Как происходит воспламенение рабочей смеси в дизельном двигателе: Принцип работы и устройство дизельного двигателя

Содержание

Как это работает: дизельный двигатель. Часть 1.

дизельный двигатель принцип работы    В самом первом выпуске рубрики «Как это работает», мы рассказывали про основные типы двигателей, их историю, обозначили преимущества и недостатки каждого типа, а так же в общем рассмотрели их принцип работы. Теперь самое время углубиться в нюансы работы одного из самых распространенных, но малопонятных — дизельных двигателей.




    Опишем его работу в двух статьях. Итак, в первой части Вы вспомните основы работы дизеля и узнаете про разделенные и неразделенные камеры сгорания (непосредственный впрыск).


 


 


 


    На первый взгляд дизельный двигатель почти не отличается от обычного бензинового — те же цилиндры, поршни, шатуны. Главные и принципиальные отличия заключаются в способе образования и воспламенения топливо-воздушной смеси. В карбюраторных и обычных инжекторных двигателях приготовление смеси происходит не в цилиндре, а во впускном тракте. В бензиновых двигателях с непосредственным впрыском смесь образуется так же как и в дизелях — непосредственно в цилиндре. В бензиновом моторе топливо-воздушная смесь в цилиндре воспламеняется в нужный момент от искрового разряда. В дизеле же топливо воспламеняется не от искры, а вследствие высокой температуры воздуха в цилиндре.


 


 


    Рабочий процесс в дизеле происходит следующим образом: вначале в цилиндр попадает чистый воздух, который за счет большой степени сжатия (16-24:1) разогревается до 700-900°С. Дизтопливо впрыскивается под высоким давлением в камеру сгорания при подходе поршня к верхней мертвой точке. А так как воздух уже сильно разогрет, после смешивания с ним происходит воспламенение топлива. Самовоспламенение сопровождается резким нарастанием давления в цилиндре — отсюда повышенная шумность и жесткость работы дизеля (в последующем будет рассказано, как эти показатели снизили).


 


 



 


 


 


    Такая организация рабочего процесса позволяет использовать более дешевое топливо и работать на очень бедных смесях, что определяет более высокую экономичность. Дизель имеет больший КПД (у дизеля – 35–45%, у бензинового – 25–35%) и крутящий момент. К недостаткам дизельных двигателей обычно относят повышенную шумность и вибрацию, меньшую литровую мощность и трудности холодного пуска. Но описанные недостатки относятся в основном к старым конструкциям, а в современных эти проблемы уже не являются столь очевидными.


 


 


    Особенности:


 



Свечи накаливания в дизельных двигателях

     Как уже отмечалось, конструкция дизельного двигателя подобна
конструкции бензинового двигателя. Однако аналогичные детали у дизеля
существенно усилены, чтобы воспринимать более высокие нагрузки — ведь
степень сжатия у него намного выше (16-24 единиц против 9-11 у
бензинового). Характерная деталь в конструкции дизелей — это поршень. Форма днища поршней у дизелей определяется типом камеры сгорания, поэтому по форме легко определить, какому двигателю принадлежит данный поршень. Во многих случаях днище поршня содержит в себе камеру сгорания.
Днища поршней находятся выше верхней плоскости блока цилиндров, когда
поршень находится в верхней точке своего хода. Так как воспламенение
рабочей смеси осуществляется от сжатия, в дизелях отсутствует система
зажигания, хотя свечи могут применяться и на дизеле. Но это не свечи
зажигания, а свечи накаливания, которые предназначены для подогрева
воздуха в камере сгорания при холодном пуске двигателя.

 
 


 

    Технические и экологические показатели автомобильного дизельного двигателя в первую очередь зависят от типа камеры сгорания и системы впрыскивания топлива.


 


 


 


    Типы камер сгорания:


 

    Форма камеры сгорания значительно влияет на качество процесса смесеобразования, а значит и на мощность и шумность работы двигателя. Камеры сгорания дизельных двигателей разделяются на два основных типа: неразделенные и разделенные.




     Раньше на рынке легкового машиностроения доминировали дизели с разделенными камерами сгорания. Впрыск топлива в этом случае осуществляется не в надпоршневое пространство, а в специальную камеру сгорания, выполненную в головке блока цилиндров. При этом различают два процесса смесеобразования: предкамерный (его еще называют форкамерным) и вихрекамерный.


 


 

дизельный двигатель принцип работы


 


    При форкамерном процессе топливо впрыскивается в специальную предварительную камеру, связанную с цилиндром несколькими небольшими каналами или отверстиями, ударяется об ее стенки и перемешивается с воздухом. Воспламенившись, смесь поступает в основную камеру сгорания, где и сгорает полностью. Сечение каналов подбирается так, чтобы при ходе поршня вверх (сжатие) и вниз (расширение) между цилиндром и форкамерой возникал большой перепад давления, вызывающий течение газов через отверстия с большой скоростью.


 


    Во время вихрекамерного процесса сгорание также начинается в специальной отдельной камере, только выполненной в виде полого шара. В период такта сжатия воздух по соединительному каналу поступает в предкамеру и интенсивно закручивается (образует вихрь) в ней. Впрыснутое в определенный момент топливо хорошо перемешивается с воздухом.




    Таким образом, при разделенной камере сгорания происходит как бы двухступенчатое сгорание топлива. Это снижает нагрузку на поршневую группу, а также делает звук работы двигателя более мягким. Недостатком дизельных двигателей с разделенной камерой сгорания являются: увеличение расхода топлива вследствие потерь из-за увеличенной поверхности камеры сгорания, больших потерь на перетекание воздушного заряда в дополнительную камеру и горящей смеси обратно в цилиндр. Кроме того, ухудшаются пусковые качества.




    Дизельные двигатели с неразделенной камерой называют также дизелями с непосредственным впрыском. Топливо впрыскивается непосредственно в цилиндр, камера сгорания выполнена в днище поршня. До недавнего времени непосредственный впрыск использовался на низкооборотистых дизелях большого объема (проще говоря, на грузовиках). Хотя такие двигатели экономичнее моторов с разделенными камерами сгорания, их применение на небольших дизелях сдерживалось трудностями организации процесса сгорания, а также повышенными шумом и вибрацией, особенно в режиме разгона.


 


    Тем не менее, трудности были решены и система непосредственного впрыска открыла «второе дыхание» для дизельных двигателей. Подробности об этом будут в следующей части.


 

При каком давлении воспламеняется качественное дизельное топливо

Воздух, поступающий в цилиндр дизельного движка, сильно сжимается, поэтому температура в камере начинает превышать величину температуры воспламенения. При каком давлении воспламеняется дизельное топливо?

До того, как поршень достигнет «мертвой точки», в камеру впрыскивается дизтопливо и под давлением моментально воспламеняется. Если объем впрыснутого топлива велик для определенного объема камеры сгорания, то в цилиндре образуется ударная волна, которая вызывает детонацию.

Принцип работы дизельного двигателя

В дизеле сначала воздух подается в цилиндр и сжимается, без подачи топлива. Высокая степень сжатия (от 14:1 до 24:1) вызывает повышение температуры (800-900 градусов – температура самовоспламенения ДТ) . После нагрева воздуха в камеру впрыскивается топливо через форсунки под давлением от 10 до 220 Мпа, в зависимости от типа двигателя и объема камеры. При высокой температуре воздуха впрыснутое топливо мгновенно воспламеняется.

Воспламенение ДТ в цилиндре дизельного мотора – это одновременное возникновение очагов пламени в конкретном объеме смеси, поступившей в камеру сгорания. Центры возникновения очагов пламени – зоны смешения паров воздуха и паров топлива.

Жесткая работа двигателя вызывается быстрым (детонирующим) сгоранием топлива. Объем быстро сгорающего ДТ и скорость нарастания давления зависят от длительности периода задержки воспламенения. Чем ниже цетановое число, тем длительнее период задержки воспламенения.

Четырехтактные дизельные двигатели

Принцип работы четырехтактного двигателя состоит из нескольких циклов:

  • Первый цикл – впуск в цилиндр воздуха через впускной клапан.
  • Второй цикл – сжатие набранного объема воздуха в 18 – 22 раза. В коне такта давление под поршнем, достигшем верхней мертвой точки, 40 кг/см2. При этом температура повышается до 500 градусов и выше.
  • Третий цикл – в камеру через форсунки впрыскивается под давлением ДТ, которое самовоспламеняется, так как температура сжатого воздуха предельна.
  • Сгорая, ДТ расширяется и давление в камере увеличивается. Под давлением поршень перемещается к нижней мертвой точке и поворачивает коленвал (через шатун). При рабочем ходе давление в цилиндре – 100 кг\см2.
  • Четвертый цикл – выпуск отработанных газов, который освобождает цилиндр.

Цетановое число напрямую влияет на плавную и бесперебойную работу дизельного двигателя. На сегодня нормативами установлен предельный размер цетанового числа – 51, не ниже.

Компания «ExpressDiesel» является дилером крупнейших НПЗ северо-западного региона России. У нас всегда можно прибрести качественное сертифицированное ДТ по лучшим ценам в регионе.

Образование смеси в дизельных двигателях | Автомобильный справочник

 

Отличительной особенностью дизельных дви­гателей является отсутствие внешних источ­ников зажигания. Исключение необходимости в них достигается за счет впрыска способного к воспламенению топлива в сильно сжатый и, следовательно, горячий воздух. Высокие конечные значения давлений и температур, свыше 600 °С и 100 бар на двигателях с турбо­наддувом обеспечивают чрезвычайно ровную работу двигателя. Образование смеси в дизельных двигателях, испарение, смешивание и последующее сгорание топлива могут происходить в течение очень короткого периода времени.

 

Содержание

 

Образование смеси в дизельных двигателях

 

Процесс смесеобразования в основном опре­деляется взаимодействием впрыскиваемой струи топлива с полем воздушного потока в камере сгорания. Здесь проблема заключа­ется в быстром впрыске и приготовлении от­носительно больших масс топлива, до 200 мг на литр рабочего объема. Типичная продол­жительность впрыска составляет около 1 мс. Термин, используемый в отношении массо­вого расхода топлива, поступающего в камеру сгорания, — скорость впрыска (единица измерения: кг/с). Впрыск топлива, как правило, осуществляется форсунками с несколькими отверстиями.

Обычно используется комбинация отвер­стий диаметром от 120 до 150 мкм. Быстрому впрыску топлива и смесеобразованию способ­ствуют малый диаметр отверстий и высокое давление впрыска, достигающее 2000 бар.

Вначале диаметр струи топлива равен диа­метру отверстия. Однако, пройдя несколько миллиметров, струя распадается на отдель­ные капли, которые взаимодействуют с полем потока. Жидкая фаза струи топлива, в зави­симости от плотности рабочей среды, может проникать в камеру сгорания на несколько сантиметров, прежде чем она будет полностью атомизирована или испарится (см. рис. «Распространение струи топлива и смесеобразование в дизельных двигателях» ).

Образованию капель топлива и его ис­парению способствует турбулентность. В со­временных дизельных двигателях более 80% турбулентности в области образования струи топлива генерируется за счет впрыска топлива. Развитию турбулентности способствует движе­ние заряда топлива, причем на дизельных дви­гателях с плоской головкой блока цилиндров преобладают горизонтальные завихрения. До­полнительный вклад могут вносить воздушные потоки, вызываемые сжатием, и направлен­ные от наружной области камеры сгорания к внутренней (“потоки сжатия”) или такая кон­струкция камеры сгорания, в которой, напри­мер, контакт с горячей областью углубления в поршне, способствующий испарению.

Системы прямого впрыска топлива за несколько последних десятилетий продемонстрировали свои преимущества по сравнению с системами непрямого впрыска, такими как системы с вих­ревой камерой или форкамерой. В системах с непрямым впрыском топлива подготовка то­плива в основном осуществляется за счет фор­мирования локального потока в предкамере.

 

 

 

Процесс сгорания в дизельных двигателях

 

Процесс сгорания топлива в дизельном дви­гателе отличается от процесса в двигателе с искровым зажиганием степенью сжатия и за­жиганием. В целом процесс сгорания топлива в дизельном двигателе можно описать как три последовательных процесса: задержка зажи­гания: сгорание предварительно приготовлен­ной смеси и сгорание с контролем смесеобра­зования. В зависимости от рабочего состояния и диапазона эти процессы имеют различные временные составляющие (см. рис. «Сгорание топлива в дизельном двигателе» ).

 

Задержка зажигания относится к периоду времени между началом впрыска топлива и началом фактического процесса сгорания. В основном она определяется температурой в цилиндре, давлением в цилиндре и воспламе­няемостью топлива. На стадии задержки за­жигания проходят процессы смесеобразова­ния и первых, предварительных химических реакций топливовоздушной смеси. Задержка зажигания увеличивается, когда двигатель не прогрет или при использовании топлива пло­хого качества с низким цетановым числом.

 

Влияние давления в цилиндре менее значи­тельно, по сравнению с влиянием темпера­туры. Однако, увеличение давления также несколько снижает величину задержки за­жигания. Топливо, впрыснутое в течение за­держки зажигания, пока что не сгорает. Вели­чина задержки зажигания может составлять от 0,1 мс при работе двигателя в диапазоне номинальной выходной мощности до более 10 мс после пуска холодного двигателя.

Продолжительность задержки зажигания определяет процесс сгорания предвари­тельно приготовленной смеси. Чем продолжительнее задержка зажигания, тем больше топлива смешивается в воспламеняемой форме. Эта масса топлива может превышать 20 мг на один литр рабочего объема. Горе­ние, как правило, начинается на краю струи топлива, где топливо очень хорошо переме­шано с воздухом, и, следовательно, имеют место оптимальные для горения условия в отношении температуры и λ. В резуль­тате экзотермической реакции происходит местное повышение температуры до более чем 2300 К, которое быстро инициирует за­жигание еще несгоревшего, предварительно смешанного с воздухом топлива. При этом скорость горения определяется происходя­щими химическими реакциями. Самоускоряющаяся цепная реакция вызывает чрезвы­чайно быстрое сгорание топлива с высокими градиентами возрастания давления. По этой причине масса предварительно смешанного, преобразованного топлива на дизельных двигателях должна быть как можно меньше. Это обычно достигается путем предваритель­ного впрыска топлива, локальное сгорание которого вызывает начальное повышение температуры, снижающее эффект задержки зажигания топлива на стадии последующего основного впрыска.

Количество предварительно смешанного топлива может составлять от менее 1 % в диапазоне полной нагрузки до 100 % в диапазоне минимальной нагрузки. Остальное топливо сгорает в режиме контроля смеси. В отличие от сгорания предварительно смешанного топлива, во время сгорания в режиме контроля смеси, также называе­мого диффузионным сгоранием, скорость преобразования топлива определяется про­цессом переноса кислорода в зону горения. При этом трудно разделить зоны сгоревшего и несгоревшего топлива, поскольку четко определенный фронт пламени отсутствует. В основном диффузионное пламя устанав­ливается на краю струи, в ограниченном диапазоне, при 0,8<λ<1,4. При изменении граничных условий (например, условий даль­нейшего испарения топлива, переноса кисло­рода, контакта со стенками цилиндра) зона реакции также сдвигается в ту сторону, где преобладают локальные стехиометрические условия (см. рис. «Процесс сгорания в режиме контроля смеси» )

Сгорание в режиме контроля смеси преоб­ладает в диапазоне высоких нагрузок, когда имеет место впрыск большого количества топлива. Здесь процессы смесеобразования и сгорания протекают параллельно. Так же как при сгорании предварительно смешан­ного топлива, на скорость преобразования может оказывать влияние процесс впрыска. Меньшее, однако также ускоряющее влияние оказывают повышение температуры и давления, а также снижение содержания инертных газов. Доминирующими факторами явля­ются смесеобразование и перенос кислорода в зону горения за счет высокой локальной турбулентности.

По этой причине интенсивность турбу­лентности является определяющей пере­менной величиной в процессах сгорания топлива в дизельных двигателях. Турбу­лентность способствует созданию высоких давлений впрыска с высокой кинетической энергией струи топлива, которая в дальней­шем преобразуется в турбулентную кинети­ческую энергию. Локальная турбулентность вызывает быстрый перенос кислорода в ло­кальные зоны реакций. Это явление также поддерживается движением заряда топлива в цилиндре (горизонтальные завихрения, потоки сжатия), однако основной вклад осуществляется импульсом впрыскиваемой струи топлива. Так же как повышение давле­ния впрыска, можно рассмотреть целесоо­бразность увеличения диаметра отверстий. Однако увеличение скорости впрыска при­водит в основном к локальному переобогащению смеси, что отрицательно влияет на преобразование топлива.

 

 

Характеристики сгорания топлива в дизельных двигателях

 

Холодный пуск дизельных двигателей пред­ставляет собой особую проблему, в особен­ности при температурах наружного воздуха ниже -10 °С. При частоте проворота двигателя стартером менее 100 мин-1 большая часть за­ряда топлива просачивается через поршневые кольца вовремя относительно медленной фазы сжатия. Кроме того, низкая температура в цилиндре увеличивает тепловые потери че­рез стенки. Результатом являются низкие пи­ковые давления (ниже 30 бар) и, в зависимо­сти от температуры наружного воздуха, низкие пиковые температуры (ниже 400 °С).

Испарение топлива в положении верх­ней мертвой точки вызывает дальнейшее охлаждение. Это приводит к очень большим задержкам зажигания. В крайних случаях зажигание вообще может отсутствовать, и топливо может накапливаться в цилиндре на протяжении нескольких рабочих ци­клов. Его зажигание после нескольких ра­бочих циклов, вследствие большой массы накопленного топлива, может приводить к созданию очень больших пиковых давлений свыше 150 бар.

Поскольку фаза холодного пуска не обе­спечивает времени, достаточного для над­лежащего гидродинамического образования пленки смазочного масла в опорных точках коленчатого вала, это оказывает негативное влияние на механические системы двига­теля. Отсюда следует, что облегчить процесс холодного пуска могут такие меры, как по­догрев поступающего в двигатель воздуха, смазочного масла или охлаждающей жидко­сти. Последнее, так же как повышение тем­пературы в камере сгорания, снижает трение в двигателе, что дает увеличение скорости проворота двигателя стартером.

С еще одним явлением приходится стал­киваться во время работы при очень высо­ких температурах наружного воздуха или на высоте более 1000 м над уровнем моря. Поскольку воздух имеет более низкую плот­ность, масса находящегося в цилиндре воздуха уменьшается. Вначале это не оказывает существенного влияния на процесс сгорания топлива. Однако, уменьшение количества избыточного воздуха вызывает повышение температуры отработавших газов.

Это явление также имеет место на двигате­лях с турбонаддувом. Поэтому необходимой мерой, прежде всего при работе на большой высоте, может быть снижение нагрузки.

По истечении периода приработки на ди­зельных двигателях наблюдается падение мощности порядка 1-3%. Причина этого заключается в системе впрыска топлива. Отложения нагара в топливных форсунках вызывают некоторое уменьшение диаметра отверстий форсунок, что приводит к сниже­нию массового расхода и, следовательно, к потере мощности. Эти отложения могут быть вызваны, например, высоким содержанием в дизельном топливе меди, цинка или иных загрязняющих веществ.

 

 

Образование токсичных продуктов и снижение содержания токсичных продуктов в выбросах дизельных двигателей

 

В отличие от двигателей с искровым зажига­нием, оборудуемых каталитическими нейтра­лизаторами отработавших газов, работаю­щими при λ = 1, значительно снижающими количество выбросов, в отношении дизель­ных двигателей значительно большее значе­ние имеет снижение образования токсичных продуктов в самом двигателе. Кроме продук­тов горения топлива, присущих двигателям с искровым зажиганием, таким как СO2, Н2O, NOx, НС и СО, следует также учитывать вы­бросы сажи и твердых частиц.

Для снижения содержания оксидов азота в выбросах полезны меры, направленные на снижение температуры сгорания топлива. Это может быть сделано посредством сниже­ния концентрации кислорода в зоне горения. Температуру горения топлива также можно очень легко снизить, сдвинув момент зажи­гания в сторону запаздывания или снизив давление впрыска топлива.

Снижение давления впрыска топлива или концентрации кислорода, как правило, вы­зывает увеличение содержания в выбросах сажи. Образование сажи является сложным процессом, зависящим как от гидродинами­ческих, так и термодинамических граничных условий. Вначале значительное количество сажи образуется в зонах локального обогаще­ния смеси (λ < 1), однако в ходе последую­щих процессов сгорания топлива количество сажи уменьшается более чем на 70% за счет процессов окисления. Очень большое значе­ние имеет высокий уровень турбулентности, способствующий окислению сажи на стадии расширения. Однако, важную роль играет также уровень температуры. В целом на про­цесс образования сажи оказывают влияние локальные взаимодействия между струей впрыскиваемого топлива, зоной горения, не­сгоревшей смесью, геометрией поршня и протеканием процесса сгорания топлива.

Содержание в выбросах оксидов азота снижают меры, направленные на снижение температуры, такие как рециркуляция отработавших газов, процессы Миллера  или частичная гомогенизация. Все это с избытком компенсирует наблюдаемое при этом увеличение содержания сажи (см. рис. «Выбросы NO и сажи» ). Уровень сложности и затрат, необ­ходимых для снижения содержания обоих этих компонентов, весьма высок. В настоя­щее время все более широко применяется рециркуляция отработавших газов, для сни­жения содержания оксидов азота в сочета­нии с очень высокими давлениями впрыска (> 2000 бар).

В этом контексте следует различать вы­бросы сажи и выбросы твердых частиц. Сажа состоит из чистого углерода, в то время как твердые частицы также содержат капельки топлива или масла, частицы металла, про­дукты коррозии и сульфаты.

Соединения НС и СО обычно не имеют большого значения в отношении выбросов дизельных двигателей. Тем не менее, следует учитывать влияние на выбросы твердых ча­стиц углеводородов. В частности, происходит увеличение концентрации НС и СО в случае значительного сдвига момента зажигания в сторону запаздывания, сопровождаемого неполным сгоранием топлива.

 

 

Смешанные формы и альтернативные стратегии управления

 

Классическая стратегия управления дизель­ным двигателем характеризуется одним или более впрысками топлива в диапазоне ВМТ. Процессы сгорания топлива в двигателях с искровым зажиганием характеризуются гомогенным или частично гомогенным (по­слойным) смесеобразованием. В настоящее время разрабатываются альтернативные формы управления процессами, которые не могут быть однозначно связаны только с бензиновыми или только дизельными дви­гателями.

Воспламенение от сжатия гомогенного заряда топлива в дизельных двигателях

 

Что касается процессов HCCI (воспламенение от сжатия гомогенного заряда топлива), ко­торым был посвящен ряд публикаций, целью является, посредством значи­тельного опережения момента впрыска (как минимум 40-50° угол поворота коленчатого вала до ВМТ) достичь гомогенизации, значи­тельного обеднения смеси и, следовательно, снижения содержания NOx в выбросах. При этом надежное зажигание, тем не менее, бу­дет иметь место, благодаря высокой темпе­ратуре сжатия. В целях обеспечения контроля процесса сгорания степень сжатия должна быть снижена до 14-16. Для повышения тем­пературы в цилиндре при низких нагрузках обычно используется рециркуляция отрабо­тавших газов. Тем не менее, получить опти­мальные условия во всем диапазоне условий, в особенности в диапазоне высоких нагрузок достаточно трудно, поскольку при этом становятся очень высокими градиенты возрас­тания давления, и управление работой двига­теля в переходных режимах становится очень сложной задачей ввиду большого количества всех возможных состояний двигателя.

Воспламенение от сжатия в двигателях с искровым зажиганием

 

Процессы сгорания топлива в двигателях с искровым зажиганием были исследованы в отношении возможности использования ре­жима HCCI, аналогично дизельным двигате­лям, с целью достижения недросселированного обеднения смеси в диапазоне частичных нагрузок, что дает снижение расхода топлива по сравнению с двигателями, работающими в обычном стехиометрическом режиме. Не­достатки работы на обедненной смеси в отношении процессов преобразования в каталитическом нейтрализаторе компенси­руются чрезвычайно низким содержанием необработанных оксидов азота NOx, благо­даря обеднению смеси. Надежное зажигание трудновоспламеняемой смеси достигается за счет высокой степени сжатия — свыше 13. Оптимальная степень сжатия является пере­менной величиной и может быть снижена за счет повышения температуры в камеры сгорания.

Двигатели с искровым зажиганием с послойным распределением заряда топлива

 

Процессы сгорания топлива в двигателях с искровым зажиганием с прямым впрыском топлива и послойным распределением за­ряда топлива имеют много общего с про­цессами в дизельных двигателях и, следо­вательно, представляют собой смешанную форму процессов, имеющих место в обыч­ных двигателях с искровым зажиганием и дизельных двигателях. Процессы сгорания топлива этого типа находят все более широ­кое применение, благодаря их более высо­кой эффективности в диапазоне частичных нагрузок, достигаемой за счет исключения дросселирования.

Многотопливные двигатели

 

Многотопливные двигатели, характеризую­щиеся возможностью использования раз­личных видов топлива, в настоящее время не играют важной роли в связи с невозможно­стью выполнения требований в отношении содержания вредных продуктов в отработавших газах.

В следующей статье я расскажу о системах управления бензиновым двигателем.

 

РЕКОМЕНДУЮ ЕЩЁ ПОЧИТАТЬ:

Воспламенение дизельного топлив рабочей смеси





    Бензиновые фракции процессов переработки нефти и газов широко потребляются в качестве горючего для двигателей. Бензины являются основным топливом для двигателей, в которых рабочая смесь воспламеняется от искры. В последние годы некоторые двигатели с воспламенением смеси от сжатия (дизельные двигатели) оборудуют на заводах таким образом, чтобы можно было использовать в качестве горючего и бензины (например, многотопливные двигатели). Однако возможность использования бензинов в дизелях рассматривается как временная мера при каких-то особых обстоятельствах. [c.8]








    Дизельное топливо. Этот вид топлива предназначен для дизельных двигателей, не имеющих карбюратора. Воспламенение топлива в этих двигателях происходит не от электрической искры, а за счет его самовоспламенения. Газообразная рабочая смесь топлива и воздуха, попадающая в цилиндры, подвергается сильному сжатию (до 40—50 атм и выше), что приводит к ее интенсивному разогреванию и самовоспламенению. [c.205]

    Двигатели внутреннего сгорания. Для преобразования химической энергии топлива в механическую широко используют двигатели внутреннего сгорания, которые могут работать по двум основным термодинамическим циклам Отто и Дизеля, базирующимся на получении механической энергии за счет сжатия, нагрева и вывода отработанного газа. В первом цикле топливо распыляется или испаряется и засасывается в рабочую камеру вместе с воздухом. Смесь топлива и воздуха сжимается, а затем воспламеняется от внешнего источника (чаще всего им является электроискровой разряд), что и является началом генерирования энергии за счет тепла горящей смеси. Во втором цикле рабочее тело, т. е. воздух, сжимается самостоятельно, а топливо впрыскивается в жидком виде в конце периода сжатия. Воспламенение осуществляется после того, как топливо перемещается с горячим сжатым воздухом. Требования, предъявляемые к топливу, зависят от типа двигателя. В карбюраторном двигателе, работающем по циклу Отто, следует применять топливо, не вызывающее детонации в момент сжатия топливовоздушной смеси. Необходимо, чтобы оно сгорало равномерно, без преждевременного воспламенения и не имело несгоревшего остатка. В дизельном двигателе [c.331]

    Таким образом, характерным отличием второй схемы рабочего цикла от первой является самовоспламенение топлива. Двигатели, рабочий цикл у которых протекает по второй схеме, называют дизелями. Процесс образования горючей смеси в да-зелях происходит внутри цилиндра. Для достижения высоких температур в дизельном двигателе приходится сжимать воздух во много раз больше (в 15—17 раз), чем сжимают топливовоздушную смесь в двигателе с принудительным воспламенением (в 7—9 раз). Более высокая степень сжатия в дизеле обеспечивает и более высокий коэффициент полезного действия в таких двигателях. Для совершения одной и той же работы в дизеле расходуется топлива примерно на 25—30% меньше, чем в двигателе с принудительным зажиганием. Высокая степень сжатия в дизеле обусловливает и высокие давления и нагрузки, что требует применения более прочных деталей. При одной и той же мощности материалоемкость дизельного двигателя обычно больше. Тем не менее планами развития народного хозяйства нашей страны предусмотрена широкая дизелизация автомобильного парка и значительное расширение использования дизелей во всех отраслях промышленности. [c.26]








    Топливно-энергетическая и экологическая ситуапия, складывающаяся в Российской Федерации и в мире, свидетельствует о том, что природный газ, используемый в качестве моторного тогшива, является реальной альтернативой жидким углеводородным топливам. Это вытекает из физико-химических свойств метана высокое октановое число, щирокий диапазон воспламенения по коэффициенту избытка воздуха, способность образовывать гомогенную с воздухом смесь, низкая фотохимическая активность и, в перспективе, более низкая но сравнению с дизельным топливом токсичность отработавших газов. Однако природный газ только тогда является экологически чистым топливом, когда решены проблемы с организацией соответствуюшего рабочего процесса и аппаратурой, его обеспечиваюшей. [c.317]


Впрыск дизельного топлива | HowStuffWorks

Одно большое различие между дизельным двигателем и газовым двигателем заключается в процессе впрыска. В большинстве автомобильных двигателей используется впрыск через порт или карбюратор. Система впрыска через порт впрыскивает топливо непосредственно перед тактом впуска (вне цилиндра). Карбюратор смешивает воздух и топливо задолго до того, как воздух попадает в цилиндр. Следовательно, в двигателе автомобиля все топливо загружается в цилиндр во время такта впуска, а затем сжимается.Сжатие топливно-воздушной смеси ограничивает степень сжатия двигателя — если он слишком сильно сжимает воздух, топливно-воздушная смесь самовоспламеняется и вызывает детонацию . Детонация вызывает чрезмерный нагрев и может повредить двигатель.

Дизельные двигатели используют непосредственный впрыск топлива — дизельное топливо впрыскивается непосредственно в цилиндр.

Объявление

Форсунка дизельного двигателя является его наиболее сложным компонентом и является предметом множества экспериментов — в любом конкретном двигателе он может располагаться в различных местах.Форсунка должна выдерживать температуру и давление внутри цилиндра и при этом подавать топливо в виде мелкого тумана. Обеспечение циркуляции тумана в цилиндре для его равномерного распределения также является проблемой, поэтому в некоторых дизельных двигателях используются специальные впускные клапаны, камеры предварительного сгорания или другие устройства для завихрения воздуха в камере сгорания или иного улучшения процесса зажигания и сгорания. .

Некоторые дизельные двигатели имеют свечу накаливания .Когда дизельный двигатель холодный, в процессе сжатия воздух может не подняться до температуры, достаточной для воспламенения топлива. Свеча накаливания представляет собой электрически нагреваемый провод (представьте себе горячие провода, которые вы видите в тостере), который нагревает камеры сгорания и поднимает температуру воздуха, когда двигатель холодный, чтобы двигатель мог запуститься. По словам Кли Браттона, техника-подмастерья по тяжелому оборудованию:

Все функции современного двигателя контролируются блоком управления двигателем, взаимодействующим со сложным набором датчиков, измеряющих все, начиная с R.ВЕЧЕРА. к температуре охлаждающей жидкости и масла двигателя и даже к положению двигателя (т. е. T.D.C.). Свечи накаливания сегодня редко используются в более крупных двигателях. Контроллер ЭСУД определяет температуру окружающего воздуха и замедляет синхронизацию двигателя в холодную погоду, поэтому форсунка впрыскивает топливо в более позднее время. Воздух в цилиндре сжимается сильнее, выделяя больше тепла, что способствует запуску.

В двигателях меньшего размера и двигателях, не оснащенных таким передовым компьютерным управлением, для решения проблемы холодного запуска используются свечи накаливания.

Конечно, механика — не единственное отличие дизельных двигателей от бензиновых. Есть еще проблема с топливом.

.

Дизельный двигатель — Energy Education

Рис. 1 Схема рядного четырехцилиндрового двигателя. Поршни серые, коленчатый вал зеленый, блок прозрачный [1]

Дизельный двигатель — это тип теплового двигателя внутреннего сгорания, работающего на дизельном топливе. Эти двигатели работают с небольшими электрическими генераторами, называемыми дизельными генераторами, часто в отдаленных районах, а также с двигателями легковых и грузовых автомобилей (как больших, так и малых).

Процессы

Зажигание топлива

В дизельных двигателях топливо воспламеняется за счет сжатия.Температура молекул газа повышается, когда объем уменьшается из-за закона идеального газа (если газ не охлаждается одновременно). На это полагаются дизельные двигатели. Поршень сжимает воздух в цилиндре (см. Рисунок 1), делая его очень горячим. Затем дизельное топливо распыляется в форсунках, и в горячий воздух распыляется туман. Горячий воздух немедленно воспламеняет топливо, обеспечивая воспламенение. [2]

Это зажигание заставляет дизельное топливо сгорать кислородом из атмосферы, который превращает химическую энергию в повышенную температуру, что позволяет газу выталкиваться обратно на поршень, см. Рисунок 1.

В холодном состоянии в дизельных двигателях используется нагретый кусок металла, называемый свечой накаливания, для зажигания дизельного топлива. [3]

Запуск

Запуск дизельного двигателя сложнее, чем запуск бензинового из-за того, что дизельные двигатели воспламеняют свое топливо. Дизельный стартер должен быть достаточно мощным, чтобы сжимать газ внутри цилиндров, воспламеняя дизельную смесь с воздухом. Это требует большей мощности, чем традиционный двигатель с искровым зажиганием, поэтому дизельные двигатели имеют более прочные батареи.

Детали дизельного двигателя

Блок

Блок — это основа двигателя. Это большой металлический блок, обычно из алюминия или стали, с прорезанными в нем отверстиями для цилиндров.

Цилиндры

Цилиндры двигателя — это то место, где выполняется работа. Топливо впрыскивается в цилиндры, где оно воспламеняется за счет сжатия дизельного топлива и воздуха, что приводит к взрыву. Этот взрыв перемещает поршни, выполняя работу, позволяя транспортному средству двигаться вперед.

Поршни

Поршни — это устройства, которые скользят вверх и вниз внутри цилиндров. Их работа состоит в том, чтобы входить и выходить, соединенные с коленчатым валом, чтобы сжимать воздух, впрыскиваемый в камеру, — это вызывает нагрев воздуха. Объем воздуха, поступающего в камеру, сжимается примерно в 14-25 раз по сравнению с исходным объемом. [4]

Распредвал

Основная статья

Распределительный вал — это устройство, управляющее синхронизацией двигателя.Работа распределительного вала — регулировать, когда топливо впускается в двигатель, а когда выпускается выхлоп. Эта, казалось бы, простая работа может сильно повлиять на производительность двигателя.

Форсунки

Топливная форсунка предназначена для распыления топлива. Это означает превращение жидкого топлива в туман, что резко увеличивает площадь его поверхности. Это позволяет топливу сгорать быстрее, давая больший импульс поршню. Топливные форсунки являются улучшением по сравнению с карбюраторами, потому что они требуют меньшего обслуживания и лучше распыляют топливо.Впрыск топлива позволяет повысить эффективность двигателя, что может привести к увеличению мощности и увеличению расхода топлива.

Коленчатый вал

Основная статья

Коленчатый вал является наиболее важной частью двигателя, поскольку он соединяет части вместе и позволяет двигателю создавать мощность. Его цель — превратить линейное (вверх и вниз) движение поршней во вращательное движение. Один конец коленчатого вала прикреплен к распределительному валу с помощью зубчатого ремня.Другой конец подключен к маховику, который регулирует мощность, выходящую из двигателя, что-то вроде сетевого фильтра для вашего компьютера.

Стартер

Это одно из самых больших отличий дизельного двигателя от бензинового. Поскольку дизельные двигатели воспламеняют свое топливо за счет сжатия, стартер должен иметь возможность вызывать это сжатие, чтобы двигатель начал двигаться. Это означает, что аккумулятор автомобиля с дизельным двигателем должен быть более мощным, чем аккумулятор автомобиля с бензиновым двигателем.

Для дальнейшего чтения

Список литературы

.

Дорога вперед: как мы достигнем отметки 54,5 миль на галлон к 2025 году

Бензин? Дизель? Какая разница?

Бензиновые и дизельные двигатели различаются в основном способом воспламенения смеси топлива и воздуха: бензиновые двигатели работают от искры, в то время как дизельные двигатели воспламеняются только за счет сжатия, чтобы повысить температуру и давление. (Отсюда термины «искровое зажигание» и «воспламенение от сжатия», используемые для описания типов двигателей). Оба используют четырехтактные двигатели — разница в сгорании.

Не вдаваясь в подробности циклов двигателя и некоторых сложных уравнений термодинамики, в идеальном мире бензиновый двигатель (цикл Отто) был бы на самом деле более эффективным, чем дизель (цикл Дизеля), при прочих равных условиях — в основном , степень сжатия. К сожалению для водителей автомобилей с бензиновым двигателем во всем мире, склонность бензина к самовозгоранию или детонации при более высоких давлениях и температурах ограничивает степень сжатия.

С другой стороны, дизельные двигатели

предназначены для воспламенения после сжатия и могут работать при гораздо более высоких степенях сжатия (от 14: 1 до 20: 1 по сравнению с примерно 10: 1 для бензиновых двигателей).Это, в сочетании с немного более высокой плотностью энергии по объему дизельного топлива, позволяет современным дизельным двигателям сжигать на 20-40 процентов меньше топлива на милю и, следовательно, выделять меньше углекислого газа.

Бензиновые и дизельные двигатели также различаются по способу смешивания топлива и воздуха. В традиционных бензиновых двигателях топливо смешивается с воздухом перед сжатием через систему впрыска впускного канала — они «предварительно смешаны». В большинстве двигателей этот реактивный коктейль содержит примерно достаточно топлива и воздуха для полного сгорания, без каких-либо остатков: стехиометрическая смесь.Двигатель мог впрыскивать меньше топлива в смесь, чтобы сделать ее «обедненной», но трехкомпонентный каталитический нейтрализатор, используемый для обработки выхлопных газов, лучше всего работает с смесью, близкой к стехиометрической. Сжигание хорошо перемешанной стехиометрической смеси также обеспечивает полное сгорание с образованием минимального количества несгоревших углеводородов и монооксида углерода.

В отличие от этого, дизельные двигатели впрыскивают топливо непосредственно в цилиндр, когда воздух полностью сжат, а высокая температура быстро вызывает воспламенение смеси.В этом случае горение начинается до того, как топливо и воздух полностью смешиваются, что приводит к образованию сажи, когда топливо не может найти достаточно воздуха. В отличие от бензинового двигателя, дизельные двигатели работают на обедненных топливно-воздушных смесях — добавление большего количества топлива приведет к большему количеству сажи и несгоревшего топлива, выходящего из выхлопных газов. Избыток топлива или недостаток воздуха — вот что вызывает появление облака черного дыма из выхлопной трубы дизельного грузовика (обычно, когда он проезжает мимо вашего открытого окна).

Этот прямой впрыск топлива означает, что мощность дизельного двигателя напрямую регулируется подачей топлива.Когда вы нажимаете педаль на металл, инжектор увеличивает количество топлива в спреях до 11. Бензиновые двигатели, с другой стороны, управляют мощностью через подачу воздуха через дроссель; датчики работают с форсункой, чтобы поддерживать относительно постоянное соотношение топливо / воздух. Дроссельная заслонка — обычно в виде дроссельной заслонки — и топливный насос снижают эффективность бензиновых двигателей, особенно на холостом ходу и в крейсерском режиме.

Увеличить / Двигатель VW TDI.

© Volkswagen

Как дизельные, так и бензиновые двигатели выделяют оксиды азота (NO x ), которые способствуют загрязнению воздуха и кислотным дождям.Высокие температуры внутри двигателя приводят к тому, что молекулы кислорода и азота в воздухе распадаются, а затем рекомбинируются вместе в формах NO и NO 2 . В обоих двигателях высокие температуры, приводящие к образованию NO X , в основном вызваны сгоранием смесей, близких к стехиометрическому: бензиновые двигатели работают только при этом соотношении, а в дизельных двигателях есть области, где топливо и воздух могут смешиваться и сгорать полностью. .

У бензиновых двигателей

есть одно преимущество: более простая очистка выхлопных газов с помощью трехкомпонентного каталитического нейтрализатора.Они одновременно сокращают выбросы NO X , оксида углерода и несгоревших углеводородов за счет преобразования в кислород, диоксид углерода и воду. Для оптимального снижения содержания всех трех загрязняющих веществ топливно-воздушная смесь должна быть стехиометрической — слишком много или слишком мало топлива снизит производительность. В современных каталитических нейтрализаторах используются дорогие драгоценные металлы, такие как платина и палладий, что увеличивает стоимость бензиновых двигателей.

Существуют также каталитические нейтрализаторы для дизельных двигателей, но они более сложны, чем одно устройство, используемое в бензиновых двигателях.Катализатор окисления дизельного топлива превращает оксид углерода и несгоревшие углеводороды в воду и диоксид углерода, но не может устранить NO X . Вместо этого в новейших дизельных двигателях используется второй преобразователь, основанный на избирательном каталитическом восстановлении. При этом NO X реагирует с восстановителем, таким как аммиак или мочевина, превращая его в воду и азот.

Volkswagen установил эту систему в свои новые дизельные двигатели EA 288, устанавливающие следующее поколение дизельных моделей Golf, Jetta и Passat.Компания сообщила о 45-процентном сокращении выбросов по сравнению с более простой ловушкой NO X . Основным недостатком является необходимость хранить (и доливать) жидкую мочевину в автомобиле, а также усложнять и дорого обходиться с системой.

Итак, у обоих типов двигателей есть свои преимущества и недостатки. Дизельные двигатели более эффективны, но требуют гораздо более сложных (и дорогих) средств контроля выбросов. Как мы можем улучшить эти конструкции двигателей, чтобы одновременно улучшить экономию топлива и снизить выбросы? Ну, две головы лучше, чем одна? Наибольший потенциал заключается в объединении аспектов каждого в новые типы двигателей.

Прямой впрыск в двигателях с искровым зажиганием

Одна из идей заключается в использовании прямого впрыска дизельного топлива в бензиновых двигателях: двигатель с непосредственным впрыском искрового зажигания (SIDI). Также называемый непосредственным впрыском бензина, он был впервые разработан в 1925 году и использовался во время Второй мировой войны в авиационных двигателях. Прямой впрыск применялся в некоторых автомобильных бензиновых двигателях, начиная с 1950-х годов, но в конце 1970-х годов от него отказались в пользу впрыска топлива через порт стехиометрической смеси.Этот метод может выиграть от значительного сокращения выбросов — в соответствии с новыми на тот момент правилами EPA — благодаря трехкомпонентному каталитическому нейтрализатору.

Но прямой впрыск имеет ряд преимуществ по сравнению с впрыском топлива через порт: он устраняет неэффективность из-за дросселирования и перекачивания, а смесь более холодная, что обеспечивает более высокую степень сжатия и более низкое октановое число бензина, при этом избегая детонации. Кроме того, холодный пуск с прямым впрыском проще, требует меньше топлива и выделяет меньше несгоревших углеводородов.В общем, бензиновые двигатели с прямым впрыском могут потреблять на четверть меньше топлива, чем традиционные двигатели с впрыском топлива.

Однако следует отметить, что прямой впрыск имеет те же проблемы с выбросами NO X и сажей, что и дизельные двигатели, и не может эффективно использовать трехкомпонентный каталитический нейтрализатор по тем же причинам.

Но, стремясь улучшить экономию топлива, производители автомобилей начали возвращаться к прямому впрыску в середине 1990-х годов и продолжали двигаться в этом направлении.В частности, автомобили с высокими характеристиками использовали прямой впрыск, вероятно, из-за более высокой мощности, обеспечиваемой увеличенной степенью сжатия: Ferrari 458 и Porsche 911, Cayman S и Boxster S и многие другие.

Двигатель для Ferrari 458 Italia на испытательном стенде на заводе.

Для более скромных применений Ford разработал семейство двигателей EcoBoost, в которых используется непосредственный впрыск и турбонаддув, что позволяет уменьшить размер двигателя, предлагая при этом мощность двигателя большего размера, повышая эффективность и сокращая выбросы.Эти двигатели рециркулируют выхлопные газы через цилиндр, снижая температуру и, следовательно, выбросы NO X . Ford также изучает (PDF) комбинацию трехкомпонентного катализатора с ловушкой NO X или системой селективного каталитического восстановления для соответствия еще более низким стандартам выбросов.

Воспламенение от сжатия однородного заряда

А как насчет другого сочетания свойств двигателей? Возьмите предварительно смешанные топливо и воздух бензиновых двигателей и воспламенение от сжатия дизелей, и у вас будет двигатель с воспламенением от сжатия с однородным зарядом, или HCCI.«Однородный заряд» относится к смеси топлива и воздуха, которая хорошо перемешивается во время сжатия (как в бензиновом двигателе) по сравнению с топливным жиклером, впрыскиваемым в дизельный двигатель.

Ливерморская национальная лаборатория Лоуренса.

Если предположить, что смесь хорошо перемешана за счет турбулентности, воспламенение фактически происходит в нескольких местах в цилиндре, вызывая быстрое горение и расход топлива. В бензиновых двигателях воспламенение происходит около искры, в то время как в дизельных краях впрыскиваемого топливного жиклера смешиваются и горят воздух.Двигатели HCCI сжигают чрезвычайно бедную топливно-воздушную смесь при степени сжатия, подобной дизельной. Поскольку топливо и воздух хорошо перемешиваются перед сжатием, смесь сгорает чище и полностью, что означает низкий уровень монооксида углерода и несгоревших углеводородов.

Бедная смесь также горит при более низкой температуре (до 500 градусов Цельсия ниже бензиновых или дизельных двигателей), поэтому при сгорании образуются небольшие количества NO X . Более низкая температура также снижает потери тепла, повышая эффективность. В довершение ко всему, при сжигании постной однородной смеси не образуется сажа.

Другими словами, двигатели HCCI предлагают низкий уровень сажи и выбросов NO X бензиновых двигателей — без необходимости каталитической обработки выхлопных газов — в сочетании с высокой эффективностью дизельных двигателей: примерно на 20 процентов выше, чем у бензиновых. Звучит здорово, правда? Где наши автомобили с двигателями HCCI?

К сожалению, те же явления, которые дают двигателю HCCI свои преимущества, также создают проблемы. В то время как физические процессы управляют бензиновыми и дизельными двигателями (искра и впрыск топлива), двигатели HCCI контролируются в основном химическими веществами.А химию управлять сложнее, по крайней мере, в хаотической среде цилиндра двигателя. Незначительное изменение температуры стенки или состава оставшихся выхлопных газов и зажигание ведет себя иначе.

Увеличить / Одноцилиндровый исследовательский двигатель GM HCCI с управляемой компьютером системой приведения в действие клапана.

© General Motors.

Эта ситуация усугубляется тем фактом, что мы не до конца понимаем поведение бензина и дизельного топлива в условиях HCCI.Исследователи из академических, промышленных и национальных лабораторий неустанно работают над решением этой проблемы.

Еще одна большая проблема двигателей HCCI — это выброс окиси углерода и несгоревших углеводородов, который может быть больше, чем у бензиновых или дизельных двигателей. Поскольку топливо смешивается с воздухом перед сжатием, щель вокруг головки поршня задерживает топливо, где оно не может сгореть вместе с остальной смесью. В бензиновом двигателе часть этого топлива будет высвобождаться и потребляться во время такта расширения, но низкие температуры двигателей HCCI препятствуют этому.Низкие температуры также препятствуют полному превращению окиси углерода в двуокись углерода, особенно при более низких нагрузках.

Несмотря на эти проблемы, производители автомобилей создали работающие двигатели HCCI — даже прототипы, пригодные для использования на дорогах. GM разработала бензиновый гибридный двигатель HCCI с искровым зажиганием, который работает в режиме HCCI от холостого хода до 60 миль в час и в крейсерском режиме, иначе переключается на работу с искровым зажиганием. Это необходимо, потому что на более высоких оборотах температура в цилиндре увеличивается, в результате чего смесь преждевременно воспламеняется и стучит.В тестах, проведенных с использованием Saturn Aura с модифицированным 2,2-литровым четырехцилиндровым двигателем EcoTec, гибрид показал среднюю экономию топлива на 15 процентов лучше, чем у обычного двигателя с искровым зажиганием. Работа в режиме HCCI дает на 90 процентов меньше выбросов NO X по сравнению с искровым зажиганием.

По состоянию на 2009 год GM надеялась выпустить первые серийные двигатели в 2014 году. С тех пор новостей об их успехах было мало. Самым значительным из них была опубликованная в прошлом году исследовательская статья, в которой обсуждались методы расширения работы HCCI на более высокие нагрузки, что могло бы полностью устранить необходимость в режиме искрового зажигания.

Многие другие автомобильные компании, включая Volkswagen, Daimler, Ford, Honda и Bosch, также работали над разработкой двигателей HCCI. Но на сегодняшний день коммерчески доступного автомобиля с двигателем HCCI не существует.

Есть ли другие сокращения?

Самая большая проблема двигателей HCCI — отсутствие контроля над зажиганием, особенно при более высоких температурах. Несколько исследовательских групп предложили альтернативы второго поколения, пытаясь решить эту проблему. Эти концепции гораздо менее зрелы, чем HCCI, хотя уже были созданы рабочие прототипы двигателей.

Один из подходов, разработанный группой из Университета Висконсин-Мэдисон, регулирует реактивность топливно-воздушной смеси путем впрыска смеси дизельного топлива и бензина: воспламенение от сжатия с контролируемой реактивностью (RCCI). По сравнению с дизельным топливом, бензин менее реактивен — иначе он бы постоянно самопроизвольно воспламенялся и стучал раньше искры. Добавляя дизельное топливо, реактивность топлива может быть увеличена по мере необходимости. Профессор Рольф Рейц, руководитель исследовательской группы, описал высоко реактивные капли дизельного топлива в топливной смеси как «скопление жидких свечей зажигания», которые помогают воспламенить бензин.

При высоких нагрузках в топливной смеси будет практически не содержаться дизельного топлива, поскольку высокие температуры в цилиндре двигателя легко воспламеняют бензин. Когда двигатель работает с меньшими нагрузками, температура ниже, поэтому более высокое содержание дизельного топлива (примерно до 50–50 смеси) при необходимости увеличит реакционную способность смеси.

Поскольку модифицируется только топливо, двигатели RCCI будут иметь такое же снижение выбросов, как двигатели HCCI.

В ходе испытаний модифицированного сверхмощного дизельного двигателя Caterpillar группа отметила тепловой КПД до 53 процентов.Это выше, чем у самого эффективного дизельного двигателя — гигантского двухтактного двигателя с турбонаддувом, используемого для управления контейнеровозами (эффективность которого составляет 50 процентов). Для сравнения: у большинства традиционных бензиновых двигателей тепловой КПД составляет всего около 25 процентов.

Основным недостатком этого подхода является необходимость носить с собой два топлива, а также сложные датчики и оборудование, необходимые для регулирования смеси бензина и дизельного топлива.

Кроме того, выбросы окиси углерода и несгоревших углеводородов остаются высокими, как и в двигателях HCCI.Пытаясь решить эту проблему, недавно группа исследовала прямой впрыск обоих видов топлива вместо обычного впрыска топлива через порт. Они обнаружили, что такой подход снижает выбросы углеводородов и оксида углерода, сохраняя при этом низкий уровень NO X и высокие характеристики оригинала.

Аргоннская национальная лаборатория работает над другой альтернативой HCCI, которую они называют многозонным послойным воспламенением от сжатия (MSCI), для которой требуется только низкооктановый бензин в сочетании с модифицированным дизельным двигателем.Бензин с октановым числом от 80 до 85 немного легче воспламеняется, чем стандартный бензин 87 на вашем насосе, но все же не так реактивен, как дизельное топливо. Двигатель MSCI использует высокую степень сжатия, нагревая смесь так, что бензин самовоспламеняется. Чтобы поддерживать низкие температуры, такие как HCCI (для уменьшенного NO X ), выхлопные газы рециркулируют в цилиндре.

Основное нововведение — впрыск топлива: в отличие от дизельного двигателя, который впрыскивает почти в конце сжатия, здесь бензин впрыскивается два или три раза во время сжатия.Это дает время сформировать слои хорошо перемешанного топлива и воздуха перед воспламенением. Опять же, сравните это со стандартным подходом с прямым впрыском, при котором все топливо сбрасывается одним спреем, предотвращая его смешивание с воздухом перед горением.

Поскольку топливу и воздуху дается время смешаться, при сжигании смеси образуется почти нулевое количество сажи и на 80 процентов меньше NO X по сравнению с обычными дизельными двигателями.

Как это лучше? В отличие от HCCI, который полностью зависит от химического состава смеси, двигатели MSCI могут управлять зажиганием, изменяя время, количество, давление и другие свойства топливных распылителей.Детонации в двигателе можно избежать, потому что топливо впрыскивается непосредственно в цилиндр, поэтому у бензина нет времени на реакцию с воздухом до окончания сжатия — там, где он должен воспламениться.

Этот подход предлагает больший контроль над воспламенением, чем концепция HCCI, и не требует двух видов топлива, таких как RCCI, но имеет обратную сторону: пиковая мощность снижена примерно на четверть из-за рециркуляции выхлопных газов. Однако, если вы не являетесь подземным уличным гонщиком или действительно не любите выбивать всех на перекрестке, когда свет меняется, это не должно быть большой проблемой, поскольку крейсерская мощность не пострадает.

Какому из этих направлений будут следовать автомобильные двигатели? К сожалению, это не совсем понятно. Вполне вероятно, что гибридные двигатели HCCI с искровым зажиганием выйдут на рынок через несколько лет, но улучшение экономии топлива на 15–20 процентов — хотя и выгодное, но и не совсем та революция, на которую надеялись многие евангелисты. Технология, которая нам нужна, вполне может быть сейчас в зачаточном состоянии, но до 54,5 еще немного. К счастью, 2025 год тоже наступит.

Присоединяйтесь к нам на следующей неделе для финальной части будущих серий автомобилей, когда мы рассмотрим некоторые другие способы, которыми производители помогают водителям сэкономить больше миль на баке бензина.Следите за новостями из легких материалов и автономных автомобилей, которые разговаривают по светофору и друг с другом для наиболее эффективного путешествия.

.

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован. Обязательные поля помечены *