы газораспределения. Но газораспределительный механизм с жесткими кинематическими связями не позволяет этого сделать. Приходится искать "золотую середину". Компромиссное среднее положение фаз газораспределения относительно нижней и верхней мертвых точек для каждого конкретного двигателя определяется опытным путем на специальном экспериментальном стенде. Найденные таким способом фазы газораспределения называются установочными. До недавнего времени опытный подбор установочных фаз был единственной возможностью подогнать жесткий распредвал под реальные процессы газообмена в ДВС на различных режимах его работы.

При подборе установочных фаз имеют в виду следующие соображения. Фазы, раскрыв угла которых более 180°, могут быть сдвинуты относительно мертвых точек, а также относительно друг друга. Манипулируя шириной фаз впуска и выпуска и их сдвигом, можно подгонять рабочие параметры двигателя под заданные условия эксплуатации. Такая возможность обусловлена тем, что эффективность газообмена в цилиндрах ДВС определяется степенью их наполнения свежим зарядом и степенью их очистки от отработавших газов. А наполнение и очистка цилиндров непосредственно зависят от продолжительности фаз впуска и выпуска, и от фазы их взаимного наложения друг на друга (фаза перекрытия клапанов).

Можно детально объяснить, почему так происходит, но здесь ограничимся тем, что укажем на три основных момента:

1. В высокоскоростном двигателе наполнение цилиндра свежим зарядом несколько увеличивается (примерно на 10...15%) за счет напора газов со стороны впускного коллектора, если впускной клапан остается открытым на некоторое время после НМТ (50°...80° по углу поворота KB).

2. При раннем открытии выпускного клапана (за 40°...70° до НМТ, в такте "рабочий ход") большая часть отработавших газов (до 60%) эвакуируется из цилиндра достаточно высоким (4...5 атм) давлением газов. (Поршень в такте выпуска вытесняет из цилиндра всего 40...50% отработавших газов.)

3. Одновременное открытие выпускного и впускного клапанов (перекрытие клапанов) в конце такта выпуска (за 20...30° до ВМТ) и в начале такта впуска (20...50° после ВМТ) способствует продувке камеры сгорания, из которой вытесняются остаточные отработавшие газы. Продувка происходит за счет инерционного движения газовых потоков во впускном и выпускном коллекторах.

Используя эти три фактора воздействия на эффективность газообмена, можно создавать двигатели с различными рабочими характеристиками. Для двигателей обычного назначения фазы газораспределения устанавливаются таким образом, чтобы они наиболее оптимально соответствовали применяемому на данном двигателе способу смесеобразования и конструкции газопропускных каналов и тем самым обеспечивали устойчивую работу двигателя при всех возможных режимах его работы.

Однако усредненный подбор фаз газораспределения не является единственным способом улучшения характеристик двигателя внутреннего сгорания с жестким распредвалом. Так, современные двигатели теперь стали оборудовать многоклапанным газораспределительным механизмом, в котором на один цилиндр приходится до четырех и даже до пяти клапанов. Клапаны приводятся в действие от двух распределительных валов группами по два или три клапана.

Такая конструкция газораспределительного механизма дает возможность значительно увеличивать суммарную площадь пропускных щелей клапанов во время одновременного их открытия сравнительно небольшим ходом.

Таким образом, многоклапанная система позволяет реализовать более эффективный газообмен в цилиндрах ДВС при высокой степени сжатия и при высоких оборотах без применения искусственного наддува цилиндров свежей порцией воздуха и без значительного расширения фаз. Это существенно повышает выход мощности ДВС с единицы его конструктивного объема. Как следствие, многоклапанные двигатели меньше по весу и габаритам в сравнении с классическими моделями ДВС.

На рис. П.11 приведен чертеж пятиклапанной камеры сгорания для двигателя, которым оборудуются автомобили "Audi-A4" начиная с 1994 года.

Четырехцилиндровый двигатель "Audi-A4" с двадцатью клапанами работает без наддува и развивает мощность в 125 л.с. уже при 5800 об/мин. Он имеет плавный ход за счет "длинной полочки" в характеристике крутящего момента (крутящий момент в 165 Нм развивается на 3500 об/мин и в 173 Нм — на 3950 об/мин). Три впускных и два выпускных клапана своим коротким ходом и малой длительностью открытия позволяют приблизить продолжительность и место нахождения фаз газораспределения к их соответствию с рабочими тактами идеального теоретического двигателя. Перекрытие клапанов в такой конструкции минимальное. Это значительно улучшает такие показатели работы ДВС, как бесшумность и плавность хода, динамичность и расход топлива. Вращение коленчатого вала вначале передается зубчатым ремнем на выпускной распределительный вал (в передней части двигателя), а с него — на впускной распределительный вал цепной передачей (сзади двигателя).

В настоящее время многоклапанные системы находят широкое применение на ДВС для современных легковых автомобилей.

Еще одно новшество в современном механизме газораспределения — это гидравлические толкатели. Существуют две разновидности гидравлических толкателей: с подачей масла под давлением от системы смазки и с герметичной масляной подушкой, находящейся под давлением пружины или сжатого газа. Такие толкатели передают усилие от распределительных валов непосредственно на клапаны без промежуточных коромысел, что исключает необходимость регулировки клапанов в процессе эксплуатации ДВС.

• Но самым перспективным направлением в повышении эффективности работы газораспределительного механизма является гибкое программное управление работой клапанов, что может быть реализовано несколькими способами: поворотом составного распредвала относительно коленчатого вала на соответствующий угол, создавая тем самым опережение или отставание распредвала с одновременным расширением вершин кулачков; изменением профиля кулачка по за-

данному закону управления; или, например, сделать кулачок вращающимся на распредвалу с жесткой его фиксацией в нужный момент от электронной автоматики.

Наиболее активно и плодотворно в направлении внедрения электроники в управление механизмом газораспределения работали японские автомобилестроители. Так, в 1992 году две японские фирмы "Honda" и "Mitsubishi" объявили о своих намерениях выпустить двигатель с автотронной системой управления клапанами. С 1993 года фирма "Honda" действительно освоила серий-

Рис. П.11. Пятиклапанная камера сгорания:

1 — блок цилиндров; 2 — головка блока цилиндров; 3 — выпускной клапан; 4 — свеча зажигания; 5 — кулачок выпускного распредвала; 6 — выпускной распредвал; 7 — кулачек впускного распредвала; 8 — впускной распредвал; 9 — впускной клапан; 10 — пружина клапана; 11 — гидравлический толкатель саморегулирующийся; 12 — поршень; 13 — шатун; 14 — камера сгорания; 15 — гнездо для свечи зажигания

ный выпуск таких двигателей, на которых получила широкую и выпуклую характеристику для крутящего момента и значительную удельную мощность — 75 кВт/л. Не менее интересны достижения фирмы "Mitsubishi". Эта фирма оснастила автотронной системой "Mivec" двигатель автомобиля "Lanser". Этот двигатель объемом 1600 см3 до модернизации развивал мощность 83 кВт при 6000 об/мин и максимальный крутящий момент 137 Нм. После замены обычной головки блока цилиндров на головку с автотронным управлением клапанами двигатель стал мощнее на 40 кВт, а максимальный крутящий момент достиг значения в 167 Нм. С этим же двигателем более легкий автомобиль "Mit-Colt" показал расход топлива 3,75 л/100 км при постоянной скорости движения 60 км/ч. Такие показатели получены за счет применения в автотронной системе управления клапанами, в системе впрыска топлива и в системе цифрового зажигания единой гибко интегрированной программы управления, заложенной в память центрального бортового компьютера, тем самым достигнута высокая точность срабатывания всех систем.

На рис. П.12 показана упрощенная модель основного функционального узла механизма газораспределения с электромагнитным фиксатором и автотронным управлением клапанами для четырехцилиндрового шестнадцатиклапанного двигателя.

В этом механизме два верхних распредвала впускной и выпускной. На каждую пару одноименных клапанов работают не два одинаковых, а два разнопрофильных кулачка: один пологий, другой острый. Толкающие действия клапанам могут сообщаться или от острого, или от пологого кулачка попеременно или от обоих кулачков сразу. Режимы работы кулачков, зависящие от режима работы двигателя, заложены в программу бортового компьютера и реализуются с помощью электрогидравлического или электромагнитного управления системой передаточных коромысел. Такой работой механизма реализуется автоматическое управление фазами и высотой хода клапанов.

Показанная на рис. П.12 модель функционального узла с электронным управлением механизмом газораспределения работает следующим образом. Если по программе требуется, чтобы клапан открывался и закрывался по синусоидальному закону, в работу включается гармонический (пологий) кулачок. Для этого сигнал управления от ЭБУ подается на соленоид 2, который выталкивает шток 3, а тот в свою очередь надавливает на фиксатор 4. Происходит жесткая фиксация толкателя 6 на промежуточном валу 5, который одновременно является поворотной осью для Т-образного коромысла 8. Пологий кулачок 13 набегает на левый ролик 9, и спаренные клапаны 7 открываются наклоном Т-образного коромысла. Так как в это время правый толкатель 6 не зафиксирован на оси 5, то он никакого действия на коромысло 8 не оказывает. Аналогично работает и острый кулачок 11 или оба кулачка сразу. В последнем случае может быть получена сколько угодно сложная форма управления клапанами. Достоинством системы является возможность выключения клапанов. Недостатки — конструктивная сложность и низкая надежность механизма фиксации толкателя 6 на оси 5. Сравнительно быстрый износ фиксаторов приводит не только к нарушению программы работы двигателя, но и к полной его остановке. Возможны и другие варианты исполнения фиксаторов, например с электромагнитным гидрофиксатором.

Рис. П.16. Модель функционального узла механизма газораспределения с электрически управляемыми клапанами:

1 — возвратная (обратно-тянущая) пружина; 2 — обмотка электромагнитного соленоида; 3 — шток-керн соленоида (активатор фиксатора); 4 — фиксатор; 5 — ось толкателей с насечкой, жестко соединена с Т-образным коромыслом; 6 — толкатель (короткое коромысло) с роликом и фиксатором; 7 — клапаны впускные; 8 — Т-образное коромысло, жестко установленное на оси 5; 9 — ролик толкателя; 10 — ось для блока толкателей (внутри оси 5); 11 — острый кулачок распредвала; 12 — распределительный вал впускной; 13 — пологий кулачок распредвала; 14 — шарнирная опора клапана в Т-образном коромысле.

Рис. П.17. Схема двигателя с электромагнитными клапанами:

1...8 — электромагнитные клапаны; 9 — поршень; 10 — головка блока цилиндров с электромагнитными клапанами; 11 — пружина клапана; 12 — клапан; 13 — коленвал.

Однако идеальный по газораспределению двигатель внутреннего сгорания пока еще не создан, хотя изобретен профессором МАДИ В.М. Архангельским еще в пятидесятых годах XX века (рис. П.17). По идее Архангельского идеальный двигатель должен управляться не механическими клапанами с приводом от распределительного вала, а электромагнитными клапанами с электрическим управлением процессами их открывания и закрывания. Ясно, что если клапаны будут включаться и выключаться по электрическим сигналам, то можно будет создать программу идеального газораспределения и управления клапанами так, как это делается в современных системах зажигания при формировании момента искрообразования.

Главной проблемой реализации идеи электромагнитного управления газораспределительными клапанами является пока непреодолимая сложность создания малогабаритных, мощных и быстродействующих электрических клапанов с тихой работой. Когда это станет возможным, процессы газораспределения в поршневом ДВС будут осуществляться не газораспределительным механизмом с распредвалом, а электромагнитными клапанами с управлением от электронной автоматики или от центрального бортового компьютера.

П.6, Топливовоздушная смесь

Бензин и необходимый для его сгорания воздух поступают в цилиндры ДВС в виде топливовоздушной смеси. Топливовоздушная смесь — это смесь мельчайших частиц бензина с атмосферным воздухом, которую получают тщательным перемешиванием этих двух компонентов. Ясно, что до перемешивания бензин должен быть распылен, а затем и испарен еще до момента воспламенения.

Различают три способа смесеобразования для поршневых двигателей: внутренний способ, когда процесс перемешивания происходит непосредственно в объеме цилиндра; внешний способ — когда смесь получают вне объема цилиндра, например во впускном коллекторе; и смешанный, или комбинированный способ смесеобразования, при котором первый этап перемешивания протекает вне цилиндра, а второй — внутри цилиндра. Для бензиновых ДВС самым распространенным является способ внешнего смесеобразования. Бензин перед смешиванием с воздухом распыляется либо пульверизацией, либо впрыском под давлением. Процесс пульверизации реализуется в карбюраторах, а процесс впрыска с помощью специальных устройств впрыска, которые называются форсунками.

Для внешнего смесеобразования требуется легко испаряемое топливо, к которому относятся сжиженные горючие газы и бензин. Бензин — это продукт перегонки нефти. Состоит бензин на 85% из углерода и на 15% из водорода и относится к легким углеводородным топливам. В смеси с воздухом пары бензина образуют не только горючие, но и взрывные смеси, что в основном определяется весовым соотношением бензина и воздуха, а также их парциальным давлением и температурой в смеси. Соотношение 1/14,7 для бензина и воздуха является стехиометрическим, так как оно соответствует законам строгого количественного соотношения масс веществ, участвующих в химической реакции горения.

Следует иметь в виду, что Топливовоздушная смесь, приготовленная внешним способом смесеобразования, еще не

является топливовоздушным зарядом для поршневого двигателя. От миксерной зоны (места образования смеси) и до камеры сгорания в цилиндре топливовоздушная смесь многократно изменяет свое агрегатное состояние под действием чередующихся изменений давления и температуры. Как следствие, часть паров бензина переходит обратно в жидкое состояние охлаждаясь или снова образуется пар при соприкосновении бензиновых пленок с горячими стенками впускной системы и цилиндра. В результате в камеру сгорания поступает не стехиометрическая смесь, даже если она идеально приготовлена в миксерной зоне, а смесь, отличающаяся от оптимального состава в сторону уменьшения или в сторону увеличения количества бензина.

Из сказанного ясно, что по весовому составу топливовоздушная смесь, приготовленная вне цилиндра, может заметно отличаться от смеси, сжатой к моменту воспламенения в камере сгорания. Это обстоятельство является главным недостатком способа внешнего смесеобразования, который приводит к дополнительным потерям бензина, к потере устойчивости работы двигателя при изменении его режимов, а также к дополнительным конструктивным сложностям системы приготовления и впуска топливовоздушной смеси. Для того чтобы поддерживать состав топливовоздушного заряда близким к стехиометрическому, процессом приготовления топливовоздушной смеси приходится постоянно управлять путем увеличения или уменьшения количества подаваемого в систему смесеобразования бензина. Наиболее качественно это реализуется в современных системах впрыска бензина с электронным управлением электромагнитными форсунками.

П.7. Горючая смесь и отработавшие газы

В реальных автомобильных двигателях стехиометрическое соотношение в горючей смеси «бензин-воздух» часто нарушается. Это зависит от реальных режимов и условий работы ДВС. Если бензина в горючей смеси становится больше, то говорят, что смесь обогащена, или богатая. Если меньше — то смесь обедненная, или бедная. Однако в теорию двигателя введен не коэффициент избытка или недостатка бензина, а коэффициент избытка воздуха ос (альфа). Коэффициент а определяется как отношение действительно выгоревшего количества воздуха Мд к М0 — теоретически необходимому при полном сгорании данной порции бензина, т.е. . При стехиометрическом соотношении, когда бензин и воздух находятся в смеси в пропорции примерно один к пятнадцати, коэффициент избытка воздуха а (альфа) принимают равным единице, и смесь считают нормальной (Мд = М0). Обогащение или обеднение горючей смеси для бензиновых двигателей допустимо лишь в определенных пределах. Если состав горючей смеси по коэффициенту а выходит за диапазон 0,7 < а < 1,35, то рабочая смесь в классическом ДВС вообще не воспламеняется. Таким образом, указанный диапазон изменения а является граничным рабочим интервалом для обогащения или обеднения горючей смеси.

В указанном интервале для а сгорание рабочей горючей смеси происходит по-разному. Сгорание бедной смеси (а > 1) может привести к неустойчивости процесса сгорания (особенно при а. > 1,25). А это в свою очередь приводит к

перебоям в работе ДВС за счет пропусков воспламенения на переходных режимах. Наибольшей скорости сгорания рабочей смеси соответствует . Но когда выжигается чрезмерно богатая смесь (а < 0,8), появляется вероятность неполного сгорания бензина. Несгоревший бензин частично выбрасывается с отработавшими газами в атмосферу, а частично (в виде тонких пленок) сползает по стенкам цилиндров в масляный картер, что приводит к ускоренному износу деталей двигателя. Кроме того при недостатке кислорода интенсивно образуется угарный газ СО.

Однако при незначительном обогащении или обеднении горючей смеси имеют место положительные эффекты.

Так, обедненная смесь на средних и умеренно увеличенных нагрузках дает заметную экономию топлива. Обогащение смеси на высоких оборотах форсирует двигатель, и он начинает отдавать максимальную мощность. На рис. П.14 приведены зависимости мощности Рд двигателя и расхода Мд бензина от коэффициента избытка воздуха.

Из графика видно, что в ДВС с принудительным искровым зажиганием и с внешним смесеобразованием мощность Рд двигателя и расход Мд топлива на единицу развиваемой мощности в сильной степени зависят от коэффициента а. Максимальных значений развиваемая двигателем мощность достигает при а в интервале 0,9-0,95. Минимальный расход топлива имеет место при а в интервале 1,0-1,1.

« При рассмотрении работы поршневого ДВС было указано, что после сгорания топливовоздушного заряда в камере сгорания в цилиндре образуется рабочее тело в виде сильно разогретых отработавших газов, которые являются продуктами химической реакции горения.

Исходными компонентами реакции горения являются: кислород 02, азот N2, разнообразные инертные примеси Рх и водяной пар Н20 (все это составляющие компоненты окружающей атмосферы), а также углерод С и водород Н, два последних компонента — составляющие части бензина.

В результате сгорания исходных компонентов образуются следующие отходные продукты химической реакции горения: окись углерода С02, окислы азота М0„, газообразные инертные примеси Рх, частично несгоревший бензин в виде радикала углеводородных соединений СН, не вступивший в реакцию горения молекулярный кислород 02 и не полностью окисленный углерод в виде угарного газа СО, а также водяной пар Н20 и химически пассивный атмосферный азот N2.

Рис. П.14. График зависимости мощности Рд двигателя и

расхода топлива Мд от коэффициента а избытка воздуха

Отходные продукты реакции горения и есть отработавшие выхлопные газы бензинового поршневого двигателя.

Следует также отметить, что в состав отработавших газов могут входить свинцовые соединения, так как они иногда добавляются в бензин с целью повышения его антидетонационных свойств.

Концентрация угарного газа в выхлопных газах современных бензиновых ДВС может достигать 6-8% по объему. Концентрацию СН и NOX чаще выражают в миллионных долях (ч/млн) в объеме выхлопных газов (см. табл. П.1).

Таблица П.1

Главным устройством на двигателе, которое ответственно за процентный состав токсичных веществ в отработавших газах, является система приготовления и канализации рабочей горючей смеси — система топливного питания. Именно под воздействием этой системы в топливовоздушном заряде может изменяться коэффициент избытка воздуха а (альфа), а от неконтролируемого изменения этого коэффициента в значительной степени изменяется концентрация вредных веществ в отработавших газах.

На рис. П.15 представлены графики зависимости СН, СО, NOX, 02 в отработавших газах от коэффициента а для двигателей без специальных средств экологической защиты. При а = 1 концентрации этих компонентов относительно высокие и для ряда стран не отвечают требованиям национальных стандартов на выбросы этих веществ. Как следствие, для современных автомобилей разрабатываются экологические системы, которые реализуют нейтрализацию токсичности отработавших газов (о нейтрализации токсичности отработавших газов автомобиля см. главу 20).

Рис. П.15. Графики зависимости составных компонентов выхлопных газов от коэффициента а избытка воздуха:

ОН — углеводороды; СО — окись углерода (угарный газ); NOX — окислы азота; 02 — остаточный кислород.

П.8. Недостатки смесеобразования способом карбюрации

Классическим способом приготовления горючей смеси в бензиновых поршневых двигателях является способ карбюрации. Карбюрация — это процесс внешнего смесеобразования путем распыления бензина в потоке воздуха за счет самоистечения бензина из отверстия топливного жиклера в быстрый поток воздуха под действием разрежения в зауженном диффузоре. Пневмомеханическое устройство, реализующее такой процесс, называется карбюратором. Почему карбюраторы, хотя они и дешевле, не выдержали конкуренции перед системами питания с форсунками впрыска? Рассмотрим подробно недостатки карбюрационного смесеобразования.

Из теории поршневых двигателей внутреннего сгорания известно, что самым совершенным из них является дизельный двигатель. Он меньше расходует топлива на единицу вырабатываемой энергии, больше отдает мощности на единицу рабочего объема цилиндров, может работать на низкосортных цетановых топливах, менее опасен в экологическом отношении и так далее. Суть всех преимуществ дизельного ДВС (при всем их разнообразии) состоит в том, что топливовоздушная смесь в нем образуется непосредственно внутри цилиндров. То есть в дизельных ДВС имеет место внутреннее смесеобразование, при котором потери топлива и вырабатываемой энергии минимальны. Возникает вопрос, а почему столь совершенный внутренний способ приготовления горючей смеси не нашел широкого распространения на бензиновых ДВС? Главная особенность дизеля, заключающаяся в самовоспламенении топливовоздушного заряда от сильного сжатия, не может быть реализована с применением бензина в качестве топлива. Пары бензина при сильном нагревании и под большим давлением сгорают очень быстро и взрывообразно, а значит, неуправляемо, и даже в обычных бензиновых ДВС это в ряде случаев приводит к детонациям, разрушающим двигатель.

Вторая сложность состоит в том, что при применении принудительного зажигания бензиновых смесей внутреннее смесеобразование хотя и возможно, но крайне затруднительно из-за необходимости впрыскивать бензин во внутрь сильно разогретого цилиндра (в конце впуска температура воздуха достигает 300°-400°С). В таком случае может иметь место быстрое испарение бензина и образование облака без перемешивания с воздухом. Равномерный качественный процесс внутреннего смесеобразования может не состояться. Для реализации внутреннего смесеобразования бензина с воздухом требуется интенсивная турбулентность внутри цилиндра, для чего необходимо применение бензонасоса высокого давления, специальных форсунок впрыска, специальных камер сгорания, клапанов и поршней. Конструкция двигателя при этом значительно усложняется, а стоимость заметно возрастает.

Третьим недостатком карбюраторного смесеобразования является многократное изменение агрегатного состояния горючей смеси по пути из миксерной зоны в камеру сгорания под влиянием изменений температуры и давления. В карбюраторном двигателе этот путь включает в себя: диффузор карбюратора, дроссельную заслонку, трубы впускного коллектора, предклапанную зону головки цилиндров, впускной клапан и сам цилиндр. На каждом переходе горючая

смесь, даже если она идеально приготовлена в миксерной зоне карбюратора, теряет свои стехиометрические свойства, и к моменту воспламенения в камере сгорания совершенно не известно, какой у этой смеси коэффициент избытка воздуха а (альфа). На практике получается так: в цилиндре бензина сгорает столько, сколько это возможно в данных условиях протекания химической реакции горения; а чтобы процесс горения не прерывался от цикла к циклу, карбюратор заблаговременно обогащает смесь с учетом потерь топлива по минному пути. Это достигается соответствующим увеличением отверстий в топливных жиклерах. Заблаговременное обогащение рабочей смеси при карбюрации есть неизбежный недостаток такого способа смесеобразования.

Четвертым существенным недостатком карбюраторного способа смесеобразования является тот факт, что в процессе пульверизации бензин не может быть распылен на очень мелкие капли. Диаметр капель в карбюраторе не

бывает меньше 100-120 мкм, в то время как при принудителдьном распілении бензина под давлением через фор-

сунку диаметры капель не превышают 40-50 мкм, а при впрыске бензина под высоким давлением или одновременно с нагнетаемым в форсунку воздухом и того менее (до 20 мкм). Крупные капли бензина так же, как и длинный путь горючей смеси при карбюраторном способе смесеобразования, способствуют более быстрому переходу паров бензина обратно в жидкое состояние.

Из сказанного ясно, что система внешнего смесеобразования с карбюратором, у которой протяженность впускного канала для топливовоздушной смеси всегда значительна, а распыленные капли бензина всегда достаточно крупные, изначально является несовершенной по показателям экономичности топлива и по качеству приготовляемой смйси. Как следствие, часть бензина в карбюраторном ДВС расходуется бесполезно, так как выбрасывается через выхлопную систему в атмосферу либо в виде несгоревших паров бензина, либо в виде ядовитого угарного газа СО. Осевший на стенки цилиндров бензин может оказаться в системе смазки ДВС.

Эти обстоятельства и заставили разработчиков новых моделей автомобильных двигателей внутреннего сгорания перейти от карбюрации к впрыску бензина в системах топливного питания.

П.9. Электроискровое зажигание

Автоматизм воспламенения топливовоздушной смеси (ТВ-смесь), присущий дизельным двигателям, в которых химическая реакция горения паров цетанового топлива начинается под воздействием значительного повышения температуры и интенсивного сжатия, совершенно не пригоден для легкотопливных ДВС, т.к. устойчиво управлять моментом самовоспламенения бензиновой топливовоздушной смеси в процессе работы ДВС пока никак не удается. Единственный пригодный для бензиновых ДВС способ воспламенения горючей смеси — это способ электроискрового зажигания. Такое воспламенение называется принудительным.

Интенсивная электрическая искра, которая является запалом в современных автомобильных системах зажигания, формируется в свече зажигания посредством разряда на нее индуктивного накопителя (катушки зажигания).

Уже отмечалось, что совокупность индуктивного накопителя и свечи зажигания это одно из ранних, но очень удачных изобретений для системы зажигания. Дело в том, что индуктивный накопитель легко, точно и просто управляется по времени разряда любым спусковым устройством, начиная от контактной пары и кончая бортовым компьютером. V индуктивного накопителя больше КПД, чем у емкостного. Он высоконадежен, имеет стабильные параметры, недорого стоит и прост в изготовлении. Он обладает также свойствами повышающего трансформатора, а, следовательно, может управляться по относительно низкому напряжению.

Но главное достоинство индуктивного накопителя заключается в формировании эффективно работающей в тяжелых условиях камеры сгорания высоковольтной искры.

Объясняется это тем, что искровой разряд от индуктивного накопителя имеет две фазы: очень короткую емкостную (не более 1-2 мкс) и длительную (от 3 до 10 мс) индуктивную. Емкостная фаза разряда — высоховольтая /не менее

10 000 вольт), с большой плотностью электрической энергии (до 50 кВт-с) в импульсе. Во время этой фазы происходит электрический пробой искрового промежутка свечи зажигания и образование электроискрового шнура в этом промежутке. Температура в искровом шнуре достигает 10 000°С, и происходит первоначальное воспламенение горючей смеси.

Емкостная фаза — это разряд емкости С2 вторичной цепи системы зажигания.

Часть энергии искрового разряда переходит в индуктивную фазу разряда. Так как искровой шнур это сильно ионизированный жгут газа с низким внутренним сопротивлением, напряжение на электродах свечи быстро и резко падает (до 2000 В), а ток разряда становится незначительным (около 100 мА).

При этих условиях электроискровой разряд переходит в тлеющую низковольтную индуктивную фазу.

Наличие длительной индуктивной фазы способствует увеличению продолжительности принудительного выжигания остатков топливовоздушного заряда.

Ясно, что длительность электроискрового разряда и соотношение длительностей его фаз сильно зависят от тех условий в камере сгорания, в которых он протекает.

В современных электронных системах зажигания с помощью практически безынерционного микропроцессора реализуется автоматическое управление такими параметрами высоковольтной искры в свече зажигания, как: длительность разряда, энергия разряда, момент разряда относительно заданного начала отсчета, запрет (пропуск) зажигания при отключении цилиндра, перемещение момента воспламенения в сторону уменьшения или увеличения угла опережения зажигания с целью предотвращения детонации в цилиндре или для управления частотой вращения двигателя на холостом ходу.

Последняя из перечисленных функций позволяет классифицировать современную систему зажигания как автотронную систему.

П10. Применение дизельного двигателя на легковых автомиобилях

Дизельный двигатель — это поршневой двигатель внутреннего сгорания с самовоспламенением топливовоздушной смеси от сильного сжатия. Этот двигатель изобретен

Таблица П.2

немецким конструктором Рудольфом Дизелем в 1897 году и назван его именем. Характерной особенностью дизельного двигателя является применение в нем внутреннего смесеобразования и двухтактного цикла работы (существуют конструкции и четырехтактных дизельных ДВС). Это обеспечивает ему ряд существенных преимуществ перед бензиновыми двигателями. Так, дизель по сравнению с бензиновым двигателем равного объема расходует топлива на 30-40% меньше, что можно пояснить следующим образом. В любом поршневом ДВС тепло, образующееся при сгорании топлива в цилиндрах, используется на полезную работу лишь частично (20...50%). Значительная часть тепла "вылетает" в трубу глушителя (25...40%). В систему охлаждения двигателя отводится около 12...35%. При этом тепловая энергия, которая образуется от химической реакции горения одного и того же типа и количества топлива, в значительной степени зависит от конструктивного совершенства двигателя, его состояния и режимов его работы. В дизельном двигателе топливо сгорает в условиях постоянного избытка воздуха и с высокой скоростью. Как следствие, оно сгорает полностью, чем и обеспечивается значительная экономия топлива и высокий КПД короткого теплового цикла.

Процентное распределение тепла по его "потребителям" в нормально работающем (в отлаженном) двигателе называется тепловым балансом двигателя (см. табл. П.2).

Как следует из табл. П.2, тепловой баланс наиболее ярко демонстрирует преимущества дизельного двигателя перед бензиновыми.

Кроме сказанного, дизельный ДВС работает на дешевых (цетановых) сортах топлива без детонации и, что наиболее важно, обеспечивает постоянство крутящего момента в более широком интервале частот вращения коленчатого вала двигателя. Экология дизельного ДВС также более благоприятна.

Но при попытках применить дизельный ДВС на легковых автомобилях моторостроители еще до сих пор не смогли реализовать в полном объеме всех его достоинств. Оказывается, дизельный двигатель при уменьшении диаметра поршня ниже определенного значения (менее 100 мм) начинает терять свои преимущества. Это явление есть следствие конструктивной сложности получения высоких степеней сжатия, присущих дизелям, в двигателях с малым диаметром поршня. Так, для легковых автомобилей, где недопустимы чрезмерно большие вес и габариты двигателя, стали изготавливать дизельные ДВС со сложной конфигурацией камер сгорания. Появились предкамерные и вихрекамерные дизельные двигатели. Но и при таком усовершенствовании эти двигатели не достигли показателей крупногаба-

Таблица П.З

ритных дизелей. Самые совершенные из современных дизельных ДВС для легковых автомобилей, например двигатели E-220D и E-300D фирмы MERCEDES, по-прежнему проигрывают крупногабаритным дизелям грузовых автомобилей по расходу топлива на 10-15%. А бензиновым ДВС — по целому ряду технических показателей (см. табл. П.З), а также по весу, габаритам и конструктивной сложности. Более того, дизельные двигатели обладают повышенным рабочим шумом и более жесткой работой, что есть следствие высокой степени сжатия ТВ-смеси в цилиндрах, а также применения топливного насоса высокого давления.

Следует отметить, что любой дизельный ДВС хуже заводится при низких температурах и требует установки АКБ повышенной емкости. В системе пуска дизеля необходимо предусматривать средства облегчения пуска, например калильные свечи электроподогрева в камере сжатия.

Все это привело к тому, что на современных легковых автомобилях дизельные ДВС применяются крайне ограниченно. Американские фирмы дизельные двигатели на легковые автомобили не устанавливают. Из автомобилей европейского производства в среднем не более 5% выпускаются с дизельными ДВС. В Японии таких автомобилей, не считая микроавтобусов, не более 8%. И только в Германии легковых автомобилей с дизельными двигателями выпускается около 17%. В России легковые дизели пока не изготавливаются. Ограниченное применение дизельных ДВС на легковых автомобилях есть следствие значительного прогресса в разработке новых конструкций бензиновых ДВС, а также отмеченных выше несовершенств дизельных ДВС малых размеров. Однако следует заметить, что дизельный двигатель нельзя считать бесперспективным для легковых автомобилей. Последние модели дизельных ДВС с турбонаддувом и с электронным управлением впрыском топлива, позволили приблизить вес и габариты дизеля к классическим размерам двигателя для легкового автомобиля, а приемистость и развиваемую мощность — к стандартным требованиям для бензиновых двигателей. Правда, такие дизели имеют сложную конструкцию и требует высококвалифицированного техобслуживания, а также пока еще очень дорого стоят. Но тенденции в эксплуатации автотранспорта таковы, что полную стоимость автомобиля теперь определяют не по первоначальной покупной цене, а по полной стоимости эксплуатации автомобиля, вплоть до его списания. По такому показателю современные дорогостоящие автомобили с бензиновым двигателем уже давно превзошли старые классические модели. Это относится и к легковым автомобилям с новейшими моделями дизельных ДВС (подробно о дизельных двигателях см., например [18]).