Что такое вакуумная турбулентность внутреннего сгорания

Всё, что вы хотели знать о турбулентности: рассказывает пилот

Алина Архипова

Очень многие пассажиры пугаются, когда самолёт в воздухе начинает трясти, то есть когда по тем или иным причинам появляется «болтанка» или турбулентность, если по-научному.

Турбулентность — это естественное явление в авиации, точно также, как качка в море, как тряска автомобиля на неровной или ухабистой дороге.

Если в море вы можете видеть волны, на дорогах — заплатки или ямы, то в небе часто этого ничего не видно, но на самом деле оно тоже совсем не однородно.

Что происходит в небе?

В воздухе постоянно происходит много различных процессов — движутся разные воздушные потоки и струйные течения, скорость которых иногда может достигать до 300 км/час, а то и больше. Образуются зоны разного атмосферного давления. Одни воздушные массы сменяются другими, возникают метеорологические фронты — от холодного, тёплого до смешанного.

Каждый день в атмосфере изменяется температура и давление. Обычно с ростом высоты и то, и другое должно уменьшаться, но бывает и наоборот. Сила и направление ветра тоже постоянно варьируются. Иногда можно видеть, как облака на разных высотах движутся в противоположные стороны.

Всё это в целом делает атмосферу либо стабильной, либо нестабильной, создавая условия для появления разных погодных явлений, в том числе и турбулентности.

Иногда пилоты заведомо могут знать о возможной турбулентности на своём маршруте из метеорологических карт и сводок погоды, которые они проверяют перед каждым полётом. А если в полёте появилась турбулентность там, где в картах она не была отмечена, то пилоты сообщают об этом диспетчеру, и он в свою очередь предупреждает потом другие борты, входящие в данный сектор.

Причины «болтанки»

1) Красивые пушистые облака, кучевые (cumulus) и особенно кучевые-дождевые (cumulunimbus CB) являются турбулентными за счёт восходящих и нисходящих потоков, образующихся в них. Во время гроз воздух переполнен грозовыми облаками CB.

Но не все облака турбулентны. В отличие от пушистых красивых облаков, внутри и рядом с которыми может «болтать», низкие слоистые сплошные облака обычно спокойные.

2) Но тряска не всегда рождается из-за одних только облаков. Есть ещё турбулентность ясного неба (clear air turbulence — CAT), когда в воздухе нет ни единого облачка, солнечно и красиво, а атмосфера нестабильная, и самолёт неожиданно начинает трясти.

3) Также турбулентность часто возникает в горной местности, и чем ближе к горам, тем сильнее.

4) Ещё есть термические потоки (восходящие потоки) в тёплое время года, образующиеся от нагрева поверхности земли. Поэтому тёплой весной и летом даже при хорошей ясной погоде самолёт на посадке может прилично «болтать» именно из-за них, особенно при пролёте разной поверхности (так как она по-разному прогревается). Например, когда лесистая местность сменяется полем или долиной, или при пролёте береговой линии с моря на сушу.

5) Есть искусственная турбулентность – это если самолёт попадёт случайно в спутную струю впереди летящего или взлетающего самолёта. Это достаточно опасно. Именно поэтому диспетчеры должны обеспечить, а лётчики соблюдать определённую дистанцию — интервал между бортами самолётов как при взлётах/посадках, так и на других этапах полёта.

Хотя случайности всё равно иногда бывают, например, по причине ветра, когда тот задерживает спутную струю пролетающего самолёта или сносит её прямо на идущий самолёт следом. В таких случаях самолёт может сильно мотнуть из стороны в сторону вплоть до самопроизвольного отключения автоматики, и среагировать надо очень быстро.

У меня было так несколько раз, ощущения не из приятных. Но чтобы пилоты были подготовлены к таким неожиданностям и знали, как действовать, подобные ситуации прорабатываются обязательно на тренажёрах.

6) А ещё, например, наш Boeing может трясти, когда мы летим с выпущенными спойлерами (интерцепторами), если срочно надо снизиться или быстро погасить скорость. Спойлеры — это пластины на верхней поверхности крыла, поднимающиеся вертикально вверх при выпуске.

То есть в полёте очень много естественных причин тряски самолёта.

Насколько опасна турбулентность?

В авиации турбулентность делят по интенсивности на три категории:

Но сразу скажу, что мы делаем всё, чтобы самолёт никогда не оказывался в зоне с сильной турбулентностью. Просто так сильная турбулентность сама по себе не бывает. В большинстве случаев она появляется в зоне действия гроз и большого скопления грозовых облаков. А это возможно предвидеть, изучив метеокарты и отследив по радару. Пилоты всегда обходят подобные зоны, если возможно. А если невозможно, то уходят на запасные аэродромы. Причём есть ограничения, на каком удалении безопасно обходить опасные сектора, как сбоку, так и по высоте.

Источник

Что такое вакуумная турбулентность внутреннего сгорания

Данная статья является реферативным изложением основной работы. Полный текст научной работы, приложения, иллюстрации и иные дополнительные материалы доступны на сайте V Международного конкурса научно-исследовательских и творческих работ учащихся «Старт в науке» по ссылке: https://school-science.ru/5/11/33832

Турбулентные процессы наверняка ощущал каждый, кто хотя бы пару раз летал на самолете. Иногда она почти не заметна, а иногда становится причиной травм пассажиров и серьезных повреждений техники. Как сообщает Федеральное Агентство по гражданской авиации США (FAA), за год более 1000 человек получают травмы во время перелетов из-за турбулентности. Турбулентность неблагоприятно действует на навигационные приборы, вызывая помехи, а порой и повреждения. Ученые придумывают все новые способы, как ослабить это явление. Но существуют случаи, когда турбулентность играет на руку человеку. Один из примеров таких случаев меня и заинтересовал. Это смешивание топлива в двигателях в турбулентных потоках. В этом случае турбулентность помогает в убыстрении процесса смешивания, а как следствие и горения.

Увеличение скорости получения горючей смеси и ее горения одна из важнейших задач современного инженера. Поэтому использование турбулентности весьма актуально. Подробнее о турбулентности и ее применении в строении двигателей я расскажу в своем проекте.

1. Что такое турбулентность?

При определенных параметрах турбулентность наблюдается в потоках жидкостей и газов, многофазных течениях, жидких кристаллах, квантовых бозе- и ферми- жидкостях, магнитных жидкостях, плазме и любых сплошных средах (например, в песке, земле, металлах). Турбулентность также наблюдается при взрывах звезд, в сверхтекучем гелии, в нейтронных звездах, в легких человека, движении крови в сердце, при турбулентном (т. н. вибрационном) горении.

Турбулентность возникает самопроизвольно, когда соседние области среды следуют рядом или проникают один в другой, при наличии перепада давления или при наличии силы тяжести, или когда области среды обтекают непроницаемые поверхности. Она может возникать при наличии вынуждающей случайной силы. Обычно внешняя случайная сила и сила тяжести действуют одновременно. Например, при землетрясении или порыве ветра падает лавина с горы, внутри которой течение снега турбулентно.

Мгновенные параметры потока (скорость, температура, давление, концентрация примесей) при этом хаотично колеблются в округ средних значений. Зависимость квадрата амплитуды от частоты колебаний (или спектр Фурье) является непрерывной функцией.

Турбулентность – явление, заключающееся в том, что, обычно, при увеличении скорости течения жидкости или газа в среде самопроизвольно образуются многочисленные нелинейные фрактальные волны и обычные, линейные различных размеров, без наличия внешних, случайных, возмущающих среду сил и/или при их присутствии. Для расчета подобных течений были созданы различные модели турбулентности. Волны появляются случайно, и их амплитуда меняется хаотически в некотором интервале. Они возникают чаще всего либо на границе, у стенки, и/или при разрушении или опрокидывании волны. Они могут образоваться на струях. Экспериментально турбулентность можно наблюдать на конце струи пара из электрочайника.

Турбулентность в ее обычном понимании возникает в пристеночных слоях слабовязких жидкостей или газов либо на некотором удаленном расстоянии за плохообтекаемыми телами. Скорее всего, турбулентность описывается уравнением Больцмана, поскольку характерные масштабы этого уравнения намного меньше масштабов турбулентности.

Уравнение Больцмана описывает эволюцию во времени (t) функции распределения плотности f(x, p, t) в одночастичном фазовом пространстве, где x и p – координата и импульс соответственно. Распределение определяется так, что

пропорционально числу частиц в фазовом объеме d³x d³p в момент времени t. Уравнение Больцмана

Здесь F(x, t) – поле сил, действующее на частицы в жидкости или газе, а m – масса частиц. Слагаемое в правой части уравнения добавлено для учета столкновений между частицами.

Но вопрос остается открытым, в настоящее время ведутся исследования о применимости этого уравнения для моделирования процесса возникновения турбулентности. Чаще всего в качестве математического описания турбулентности используют уравне́ния Навье́ – Сто́кса это – система дифференциальных уравнений в частных производных, описывающая движение вязкой ньютоновской жидкости. Уравнения Навье – Стокса являются одними из важнейших в гидродинамике и применяются в математическом моделировании многих природных явлений и технических задач. Названы по имени французского физика Анри Навье и британского математика Джорджа Стокса.

Однако до настоящего момента не получено ни одного точного аналитического решения этой системы уравнений для турбулентной области течения. Проблема заключается в том, что уравнения движения жидкости (уравнения Навье-Стокса) являются безмасштабными, то есть сами по себе не задают пределов прямого каскада и таким образом не определяют характерного размера (масштаба) турбулентных вихрей. Тем не менее, на их основе разработано огромное множество математических моделей турбулентности (RANS, LES, DES и DNS модели). Эти модели, за исключением модели DNS, широко используются для инженерных расчетов. В случае несжимаемой жидкости система состоит из двух уравнений:

В гидродинамике обычно уравнением Навье – Стокса называют только одно векторное уравнение движения. Впервые уравнение Навье – Стокса было получено Навье (1822, несжимаемая жидкость) и Пуассоном (1829, сжимаемая жидкость), которые исходили из модельных представлений о молекулярных силах. Позже феноменологический вывод уравнения был дан Сен-Венаном и Стоксом. Обычно турбулентность наступает при превышении критической величины неким параметром, например числом Рейнольдса или Релея (в частном случае скорости потока при постоянной плотности и диаметре трубы и/или температуры на внешней границе среды). Количественные условия перехода к турбулентности были экспериментально открыты английским физиком и инженером О. Рейнольдсом в 1883 году при изучении течения воды в трубах. Число Рейнольдса – величина, характеризующая отношение нелинейного и диссипативного членов в уравнении Навье – Стокса. Число Рейнольдса также считается критерием подобия течения вязкой жидкости.

2. Смешивание и горение
в турбулентном потоке

Турбулентность, например, можно создать, если:

• увеличить линейную скорость или угловую скорость вращения потока, размер обтекаемого тела, уменьшить первый или второй коэффициент молекулярной вязкости, увеличить плотность среды;

• увеличив угловую скорость вращения или радиальный градиент

• задав очень сложный вид внешней силы (примеры: хаотичная сила, удар). Течение может не иметь фрактальных свойств.

• создав сложные граничные или начальные условия, задав функцию формы границ. Например, их можно представить случайной функцией. Например: течение при взрыве сосуда с газом. Или организовать вдув газа в среду, создать шероховатую поверхность. Использовать разгар сопла. Поставить сетку в течение. Течение может при этом не иметь фрактальных свойств.

• облучив среду звуком высокой интенсивности.

• с помощью химических реакций, например горения. Форма пламени, как и вид водопада может быть хаотичной.

Рассмотрим более подробно последний аспект возникновения турбулентности в процессе сгорания топлива в тепловых двигателях, который непосредственно связан с запуском летательных аппаратов. Тепловой двигатель – устройство, преобразующее внутреннюю энергию топлива в механическую энергию. К тепловым двигателям относятся: паровая машина, двигатель внутреннего сгорания, паровая и газовая турбины, реактивный двигатель. Их топливом является твердое и жидкое топливо, солнечная и атомная энергии.

Горение топлива в тепловых двигателях обычно происходит в сильно турбулизованном потоке. Турбулентный поток характеризуется неупорядоченным движением частиц газа, при котором скорость в каждой точке потока меняется по направлению и по величине. Для турбулентного потока характерно наличие пульсаций скорости, давления, температуры и концентрации вещества.

Молекулярный механизм передачи тепла и массы вещества интенсифицируется пульсациями и перемешиваниями отдельных объемов газовой смеси. В мелкомасштабных молях происходит быстрый процесс молекулярного перемешивания, в частности происходит перемешивание продуктов сгорания со свежей смесью. В тех молях, где получающаяся после смешения температура достаточно высока, смесь успевает сгореть по законам объемной реакции раньше, чем в таком медленном процессе, как ламинарное горение. Образующиеся при этом продукты реакции опять смешиваются с молями свежей смеси и, таким образом, происходит распространение пламени. В тех молях, где температура после смешения слишком мала, реакция горения за время существования моля не успевает завершиться. Кроме того, в зоне горения должны также существовать моли, состоящие только из свежей смеси или только из продуктов реакции и в данный момент не участвующие в горении. Можно предполагать, что суммарная скорость горения в этом случае будет значительно превышать скорость ламинарного горения, так как молекулярно-турбулентное смешение происходит с большей скоростью, чем ламинарное. Ламинарное течение – течение, при котором жидкость или газ перемещается слоями без перемешивания и пульсаций (то есть без беспорядочных быстрых изменений скорости и давления).

Скорость распространения пламени зависит также от состояния смеси перед воспламенением. Если смесь неподвижна или течет ламинарно, то процессы переноса во фронте пламени осуществляются за счет молекулярной диффузии и теплопроводности. Такое распространение пламени называют ламинарным. Если горючая смесь находится в турбулентном движении, то молекулярная диффузия начинает играть второстепенную роль – ведущее значение в распространении пламени приобретают процессы турбулентного смешения свежей смеси с продуктами сгорания. Подобное горение называют турбулентным.

Смесители для жидкостей работают преимущественно по механизму ламинарного смешения, сопровождающегося увеличением площади поверхности раздела между компонентами и распределением элементов поверхности раздела внутри объема смесителя. Конструкция такого смесителя зависит от вязкости смесей. Например, для низковязких жидкостей применяют лопастные и высокоскоростные диспергирующие смесители. При малой вязкости смеси существенную роль может играть турбулентное смешение. Для смесей со средними значениями вязкости используют разнообразные двухроторные смесители, например смеситель с 2-образными роторами. Такой смеситель представляет собой камеру, образованную двумя полуцилиндрами. В камере установлены два ротора, вращающиеся навстречу друг другу с различной скоростью. Обычно отношение скоростей вращения роторов составляет 2/1. Смешение происходит вследствие взаимного наложения тангенциального и осевого движений материала. Чтобы исключить возможность образования застойных зон, зазор между роторами и стенкой камеры делают небольшим – около 1 мм. Такие смесители используют для смешения жидкостей с вязкостью 0,5—500 Па-с. К двухроторным относятся также смесители с зацепляющимися роторами, вращающимися с одинаковой скоростью. Двухроторные смесители широко используют для изготовления наполненных пластмасс, а также для смешения различающихся по вязкости жидкостей и паст.

3. Различные подходы в описании турбулентности

Для теоретического описания турбулентности применяются различные подходы. При статистическом подходе считается, что турбулентность порождает случайно изменяющаяся совокупность вихревых элементов различных размеров. Другим подходом является метод спектрального анализа, который дополняет статистический подход.

При больших числах Рейнольдса, скорости потока от небольших изменений на границе зависят слабо. Поэтому при разных начальных скоростях движения корабля формируется одна и та же волна перед его носом, когда он движется с крейсерской скоростью. Нос ракеты обгорает и создается одинаковая картина разгара, несмотря на разную начальную скорость.

4. Фрактальное представление турбулентности

Прежде чем говорить о фрактальном представлении волн турбулентности, надо упомянуть, что же такое фрактал. Фрактал – это математическое множество, обладающее свойством самоподобия. Первые примеры самоподобных множеств с необычными свойствами появились в XIX веке в результате изучения непрерывных недифференциируемых функций (например, функция Больцано, функция Вейерштрасса, множество Кантора). Термин «фрактал» введен Бенуа Мандельбротом в 1975 году и получил широкую известность с выходом в 1977 году его книги «Фрактальная геометрия природы». Особую популярность фракталы обрели с развитием компьютерных технологий, позволивших эффектно визуализировать эти структуры.

Слово «фрактал» употребляется не только в качестве математического термина. Фракталом может называться предмет, обладающий, по крайней мере, одним из указанных ниже свойств:

• Обладает нетривиальной структурой на всех масштабах. В этом отличие от регулярных фигур (таких как окружность, эллипс, график гладкой функции): если мы рассмотрим небольшой фрагмент регулярной фигуры в очень крупном масштабе, то он будет похож на фрагмент прямой. Для фрактала увеличение масштаба не ведет к упрощению структуры, то есть на всех шкалах мы увидим одинаково сложную картину.

• Является самоподобным или приближенно самоподобным.

• Обладает дробной метрической размерностью или метрической размерностью, превосходящей топологическую.

Многие объекты в природе обладают свойствами фрактала, например: побережья, облака, кроны деревьев, снежинки, кровеносная система, система альвеол человека или животных.

Увидеть турбулентность крайне сложно без специального оборудования, но можно прибегнуть к компьютерному моделированию и использовать фрактальную структуру турбулентности. Турбулентный вихрь сам состоит из подобных ему завихрений. Используя язык программирования Java, я попытался создать модель турбулентного фрактального вихря (см. полный текст работы. ПРИЛОЖЕНИЕ 1). За основу взял дугу полуокружности , применив поворот, «раскопировал» ее 15 раз и получил модель одного вихря.

На середине каждой дуги был построен еще один «вихрь», а на серединах новых «вихрей» следующие. В итоге после одной итерации получаем 15 вихрей, в результате второй 225, после третьей 153 и т.д. В результате имеем следующий фрактал, который визуально напоминает «вихрь» или воронку, а сам он состоит из таких же самоподобных вихрей.

Заключение

Исследования турбулентных течений, этой все еще наиболее трудной проблемы гидродинамики, продолжают приносить важные технологические достижения, однако путь к прогрессу здесь никак не назовешь прямым. История исследований турбулентных течений научными методами насчитывает приблизительно сто лет, и на протяжении этого периода времени некоторые из наиболее великих умов в области физики, механики и техники пробовали иногда свои силы в решении имеющихся здесь проблем. Было достигнуто продвижение вперед по многим направлениям исследований, и в итоге мы видим действительно заметный прогресс в наших знаниях о предмете. Тем не менее «проблема турбулентности» в целом, что бы она ни означала, все еще сохраняется. С точки зрения теории новый интерес к идеям распространения вихрей в невязкой жидкости и кинематике вихревых взаимодействий оказывается неслучайным. Заслуживает внимания и вопрос о естественных или неустранимых вихревых образованиях. Наиболее важным аспектом существования в турбулентном потоке детерминированных структур является возможность воздействия на турбулентность путем прямой интерференции этих крупномасштабных структур. Такое воздействие могло бы привести к очень важным для техники достижениям. Турбулентность и теперь, и в будущем останется одной из наиболее трудных проблем гидродинамики, и имеющийся здесь опыт позволяет предположить, что последующее падение интереса к когерентным структурам более чем вероятно. Итоговый рост наших знаний о турбулентности может оказаться ниже уровня сегодняшних больших ожиданий, но в любом случае он будет положительным.

Источник

4 Направления развития конструкций бензиновых двс для совершенствования процессов смесеобразования и сгорания

2. Направления развития конструкций бензиновых двс для совершенствования процессов смесеобразования и сгорания

2.1 Краткие основы детонационного сгорания в поршневых ДВС

Изложение материала данного параграфа предполагает, что читателю уже известны основы теории горения и детонации, изложенные в преподаваемой на кафедре ДВС дисциплине «Основы физики горения». Более подробное изложение основ детонационного сгорания в двигателе можно найти в специальной литературе [2].

Как известно, детонационная волна представляет собой ударную волну, нагревающую смесь до температуры, при которой возникает экзотермическая реакция, протекающая в некоторой зоне за фронтом волны. Энергия химической реакции идет на поддержание ударной волны, амплитуда которой зависит от удельной величины выделяемой химической энергии. В свою очередь возможность самовоспламенения смеси в результате сжатия ударной волной определяется амплитудой волны и степенью химической подготовленности смеси.

Детонационная волна в условиях двигателя – это волна с искривленной увеличивающейся поверхностью (при зарождении – близкая к расходящейся сферической). Это значит, что даже без учета потерь, амплитуда ударной волны без поддержки горением за ее фронтом должна уменьшаться по мере распространения (за счет увеличения поверхности фронта).

Рассмотрим механизм образования первичной ударной волны. По устоявшимся к настоящему времени представлениям, она возникает в результате самовоспламенения определенного объема несгоревшей части топливовоздушной смеси. В ДВС горючая смесь нагревается сжатием до температуры, как правило, более чем достаточной для ее самовоспламенения, и если последнее не возникает, то только потому, что для этого не хватает времени. Рабочий заряд в камере сгорания успевает сгореть в процессе распространения по нему фронта пламени раньше, чем наступит его самовоспламенение. Однако самовоспламенение не является достаточным фактором возникновения детонационной волны. В зависимости от размера первоначального очага воспламенения (определяемого степенью неоднородности смеси) амплитуда, и, соответственно, воспламеняющая способность ударной волны на удалении от него будут различны (чем меньше очаг, тем меньше амплитуда) и, начиная с определенного размера, характер распространения пламени от таких очагов самовоспламенения будет сходен с распространением турбулентного пламени от искры.

Рассмотрим теперь характер развития ударной волны от первоначального очага при воспламенении некоторых конечных объемов, размер которых обеспечивает амплитуду, достаточную для воспламенения смеси в камере сгорания. Основное отличие детонационного самовоспламенения в двигателях от обычной (классической) детонации состоит в том, что в случае последней повышение температур и давлений во фронте ударной волны должно быть достаточным для воспламенения инертной исходной смеси, тогда как в условиях двигателя детонация распространяется по смеси, уже предельно подготовленной к самовоспламенению. Если в результате одновременного быстрого развития самовоспламенения в каком-либо объеме смеси возникнет слабая ударная волна, то небольшого дополнительного повышения давления и температуры во фронте этой волны может оказаться достаточным для того, чтобы вызвать воспламенение смеси в смежных, менее подготовленных объемах. Для предотвращения затухания слабой ударной волны в данном случае нет необходимости в полном завершении сгорания за ее фронтом. Достаточно, чтобы на пути ударной волны воспламенялась не вся смесь, а лишь небольшая ее часть, заключенная в наиболее подготовленных объемах, в которых к моменту прохождения ударной волны период задержки воспламенения в результате адиабатного сжатия практически полностью завершен. Этим объясняется то, что при детонации в двигателях сгорание обычно завершается в процессе неоднократного повторного прохождения по реагирующей смеси ударной волны, периодически отражающейся от стенок камеры сгорания. Соответственно повышение давления носит как бы ступенчатый характер, чем сильнее «стук», тем меньшее число таких ступенек и больше их амплитуда.

При слабом «стуке» скорости распространения ударных волн в продуктах сгорания составляют 1000 – 1200 м/с при скорости звука в них около 900 м/с. При сильном «стуке» скорость ударных волн увеличивается до 1400 – 1500 м/с при повышении давления во фронте этих волн сверх давления окружающей смеси в 1,4 – 1,5 раза. В случае крайне сильного «стука» могут достигаться и скорости подлинной детонации 1800 м/с с соответствующим повышением давления и полным завершением сгорания в фронте детонационной волны. Термодинамические расчеты [2], показывают, что для предотвращения затухания слабой ударной волны, распространяющейся в последней части заряда в камере сгорания двигателя со скоростью 1200 м/с, достаточно выделения энергии, равной 25 % полной энергии сгорания.

Резюмируя вышеизложенное отметим, что возможность развития детонации из первоначального очага воспламенения и ее интенсивность в двигателе определяется комплексом факторов, состоящим, в основном, из готовности смежных объемов смеси к самовоспламенению (от степени завершенности предпламенных реакций), количества выделяемой за фронтом ударной волны энергии и искривленности поверхности ее фронта (радиуса кривизны).

Рекомендуемые файлы

Детонационные волны представляют большую опасность для конструкции двигателя. При отражении ударной волны от стенки давление, по крайней мере, удваивается, а температура возрастает на 30-40% по сравнению с давлением и температурой за фронтом падающей детонационной волны. Таким образом, на поршень, головку цилиндра, цилиндр действуют давления, превышающие 15 МПа при контакте с газами, имеющими температуру более 3000 – 3500 К. Масло, находящееся на поверхности гильзы цилиндра сгорает. В случае длительной работы на данном режиме участки деталей двигателя, подверженные воздействию детонационных волн, перегреваются, размягчаются, металл начинает течь. В результате образуются каверны, и двигатель выходит из строя.

На детонацию оказывают влияние степень сжатия, состав рабочей смеси и степень ее неоднородности, угол опережения зажигания, частота вращения двигателя, температура двигателя, температура рабочей смеси, смазочное масло, нагароотложение, число свечей и их расположение, влажность воздуха, дросселирование.

Борьба с детонацией до настоящего времени развивалось по двум направлениям:

1. Производство товарных бензинов с более высоким октановым числом, характеризующим склонность топлива к детонационному сгоранию.

2. Конструкционное решение проблемы.

Увеличение октанового числа топлив вызывает существенное увеличение энергозатрат, усложнение производства и увеличение стоимости топлива. В связи с истощением ресурсов ископаемых топлив можно ожидать ужесточения требований к повышению энергоэффективности процесса переработки топлив. Принципиальным решением этого вопроса могло бы стать использование нефтяных топлив широкого фракционного состава, что, по оценкам специалистов, должно значительно повысить эффективность переработки сырья за счёт отказа от дорогостоящих методов нефтепереработки, снижения требований к перерабатывающему оборудованию и экономии углеводородного сырья. Поэтому в будущем можно ожидать ухудшения качеств топлив с точки зрения октанового числа. Таким образом, возникает необходимость усиления поиска в другом направлении – конструкционном решении проблемы детонации на базе глубокого понимания ее природы.

2.2 Способы расширения диапазона изменения коэффициента избытка воздуха и реализации высоких степеней сжатия

Турбулизация заряда

Одним из способов позволяющих реализовать повышенные степени сжатия при существующих антидетонационных качествах бензинов является повышение скорости сгорания. К числу мероприятий, увеличивающих скорость тепловыделения в современных бензиновых двигателях, относятся [2]:

1. Создание в цилиндре интенсивного турбулентного (вихревого) движения рабочего заряда за счет тангенциального направления впускного патрубка или выполнения его в виде улитки и позволяет создать устойчивое вращательное движение горючей смеси в камере сгорания, если последняя также имеет форму тела вращения. Кинематографирование через прозрачную крышку цилиндра показало, что даже в том случае, когда свеча зажигания расположена сбоку, начальный очаг горения при наличии вихря очень быстро переносится в центр камеры, откуда затем фронт пламени начинает распространяться равномерно во все стороны в радиальных направлениях. Исследования с использованием быстро вращающейся цилиндрической бомбы с прозрачными торцовыми стенками, по отношению к которым смесь оказывалась неподвижной, показали, что перенос к центру камеры начального очага пламени, значительно менее плотного, чем свежая смесь, происходит под действием центробежных сил, причем этот перенос происходит по логарифмической спирали за 0,6 полного оборота вихря независимо от его угловой скорости. Однако действие тех же центробежных сил, препятствуя диффузии сгоревших газов в радиальном направлении, замедляет процесс догорания периферийных слоев смеси. Еще одним недостатком является уменьшение коэффициента наполнения двигателя. В результате эффекта центрифугирования в пристеночных слоях оказывается большая доля топлива, в особенности его тяжелые фракции.

2. Придание камерам сгорания таких очертаний, при которых основная масса рабочего заряда была бы сосредоточена в компактном объеме, а остальная часть заключена в так называемых вытеснителях – относительно узких зазорах между днищем поршня и поверхностью головки цилиндра. При этом появляется возможность значительно снизить или даже устранить нежелательные эффекты первого метода. Наличие вытеснителей не только создает дополнительную турбулизацию заряда в основной части камеры вследствие выталкивания в нее смеси из относительно более быстро уменьшающихся по высоте в конце такта сжатия щелевых зазоров, но также может способствовать ускоренному завершению сгорания вследствие засасывания в эти же зазоры горящей смеси при ходе поршня вниз, как схематически показано на рис.2.1, а. Аналогичный эффект достигается и в камерах сгорания, ограниченных сферическими поверхностями различных радиусов (рис.2.1, б), а также в камерах сгорания клиновидной формы или выполненных в виде углубления в поршне.

Рис.2.1. Характер движения рабочего заряда, создаваемого вытеснителями в конце сжатия и начале расширения [2]

В качестве примера использования описанного метода борьбы с детонацией за счет ускорения сгорания можно привести процесс May Fireball, позволяющий при существующих антидетонационных качествах бензинов существенно повысить степень сжатия и работать на обедненной смеси (a » 1,1 – 1,2) (см. рис.2.2). В экспериментальных вариантах двигателя степень сжатия доводилась до 15.

В конце такта сжатия смесь вытесняется поршнем из цилиндра и поступает через соединительный тангенциальный канал в расположенную под выпускным клапаном компактную шаровидную камеру сгорания. В камере сгорания образуется интенсивный вихревой поток смеси.

Рис. 2.2. Схема камеры сгорания для реализации процесса May Fireball

Малые размеры камеры, ее компактность, интенсивное вихреобразование, связанное как с тангенциальным входом, так и турбулизацией потока со стороны кромок камеры, способствуют быстрому горению без четкого фронта пламени, по крайней мере, во второй половине видимого сгорания, что приводит, в том числе, к дроблению очагов воспламенения. Это позволяет избежать условий, способствующих возникновению детонации.

Но наличие вытеснителей (защемленных объемов), высокая скорость заряда относительно стенок камеры сгорания вызывает увеличение поверхности стенок камеры, усиливает теплоотдачу, а также приводит к увеличению доли рабочего заряда, заключенной в пристеночных слоях, где процесс догорания оказывается сильно растянутым и неполным.

Форкамерно-факельное зажигание

Рис. 2.3. Схематическое устройство двигателя с форкамерно-факельным зажиганием [2]

Энергичное воспламенение в значительных объемах приводит к тому, что в основной камере оказываются способными гореть с достаточно высокими скоростями сильно обедненные смеси при a = 1,5 – 1,6. Воспламеняются и значительно более бедные смеси, но достаточно быстрое их сгорание наблюдается лишь в зоне действия форкамерных факелов, дальнейшее же догорание затягивается и оказывается неполным.

Целесообразным, оказывается, начинать дросселирование двигателя при обеднении смеси до a = 1,5, сохраняя такой же состав смеси на меньших нагрузках и лишь незначительно обогащая ее на режимах холостого хода (до a = 1,2). Это приводит к экономии топлива в условиях эксплуатации в среднем на 10%.

Затрудненной является очистка форкамеры от ОГ. Появляются потери на перетекание газов и дополнительные тепловые потери вследствие увеличения поверхности КС. На режимах холостого хода существенно увеличиваются концентрации несгоревших углеводородов в основной камере вследствие появления пропусков воспламенения.

Расслоение заряда.

Одним из предполагаемых путей улучшения показателей рабочего процесса бензиновых двигателей при работе на частичных нагрузках, давно привлекавшим к себе внимание большого числа исследователей, является такое распределение топлива в камере сгорания, при котором в зоне свечи зажигания находилась бы смесь, близкая к стехиометрической, а по мере удаления от свечи смесь бы обеднялась. Предполагаемое преимущество такого расслоения в том, что при работе двигателя на малых нагрузках процесс сгорания локализуется лишь в относительно небольшой части камеры, причем, так же как в дизелях, не требуется дросселирования, т. е. имеет место термодинамически более выгодное качественное регулирование мощности. Рассмотрим некоторые из способов [2].

В 70-е годы возрос интерес к двухполостным камерам сгорания в связи с тем, что именно таким путем удается достигнуть существенного снижения токсичности двигателя. Наличие в дополнительной камере обогащенной, и к тому же в большей степени разбавленной остаточными газами смеси, препятствует образованию в ней окислов азота, а процесс дожигания продуктов неполного сгорания такой обогащенной смеси в результате их смешения с воздухом, находящимся в цилиндре, происходит уже при существенно пониженных температурах на такте расширения.

Примером может служить экспериментальный двигатель VW с воздушным охлаждением с шарообразной вихревой камерой, сходной с используемыми в дизелях. Ее объем составляет около 25% от объема камеры сгорания. На малых нагрузках топливо впрыскивается только в вихревую камеру в начале такта сжатия, а в цилиндр подается чистый воздух; на больших нагрузках в него поступает обедненная карбюрированная смесь; дросселирование отсутствует. При значениях a > 1,1 концентрации СО и СН весьма малы, а концентрация NО_x хотя и монотонно увеличивается по мере увеличения нагрузки, но в общем она также очень невелика. Однако удельный расход топлива чрезмерно высок. Этот недостаток касался всех двигателей подобного типа.

В двигателе Тексако (рис. 2.5) легкое топливо впрыскивается в направлении воздушного вихря, и его пары воспламеняются расположенной на некотором расстоянии от форсунки свечой, между электродами которой создается длительный разряд, состоящий из серии последовательных искр. Этим обеспечивается поддержание как будто бы стационарного факела пламени в течение всего периода впрыска. В дальнейшем сгорание завершается вследствие турбулентного смешения продуктов сгорания обогащенной смеси в этом факеле с заполняющим камеру чистым воздухом.

В двигателе Вицкого (рис.2.6) топливо впрыскивается под некоторым углом против направления воздушного вихря, в результате чего капли и пары топлива скапливаются в средней части камеры, где воспламеняются обычной свечой.

Рис. 2.6. Схема организации смесеобразования и сгорания по способу сгорания по способу Вицкого [2]:

Двигатель концерна Ford с послойным распределением заряда получил название «РRОСО». Он отличается системой непосредственного впрыска, двумя свечами зажигания, поршнем с глубокой впадиной в днище, составляющей часть камеры сгорания, и впускным каналом, который способствует завихрению смеси. В цилиндрах обеспечивается достаточно хорошее смесеобразование, послойное распределение смеси и полное сгорание. Степень сжатия равна 11.

Впрыск топлива при малых нагрузках заканчивается к моменту искрового зажигания. Такой поздний впрыск позволяет образовать воспламеняемую смесь около свечи даже при небольшом количестве топлива. Для предотвращения обогащения смеси с увеличением нагрузки предусмотрено опережение впрыска. При максимальной нагрузке впрыск заканчивается за 70 – 90° до верхней мертвой точки.

Рис. 2.7. Фазы работы двигателя «РRОСО»: 1 – впрыск; 2 – зажигание;

3 – активное сгорание; 4 – догорание

Современные способы реализации непосредственного впрыска

Двигатели с непосредственным впрыском и расслоением заряда первого поколения. Разделяют три основных вида бензиновых двигателей с непосредственным впрыском и расслоением заряда:

1. Двигатели с непосредственным впрыском первого поколения. Свеча зажигания и форсунка располагаются достаточно далеко друг от друга. Формирование смеси в районе искрового разряда, реализуется преимущественно за счет взаимодействия топливной струи со стенкой камеры сгорания (далее «СКС»).

2. Двигатели с непосредственным впрыском также первого поколения. Свеча зажигания и форсунка располагаются достаточно далеко друг от друга. Формирование смеси в районе искрового разряда, реализуется преимущественно за счет взаимодействия топливной струи со специально организованным вихрем («вихрь»).

3. Двигатели с непосредственным впрыском второго поколения. Искровой разряд располагается вблизи границ струи, в зоне турбулентного перемешивания.

Главное преимущество концепции первого поколения состоит в том, что решена проблема загрязнения свечи зажигания, так как топливо доставляется к свече зажигания достаточно испаренным и перемешанным с воздухом. Концепция двигателей первого поколения «СКС» имела следующие четыре основные черты:

• Поток внутри цилиндра образуется в виде вертикального вихря либо за счет специальных дополнительных заслонок на впуске (далее вихревая заслонка) (рис. 2.8), либо за счет вертикальных впускных каналов (рис. 2.9).

• Электромагнитная вихревая форсунка распыляет при относительно низком давлении нагнетания.

• Поршень, геометрия которого разработана таким образом, чтобы оптимизировать отражение топливовоздушной струи и подвод смеси к свече зажигания (рис. 2.9, 2.10).

• Изменение угла опережения впрыска в зависимости от нагрузки (рис. 2.10). Для образования гомогенной смеси на полной нагрузке используется ранний впрыск во время такта впуска. Расслоение на частичных нагрузках и холостом ходе осуществляется за счет позднего впрыска во время такта сжатия.

Рис. 2.8. Создание «вертикального» вихря за счет дополнительной заслонки на впуске [7]

Первой реализовала данную концепцию фирма Мitsubishi. На рис. 2.9 представлена схема процесса. Вихрь создается за счет вертикальных впускных каналов. Условия протекания процесса позволяют повысить степень сжатия до 12, а отношение масс воздуха и топлива на частичных нагрузках – до 1:40. Давление впрыска составляет примерно 5 МПа.

Рис. 2.9. Схема смесеобразования в зависимости от нагрузки [7]

На рисунке 2.10 приведена схема реализации концепции СКС в двигателе VW FSI (Fuel Stratified Injection). Процесс схожий с Мitsubishi, но вихрь создается за счет дополнительной заслонки на впуске.

1 – вихревая заслонка; 2 – впускная труба; 3 – дроссельная заслонка;

4 – впускной клапан

После первого запуска бензинового двигателя с непосредственным впрыском в массовое производство в 1996 году, на рынке появилось множество альтернативных схем, использующих различные виды вихрей, формы камер сгорания и форсунок. Хотя некоторые схемы использовали концепцию «СКС», другие концепцию «вихрь», такой вид классификации, как представляется, имеет мало смысла. Это объясняется тем, что их разделение достаточно условно, поскольку в обеих схемах реализуются одновременно в той или иной мере и формирование смеси за счет направленного вихря, и за счет формы камеры сгорания. Деление было принято, по-видимому, потому, чтобы подчеркнуть некоторое упрощение формы поршня и снижение площади его поверхности в двигателях, реализующих вторую схему. Поэтому часто при классификации первые два типа двигателей с непосредственным впрыском не разделяют.

В качестве примера реализации концепции «вихрь» можно привести процесс на двигателе Audi 2,0l FSI (рис.2.11). Максимальный коэффициент избытка воздуха на холостом ходе составляет α = 3.9, сокращение расхода топлива на этом режиме по сравнению со схемой впрыска во впускную систему составляет 41%.

Рис. 2.11. Схема процесса Audi 2,0 l FSI [15]:

слева режим гомогенного смесеобразования на высоких нагрузках,

справа режим расслоения заряда на низких нагрузках и холостом ходе

Двигатели с непосредственным впрыском и стехиометрической стратегией управления. Хотя преимущества в топливной экономичности бензиновых двигателей с непосредственным впрыском и расслоением заряда на частичных нагрузках во время их запуска в 1996 году были значительными, по сравнению с аналогами с впрыском топлива во впускную трубу, за последующие 10 лет они постепенно потеряли часть своих преимуществ. Причиной этому являются следующие основные факторы:

Кроме того, в последние годы возросла удельная мощность дизельных двигателей при сохранении традиционно высокой топливной экономичности. Этот фактор также способствовал уменьшению интенсивности исследований в области бензиновых двигателей с непосредственным впрыском и расслоением заряда.

Самым значительным развитием двигателей с впрыском топлива во впускную трубу было введение технологий регулируемых фаз газораспределения, которые являются теперь стандартными. Стало возможным снижение насосных потерь на частичных нагрузках.

Новые передачи, такие как бесступенчатая коробка передач, многоступенчатая автоматическая коробка передач и т.д. являются технологиями способными улучшить эффективность передачи путем минимизации работы двигателя на низких нагрузках.

Наконец, хотя технологии нейтрализации оксидов азота при работе двигателя в широком диапазоне коэффициентов избытка воздуха интенсивно развиваются, его эффективность пока составляет около 90%. Эффективность же его конкурента – трёхкомпонентного нейтрализатора, использующегося в двигателях с впрыском топлива во впускную систему, может превышать 99%. Таким образом, можно утверждать, что эффективностью бензиновых двигателей с непосредственным впрыском пожертвовали для того, чтобы достичь уровня выбросов, сопоставимых с двигателем с впрыском топлива во впускную систему. Однако в настоящее время расход топлива вновь привлекает все больше внимания из-за акцента на глобальном потеплении и истощении ресурсов ископаемых топлив, что привело к возобновлению интереса к двигателям с непосредственным впрыском топлива второго поколения, которые будут представлены позже.

Некоторым компромиссом в этом направлении является концепция бензиновых двигателей с непосредственным впрыском топлива и стехиометрическим составом смеси независимо от нагрузки. Топливо в этом способе впрыскивается в цилиндр только во время такта впуска, в результате чего реализуются только однородные стехиометрические смеси. Хотя улучшение топливной экономичности по сравнению с двигателями с впрыском во впускную систему, которое получается за счет более высокой степени сжатия, незначительно, этот подход имеет то преимущество, что позволяет использовать для нейтрализации отработавших газов трехкомпонентный каталитический нейтрализатор, эффективность которого как уже отмечалось около 99%.

Причины, которые обуславливают возможность увеличения степени сжатия, следующие. В случае двигателей с впрыском топлива во впускную систему часть затрат теплоты на испарение топлива компенсируется теплоподводом от поверхностей впускных клапанов, головки и гильзы цилиндра и т.д. В случае раннего непосредственного впрыска, контакт с элементами системы впуска исключен. Контакт топлива осуществляется в основном только с головкой поршня, который также можно минимизировать при правильном сочетании движения поршня к НМТ и движением струи. Таким образом, испарение топлива идет в основном за счет энергии воздуха, что снижает его температуру примерно на 15K. Это означает, что температура смеси в конце такта сжатия может быть снижена примерно на 30К. К тому же в случае непосредственного впрыска топливовоздушная смесь более неоднородна.

Достигнутый уровень степени сжатия аналогичен двигателям с расслоением заряда и составляет величину равную примерно 12. Это приводит к снижению расхода топлива на 3 – 10% по сравнению с двигателями с впрыском во впускную систему. Давление впрыска составляет 5-20 МПа.

В качестве примера можно привести 12 цилиндровый двигатель BMW, где непосредственный впрыск бензина комбинируется с системой Valvetronic (описание системы будет представлено в отдельном разделе). Дроссельная заслонка отсутствует. Максимальное давление впрыска составляет 12 МПа. Топливо впрыскивается вихревой форсункой на такте впуска. Применение системы Valvetronic позволяет снизить насосные потери. Кроме этого, перенос критического сечения на клапан, увеличение его значения позволяет существенно увеличить скорость и турбулентность течения, как на клапане, так и в цилиндре. Тем самым, улучшается смесеобразование, особенно в режиме холодного пуска. Все в сумме позволило увеличить мощность на 3%, крутящий момент на 5% и снизить расход топлива примерно на 10% по сравнению с двигателем с впрыском топлива во впускную систему. Эти улучшения были достигнуты при использовании традиционного трехкомпонентного нейтрализатора без ужесточения требований к содержанию серы в топливе.

Как видно улучшение топливной экономичности не существенно. Но когда данная концепция впрыска применяется в сочетании с наддувом, это улучшение имеет более высокий потенциал. Применение турбонаддува позволяет использовать небольшой турбированный двигатель вместо большого атмосферного двигателя той же мощности, что дает два преимущества с точки зрения улучшения топливной экономичности:

1.Меньший вес и габариты двигателя.

2. Меньшие потери на трение и насосные потери.

Не смотря на то, что возможности снижения расхода топлива бензиновых двигателей при применении наддува известны давно, он не имел широкого распространения ввиду необходимости снижения из-за детонации степени сжатия. Улучшение антидетонационных характеристик бензинового двигателя с непосредственным впрыском свело к минимуму требования для ее снижения. Таким образом, сочетание турбонаддува и непосредственного впрыска топлива приводит к тому, что может быть компенсирован определенный процент потерь топливной экономичности, вызванный отказом от обеднения смеси на частичных нагрузках. Учитывая возможность использования традиционного трехкомпонентного каталитического нейтрализатора, данная концепция организации рабочего процесса приобрела в последнее время большую популярность. Большинство конструкции с непосредственным впрыском и стехиометрической стратегией управления нагрузкой используют для сохранения высокой интенсивности турбулентности на низких частотах вращения (менее 3000 об/мин) дополнительные заслонки для создания горизонтального или вертикального вихревого движения. Ниже приведены примеры реализации концепции.

Двигатель 2,0 TFSI применяется для Audi S3. По сравнению с базовым вариантом мощность возросла с 147 до 195 кВт. Степень сжатия снизили с 10,3 у безнаддувного варианта до 9,8 в турбированном исполнении. Максимальное давление в цилиндре 11 МПа, среднее эффективное давление 2,2 МПа.

Фирма Volkswagen под аббревиатурой TSI вывела на рынок 1,4 литровый мотор с комбинированным турбо- и приводным наддувом (описание системы будет представлено в отдельном разделе). Данный тип наддува используется в комбинации с непосредственным впрыском бензина впервые. Впрыск осуществляется вихревой форсункой с давлением впрыска 12 МПа. Степень сжатия равна 10.

BMW также разработала двигатель непосредственным впрыском HPI (High Precision Injection) и стехиометрической стратегией управления нагрузкой (рис.2.12). Система впрыска разработана совместно с фирмой Siemens. Турбонаддув – посредством импульсной парциальной турбины. Пъезофорсунка расположена центрально между клапанами. Степень сжатия равна 10,2.

Рис.2.12. Двигатель BMW с центрально расположенными форсункой и свечой зажигания [15]

Двигатели с непосредственным впрыском и расслоением заряда второго поколения. В настоящее время расход топлива вновь привлекает все больше внимания из-за акцента на глобальном потеплении и истощении ресурсов ископаемых топлив, который привел к возобновлению интереса к двигателям с непосредственным впрыском топлива. Основной причиной внедрения концепции второго поколения, несмотря на свои очевидные технические трудности, в том, что она способна существенно расширить диапазон изменения коэффициента избытка воздуха, тем самым снизить расход топлива на частичных нагрузках по сравнению с двигателями с непосредственным впрыском первого поколения. Формирование смеси в районе искрового разряда в данной концепции не зависит ни от формы полости поршня, ни от потока внутри цилиндра. Преимущества этой концепции по сравнению с двумя другими приведены в табл. 2.1. Близкое расположение форсунки и свечи зажигания требует очень точного расположения искрового зазора, около которого в момент воспламенения должна быть смесь близкая к стехиометрической. Хотя концептуально это кажется довольно простым, на практике очень трудно иметь высокую повторяемость характеристик струи, смесеобразования и воспламенения для каждого цикла. Следует подчеркнуть, что условия весьма неблагоприятны для надежного зажигания из-за [15]:

• высокой скорости двухфазного потока в непосредственной близости от свечи зажигания;

• возможности появления крупных капель;

• колебания угла конуса струи;

• различия в характеристиках искрового разряда;

• колебания местной скорости впрыска и состава горючей смеси.

Таким образом, характеристики системы впрыска топлива играют ключевую роль в повторяемости процесса горения, который определяет шансы на успех концепции бензиновых двигателей с непосредственным впрыском второго поколения. В течение последних лет специально для бензиновых двигателей с непосредственным впрыском были разработаны два типа форсунок: электромагнитная бесштифтовая многодырчатая форсунка и пьезоэлектрическая форсунка с открывающимся наружу штифтовым распылителем. Оба варианта обеспечивают значительные преимущества по сравнению с вихревой форсункой, широко использующейся в бензиновых двигателях с непосредственным впрыском первого поколения (табл.2.2).

Рис. 2.13 Компоновка элементов концепции второго поколения [15]

В отличие от бесштифтовой форсунки, которая схожа с дизельными аналогами, пьезоэлектрическая форсунка с открывающимся наружу штифтовым распылителем представляет собой относительно новую конструкцию, специально созданную для второго поколения бензиновых двигателей с непосредственным впрыском топлива. Дальнобойность струи такой форсунки является функцией от термодинамических параметров (давления/температуры). С увеличением противодавления струя становится более компактной, четче проявляется головной вихрь (рис.2.14). Кроме того, необходимо иметь в виду, что головной вихрь увеличивается в размерах, с ростом расхода топлива. Создание завихрений на границах струи и их устойчивость в пространстве относительно свечи зажигания являются ключевыми процессами концепции. Стабильный диапазон зажигания в условиях расслоения заряда составляет примерно ± 2,5 градусов угла ПКВ относительно конца впрыска.

Несмотря на значительно более высокую цену, чем у бесштифтовой форсунки, новая пьезоэлектрическая форсунка с открывающимся наружу штифтовым распылителем, позволяет реализовать очень быстрое открытие и закрытие, и соответственно – многофазный впрыск. Кроме того, процесс с такой конструкцией форсунки позволяет уменьшить загрязнение и намокание свечи зажигания по сравнению с бесштифтовой форсункой.

Рис.2.14 Распространение струй при различных противодавлениях [7]

Первой представила серийный образец двигателя c впрыском второго поколения фирма DaimlerChrysler (рис.2.15). Двигатель с аббревиатурой M272 DE 35 установлен на автомобиле Mercedes CLS 350 CGI. Это 3,5 литровый V-образный шестицилиндровый двигатель с центрально расположенной в 4 клапанной головке цилиндра пъезофорсункой с открывающимся наружу штифтовым распылителем фирмы Бош. Свеча зажигания расположена таким образом, что ее электроды позиционированы в пограничном слое струи. Топливо подается в камеру сгорания посредством трехкратного впрыска с давлением до 20 МПа. Степень сжатия равна 12,2. В зависимости от степени расслоения сокращение расхода топлива по сравнению с аналогом со впрыском во впускную систему составляет от 10 до 40%. Сокращение расхода по европейскому ездовому циклу составляет 10%. При этом двигатель имеет на 15 кВт больше мощности (максимальная 215 кВт). В точке поля нагрузок n = 2000 об/мин, p_e = 0,2 МПа удельный расход топлива достигает 290 г/кВтч, против 360 г/кВтч аналога со впрыском во впускную систему. Минимальный удельный эффективный расход топлива составляет 240 г/кВтч.

Рис.2.15. Разрез двигателя DaimlerChrysler M272 DE [15]

Фирма BMW также разработала двигатели с непосредственным впрыском бензина HPI (High Precision Injection) и расслоением заряда второго поколения. Эти двигатели снабжены идентичной «стехиометрическому» двигателю с турбонаддувом системой впрыска. Двигатели имеют центрально расположенную форсунку и, размещенную в непосредственной близости от нее, свечу зажигания. Впрыск производится пъезофорсункой с открывающимся наружу штифтовым распылителем, которая, наряду с многократной подачей топлива, позволяет также реализовать полные и частичные подъемы штифта. Трехцилиндровый аксиально-поршневой насос создает максимальное давление топлива 20 МПа. Степень сжатия равна 12. Минимальный удельный эффективный расход топлива составляет 240 г/кВтч. В точке поля нагрузок n = 2000 об/мин, p_e = 0,2 МПа удельный расход топлива достигает 295 г/кВтч. По сравнению с лучшим по экономичности бензиновым аналогом с системой Valvetronic (g_e = 340 г/кВтч) расход ниже на 13%. В области частичных нагрузок эти двигатели достигли расходов топлива дизельных двигателей.

Рис. 2.16 Элементы, реализующие процесс Orbital [13]

При больших нагрузках бензиновые двигатели с непосредственным впрыском топлива, используют стратегию раннего впрыска, где характеристики горения идентичны характеристикам при предварительном смесеобразовании в двигателях с впрыском топлива во впускную трубу. Тем не менее, улучшение эксплуатационных характеристик двигателей реализуется за счет улучшения противодетонационных характеристик и, соответственно, возможности повышения степени сжатия, в большинстве случаев до 12. Объясняется это следующим. В случае двигателей с впрыском топлива во впускную трубу часть затрат теплоты на испарение топлива компенсируется теплоподводом от поверхностей впускной системы, головки и гильзы цилиндра. В случае раннего непосредственного впрыска, струя топлива следует за поршнем и отражение жидкого топлива от головки поршня можно минимизировать. Таким образом, испарение топлива идет в основном за счет энергии воздуха, что снижает его температуру предположительно на 15K. Это означает, что температура смеси в конце такта сжатия может быть снижена примерно на 30К. К тому же в случае непосредственного впрыска топливовоздушная смесь более неоднородна, и степень ее неоднородности можно регулировать за счет угла опережения впрыска.

Представляется перспективным сочетание концепции второго поколения с турбонаддувом. В данном случае провал тяги, который является одним из недостатков турбонаддува в бензиновых двигателях, может быть уменьшен, потому что до ускорения двигатель работает на бедном режиме, соответственно масса отработавших газов поступающих на турбину больше, чем в двигателе со стехиометрической стратегией управления мощностью. Скорость вращения турбины и компрессора до ускорения поддерживается на уровне в 2 или 3 раза выше, тем самым, уменьшая провал тяги при ускорении.

Вопросы для самоконтроля

1. Детонация в ПДВС. Причины возникновения.

2. Влияние детонации на эффективные показатели двигателя.

3. Какие факторы влияют на склонность двигателя к детонации?

4. Причины отсутствия детонации в дизельных ДВС. Возможно ли осуществление детонационного сгорания в дизельных ДВС?

5. Методы борьбы с детонацией.

6. Как влияет на развитие детонации размер очага воспламенения?

7. Объясните причины отсутствия детонации при воспламенении от искрового разряда и развития детонации от очага самовоспламенения в одном и том же цикле двигателя?

8. Как влияет на склонность к детонации эффективная энергия активации реакций самовоспламенения?

9. Как влияет на склонность к детонации форма поверхности очага воспламенения? В каком случае ударная волна затухнет быстрее: при распространении расходящегося сферического, расходящегося цилиндрического фронтов или при одномерном распространении плоской ударной волны?

10. Скорость распространения ламинарного пламени, определяемая скоростью химической реакции и процессами молекулярного переноса составляет десятки сантиметров в секунду. Скорость распространения турбулентного пламени, определяемая скоростью химической реакции и процессами турбулентного переноса составляет десятки метров в секунду. Какой механизм позволяет не отстать зоне пламени от ударной волны, движущейся со скоростью в сотни и даже тысячи метров в секунду?

11. Преимущества и недостатки ДВС с искровым воспламенением.

12. Причины возможности реализации состава смеси, близкого к стехиометрическому, и сложности реализации высоких коэффициентов избытка воздуха в бензиновых двигателях.

13. Назовите причины, которые определяют возможность повышения степени сжатия в двигателях с высокой турбулизацией заряда.

14. Назовите причины, которые определяют возможность повышения степени сжатия в двигателях с непосредственным впрыском топлива.

15. Перечислите преимущества и недостатки расслоения смеси на частичных нагрузках.

16. Перечислите преимущества и недостатки двигателей с непосредственным впрыском и стехиометрической стратегией управления нагрузкой.

17. В чем заключаются преимущества систем впрыска второго поколения по сравнению с первым?

18. В чем заключается сложность реализации систем впрыска второго поколения?

Источник