Техника - молодёжи 2002-07, страница 14

и н

ж

н

н

п и

Михаил

ПИЩУЛИН,

г.Тверь

В поршневых двигателях внутреннего сгорания (ДВС) существуют два различных рабочих цикла — с воспламенением от искры (с внешним смесеобразованием) и от сжатия (с внутренним смесеобразованием). Такие двигатели имеют огромный диапазон мощностей и используют в качестве горючего широкий диапазон топлив — от газового до тяжелого дизельного.

Однако, несмотря на длительное и бурное развитие, ДВС имеют существенный недостаток — несовершенное, неполное сгорание топлива. Поэтому повышение КПД двигателя хотя бы на несколько процентов дает колоссальный эффект по экономии топлива и по чистоте окружающей среды. Введение ограничений на токсичность выхлопных газов ДВС в большинстве развитых стран потребовало от конструкторов совершенствования рабочего процесса, в первую очередь — смесеобразования и сгорания. Конечно, имеет большое значение и нейтрализация отработанных газов, однако применение нейтрализаторов ухудшает экономичность двигателей.

Известно, что эксплуатационный расход топлива на частичных нагрузках у двигателей с внутренним смесеобразованием на 30 — 50% меньше, чем с внешним, то есть эффективность сгорания в дизеле в 1,5 — 2 раза выше, чем у карбюраторных или инжекторных двигателей. Напомню, что дизельное топливо дешевле бензина, так как вырабатывается, в основном, прямой перегонкой нефти, в то время как высококачественный бензин получается в результате дорогостоящих и сложных вторичных процессов каталитического крекинга, риформинга и т.д.

Но, несмотря на указанные преимущества, а также на более высокий моторесурс, пока дизель считается дорогим по стоимости производства и обслуживания. Кроме того, он уступает по энергетическим, габаритным и весовым показателям аналогичным карбюраторным агрегатам.

Впрочем, совершенствование рабочего процесса дизеля составляет особую задачу и в данной статье рассматриваться не будет. Возможность значительно уменьшить эксплуатационный расход топлива на бензиновых двигателях является более актуальной задачей, так как затрагивает интересы большинства людей, эксплуатирующих транспортные средства, и оказывает влияние на экологическую обстановку в целом.

Но, прежде чем перейти к рассмотрению такой возможности, необходимо отметить, что автомобильная

жизнь, как и жизнь в целом, связана со стереотипами. Большая часть людей, имеющих дело с автотехникой, просто уверены, что применение на автомобилях распределенного, непосредственного впрыска является существенным шагом на пути увеличения экономичности двигателей.

Такой устоявшийся стереотип сформирован многочисленными публикациями и сообщениями о системах распределенного впрыска, которые порой относятся к различным двигателям и различным условиям эксперимента. Но когда оцениваются индикаторные показатели двигателя в строго сравнимых условиях и на одинаковых режимах, то экономии топлива практически нет. Она наблюдается только в городском цикле, причем незначительная, и достигается не за счет лучшего приготовления смеси, а исключительно благодаря электронной системе регулирования, выбирающей оптимальный режим работы двигателя при переходных процессах.

Еще в 1968 г. на базе ЦНИИТА (Центральный научно-исследовательский институт топливной аппаратуры) в Ленинграде проводились сравнительные исследования рабочего процесса двигателя с различными вариантами впрыска легкого топлива. Выводы по этим исследованиям неутешительны (труды ЦНИИТА, №39, 1968 г): у одноцилиндровой установки с распределенным впрыском параметры на 3 — 6% хуже, чем с карбюратором.

Последующие исследования показали, что только в случае многоцилиндровых двигателей и при применении высококачественных форсунок параметры распределенного впрыска практически равны карбюраторным Изменение мощности двигателя при переходе от одной системы питания к другой определяется, главным образом, изменением наполнения и не зависит от типа топливоподающей аппаратуры.

В чем же причина получения одинаковых результатов при, казалось бы, разных способах приготовления горючей смеси? Как известно, процесс химического окисления (сгорания) более полно будет проходить, когда топливо находится в газовой фазе и равномерно распределено в воздушном заряде, то есть когда приготовленная горючая смесь гомогенна и изотропна. Для достижения этого топливо распыляют, создавая максимально возможную площадь соприкосновения со средой.

Однако полного испарения топлива такая мера не дает. Во-первых, тяжелые фракции бензина (а он, как известно, — смесь углеводородов) кипят при достаточно высоких температурах —

130 — 190"С. Во-вторых, на «приготовление» смеси отведено очень мало времени — менее 0,1 с, а то и не более 0,01 с. В третьих, даже мельчайшие капли, полученные механическим путем, тем не менее, содержат десятки тысяч молекул углеводородного топлива.

При распылении или впрыске часть топлива испарится полностью, часть будет находиться в виде мелкодисперсной взвеси, а часть (в основном, тяжелые фракции) осядет пленкой на стенках цилиндра двигателя. Эта пленка на такте сжатия за счет повышенной температуры и давления превращается в крупные капли, практически не участвующие в процессе сгорания. В них могут развиваться крекинговые реакции разложения с образованием более легких углеводородных молекул, которые, не сгорев, выбрасываются в выпускной тракт.

Далее, мелкий аэрозоль при попадании в цилиндр двигателя не испаряется полностью. Капли, как уже сказано, содержат различные фракции, и в первую очередь из них будут испаряться более легкие погоны, с меньшими температурами кипения Но сами капли при этом охлаждаются, а так как подвод тепла к ним недостаточен, то тяжелые фракции не сумеют испариться и эффективно участвовать в процессе сгорания.

Напрасно ожидать, что с помощью форсунок, применяемых при непосредственном впрыске на бензиновых двигателях, можно достичь высокого качества распыла топлива. Те, кто знаком с теорией дизеля, отлично знают, что одно из условий получения мелкого распыла топлива — противодавление среды и высокое давление впрыска. Но в распределенном впрыске давление всего около 5 атм., а противодавление отсутствует. В таких условиях частицы топлива при распылении будут проникать далеко без торможения и теплообмена.

Конструкторы распределенного впрыска, стремясь уменьшить образование топливной пленки, разместили форсунки ближе к впускным клапанам двигателя. Однако эта мера не может помочь, так как отсутствие противодавления во впускном тракте обеспечивает частицам топлива глубокое проникновение без торможения и теплообмена со средой. В результате распыленное топливо попадает на стенки впускного тракта и поверхность впускного клапана и движется в цилиндр опять-таки в виде топливной пленки.

По исследованиям того же ЦНИИТА, в карбюраторных схемах питания от 30 до 50% распыленного топлива оседает в пленку, и испарение происходит не

ТЕХНИК А —МОЛ ОДЕЖИ 72002