Исследования, представленные в настоящей работе, проводились при условиях близких к условиям в камере сгорания автомобильного двигателя внутреннего сгорания (ДВС). Данный подраздел главы посвящён более подробному описанию особенностей распространения топливных струй в камере сгорания ДВС, а также параметров, влияющих на их распространение. Дать ссылки на книги по двигателям
Прямой впрыск топлива
Большинство современных автомобилей оснащены двигателями внутреннего сгорания с прямым впрыском, которые пришли на смену двигателям с внешним смесеобразованием (карбюратором) или распределённым впрыском. Сама технология прямого впрыска была впервые применена в авиастроении в 1940-е годы. Первый автомобиль с двигателем, использующим прямой впрыск, был выпущен фирмой Mitsubishi в 1996 году. До настоящего момента инженеры по всему миру активно совершенствуют технологию прямого впрыска, так как именно она предоставляет возможности удовлетворения современных экологических требований при сохранении высокой эффективности двигателя. Главным конструктивным отличием системы прямого впрыска является отсутствие впускного коллектора, где происходит подготовка топливно-воздушной смеси перед подачей в камеру сгорания. В такой системе сопло инжектора располагается прямо в цилиндре двигателя, и впрыск происходит напрямую в камеру сгорания. Технология прямого впрыска имеет ряд преимуществ по сравнению с распределённым впрыском:
1. Возможность контроля количества впрыскиваемого топлива.
В двигателях с прямым впрыском возможно напрямую регулировать как количество подаваемого в камеру сгорания топлива, так и воздуха. Это позволяет двигателю работать на смесях с разными стехиометрическими коэффициентами и существенно снижает количество топлива, потребляемого двигателем. Кроме того, при впрыске топлива во впускной коллектор на ещё закрытом впускном клапане с обратной стороны образуется плёнка или даже лужица топлива. Это обстоятельство приводит к задержке подачи топливно-воздушной смеси в камеру сгорания, а также к тому, что контроль реального количества топлива, поданного в камеру сгорания, усложняется. В среднем такому двигателю требуется 10 циклов для обеспечения устойчивого колебания образовавшей плёнки во впускном отверстии, из-за чего 90% выбросов несгоревших углеводородов образуется в течение первых 90 секунд работы двигателя [48]. Технология прямого впрыска полностью устраняет эту проблему.
2. Улучшение распыла топлива
Так как в системах с прямым впрыском топлива используются инжекторы высокого давления, то размер капель топлива в среднем составляет 5–100 микрон, в то время как в системах распределённого впрыска – 120 микрон. Более мелкий распыл существенно улучшает испарение с поверхности капель, интенсифицируя тепломассообмен в камере сгорания, что позитивно влияет на процесс смесеобразования.
3. Снижение зависимости от дросселирования
Количество воздуха, поступающего во впускной коллектор в двигателях с распределённым впрыском, регулируется с помощью дроссельной заслонки, что неизбежно ведёт к термодинамическим потерям на дросселирование. В двигателе с прямым впрыском также есть дроссельная заслонка перед впускным клапаном, однако в таком двигателе основной возможностью регулирования состава топливно-воздушной смеси является регулировка количества впрыскиваемого топлива. Таким образом потери на дросселирование в двигателе с прямым впрыском значительно меньше.
4. Увеличение степени сжатия
При прямом впрыске топлива тепло, затрачиваемое на его испарение, отбирается у воздуха поступающего в цилиндр двигателя из впускного клапана. В результате снижается вероятность детонации и степень сжатия может быть повышена. Повышение степени сжатия приводит к росту давления в конце сжатия и соответственно к увеличению термического коэффициента полезного действия.
5. Режим послойного смесеобразования
Режимы работы двигателя можно условно разделить на два основных – работа на гомогенной смеси при высоких и средних нагрузках и работа в режиме послойного смесеобразования при низких нагрузках и в режиме холостого хода (Рисунок 1).
|
| Рисунок 1 – Формирование (а) гомогенной и послойной (b) смеси в цилиндре двигателя с прямым впрыском |
Работа на гомогенной смеси подразумевает образование в камере сгорания гомогенной смеси с коэффициентом избытка воздуха близким к единице. В таком режиме работы впрыск топлива происходит, когда поршень находится в нижней мёртвой точке. В этот же момент происходит открытие впускного клапана, из которого поступает сносящий поток, раздувающий струю в поперечном направлении. Изучение влияния данного потока на струйное течение является важной задачей, так как именно сносящий поток во многом определяет смесеобразование в камере сгорания. Так, например, при длительном открытии впускного клапана и высокой скорости сносящего потока может произойти смачивание головки поршня, что ведёт к большим выбросам сажи. Работа двигателя на гомогенной смеси характеризуется высоким потреблением топлива и стабильной работой.
В режиме послойного смесеобразования двигатель работает на обеднённой смеси с коэффициентом избытка воздуха около 2. При дальнейшем повышении коэффициента избытка воздуха возникают трудности со стабильностью работы двигателя. В таком режиме впускной клапан открывается до впрыска, впуская поток воздуха, который при движении поршня вверх начинает закручиваться и воздействует на струю снизу, отклоняя её в область свечи зажигания (Рисунок 1 b). Сам впрыск топлива происходит, когда поршень находиться практически в верхней мёртвой точке. Это нужно для того, чтобы обеспечить необходимую для возгорания концентрацию топлива только в области близкой к свече зажигания, а в остальных частях камеры сгорания находиться обеднённая смесь. Такой режим работы двигателя имеет как достоинства, так и недостатки. К достоинствам можно отнести снижение количества, потребляемого двигателем топлива, а также снижение тепловых потерь со стенок цилиндров. Существенным недостатком является то, что высокий коэффициент избытка воздуха стимулирует образование большого количества оксидов азота, что вынуждает применять дополнительные фильтры очистки выхлопных газов, а также использовать рециркуляцию выхлопных газов. Кроме того, крайне сложно обеспечить стабильную работу двигателя в режиме послойного смесеобразования во всём диапазоне нагрузок.
Описанные выше достоинства системы прямого впрыска могут обеспечить значительную теоретическую экономию топлива за счёт трёх факторов – работа в режиме послойного смесеобразования, снижение потерь при дросселировании и повышение степени сжатия в цилиндре. Бензиновые двигатели с прямым впрыском экономят до 60% топлива в режиме холостого хода, до 35% - в низко- и средненагруженных режимах и до 6% в режимах полной нагрузки [49]. Такая экономия топлива вместе с современными системами очистки выхлопных газов позволяют удовлетворить высоким экологическим стандартам, предъявляемым в настоящий момент к двигателям внутреннего сгорания, работающим на традиционном топливе.