6 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Влияние степени сжатия на работу двигателя

Влияние степени сжатия на индикаторный КПД двигателя

Рис. 1
Зависимость КПД η теоретического цикла от степени сжатия

Г.Р. Рикардо рассчитал и проверил на экспериментальном двигателе зависимость индикаторного КПД от степени сжатия для чистого воздуха [2]. Результаты его опытов изображены на рис. 1. При этом делается допущение, что рабочее тело – чистый воздух и что при сгорании углеводородного топлива в среде чистого воздуха образуются только CO2 и H2O. Другое допущение предполагает, что в течение всего цикла отсутствует теплообмен со стенками цилиндра. При этих допущениях КПД такого теоретического цикла:

где ε – степень сжатия; k – показатель адиабаты (отношение теплоемкости при постоянном давлении к теплоемкости при постоянном объеме), равный 1,4 для воздуха.

Этот КПД можно использовать для сравнения, но он значительно отличается от реально достижимых, поскольку:

В двигателе идеальные условия не могут быть выдержаны и поэтому его КПД значительно ниже. На рис. 2 кривой а обозначен КПД теоретического цикла с подводом теплоты при постоянном объёме согласно рис. 1. Кривая б показывает расчётный КПД этого же цикла для бензовоздушной смеси с 50 %-ным недостатком топлива, кривая в – с 20 %-ным недостатком топлива. Кривая г рассчитана для стехиометрической смеси бензин-воздух. Во всех расчётах циклы считались термодинамическими идеальными, т. е. принималось, что теплота подводится мгновенно в ВМТ, а теплообмен со стенками цилиндра отсутствует.

Нижняя кривая д показывает результаты измерения индикаторного КПД на опытном двигателе при степени сжатия 4 – 7. Опыты проводились на смеси с недостатком 15 % топлива, поэтому их можно сравнить с расчетной кривой е при 20 %-ном недостатке топлива. Хорошо видна разница между кривыми в и д , характеризующая потери теплоты за счет излучения, теплопередачи через стенки цилиндра и неполноты процесса сгорания.

Кривая д показывает зависимость индикаторного КПД от степени сжатия у реальных двигателей. Для всех кривых расчетом или измерением был определен показатель k .

Средняя теплоемкость газов увеличивается с ростом их температуры. Объём цилиндра после полного сгорания топлива заполнен смесью азота, углекислого газа и водяных паров. У азота, составляющего основную часть этой смеси, средняя теплоемкость увеличивается медленней, чем у других газов (таблица ниже). Быстрее всего она растет у водяного пара. Топливо, содержащее большой процент углерода, который сгорит до СО2, выгоднее, чем топливо с большим процентом содержания водорода. Большее значение средней теплоёмкости газа, входящего в состав рабочего тела, способствует тому, что теплота, подводимая к нему, повысит его температуру в меньшей степени, поскольку значительная часть этой теплоты уйдет на нагрев газа. Меньшая же максимальная температура рабочего тела снижает его давление и индикаторный КПД.

Влияние температуры на среднюю теплоёмкость сгорания углеводородного топлива

Продукты сгорания100 – 500 °C1000 °C1500 °C2000 °C2500 °C3000 °C
Азот1,001,021,0651,111,161,22
Водяной пар1,001,111,221,351,551,79
Углекислый газ1,001,1151,221,271,321,33

При температуре выше 2000 °C начинается диссоциация водяного пара на H2 и O2, а углекислого газа – на CO и O2. На этот процесс расходуется значительное количество теплоты, вследствие чего рост максимальной температуры рабочего тела тормозится. При охлаждении водород и кислород опять соединяются и образуют воду, а CO вновь превращается в CO2. Эти процессы протекают с выделением теплоты, однако полностью она не используется, так как возвращается в цикл в течение достаточно продолжительного процесса расширения.

Рис. 3
Зависимость КПД η теоретического цикла от количества теплоты, вводимой в него при постоянном объёме QV=const или при постоянном давлении Qp=const .

Зависимость КПД η теоретического цикла от соотношения долей топлива, сгоревшего при постоянном объёме V и давлении p , показана на рис. 3. Если сгорает 100 % топлива при постоянном объёме, то достигается максимальное значение КПД. Если 100 % топлива сгорает при постоянном давлении, то этот КПД минимален, так как топливо, которое догорает в процессе продолжительного расширения, для совершения работы имеет в своем распоряжении только малую часть пути, проходимого поршнем. Падение КПД особенно заметно, если при постоянном объеме сгорает менее 60 % топлива.

Влияние степени сжатия на КПД и мощность двигателя весьма значительно. Вплоть до степени сжатия ε = 10 КПД увеличивается особенно быстро. Расчетные значения КПД хотя и служат только для сравнения, но наглядно показывают замедление роста КПД при высоких степенях сжатия.

Дросселирование воздуха во впускном трубопроводе бензинового двигателя при частичной нагрузке приводит к тому, что давление конца сжатия в цилиндре значительно снижается. Так называемую реальную степень сжатия можно определить по величине давления в конце сжатия [3]. На рис. 4, а показано поле реальных степеней сжатия, полученное путем измерения давлений конца сжатия в карбюраторном двигателе с геометрической степенью сжатия ε = 8,5 . Верхняя граничная кривая показывает реальную степень сжатия при полностью открытой дроссельной заслонке в зависимости от частоты вращения двигателя n . Ниже этой кривой показано все поле реальных степеней сжатия при различных открытиях дроссельной заслонки. При большом дросселировании заряда во впускном трубопроводе значение реальной степени сжатия падает до ε = 3,5 , вследствие чего значительно уменьшается КПД. Это оказывает большое влияние на средний расход топлива при частичных нагрузках бензинового двигателя.

Рис. 4
Реальные степени сжатия в бензиновом двигателе, вычисленные по действительным значениям давления конца сжатия: Aуд — удельная работа, совершаемая в цилиндре.

Дросселирование заряда или воздуха, являющееся в бензиновом двигателе способом регулирования его нагрузки, необходимо для сохранения примерно постоянного состава топливовоздушной смеси, что обеспечивает ее надежное зажигание. С другой стороны, желательное повышение степени сжатия ограничено опасностью возникновения детонации, зависящей от давления и температуры смеси в конце хода сжатия. На рис. 5 показано изменение температур сжатой смеси в цилиндре в зависимости от частоты вращения n и степени открытия дроссельной заслонки двигателя со степенью сжатия ε = 8,5 .

Автомобильный двигатель работает большую часть времени при частичной нагрузке и поэтому очень важно улучшить расход топлива именно в этих условиях. На рис. 4, б показано поле реальных степеней сжатия при увеличении геометрической степени сжатия до ε = 12,5 . При малой нагрузке реальная степень сжатия повышается на 2,5 единицы, что соответствует улучшению КПД на 10 %.

Поршневой двигатель с простым кривошипным механизмом имеет равные между собой геометрические степень сжатия и степень расширения. Однако это свойство невыгодно при использовании энергии давления газов, которая в момент открытия выпускного клапана еще довольно высока. Поэтому еще на начальном этапе развития двигателей внутреннего сгорания искались пути использования давления газов в конце рабочего хода увеличением степени расширения. Одно из таких решений было реализовано в виде специального кривошипного механизма с тремя шатунами и двумя коленчатыми валами. Однако такие сложные механизмы имеют низкий механический КПД из-за увеличения числа подшипников, вращающихся и колеблющихся масс. Кроме того, они неработоспособны при высоких частотах вращения, поэтому их использование не принесло ожидаемого улучшения КПД.

По этой причине более выгодно использовать повторное расширение газа после его выхода из цилиндра. В настоящее время повторное расширение проводится главным образом в турбине, работающей на отработавших газах.

Различных степеней сжатия и расширения можно частично добиться регулированием моментов открытия и закрытия клапанов. Процесс сжатия начинается только после закрытия впускного клапана, поэтому большое запаздывание закрытия впускного клапана после НМТ вызывает снижение фактической степени сжатия. В то же время открытие выпускного клапана непосредственно перёд НМТ повышает степень расширения. Однако его нужно открывать заранее с тем, чтобы давление газов в цилиндре успело снизиться и при последующем выталкивании газов поршнем при его ходе вверх от НМТ к ВМТ не оказывалось большого сопротивления движению поршня.

Из этого примера видно, что таким способом нельзя достичь большой разности степеней сжатия и расширения. Если бы впускной клапан закрывался на половине хода поршня, то фактический рабочий объем двигателя (поступающее количество воздуха) снизился бы наполовину. Двигатель с объемом 2000 см 3 имел бы мощность, равную двигателю с объемом 1000 см 3 , но его масса, размеры и стоимость остались бы неизменными. Уменьшилось бы только среднее потребление топлива автомобилем, на котором он установлен.

Читайте также

Большая площадь фронтальной проекции и прямоугольная, плохо обтекаемая форма кузова грузового автомобиля и автобуса способствуют возникновению значительного аэродинамического сопротивления.

Более быстрые, более безопасные современные автомобили заставляют задуматься о повышении высшего ограничения скорости, но человеческое тело так и застряло на медленной полосе.

Степень сжатия и компрессия. В чем разница? Это одно и тоже или все же нет

Двигатель внутреннего сгорания достаточно сложное устройство. Как говорят физики, принцип работы его основан на физическом эффекте расширения газов, которые образуются при сгорании воздушно-топливной смеси. ТО есть внутри цилиндра создается давление, которое толкает поршни, а они в свою очередь раскручивают «коленчатый вал», после эта «работа» передается нужным узлам и агрегатам. НО прежде чем воспламениться, «смесь» сжимается – тут то и вступают вроде бы два одинаковых термина «степень сжатия» и «компрессия». Многие уверены что это одно и тоже и разницы никакой нет, однако это не так. Сегодня я подробно и популярно объясню, что это такое …

СОДЕРЖАНИЕ СТАТЬИ

  • Степень сжатия
  • Компрессия двигателя
  • Так степень сжатия и компрессия это одно и тоже?
  • ВИДЕО ВЕРСИЯ

Наверное, многие из профессиональных автолюбителей мерили компрессию двигателя, подключается специальный «компрессометр» далее крутят двигатель (в основном стартером от аккумулятора) и вырисовывается определенное значение, то есть вы получаете – компрессию вашего силового агрегата. По ее состоянию, можно понять, все нормально внутри, либо же есть какие-то проблемы. Например, когда компрессия падает, то возможно прогорание клапанов, «залегание» компрессионных колец и т.д., нужен ремонт.

Однако после такого замера многие уверены что компрессия, это не что иное, как и степень сжатия, то есть эти понятия – ОДНО И ТОЖЕ! НО ЭТО НЕ ТАК.

Читать еще:  Утепление двигателя солярис своими руками

Степень сжатия указывается практически для всех современных автомобилей, на его основе производитель рекомендует вам заправлять то или иное топливо, скажем 92 или 95 бензин.

Разница у этих двух величин действительно есть, причем достаточно разительная, не смотря кажущуюся схожесть, давайте разберем каждую.

Степень сжатия

Пожалуй, начнем с самого сложного. Как мы все с вами знаем внутри блока цилиндров, ходят поршни. У каждого поршня есть «мертвые точки», это верхняя – когда топливо сжато до предела и ждет воспламенения, и нижняя – когда поршень уходит вниз, а пространство либо заполняется новой топливной смесью, либо расширившимися (воспламененными) газами.

Верхняя мертвая точка. Когда поршень находится в «верхней точке», над поршнем остается определенный объем (или пространство) именно в нем находится сжатая воздушно-топливная смесь, это и есть «камера сгорания» — для условного обозначения этот объем мы назовем «V1»

Нижняя мертвая точка. Здесь поршень находится в «нижней мертвой точке», и к объему камеры сгорания, добавляется объем цилиндра, точнее, объем находящийся над поршнем. В итоге у нас получаются как бы два объема – Vц (цилиндра) и V2 (общий = цилиндра + камера сгорания).

Теперь все просто — важные для нас параметры, это V1 и V2 (стоит отметить, что измеряются они в литрах). Для того чтобы получить степень сжатия нужно:

Степень сжатия = V2 / V1

Таким простым методом мы рассчитываем, во сколько сжимается воздушно-топливная смесь, при движении из нижней мертвой точки в верхнюю.

Зачастую производитель уже указывает эти характеристики в описании или инструкции, и мы можем видеть степень сжатия 9,5 – 10 – 10,5 – 11 – 12 – 14 и т.д. Это нам говорит о том — что топливная смесь, которая «всосалась» при движении поршня из «верхней мертвой точки» в «нижнюю», на такте впуска, сожмется в 9,5 – 14 раз, от первоначального объема и после подожжется свечой зажигания.

Думаю, теперь путать не будете, разжевано все досконально, теперь переходим к компрессии двигателя.

Компрессия двигателя

С этой величиной все намного проще, как обычно начнем с определения:

Компрессия – это давление, которое создается в конце такта сжатия (воздушно-топливной смеси), когда поршень идет в максимальную верхнюю (мертвую точку).

Чем выше компрессия, тем большую мощность может развить силовой агрегат. Почему? ДА все просто — увеличение этой величины способствует наилучшему сжатию топлива, а потому его воспламенение может происходить намного эффективнее. Так же большая компрессия даст больший толчок поршню, то есть прямая зависимость частоты вращения коленчатого вала и мощностью мотора.

Однако бесконечно увеличивать компрессию нельзя, все потому что воздушно-топливная смесь, а в нашем случае это бензин, разогревается и может воспламениться произвольно, то есть произойдет детонация, а этот процесс реально разрушительный для внутренностей двигателя в целом. Поэтому сейчас и появляются высокооктановые бензины, подробнее здесь.

Стоит отметить, практически все производители указывают нормальный параметр этого показателя. Если при замере, ваша компрессия отличается в пару или даже несколько раз, то тут стоит задуматься, практически всегда это означает сложные поломки силового агрегата, как я уже писал выше — начиная с клапанов, заканчивая компрессионными кольцами на поршнях и т.д.

Так степень сжатия и компрессия это одно и тоже?

Как вы поняли, конечно же нет! Степень сжатия это коэффициент, который рассчитывается при помощи объемов, а вот компрессия банально замеряется специальными манометрами (компрессометрами).

Если взять практическое применение, то компрессия будет немного больше, чем степень сжатия (ст). Так например, при степени сжатия — 9,5, компрессия зачастую от 11 до 12!

Почему такое происходит? Да потому что при замере компрессии от давления разогревается воздушно-топливная смесь, происходит увеличение температуры.

Эти показатели можно было бы приравнять, если бы процесс был изотермическим (то есть исключающим воздействия температуры, как извне, так и изнутри) в закрытом герметичном корпусе. Но поскольку на практике это не возможно, то величины будут различаться.

Сейчас видео версия статья, смотрим

НА этом заканчиваю, думаю, моя статья была вам полезна, читайте наш АВТОБЛОГ.

(25 голосов, средний: 4,60 из 5)

Похожие новости

Карбюратор или инжектор. Что лучше и какая у них разница

Что такое двигатель TSI?

Катиться на «нейтральной» или на скорости с горки. Как это влияе.

Влияние степени сжатия на работу двигателя

По не вполне понятной причине очень многие автолюбители путают эти два понятия. Между тем, хотя они близки, но не являются одним и тем же. Примерно как угол опережения зажигания и угол замкнутого состояния контактов. Достаточно указать на тот факт, что степень сжатия является геометрической величиной, выражающейся в абсолютных единицах (то есть это просто число без единицы измерения) и являющейся практически постоянной величиной для двигателей одной модели в штатной комплектации, а компрессия меряется в единицах давления (атмосферах, МПа, барах) и сильно зависит от технического состояния двигателя и способа измерения. Скажем так, степень сжатия — расчётный параметр, примерно как колёсная база, а компрессия — эксплуатационный, примерно как расход топлива.

Итак, степень сжатия — геометрическая безразмерная величина , вычисляется как отношение полного объёма цилиндра к объёму камеры сгорания. Полный объём цилиндра — сумма рабочего объёма и объёма камеры сгорания, то есть объём в цилиндре, когда поршень находится в нижней мёртвой точке НМТ, объём КС — когда он в ВМТ; рабочий объём — объём между ВМТ и НМТ. Для волговского мотора, как правило, это 6.7. Это следует грубо понимать так, что рабочая смесь, засосанная в цилиндр, сжимается в 6.7 раз по объёму. Именно раз, а не атмосфер. Поскольку степень сжатия — это деление кубических сантиметров на кубические сантиметры, то специальной единицы измерения нет (в таких случаях говорят об абсолютных единицах, проще говоря — разах).

Степень сжатия не меняется при работе мотора, это такая же его константа, как рабочий объём или масса. (Строго говоря, при работе двигателя кольца трутся о гильзы, снимают с них ничтожные слои молекул, рабочий объём растёт, степень сжатия падает — но на настолько микроскопические величины, что этим можно совершенно смело пренебречь и принять, что степень сжатия в принципе не меняется). От неё зависит прежде всего применяемое топливо, точнее, его октановое число. Чем выше степень сжатия, тем более высокооктановое топливо требуется мотору.

Компрессия — физическая величина, давление в цилиндре в конце такта сжатия. Измеряется в атмосферах или кг/см 2 , можно в барах, килопаскалях или других единицах. Может сильно изменяться в процессе работы мотора по мере его износа. Зависит от степени сжатия (оптимальная компрессия мотора очень приблизительно высчитывается умножением степени сжатия на 1.4 атм — это связано с эффектом адиабатического сжатия). Таким образом, характерные значения компрессии для стандартного мотора — около 8…9 атмосфер. (Для форсированного под 92 бензин — 10…12).

Смысл компрессии — техническое состояние двигателя и всего автомобиля в целом, наряду с давлением масла. Чем она выше, тем меньше газов прорывается в картер двигателя и соответственно больше газов совершают полезную работу, благодаря чему у двигателя высокий КПД и низкий расход топлива, а также высокая мощность. От компрессии зависит расход масла, стабильность работы двигателя, приёмистость, расход топлива, быстрота запуска двигателя. Помимо двигателя, на величину компрессии может повлиять состояние электрооборудования (стартёра, аккумуляторной батареи, соединяющих их проводов) — но только при измерении.

При падении компрессии в любом цилиндре или во всех ниже 6 атмосфер или сильном разбросе по цилиндрам (более 1 атмосферы) двигатель подлежит ремонту. Как правило, основная причина падения компрессии — «севшие» поршневые кольца, например после перегрева. На втором месте стоят клапана. Потом пробой прокладки ГБЦ. Могут быть ещё экзотические случаи типа прогоревшего поршня или вылезшего поршневого пальца, «профрезеровавшего» гильзу. Чтобы определить, что именно, после измерения компрессии в цилиндры заливают масло и снова меряют. Если компрессия существенно возрастает, почти всегда виноваты кольца. Если нет — дело в головке, скорее всего в клапанах.

Проблемы, вызываемые низкой компрессией — падение мощности, ухудшение динамики разгона, снижение максимальной скорости, возрастание расхода масса и топлива, порой очень чувствительные.

Для измерения компрессии служит прибор, называемый компрессометром, который представляет собой обыкновенный манометр, аналогичный тем, с помощью которого меряется давление в шинах, со специальным переходником, который либо ввинчивается вместо свечи, либо просто плотно прижимается к свечному отверстию резиновым кольцом. На переходнике имеется золотник (ниппель), который позволяет сохранять показания прибора для удобного считывания. Компрессометры продаются на автомобильных рынках.

При стандартном измерении компрессии воздушный фильтр должен снят, подача топлива отключена — поплавковая камера осушена, а бензонасос отключен от бака и также опустошен, все свечи вывинчены, клапана отрегулированы. Мерять необходимо на предварительно хорошо прогретом двигателе с хорошо заряженным и не старым аккумулятором, иначе компрессия окажется заниженной (скорость вращения коленвала играет важную роль). Рекомендуется провести 3-4 цикла измерений компресии и усреднить полученные результаты, чтобы добится большей достоверности данных, в идеале — повторить замеры с интервалом в несколько дней. К сожалению, при измерении компрессии можно часто получить неверные данные из-за погрешности прибора, неплотном прижатии переходника к свечному отверстию, наличию во впускном коллектора остатков бензина итп.

Обычно компрессию меряют в двух вариантах: самый простой — с открытыми заслонками в карбюраторе, более продвинутый — с закрытыми. Впрочем, профессионалы могут мерять компрессию в разных сочетаниях, в том числе с невывинченными свечами в остальных цилиндрах, на холодном двигателе, с закрытыми или открытыми заслонками в карбюраторе итп. При этом каждый из способов дает свои результаты и позволяет определять свои дефекты.

Читать еще:  Электрооборудование работает только при работающем двигателе

Если заслонка полностью закрыта, то в цилиндры поступает малое количество воздуха. Максимальное давление в цилиндре оказывается невелико (порядка 6-8 атм) из-за малого давления в коллекторе (0.5-0.6 атм вместо 1 при полностью открытом дросселе). Утечки при закрытой заслонке также оказываются малы из-за малого перепада давления, но даже при этом соизмеримы с поступлением воздуха. Вследствие этого величина компрессии в цилиндре оказывается очень чувствительной к утечкам — даже из-за незначительной причины давление падает сразу в несколько раз.

При полностью открытом дросселе этого не происходит. Значительное увеличение количества поступившего в цилиндры воздуха приводит и к росту компрессии, однако утечки, несмотря на их небольшой рост, становятся значительно меньше подачи воздуха. Вследствие этого компрессия даже при серьезных дефектах может ещё не упасть до недопустимого уровня (например, до 8-9 атм у двигателя под АИ-93 или 5-6 атм у двигателя под А-72).

Исходя из особенностей различных вариантов измерения компрессии, можно дать некоторые рекомендации по их использованию.

Измерения компрессии с полностью открытой заслонкой позволяют обнаружить

  • поломки и прогары поршней;
  • зависание (закоксовывание) колец в канавках поршня;
  • деформации или прогар клапанов;
  • серьезные повреждения (задиры) поверхности цилиндра.

Измерением компрессии с закрытой заслонкой можно определить

  • не вполне удовлетворительное прилегание клапана к седлу;
  • зависание клапана — дефекты профиля кулачка распределительного вала (в конструкциях с гидротолкателями).

Таким образом, для волговодов имеет смысл мерять с открытыми заслонками. Гидрокомпенсаторов у нас ведь нет.

Дефекты и неисправности бензинового двигателя, выявляемые измерением компрессии на примере двигателя под 92 бензин

НеисправностьПризнаки неисправностиВеличина компрессии, атм при дроссельной заслонке
открытойзакрытой
Неисправности нетнорма10-126-8
Трещина в перемычке поршняСиний дым выхлопа, большое давление в картере6-83-4
Прогар поршняТо же, цилиндр не работает на холостом ходу0-50-1
Прогар клапанаЦилиндр не работает на холостом ходу и малых нагрузках1-4
Деформация клапанаТо же3-70-2
Залегание колец в клапанах поршняТо же с синим дымом выхлопа, большим давлением в картере2-40-2
Задир на поверхности цилиндраТо же, возможна не вполне устойчивая работа цилиндра2-81-4
Переобогащение смесиЗатруднен запуск, черный дым выхлопа5-83-4
«Зависание» клапанаЦилиндр не работает на холостом ходу5-81-3
Дефект профиля кулачка распределительного валаТо же7-81-3
Естественный износ поршневых колец и цилиндровПовышенный расход масла6-94-6
Повышенное количество нагара в камере сгорания в сочетании с изношенными маслоотражательными колпачками и/или маслосъемными кольцамиПовышенный расход масла, синий дым выхлопа13-1610-14

Тщательно записывая результаты измерений и проводя их по нескольку раз в каждом варианте, можно сделать выводы о состоянии двигателя, не разбирая его.

способ повышения кпд двигателя увеличением степени сжатия и сокращением угла опережения зажигания

Изобретение относится к области двигателестроения. Техническим результатом является повышение КПД двигателя. Сущность изобретения заключается в том, что в бензиновом двигателе с увеличенной степенью сжатия фазу выпуска заканчивают за несколько градусов до ВМТ, а два впускных клапана, бензиновый и воздушный, имеют разные фазы. При этом воздушный клапан открывают до ВМТ, а бензиновый клапан открывают через несколько градусов после ВМТ, препятствуя проходу бензина в систему выпуска, так как продувка камеры сгорания производится не горючей смесью, а воздухом. 1 ил.

Формула изобретения

Способ повышения КПД бензинового двигателя путем увеличения степени сжатия и сокращения угла опережения зажигания, отличающийся тем, что фазу выпуска заканчивают за несколько градусов до ВМТ, а два впускных клапана, бензиновый и воздушный, имеют разные фазы, при этом воздушный клапан открывают до ВМТ, а бензиновый клапан открывают через несколько градусов после ВМТ, препятствуя проходу бензина в систему выпуска.

Описание изобретения к патенту

Область техники, к которой относится изобретение, — это двигателестроение бензиновых двигателей.

Известно, что при повышении степени сжатия возникает детонация в цилиндрах двигателя. Для устранения этого недостатка используется бензин с повышенным октановым числом. Чем выше степень сжатия, тем выше октановое число топлива.

Для понимания сущности изобретения надо понять, что происходит в двигателе при опереженном зажигании и при позднем зажигании. При опереженном зажигании возникает детонация, сопровождающаяся стуком в двигателе и резким повышением шума выпуска. Стук в двигателе появляется потому, что горение заряда происходит в уменьшающемся объеме, при этом скачкообразно увеличивается скорость горения заряда, таким же образом увеличивается объем газов и температура газов. Горение заряда заканчивается до прихода поршня в верхнюю ВМТ. Так как температура газов повышена, повышен и объем газов, скорость выхода газов из цилиндра увеличивается, увеличивается их инерционность на столько, что в конце фазы выпуска, то есть в момент открытия впускного клапана давление в цилиндре значительно ниже давления во впускном коллекторе. Поэтому горючая смесь очередного заряда, за время продувки успевает проскочить в выпускной коллектор и далее в систему выпуска, где, сгорая, резко повышает шум выпуска и сопротивление в системе выпуска. При позднем зажигании горение происходит в уменьшающемся объеме, но уменьшение объема происходит медленнее, поэтому горение заряда замедляется после прохода ВМТ, горение продолжается уже в увеличивающемся объеме, и горение заряда замедляется еще больше и может продолжаться при такте «выпуск». В конце фазы выпуска давление в цилиндре выше, чем во впускном коллекторе, и за время продувки еще горящие газы проникают во впускной коллектор и воспламеняют горючую смесь в коллекторе и двигатель «чихает» в карбюратор.

Суть идеи состоит в том, что при увеличении степени сжатия происходит нагрев заряда в цилиндре, а при нагреве заряда увеличивается скорость горения заряда, а значит сокращается максимальный угол опережения зажигания. При сокращении угла опережения зажигания сокращается время воздействия пламени на днище поршня, тарелки клапанов и стенки камеры сгорания, значит меньше энергии пойдет на нагрев двигателя, а больше на работу, и чем выше степень сжатия, тем выше КПД.

Для реализации этого способа увеличения КПД необходимо стабилизировать физическую степень сжатия на протяжении всего срока эксплуатации двигателя, так как на компрессионных кольцах в процессе работы увеличиваются зазоры на стыках, что приводит к снижению степени сжатия почти на 1 ед. за 80-100 тыс. км, увеличению угла опережения зажигания и увеличению расхода топлива. Поэтому в двигателе ЗМЗ-402, на котором проводились эксперименты, установлено тройное компрессионное кольцо, патент № 2416749, которое стабилизирует степень сжатия на протяжении не менее 100 тыс. км пробега и повышает физическую степень сжатия до 8,3-8,8 без изменения геометрической степени сжатия головки блока под бензин А-76, с головкой блока под бензин АИ-92 физическая степень сжатия достигла 11.5, после чего эксперимент был прекращен. Использовался бензин АИ-80. Двигатель установлен на автомобиле ГА3-3110.

Суть эксперимента следующая: на двигатель ЗМЗ-402 были установлены новые тройные компрессионные кольца и головка блока под бензин АИ-92. Так как кольца были новые, не притертые, то физическая степень сжатия была около 8. В процессе работы двигателя компрессионные кольца притирались и физическая степень сжатия увеличивалась, но при этом двигатель работал с опереженным зажиганием. Попытки уменьшить угол опережения зажигания не давали положительного результата. После этого угол опережения зажигания был установлен на 0 (отключен вакуумный автомат и сняты грузики центробежного автомата), после этого эксперимент был продолжен. При работе двигателя не было детонации, но был повышенный шум выпуска, как при опереженном зажигании. Периодически замеряя физическую степень сжатия, она была неодинакова в разных цилиндрах, так как кольца притирались неравномерно. По мере притирания колец шум выпуска усиливался примерно до степени сжатия 10,2. При дальнейшем увеличении степени сжатия шум выпуска начал уменьшаться, а при приближении степени сжатия к 11 стала увеличиваться мощность двигателя при малых нагрузках, а при увеличении нагрузки возникал эффект позднего зажигания, двигатель «чихал» в карбюратор. Увеличение угла опережения зажигания положительного результата не дало. Экспериментально установлено, что при уменьшении сопротивления системы выпуска путем удлинения двойной приемной трубы в два раза расширяется граница эффекта опереженного зажигания.

Проведенные эксперименты показали, что при увеличении степени сжатия для повышения КПД двигателя необходимо нормализовать продувку камеры сгорания, то есть давление в цилиндре в начале продувки должно быть немного ниже, чем давление во впускном коллекторе, при котором остатки выхлопных газов выходят из камеры сгорания, а горючая смесь заполняет камеру сгорания, не проникая в выпускной коллектор. На бензиновом двигателе этого сделать невозможно, но если продувку производить не горючей смесью, а воздухом, то эффекта опереженного зажигания не будет, не будет и повышения сопротивления в системе выпуска. В дизельном двигателе продувка камеры сгорания производится воздухом, а впрыск топлива производится в конце такта сжатия, поэтому эффекта раннего зажигания не происходит при степени сжатия 18 и выше. Продувку воздухом можно производить в бензиновом двигателе как в карбюраторном, так и в инжекторном, для этого двигатель должен иметь два впускных клапана, а выпускных может быть один и два — значения не имеет.

На фиг.1 изображены примерные фазы газораспределения.

Фаза выпуска заканчивается за 5 до верхней мертвой точки. Два впускных клапана имеют разные фазы газораспределения и отдельные впускные каналы, не связанные между собой. У одного клапана — назовем его воздушный, фаза впуска начинается за 15° до ВМТ, а у второго бензинового клапана фаза впуска начинается через 5° после ВМТ. Во впускном канале бензинового клапана устанавливается форсунка в инжекторном двигателе, а в карбюраторном двигателе к каналу бензинового клапана подсоединяется карбюратор.

Работает двигатель следующим образом.

После рабочего хода идет такт выпуска за 15° до ВМТ, открывается воздушный впускной клапан, идет продувка камеры сгорания воздухом, за 5° до ВМТ выпускной клапан или клапаны, если их два, закрываются, продувка закончена. Через 5° после ВМТ открывается бензиновый клапан, через который в цилиндр поступает обогащенная горючая смесь, а через воздушный впускной клапан в цилиндр поступает воздух. В цилиндре горючая смесь смешивается с воздухом, образуя горючую смесь необходимой пропорции воздуха и бензина. Далее идет такт сжатия, рабочий ход и цикл повторяется.

Для снижения сопротивления системы выпуска нужно сделать на каждую пару цилиндров с синхронно двигающимися поршнями отдельную систему выпуска. Максимальную физическую степень сжатия для конкретного двигателя можно определить экспериментальным путем.

Возможно, в инжекторном двигателе дроссельная заслонка будет не нужна, а управление двигателем будет производиться только изменением подачи бензина, то есть изменением длительности импульса впрыска. В этом случае физическая степень сжатия на всех режимах работы двигателя будет максимальной, как в дизельном двигателе.

Технический результат: увеличение КПД бензинового двигателя, и по экономичности он приблизится к дизелю.

Газовый двигатель

О достоинствах газомоторного топлива, в частности метана, сказано немало, но напомним о них еще раз.

Это экологичный выхлоп, удовлетворяющий текущие и даже будущие законодательные требования к токсичности. В рамках культа глобального потепления это важное преимущество, поскольку нормы Euro 5, Euro 6 и все последующие будут насаждаться в обязательном порядке и проблему с выхлопом так или иначе придется решать. К 2020 г. в Евросоюзе новым транспортным средствам будет разрешено производить в среднем не более 95 г СО2 на километр. К 2025 г. этот допустимый предел могут еще опустить. Двигатели на метане способны удовлетворить эти нормы токсичности, и не только благодаря меньшему выбросу СО2. Показатели выбросов твердых частиц в газовых двигателях также ниже, чем у бензиновых или дизельных аналогов.

Далее, газомоторное топливо не смывает масло со стенок цилиндра, что замедляет их износ. Как утверждают пропагандисты газомоторного топлива, ресурс двигателя волшебным образом вырастает в разы. При этом они скромно умалчивают о теплонапряженности работающего на газе двигателя.

И главное преимущество газомоторного топлива – это цена. Цена и только цена покрывает все недостатки газа как моторного топлива. Если мы говорим о метане, то это неразвитая сеть АГНКС, которая буквально привязывает газовый автомобиль к заправке. Количество заправок сжиженным природным газом ничтожно, этот вид газомоторного топлива сегодня представляет собой нишевой, узкоспециальный продукт. Далее, газобаллонное оборудование занимает часть полезной грузоподъемности и полезного пространства, ГБО хлопотно и накладно в обслуживании.

Технический прогресс породил такой вид двигателя, как газодизель, живущий в двух мирах: дизельном и газовом. Но как универсальное средство газодизель не реализует в полном объеме возможности ни того, ни другого мира. Нельзя оптимизировать ни процесс сгорания, ни показатели КПД, ни образование выбросов для двух видов топлива на одном двигателе. Для оптимизации газовоздушного цикла нужно специализированное средство – газовый двигатель.

Сегодня все газовые двигатели используют внешнее образование газовоздушной смеси и воспламенение от свечи зажигания, как в карбюраторном бензиновом двигателе. Альтернативные варианты – в стадии разработки. Газовоздушная смесь образуется во впускном коллекторе путем инжекции газа. Чем ближе к цилиндру происходит этот процесс, тем быстрее реакция двигателя. В идеале газ должен впрыскиваться прямо в камеру сгорания, о чем речь пойдет ниже. Сложность управления не единственный недостаток внешнего смесеобразования.

Инжекция газа управляется электронным блоком, который также регулирует угол опережения зажигания. Метан горит медленнее дизельного топлива, то есть газовоздушная смесь должна воспламеняться раньше, угол опережения также регулируется в зависимости от нагрузки. Кроме того, метану нужна меньшая степень сжатия, нежели дизельному топливу. Так, в атмосферном двигателе степень сжатия снижают до 12–14. Для атмо­сферных двигателей характерен стехиометрический состав газовоздушной смеси, то есть коэффициент избытка воздуха a равен 1, что в какой-то степени компенсирует потерю мощности от снижения степени сжатия. КПД атмосферного газового двигателя на уровне 35%, тогда как у атмосферного же дизеля КПД на уровне 40%.

Автопроизводители рекомендуют использовать в газовых двигателях специальные моторные масла, отличающиеся водостойкостью, пониженной сульфатной зольностью и одновременно высоким значением щелочного числа, но не возбраняются и всесезонные масла для дизельных двигателей классов SAE 15W-40 и 10W-40, которые на практике применяются в девяти случаях из десяти.

Турбокомпрессор позволяет снизить степень сжатия до 10–12 в зависимости от размерности двигателя и давления во впускном тракте, а коэффициент избытка воздуха увеличить до 1,4–1,5. При этом КПД достигает 37%, но одновременно значительно возрастает теплонапряженность двигателя. Для сравнения: КПД турбированного дизельного двигателя достигает 50%.

Повышенная теплонапряженность газового двигателя связана с невозможностью продувки камеры сгорания при перекрытии клапанов, когда в конце такта выпуска одновременно открыты выпускные и впускные клапаны. Поток свежего воздуха, особенно в наддувном двигателе, мог бы охлаждать поверхности камеры сгорания, снижая таким образом теплонапряженность двигателя, а также снижая нагрев свежего заряда, это увеличило бы коэффициент наполнения, но для газового двигателя перекрытие клапанов недопустимо. Из-за внешнего образования газовоздушной смеси воздух всегда подается в цилиндр вместе с метаном, и выпускные клапаны в это время должны быть закрыты во избежание попадания метана в выпускной тракт и взрыва.

Уменьшенная степень сжатия, повышенная теплонапряженность и особенности газовоздушного цикла требуют соответствующих изменений, в частности, в системе охлаждения, в конструкции распредвала и деталей ЦПГ, а также в применяемых для них материалах для сохранения работоспособности и ресурса. Таким образом, стоимость газового двигателя не так уж отличается от стоимости дизельного аналога, а то и выше. Плюс к этому стоимость газобаллонного оборудования.

Флагман отечественного автомобилестроения ПАО «КАМАЗ» серийно выпускает газовые 8-цилиндровые V-образные двигатели серий КамАЗ-820.60 и КамАЗ-820.70 размерностью 120х130 и рабочим объ­емом 11,762 л. Для газовых двигателей используют ЦПГ, обеспечивающую степень сжатия 12 (у дизельного КамАЗ-740 степень сжатия 17). В цилиндре газовоздушная смесь воспламеняется искровой свечой зажигания, установленной вместо форсунки.

Для большегрузных автомобилей с газовыми двигателями используют специальные свечи зажигания. Так, Federal-Mogul поставляет на рынок свечи с иридиевым центральным электродом и боковым электродом, выполненным из иридия или платины. Конструкция, материалы и характеристики электродов и самих свечей учитывают температурный режим работы большегрузного автомобиля, характерный широким диапазоном нагрузок, и сравнительно высокую степень сжатия.

Двигатели КамАЗ-820 оборудуют системой распределенного впрыска метана во впускной трубопровод через форсунки с электромагнитным дозирующим устройством. Газ инжектируется во впускной тракт каждого цилиндра индивидуально, что позволяет корректировать состав газовоздушной смеси для каждого цилиндра с целью получения минимальных выбросов вредных веществ. Расход газа регулируется микропроцессорной системой в зависимости от давления перед инжектором, подача воздуха регулируется дроссельной заслонкой с приводом от электронной педали акселератора. Микропроцесорная система управляет углом опережения зажигания, обеспечивает защиту от воспламенения метана во впускном трубопроводе при сбое в системе зажигания или неисправности клапанов, а также защиту двигателя от аварийных режимов, поддерживает заданную скорость автомобиля, обеспечивает ограничение крутящего момента на ведущих колесах автомобиля и самодиагностику при включении системы.

«КАМАЗ» в значительной степени унифицировал детали газовых и дизельных двигателей, но далеко не все, и многие внешне схожие детали для дизеля – коленвал, распредвал, поршни с шатунами и кольцами, головки блока цилиндров, турбокомпрессор, водяной насос, масляный насос, впускной трубопровод, поддон картера, картер маховика – не подходят для газового двигателя.

В апреле 2015 г. «КАМАЗ» запустил корпус газовых автомобилей мощностью 8 тыс. единиц техники в год. Производство размещено в бывшем газодизельном корпусе автозавода. Технология сборки следующая: шасси собирают и устанавливают на него газовый двигатель на главном сборочном конвейере автомобильного завода. Потом шасси буксируют в корпус газовых автомобилей для монтажа газобаллонного оборудования и проведения всего цикла испытаний, а также для обкатки автотехники и шасси. При этом газовые двигатели КАМАЗ (в том числе модернизированные с компонентной базой «БОШ»), собираемые на моторном производстве, также проходят испытания и обкатку в полном объеме.

«Автодизель» (Ярославский моторный завод) в содружестве с компанией Westport разработал и выпускает линейку газовых двигателей на базе семейства 4- и 6-цилиндровых рядных двигателей ЯМЗ-530. Шестицилиндровый вариант может устанавливаться на автомобили нового поколения «Урал NEXT».

Как уже говорилось выше, идеальный вариант газового двигателя – это непосредственный впрыск газа в камеру сгорания, но до сих пор мощнейшее глобальное машиностроение не создало такой технологии. В Германии исследования ведет консорциум Direct4Gas, возглавляемый компанией Robert Bosch GmbH в партнерстве с Daimler AG и Штутгартским научно-исследовательским институтом автомобильной техники и двигателей (FKFS). Министерство экономики и энергетики Германии поддержало проект суммой в 3,8 млн евро, что на самом деле не так уж много. Проект будет работать с 2015-го до января 2017 г. На-гора должны выдать промышленный образец системы непосредственного впрыска метана и, что не менее важно, технологию ее производства.

По сравнению с нынешними системами, использующими многоточечный впрыск газа в коллектор, перспективная система непосредственного впрыска способна на 60% увеличить крутящий момент на низких оборотах, то есть ликвидировать слабое место газового двигателя. Непосредственный впрыск решает целый комплекс «детских» болезней газового двигателя, принесенных вместе с внешним смесеобразованием.

В проекте Direct4Gas разрабатывают систему непосредственного впрыска, способную быть надежной и герметичной и дозировать точное количество газа для впрыска. Модификации самого двигателя сведены к минимуму, чтобы промышленность могла использовать прежние компоненты. Команда проекта комплектует экспериментальные газовые двигатели недавно разработанным клапаном впрыска высокого давления. Систему предполагается тестировать в лаборатории и непосредственно на транспортных средствах. Исследователи также изучают образование топливно-воздушной смеси, процесс управления зажиганием и образование токсичных газов. Долгосрочная цель консорциума – это создание условий, при которых технология сможет выйти на рынок.

Итак, газовые двигатели – это молодое направление, еще не достигшее технологической зрелости. Зрелость наступит, когда Bosch со товарищи создадут технологию непосредственно впрыска метана в камеру сгорания.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector