В. А. Корогодский к.т.н.

Аннотация. Экспериментальными исследованиями определены рациональные значения степени сжатия на частичных режимах двухтактного двигателя с искровым зажиганием при непосредственном впрыскивании топлива и организации пленочного смесеобразования. Достигнут минимальный удельный эффективный расход топлива gemin=224 г/кВт×ч.

Ключевые слова: двигатель с искровым зажиганием, непосредственный впрыск топлива, степень сжатия, частичные нагрузки, детонация.

Применение непосредственного впрыскивания топлива (НВТ) позволяет повысить технико-экономические и экологические показатели двигателей с искровым зажиганием (ИЗ). В зоне основных эксплуатационных режимов работы расход топлива на частичных нагрузках в четырехтактных двигателях снижается на 10-25%, а в двухтактных – на 30-45%. Существенно (на 70-90%) снижаются выбросы вредных веществ с отработавшими газами (ОГ). Использование системы НВТ позволяет на 10-15% повысить максимальную мощность двигателя. Однако двигатели с ИЗ и НВТ уступают по экономическим показателям современным дизелям, в основном из-за пониженной степени сжатия (e). Повышение степени сжатия в двигателе с ИЗ ограничено детонационным сгоранием топлива. При максимальных нагрузках бензо-воздушная смесь имеет стехиометрический или обогащенный состав по всему надпоршневому объему и предел повышения степени сжатия ограничен в первую очередь детонационной стойкостью топлива. На этих режимах степень сжатия будет ниже, чем в дизелях, ввиду особенностей процессов воспламенения и сгорания бензина. На частичных нагрузках, при работе двигателя с глубоким расслоением топливо-воздушного заряда (a>1,2) имеются потенциальные возможности повышения степени сжатия, снижения удельного эффективного расхода топлива.

Двигателями с изменяемой степенью сжатия занимались исследователи и изобретатели Японии, Германии, Австралии, США, России, Украины и других стран. Идеи по конструкциям, позволяющим изменять степень сжатия в зависимости от режимов работы, двигателисты патентуют на протяжении более 100 лет.

Бóльшая часть разработок и исследований по повышению степени сжатия на частичных нагрузках проводилась на двигателях с ИЗ при внешнем смесеобразовании. Например, при дроссельном регулировании подачи топливо-воздушной смеси в цилиндр двухтактного двигателя с ИЗ и обычным кривошипно-шатунным механизмом при увеличении степени сжатия на частичных режимах до значений соответствующих началу возникновения детонации снижение удельного эффективного расхода топлива (ge) составляет 20-25% [1].

Повышение степени сжатия на частичных нагрузках в двигателях с ИЗ перспективно и при внутреннем смесеобразовании. Шведская фирма Saab уже выпускает четырехтактный бензиновый двигатель с непосредственным впрыскиванием, пневматическим распыливанием топлива и изменяемой степенью сжатия в пределах 10-12, путем изменения объема камеры сгорания (КС) [2, 3]. В двигателе Saab Variable Compression (SVC) организовано полное перемешивание топлива с воздухом до гомогенного состава, без расслоения топливо-воздушного заряда. К сожалению, экономические и экологические показатели двигателя в публикации не приводятся.

Рисунок 1.  Конструктивные особенности двигателя

Двигатели с ИЗ фирм Mitsubichi и Toyota имеют систему НВТ [4, 5]. На режимах холостого хода и частичных нагрузках при организации расслоения заряда двигатели работают с высокой степенью сжатия (e=12-15). Повышение антидетонационных качеств двигателей достигается за счет двойного впрыскивания топлива: сначала на такте впуска, для получения обедненной смеси однородного состава по всему надпоршневому объему, а затем в конце такта сжатия, для организации обогащенного состава топливо-воздушной смеси в зоне электродов свечи зажигания, что обеспечивает некоторое расслоение топливо-воздушного заряда. Повышение антидетонационных качеств двигателей объясняется тем, что при сверхбедной смеси (после впрыска первой порции топлива) детонация не возникает, а расслоение топливо-воздушного заряда (при впрыске второй порции топлива), до образования искры между электродами свечи – сокращается время протекания предпламеных процессов, вызывающих детонацию. При этом, применение рециркуляции ОГ (до 40-50%) обеспечивает дополнительно снижение предпосылок возникновения детонации. Такая организация рабочих процессов позволяет снизить ge на частичных режимах на 25-35 г/кВт×ч. Снижается также содержание вредных веществ в ОГ: NOx – до 95%, вследствие снижения максимальной температуры цикла; CO и CnHm – на 50-70%, за счет более полного и быстрого сгорания. На кафедре ДВС НТУ "ХПИ” проведены исследования по доводке рабочих процессов двухтактного двигателя ДН-4 с ИЗ и НВТ при организации пленочного смесеобразования и расслоении топливо-воздушного заряда [6]. Форсунка устанавливалась в цилиндре двигателя, а топливный факел был направлен на поверхность полусферической КС, смещенной к выпускному окну. Повышение топливной экономичности составило 30-45% (gemin=264 г/кВт×ч), снижение токсичности ОГ – 70-90% (COmin=0,1%, CnHmmin=70 ЧНМ) по сравнению с карбюраторной системой питания [7]. При данной организации рабочего процесса и степени сжатия e=12 двигатель работал без детонации и на максимальной мощности.

Цель и задачи исследований

Целью исследований является определение рациональных значений степени сжатия на частичных режимах в двигателе с ИЗ и НВТ при организации пленочного смесеобразования.

Для повышения степени сжатия на частичных режимах необходимо воспользоваться характером протекания процессов пленочного смесеобразования для снижения факторов, влияющих на возникновение детонации путем организации интенсивной турбулизации топливо-воздушной смеси, особенно в отдаленных от свечи зажигания зонах, глубокого расслоения топливо-воздушного заряда.

Определение рациональной степени сжатия на частичных режимах работы двигателя [1]

Для решения поставленных задач были изменены конструктивные особенности двигателя ДН-4. Клапанная форсунка 1 была установлена в стенке цилиндра 2 таким образом, что топливный факел 3 достигал поверхности полусферической КС 4, ось симметрии которой совпадает с осью цилиндра 2. При этом полый внутри топливный факел не заливал электроды свечи зажигания 5, расположенной в центре КС. Площадь кольцевого вытеснителя 6, составляла около 60% от площади днища поршня (рис. 1).

Исследования проводились на бензине А-76. Показатели рабочих процессов определялись в диапазоне частичных нагрузок до полного открытия воздушной заслонки. При исследованиях степень сжатия повышалась до значений e=14,8¸17,6. Определение рациональной степени сжатия осуществлялось при различных нагрузках при n=3000мин-1. Снижение степени сжатия обеспечивалось увеличением объема полусферической КС путем механической обработки. Зазор между днищем поршня и поверхностью вытеснителя не изменялся.

1Подготовительные работы для проведения эксперимента проводились с участием научного сотрудника Обозного С.В.

Первоначально экспериментальные исследования проводились при e=17,6 и e=15,8. При повышении мощности по нагрузочным характеристикам регулировочные параметры двигателя не изменялись (jвпр=440 ПКВ после НМТ, Рвпр=2,5 МПа, qзаж=100 ПКВ до ВМТ).

Рисунок 2.  Нагрузочные характеристики при n=3000 мин-1 ● - e=17,6; ○ - e=15,8;  – e=15,1; ▲ – e=14,8

Минимальный удельный эффективный расход топлива gemin=224 г/кВт×ч имел место при e=15,8 и эффективной мощности Ne=8,7 кВт. При увеличении степени сжатия до e=17,6 (Ne=8,2 кВт) минимальный удельный эффективный расход топлива gemin=262 г/кВт×ч (рис.2). Ухудшение экономичности с повышением степени сжатия, по-видимому, обусловлено увеличением потерь теплоты в стенки. Температура стенок при этом увеличивается. С понижением e, возможно также некоторое снижение значений суммарного коэффициента избытка воздуха aS при минимальных значениях мощности. При этом несколько возрастает содержание СО в ОГ (до 0,2%). Максимальное значение aSmax=2,65 имело место для e=15,8 при полностью открытой воздушной заслонке. Содержание СО в ОГ при этом составляет 0,025%. Более высокая температура ОГ (tогmax=3480C) при e=15,8 по сравнению с e=17,6 (tогmax=2750C) характеризуется снижением эффективности процессов сгорания, что подтверждается повышенным содержанием в ОГ несгоревших углеводородов (CnHm) до 355 ЧНМ. Отметим, что при e=17,6 и e=15,8 двигатель запускался и работал на частичных нагрузках при воспламенении топливо-воздушной смеси искрой. При полном открытии заслонки двигатель устойчиво работал и принимал нагрузку с отключенным зажиганием, т.е. имело место воспламенение топлива. На всех режимах двигатель работал без детонации. На следующем этапе экспериментальные исследования проводились при снижении e до значений e=15,1 и e=14,8 с тем, чтобы исключить самовоспламенение смеси на повышенных нагрузках. С этой же целью на режимах при полном открытии воздушной заслонки, угол опережения зажигания был увеличен до qзаж=200 ПКВ до ВМТ. Момент начала подачи топлива (jвпр=440 ПКВ после НМТ) и давление впрыскивания (Рвпр=2,5 МПа) сохранялись неизменными. С понижением степени сжатия e до 14,8-15,1 минимальный удельный эффективный расход топлива (gemin) составил 245-254 г/кВт×ч при снижении мощности до 5-6 кВт (рис. 2). Максимальные значения коэффициента избытка воздуха (aSmax) так же снизились с 2,25 до 2,15. Однако при понижении степени сжатия и понижении мощности, по нагрузочной характеристике, значения aS несколько выше при e=14,8. Вследствие более высоких значений aS в зоне пониженных нагрузок при e=14,8 содержание СО в ОГ составляет 0,07¸0,14%, что ниже, чем при e=15,1. При этом температура ОГ снижается с 4200C до 3700C, что характеризуется более эффективным протеканием процессов сгорания. С понижением степени сжатия и температуры ОГ повышается температура поверхности КС (tкс) до 2550C. Повышение температуры КС происходит вследствие сгорания большей части топлива у стенки КС. При повышении tкс, aS снижается количество несгоревших углеводородов (CnHm) в ОГ до 100 ЧНМ.

Выводы

Повышение степени сжатия на частичных нагрузках с12 до e»15 в двигателе с ИЗ при пленочном смесеобразовании и расслоении топливо-воздушного заряда позволяет снизить удельный эффективный расход топлива на 10-15%.

Увеличение угла опережения зажигания на частичных нагрузках, до полного открытия воздушной заслонки смещает gemin и минимальные значения СО и CnHm в ОГ в зону пониженных нагрузок.

Перспективы дальнейших исследований

Дальнейшие исследования по повышению степени сжатия на частичных нагрузках целесообразно проводить с варьированием угла начала впрыскивания топлива и угла опережения зажигания. Определить рациональные значения степени сжатия в диапазоне от минимальной до максимальной нагрузки

Намеченные исследования позволят существенно снизить расход топлива и содержание вредных веществ в ОГ во всем диапазоне частичных нагрузок.