Камеры сгорания бензиновых двигателей, обеспечивающие сжигание бедных смесей

В новых конструкциях камер сгорания, предназначенных для сжигания бедных смесей, проявляются требования к смесеобразованию, характерные как для бензиновых двигателей, так и для дизелей. В этих конструкциях часто используется впрыск бензина непосредственно в цилиндр или в небольшую камеру с размещенной в ней свечой зажигания. Если обеспечено надежное воспламенение смеси в зоне свечи, то в цилиндр может подаваться чистый воздух без дросселирования. Мощность двигателя при этом регулируется количеством впрыскиваемого топлива. В этом случае действительная степень сжатия при неполной нагрузке двигателя не изменяется, и КПД двигателя увеличивается.

Двигателем такого «переходного» типа является экспериментальный двигатель «Форд ПРОКО», имеющий непосредственный впрыск топлива в цилиндр и искровое зажигание. На тактах впуска и сжатия воздуху в цилиндре придается интенсивное вращение, по направлению 4 которого близко друг к другу (см. рис. 1) размещены топливная форсунка 1 и свеча зажигания 2.

Впрыск топлива начинается непосредственно перед искрообразованием. Таким путем обеспечивается обогащение смеси в зоне свечи зажигания к моменту искрового разряда; далее подача топлива может продолжаться уже при горящем заряде 3. Детонация не возникает, так как топливо содержится в основном в малом объеме между форсункой и свечой. Воздух, подаваемый в цилиндр, не дросселируется.

Этот способ не нашел применения в практике из-за высокой стоимости топливной аппаратуры, системы зажигания, а также недостаточной удельной мощности двигателя (около 22 кВт/л).

Над созданием и совершенствованием камер сгорания автомобильных двигателей работает в Англии известный специалист Г. Уэслейк. Он разработал и создал камеры сгорания для двигателей известных автомобилей «Ягуар», «Бентли» и ряда популярных кроссовых мотоциклов. Созданная им камера сгорания для работы на бедных смесях имеет форму сердцевидного углубления в головке цилиндра (рис. 2). Этот объем ограничивается клапанами и свечой зажигания. Вытеснитель между головкой и поршнем обеспечивает интенсивную турбулизацию заряда в камере в конце хода сжатия.

В камере сгорания Уэслейка наибольший интерес представляет специальный канал, выполненный в ее днище. Канал проходит от впускного клапана к свече зажигания. Тарелка впускного клапана перемещается яри малом подъеме вдоль цилиндрической выемки камеры сгорания. В связи с этим при малом подъеме клапана выход из его щели дросселируется, кроме той ее части, где расположен проходящий к свече и утопленный до плоскости седла клапана соединительный канал. Сразу же после открытия клапана богатая смесь через этот канал может поступать непосредственно к свече зажигания. При большем подъеме все сечение клапана освободится, и смесь будет свободно заполнять весь объем цилиндра. Такая модернизация камеры сгорания автомобиля «Остин Аллегро» фирмы «Бритиш Лейланд» (Англия) позволила Г. Уэслейку достичь в 1976 г. уменьшения расхода топлива с 9,17 л/100 км до 7,66 л/100 км. В перспективе можно уменьшить расход топлива у этого автомобиля до 6 л/100 км.

Хорошие результаты были достигнуты швейцарским конструктором М. Мэем, разработавшим камеру сгорания, показанную на рис. 3. Новая камера сгорания была получена путем модернизации серийной камеры сгорания и приобрела известность под названием «Файер Болл». Впервые она была применена фирмой «Ягуар» на 12-цилиндровом V-образном двигателе.

В этой камере выпускной клапан размещен в ваннообразной выемке; в этом же объеме размещена свеча зажигания. Поршень с плоским днищем вытесняет заряд в конце такта сжатия в выемку, где возникает интенсивное вращение заряда. Объем под менее углубленным впускным клапаном и выемка соединены неглубоким каналом. Интенсивное завихривание обеспечивает возможность использования степени сжатия ε = 16. Соотношение воздух/топливо равно 18. Автомобиль «Фольксваген Пассат» с таким экспериментальным двигателем работал на топливе с октановым числом 92 (по исследовательскому методу) со степенью сжатия 11,6. При постоянной скорости автомобиля 80 км/ч расход топлива уменьшился с 5,9 л/100 км до 3,9 л/100 км.

В автомобиле «Ягуар» была использована вместо камеры сгорания старой конструкции камера сгорания М. Мэя, расположенная в головке цилиндра (рис. 4). Поршень с плоским днищем стал более легким и менее теплонапряженным, а небольшой зазор вытеснителя снизил образование CH_x. Расход топлива при ε = 12,5 снизился на 20 %.

По данным испытаний, проведенных швейцарским журналом «Аутомобиль-Ревю», средний расход топлива у автомобиля «Фольксваген Пассат TS» с двигателем имевшим камеру сгорания такой же конструкции, был снижен с 8,5 л/100 км до 4,96 л/100 км.

Карбюраторный двигатель автомобиля «Порше 924» был специально модернизирован для использования бедных смесей. Степень сжатия у него была повышена до ε = 12,5, и при частичной нагрузке двигателя смесь можно было обеднить до α = 1,2. Камера сгорания образована внецентренно в днище поршня для достижения лучшего завихривания заряда, необходимого для сжигания бедных смесей.

Регулирование состава смеси от α = 0,9 при полной нагрузке до α = 1,2 при частичной нагрузке и обеспечение оптимального опережения зажигания позволили достичь значительного снижения расхода топлива при движении в городском цикле. При скорости 90 и 120 км/ч повышение топливной экономичности составляло от 6 до 12 %. Достигнутые результаты видны из сопоставления кривых реальных степеней сжатия двигателя с геометрической степенью сжатия ε = 8,5 и этого же модернизированного двигателя с геометрической степенью сжатия, повышенной до ε = 12,5 (см. рис. 4 в статье «Влияние степени сжатия на индикаторный КПД двигателя»). Минимальный удельный расход топлива этого двигателя снизился с 280 до 260 г/кВт·ч, причем снижение расхода топлива достигнуто во всем диапазоне нагрузок и частот вращения двигателя. Еще лучшие результаты могут быть получены, если применить для регулирования зажигания и состава смеси электронные устройства.

Значительные успехи в сжигании бедных смесей в бензиновых двигателях достигнуты фирмой «Хонда», применившей так называемую продуваемую форкамеру малых размеров с самостоятельным впускным каналом и клапаном для подачи обогащенной смеси. Свеча зажигания расположена на боковой поверхности форкамеры. На рис. 5 показаны разрез головки цилиндра такого двигателя. Смесь, воспламенившаяся в форкамере, выбрасывается под давлением через узкое отверстие в основную камеру сгорания, где поджигает сильно обедненный интенсивно вращающийся заряд, поступивший через основной впускной клапан.

Несмотря на трудности, связанные с обеспечением надёжной работы клапана форкамеры, создание вспомогательного канала в головке, сложного карбюратора и термореактора для сжигания CO и CH_x, были достигнуты значительные успехи в устранении вредных веществ из отработавших газов.

Хороших результатов достигла японская фирма «Ниссан» на автомобилях модели «NASP Z510» с карбюраторным двигателем и на модели «200 SK» с двигателем, оборудованным впрыском бензина. В обоих случаях применялась полусферическая камера сгорания. Уменьшение образования NO_x было получено рециркуляцией 17 % отработавших газов, что позволило сохранить высокую индикаторную мощность двигателя и низкие удельные расходы топлива. Достижению хороших результатов способствовало зажигание двумя свечами, расположенными друг против друга в камере сгорания, что значительно сократило путь пламени. Специальная вставка, помещенная во впускном канале, создавала интенсивное вращение смеси в цилиндре, что увеличило скорости сгорания.

Головки цилиндров типа «кросс флоу» (с расположением впускных и выпускных каналов по разные стороны продольной оси двигателя) имеют впускной клапан, несколько сдвинутый от оси цилиндра с тем, чтобы освободить место для свечи зажигания. Для обеспечения хорошего коэффициента наполнения диаметр клапана может быть увеличен на 10 %, На рис. 6 показана часть такой головки цилиндров двигателя «Тойота» (Япония) с малой непродуваемой, т. е. без специального клапана, форкамерой. Поступление богатой смеси в форкамеру обеспечивается клювообразным выступом-турбулизатором на входе в нее, частично выступающим в основную камеру сгорания. В конце хода сжатия воздух, поступающий в форкамеру, как бы втягивает в нее топливо, собранное за счет центробежных сил.

Свеча зажигания установлена на входе в форкамеру, поскольку испытания показали, что это место является оптимальным для ее размещения. Все вышеописанные конструктивные мероприятия позволяют использовать сильно обедненные смеси с массовым соотношением воздух/топливо, равным 19 (α ≈ 1,27 – 1,28). Выпускная труба теплоизолирована от головки цилиндра, а в выпускном канале головки установлен теплоизоляционный вкладыш. Для устранения из отработавших газов CO и CH_x применен термический реактор.

Камеры сгорания бензиновых двигателей, обеспечивающие сжигание бедных смесей

Читайте также

Сноски

Комментарии