Двигатель со стратифицированным зарядом
 | Эта статья нуждается в дополнительных цитатах для проверки . ( февраль 2012 г. ) |
Двигатель со стратифицированным зарядом описывает определенный тип двигателя внутреннего сгорания , обычно двигатель с искровым зажиганием (SI), который может использоваться в грузовиках, автомобилях , портативном и стационарном оборудовании. Термин «расслоенный заряд» относится к рабочим телам и парам топлива, поступающим в цилиндр. Обычно топливо впрыскивается в цилиндр используется искра или другие средства, или поступает в виде обогащенных топливом паров, где для инициирования воспламенения при этом зона обогащения топливом взаимодействует с воздухом, способствуя полному сгоранию. Послойный заряд может обеспечить немного более высокую степень сжатия без « детонации » и более обедненное соотношение воздух/топливо, чем в обычных двигателях внутреннего сгорания.
Традиционно четырехтактный (бензиновый или бензиновый) двигатель с циклом Отто питается за счет всасывания смеси воздуха и топлива в камеру сгорания во время такта впуска. В результате получается однородный заряд: однородная смесь воздуха и топлива, которая воспламеняется свечой зажигания в заданный момент вблизи вершины такта сжатия .
В системе гомогенного заряда соотношение воздух/топливо поддерживается очень близким к стехиометрическому , то есть оно содержит точное количество воздуха, необходимое для полного сгорания топлива. Это обеспечивает стабильное сгорание, но накладывает верхний предел эффективности двигателя: любая попытка улучшить экономию топлива за счет использования гораздо более бедной смеси (меньше топлива или больше воздуха) с однородным зарядом приводит к замедлению сгорания и более высокой температуре двигателя; это влияет на мощность и выбросы, особенно увеличивая выбросы оксидов азота или NO x .
Проще говоря, двигатель с послойным зарядом создает более богатую топливную смесь вблизи искры и более обедненную смесь в остальной части камеры сгорания. Богатая смесь легко воспламеняется и, в свою очередь, воспламеняет бедную смесь во всей остальной части камеры; в конечном итоге позволяя двигателю использовать более обедненную смесь, что повышает эффективность и обеспечивает полное сгорание.
Преимущества
[ редактировать ]Более высокая степень сжатия
[ редактировать ]Более высокая степень механического сжатия или степень динамического сжатия с принудительной индукцией может быть использована для улучшения термодинамической эффективности . Поскольку топливо впрыскивается в камеру сгорания только перед тем, как необходимо начать сгорание, риск преждевременного зажигания или детонации двигателя незначителен .
Более компактное сжигание
[ редактировать ]Двигатель также может работать с гораздо более обедненным общим соотношением воздух/топливо, используя послойный заряд, при котором сначала воспламеняется небольшой заряд богатой топливной смеси и используется для улучшения сгорания большего заряда бедной топливной смеси.
Недостатки
[ редактировать ]К недостаткам относятся:
- Увеличение стоимости и сложности инжектора.
- Повышенные требования к давлению топлива
- Повышенное образование NO x из-за наличия крайне обедненных зон. В бензиновом двигателе этих зон обычно нет, поскольку воздух и топливо лучше смешиваются.
Управление горением
[ редактировать ]Сгорание может быть проблематичным, если на свече зажигания присутствует бедная смесь. Однако непосредственная заправка бензинового двигателя позволяет направить больше топлива к свече зажигания, чем к где-либо еще в камере сгорания. [1] Это приводит к стратифицированному заряду: такому, в котором соотношение воздух/топливо не является однородным по всей камере сгорания, а изменяется контролируемым (и потенциально довольно сложным) образом по объему цилиндра.
Расслоение заряда также может быть достигнуто там, где расслоение «в цилиндре» отсутствует: впускная смесь может быть настолько бедной, что ее невозможно воспламенить за счет ограниченной энергии, обеспечиваемой обычной свечой зажигания. Однако эту исключительно бедную смесь можно воспламенить, используя обычную смесь с крепостью 12-15:1, в случае бензинового двигателя, подаваемую в небольшую камеру сгорания, примыкающую к основной обедненной смеси и соединенную с ней. камера смешения. Большого фронта пламени этой горящей смеси достаточно для воспламенения заряда. Из этого метода расслоения заряда видно, что обедненный заряд «сгорает», и двигатель, использующий эту форму расслоения, больше не подвергается «детонации» или неконтролируемому сгоранию. Таким образом, топливо, сгорающее в обедненной заправке, не имеет ограничений по октановому числу и детонации. Таким образом, в этом типе стратификации можно использовать самые разные виды топлива; удельная выходная энергия зависит только от теплотворной способности топлива.
Относительно богатая топливовоздушная смесь подается к свече зажигания с помощью форсунок с несколькими отверстиями. Эта смесь воспламеняется, образуя сильный, равномерный и предсказуемый фронт пламени. Это, в свою очередь, приводит к качественному сгоранию гораздо более слабой смеси в другом месте цилиндра.
Сравнение с дизельным двигателем
[ редактировать ] |
Стоит сравнить современные бензиновые двигатели с непосредственным впрыском топлива с непосредственным впрыском топлива и дизельные двигатели . Бензин сгорает быстрее, чем дизельное топливо , что обеспечивает более высокие максимальные обороты двигателя и, следовательно, большую максимальную мощность спортивных двигателей. Дизельное топливо, с другой стороны, имеет более высокую плотность энергии и в сочетании с более высоким давлением сгорания может обеспечить очень высокий крутящий момент и высокий термодинамический КПД для более «обычных» дорожных транспортных средств.
Такое сравнение скоростей «сгорания» представляет собой довольно упрощенный взгляд. Хотя бензиновые и дизельные двигатели кажутся схожими в работе, эти два типа работают по совершенно разным принципам. В ранее выпускавшихся изданиях внешние характеристики были очевидны. Большинство бензиновых двигателей были карбюраторными, всасывающими топливно-воздушную смесь в двигатель, в то время как дизельные двигатели всасывали только воздух, а топливо впрыскивалось непосредственно в цилиндр под высоким давлением. В обычном четырехтактном бензиновом двигателе свеча зажигания начинает воспламенять смесь в цилиндре при температуре до сорока градусов перед верхней мертвой точкой, в то время как поршень все еще движется вверх по отверстию цилиндра. При этом движении поршня вверх по отверстию происходит контролируемое сгорание смеси, и максимальное давление возникает сразу после верхней мертвой точки, при этом давление уменьшается по мере движения поршня вниз по отверстию. т.е. объем цилиндра по отношению к созданию давления в цилиндре во времени остается по существу постоянным в течение цикла сгорания. С другой стороны, при работе дизельного двигателя воздух вдыхается и сжимается только за счет движения поршня, перемещающегося в верхнюю мертвую точку. В этот момент достигнуто максимальное давление в цилиндре. Теперь топливо впрыскивается в цилиндр, и в этот момент начинается «сгорание» или расширение топлива из-за высокой температуры сжатого воздуха. По мере сгорания топлива оно расширяется, оказывая давление на поршень, который, в свою очередь, создает крутящий момент на коленчатом валу. Видно, что дизельный двигатель работает при постоянном давлении. По мере расширения газа поршень также движется вниз по цилиндру. В результате этого процесса поршень, а затем и кривошип, испытывают больший крутящий момент, который также действует в течение более длительного интервала времени, чем его бензиновый эквивалент.
История
[ редактировать ]
Принцип впрыска топлива непосредственно в камеру сгорания в тот момент, когда необходимо начать сгорание, был впервые изобретен Джорджем Брайтоном в 1887 году, но долгое время он с успехом использовался в бензиновых двигателях. Брайтон описывает свое изобретение следующим образом: «Я обнаружил, что тяжелые масла можно механически преобразовать в мелкодисперсное состояние внутри рабочей части цилиндра или в сообщающейся камере сгорания». Другая часть гласит: «Я впервые, насколько мне известно, отрегулировал скорость, регулируя прямой выпуск жидкого топлива в камеру сгорания или цилиндр до мелкодисперсного состояния, очень благоприятного для немедленного сгорания». Это был первый двигатель, в котором использовалась система сжигания обедненной смеси для регулирования частоты вращения и мощности двигателя. Таким образом, двигатель запускался при каждом рабочем такте, а скорость/мощность контролировались исключительно количеством впрыскиваемого топлива.
Рикардо
[ редактировать ]Гарри Рикардо впервые начал работать над идеей двигателя со стратифицированным зарядом, работающим на обедненной смеси, в начале 1900-х годов. В 1920-х годах он усовершенствовал свои ранние разработки.
Хессельман
[ редактировать ]Ранним примером прямого впрыска бензина был двигатель Хессельмана, изобретенный шведским инженером Йонасом Хессельманом в 1925 году. Двигатели Хессельмана использовали принцип сверхбедного сгорания и впрыскивали топливо в конце такта сжатия, а затем воспламеняли его свечой зажигания. часто заводился на бензине, а затем переходил на дизельное топливо или керосин. Система контролируемого сгорания Texaco (TCCS) представляла собой многотопливную систему, разработанную в 1950-х годах и очень напоминавшую конструкцию Хессельмана. Система TCCS была протестирована в фургонах доставки UPS и показала общее увеличение экономии примерно на 35%.
Хонда
[ редактировать ]Двигатель Honda CVCC . , выпущенный в начале 1970-х годов на моделях Civic , а затем в конце десятилетия Accord и City , представляет собой разновидность двигателя с послойным зарядом, который в течение значительного времени пользовался широким признанием на рынке Система CVCC имела обычные впускной и выпускной клапаны, а также третий, дополнительный впускной клапан, который заряжал область вокруг свечи зажигания. Свеча зажигания и впуск CVCC были изолированы от главного цилиндра перфорированной металлической пластиной. При воспламенении серия фронтов пламени выстреливала в очень обедненный основной заряд через перфорационные отверстия, обеспечивая полное воспламенение. В Honda City Turbo такие двигатели обеспечивали высокую удельную мощность при оборотах двигателя 7000 об/мин и выше.
Ягуар
[ редактировать ]В 1980-х годах компания Jaguar Cars разработала двигатель Jaguar V12 , версию HE (так называемая High Efficiency), которая подходит для моделей Jaguar XJ 12 и Jaguar XJS , и использовала конструкцию с послойным зарядом, называемую «Майский огненный шар», чтобы снизить мощность двигателя. большой расход топлива..
Веспа
[ редактировать ]Скутер Vespa ET2 имел двухтактный двигатель объемом 50 куб.см , в котором воздух подавался через перепускное отверстие, а богатая топливная смесь впрыскивалась в цилиндр рядом со свечой зажигания непосредственно перед зажиганием. Система впрыска была чисто механической, с использованием цилиндра подкачки с таймером и обратного клапана.
При ходе вниз он сжимает богатую смесь примерно до 70 фунтов на квадратный дюйм, при этом возрастающее давление поднимает подпружиненный тарельчатый клапан с седла, и заряд впрыскивается в цилиндр. Там он направляется в область свечи зажигания и воспламеняется. Давление сгорания немедленно закрывает подпружиненный тарельчатый клапан, и с этого момента происходит ( так в оригинале ) просто «обычный» процесс зажигания с послойным зарядом, при этом фронт пламени воспламеняет участки бедной смеси в цилиндре. [2]
Фольксваген
[ редактировать ]В настоящее время Volkswagen использует послойный наддув в своих бензиновых двигателях с непосредственным впрыском 1,0, 1,2, 1,4, 1,5, 1,8 и 2,0 литра TFSI ( послойный впрыск топлива с турбонаддувом ) в сочетании с турбонаддувом .
Mercedes-Benz
[ редактировать ]Mercedes-Benz использует двигатели с послойным зарядом в своей системе Blue DIRECT.
При использовании послойного наддува в 3,0-литровом двигателе V-6 будет по-прежнему использоваться непосредственный впрыск топлива, но форсунки были переработаны для распыления под более высоким давлением на более поздней стадии такта впуска, непосредственно перед сжатием, а форма топлива рассчитана на поступление в него. определенные области внутри цилиндра для оптимизации сгорания.Эта стратегия обеспечивает более бедную топливно-воздушную смесь в камере, чем в традиционной системе с гомогенным зарядом, которая более равномерно заполняет камеру перед сгоранием.
Исследовать
[ редактировать ]SAE International опубликовала статьи об экспериментальной работе с двигателями со стратифицированным зарядом. [3]
Двигатели TFSI
[ редактировать ]Послойный впрыск турботоплива ( TFSI ) — торговая марка Volkswagen Group, обозначающая тип двигателя с наддувом (« турбо »), в котором топливо впрыскивается под давлением прямо в камеру сгорания таким образом, чтобы создать послойный заряд. FSI Технология прямого впрыска увеличивает крутящий момент и мощность двигателей с искровым зажиганием , делает их на 15 процентов более экономичными и снижает выбросы выхлопных газов. [4]
Преимущества
[ редактировать ]Некоторые преимущества двигателей TFSI:
- Лучшее распределение топлива и лучший заряд топлива внутри камеры сгорания.
- В процессе впрыска топливо испаряется, охлаждая камеру цилиндра.
- Охлаждающий эффект топлива под давлением позволяет использовать топливо с более низким октановым числом, что приводит к экономии затрат для конечного потребителя.
- Более высокая степень сжатия, что приводит к большей мощности.
- Повышенная эффективность сгорания топлива
- Повышенная мощность при приеме автомобиля
Недостатки
[ редактировать ]- Нагар накапливается за впускными клапанами. Поскольку топливо впрыскивается непосредственно в камеру сгорания, оно никогда не успевает вымыть загрязнения за клапанами. Со временем это приводит к чрезмерному накоплению углерода, что снижает производительность. Некоторые двигатели (например, двигатели Toyota Dynamic Force ) сочетают непосредственный впрыск с традиционным многоточечным впрыском топлива, чтобы решить эту проблему.
- Дороже — для впрыска топлива непосредственно в цилиндр требуются топливные насосы гораздо более высокого давления. Для этого требуется давление топлива до 200 бар, что намного выше, чем при традиционной установке многоточечного впрыска (см. непосредственный впрыск ). [5]
См. также
[ редактировать ]Ссылки
[ редактировать ]- ^ «32 (17) страт» (PDF) . Архивировано из оригинала (PDF) 27 сентября 2013 г. Проверено 10 мая 2014 г.
- ^ «Мотоцикл онлайн: Vespa ET2» . 28 июля 2005 г. Архивировано из оригинала 28 июля 2005 года . Проверено 10 мая 2014 г.
{{cite web}}: CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка ) - ^ «Просмотр статей о двигателях со стратифицированным зарядом: результаты темы - SAE International» . Topics.sae.org . Проверено 10 мая 2014 г.
- ^ «Audi UK > Глоссарий > Двигатель и трансмиссия > FSI®» . Архивировано из оригинала 28 апреля 2009 года . Проверено 24 июля 2009 г.
- ^ «Мобильные решения Бош» .