В двухтактных двигателях с кривошипно-камерной продув- кой, искровым зажиганием и непосредственным впрыском топ- лива фирмы Orbital Engine [3] используется объемное смесеобра- зование практически без расслоения топливовоздушной смеси. Высокая степень дисперсности распыла топлива (средний диа- метр капель не превышает 40 мкм) и шарообразная форма факела топлива, соответствующая форме камеры сгорания в головке ци- линдра, достигаются использованием сжатого воздуха для рас- пыла топлива. Давление топлива, подаваемого механическим топливным насосом с электроприводом в смесительную камеру пневматической форсунки (рис. 1.16), составляет 0,55 МПа, дав- ление воздуха, создаваемое поршневым компрессором с приво- дом от коленчатого вала, – 0,6 МПа. Изменение величины цикло- вой подачи топлива, моментов начала подачи топлива и воздуха в смесительную камеру пневматической форсунки, момента начала подачи смеси пневматической форсункой в камеру сгорания, осуществляется электронной системой управления. Благодаря высокой эффективности процесса смесеобразования, а соответст- венно и процесса сгорания достигнуты в этом двигателе предель- но низкие выбросы вредных веществ с отработавшими газами и эксплуатационные расходы топлива на уровне вихрекамерных дизелей (на 15–25 % ниже, чем в лучших четырехтактных двига- телях с искровым зажиганием). Столь же высокая эффективность процессов смесеобразова- ния по степени дисперсности распыла топлива, форме и дально- бойности факела распыла топлива достигается и при использова- нии аккумуляторной системы впрыскивания топлива высокого давления, разработанной профессором М.Г. Сандомирским [4]. Давление топлива в аккумуляторе (р > 10 МПа) поддерживается топливным насосом с манжетным уплотнением плунжера и электроприводом. Управление моментом и продолжительностью подъема клапана форсунки, определяющего цикловую подачу топлива, осуществляется электронной системой путем подачи электрического импульса непосредственно на электромагнит пе- ремещения клапана форсунки. Этим достигается высокая ско- рость открытия клапана, высокая дисперсность распыла топлива. Электронная система управления позволяет в широких пределах изменять продолжительность электрического импульса, подавае- 340 мого на электромагнит привода клапана форсунки, а соответст- венно и величину цикловой подачи (Вц = 3–100 мг/цикл). При столь широком диапазоне изменения цикловой подачи топлива возможно использование системы впрыска в двигателях с рабо- чим объемом одного цилиндра от 200 до 1000 см3 и частотой ра- бочих циклов до 104 мин–1. Механические системы непосредственного впрыска топлива в камеру сгорания с клапанными форсунками и давлением начала впрыска 2–6 МПа также обеспечивают высокую дисперсность распыла топлива при столь же высокой частоте впрысков. На- пример, топливные насосы высокого давления с манжетным уп- лотнением плунжера, разработанные Центральным научно- исследовательским институтом топливной аппаратуры (г. Санкт- Петербург) и ГП ФЭД (г. Харьков) [5], с клапанными форсунка- ми обеспечивают высокую дисперсность распыла при макси- мальном давлении топлива перед форсункой не выше 15 МПа, надежно работают на маловязких моторных топливах (бензин, спирт и т.п.). При давлении начала подъема клапана форсунки 5 МПа, цикловой подаче топлива Vц до 10 мм3/цикл и частоте вращения кулачкового вала nк.в до 400 мин–1 только отдельные капли достигают размеров 100–150 мкм (рис. 10.3, а). С увеличе- нием частоты вращения кулачкового вала до 1000 мин–1 и цикловой подаче топлива до 25 мм3/цикл максималь- ный диаметр следов капель на слое окиси магния, нанесенного на слой копо- ти, не превышает 40 мкм (рис. 10.3, б) [6]. Механическая система впрыска топлива (аксиаль- ный плунжерный насос) с клапанной форсункой и на- садкой для закрутки струи топлива и увеличения угла раскрытия топливного факе- ла использована и в двига- теле с непосредственным Рисунок 10.3 – Фотографии следов капель на слое окиси магния, нанесенного на слой копоти (диаметр фотографи- руемого участка поверхности, на ко- торую осуществлялся впрыск – 5 мм): а – nк.в = 400 мин–1; Vц = 8 мм3/цикл; б – nк.в = 1000 мин–1; Vц = 25 мм3/цикл а б 341 впрыском топлива в камеру сгорания фирмы «Mitsubishi» [7]. Давление начала подъема клапана форсунки не превышает 5 МПа. Впрыск топлива осуществляется на днище поршня со сферической поверхностью, формирующей поток топливовоз- душной смеси, направленный в сторону электродов свечи зажи- гания, установленной в головке цилиндра у оси цилиндра (рис. 10.4).Благодаря сложной форме поверхности днища порш- ня, согласованию направления движения воздуха над поверх- ностью поршня и направления факела впрыскиваемого топлива, изменению начала впрыска в зависимости от нагрузки (цикловой подачи) и частоты вращения коленчатого вала, обеспечивается достаточно глубокое расслоение топливовоздушной смеси. На режимах холостого хода и частичных нагрузок до скорости авто- мобиля 120 км/ч двигатель работает при значениях коэффициента избытка воздуха 2–2,5, на повышенных нагрузках при . . 1,7. Расслоение топливовоздушной смеси обеспечивает на ос- новных эксплуатационных режимах значительный избыток воз- духа, эффективное сгорание топливовоздушной смеси при значи- тельном снижении выбросов токсичных веществ с отработавши- ми газами. Эксплуатационная экономичность автомобильного двигателя с данной схемой организации процессов смесеобразо- вания и сгорания улучшилась в зависимости от условий эксплуа- тации на 15–25 % по сравнению с экономичностью традицион- ных автомобильных двигателей с внешним смесеобразованием. a 2 1 3 4 б в Рисунок 10.4 – Динамика расслоения топливовоздушной струи: 1 – форсунка; 2 – свеча зажигания; 3 – поршень; 4 – струя топлива; a – 40 .ПКВ до ВМТ; б – 30 .ПКВ до ВМТ; в – 20 .ПКВ до ВМТ 342 Достаточно глубокое расслоение заряда достигается также при использовании механической системы впрыска, расположе- нии полуразделенной камеры сгорания в головке цилиндра, а клапанной форсунки в стенке цилиндра для направления факела впрыскиваемого топлива таким образом, что часть топлива обра- зует пленку на поверхности вытеснителя и часть – на поверхно- сти стенок камеры сгорания (рис. 1.15). Испарение топлива в фа- келе при впрыске в начале такта сжатия незначительно. Пары топлива над пленкой при подходе поршня к ВМТ потоком возду- ха из-под вытеснителя переносятся в полость камеры сгорания и оттесняются затем потоками воздуха из надпоршневой полости к свече зажигания, установленной в верхней части камеры сгора- ния (рис. 1.15). Процессы смесеобразования продолжаются и после воспламенения топливовоздушной смеси у электродов све- чи зажигания. Скорость испарения топлива и скорость переноса паров топлива потоком воздуха из-под вытеснителя навстречу фронту пламени определяет скорость выгорания топлива. На режимах холостого хода и частичных нагрузок использу- ется комбинированное регулирование мощности (перемещение впускного клапана-дозатора в топливном насосе согласуется с положением дросельной заслонки). Коэффициент избытка возду- ха изменяется на этих режимах в пределах 2,2–1,5. На повышен- ных нагрузках используется только качественное регулирование мощности (до значений . = 1,5–1,1). Процесс сгорания топливо- воздушной смеси осуществляется в центре надпоршневого объе- ма в окружении воздуха (на периферии надпоршневого объема находится воздух). Двигатель становится практически нечувстви- тельным к октановому числу топлива. Значительный избыток воздуха при сгорании предопределяет высокую экономичность двигателя, незначительные выбросы токсичных веществ с отра- ботавшими газами. Практически этих же результатов удается достигнуть и при впрыске топлива только на поверхность стенки камеры сгорания при соответствующем подборе расположения свечи зажигания, форсунки и характеристик факела распыливае- мого топлива. Данная схема организации процессов смесеобразования мо- жет быть использована и в четырехтактных двигателях при соот- 343 ветствующем выборе формы камеры сгорания и ее расположе- ния, характеристик распыливания топлива. Однако достигнуть более глубокого расслоения топливовоздушной смеси (. . 2,5) при полуразделенных камерах сгорания чрезвычайно сложно. Использование разделенных камер сгорания значительно расши- ряет возможности глубокого расслоения топливовоздушной сме- си [6]. При впрыске топлива в конце такта сжатия в направлении соединительного канала топливовоздушная смесь сначала фор- мируется у соединительного канала (рис. 10.5). Испарение капель топлива в факеле после окончания впрыска происходит доста- точно быстро (в течение нескольких градусов поворота коленча- того вала – рис. 1.10). Затем образовавшаяся смесь паров топлива и воздуха потоком воздуха из надпоршневого объема оттесняется в направлении форсунки. Чтобы исключить переобогащение топ- ливовоздушной смеси у электродов свечи зажигания с повыше- нием цикловых подач, свеча зажигания должна быть смещена в сторону соединительного канала. Однако и при этом для дости- жения только качественного регулирования мощности (. = 1,1–4) во всем поле эксплуатационных режимов работы автомобильного двигателя требуется достаточно жесткое согласование моментов начала впрыска топлива и зажигания топливовоздушной смеси. б a Рисунок 10.5 – Динамика формирова- ния топливовоздушной смеси при впрыске бензина в дополнитель- ную камеру сгорания четырех- тактного двигателя с искровым зажиганием: S/D = 80/76; . = 12; n = 2000 мин–1; форсунка однодырчатая, закрытая; рвпр = 10 МПа; Vц = 19,7 мм3/цикл; частота кадров киносъемки – 4000 1/с; а – начало впрыска; б – конец впрыска; угол поворота коленчатого вала между кадрами – 3 .ПКВ 344 §2. Зажигание топливовоздушных смесей от искры электрического разряда В двигателях с искровым зажиганием воспламенение топли- вовоздушной смеси осуществляется с помощью батарейной, на- пример контактной, системы зажигания (рис. 10.6). При запуске двигателя в замке зажигания замыкают контакты 2 цепи низкого напряжения, а реле включения стартера замыкает при этом кон- такты 3, отключая дополнительное сопротивление 4 для увеличе- ния тока в первичной обмотке катушки зажигания 5. Частота вращения кулачкового вала 8 прерывателя-распределителя, рото- ра распределителя 9 в четырехтактном двигателе в два раза меньше, чем частота вращения коленчатого вала. Максимальный ток в цепи первичной обмотки катушки зажигания 5 при замы- кании контактов 7 прерывателя составляет 2,5–4,7 А. Продолжи- тельность замыкания контактов 7 прерывателя для достижения максимального напряжения в цепи вторичной обмотки катушки зажигания должна быть не менее 20.10–3 с. Параллельно контак- там прерывателя подключен конденсатор 6 для снижения искро- образования на контактах прерывателя при их размыкании. При размыкании контактов 7 прерывателя в колебательном контуре цепи первичной обмотки катушки зажигания возникает ЭДС самоиндукции напряжением до 300 В (рис. 10.7), а в колеба- Рисунок 10.6 – Принципиальная схема батарейной контактной системы зажигания: 1 – источник питания; 2 – выключатель зажигания; 3 – контакты на реле включе- ния стартера; 4 – резистор; 5 – катушка зажигания; 6 – конденсатор; 7 – контакты прерывателя; 8 – кулачковый вал преры- вателя; 9 – ротор распределителя; 10 – распределитель высокого напряжения; 11 – помехоподавляющие резисторы; 12 – 12 свечи зажигания 1 2 3 4 6 5 7 8 9 10 11 345 тельном контуре цепи вторичной обмотки катушки зажигания – ЭДС индукции на- пряжением 15–20 кВ (рис. 10.8, а), доста- точное для образова- ния канала электриче- ского разряда между электродами свечи за- жигания. Величина пробивного напряже- ния зависит от давле- ния топливовоздуш- ной смеси в надпорш- невой полости, ее со- става (коэффициента избытка воздуха), ве- личины зазора между электродами свечи за- жигания (0,7–1,2 мм). Длительность импульса пробивного напряжения не превы- шает 10–6 с (рис. 10.8, б) и определяется величиной емкостной со- ставляющей электрического разряда. Максимальная сила тока в канале электрического разряда между электродами свечи зажига- ния может превышать 200 А [8]. Продолжительность индуктив- ной составляющей электрического разряда значительно больше (до 1,5.10–3 с), но напряжение значительно ниже. Сила тока в цепи первичной обмотки катушки зажигания при индуктивном разряде составляет 0,1–0,4 А [8, 9]. Соотноше- ние между емкостной и индуктивной составляющими энергии электрического разряда зависит в основном от давления топливо- воздушной смеси в надпоршневой полости. С прикрытием дрос- сельной заслонки, уменьшением давления смеси в момент элек- трического разряда емкостная составляющая электрического раз- ряда уменьшается. Рисунок 10.7 – Изменение напряжения при размыкании контактов прерывателя на первичной обмотке катушки зажигания по углу поворота коленчатого вала (а) и по времени (б) при минимальной частоте вращения коленчатого вала четырехтакт- ного четырехцилиндрового двигателя на режиме холостого хода (n = 720 об/мин) a б U, В 0 1 2 3 0 0 200 180 360 540 ., мс .,.ПКВ 200 U, В 346 Канал электрического разряда между электродами свечи за- жигания, диаметр которого составляет порядка 0,1 мм, представ- ляет собой высокотемпературную плазму (поток электронов и ионов), температура которой по оси канала превышает 104 К (рис. 10.9). Энергия, освободившаяся при электрическом разряде, расходуется на излучение, разогрев топливовоздушной смеси, примыкающей к кана- лу электрического раз- ряда, разрушение мо- лекул углеводородов топлива, молекул кис- лорода и азота, тепло- вые потери в электро- ды свечи зажигания, на расширение (увеличе- ние объема зоны элект- рического разряда). Температура в зоне электрического разря- да в радиальном на- правлении при этом резко снижается и, ес- ли приток энергии (энергия электрическо- го разряда и выделяю- щаяся теплота в реак- циях окисления атомов углерода, водорода, осколков молекул уг- леводородов) будет меньше потерь энергии в зоне электрическо- го разряда, реакции окисления горючих элементов прекратятся, и воспламенения топливовоздушной смеси не произойдет. Для ста- билизации очага зажигания подвод энергии в зону очага воспла- менения должен превышать потери энергии в этой зоне, т.е. Ер + Qx . Еизл + Еакт + Q. + Qк + Qт, (10.2) где Ер = U I d. – энергия электрического разряда; U, I – напря- жение и сила тока в цепи вторичной обмотки катушки зажигания; Рисунок 10.8 – Изменение напряжения при размыкании контактов прерывателя на вторичной обмотке катушки зажигания по углу поворота коленчатого вала (а) и по времени (б) при минимальной частоте вращения коленчатого вала четырехтактного четырехцилиндрового двигателя на режиме холостого хода (n = 720 об/мин) a б ., .ПКВ ., мс U, кВ 180 360 540 0 1 2 3 U, кВ 0 0 10 10 347 Qx – теплота, выделяющаяся в реакциях окисления углерода, во- дорода и осколков молекул углеводородов топлива в зоне разря- да; Еизл – энергия излучения плазмы в канале электрического раз- ряда; Еакт – энергия активации молекул углеводородов топлива, кислорода и азота в топливовоздушной смеси, окружающей зону электрического разряда; Q., Qк – теплоотвод от очага воспламе- нения вследствие теплопроводности смеси и конвективного теп- лообмена; Qт – тепловые потери в электроды свечи зажигания. Оценить энергию элек- трического разряда, необходи- мую для стабильного воспла- менения топливовоздушной смеси, достаточно сложно, так как значительные трудности представляет оценка с необхо- димой точностью длительности каждой из фаз электрического разряда, изменение силы тока и напряжения в каждой из фаз электрического разряда. В ряде работ [9, 10, 11] необходимая энергия разряда для стабильно- го воспламенения топливовоз- душной смеси оценивается величиной от 2 до 80 мДж. Если, на- пример, исходить из представленных на рис. 10.8 осциллограмм изменения напряжения в цепи вторичной обмотки катушки зажи- гания батарейкой системы зажигания четырехтактного четырех- цилиндрового двигателя на режиме холостого хода при мини- мальной частоте вращения коленчатого вала (n = 720 мин–1), то энергия емкостной и индуктивной фаз разряда составит не менее 0,1 Дж. В современных электронных системах зажигания энергия электрического или иного искрового разряда может быть увели- чена до 1 Дж, что существенно повышает надежность воспламе- нения. Однако при этом заметно возрастут потери энергии в сис- теме зажигания, эрозия металла электродов свечи зажигания. В зоне электрического разряда (в среде высокотемператур- ной плазмы, Т . 104 К) скорость химических реакций окисления Рисунок 10.9 – Изменение температуры среды в зоне электрического разряда в зависимости от времени r Тсм Тz Т .1= 0 .2 .3 .4 .пл r 348 достигает огромных значений. По мере увеличения объема очага воспламенения и окончания электрического разряда (рис. 10.9) температура в объеме очага воспламенения снижается до значе- ния Тz, соответствующего определенному составу топливовоз- душной смеси. Вокруг очага воспламенения к этому моменту времени формируется фронт пламени, поверхность которого близка к сфере. За фронтом пламени находятся продукты сгора- ния при температуре Тz, впереди фронта пламени – топливовоз- душная смесь, температура которой Тсм значительно ниже (рис. 10.9). Глубина фронта пламени .пл = 0,1–1 мм (в зависи- мости от вида топлива, состава топливовоздушной смеси, темпе- ратуры и давления смеси). Условию стабилизации очага воспла- менения и его дальнейшего увеличения без подвода энергии извне соответствует радиус сферы r > rкр [8]. При r < rкр пламя затухает, так как потери теплоты в окружающую среду превы- шают подвод теплоты Qх реакцией окисления горючих компо- нентов топлива. Критический радиус сферы rкр . 3 .пл (10.3) и соответственно . . см 3 кр см 4 кр см Q Q 3 r С Т T . х . . . р z . , (10.4) где срсм, .см – удельная массовая теплоемкость смеси при посто- янном давлении и плотность смеси. С обеднением топливовоздушной смеси, увеличением со- держания остаточных газов в топливовоздушной смеси, пониже- нием давления топливовоздушной смеси, увеличением интенсив- ности ее турбулизации в зоне электродов свечи зажигания для стабилизации очага воспламенения необходимо увеличивать энергию электрического разряда. Критический радиус сферы оча- га воспламенения также увеличивается. §3. Процессы сгорания топливовоздушных смесей Окисление горючих компонентов топливовоздушной смеси происходит во фронте пламени, разделяющего топливовоздуш- 349 ную смесь и продукты окисления горючих компонентов (рис. 10.10). При окислении углеводородов топлива во фронте пламени снижается объемное содержание кислорода rО2 и возрастает объемное содержа- ние двуокиси углерода rСО2 и паров воды rН2О. Температура продуктов окисления углево- дородов топлива за фронтом пламени определяется в ос- новном начальной температу- рой смеси и соотношением массы воздуха и топлива в смеси. Глубина зоны фронта ламинарного пламени в угле- водородовоздушных смесях стехиометрического состава при атмосферном давлении .пл . 1 мм, в смесях водорода и воздуха .пл . 0,1 мм [8]. Скорость, с которой фронт ламинарного пламени переме- щается относительно топливовоздушной смеси в направлении, перпендикулярном к поверхности фронта пламени, называется нормальной скорость перемещения фронта пламени Uн или ско- ростью ламинарного горения. Нормальная скорость пламени зависит от скорости химиче- ских реакций во фронте пламени, скорости переноса теплоты и активных центров из зоны горения (фронта пламени) в топливо- воздушную смесь впереди фронта пламени. Реакция распада молекул, например углеводорода, на не- сколько простых молекул или соединений называется мономоле- кулярными или реакциями первого порядка. Если в реакции участвуют два исходных компонента, то такие реакции назы- ваются бимолекулярными или реакциями второго порядка, а если исходных компонентов три – реакциями третьего порядка. При этом предполагается, что реакции осуществляются в результате одновременного столкновения двух или трех молекул исходного .пл х Тсм rО2 Uн Тпр.сг Т rСО2 rН2О rН2О Т, rО2, rСО2, Рисунок 10.10 – Изменение температуры и объемного содержания кислорода, двуокиси углерода и паров воды во фронте пламени в неподвижной смеси: труба, открытая с двух сторон; Uн – нормальная скорость распростра- нения фронта пламени 350 вещества. Вероятность столкновения более чем трех разных мо- лекул исходных компонентов пренебрежимо мала. Из молеку- лярно-кинетической теории газов количество столкновений меж- ду молекулами одного исходного компонента пропорционально общему их числу. в единице объема (объемной концентрации ис- ходного компонента), а если в реакции участвует несколько ис- ходных компонентов, то вероятность столкновения молекул раз- личных исходных компонентов пропорциональна произведению количества молекул каждого исходного компонента в единице объема (произведению объемных концентраций компонентов). Если обозначить концентрации исходных компонентов в молях на единицу объема через Са, Сb, Сс, а продуктов окисления через С1 и С2, то абсолютную скорость химических реакций можно представить следующим образом: для мономолекулярной реакции K Ca d dC 1 1 . . ; K Ca d dC . . . 1 2 ; (10.5) для бимолекулярной реакции K Ca Cb d dC 2 1 . . ; K Ca Cb d dC . . . 2 2 ; (10.6) для реакции третьего порядка K Ca CbСс d dC 3 1 . . ; K Ca CbСс d dC . . . 3 2 , (10.7) где . . . К1, К1 , К2 , К2 , К3 , К3 – коэффициенты пропорциональнос- ти (константы реакций окисления), которые зависят в основном от температуры и физико-химических свойств компонентов. Абсолютная скорость химической реакции .моль/(м3.с). – количество вещества в молях, прореагировавших в единице объема (м3) в единицу времени (с). Объемная (молярная) концентрация каждого из исходных компонентов реакций пропорционально давлению смеси. Поэто- му количество молекул исходных компонентов, вступающих в реакцию или же образовавшихся в единицу времени (абсолютная . В 1 см3 газа при нормальных условиях (760 мм рт. ст., 0 .С) содержится 2,69.1019 молекул 351 скорость реакций), может быть представлена в функции давления смеси: для мономолекулярной реакции 1 1 см 1 K C К р d dC . a . . ; (10.8) для бимолекулярной реакции 22 2 см 1 K C С К р d dC . a b . . ; (10.9) для реакции третьего порядка 33 3 см 1 K C С С К р d dC . a b с . . ; (10.10) для реакции n-го порядка n Кn р d dC см 1 . . . (10.11) Константы химических реакций зависят от энергии актива- ции реагирующих компонентов и абсолютной температуры Т смеси, RT E n n n K A e. . , (10.12) где An – константа для определенных реагирующих компонентов реакции n-го порядка; Еn – энергия активации для определенных реагирующих компонентов .Дж/моль.; R = 8,314 .Дж/(моль.К). – универсальная газовая постоянная. Энергия активации Еn – дополнительное количество энер- гии, которое необходимо сообщить молю реагирующих компо- нентов для повышения кинетической энергии молекул до уровня, при котором возможен разрыв внутримолекулярных связей (сил сцепления между атомами молекул). Таким образом, абсолютная скорость реакции n-го порядка см см 1 const RTE n n р e d dC . . . . . (10.13) Энергия активации реакций в зависимости от условий осу- 352 ществления реакции (давления, температуры, содержания в среде молекул других веществ и других факторов) изменяется в широ- ких пределах и для одних и тех же реагирующих компонентов. Например, энергия активации реакции водорода с кислородом в зависимости от давления и температуры изменяется в пределах (4,2–17,6).104 Дж/моль .12.; этана с кислородом – (12,6–23,3).104 Дж/моль .13.; углеводородов моторного топлива – (2–16,8).104 Дж/моль .8.. Определяющим фактором изменения абсолютных скоростей реакций окисления углеводородов топлива является температура смеси. Если принять абсолютную скорость реакций окисления углеводородов топлива при Тс.м= 300 К за единицу, то с увеличением температуры отношение абсолютных скоростей реакций окисления . . . . . .. . . .. . . . . . .. . . .. . . . . .. 300К300К 11 см см ' см см ' см см ' см см T T R E T ТT Т R E ТT п п е е dC ddC d . (10.14)
В двухтактных двигателях с кривошипно-камерной продув- кой, искровым зажиганием и непосредственным впрыском топ- лива фирмы Orbital Engine [3] используется объемное смесеобра- зование практически без расслоения топливовоздушной смеси. Высокая степень дисперсности распыла топлива (средний диа- метр капель не превышает 40 мкм) и шарообразная форма факела топлива, соответствующая форме камеры сгорания в головке ци- линдра, достигаются использованием сжатого воздуха для рас- пыла топлива. Давление топлива, подаваемого механическим топливным насосом с электроприводом в смесительную камеру пневматической форсунки (рис. 1.16), составляет 0,55 МПа, дав- ление воздуха, создаваемое поршневым компрессором с приво- дом от коленчатого вала, – 0,6 МПа. Изменение величины цикло- вой подачи топлива, моментов начала подачи топлива и воздуха в смесительную камеру пневматической форсунки, момента начала подачи смеси пневматической форсункой в камеру сгорания, осуществляется электронной системой управления. Благодаря высокой эффективности процесса смесеобразования, а соответст- венно и процесса сгорания достигнуты в этом двигателе предель- но низкие выбросы вредных веществ с отработавшими газами и эксплуатационные расходы топлива на уровне вихрекамерных дизелей (на 15–25 % ниже, чем в лучших четырехтактных двига- телях с искровым зажиганием). Столь же высокая эффективность процессов смесеобразова- ния по степени дисперсности распыла топлива, форме и дально- бойности факела распыла топлива достигается и при использова- нии аккумуляторной системы впрыскивания топлива высокого давления, разработанной профессором М.Г. Сандомирским [4]. Давление топлива в аккумуляторе (р > 10 МПа) поддерживается топливным насосом с манжетным уплотнением плунжера и электроприводом. Управление моментом и продолжительностью подъема клапана форсунки, определяющего цикловую подачу топлива, осуществляется электронной системой путем подачи электрического импульса непосредственно на электромагнит пе- ремещения клапана форсунки. Этим достигается высокая ско- рость открытия клапана, высокая дисперсность распыла топлива. Электронная система управления позволяет в широких пределах изменять продолжительность электрического импульса, подавае- 340 мого на электромагнит привода клапана форсунки, а соответст- венно и величину цикловой подачи (Вц = 3–100 мг/цикл). При столь широком диапазоне изменения цикловой подачи топлива возможно использование системы впрыска в двигателях с рабо- чим объемом одного цилиндра от 200 до 1000 см3 и частотой ра- бочих циклов до 104 мин–1. Механические системы непосредственного впрыска топлива в камеру сгорания с клапанными форсунками и давлением начала впрыска 2–6 МПа также обеспечивают высокую дисперсность распыла топлива при столь же высокой частоте впрысков. На- пример, топливные насосы высокого давления с манжетным уп- лотнением плунжера, разработанные Центральным научно- исследовательским институтом топливной аппаратуры (г. Санкт- Петербург) и ГП ФЭД (г. Харьков) [5], с клапанными форсунка- ми обеспечивают высокую дисперсность распыла при макси- мальном давлении топлива перед форсункой не выше 15 МПа, надежно работают на маловязких моторных топливах (бензин, спирт и т.п.). При давлении начала подъема клапана форсунки 5 МПа, цикловой подаче топлива Vц до 10 мм3/цикл и частоте вращения кулачкового вала nк.в до 400 мин–1 только отдельные капли достигают размеров 100–150 мкм (рис. 10.3, а). С увеличе- нием частоты вращения кулачкового вала до 1000 мин–1 и цикловой подаче топлива до 25 мм3/цикл максималь- ный диаметр следов капель на слое окиси магния, нанесенного на слой копо- ти, не превышает 40 мкм (рис. 10.3, б) [6]. Механическая система впрыска топлива (аксиаль- ный плунжерный насос) с клапанной форсункой и на- садкой для закрутки струи топлива и увеличения угла раскрытия топливного факе- ла использована и в двига- теле с непосредственным Рисунок 10.3 – Фотографии следов капель на слое окиси магния, нанесенного на слой копоти (диаметр фотографи- руемого участка поверхности, на ко- торую осуществлялся впрыск – 5 мм): а – nк.в = 400 мин–1; Vц = 8 мм3/цикл; б – nк.в = 1000 мин–1; Vц = 25 мм3/цикл а б 341 впрыском топлива в камеру сгорания фирмы «Mitsubishi» [7]. Давление начала подъема клапана форсунки не превышает 5 МПа. Впрыск топлива осуществляется на днище поршня со сферической поверхностью, формирующей поток топливовоз- душной смеси, направленный в сторону электродов свечи зажи- гания, установленной в головке цилиндра у оси цилиндра (рис. 10.4).Благодаря сложной форме поверхности днища порш- ня, согласованию направления движения воздуха над поверх- ностью поршня и направления факела впрыскиваемого топлива, изменению начала впрыска в зависимости от нагрузки (цикловой подачи) и частоты вращения коленчатого вала, обеспечивается достаточно глубокое расслоение топливовоздушной смеси. На режимах холостого хода и частичных нагрузок до скорости авто- мобиля 120 км/ч двигатель работает при значениях коэффициента избытка воздуха 2–2,5, на повышенных нагрузках при . . 1,7. Расслоение топливовоздушной смеси обеспечивает на ос- новных эксплуатационных режимах значительный избыток воз- духа, эффективное сгорание топливовоздушной смеси при значи- тельном снижении выбросов токсичных веществ с отработавши- ми газами. Эксплуатационная экономичность автомобильного двигателя с данной схемой организации процессов смесеобразо- вания и сгорания улучшилась в зависимости от условий эксплуа- тации на 15–25 % по сравнению с экономичностью традицион- ных автомобильных двигателей с внешним смесеобразованием. a 2 1 3 4 б в Рисунок 10.4 – Динамика расслоения топливовоздушной струи: 1 – форсунка; 2 – свеча зажигания; 3 – поршень; 4 – струя топлива; a – 40 .ПКВ до ВМТ; б – 30 .ПКВ до ВМТ; в – 20 .ПКВ до ВМТ 342 Достаточно глубокое расслоение заряда достигается также при использовании механической системы впрыска, расположе- нии полуразделенной камеры сгорания в головке цилиндра, а клапанной форсунки в стенке цилиндра для направления факела впрыскиваемого топлива таким образом, что часть топлива обра- зует пленку на поверхности вытеснителя и часть – на поверхно- сти стенок камеры сгорания (рис. 1.15). Испарение топлива в фа- келе при впрыске в начале такта сжатия незначительно. Пары топлива над пленкой при подходе поршня к ВМТ потоком возду- ха из-под вытеснителя переносятся в полость камеры сгорания и оттесняются затем потоками воздуха из надпоршневой полости к свече зажигания, установленной в верхней части камеры сгора- ния (рис. 1.15). Процессы смесеобразования продолжаются и после воспламенения топливовоздушной смеси у электродов све- чи зажигания. Скорость испарения топлива и скорость переноса паров топлива потоком воздуха из-под вытеснителя навстречу фронту пламени определяет скорость выгорания топлива. На режимах холостого хода и частичных нагрузок использу- ется комбинированное регулирование мощности (перемещение впускного клапана-дозатора в топливном насосе согласуется с положением дросельной заслонки). Коэффициент избытка возду- ха изменяется на этих режимах в пределах 2,2–1,5. На повышен- ных нагрузках используется только качественное регулирование мощности (до значений . = 1,5–1,1). Процесс сгорания топливо- воздушной смеси осуществляется в центре надпоршневого объе- ма в окружении воздуха (на периферии надпоршневого объема находится воздух). Двигатель становится практически нечувстви- тельным к октановому числу топлива. Значительный избыток воздуха при сгорании предопределяет высокую экономичность двигателя, незначительные выбросы токсичных веществ с отра- ботавшими газами. Практически этих же результатов удается достигнуть и при впрыске топлива только на поверхность стенки камеры сгорания при соответствующем подборе расположения свечи зажигания, форсунки и характеристик факела распыливае- мого топлива. Данная схема организации процессов смесеобразования мо- жет быть использована и в четырехтактных двигателях при соот- 343 ветствующем выборе формы камеры сгорания и ее расположе- ния, характеристик распыливания топлива. Однако достигнуть более глубокого расслоения топливовоздушной смеси (. . 2,5) при полуразделенных камерах сгорания чрезвычайно сложно. Использование разделенных камер сгорания значительно расши- ряет возможности глубокого расслоения топливовоздушной сме- си [6]. При впрыске топлива в конце такта сжатия в направлении соединительного канала топливовоздушная смесь сначала фор- мируется у соединительного канала (рис. 10.5). Испарение капель топлива в факеле после окончания впрыска происходит доста- точно быстро (в течение нескольких градусов поворота коленча- того вала – рис. 1.10). Затем образовавшаяся смесь паров топлива и воздуха потоком воздуха из надпоршневого объема оттесняется в направлении форсунки. Чтобы исключить переобогащение топ- ливовоздушной смеси у электродов свечи зажигания с повыше- нием цикловых подач, свеча зажигания должна быть смещена в сторону соединительного канала. Однако и при этом для дости- жения только качественного регулирования мощности (. = 1,1–4) во всем поле эксплуатационных режимов работы автомобильного двигателя требуется достаточно жесткое согласование моментов начала впрыска топлива и зажигания топливовоздушной смеси. б a Рисунок 10.5 – Динамика формирова- ния топливовоздушной смеси при впрыске бензина в дополнитель- ную камеру сгорания четырех- тактного двигателя с искровым зажиганием: S/D = 80/76; . = 12; n = 2000 мин–1; форсунка однодырчатая, закрытая; рвпр = 10 МПа; Vц = 19,7 мм3/цикл; частота кадров киносъемки – 4000 1/с; а – начало впрыска; б – конец впрыска; угол поворота коленчатого вала между кадрами – 3 .ПКВ 344 §2. Зажигание топливовоздушных смесей от искры электрического разряда В двигателях с искровым зажиганием воспламенение топли- вовоздушной смеси осуществляется с помощью батарейной, на- пример контактной, системы зажигания (рис. 10.6). При запуске двигателя в замке зажигания замыкают контакты 2 цепи низкого напряжения, а реле включения стартера замыкает при этом кон- такты 3, отключая дополнительное сопротивление 4 для увеличе- ния тока в первичной обмотке катушки зажигания 5. Частота вращения кулачкового вала 8 прерывателя-распределителя, рото- ра распределителя 9 в четырехтактном двигателе в два раза меньше, чем частота вращения коленчатого вала. Максимальный ток в цепи первичной обмотки катушки зажигания 5 при замы- кании контактов 7 прерывателя составляет 2,5–4,7 А. Продолжи- тельность замыкания контактов 7 прерывателя для достижения максимального напряжения в цепи вторичной обмотки катушки зажигания должна быть не менее 20.10–3 с. Параллельно контак- там прерывателя подключен конденсатор 6 для снижения искро- образования на контактах прерывателя при их размыкании. При размыкании контактов 7 прерывателя в колебательном контуре цепи первичной обмотки катушки зажигания возникает ЭДС самоиндукции напряжением до 300 В (рис. 10.7), а в колеба- Рисунок 10.6 – Принципиальная схема батарейной контактной системы зажигания: 1 – источник питания; 2 – выключатель зажигания; 3 – контакты на реле включе- ния стартера; 4 – резистор; 5 – катушка зажигания; 6 – конденсатор; 7 – контакты прерывателя; 8 – кулачковый вал преры- вателя; 9 – ротор распределителя; 10 – распределитель высокого напряжения; 11 – помехоподавляющие резисторы; 12 – 12 свечи зажигания 1 2 3 4 6 5 7 8 9 10 11 345 тельном контуре цепи вторичной обмотки катушки зажигания – ЭДС индукции на- пряжением 15–20 кВ (рис. 10.8, а), доста- точное для образова- ния канала электриче- ского разряда между электродами свечи за- жигания. Величина пробивного напряже- ния зависит от давле- ния топливовоздуш- ной смеси в надпорш- невой полости, ее со- става (коэффициента избытка воздуха), ве- личины зазора между электродами свечи за- жигания (0,7–1,2 мм). Длительность импульса пробивного напряжения не превы- шает 10–6 с (рис. 10.8, б) и определяется величиной емкостной со- ставляющей электрического разряда. Максимальная сила тока в канале электрического разряда между электродами свечи зажига- ния может превышать 200 А [8]. Продолжительность индуктив- ной составляющей электрического разряда значительно больше (до 1,5.10–3 с), но напряжение значительно ниже. Сила тока в цепи первичной обмотки катушки зажигания при индуктивном разряде составляет 0,1–0,4 А [8, 9]. Соотноше- ние между емкостной и индуктивной составляющими энергии электрического разряда зависит в основном от давления топливо- воздушной смеси в надпоршневой полости. С прикрытием дрос- сельной заслонки, уменьшением давления смеси в момент элек- трического разряда емкостная составляющая электрического раз- ряда уменьшается. Рисунок 10.7 – Изменение напряжения при размыкании контактов прерывателя на первичной обмотке катушки зажигания по углу поворота коленчатого вала (а) и по времени (б) при минимальной частоте вращения коленчатого вала четырехтакт- ного четырехцилиндрового двигателя на режиме холостого хода (n = 720 об/мин) a б U, В 0 1 2 3 0 0 200 180 360 540 ., мс .,.ПКВ 200 U, В 346 Канал электрического разряда между электродами свечи за- жигания, диаметр которого составляет порядка 0,1 мм, представ- ляет собой высокотемпературную плазму (поток электронов и ионов), температура которой по оси канала превышает 104 К (рис. 10.9). Энергия, освободившаяся при электрическом разряде, расходуется на излучение, разогрев топливовоздушной смеси, примыкающей к кана- лу электрического раз- ряда, разрушение мо- лекул углеводородов топлива, молекул кис- лорода и азота, тепло- вые потери в электро- ды свечи зажигания, на расширение (увеличе- ние объема зоны элект- рического разряда). Температура в зоне электрического разря- да в радиальном на- правлении при этом резко снижается и, ес- ли приток энергии (энергия электрическо- го разряда и выделяю- щаяся теплота в реак- циях окисления атомов углерода, водорода, осколков молекул уг- леводородов) будет меньше потерь энергии в зоне электрическо- го разряда, реакции окисления горючих элементов прекратятся, и воспламенения топливовоздушной смеси не произойдет. Для ста- билизации очага зажигания подвод энергии в зону очага воспла- менения должен превышать потери энергии в этой зоне, т.е. Ер + Qx . Еизл + Еакт + Q. + Qк + Qт, (10.2) где Ер = U I d. – энергия электрического разряда; U, I – напря- жение и сила тока в цепи вторичной обмотки катушки зажигания; Рисунок 10.8 – Изменение напряжения при размыкании контактов прерывателя на вторичной обмотке катушки зажигания по углу поворота коленчатого вала (а) и по времени (б) при минимальной частоте вращения коленчатого вала четырехтактного четырехцилиндрового двигателя на режиме холостого хода (n = 720 об/мин) a б ., .ПКВ ., мс U, кВ 180 360 540 0 1 2 3 U, кВ 0 0 10 10 347 Qx – теплота, выделяющаяся в реакциях окисления углерода, во- дорода и осколков молекул углеводородов топлива в зоне разря- да; Еизл – энергия излучения плазмы в канале электрического раз- ряда; Еакт – энергия активации молекул углеводородов топлива, кислорода и азота в топливовоздушной смеси, окружающей зону электрического разряда; Q., Qк – теплоотвод от очага воспламе- нения вследствие теплопроводности смеси и конвективного теп- лообмена; Qт – тепловые потери в электроды свечи зажигания. Оценить энергию элек- трического разряда, необходи- мую для стабильного воспла- менения топливовоздушной смеси, достаточно сложно, так как значительные трудности представляет оценка с необхо- димой точностью длительности каждой из фаз электрического разряда, изменение силы тока и напряжения в каждой из фаз электрического разряда. В ряде работ [9, 10, 11] необходимая энергия разряда для стабильно- го воспламенения топливовоз- душной смеси оценивается величиной от 2 до 80 мДж. Если, на- пример, исходить из представленных на рис. 10.8 осциллограмм изменения напряжения в цепи вторичной обмотки катушки зажи- гания батарейкой системы зажигания четырехтактного четырех- цилиндрового двигателя на режиме холостого хода при мини- мальной частоте вращения коленчатого вала (n = 720 мин–1), то энергия емкостной и индуктивной фаз разряда составит не менее 0,1 Дж. В современных электронных системах зажигания энергия электрического или иного искрового разряда может быть увели- чена до 1 Дж, что существенно повышает надежность воспламе- нения. Однако при этом заметно возрастут потери энергии в сис- теме зажигания, эрозия металла электродов свечи зажигания. В зоне электрического разряда (в среде высокотемператур- ной плазмы, Т . 104 К) скорость химических реакций окисления Рисунок 10.9 – Изменение температуры среды в зоне электрического разряда в зависимости от времени r Тсм Тz Т .1= 0 .2 .3 .4 .пл r 348 достигает огромных значений. По мере увеличения объема очага воспламенения и окончания электрического разряда (рис. 10.9) температура в объеме очага воспламенения снижается до значе- ния Тz, соответствующего определенному составу топливовоз- душной смеси. Вокруг очага воспламенения к этому моменту времени формируется фронт пламени, поверхность которого близка к сфере. За фронтом пламени находятся продукты сгора- ния при температуре Тz, впереди фронта пламени – топливовоз- душная смесь, температура которой Тсм значительно ниже (рис. 10.9). Глубина фронта пламени .пл = 0,1–1 мм (в зависи- мости от вида топлива, состава топливовоздушной смеси, темпе- ратуры и давления смеси). Условию стабилизации очага воспла- менения и его дальнейшего увеличения без подвода энергии извне соответствует радиус сферы r > rкр [8]. При r < rкр пламя затухает, так как потери теплоты в окружающую среду превы- шают подвод теплоты Qх реакцией окисления горючих компо- нентов топлива. Критический радиус сферы rкр . 3 .пл (10.3) и соответственно . . см 3 кр см 4 кр см Q Q 3 r С Т T . х . . . р z . , (10.4) где срсм, .см – удельная массовая теплоемкость смеси при посто- янном давлении и плотность смеси. С обеднением топливовоздушной смеси, увеличением со- держания остаточных газов в топливовоздушной смеси, пониже- нием давления топливовоздушной смеси, увеличением интенсив- ности ее турбулизации в зоне электродов свечи зажигания для стабилизации очага воспламенения необходимо увеличивать энергию электрического разряда. Критический радиус сферы оча- га воспламенения также увеличивается. §3. Процессы сгорания топливовоздушных смесей Окисление горючих компонентов топливовоздушной смеси происходит во фронте пламени, разделяющего топливовоздуш- 349 ную смесь и продукты окисления горючих компонентов (рис. 10.10). При окислении углеводородов топлива во фронте пламени снижается объемное содержание кислорода rО2 и возрастает объемное содержа- ние двуокиси углерода rСО2 и паров воды rН2О. Температура продуктов окисления углево- дородов топлива за фронтом пламени определяется в ос- новном начальной температу- рой смеси и соотношением массы воздуха и топлива в смеси. Глубина зоны фронта ламинарного пламени в угле- водородовоздушных смесях стехиометрического состава при атмосферном давлении .пл . 1 мм, в смесях водорода и воздуха .пл . 0,1 мм [8]. Скорость, с которой фронт ламинарного пламени переме- щается относительно топливовоздушной смеси в направлении, перпендикулярном к поверхности фронта пламени, называется нормальной скорость перемещения фронта пламени Uн или ско- ростью ламинарного горения. Нормальная скорость пламени зависит от скорости химиче- ских реакций во фронте пламени, скорости переноса теплоты и активных центров из зоны горения (фронта пламени) в топливо- воздушную смесь впереди фронта пламени. Реакция распада молекул, например углеводорода, на не- сколько простых молекул или соединений называется мономоле- кулярными или реакциями первого порядка. Если в реакции участвуют два исходных компонента, то такие реакции назы- ваются бимолекулярными или реакциями второго порядка, а если исходных компонентов три – реакциями третьего порядка. При этом предполагается, что реакции осуществляются в результате одновременного столкновения двух или трех молекул исходного .пл х Тсм rО2 Uн Тпр.сг Т rСО2 rН2О rН2О Т, rО2, rСО2, Рисунок 10.10 – Изменение температуры и объемного содержания кислорода, двуокиси углерода и паров воды во фронте пламени в неподвижной смеси: труба, открытая с двух сторон; Uн – нормальная скорость распростра- нения фронта пламени 350 вещества. Вероятность столкновения более чем трех разных мо- лекул исходных компонентов пренебрежимо мала. Из молеку- лярно-кинетической теории газов количество столкновений меж- ду молекулами одного исходного компонента пропорционально общему их числу. в единице объема (объемной концентрации ис- ходного компонента), а если в реакции участвует несколько ис- ходных компонентов, то вероятность столкновения молекул раз- личных исходных компонентов пропорциональна произведению количества молекул каждого исходного компонента в единице объема (произведению объемных концентраций компонентов). Если обозначить концентрации исходных компонентов в молях на единицу объема через Са, Сb, Сс, а продуктов окисления через С1 и С2, то абсолютную скорость химических реакций можно представить следующим образом: для мономолекулярной реакции K Ca d dC 1 1 . . ; K Ca d dC . . . 1 2 ; (10.5) для бимолекулярной реакции K Ca Cb d dC 2 1 . . ; K Ca Cb d dC . . . 2 2 ; (10.6) для реакции третьего порядка K Ca CbСс d dC 3 1 . . ; K Ca CbСс d dC . . . 3 2 , (10.7) где . . . К1, К1 , К2 , К2 , К3 , К3 – коэффициенты пропорциональнос- ти (константы реакций окисления), которые зависят в основном от температуры и физико-химических свойств компонентов. Абсолютная скорость химической реакции .моль/(м3.с). – количество вещества в молях, прореагировавших в единице объема (м3) в единицу времени (с). Объемная (молярная) концентрация каждого из исходных компонентов реакций пропорционально давлению смеси. Поэто- му количество молекул исходных компонентов, вступающих в реакцию или же образовавшихся в единицу времени (абсолютная . В 1 см3 газа при нормальных условиях (760 мм рт. ст., 0 .С) содержится 2,69.1019 молекул 351 скорость реакций), может быть представлена в функции давления смеси: для мономолекулярной реакции 1 1 см 1 K C К р d dC . a . . ; (10.8) для бимолекулярной реакции 22 2 см 1 K C С К р d dC . a b . . ; (10.9) для реакции третьего порядка 33 3 см 1 K C С С К р d dC . a b с . . ; (10.10) для реакции n-го порядка n Кn р d dC см 1 . . . (10.11) Константы химических реакций зависят от энергии актива- ции реагирующих компонентов и абсолютной температуры Т смеси, RT E n n n K A e. . , (10.12) где An – константа для определенных реагирующих компонентов реакции n-го порядка; Еn – энергия активации для определенных реагирующих компонентов .Дж/моль.; R = 8,314 .Дж/(моль.К). – универсальная газовая постоянная. Энергия активации Еn – дополнительное количество энер- гии, которое необходимо сообщить молю реагирующих компо- нентов для повышения кинетической энергии молекул до уровня, при котором возможен разрыв внутримолекулярных связей (сил сцепления между атомами молекул). Таким образом, абсолютная скорость реакции n-го порядка см см 1 const RTE n n р e d dC . . . . . (10.13) Энергия активации реакций в зависимости от условий осу- 352 ществления реакции (давления, температуры, содержания в среде молекул других веществ и других факторов) изменяется в широ- ких пределах и для одних и тех же реагирующих компонентов. Например, энергия активации реакции водорода с кислородом в зависимости от давления и температуры изменяется в пределах (4,2–17,6).104 Дж/моль .12.; этана с кислородом – (12,6–23,3).104 Дж/моль .13.; углеводородов моторного топлива – (2–16,8).104 Дж/моль .8.. Определяющим фактором изменения абсолютных скоростей реакций окисления углеводородов топлива является температура смеси. Если принять абсолютную скорость реакций окисления углеводородов топлива при Тс.м= 300 К за единицу, то с увеличением температуры отношение абсолютных скоростей реакций окисления . . . . . .. . . .. . . . . . .. . . .. . . . . .. 300К300К 11 см см ' см см ' см см ' см см T T R E T ТT Т R E ТT п п е е dC ddC d . (10.14)