Ignition of poor fuel-air mixtures in gasoline-driven ICEs - problems, solutions

Full Text

Введение Постоянный рост мирового автомобильного парка и ухудшение экологии атмосферы заставляет правительства разных стран ужесточать законодательные ограничения на выброс вредных веществ с отработавшими газами двигателя и повышать энергоэффективность новых автомобилей и силовых транспортных установок. За последние десять лет предельно допустимые нормы на выброс вредных веществ в Европе были значительно уменьшены. В настоящее время на территории России действуют нормы уровня выбросов вредных веществ Евро-5, а на территории ЕЕС уже действуют нормы Евро-6. Выполнение этих норм заставляет производителей активно искать новые пути совершенствования конструкции автомобилей. Уделяется большое внимание развитию технологий в области совершенствования рабочего процесса ДВС, применению на автомобилях электропривода, повышению эффективности процессов нейтрализации вредных веществ продуктов бедного сгорания в ДВС. В искровых ДВС работа на бедных смесях встречает трудности, в частности, из-за специфики работы свечи зажигания и по ряду других причин [1, 2]. На воспламенение бедных топливно-воздушных смесей оказывают влияние определенные закономерности, которые показывают, что рассматриваемый процесс, с одной стороны, зависит от величины начального воспламеняемого объема и термодинамического состояния смеси, а с другой стороны, определяется энергией искрового разряда, энергией, выделяемой в процессе воспламенения смеси. Эти закономерности оказывают сильное влияние на пределы обеднения топливно-воздушных смесей и скорость сгорания при искровом воспламенении. Энергия свечи зажигания и условия ее подведения к зоне воспламенения топливо-воздушной смеси не позволяют создать большой начальный очаг горения, который мог обеспечить быстрое развитие процесса горения. Вследствие этого увеличение энергии разряда в традиционных искровых ДВС не приводит к улучшению процесса воспламенения и показателей ДВС. Однако проблема интенсификации воспламенения бедных смесей в ДВС в настоящее время сохраняет свою значимость и актуальность. Ранее нами было показано, что при интенсификации сгорания бедных смесей в ДВС применением системы лазерного зажигания существенно улучшается процесс развития первичного очага воспламенения за счет объемного воспламенения топливо-воздушного заряда, что способствует бурному развитию процесса воспламенения и последующего сгорания [3, 4]. Сгорание бедных смесей обеспечивает низкое содержание выбросов вредных веществ с отработавшими газами ДВС и улучшение топливной экономичности. Цель исследования Целью исследования являлось исследование особенностей воспламенения и сгорания расслоенного топливо-воздушного заряда в камере сгорания бензинового ДВС, а также исследование возможности снижения выбросов вредных веществ в отработавших газах при работе ДВС на бедной расслоенной смеси. Воспламенение бедных топливо-воздушных смесей при расслоении топливо-воздушного заряда в камере сгорания Одним из направлений решения проблемы воспламенения бедных топливо-воздушных смесей является способ расслоения топливо-воздушного заряда в камере сгорания ДВС. Еще в 80-х гг. прошлого века для этих целей на серийных бензиновых двигателях легковых автомобилей применяли форкамерно-факельное зажигание. Следует сказать, что данный процесс воспламенения был известен и ранее, еще на стадии развития двигателей. Конструкция камеры сгорания с форкамерно-факельным зажиганием предусматривает разделение рабочего заряда на обогащенную смесь в форкамере, где установлена свеча зажигания и впускной клапан, и обедненную - в основной камере. Процесс сгорания осуществлялся за счет выбрасывания в основную камеру сгорания ДВС огненного факела продуктов сгорания богатой смеси из форкамеры. В результате смесь воспламеняется одновременно в ряде точек. Объемное воспламенение приводит к тому, что в основной камере обедненная смесь способна гореть с высокими скоростями. Такой факел мог поджигать бедную смесь на серийных ДВС с коэффициентом избытка воздуха α=1,6. Воспроизводимость воспламенения бедных смесей и скорость их сгорания оказываются исключительно высокими. В отличие от искрового зажигания, при котором уже при α =1,25 значения удельных расходов топлива начинают резко возрастать, у факельного зажигания значения минимума индикаторного расхода топлива gi и соответственно индикаторного КПД достигают при α =1,6 и с дальнейшем обеднением увеличивается незначительно. Недостатком данного двигателя являлась его неустойчивая работа на режимах близких к полному дросселю вследствие влияния обедненной смеси основной камеры на форкамеру в процессе движения поршня при сжатии смеси. Смесь из основной камеры на режимах близких к полному дросселю попадала в форкамеру и сильно обедняла состав топливо-воздушной смеси форкамеры. Это приводило к пропускам воспламенения зажигания в форкамере. Если эту проблему можно было конструктивно решить, то отсутствие работоспособного кислородного датчика обратной связи и невозможность установки трехкомпонентных нейтрализаторов поставили форкамерно-факельный двигатель в разряд неперспективных. Следует сказать, что заложенные резервы данного способа воспламенения топливо-воздушных смесей не были в то время использованы в полной мере и по ряду других причин серийное производство такого двигателя было свернуто. Доработка одним из автором данной статьи поверхности камеры сгорания ДВС у распыливающих отверстий в форкамере показала возможность решения обозначенной выше проблемы и реализации заложенных резервов форкамерно-факельного зажигания на данном двигателе. Рис. 1. Регулировочные характеристики по составу смеси форкамерного ДВС (Vh = 2,45 л) На рис. 1 приведены результаты испытаний форкамерно-факельного ДВС (Vh = 2,45л), которые показали возможность использования качественного регулирования мощности на данном типе двигателя за счет работы на бедных смесях, значительного снижения выбросов вредных веществ с отработавшими газами (ОГ) и расхода топлива. На рис. 1 показаны регулировочные характеристики по составу смеси ДВС при полном дросселе и прикрытом, разряжение за дросселем ΔРк = 0,013 МПа. Частота вращения коленчатого вала ДВС соответствовала режиму работы характерному для городского цикла движения (п = 2000 мин-1). Следует отметить, что наряду с модернизируемой камерой сгорания ДВС в исследованиях использовалась электронная искровая система зажигания с повышенной энергией разряда (Ер = 60 мДж) и система гомогенного смесеобразования (ЭСФВЭ-90), разработанная проф. д.т.н. Ю.Б. Свиридовым в лаборатории ЛенКАРЗа. Это позволило ДВС работать на сверхбедных смесях с α = 3,5 при устойчивом сгорании топливо-воздушных смесей. Только при α > 2,0, как видно из рис. 1, наблюдался линейный рост углеводородов в ОГ ДВС. Для анализа СН использовался быстродействующий пламенно-ионизационный газоанализатор с непосредственным отбором проб из отработавших газов ДВС. Концентрации СН определяются температурой пристеночных слоев смеси, где происходит ее неполное сгорание, а линейный ее рост при обеднении смеси объясняется постепенным снижением температуры в камере сгорания ДВС и, соответственно, ростом пристеночного у камеры сгорания топливо-воздушного несгораемого слоя. По данным исследований [3] толщина пристеночного слоя, или как еще ее называют зона гашения пламени, составляет 2 мм, и при снижении температуры в камере сгорания она постепенно увеличивается. Следует отметить зависимость снижения концентраций NOx при небольшом дросселировании топливо-воздушного заряда и возможность значительного обеднения смеси при этом. Этот эффект, как будет показано ниже, используется на современных бензиновых ДВС зарубежных фирм с принудительным воспламенением смеси. Снижение концентраций NOx, как известно, определяется температурой сгорания топливо-воздушной смеси, а максимальное их значение наблюдается при α = 1,1. Концентрации СО в ОГ ДВС находились на минимальном уровне и составляли десятые доли процентов при работе двигателя на бедных смесях. Низкие концентрации ВВ снижают требования к эффективности нейтрализатора. В России, несмотря на полученные положительные результаты исследований, работы по модернизации форкамерно-факельным ДВС из-за состояния технологии и производства того уровня были прекращены. Конструктивные решения, предложенные в пошлом веке, не смогли конкурировать с более простым искровым зажиганием. Однако на современном этапе развития научно-технического прогресса, внедрения передовых достижений в двигателестроении в зарубежных странах они уже успешно реализованы в другом исполнении. Новые технологии воспламенения бедных топливо-воздушных смесей в ДВС В настоящее время процесс сгорания бедных смесей осуществляется благодаря появившимся технологиям непосредственного электронного впрыска топлива в камеру сгорания под высоким давлением и каталитической нейтрализацией продуктов сгорания бедных смесей. Ведущими зарубежными фирмами серийно выпускаются двигатели, работающие на бедной расслоенной смеси практически без дросселирования заряда на впуске, обеспечивающие снижение расхода топлива и соответственно выбросов СО2 на 25% (до 40% на отдельных режимах) [5]. Это достигается благодаря и высокой степени сжатия (ε = 10…12), которая позволяет работать двигателю практически без дросселирования. Эти факторы также существенно уменьшают тепловые потери и потери на газообмен. За счет охлаждения заряда при испарении топлива в цилиндре ДВС увеличивается коэффициент наполнения и мощность, а также улучшаются антидетонационные качества двигателя, что позволяет ему работать со степенями сжатия ε = 11…11,5 при высоких значениях индикаторного КПД. Процесс сгорания бедных смесей за счет расслоения заряда в камере сгорания ДВС зарубежные фирмы решают различными способами. В ультрабедном варианте ДВС достигается эффективное сгорание на топливо-воздушных смесях с α < 1,7. Следует сказать, что сложность формирования расслоенного заряда у свечи зажигания (богатая смесь) и (бедная) по объему камеры сгорания заключается в различии динамики топлива и воздуха в широком диапазоне режимов работы ДВС. В одном случае (серийные двигатели «Рено» и опытные ДВС фирмы «Мерседес-Бенц») она решается установкой свечи зажигания вблизи топливной форсунки, так чтобы электроды свечи находились у края впрыскиваемого топливного факела. В других случаях, в четырехклапанных ДВС свечу устанавливают в центре камеры сгорания, а форсунку на периферии под впускным клапаном [5]. Формирование расслоенного заряда у свечи зажигания (богатая смесь) и (бедная) по объему камеры сгорания обеспечивается за счет динамики топлива и воздуха в широком диапазоне режимов работы ДВС. Для расслоения смеси применяют интенсивный вихрь на впуске, который создают специально спрофилированные впускные каналы. Такую схему применяют «Мицубиси», «Тойота», «Нисан», «Ситроен». На двигателях фирмы «Нисан» проблему работы двигателя в области гомогенного и расслоенного сгорания удалось решить за счет регулирования интенсивности вихря на впуске с помощью индивидуальных заслонок, установленных во впускном тракте между головкой цилиндров и впускной трубой. На двигателях «Мицубиси» - за счет регулирования расхода воздуха (интенсивности вихря) байпасным элекромагнитным клапаном на входе во впускную трубу. В другом варианте расслоение обеспечивается за счет применения позднего (на такте сжатия) впрыска топлива не на поршень, а ближе к центру камеры сгорания. Отсюда обогащенный топливом заряд переносится к свече зажигания с помощью внутрицилиндрового течения. Двойной впрыск обеспечивает регулирование расслоения заряда и позволяет исключить пропуски воспламенения зажигания при изменении режимов работы ДВС. Первая порция топлива двойного впрыска впрыскивается на такте впуска, вторая - на такте сжатия, формируя расслоение заряда в цилиндре (автомобили «Тойота») [5]. Одной из главных проблем для ДВС, работающего на бедной смеси, является работа нейтрализатора с продуктами бедного сгорания. В настоящее время существует несколько способов нейтрализации NOx ДВС: селективно-восстановительный, накопительный (адсорбционный) нейтрализаторы и др. Первый тип использует фирма «Мицубиси», а второй - «Тойота». Селективно-восстановительный катализатор использует углеводороды ОГ для восстановления NOx и действует непрерывно. Накопительный катализатор действует циклически. Он адсорбирует NOx в течение минуты и генерирует накопленные NOx довольно быстро (за несколько секунд) в азот, когда двигатель работает на стехиометрической или богатой смеси. Накопительный катализатор наиболее эффективен в температурном дипазоне 250…450 оС, обеспечивая максимальный коэффициент конверсии NOx на уровне 90% смесей [6]. При длительной работе на бедных смесях катализатор необходимо регулярно очищать от накопленных NOx контролируемой подачей ОГ от богатых смесей. Снижение NOx обеспечивает также и рециркуляция отработавших газов. Заключение Проведенные исследования показали, что сгорание обедненных смесей при расслоении топливо-воздушных смесей в ДВС обеспечивает низкое содержание выбросов вредных веществ с отработавшими газами ДВС и существенно улучшает топливную экономичность ДВС. Данный процесс также дает возможность использования качественного регулирования мощности на двигателе в широком диапазоне нагрузок за счет устойчивой работы ДВС на бедных смесях. Практическое использование этого способа стало возможным благодаря новым технологиям непосредственного электронного впрыска топлива в камеру сгорания под высоким давлением и каталитической нейтрализации продуктов сгорания бедных смесей расслоенного заряда в камере сгорания ДВС.

About the authors

E. A Egorushkin

Moscow Technological University

PhD in Engineering

A. V Shabanov

NAMI’s Testing Centre

Email: saaha-1955@mail.ru
PhD in Engineering

A. A Shabanov

Moscow Polytechnic University

References

Supplementary files