<< Пред.           стр. 2 (из 2)           След. >>

Список литературы по разделу

 
  На рис. 4.2.1 отсчет времени дан с момента достижения ВМТ поршнем в индицируемом цилиндре. Как видно из рисунка, в течение первых 0,6...0,7 с при возрастающей частоте вращения KB давление во впускном коллекторе уменьшается, несмотря на повышение значения . Некоторое увеличение при этом коэффициента избытка воздуха является следствием уменьшения цикловой подачи топлива, обеспечиваемой регулятором частоты вращения КВ. Монотонное увеличение давления наддува pka начинает проявляться лишь по достижении ротором ТК значения nk =. 8500 1/мин. На значительную инерционность ротора ТК указывает и то, что после выключения регулятором цикловой подачи топлива при достижении коленчатым валом частоты вращения 1200 1/мин и последующем отсутствии вспышек в цилиндрах двигателя в течение примерно 0,6 с частота вращения ротора ТК продолжает возрастать. Но даже при 1/мин давление наддува остается все еще ниже атмосферного давления. Это обстоятельство косвенно указывает на то, что при частичных нагрузках энергии отработавших газов недостаточно, чтобы обеспечить давление наддува, необходимое для создания повышенного крутящего момента.
  Причины плохой приёмистости ТК обусловлены принципом его действия. В турбокомпрессоре с одного конца ротора жестко закреплено турбинное колесо, а с другого конца - компрессорное колесо. Протекающие через лопатки турбинного колеса горячие отработавшие газы приводят ротор во вращение, благодаря чему компрессорное колесо вращается с такой же скоростью и производит сжатие и подачу в двигатель необходимого ему воздуха. Обеспечив таким образом подачу в цилиндры большего количества воздуха, можно увеличить и количество подаваемого топлива, повышая за счет этого агрегатную мощность двигателя. При этом на привод ТК не требуется отбирать от двигателя часть его мощности, как это имеет место в случае применения нагнетателей с механическим приводом. В данном случае ТК для сжатия свежего заряда использует часть энергии отработавших газов, которая в двигателях без наддува безвозвратно теряется. Благодаря этому у двигателя с турбонаддувом эффективный КПД и экономичность несколько выше, чем у двигателя без наддува или с нагнетателем, имеющим механический привод. Однако по приёмистости двигатель с турбонаддувом из-за инерционности ТК уступает как двигателю без наддува, так и двигателю с нагнетателем, имеющим механический привод.
  Турбокомпрессоры для автомобильных двигателей имеют относительно небольшие габаритные размеры и незначительную массу. Чем меньше габариты ТК, тем большую частоту вращения может иметь ротор (нередко она превышает значение 100 000 1/мин). Наиболее известными в мире изготовителями ТК для легковых автомобилей считаются немецкая фирма ККК (Kuhnle, Kopp и Kausch), специализирующиеся по турбонаддуву американская фирма Garrett и японская фирма IHI. Названные фирмы в программе поставок имеют ТК различных типоразмеров практически для любого диапазона мощности.
  На практике для правильного выбора ТК, предназначенного для наддува автомобильного двигателя сравнительно небольшой мощности, необходимо знать следующие параметры двигателя:
  рабочий объем;
  * максимальную частоту вращения KB;
  * максимальную мощность;
  * внешнюю скоростную характеристику по мощности.
 
  4.2.3. Охлаждение наддувочного воздуха
  При сжатии в нагнетателе или компрессоре воздух нагревается, в результате чего его плотность уменьшается. Это приводит к тому, что в рабочем объеме цилиндра воздуха, а следовательно и кислорода, по массе помещается меньше, чем могло бы поместиться при отсутствии нагревания. Чтобы создать условия для сгорания в цилиндре большего количества топлива, принимают меры для увеличения коэффициента наполнения . Для этого сжимаемый в нагнетателе воздух перед подачей его в цилиндры двигателя предварительно охлаждается в холодильнике, который стал неотъемлемой частью большинства двигателей с наддувом.
  Холодильники наддувочного воздуха бывают двух типов. В одних холодильниках охлаждение наддувочного воздуха производится путем обдувания их оребренной поверхности набегающим воздушным потоком, в других холодильниках функцию охладителя выполняет жидкость системы охлаждения двигателя. При использовании в качестве охладителя потока набегающего воздуха для повышения эффективности охлаждения холодильник должен устанавливаться рядом с радиатором системы охлаждения или перед ним. Холодильник второго типа может устанавливаться в любой зоне объема моторного отсека, однако предпочтение следует отдавать такому его расположению, при котором путь наддувочного воздуха от нагнетателя или турбокомпрессора до цилиндров двигателя будет более коротким и без резких изменений направления движения. С точки зрения экономии места в моторном отсеке предпочтение следует отдать холодильнику, в котором охлаждение производится жидкостью системы охлаждения, так как он при одинаковой эффективности охлаждения имеет меньшие габариты.
  Приблизительные расчеты показывают, что понижение температуры наддувочного воздуха на 10° позволяет увеличить его плотность примерно на 3 %. Это, в свою очередь, позволяет увеличить мощность двигателя примерно на такой же процент, так что, к примеру, охлаждение воздуха на 33° даст увеличение мощности приблизительно на 10 %.
  С другой стороны, охлаждение воздушного заряда приводит к понижению температуры в начале такта сжатия и позволяет реализовать ту же мощность двигателя при уменьшенной степени повышения давления в цилиндре. Следствием этого является уменьшение температуры отработавших газов, что положительно сказывается на уменьшении тепловой нагрузки деталей камеры сгорания, а в бензиновых двигателях, кроме того, понижает склонность смеси к детонационному сгоранию.
  Эта возможность реализуется преимущественно в двигателях с турбонаддувом для дорожных автомобилей. Так как при уменьшении давления наддува требуется меньшая мощность на привод компрессора, то благодаря этому в большинстве случаев возможно использование турбины меньших размеров. Оба мероприятия (уменьшение степени повышения давления и уменьшение размеров турбины) улучшают типично слабые стороны двигателя с турбонаддувом, а именно: позволяют увеличить крутящий момент при низких частотах вращения KB и сократить время выхода на новый режим работы при резком ускорении. Оба этих фактора для эксплуатации двигателя с наддувом в дорожных условиях, конечно, намного важнее, чем достижение высокой максимальной мощности.
  В том же направлении оказывают влияние и прочие мероприятия, целью которых является охлаждение наддувочного воздуха в бензиновых двигателях. Пониженные благодаря охлаждению наддувочного воздуха требования к значению октанового числа бензина позволяют увеличить базовую степень сжатия и увеличить угол опережения зажигания. Все вместе это улучшает характеристику крутящего момента и приёмистость двигателя с турбонаддувом.
 
  4.2.4. Регулирование давления наддува
  С целью защиты автомобильного двигателя с наддувом от возможной поломки, а также для улучшения его характеристики мощности и динамических качеств, давление наддува необходимо регулировать. Регулирование наддува может осуществляться различными способами, каждый из которых имеет свои преимущества и недостатки.
  Заметим, что для расширения возможного диапазона изменения частоты вращения KB при неизменном давлении наддува наиболее действенным способом регулирования является перепуск части отработавших газов (ОГ) в обход турбины.
  При высоком наддуве, характерном, например, для двигателей Формулы-1, наиболее эффективными способами регулирования являются дополнительная камера сгорания, устанавливаемая в выпускном тракте перед турбиной (система "Гипербар"), и выпуск части наддувочного воздуха в атмосферу. По эффективности эти способы уступают перепуску ОГ, но превосходят такие способы, как регулирование соплового аппарата турбины, перепуск части наддувочного воздуха на вход турбины, регулирование фазы впуска и охлаждение наддувочного воздуха.
  При низком наддуве практический интерес представляют такие способы регулирования, как дополнительная камера сгорания, регулирование соплового аппарата турбины, перепуск части наддувочного воздуха и регулирование фазы впуска. При этом по эффективности названные способы становятся сопоставимы с перепуском части ОГ в обход турбины.
  Окончательный выбор способа регулирования производится из условия обеспечения надежности, а также приемлемых значений эффективной мощности и экономичности двигателя. Рассмотрим подробнее встечающиеся на практике способы регулирования.
  Для регулирования давления наддува нагнетателей с механическим приводом применяется простая схема, представленная на рис. 4.2.2.
 
 
  Рис. 4.2.2. Схема регулирования давления наддува в двигателе с приводом нагнетателя от KB: 1 - заборник воздуха; 2 - воздушный фильтр; 3 - нагнетатель; 4 - холодильник наддувочного воздуха; 5 - привод нагнетателя; 6 - блок цилиндров двигателя; 7 - впускной коллектор; 8 - дроссельная заслонка; 9 - заслонка перепускного трубопровода 10; 11 - выпускной коллектор
 
  При работе бензинового двигателя на частичных нагрузках с высокой частотой вращения KB дроссельная заслонка 8 прикрывается. Чтобы исключить при этом излишнее обеднение горючей смеси за счет подаваемого нагнетателем избыточного количества воздуха, заслонка перепускного трубопровода 9, наоборот, приоткрывается, и часть воздуха подается снова на вход нагнетателя 3. Очевидно, что на частичных нагрузках КПД нагнетателя падает (некоторое количество воздуха циркулирует по замкнутому кругу), а эффективный расход топлива увеличивается.
  Характерным недостатком ТК в условиях эксплуатации поршневого двигателя является то, что он при малой мощности двигателя и низкой частоте вращения KB подает воздуха слишком мало, а при высокой частоте и полной нагрузке - слишком много. Это обусловливает недостаточный крутящий момент двигателя в диапазоне низких частот вращения KB и проявляется в медленном его реагировании на изменение нагрузки при переходных процессах, например, при резком ускорении (двигатель имеет плохую приёмистость).
  Для автомобильных бензиновых двигателей, эксплуатируемых в обычных условиях, нерегулируемый турбонаддув не годится. Тем не менее, для условий соревнований и эксплуатации преимущественно при максимальной мощности этот способ может оказаться вполне приемлемым. В качестве примера можно назвать двигатель V8 с рабочим объемом 4,8 л для автомобиля Mercedes C111/IV, предназначенного для установления рекордов скорости. Примечательно, что и при частоте более 6000 1/мин кривая мощности двигателя продолжает круто подниматься.
  Схема наддува двигателя с нерегулируемым турбокомпрессором показана на рис. 4.2.3. Такая схема, в частности, реализована на V-образном дизельном двигателе 8ЧН13/14, оснащенном турбокомпрессором ТКР-11. При номинальной частоте вращения KB n = 1700 1/мин и абсолютном давлении наддува = 1,55 бар двигатель имеет мощность 158,2 кВт (215 л.с.).
  Для регулирования давления наддува в качестве управляющих величин наиболее часто используются давление воздуха перед и после ТК, давление отработавших газов перед и после турбины, а также отношения названных величин. Места отбора давлений для использования в качестве управляющих величин и общепринятые обозначения этих величин условно показаны на рис. 4.2.3.
  Исполнительное устройство системы регулирования давления наддува может иметь различные конструктивные формы, но выполняется, как правило, в отдельном корпусе, и в зависимости от принятой схемы регулирования может устанавливаться как в выпускном, так и впускном тракте двигателя.
  Корпус исполнительного устройства, предназначенного для установки в выпускном тракте, имеет оребрение для обеспечения более эффективного охлаждения. Фирма ККК выполняет это устройство, как правило, в виде клапана с определенным ходом, тогда как у фирмы Garrett это встроенная отклоняемая заслонка. Исполнительное устройство включает в себя перепускной (байпасный) клапан, напоминающий по конструкции клапаны головки цилиндров. Конец стержня клапана прикреплен к мембране, которая поджимается калиброванной пружиной. Мембрана герметично зажата по всему периметру металлической крышкой в форме колпака. Перепускной клапан (или соответственно заслонка) находится в закрытом состоянии благодаря поджатию пружиной. Между мембраной и крышкой имеется полость, в которую подводится управляющее давление. Когда значение управляющего давления становится достаточным для сжатия калиброванной пружины, клапан открывается и перепускает часть потока газов. С помощью силы калиброванной пружины можно регулировать давление наддува, то есть чем больше сила пружины, тем большее давление наддува может быть создано. Эта регулировочная возможность служит лишь как основная регулировка, предназначенная для ограничения максимального давления наддува, но не для его регулирования в процессе работы двигателя. Поэтому в серийных автомобилях с целью обеспечения безопасности двигателя сила предварительного сжатия пружины надежно отрегулирована, а сама пружина опломбирована. У двигателей гоночных автомобилей с целью изменения максимального давления наддува и соответственно мощности силу сжатия пружины можно варьировать с помощью регулировочного болта.
 
 
  Рис. 4.2.3. Схема наддува V-образного двигателя с нерегулируемым ТК: 1 - заборник воздуха; 2 - воздушный фильтр; 3 - турбокомпрессор; 4 - глушитель; 5 - выпускной коллектор левого блока цилиндров; 6 - блоки цилиндров двигателя; 7 - выпускной коллектор правого блока цилиндров; 8 - впускной коллектор левого блока цилиндров; 9 - впускной коллектор правого блока цилиндров; р0 - давление окружающей среды (атмосферное давление); р1 - давление на входе в компрессор; р2 - давление непосредственно после компрессора; р3 - давление отработавших газов перед входом в турбину; р4 - давление отработавших газов на выпуске после турбины
 
  При установке исполнительного устройства в выпускном тракте оно производит перепуск части отработавших газов в обход турбины (регулирование давление наддува перепуском отработавших газов), а при установке его во впускном тракте клапан устройства осуществляет перепуск наддувочного воздуха снова на вход компрессора (регулирование давление наддува перепуском наддувочного воздуха).
  Регулирование давления наддува перепуском наддувочного воздуха.
  Перепуск наддувочного воздуха может осуществляться как на вход впускного тракта, так и на вход турбины (см. раздел 3). Схема регулирования с перепуском наддувочного воздуха на вход впускного тракта перед воздушным фильтром приведена на рис. 4.2.4. В качестве управляющей величины используется давление р2 - давление наддувочного воздуха непосредственно после компрессора. При достижении определенного, отрегулированного для каждого двигателя давления наддува р2, это давление, воздействуя на мембрану, создает усилие, достаточное для сжатия калиброванной пружины, препятствующей открытию перепускного клапана. Перепускной клапан открывается и выпускает сжатый воздух или прямо в атмосферу (у двигателей гоночных автомобилей), или в воздушный фильтр, то есть во впускной тракт перед компрессором (у дорожных автомобилей).
 
 
  Рис. 4.2.4. Схема регулирования давления наддува перепуском наддувочного воздуха: 1 - заборник воздуха; 2 - воздушный фильтр; 3 - глушитель; 4 - турбокомпрессор; 5 - холодильник наддувочного воздуха; 6 - цилиндр двигателя; 7 - перепускной клапан; р2 - давление непосредственно после компрессора
 
  Такая схема регулирования давления наддува применялась, например, фирмой BMW на двигателе ATL, который устанавливался сначала на гоночных автомобилях, а позднее - в первом немецком серийном легковом автомобиле с турбонаддувом BMW 2002 Turbo. Этим способом выполнялось регулирование и в двигателях некоторых автомобилей фирм Ford и Opel. Однако недостатки такого регулирования весьма существенны, поэтому данный способ не находит применения в двигателях с турбонаддувом для современных автомобилей. Правда, для диапазона средних частот вращения KB (в зависимости от конструктивных параметров двигателя) также можно создать достаточно высокое давление наддува, однако затем уже сжатый воздух нужно снова перепускать, что сопровождается потерей КПД турбокомпрессора. Другим недостатком этого способа является то, что турбина, как и при нерегулируемом давлении наддува, должна подбираться под общее количество отработавших газов. А это ограничивает не только возможности регулирования, но и требует относительно больших размеров турбину, что влечет за собой ухудшение приёмистости двигателя.
  Регулирование давления наддува перепуском отработавших газов (ОГ).
  При данном способе регулирование давления наддува основывается на управлении потоком ОГ через турбину. При этом в качестве управляющей величины могут быть использованы давления р2, р3, а также отношения давлений р2/р1, p3/p1, p2/p4 (см. рис. 4.2.3). Байпасный клапан устанавливается в выпускной трубопровод между выпускными каналами головки цилиндров двигателя и входом в турбину или же монтируется непосредственно в корпус турбокомпрессора. В зависимости от значения используемой управляющей величины клапан открывается и перепускает часть ОГ в обход турбины непосредственно в выпускную систему. При полной нагрузке двигателя в зависимости от конструктивных параметров клапана в обход турбины направляется 20...40 % общего потока газов. Остальные 60...80 % идут на привод ротора турбины и обеспечивают создание необходимого давления наддува.
  Этот способ регулирования в зависимости от выбора для регулирующего клапана управляющей величины позволяет выполнить индивидуальную настройку характера изменения давления наддува. Двигатели с турбонаддувом, имеющие регулирование давления наддува перепуском ОГ, обычно имеют хорошую характеристику крутящего момента и удовлетворительную приёмистость.
  Преимущество этого способа регулирования состоит в том, что, благодаря перепуску части ОГ в обход турбины, появляется возможность использовать турбину и компрессор существенно меньших размеров. Вследствие этого даже при относительно низкой частоте вращения KB достигается достаточно высокое давление наддува, что позволяет улучшить приёмистость двигателя.
  На рис. 4.2.5 показана схема регулирования давления наддува перепуском отработавших газов с использованием в качестве управляющей величины давления наддува.
 
 
  Рис. 4.2.5. Схема регулирования давления наддува перепуском отработавших газов с использованием в качестве управляющей величины давления р2: (обозначения элементов см. на рис 4.2.4)
 
  В приведенной схеме с одной стороны мембраны действует давление наддува р2, а с другой стороны - давление окружающей среды р0,. Таким образом, давлению наддува р2 противодействует только усилие калиброванной пружины. Способ является простым и надежным, так как для управления используется чистый сжатый воздух, а характер изменения давления наддува определяют только два параметра. Чтобы получить монотонно ниспадающую кривую давления наддува при увеличении мощности двигателя, в современных ТК управляющее давление отбирается в самом начале улитки (спирали) компрессора.
  На рис. 4.2.6 показана схема регулирования давления наддува перепуском ОГ с использованием в качестве управляющей величины давления ОГ на входе в турбину.
  В приведенной схеме с одной стороны мембраны действует давление р3 а с другой стороны - давление окружающей среды р0 и усилие пружины. Так как при высокой нагрузке и высокой частоте вращения KB давление перед турбиной возрастает сверхпропорционально, то в исполнительном механизме возможно применение жесткой пружины. Это обусловливает резкое увеличение давления наддува в диапазоне средней частоты вращения KB, которое затем при увеличивающемся открытии перепускного клапана понижается.
 
 
  Рис. 4.2.6. Схема регулирования давления наддува перепуском отработавших газов с использованием в качестве управляющей величины давления p3: p3 - давление отработавших газов на входе в турбину (остальные обозначения см. рис. 4.2.4)
 
  Следствием такого характера изменения давления наддува являются выпуклые характеристики мощности и крутящего момента в нижнем диапазоне частоты вращения КВ. Недостатками этого способа регулирования являются потери КПД турбины при максимальной мощности двигателя и то, что для управления давлением наддува используется горячие, неочищенные отработавшие газы. Последнее может вызывать функциональные неисправности перепускного клапана.
  На рис. 4.2.7 показана схема регулирования давления наддува перепуском ОГ с использованием в качестве управляющей величины отношения давления наддувочного воздуха к давлению на входе в компрессор. В приведенной схеме с одной стороны мембраны действует давление наддува , а с другой стороны - давление на входе в компрессор и усилие пружины. Так как с увеличением нагрузки двигателя и частоты вращения KB давление , вследствие аэродинамических потерь во впускном трубопроводе понижается, то использование этой величины вместо давления окружающей среды позволяет создать более высокий перепад давлений по разные стороны мембраны исполнительного механизма.
  Это дает возможность применить более жесткую пружину, что, в свою очередь, позволяет получить характеристику давления наддува аналогичную той, которая имеет место при регулировании по давлению . В качестве недостатка следовало бы отметить известную зависимость характеристики давления наддува от степени загрязненности воздушного фильтра.
 
 
  Рис. 4.2.7 Схема регулирования давления наддува перепуском отработавших газов с использованием в качестве управляющей величины отношения давления /: - давление наддувочного воздуха непосредственно за компрессором; - давление воздуха на входе в компрессор; (остальные обозначения см. рис. 4.2.4)
 
  На рис. 4.2.8 представлена схема регулирования давления наддува перепуском ОГ с использованием в качестве управляющей величины отношения давления отработавших газов на входе в турбину к давлению на входе в компрессор .
 
  Рис. 4.2.8. Схема регулирования давления наддува перепуском отработавших газов с использованием в качестве управляющей величины отношения давления /: - давление ОГ непосредственно перед турбиной; - давление воздуха на входе в компрессор (остальные обозначения см. рис. 4.2.4)
 
  В приведенной схеме с одной стороны мембраны действует давление , а с другой стороны - давление на входе в компрессор и усилие пружины.
  Характеристика наддува в силу уже названных выше причин аналогична той, что имеет место при регулировании по давлению . Но при этом имеется возможность использовать еще более жесткую пружину. Помимо недостатков, отмеченных для способа с регулированием по давлению , здесь оказывает влияние и загрязненность воздушного фильтра.
  На рис. 4.2.9 представлена схема регулирования давления наддува перепуском ОГ с использованием в качестве управляющей величины отношения давления наддувочного воздуха к давлению на выходе из турбины . В приведенной схеме давления и действуют совместно с одной стороны мембраны, с другой стороны мембраны им противодействует усилие пружины.
  Вследствие перепада давлений / сжатый воздух через небольшое дросселирующее отверстие перетекает в выпускной трубопровод. Так как противодавление газов на выпуске с ростом потока газа увеличивается, то при высокой мощности двигателя регулировочный клапан открывается больше, чем на средних частотах вращения коленчатого вала. Это, в свою очередь, вызывает снижение давления наддува при повышенной частоте вращения КВ. В результате обеспечивается выпуклая характеристика мощности двигателя при работе на средних частотах вращения KB, и улучшается его приёмистость по аналогии с тем, что имеет место при регулировании по отношению давлений /.
 
 
  Рис. 4.2.9. Схема регулирования давления наддува перепуском отработавших газов с использованием в качестве управляющей величины отношения давлений /: - давление наддувочного воздуха непосредственно после компрессора; - давление ОГ на выходе из турбины; 8-дросселирующее отверстие (остальные обозначения см. рис. 4.2.4)
 
  Во всех описанных выше способах регулирования давления наддува со стороны выпуска ОГ в качестве основного, а иногда и единственного параметра управления перепускным клапаном использовалось соответственно давление наддува или другое давление в системе двигателя. Несмотря на различные вариационные возможности, этому способу управления давлением наддува оказались присущи недостатки, при которых достигаемый в итоге характер изменения давления наддува не отвечал желаемому.
  Избежать названных недостатков можно путем применения свободно управляемого байпасного клапана. Свободное управление в этом случае означает, что кроме давления наддува (или других давлений в системе) на перепускной клапан оказывают управляющее воздействие и другие параметры. Такими параметрами являются нагрузка (положение дроссельной заслонки), частота вращения KB, температура наддувочного воздуха, сигналы датчика детонационного сгорания, температура двигателя (охлаждающей жидкости) и др. Свободно управляемые байпасные клапаны, получающие сигналы управления от системы контроля за работой двигателя, например Motronic, отвечают современному уровню развития серийных двигателей с наддувом. На рис 4.2.10 показана схема регулирования давления наддува в двигателе автомобиля SAAB 9000 Turbo с использованием свободно управляемого байпасного клапана.
 
 
 
  Рис. 4.2.10. Схема регулирования давления наддува в двигателе автомобиля SAAB 9000 Turbo: 1 - впускной коллектор; 2 - блок цилиндров двигателя; 3- выпускной коллектор; 4 - перепускной (байпасный) клапан; 5-турбокомпрессор; 6-глушитель; 7 - воздушный фильтр; 8 - заборник воздуха; 9 - электромагнитный клапан; 10-холодильник наддувочного воздуха; 11 - дроссельная заслонка; 12 - датчик частоты вращения KB; 13 - датчик детонационного сгорания; 14 - датчик нагрузки двигателя; 15 - электронный блок управления
 
  На всех режимах работы двигателя электронный блок управления обеспечивает давление наддува на максимальном уровне, при котором детонационное сгорание не возникает. При появлении детонации элетронный блок управления 15 по сигналу датчика 13 подает управляющий сигнал на электромагнитный клапан 9, задавая режим его работы. В результате на мембрану перепускного клапана 4 может воздействовать не полное давление наддува, а лишь некоторая его часть. Перепуск ОГ клапаном 4 производится до момента полного исчезновения детонационного сгорания.
  Такая схема регулирования позволяет быстро увеличивать крутящий момент и мощность двигателя на непродолжительное время (у различных двигателей от 16 до 45 с), что необходимо, например, для резкого ускорения при совершении обгонов.
  При резком нажатии на педаль акселератора и открытии дроссельной заслонки 11 по команде электронного блока управления перепускной клапан на это время закрывается, и весь поток ОГ следует через турбину. Благодаря этому давление наддува, а следовательно, и мощность двигателя резко увеличиваются (иногда этот режим работы обозначают термином overboost - перегрузка). На некоторых двигателях для защиты их от поломок в результате перегрузки режим overboost не включается, если частота вращения KB уже достигла номинального значения, или если автомобиль движется на первой передаче. Кроме того, безопасность работы двигателя в режиме overboost контролируется датчиками, регистрирующими названные выше параметры и посылающими соответствующие сигналы в электронный блок управления.
  Двухступенчатый турбонаддув. При желании достигнуть высокого уровня форсирования двигателя с помощью турбонаддува возникает проблема, обусловленная недостаточной производительностью серийных ТК, если давление наддува должно быть более 3,3 бар. Для решения этой проблемы используют двухступенчатый турбонаддув, суть которого поясняется схемой, представленной на рис. 4.2.11.
 
 
  Рис. 4.2.11. Схема двухступенчатого турбонаддува с перепуском ОГ впервой ступени: 1 - заборник воздуха; 2 - воздушный фильтр; 3 - глушитель; 4 - турбокомпрессор первой ступени; 5 - холодильник наддувочного воздуха первой ступени; 6 - перепускной (байпасный) клапан; 7 - турбокомпрессор второй ступени; 8 - холодильник наддувочного воздуха второй ступени; 9 - цилиндр двигателя
 
  ТК первой ступени 4 всасывает воздух через заборник 1 и фильтр 2. После сжатия в компрессоре первой ступени воздух охлаждается в холодильнике 5 и подается на вход компрессора ТК второй ступени 7, где он сжимается до более высокого давления и через холодильник 8 нагнетается в цилиндры двигателя. ОГ двигателя направляются сначала к турбине ТК второй ступени, а затем проходят через турбину ТК первой ступени и далее в выпускную систему двигателя. После прохождения ТК второй ступени ОГ часть своей энергии теряют, и чтобы обеспечить необходимую для двигателя производительность воздуха, ТК первой ступени должен иметь увеличенные размеры по сравнению с ТК второй ступени.
  Для повышения эффективности системы ТК первой ступени снабжается клапаном 6 перепуска ОГ в обход турбины. В качестве управляющей величины здесь используется давление наддувочного воздуха на входе в компрессор второй ступени. Такое решение позволяет использовать в первой ступени наддува ТК уменьшенного размера, а значит, и с уменьшенной инерционностью. Следует заметить также, что эффективность ТК второй ступени при открытии перепускного клапана увеличивается, что связано с уменьшением противодавления на выпуске турбины этой ступени. При дополнении приведенной схемы блоком электронного управления и возложении на перепускной клапан функций свободно управляемого клапана, реагирующего также и на температуру наддувочного воздуха перед компрессором второй ступени, появляется принципиальная возможность отказаться от холодильника наддувочного воздуха, расположенного после компрессора первой ступени.
 
  5. МОДЕРНИЗАЦИЯ СИСТЕМЫ ВЫПУСКА ОТРАБОТАВШИХ ГАЗОВ
  В современном автомобиле на систему выпуска отработавших газов (ОГ) возлагается несколько важных функций:
  * глушение шума при выпуске ОГ до уровня, не превышающего установленных санитарных норм;
  * уменьшение количества токсичных компонентов в ОГ до значений, не превышающих предельно допустимых концентраций.
  Наряду с выполнением этих функций система выпуска должна обеспечивать:
  * хорошую очистку и продувку цилиндров двигателя;
  * минимальные потери энергии ОГ на пути от выпускных клапанов до лопаток соплового аппарата турбины;
  * работу турбины при минимальных пульсациях потока ОГ.
  Кроме того, система выпуска должна иметь относительно простую конструкцию и быть технологичной в изготовлении. Выполнение названных требований позволяет получить приемлемый расход топлива, снизить вероятность поломки лопаток турбины, уменьшить металлоемкость системы выпуска и облегчить ее обслуживание.
  Основной проблемой при стремлении оснастить автомобиль эффективной системой глушения шума является трудность размещения глушителя достаточно больших размеров. Обычно эта проблема решается путем установки на автомобиль нескольких (до трех) последовательно соединенных глушителей с меньшими габаритами вместо одного большого. Важным требованием, предъявляемым при этом к выпускному тракту, является наличие минимального сопротивления движению ОГ и уменьшение за счет этого потерь мощности двигателя.
  Для уменьшения количества токсичных компонентов в ОГ в выпускной тракт современных автомобилей устанавливается каталитический нейтрализатор. Особенность разработанных конструкций каталитических нейтрализаторов в том, что эффективную нейтрализацию содержащихся в ОГ токсичных компонентов они осуществляют лишь при значении коэффициента избытка воздуха = 0,994 ± 0,003. С целью определения количества содержащегося в ОГ кислорода и коррекции (при необходимости) состава топливовоздушной смеси, обеспечивающего эффективную работу каталитического нейтрализатора, в выпускном тракте устанавливается датчик обратной связи, так называемый лямбда-зонд, который называют также кислородным датчиком. На некоторых автомобилях фирмы Toyota такой датчик устанавливается как на входе газов в каталитический нейтрализатор, так и на выходе из него. Это позволяет блоку управления оценивать эффективность работы каталитического нейтрализатора.
  Следует заметить, что при установке каталитического нейтрализатора сопротивление выпускного тракта неизбежно возрастает, что сопровождается некоторым уменьшением эффективной мощности двигателя (на 2 - 3 кВт). Чтобы общее сопротивление выпускного тракта при установке каталитического нейтрализатора сильно не возрастало, последний размещают обычно на месте предварительного глушителя. Поскольку максимальная экономичность двигателя имеет место при работе на обедненных смесях ( 1,05...1,15), то вынужденная работа двигателя во всем диапазоне нагрузок на смеси практически стехиометрического состава неизбежно ведет к снижению экономичности (до 5%).
  Выпускной тракт системы стремятся выполнить таким образом, чтобы при осуществлении возложенных на него основных функций он способствовал бы более полной очистке камер сгорания от остаточных газов и более полному наполнению цилиндров двигателя свежим зарядом. В зависимости от способа организации движения потока ОГ на участке от выпускных клапанов до входа в турбину турбокомпрессора выпускные системы разделяют на системы постоянного давления, импульсные, импульсные с преобразователями импульсов и эжекционные однотрубные.
  Выпускные системы постоянного давления из-за имеющихся серьезных недостатков на автомобильных двигателях практически не применяются. Наибольшее распространение здесь получили системы импульсные и импульсные с преобразователями импульсов. Рассмотрим эти системы подробнее.
  В силу цикличности протекания рабочего процесса в поршневых ДВС в выпускном тракте, как и во впускном, возникает колебательное движение газов, в результате которого образуется волна давления.
  Благодаря большой разности давлений газа в цилиндре и выпускном тракте, в первый момент с начала открытия выпускного клапана из цилиндра выходит значительное количество газов. В этот период, называемый предварительным выпуском, создается распространяющаяся со скоростью звука волна давления. Эта волна, отражаясь от стенок выпускного трубопровода, при определенных обстоятельствах может воспрепятствовать дальнейшему вытеканию газа из цилиндра, обусловленному большой разностью давлений в начальный период выпуска. Последующая очистка цилиндра от остаточных газов осуществляется в этом случае лишь за счет выталкивающего действия поршня. Очевидно, что при таких условиях количество газов, остающихся в камере сгорания от предыдущего цикла, будет наибольшим. Это отрицательно скажется на последующем наполнении цилиндра свежим зарядом и соответственно на мощности, экономичности и экологических показателях двигателя.
  Однако, образующуюся волну давления можно использовать и для создания за выпускным клапаном условий, способствующих улучшению очистки цилиндра от остаточных газов. Для этого выпускную систему необходимо настроить так, чтобы к концу процесса выпуска в период имеющейся фазы перекрытия клапанов за выпускным клапаном при прохождении волны образовалось разрежение. Это приведет к увеличению количества вытекающих из цилиндра остаточных газов и улучшению наполнения его свежим зарядом. Настройка выпускной системы осуществляется путем подбора длины и площади сечения выпускных трубопроводов. На начальном этапе работ названные параметры выпускной системы предварительно могут быть определены расчетным методом, однако затем необходима проверка и уточнение полученных результатов на испытательном стенде. При выполнении этих достаточно трудоемких работ с целью сокращения количества опытов для получения ожидаемого результата следует воспользоваться приемами, известными из теории планирования эксперимента.
  Практика конструирования выпускных систем показывает, что чем больше цилиндров объединяет один выпускной трубопровод, тем меньше возникающая в трубопроводе результирующая амплитуда давления, образующаяся в результате наложения отдельных волн. Поэтому, чтобы избежать нежелательного наложения волн, выпускную систему выполняют в виде нескольких расположенных веером (один над другим) трубопроводов, в каждый из которых осуществляется выпуск газов не более чем из трех цилиндров. Для предотвращения нежелательного наложения волн потоки газа из цилиндров объединяются трубопроводами так, чтобы обеспечить чередование выпусков газа в каждый трубопровод с максимально возможными интервалами. При этом необходимо стремиться обеспечить одинаковую длину выпускных трубопроводов (на практике это не всегда удается реализовать из-за имеющихся габаритных ограничений). Выполнение названных условий возможно при веерообразном расположении выпускных трубопроводов, когда они располагаются один над другим. Обеспечение одинаковой длины трубопроводов позволяет настроить систему выпуска на определенный диапазон частоты вращения КВ. В импульсной выпускной системе подвод ОГ к турбине осуществляется отдельными трубопроводами от каждой группы цилиндров.
  В импульсной выпускной системе с преобразователем импульсов трубопроводы, объединяющие выпуск из двух или трех цилиндров, переходят в выполняющую преобразование импульсов Y-образную трубу, два тракта которой через определенное расстояние объединяются в один. По сравнению с классической импульсной выпускной системой импульсная система с преобразователем импульсов проигрывает по габаритным показателям, но позволяет повысить КПД турбокомпрессора и увеличить ресурс турбины.
  В двигателях с турбонаддувом выход Y-образной трубы соединяется с входом в турбину, а в двигателях без наддува - с трубопроводом, идущим к глушителю. Длина Y-образной трубы оказывает значительное влияние на характеристику мощности двигателя. Подбор длины, при которой двигатель развивает максимальную мощность, можно выполнить только на испытательном стенде. Вызвано это тем, что длина Y-образной трубы зависит к тому же от конструктивных особенностей системы впуска и фаз газораспределения, обусловленных профилем кулачков установленного на двигателе распределительного вала. Следует заметить, что для обеспечения протекания увеличившегося объема отработавших газов поперечное сечение Y-образной трубы в месте объединения двух ее трактов должно быть больше.
  В однорядных 4-цилиндровых двигателях интервалы между вспышками в последовательно работающих цилиндрах составляют 180° поворота коленчатого вала (ПКВ). При встречающихся в этих двигателях порядках работы цилиндров 1-3-4-2 и 1-2-4-3 названному выше требованию при наличии 4-х выпускных каналов будет отвечать объединение одним выпускным трубопроводом соответственно цилиндров 1 и 4, а также 2 и 3. При этом будет обеспечена равномерность чередования выпусков газа в один трубопровод с максимально возможным интервалом 360°. Схема расположения выпускных трубопроводов показана на рис. 5.1.
 
  Рис. 5.1. Схема расположения выпускных трубопроводов 4-цилиндрового рядного двигателя: 1 - впускной коллектор; 2 - блок цилиндров; 3-выпускной трубопровод цилиндров 1 и 4; 4 - выпускной трубопровод цилиндров 2 и З; 5 - Y-образная труба
 
  У некоторых 4-цилиндровых двигателей оба средних выпускных канала (для цилиндров 2 и 3) объединены уже в головке цилиндров. Иллюстрацией такого расположения выпускных каналов может, в частности, служить двигатель Д-243, устанавливаемый на тракторы "Беларусь". При такой конструкции каналов достигнуть правильного согласования достаточно трудно, но получить хорошие результаты при наличии Y-образной выпускной трубы для цилиндров 1 и 4 и общей трубы для цилиндров 2 и 3 вполне возможно. При этом необходимо обеспечить, чтобы общая для цилиндров 2 и 3 труба до места ее объединения с Y-образной трубой имела бы примерно такой же объем, что и последняя. Такое же расположение выпускных каналов встречается и у некоторых английских двигателей (MGB, Mini и др.).
  В однорядных 6-цилиндровых двигателях имеет место порядок работы цилиндров 1-5-3-6-2-4, а на двигателях фирмы Audi и некоторых двигателях фирмы Mercedes цилиндры работают в последовательности 1-4-3-6-2-5. И в первом, и во втором случаях вспышки следуют равномерно с интервалом 120°. Выполнение названных выше условий здесь достигается применением двух расположенных веером выпускных трубопроводов. Один трубопровод объединяет цилиндры 1 - 3, а другой - соответственно цилиндры 4 - 6. Таким образом, чередование выпусков газа в один трубопровод здесь происходит равномерно с интервалом 240°. Схема расположения выпускных трубопроводов показана на рис. 5.2.
 
 
 
  Рис. 5.2. Схема расположения выпускных трубопроводов 6-цилиндрового рядного двигателя: 1 - впускной коллектор; 2 - блок цилиндров; 3-выпускной трубопровод цилиндров 1,2 и 3; 4 - выпускной трубопровод цилиндров 4,5 и 6; 5 - Y-образная труба
 
  Очевидно, что для V-образных и оппозитных (с углом развала блоков цилиндров 180°) 12-цилиндровых двигателей, имеющих коленчатый вал с равномерной продольно-симметричной схемой расположения кривошипов, объединение потоков газа выпускными трубопроводами на каждом блоке цилиндров может выполняться аналогично.
  Несколько труднее обстоит дело с V-образным 8-цилиндровым двигателем, имеющим крестообразную (несимметричную) схему расположения кривошипов коленчатого вала. При такой схеме расположения кривошипов последовательность работы цилиндров в левом и правом блоках цилиндров неодинаковая, в связи с чем эти двигатели нельзя рассматривать как два однорядных 4-цилиндровых двигателя. Иногда из-за недостатка места в моторном отсеке этим обстоятельством пренебрегают, что снижает эффективность выпускной системы. Для оптимальной настройки выпускной системы в этом случае необходимо направлять трубопровод от цилиндра одного блока к цилиндру другого блока, так чтобы после объединения выпуск каждого из двух цилиндров в общий для них трубопровод происходил через равные и по возможности максимальные интервалы времени. Пусть такой двигатель имеет наиболее часто встречающийся на практике порядок работы цилиндров, показанный в таблице 5.1. Интервалы между вспышками в цилиндрах по двигателю составляют 90° ПКВ.
  Таблица 5.1
  Блок цилиндров двигателя Номер цилиндра в блоке Левый (Л) 1 4 2 3 Правый (П) 1 2 3 4
  При теоретическом рассмотрении для выпуска в один трубопровод цилиндры следует попарно объединить следующим образом: 1Л - 2П, 2Л - 4П, ЗЛ - 1П и 4Л - ЗП. В этом случае выпуски ОГ в один трубопровод будут следовать равномерно с интервалом 360 ? ПКВ. Такая схема расположения выпускных трубопроводов показана на рис. 5.3.
 
 
  Рис. 5.3. Схема расположения выпускных трубопроводовдля V-образного 8-цилиндрового двигателя с крестообразной схемой расположения кривошипов KB: 1 - впускные коллекторы; Л - левый блок цилиндров; П - правый блок цилиндров
 
  Намного проще, как у двух однорядных 4-цилиндровых двигателей, выполнить настройку выпускной системы для V-образного 8-цилиндрового двигателя с плоским коленчатым валом (с равномерной продольно-симметричной схемой расположения кривошипов. Настроить выпускную систему в этом случае можно отдельно для каждого блока цилиндров, как это сделано у двигателей гоночных автомобилей Формулы, например, в Ford Cosworth V8.
  Особый интерес представляет выпускная система 5-цилиндровых двигателей. Концерн Volkswagen, например, устанавливает их на микроавтобусы Caravelle и Transporter. Входящая в этот концерн фирма Audi оснащает такими двигателями некоторые свои легковые автомобили. В этих двигателях имеет место порядок работы цилиндров 1-2-4-5-3. Таким образом, вспышки следуют с интервалом 144°. В этом случае цилиндры 1 и 4, 2 и 3 можно объединить попарно, обеспечив минимальный интервал между последовательными выпусками в один трубопровод в 288°, а выпуск из цилиндра 5 осуществить в отдельную трубу уменьшенного сечения. На определенном удалении от блока цилиндров все три трубы объединяются в одну, по которой далее ОГ следуют в глушитель.
  По сравнению со стандартной системой выпуска настройка выпускных трубопроводов путем подбора их длины позволяет увеличить коэффициент наполнения цилиндров практически во всем диапазоне изменения частоты вращения КВ. При этом увеличение мощности двигателя на номинальном режиме может достигать 6% .
  Теперь остановимся несколько подробнее на эжекционной однотрубной выпускной системе, разработанной в ЦНИДИ [3], которая с успехом может применяться на 4-, 6- и 8-цилиндровых двигателях как с наддувом, так и без наддува. Достоинством этой выпускной системы является то, что она удовлетворяет практически всем требованиям, изложенным в самом начале раздела. Система может выполняться по одной из схем , приведенных на рис. 5.4.
  Поток ОГ по выпускному патрубку 1 поступает в однотрубный выпускной коллектор 2. Следуя по коллектору, поток ОГ вызывает эжекцию в выпускных патрубках. В свою очередь, газовые потоки в выпускных патрубках вызывают эжекцию в выпускном коллекторе. Благодаря наличию эжекции во время перекрытия клапанов в выпускных патрубках двигателя с турбонаддувом происходит понижение давления относительно уровня давления перед турбиной. При правильно подобранных фазах газораспределения это позволяет улучшить очистку цилиндров и их наполнение, что положительно сказывается на мощности и экономичности двигателя.
 
 
  Рис. 5.4. Схемы возможного исполнения эжекционной однотрубной выпускной системы: 1 - выпускной патрубок; 2 - выпускной коллектор
 
  Оснащение одноблочного дизельного двигателя 6ЧН12/14 с турбокомпрессором ТКР-8,5 эжекционной однотрубной выпускной системой вместо штатной импульсной системы позволило уменьшить удельный эффективный расход топлива на 7 - 8 г/(кВт.ч) при работе на повышенных нагрузках и примерно на 4 г/(кВт.ч) при работе на малых нагрузках. При оставшихся практически неизменными расходе воздуха через двигатель и температуре ОГ перед турбиной давление наддува возросло на 0,015 - 0,02 МПа, а средняя температура ОГ в выпускных патрубках уменьшилась на 10 - 15°С. Благодаря наличию эжекции давление в выпускных патрубках во время перекрытия клапанов на протяжении 50 - 100° ПКВ оказывалось на 0,005 - 0,05 МПа ниже давления во впускном коллекторе.
  В случае двигателя без наддува благодаря наличию эжекции давление в выпускных патрубках во время перекрытия клапанов становится ниже атмосферного. При этом, как и у двигателя с наддувом, происходит улучшение очистки и наполнения цилиндров.
  По сравнению с классической импульсной выпускной системой эжекционная однотрубная система при ее существенно меньших габаритах позволяет уменьшить габариты двигателя в целом, повысить КПД турбокомпрессора, а также увеличить ресурс турбины.
  Обычно настройка выпускной системы двигателя выполняется комплексно с настройкой впускного тракта. При правильно подобранных параметрах обеих систем можно добиться очень эффективного наполнения цилиндров свежим зарядом и получить значение .
 
 
  Рис. 5.5. Схема перепуска наддувочного воздуха на вход турбины: 1 - заборник воздуха; 2 - воздушный фильтр; 3 - глушитель; 4 - турбокомпрессор; 5 - холодильник наддувочного воздуха; 6 - цилиндр двигателя; 7-перепускной клапан
 
  Комплексная настройка систем впуска и выпуска автомобильных дизельных двигателей с наддувом позволяет добиться улучшения их приёмистости. Для этого обе системы соединяют трубопроводами, благодаря которым часть наддувочного воздуха может подаваться на вход турбины. Представленная на рис. 5.5 схема позволяет плавно изменять расход газовоздушной смеси через турбину в зависимости от режима работы двигателя.
  При увеличении разности давлений наддувочного воздуха и отработавших газов выше заданного значения перепускной клапан 7 открывается, в результате чего часть наддувочного воздуха поступает на вход турбины. Такое регулирование обеспечивает требуемую рабочую характеристику двигателя при работе на частичных нагрузках. Для обеспечения выхода двигателя на номинальную мощность в приводе перепускного клапана имеется устройство для его блокировки в закрытом состоянии.
 
  6. КОНВЕРТИРОВАНИЕ ДВИГАТЕЛЕЙ ДЛЯ РАБОТЫ НА ГАЗЕ
  Сохраняющаяся тенденция роста цен на топлива нефтяного происхождения, особенно на высокооктановый бензин, и все более ужесточающиеся требования к снижению уровня токсичности отработавших газов вынуждают фирмы по производству двигателей искать пути, позволяющие снизить стоимость эксплуатации автомобиля. Одним из таких путей является конвертирование как бензиновых, так и дизельных двигателей для работы на газовом топливе.
  При переводе на газ автомобиль может оборудоваться установкой или для сжатого, или для сжиженного газа. Установки для сжатого газа, ввиду их громоздкости, применяются лишь на грузовых автомобилях и автобусах.
  На состоявшейся 10-14 ноября 1999 г. в Санкт-Петербурге VII Международной выставке "Авто-Сервис Шоу - 99" венгерское АО RABA представило новое семейство рядных 6-цилиндровых двигателей G 10 с горизонтальным расположением блока цилиндров, работающих на сжатом природном газе и предназначенных для установки на автобусы и грузовые автомобили. При переводе на газ базовых дизельных двигателей семейства D 10 с рабочим объемом 10,35 л их степень сжатия была уменьшена с 15,2 до 11,0...12,7 в зависимости от модели. Двигатели оборудованы турбокомпрессором с клапаном перепуска отработавших газов и холодильником наддувочного воздуха, расположенными перед газовоздушным смесителем. Смеситель разработан голландской фирмой Deltec Fuel System на основе трубки Вентури с подводом газа в диффузор через систему радиальных отверстий. Коэфициент избытка воздуха в зависимости от режима работы двигателя изменяется в диапазоне а = 0,97...1,5. Расположенная за смесителем дроссельная заслонка позволяет регулировать количество газовоздушной смеси, обеспечивая устойчивую работу двигателя и на частичных нагрузках. Например, двигатель RABA G 10 DE-190 имеет номинальную мощность 190 кВт при 2100 1/мин и максимальный крутящий момент 1130 Нм при 1300 1/мин. При этом коэффициент приспособляемости - 1,27 и скоростной коэффициент = 0,619, что указывает на некоторое улучшение динамических качеств газового двигателя по сравнению с базовым дизельным вариантом. Дизельный двигатель такой же мощности имеет соответственно = 1,183 и = 0,632. При конвертировании на газовое топливо уровни токсичности ОГ и шумности двигателей G 10 по сравнению с дизельными двигателями значительно уменьшились. При этом моторесурс газовых двигателей вырос на 30%.
  Так решается обозначенная выше проблема, когда за дело берется солидная фирма. А как обстоят дела в частном секторе? Стремясь уменьшить эксплуатационные расходы на топливо, некоторые автолюбители заменяют уплотнительную прокладку между головкой и блоком цилиндров на более толстую и уменьшают тем самым степень сжатия двигателя. Такой "тюнинг" позволяет заправлять автомобиль более дешевым низкооктановым бензином, однако это сопровождается увеличением расхода топлива, некоторой потерей мощности двигателя, ухудшением его динамических качеств и, как правило, увеличением токсичности отработавших газов. Обусловлено это, во-первых, тем, что с уменьшением степени сжатия при неизменных прочих конструктивных параметрах двигателя неизбежно увеличивается коэффициент остаточных газов , что вызывает уменьшение коэффициента наполнения , уменьшение скорости сгорания топливовоздушной смеси и увеличение неполноты ее сгорания. Во-вторых, уменьшение степени сжатия сопровождается увеличением площади поверхности камеры сгорания и возрастанием по этой причине непроизводительных потерь выделившейся в процессе сгорания теплоты в стенки.
  Другой, более эффективный путь решения названной проблемы, - это конвертирование двигателя для работы на газе при сохранении возможности работы его на бензине. В этом случае работа на бензине позволяет сохранить практически неизменными прежние динамические качества автомобиля, что немаловажно, например, в условиях езды по городу (быстрое трогание с места и быстрый разгон). Работа на газе более предпочтительна на загородных трассах, где по условиям дорожного движения (ограничение скорости, плохая дорога) полная мощность от двигателя практически не требуется.
  Легковые автомобили оборудуются исключительно установками для сжиженного газа. Рассмотрим наиболее важные характеристики таких автомобилей, а также некоторые особенности устройства системы питания и ее работы.
  Помимо уменьшения расходов на топливо работа двигателя на газе обеспечивает и ряд других важных преимуществ:
  * увеличение ресурса двигателя, обусловленное отсутствием конденсации топлива и смывания пленки масла со стенок цилиндров;
  * увеличение срока службы свечей зажигания вследствие уменьшения нагарообразования на поверхностях камеры сгорания, в том числе на изоляторах и электродах свечей;
  * увеличение времени сохранения маслом своих эксплуатационных качеств по причине уменьшения его загрязнения продуктами сгорания и отсутствия его разжижения топливом;
  * уменьшение токсичности отработавших газов по причине более полного сгорания газовоздушных смесей и пониженной температуры сгорания.
  Однако при переводе двигателя на газ проявляются и определенные недостатки:
  > происходит некоторое уменьшение мощности двигателя, обусловленное более низкой теплотворной способностью газовоздушных смесей по сравнению с бензовоздушными;
  > при одинаковой емкости газового баллона и бензобака уменьшается запас хода автомобиля;
  > газовый баллон занимает часть полезного объема багажного отсека автомобиля (наличие в багажном отсеке полностью заправленного газового баллона емкостью 50 л равносильно размещению в отсеке багажа массой примерно 50 кг).
  Последний недостаток весьма существенный, так как посадка в автомобиль, кроме водителя, четырех пассажиров может означать превышение полезной массы автомобиля.
  Чтобы принять решение о возможности или невозможности установки на автомобиль газобаллонного оборудования, помимо названных преимуществ и недостатков полезно предварительно познакомиться с наиболее важными характеристиками автомобиля, оснащенного этим оборудованием.
  Так как октановое число пропан-бутановой смеси более 100 единиц, то для достижения высоких показателей мощности и экономичности двигатель должен иметь степень сжатия не менее = 8,2 (сравните со значением е для газовых двигателей G 10 фирмы RABA) и работать на бензине АИ-92. При этом чем больше степень сжатия (например, = 9,9 у моделей ВАЗ 2108 - 2109), тем выше экономичность и мощность двигателя. При полезном объеме газового баллона 42 литра (часть объема баллона, заполненная сжиженным газом) и среднем расходе газа для названных моделей примерно 10 л на 100 км запас хода автомобиля на газе составляет около 420 км.
  Чтобы оценить срок окупаемости затрат при переводе автомобиля на газовое топливо нужно сначала определить затраты на газовое топливо (бензин) при пробеге автомобиля 1000 км. Для этого можно воспользоваться формулой Зг(б) = 10.Р.Ц, где Зг(б) - затраты на газовое топливо (бензин); Р - расход газа (бензина) на 100 км пройденного пути; Ц - цена одного литра газового топлива (бензина), руб. Разность Зб- Зг показывает материальный выигрыш в рублях при пробеге 1000 км. Умножая эту разность на годовой пробег своего автомобиля, выраженный в тысячах километров, получаем материальный выигрыш за один год эксплуатации автомобиля. Далее остается поделить стоимость установки газового оборудования на годовой материальный выигрыш, и мы получим период времени (в годах), по истечении которого затраты окупятся.
  Если взвесив все "за" и "против", вы решили установить газовое оборудование на свой автомобиль, то для более полного знакомства с особенностями конструкции и эксплуатации системы питания двигателя такого автомобиля следует обратиться к [4]. Изложенный ниже материал дает общее представление о устройстве системы питания двигателя, позволяющей работать ему как на газовом топливе, так и на бензине.
  Для сохранения неизменной конструкции головки цилиндров при переводе двигателя на газ используется внешнее смесеобразование с помощью смесителей с пересекающимися или параллельными потоками воздуха и газа. Наиболее распространенные схемы смесителей показаны на рис. 6.1.
 
 
  Рис. 6.1. Схемы газовоздушных смесителей: а - с пересекающимися потоками газа и воздуха; б - с параллельными потоками газа и воздуха
 
  Обычно такие схемы смесеобразования используют, когда бензиновый двигатель конвертируется для работы только на газе. В этом случае газовоздушный смеситель устанавливается на место карбюратора. Если установить такой смеситель над карбюратором и сохранить тем самым возможность работы двигателя на бензине, то увеличившееся сопротивление впускного тракта приведет при работе на бензине к значительному возрастанию расхода топлива.
  При желании сохранить возможность работы двигателя на бензине с приемлемым расходом топлива можно воспользоваться одним из рекомендуемых в [4] путей:
  * доработать двухкамерный карбюратор, превратив его в карбюратор-смеситель;
  * впаять в переходную коробку воздушного фильтра в зоне над карбюратором две газоподводящие трубки (для двигателей с воздушным фильтром не над карбюратором).
  Если нет желания изменять конструкцию дорогостоящего карбюратора, то остается второй путь. При этом в автомобилях, где воздушный фильтр расположен непосредственно над карбюратором, впайку газоподводящих трубок можно произвести в специально изготовленный переходный фланец, который устанавливается затем между воздушным фильтром и карбюратором.
  Достаточно хорошо отработана конструкция двухкамерного газового смесителя для автомобилей ВАЗ. Этот смеситель представляет собой переходный фланец, устанавливаемый вместо теплоизолирующей прокладки между корпусом дроссельных заслонок и корпусом поплавковой камеры карбюратора. Такая конструкция обеспечивает минимальный расход газа при работе на холостом ходу, ровную работу двигателя при изменении режима работы, достаточно хорошие мощностные и экономические характеристики и низкий уровень токсичности ОГ.
  Схема системы питания двигателя, обеспечивающая его работу на газовом топливе или на бензине, показана на рис. 6.2.
  Внимание! Во избежание выхода двигателя из строя и с целью обеспечения пожарной безопасности одновременная работа двигателя на газовом топливе и бензине не допускается.
  Система питания выполнена из расчета, что газовое топливо является основным, а бензин - резервным. Для этого в бензопровод между топливным насосом 7 и карбюратором 8 установлен электромагнитный клапан 24. При работе двигателя на газе клапан перекрывает подачу бензина в поплавковую камеру карбюратора. Управление работой клапана осуществляется водителем с помощью переключателя вида топлива, подключаемого через замок зажигания к электрической цепи катушки зажигания и устанавливаемого обычно под щитком приборов.
 
 
  Рис. 6.2. Схема системы питания двигателя для работы на газовом топливе и бензине: 1 - цилиндр двигателя; 2 - бензобак; 3 - заливная горловина; 4 - сепаратор паров бензина; 5 - двухходовой обратный клапан; б - фильтр тонкой очистки; 7 - топливный насос; 8 - карбюратор; 9-обратный клапан; 10 - воздушный фильтр; 11 - воздухозаборник; 12-глушитель; 13 - подогреватель впускного тракта; 14 - баллон для сжиженного газа; 15 - наполнительный вентиль; 16 - расходный магистральный вентиль; 17 - газовый электромагнитный клапан с фильтром; 18 - испаритель редуктора; 19-регулятор первой ступени редуктора; 20- регулятор второй ступени редуктора; 21 - дозатор газа через первый патрубок; 22 - тройник; 23 - дозатор газа через второй патрубок; 24 - бензиновый электромагнитный клапан; 25 - двухступенчатый редуктор-испаритель низкого давления
 
  Сжиженный газ находится под давлением 1,6 МПа (16 кгс/см2) в баллоне 14. Заправка баллона производится на автомобильной газонаполнительной станции через штуцер с резиновой конусной муфтой и наполнительный вентиль 15. При работе двигателя газ из баллона по гибкому газопроводу высокого давления поступает через расположенные в одном корпусе 17 электромагнитный клапан и фильтр в двухступенчатый редуктор-испаритель низкого давления 25. Газовый электромагнитный клапан открывается водителем при включенном зажигании с помощью переключателя вида топлива. В случае аварийной ситуации клапан герметично перекрывает газовую магистраль. В фильтре газ очищается от содержащихся в нем механических примесей и смолистых соединений.
  Редуктор-испаритель низкого давления 25 состоит из испарителя 18 и регуляторов первой 19 и второй 20 ступеней. Теплота для испарения газа подводится к испарителю от системы охлаждения двигателя. Регулятор первой ступени редуктора понижает давление газа до 0,2 МПа, а после второй ступени давление газа становится близким атмосферному. Под действием разрежения, создаваемого во впускном трубопроводе при работе двигателя, газ через тройник 22 и дозаторы 21 и 23 поступает во впускной трубопровод перед воздушной заслонкой карбюратора. Здесь происходит его смешение с поступающим в двигатель воздухом, в результате чего образуется однородная горючая смесь. При увеличении нагрузки двигателя (открытии дроссельной заслонки) поступление газа автоматически возрастает. От карбюратора газовоздушная смесь следует в цилиндры двигателя по тому же тракту, что и бензовоздушная смесь при работе двигателя на бензине.
 
  7. ЕСТЬ ЛИ ЕЩЕ РЕЗЕРВЫ ДЛЯ ТЮНИНГА?
  Анализ традиционных путей тюнинга двигателя, рассмотренных выше, показывает, что их возможности или практически полностью исчерпаны, или связаны с существенным увеличением материальных затрат. Все названные пути направлены в основном на создание более благоприятных условий для процесса сгорания в двигателе или на исправление результатов, полученных в процессе сгорания, но сам процесс сгорания практически не затрагивают.
  В этой связи в последние годы наметились достаточно новые направления, которые получают все более полное теоретическое и практическое подтверждение, - это применение в двигателях электрических и магнитных полей, а также электрических разрядов.
  Известно, что ионы кислорода имеют очень высокую химическую активность. Однако попытки применения электрических разрядов, например, с целью ионизации воздушного потока при движении его по впускному тракту сколько-либо заметного результата с точки зрения улучшения сгорания пока что не дали. Основная причина этого кроется в том, что время существования ионизированных частиц кислорода значительно меньше, чем время, за которое эти частицы достигают цилиндра.
  Наиболее перспективным из этих направлений представляется применение электрического поля высокой напряженности (ЭПВН) непосредственно в камере сгорания двигателя. Такая оценка основана на том, что ЭПВН позволяет эффективно воздействовать на процессы в цилиндре двигателя, благодаря чему создаются предпосылки для управления процессом сгорания.
 
  7.1 Действие электрического поля на процесс сгорания
  Выполненные во второй половине XX века исследования показали, что существенную роль в процессе сгорания углеводородных топлив играет ионизация газов как во фронте пламени, так и в зоне продуктов сгорания. Кратко поясним суть ионизации и покажем, на чем основана возможность использования этого явления.
  Ионизация газов требует существенных затрат энергии. Потенциалы ионизации большинства атомов и молекул углеводородных топлив находятся в пределах 4...20 эВ (электронвольт). При этом наименьшее значение потенциала ионизации (4,35 эВ) имеет атомарный углерод.
  Из множества процессов, ведущих к ионизации, наиболее значимыми являются ионизация при столкновении, передача электрона, ионизация при передаче энергии возбуждения и хемоионизация. При горении углеводородных топлив имеют место все названные виды ионизации. Кроме того, многие возникающие в процессе сгорания частицы, способны образовывать отрицательные ионы. Поскольку реакции захвата электрона носят экзотермический характер, то имеет место диссипация энергии, что накладывает определенные ограничения на механизм реакций такого типа. Сходным с захватом электрона является процесс передачи заряда, который в случае реакции между ионами и молекулами может сопровождаться химической перегруппировкой.
  Считается, что в случае столкновения молекул (частиц) с электронами ионизация молекул (частиц) начинается с момента, как только энергия электронов превысит потенциал ионизации. Максимальная эффективность ионизации для молекул СО, NO, O2, С2 H2, H2 и других достигается при энергии электронов примерно 100 эВ.
  В случае столкновения с атомами и ионами критическая энергия, при которой начинается ионизация, выше, чем в случае столкновения с электронами. При этом максимум ионизации наблюдается при энергиях порядка 103...104 эВ.
  Типичные процессы горения характеризуются энергией от 0,1 до 1,0 эВ. Следовательно при этом столкновения частиц с электронами более эффективны, чем их столкновения с молекулами, вызывающие ионизацию.
  Ионизация путем передачи энергии возбуждения имеет место, когда одна из частиц отдает, а другая принимает энергию возбуждения, в результате чего принимающая частица ионизируется.
  Химоионизация возникает при химической перегруппировке, в результате которой выделяется энергия, вызывающая ионизацию исходных частиц. Химические реакции перегруппировки носят экзотермический характер, протекают с высокой скоростью и играют очень важную роль в реакционных зонах углеводородных пламен.
  При сгорании углеводородных топлив сильное влияние на ионизацию пламени оказывает термоэлектронная эмиссия. Это явление возникает при высоких температурах, когда энергия электронов становится достаточной для того, чтобы они могли покинуть поверхность твердых частиц. В результате термоэлектронной эмиссии частицы приобретают положительный заряд. В углеводородных пламенах к таким частицам следует отнести, прежде всего, частицы углерода (сажи). При температуре 1880 °С, характерной для камеры сгорания дизеля, вследствие эмиссии электронов с поверхности частиц углерода за время не более 10-3 мс создается равновесная концентрация электронов, достигающая 1010 электрон/см3.
  Поскольку концентрация заряженных частиц в процессе сгорания очень высокая, представляется возможным воздействовать на эти частицы с помощью ЭПВН. При этом процесс эмиссии электронов с поверхности продуктов неполного сгорания, в том числе частиц углерода, интенсифицируется, что сопровождается увеличением их положительного заряда. Электроны, покинувшие частицы, устремляются к положительно заряженному электроду, и их равновесная концентрация не достигается. В свою очередь частицы, приобретшие в результате испускания электронов положительный заряд, устремляются к отрицательному электроду, увлекая при этом за собой и нейтральные частицы. Это явление известно под названием "электронного ветра Четтока" или электронного ветра.
  Движение заряженных частиц вызывает появление объемной силы, действующей на нейтральный газ. Эта сила направлена в сторону движения положительно заряженных частиц, т.е. к отрицательному электроду. Максимальный эффект воздействия на процесс сгорания наблюдается при напряженности электрического поля, обеспечивающей наибольшую интенсивность электронного ветра. Возникающее под действием ЭПВН движение частиц турбулизирует пламя, в результате чего резко возрастает его поверхность и общая скорость сгорания топлива. Применительно к двигателю это означает, что за одно и то же время в камере сгорания можно сжечь значительно больше топлива и тем самым увеличить мощность двигателя.
  Наличие эффекта турбулизации пламени при воздействии на него ЭПВН подтверждено опытами при участии автора [5]. Опыты проводились на открытом диффузионном пламени, образующемся при сгорании дизельного топлива. При этом варьировались форма электродов и величина подаваемого на них напряжения, что позволило также выявить влияние формы и напряженности создаваемого электрического поля на интенсивность процесса сгорания. Опыты позволили установить, что наибольший эффект турбулизации пламени возникает при действии электрическим полем на зону у основания фронта диффузионного пламени, где происходит образование заряженных частиц. При этом эмиссия продуктов неполного сгорания в виде копоти, образуемой частицами сажи при отсутствии электрического поля, практически прекращается, что указывает на более полное выгорание топлива при наличии ЭПВН. В двигателе это неизбежно приводит к повышению его экономичности и уменьшению эмиссии продуктов неполного сгорания с ОГ. В дизеле, кроме того, турбулизация пламени гарантирует более качественное перемешивание паров топлива с воздухом. Это позволяет создать условия для полного сгорания поданного в цилиндр топлива при меньшем коэффициенте избытка воздуха и, возможно, отказаться от наддува при незначительном форсировании двигателя. Картина степени влияния электрического поля на пламя горелки наглядно представлена на рис. 7.1 и 7.2
 
  Рис. 7.1. Открытое диффузионное пламя при отсутствии напряжения на электродах (в верхней зоне пламени хорошо видна образующаяся при горении копоть) Рис. 7.2. Открытое диффузионное пламя при напряженности электрического поля Е = 3,2 кВ/см (пламя отклоняется в сторону отрицательного электрода)
  Наиболее эффективное влияние на процесс сгорания в цилиндре двигателя может быть достигнуто при условии, когда все зоны объема камеры сгорания находятся в электрическом поле одинаково высокой напряженности. Добиться выполнения этого условия можно путем придания положительному электроду формы, при которой его .поверхность будет равноудалена от отрицательно заряженных поверхностей камеры сгорания при положении поршня в верхней мертвой точке. Этот вывод также подтвержден при моделировании геометрии камеры сгорания двигателя с помощью электродов различной формы. Предлагаемое решение гарантирует эффективное влияние на процесс сгорания в двигателе как с внешним, так и с внутренним смесеобразованием. Однако при этом следует отдавать себе отчет в том, что реализация данного решения сопряжена с некоторым изменением конструкции головки цилиндров.
  Примерные схемы расположения положительного электрода в камерах сгорания различной формы показаны на рис. 7.3 и 7.4.
 
 
  Рис. 7.3. Размещение положительного электрода сферической формы (2) относительно поверхности (1) камеры сгорания типа MAN
 
  При проведении опытов было замечено также, что уменьшение общего количества образующихся сажистых частиц при воздействии на диффузионное пламя ЭПВН проявляется не только в уменьшении количества копоти, но и в сильном уменьшении свечения пламени. Последнее неизбежно связано с уменьшением его излучающей способности, что определенно скажется на уменьшении радиационного теплового потока к поверхностям камеры сгорания, который в современных дизелях может достигать 30% от суммарного теплового потока. Априорно можно утверждать, что уменьшение теплоотво-да к деталям камеры сгорания за счет уменьшения радиационной составляющей будет более существенным, чем повышение теплоотвода за счет увеличения конвективной составляющей теплового потока из-за турбулизации процесса сгорания в результате воздействия ЭПВН.
 
 
  Рис. 7.4. Размещение положительного электрода кольцевой формы (2) относительно поверхности (1) камеры сгорания типа ЯМЗ
 
  7.2. Управление процессом сгорания с помощью ЭПВН
  Один из возможных вариантов схемы управления процессом сгорания с помощью ЭПВН показан на рис. 7.5.
 
 
  Рис. 7.5. Примерная схема управления процессом сгорания с помощью электрического поля
 
  Управление осуществляется следующим образом. При работе двигателя постоянное напряжение от аккумуляторной батареи 3 подается на регулятор постоянного напряжения 4, который в зависимости от количества подаваемой в камеру сгорания горючей смеси или топлива автоматически регулирует величину напряжения, подаваемого на преобразователь постоянного напряжения в переменное 5. Этим определяется амплитуда генерируемых импульсов напряжения, подаваемых на первичную обмотку повышающего трансформатора 6, и, следовательно, величина переменного высокого напряжения, поступающего с вторичной обмотки повышающего трансформатора на выпрямитель 7, преобразующий переменное напряжение в постоянное. Далее высокое постоянное напряжение поступает в коммутатор 8, включающий высокое напряжение на положительный электрод 2 камеры сгорания 1 в соответствии с порядком работы цилиндров двигателя. Это исключает возможность короткого замыкания между клапанами и расположенным в камере сгорания положительным электродом 2 (при приближении к электроду клапанов в процессе очистки и наполнения цилиндров) и гарантирует наличие высокого напряжения на электродах той камеры, где происходит сгорание.
  В случае 2-тактных двигателей с прямоточно-щелевой или петлевой продувкой цилиндров наличие коммутатора 6 не является обязательным, что существенно упрощает и без того достаточно простую схему управления.
  Применение описанного устройства на двигателе позволяет достигнуть следующих основных результатов:
  * повысить мощность за счет увеличения количества сгораемого в камере топлива;
  * увеличить экономичность за счет снижения неполноты сгорания топлива;
  * уменьшить выброс продуктов неполного сгорания с ОГ в атмосферу за счет более полного выгорания топлива;
  * обеспечить полное выгорание топлива в дизеле при меньших значениях коэффициента избытка воздуха, за счет чего частично решить проблему необходимости наддува при незначительном форсировании двигателя.
  Несомненными достоинствами двигателя, оборудованного названным устройством, является простота схемы управления, малые габариты устройства, не превышающие в целом габаритов аккумуляторной батареи, применение для его изготовления доступных деталей и незначительная потребляемая мощность устройства.
 
 Список литературы
  1. Степанов В.Н., Шлоссер Б. Экспериментальное подтверждение нецелесообразности вращения заряда в цилиндре дизеля при пуске в условиях низких температур // Двигателестроение. - 1984. '-№ 9. - С. 5 - 7.
  2. So wind's gemacht: pflegen - warten - reparieren / Hans-Rudiger Etzold. - Bielefeld: Delius Klasing. Bd. 73. Audi 100/Audi A6 ab 11/90. -3. Aufl. - 1996. - 321 S.
  3. Лазурко А.А., Соколов С.С. Результаты исследования газовыпускной системы с однотрубным коллектором для многоцилиндровых ДВС // Двигателестроение. - 1979. - № 3. - С. 25 - 27.
  4. Золотницкий В.А. Газобаллонный легковой автомобиль. - М.: Патриот, 1994. - 44 с., ил.
  5. А.С. 1183699 (СССР). Двигатель внутреннего сгорания / Ле-нингр. политехи, ин-т; авт. изобрет. В.Н. Степанов, В.Ф. Степанов, А.В. Степанов. - Заявл. 30.12.83, № 3684864/25-06; опубл. в БИ 1985, № 37.
 
  Mr_Max, февраль 2004 год
 
 

<< Пред.           стр. 2 (из 2)           След. >>

Список литературы по разделу