Мощность, топливная экономичность двигателя, его «экологичность» тесно связаны с характеристиками сгорания рабочей смеси в двигателе, которые, в свою очередь, зависят от многих факторов, и прежде всего от таких как:
- конструкция цилиндро-поршневой группы;
- турбулентность рабочего заряда в цилиндре;
- характеристики топлива;
- наличие остаточных выхлопных газов в цилиндре;
- температура рабочей смеси;
- энергия зажигания смеси;
- установка момента зажигания;
- качество приготовления рабочей смеси.
Если первые три фактора остаются относительно стабильными в процессе эксплуатации АД и слабо управляемы, то последние пять, и прежде всего, момент зажигания и качество приготовления смеси являются достаточно динамичными переменными. Ими можно управлять. Правильный подбор параметров этих факторов может оказать существенное влияние на стабильность работы АД на всех его режимах. Ниже кратко охарактеризуем названные факторы.
Конструкция цилиндро-поршневой группы определяется на заводе-изготовителе путем расчетов, моделирования и экспериментальной отработки на стендовом оборудовании. При проектировании двигателя рассчитываются и оптимизируются многие конструктивные параметры, в том числе:
- степень сжатия;
- форма цилиндров и камеры сгорания;
- период и последовательность управления клапанами;
- форма всасывающей трубы и др.
При высокой степени сжатия в связи с повышением плотности заряда вырастает скорость распространения пламени.
Конструкция цилиндра определяет место впрыска топливно-воздушной смеси, расположение свечи зажигания.
Выборочное прекращение подачи топлива к отдельным цилиндрам позволяет обеспечить высокий КПД в оставшихся цилиндрах с улучшенным сгоранием и газообменом. Отключение клапанов обеспечивает дальнейшее уменьшение потерь мощности, т.к. впускные и выпускные клапаны остаются закрытыми.
Всасывающая труба обеспечивает подготовку рабочей смеси к воспламенению. На ряде фирм (BMW, Ford, Opel, Citroen) применяют системы с динамическим наддувом, а также изменяемую в зависимости от режимов работы двигателя геометрию впускного трубопровода, что обеспечивает повышение крутящего момента и снижение расхода топлива в широком диапазоне частот вращения коленчатого вала двигателя.
Следует все же признать, что современные технологии пока еще не позволяют создавать объемные конструкции АД, геометрическими и топологическими свойствами которых можно было бы эффективно управлять в процессе их эксплуатации (без снижения общей надежности автомобиля). Иначе говоря, пока еще сложно и дорого широко внедрять подобные системы.
Турбулентность заряда. В момент воспламенения рабочая смесь в цилиндре не стоит на месте, а движется в форме вихревых потоков. Эти вихри способны распространению пламени, поэтому камеры сгорания конструируют таким образом, чтобы повысить турбуленттурбулентность газовых вихрей. Изменение турбулентности на различных режимах работы двигателя – задача важная и пока еще находящаяся в стадии научных экспериментов.
Характеристики топлива. Автомобильное топливо является носителем химической энергии, обеспечивающей функционирование сжигающего его двигателя. Основные свойства топлива, определяющими его сорт, возможность использования в том или ином типе АД, по существу зависят от химического состава топлива и описываются следующими характеристиками:
- наличие присадок в топливе;
- антидетонационные свойства;
- плотность;
- теплотворная способность;
- испаряемость.
Параметры этих характеристик нормируются международными и государственными стандартами. Особое внимание при этом уделяется показателям топлива, влияющим на безопасность окружающей среды. Например, применение этилированных бензинов на современных моделях двигателей запрещено, а антидетонационные свойства неэтилированных бензинов улучшаются за счет неметаллических добавок, таких как метилбутиловые эфиры и/или спиртовые смеси.
Для эффективной работы АД большое значение имеет соответствие используемого топлива тому стандартному типу, на который рассчитан конкретный двигатель. В перспективных СУД предполагается автоматическое определение характеристик заливаемого в бак топлива с целью регулировки соответствующих управляемых параметров, а на существующих иногда применяется октан-корректор.
Температура рабочей смеси. Температура смеси - критически важный параметр для режима запуска переохлажденного двигателя, особенно в зимних условиях. Вследствие непродолжительности этого режима, последствия от влияния указанного фактора на работу двигателя и его негативное воздействие на среду не столь велики. Тем не менее, правильный запуск оказывает важное, а иногда и решающее влияние на последующую работу двигателя. Поэтому, как ниже будет показано, регулированию температуры рабочей смеси не необходимо уделять должное внимание при разработке и эксплуатации систем управления двигателей.
Наличие остаточных выхлопных газов в цилиндре. Добавление отработавших газов в рабочую смесь приводит к понижению температуры сгорания топливно- воздушной смеси, что, в свою очередь, обеспечивает снижение выбросов оксидов азота, образующихся при повышенной температуре горения. На двигателях с изменяемыми фазами клапанного распределения теоретически возможно регулирование выбросов NOxпосредством изменения внутренней рециркуляции отработавших газов. Однако на современных автомобилях применяется так называемая «внешняя» рециркуляция отработавших газов, при которой часть отработавших газов с помощью специального электромагнитного клапана разбавляет свежую рабочую смесь. Наивысшая эффективность систем рециркуляции отработавших газов (EGR) достигается на режимах частичных нагрузок. Выбросы оксидов азота при этом уменьшаются почти на 60%.
Установка момента зажигания. Установка зажигания имеет важнейшее значение для правильного протекания рабочего процесса. Момент зажигания должен быть выбран так, чтобы давление в цилиндре достигло максимума примерно через 12° поворота коленчатого вала после ВМТ. Если смесь поджечь раньше (раннее зажигание), то скорость ее сгорания станет слишком высокой – смесь практически взорвется (это явление носит название детонации). Такой режим вреден для АД, его допускать нельзя.
Наоборот, если смесь поджечь слишком поздно (позднее зажигание), скорость горения будет низкой и давление в цилиндре достигнет максимума слишком поздно. В результате получим низкую мощность при большом расходе топлива (см. рис. 1.1.4.).
До ВМТ
ВМТ После ВМТ
Детонация
2 1
S3 3
S2 S1
75° 50° 25° 0°
25° 50°
75°
Угол поворота коленчатого вала
Рис. 1.1.4. Влияние момента зажигания:
1. Правильная установка (зажигание в точке S1);
2. Раннее зажигание в точке S2;
3. Позднее зажигание в точке S3.
Наряду с соотношением воздуха и топлива самое большое влияние на эмиссию вредных веществ оказывает момент зажигания. При более раннем зажигании увеличивается как эмиссия НС, так и эмиссия NО2. Эмиссия СО почти не зависит от момента зажигания.
Расход топлива и эмиссия вредных веществ идут навстречу друг другу. C повышением коэффициента избытка воздуха для компенсации небольшой скорости сгорания должно все раньше происходить зажигание, чтобы процесс сгорания оставался оптимальным. Ранний момент зажигания означает меньший расход топлива и больший момент вращения.
Чтобы найти наиболее выгодный компромисс в зависимости от числа оборотов и нагрузки, требуется сложная регулировка момента зажигания, которая задается производителем и реализуется в современных системах управления двигателями.