Работа с послойным зарядом топливовоздушной смеси

В области небольших крутящих моментов при частоте вращения приблизительно до 3000 мин двигатель работает в условиях послойного заряда топливовоздушной смеси. В этом случае форсунка впрыски­вает топливо во время такта сжатия непос­редственно перед моментом зажигания. В течение короткого периода времени до мо­мента зажигания поток воздуха переносит рабочую смесь к свече зажигания. По­скольку имеет место поздний впрыск топ­лива, то для распределения топливовоз­душной смеси по всему объёму камеры сгорания времени недостаточно. На режиме послойного заряда топливовоз­душная смесь в объёме камеры сгорания яв­ляется бедной. При большом избытке воз­духа эмиссия NO_X оказывается очень высо­кой, и лучшим способом её снижения на этом режиме является использование высо­кой степени рециркуляции отработавших газов (EGR), поскольку они снижают темпе­ратуру в камере сгорания и, соответственно, зависящую от температуры эмиссию NO_r Значения частоты вращения и крутящего момента определяют пределы работы с послойным зарядом рабочей смеси. На ре­жиме высокого крутящего момента в ло­кальных зонах богатой смеси образуется сажа. Кроме того, при очень высокой час­тоте вращения двигателя расслоение за­ряда и эффективный подвод топливовоз­душной смеси к свече зажигания из-за вы­сокого уровня турбулентности больше поддерживаться не может.

Работа на гомогенной топливовоздушной смеси

На режимах высокого крутящего момента и высокой частоты вращения двигатель ра­ботает на гомогенной топливовоздушной смеси с А = 1 (в исключительных случаях с X < 1). Впрыск топлива осуществляется во время такта впуска, так что имеется доста­точно времени для распределения топли­вовоздушной смеси по всему объёму ка­меры сгорания. Масса впрыскиваемого топлива соответствует стехиометричес-кому составу топливовоздушной смеси или, в исключительных случаях, слегка обогащенному составу (К <1).

Поскольку в этом случае используется вся камера сгорания, гомогенная модель тре­буется при необходимости достижения высокого крутящего момента. На этом ра­бочем режиме эмиссия вредных веществ с отработавшими газами является доста­точно низкой из-за стехиометрического состава топливовоздушной смеси. Процесс сгорания при работе на гомоген­ной смеси в большой степени соответст­вует процессу сгорания при впрыске топ­лива во впускной коллектор.

Работа на бедной гомогенной топливовоздушной смеси.

В переходной области между моделями с послойным зарядом и гомогенной смеси двигатель может работать на бедной гомо­генной смеси с \ > 1. Поскольку насосные потери при полном открытии дроссельной заслонки на этом режиме уменьшаются, то расход топлива при работе на бедной гомо­генной смеси оказывается меньше, чем при работе на гомогенной смеси с А < 1.

Работа на гомогенной топливовоздушной смеси и послойном заряде.

В этой модели смесеобразования вся ка­мера сгорания заполнена бедной гомоген­ной топливовоздушной смесью, которая образуется при впрыске сравнительно не­большого количества топлива во время такта впуска.

Вторая фаза впрыска топлива (ступенчатый впрыск) осуществляется во время такта сжатия, что приводит к формированию зоны богатой смеси вблизи свечи зажига­ния. Такой послойный заряд легко воспла­меняется, после чего сгорает остальная го­могенная смесь в объёме камеры сгорания. Модель гомогенной смеси с послойным за­рядом активируется в течение нескольких циклов при переходе от модели послойного заряда к образованию гомогенной смеси. Это позволяет системе управления двига­теля лучше регулировать величину крутя­щего момента на переходных режимах ра­боты двигателя. Благодаря преобразованию энергии очень бедной топливовоздушной смеси с А > 2 уменьшается эмиссия NO_X. Степень распределения между двумя впрысками топлива выглядит следующим

образом - 75% топлива впрыскивается в первой фазе, которая определяет основную гомогенную топливовоздушную смесь. В диапазоне перехода от модели послойного смесеобразования (ступенчатый впрыск топ­лива) к гомогенному составу смеси на устано­вившемся режиме при низкой частоте враще­ния двигателя снижается образование сажи по сравнению с работой на послойном заряде, а также уменьшается расход топлива по срав­нению с работой на гомогенной смеси.

Работа на гомогенной топливовоздушной смеси с антидетонационными свойствами.

Поскольку работа с послойным смесеобра­зованием препятствует детонации, то можно отказаться от использования сту­пенчатого впрыска топлива при полном открытии дроссельной заслонки вместе с регулированием угла опережения зажига­ния в сторону запаздывания, что обычно используется для исключения детонации. В то же самое время выбор оптимального угла опережения зажигания позволяет уве­личить крутящий момент.

Работа с послойным зарядом и подогревом каталитического нейтрализатора.

Другая форма ступенчатого впрыска топ­лива делает возможным быстрый прогрев выпускной системы, хотя это должно быть оптимизировано до применения такого ре­шения. Таким образом, при работе с пос­лойным смесеобразованием и большим избытком воздуха первый впрыск проис­ходит во время такта сжатия (подобно ре­жиму «модель послойного заряда») и затем во время рабочего цикла, когда сгорание топлива происходит очень поздно и, следо­вательно, нагревает выпускную систему до очень высокой температуры. Другим важным применением этого режима является подогрев каталитического нейтра­лизатора NO_X до температуры выше 650° С, что требуется для «десульфуризации» (уда­ления серы) из каталитического нейтрали­затора. Следовательно, очень важно исполь­зовать именно ступенчатый впрыск топ­лива, поскольку обычными способами подогрева такую высокую температуру на всех рабочих режимах получить не удаётся.

Зажигание

Бензиновые двигатели с искровым зажи­ганием работают по термодинамичес­кому циклу Отто. Для воспламенения сжатой топливовоздушной смеси и, сле­довательно, обеспечения процесса сгора­ния используется искровой разряд в форме искры между электродами свечи зажигания, установленной в камере сго­рания. Система зажигания служит не только для создания высокого напряже­ния, необходимого для искрообразования, но также для образования искры в точно определённый момент времени.

Обзор

Наиболее важными характеристиками воспламенения топливовоздушной смеси являются:

• Угол опережения зажигания;

• Энергия искрового разряда.

Угол опережения зажигания определяется по отношению к ВМТ поршня. Он устанавли­вает момент зажигания и, следовательно, воспламенения и сгорания топливовоздуш­ной смеси. Значение угла опережения зажи­гания оказывает значительное влияние на мощность и эмиссию вредных веществ с от­работавшими газами бензинового двигателя. Напряжение зажигания между электро­дами свечи должно быть выше определён­ного значения, чтобы обеспечить искровой разряд в камере сгорания. В зависимости от рабочего режима двигателя и состояния свечей зажигания требуется напряжение зажигания не менее 30 000 В (двигатели с турбонаддувом). Энергия искрового раз­ряда передаётся топливовоздушной смеси, и начинается процесс сгорания. Для применения на легковых автомобилях использовалась индуктивная система зажи­гания (с катушкой зажигания). В такой сис­теме энергия зажигания временно сохраня­лась в магнитном поле катушки зажигания и затем трансформировалась в достаточно высокое напряжение для передачи топливовоздушной смеси в момент зажигания. Для применения в мощных двигателях го­ночных автомобилей существуют системы зажигания с накоплением высокой энергии в магнитном поле конденсаторов.

Развитие систем зажигания

С самого начала своего появления не было перерывов в развитии систем зажигания. Как раньше, так и сейчас результатом этого были всё повышающиеся требования к мощности двигателей и снижению вред­ных выбросов с отработавшими газами. Поэтому всё более и более важную роль продолжают играть электронные системы зажигания (рис. 1).