Перспективные направления совершенствования бензиновых двигателей внутреннего сгорания

Введение

История развития двигателей внутреннего сгорания (ДВС) и силовых агрегатов в целом изобилует интенсивным поиском технических решений, направленных на повышение их эффективности. Степень реализации этих решений лежит в пределах от высказывания идеи до внедрения новых технологий. Благодаря ряду последних решений значения параметров функционирования современных двигателей значительно возросли.
Первостепенной задачей конструкторов и разработчиков двигателей является улучшение мощностных, экономических и экологических параметров ДВС. При этом известно, что в основе подобных совершенствований лежит, в первую очередь, совершенствование рабочего цикла ДВС.
Расширяются исследования по использованию альтернативных видов топлива для двигателей внутреннего сгорания (природного газа, метанола, этанола, синтетического бензина, водорода и дизельного топлива из растительных масел). Применительно к условиям стран СНГ перспективным является расширение использования природного газа, этилового спирта и дизельного топлива из рапсового масла, организация производства синтетических моторных топлив на базе глубокой технологической переработки угля с водородом или с водяным паром при объединении углехимического комплекса с атомной энергетикой и дизельного топлива из рапсового масла [2].
Экономичность, экологические характеристики двигателей внутреннего сгорания определяются, в основном, уровнем доводки рабочих процессов, отличающихся сложностью процессов массообмена, теплообмена, химических реакций окисления топлива. Строгое аналитическое описание этих явлений, взаимосвязей параметров конструкции и рабочих процессов с конечными технико-экономическими показателями двигателя нереально и в обозримом будущем. Поэтому конечной целью теории двигателей внутреннего сгорания является установление на базе практического опыта создания двигателей и их эксплуатации взаимосвязей между важнейшими эксплуатационными показателями, определяющими потребительские качества двигателя (мощность, расход топлива, масса, габариты) и параметрами конструкции, рабочих процессов как на стадии проектирования и доводки двигателя, так и при модернизации выпускаемых двигателей.
Цель работы – рассмотреть современные методы совершенствования бензиновых двигателей внутреннего сгорания, их конструктивные особенности, а также последовательность их внедрения в производство.


1. Классификация способов и методов совершенствования рабочих процессов бензиновых двигателей внутреннего сгорания
Схема рабочего процесса четырёхтактного ДВС (как наиболее распространённого) показана на рисунке 1.1.

а) б) в) г)
а – впуск; б – сжатие; в – рабочий ход (расширение); г – выпуск
1 – коленчатый вал; 2 – шатун; 3 – цилиндр; 4 – поршень; 5 – выпускной клапан; 6 – распределительный вал; 7 – впускной клапан
Рисунок 1.1 - Схема рабочего процесса четырёхтактного ДВС
Рабочий процесс (цикл) четырёхтактных двигателей состоит из тактов впуска, сжатия, рабочего хода и выпуска [1]. Рабочий процесс происходит за четыре хода поршня или за два оборота коленчатого вала (720º). Рассмотрим протекание рабочего цикла бензинового двигателя.
При такте впуска поршень 4 по мере вращения коленчатого вала 1 движется от ВМТ к НМТ. Выпускной клапан 5 закрыт. Под действием разряжения (вакуума), создаваемого при движении поршня, в цилиндр 3 поступает горючая смесь (бензина и воздуха) через впускной клапан 7, открытый распределительным валом 6. Горючая смесь перемешивается с остаточными отработавшими газами, образуя при этом рабочую смесь. В конце такта впуска давление в цилиндре составляет 0,08…0,09 МПа, а температура рабочей смеси – 80…120ºС. Степень заполнения цилиндра свежим зарядом характеризуется коэффициентом наполнения. Чем выше коэффициент наполнения, тем большую мощность развивает двигатель.
Такт сжатия осуществляется при перемещении поршня от НМТ к ВМТ. Впускной и выпускной клапаны закрыты. Объём рабочей смеси уменьшается, а давление в цилиндре повышается и в конце такта сжатия составляет 0,9…1,5 МПа. Повышение давления сопровождается увеличением температуры рабочей смеси до 450…500°С.
При такте рабочего хода или расширения впускной и выпускной клапаны закрыты. Воспламенённая в конце такта сжатия от свечи зажигания рабочая смесь быстро сгорает (в течение 0,001…0,002 с). Температура и давление образовавшихся газов в цилиндре возрастают соответственно до 2200…2500°С и 4…5,5 МПа. Газы давят на поршень, он движется от ВМТ к НМТ и совершает полезную работу, вращая через шатун 2 коленчатый вал 1. По мере перемещения поршня к НМТ и увеличения объёма пространства над ним, давление в цилиндре уменьшается и в конце такта составляет 0,35…0,45 МПа. Снижается и температура газов до 900…1200°С.
Такт выпуска происходит при движении поршня от НМТ к ВМТ. Впускной клапан закрыт. Отработавшие газы вытесняются поршнем из цилиндра через выпускной клапан, открытый распределительным валом. Давление и температура в цилиндре уменьшаются и в конце такта составляют 0,1…0,12 МПа и 700…800°С. Полностью очистить цилиндры двигателя от продуктов сгорания невозможно (слишком мало времени), поэтому, при последующем впуске свежей горючей смеси, она перемешивается с остаточными отработавшими газами и называется рабочей смесью. Коэффициент остаточных газов характеризует степень загрязнения свежего заряда отработавшими газами.
Из рассмотренного рабочего процесса (цикла) следует, что полезная работа совершается только в течение одного такта – рабочего хода. Остальные три такта (впуск, сжатие, выпуск) являются вспомогательными и на их осуществление затрачивается часть энергии, накопленной маховиком двигателя при рабочем ходе [7]. Следовательно, можно назвать следующие направления оптимизации рабочего процесса ДВС:
- повышение топливной экономичности;
- снижение токсичности отработавших газов.
Для обеспечения экологических параметров необходимо, чтобы кислорода было достаточно для выгорания углеводородов топлива и недостаточно для образования окислов азота [4].
Для получения максимальной работы цикла необходимо энергию уже сгоревшего топлива подвести к рабочему органу в начале такта рабочего хода, а не в середине и не в конце, поскольку теплота, подведённая в середине такта рабочего хода, а тем более в конце хода, уже никому не нужна. Потерянная энергия составляет 47…75 % от энергии, которую может выделить топливо. Величина потерь энергии для различных типов двигателей и различных режимов их работы имеет разное деление на составляющие (таблица 1.1).
Таблица 1.1 – Составляющие потерь энергии ДВС
№ п/п Составляющая потерь энергии Величина, %
1 Неполнота сгорания 2…25
2 Забор системой охлаждения 15…30
3 Забор отработавшими газами 20…55
4 Потери от несвоевременности подвода тепла к циклу 10…15
Применительно к бензиновым двигателям внутреннего сгорания направления совершенствования рабочего цикла можно выделить конкретные способы оптимизации рабочего процесса ДВС (рисунок 1.2).

Рисунок 1.2 – Классификация способов и методов совершенствования рабочих процессов бензиновых двигателей внутреннего сгорания
Таким образом, направления совершенствования в области ДВС направлены на оптимизацию рабочего процесса ДВС с целью достижения максимальной экономичности и лучших экологических характеристик при достаточных мощности и крутящем моменте.
В следующем разделе рассмотрим конструктивные возможности совершенствования рабочих процессов двигателей внутреннего сгорания, а также основные нововведения в этой области.


2. Конструктивные возможности совершенствования рабочих процессов двигателей внутреннего сгорания
В настоящее время резервы совершенствования ДВС традиционными высокотехнологичными способами практически использованы до предела, поэтому дальнейшее совершенствование требует новых решений.
Следует отметить, что эти решения лежат не в области механики, где достигнуты коэффициенты полезного действия выше 0,9, а в области рабочих процессов двигателей, где КПД остаётся на уровне 0,25…0,53.
Поиск указанных решений можно разделить на 2 направления:
- совершенствование двигателей с «классическим циклом»;
- разработка двигателей с «неклассическим циклом».
Рассмотрим каждое направление отдельно.
Одним из решений проблемы оптимизации рабочего процесса ДВС является, например, применение системы непосредственного впрыска бензина в цилиндры (например система GDI фирмы «Мицубиси», рис

. 2.1).

Рисунок 2.1 - Распределение топливовоздушной смеси в системе GDI (а) и при обычном впрыске (б)
Впрыск бензина прямо в цилиндр позволяет управлять распределением топлива в камере сгорания, увеличивает быстроту реагирования двигателя на управляющее воздействие и обеспечивает сгорание очень бедной топливовоздушной смеси (достигается стабильное сгорание сверх бедной топливовоздушной смеси в соотношении до 40:1, тогда как топливовоздушное соотношение для нормальной системы распределённого впрыска топлива составляет от 12,5 до 15:1). Для формирования необходимого распределения топлива по камере сгорания в системе GDI используется углубление в днище поршня, которое направляет смесь топлива с воздухом дальше к свече зажигания в виде послойной топливовоздушной смеси (рисунок 2.2).

Рисунок 2.2 – Конструкция поршня в системе GDI
При этом облако топливовоздушной смеси с оптимальным для воспламенения соотношением располагается около свечи зажигания, и от него легко воспламеняется бедная топливовоздушная смесь на всем пространстве камеры сгорания. Сжигание обеднённой топливовоздушной смеси позволяет значительно снизить расход топлива как на холостом, так и на рабочем ходу [5].
Двигатель системы GDI при своей работе может использовать три вида впрыска топлива:
– впрыск топлива на такте сжатия;
– впрыск топлива на такте впуска;
– впрыск топлива на такте впуска и такте сжатия.
Все эти три вида впрыска топлива придуманы и используются для следующих целей
- уменьшения выбросов вредных веществ сгорания в атмосферу;
- повышения мощности двигателя;
- повышения экономии топлива.
Интересной разработкой является использование технология HCCI (двигатели с непосредственным впрыском и контролируемым самовоспламенением). Схема разработки показана на рисунке 2.3.

Рисунок 2.3 – Двигатель с системой HCCI
При сжатии топливовоздушной смеси до температуры воспламенения возгорание происходит не в одной точке, а сразу по всему объёму (технология HCCI предусматривает воспламенение топливовоздушной смеси в цилиндре путём её сжатия). Так как в отличие от искрового зажигания, а также от процесса сгорания в дизельном двигателе, технология HCCI позволяет реализовать высвобождение энергии топлива при низкотемпературном сгорании смеси сразу во всем объёме камеры сгорания, то все топливо, находящееся в цилиндре, сгорает одновременно. Данный процесс позволяет получить ту же мощность, что и у обычного бензинового двигателя, при меньшем расходе топлива.
Для рабочего процесса системы HCCI необходима относительно высокая температура двигателя. Поэтому в период прогрева холодного двигателя используется обычное искровое зажигание. В режиме HCCI используется обеднённая смесь, поэтому КПД такого бензинового двигателя оказывается близким к КПД дизеля, но при этом для очистки отработавших газов можно использовать только традиционные устройства (для дизелей используются дорогостоящие системы снижения токсичности отработавших газов).
Степень сжатия двигателя, использующего технологию HCCI, такая же, как у обычных бензиновых двигателей с непосредственным впрыском топлива, а в качестве топлива могут быть использованы уже имеющиеся в продаже сорта бензина. С точки зрения разработчиков системы, наиболее трудоёмкой задачей, решаемой при создании технологии HCCI, является управление процессом сгорания. Так, если при использовании искрового зажигания для этого могут использоваться угол опережения зажигания и интенсивность искрового разряда, то при использовании технологии HCCI, где при сгорании отсутствует факел пламени, для того, чтобы добиться требуемых характеристик двигателя приходится осуществлять сложное синхронное регулирование состава смеси и температуры.
Для обеспечения оптимальных мощностных параметров двигателя, высокой экономичности и снижения токсичности отработавших газов ведущими автопроизводителями мира также применяется регулировка фаз газораспределения. В настоящее время она реализуется двумя способами: сдвигом фаз и масштабированием (в виде изменения подъёма клапана).
Конструктивно сдвиг фаз реализуется проще, но он менее эффективен в плане увеличения мощности и может быть реализован только в схемах с двумя распределительными валами.
Система автоматического изменения фаз газораспределения с помощью поворота распределительного вала показана на рисунке 2.4 [8].

Рисунок 2.4 - Система автоматического изменения фаз газораспределения с помощью поворота распределительного вала
На впускном (аналогично и на выпускном) распределительном валу расположена гидромуфта, которая под контролем блока управления поворачивает его на заданный угол, тем самым, изменяя фазу газораспределения. Весь механизм установлен на головке блока цилиндров, снизу к нему подходят масляные каналы системы смазки двигателя для управления обоими гидромуфтами. На корпусе механизма установлены два электрогидравлических распределителя, которые и обеспечивают подвод масла к муфте.
Сама система устроена таким образом, что в блок управления поступают основные сигналы параметров двигателя: частота вращения двигателя, расход воздуха и его температура, температура охлаждающей жидкости, данные с датчиков Холла установленных на механизме газораспределения. На основании этих данных блок управления посылает сигналы электрогидравлическим распределителям, которые в свою очередь управляют самой гидромуфтой, под действием давления масла в системе смазки автомобиля (рисунок 2.5).

Рисунок 2.5 – Структурная схема системы автоматического изменения фаз газораспределения с помощью поворота распределительного вала
Из двигателей, работающих по «неклассическому циклу» стоит отметить двигатель Скудери, разрабатываемый американской компанией «Scuderi Group» [12]. Схема двигателя показана на рисунке 2.6.

Рисунок 2.6 – Схема двигателя Скудери
Цикл осуществляется в парных сообщающихся цилиндрах, в которых движутся поршни с фазовым смещением кривошипов друг относительно друга.
Смещение кривошипов, за счёт совместного движения поршней в районах мёртвых точек, позволяет получить такой закон изменения суммарного рабочего объёма цилиндров, при котором время минимального и максимального суммарных объёмов как бы удлиняется (аналогично выстою поршня в верхней и нижней мёртвых точках).
Это дополнительное время при постоянном объёме позволяет более полно сжечь топливо до такта рабочего хода. А особым способом осуществляемое смесеобразование, использующее потоки воздуха при перетекании из одного цилиндра в другой для турбулизации заряда, позволяет более качественно и быстро произвести смесеобразование.
Дальнейшим развитием рабочего процесса вышеуказанного двигателя является двигатель американца Джона Заджака (John Zajac), разрабатываемый фирмой «Zajac Motors» (рисунок 2.7).

Рисунок 2.7 - Схема двигателя Джона Заджака
В нем уже в полной мере реализован принцип отделённого процесса сгорания, позволяющего произвести наиболее полное и экологически чистое сжигание топлива. Основные недостатки этого двигателя те же, что и у двигателей Скудери - существенное усложнение конструкции двигателя; снижение его механического КПД за счёт дополнительных узлов и газодинамических потерь при перетекании большого объёма газов в сообщающихся цилиндрах