К числу основных оптимизируемых параметров системы газораспределения при конструировании и доводке двигателя относят закон открытия клапанов, фазы газораспределения, а также геометрические характеристики впускного и выпускного трубопроводов (длину, диаметр и конфигурацию). При этом следует отметить неоднозначность самого определения оптимальности настроек системы газораспределения, поскольку настройки, удовлетворяющие условию получения наибольшей мощности, не всегда совпадают с настройками, соответствующими минимальному расходу топлива. Последние, в свою очередь, могут не являться удовлетворительными с точки зрения токсичности выхлопа и других свойств двигателя. Поэтому критерий оптимальности следует выбирать, опираясь на назначение двигателя и условия эксплуатации.
Оптимальный угол закрытия впускного клапана выбирают, учитывая два противоположных явления: с одной стороны, при увеличении угла заметно возрастает время-сечение впускного клапана и наполнение улучшается, с другой же стороны, возможен обратный выброс заряда. Оптимальный угол выбирают в сочетании с оптимальной длиной и диаметром впускного трубопровода для определенной частоты вращения коленчатого вала.
Начало открытия выпускного клапана устанавливают таким, чтобы получить наибольшую полезную работу газов в цилиндре. В случае чрезмерно большого угла предварения выпуска полезная работа за такт расширения заметно уменьшается, а если угол предварения слишком мал, то значительно возрастает отрицательная работа газов в процессе принудительного выпуска. С ростом частоты вращения коленчатого вала угол предварения выпуска должен увеличиваться.
Большое влияние на показатели рабочего процесса оказывает количество остаточных газов в цилиндре. Если на режимах повышенных нагрузок для получения наибольшей мощности целесообразна полная очистка цилиндров от продуктов сгорания, то при работе на малых нагрузках и холостых ходах, улучшение рабочего процесса достигается рециркуляцией отработавших газов (особенно актуально для двигателей с непосредственным впрыском топлива, эксплуатируемых при низкой температуре окружающего воздуха, ввиду высоких значений коэффициента избытка воздуха). Увеличение количества остаточных газов приводит к повышению температуры заряда, что способствует улучшению процесса сгорания обедненной смеси и повышению экономичности на долевых нагрузках. Многочисленными исследованиями установлено, что рециркуляция газов является действенным средством снижения уровня токсичности выхлопа. Универсальным способом регулирования количества остаточных газов в цилиндре может служить управление фазами перекрытия клапанов.
В комбинированных ДВС необходимо уделять особое внимание поддержанию максимального давления и температуры цикла в диапазоне допустимых значений. Данную задачу можно осуществить при помощи количественного регулирования процесса сжатия. Ниже перечислены возможные способы осуществления количественного регулирования.
Цикл Миллера.В четырехтактных комбинированных ДВС, работающих по этому циклу, регулирование процесса сжатия производится изменением угла закрытия впускного клапана. При раннем закрытии впускных клапанов и дальнейшем ходе поршня до НМТ происходит расширение поступившего в цилиндры воздуха с понижением его давления и температуры. Уменьшение времени наполнения цилиндров при преждевременном закрытии впускных клапанов компенсируется более высоким давлением наддува, таким образом, сохраняется неизменным давление конца процесса сжатия при увеличении массового заряда цилиндра. Последнее может быть использовано как для повышения мощности цилиндра, так и для снижения расхода топлива вследствие роста индикаторного КПД двигателя. С уменьшением нагрузки закрытие впускных клапанов, автоматически регулируемое в зависимости от изменения давления наддува, приближается к НМТ.
Цикл Аткинса. При работе двигателей по данному циклу часть заряда на также сжатия отводится во впускной или выпускной ресивер. Это приводит, как и при работе по циклу Миллера, к поддержанию постоянных значений давления и температуры конца сжатия, что обусловливает использование большего давления наддува, а, значит, и увеличение массового заряда цилиндра. Отобранный на такте сжатия воздух затем используется либо во время рабочего хода для интенсификации процесса горения и снижения температуры отработавших газов, либо на такте выпуска для обеспечения необходимой степени продувки в двигателях с повышенным сопротивлением выпускного тракта.
В двигателях с непосредственным впрыском со сверхвысоким давлением наддува на номинальном режиме (0,5…0,7 МПа) и низкой геометрической степенью сжатия ( E= 8…9) для улучшения характеристик пуска и холостого хода применяют дозарядку цилиндров при работе части цилиндров двигателя в режиме компрессора. Для этого цилиндр, работающий в режиме компрессора, соединяют трубопроводом с цилиндром, в котором будет сгорать топливо. На конце соединительного трубопровода со стороны работающего цилиндра устанавливают обратный клапан, а на другом конце — управляющий клапан. Дозарядка начинается с момента открытия управляющего клапана. Процесс сжатия в неработающем цилиндре происходит с опережением 50-120° угла поворота коленчатого вала по сравнению с работающим цилиндром. В результате разницы давлений в цилиндрах открывается обратный клапан и в работающий цилиндр дополнительно подается сжатый воздух. При пуске двигателя дозарядка из неработающего цилиндра в работающий составляет около 30 % массы заряда, который находится в работающем цилиндре в начале сжатия. С повышением частоты вращения коленчатого вала подача воздуха от неработающего цилиндра уменьшается (т. к. возрастают потери давления и сокращается время для подачи топлива), но увеличивается давление наддува.
Одним из важных факторов, оказывающих влияние на протекание процессов наполнения и выпуска, является закон движения клапана. Наиболее ощутимый выигрыш по время-сечению имеют электромагнитный и гидравлический приводы клапанов, поскольку осуществляемый закон подъема клапана приближается к П-образной форме. Замена классического привода на электромагнитный (при одинаковом времени открытия и максимальном подъеме клапана) приводит к увеличению крутящего момента на 5 %.
• 1 - закон движения клапана с электромагнитным или гидравлическим приводом;
• 2 - закон движения клапана с классическим механическим приводом.
Более низкие экономические показатели бензинового двигателя по сравнению с дизельным обусловлены не столько различием в геометрической степени сжатия, сколько наличием дроссельной заслонки во впускном трубопроводе. Дроссельная заслонка – это дополнительное гидравлическое сопротивление впускного трубопровода. При неполной нагрузке воздух протягивается через прикрытую заслонку с насосными потерями, что приводит к дополнительным затратам топлива (на холостом ходу до 50%). При помощи регулируемого механизма газораспределения, обеспечивающего плавное изменение высоты подъема клапана в зависимости от режима эксплуатации, количественное регулирование бензинового двигателя осуществляется без дроссельной заслонки. На режимах малых нагрузок и холостого хода впускной клапан открывается лишь частично, что влечет за собой истечение топливовоздушной смеси через клапанную щель с высокими скоростями и, как следствие, идеальное распыливание даже при «холодном» двигателе и низкой температуре окружающего воздуха. Отказ от дроссельной заслонки положительно сказывается на всех технико-экономических показателях двигателя и является «переломным» моментом в истории двигателя Отто.
Одно из направлений улучшения характеристик наддувных и безнаддувных двигателей связано с использованием волновых явлений в газовоздушных трактах с целью увеличения наполнения цилиндров на всех режимах работы транспортной установки.
Устройства инерционного и резонансного наддува, образующие группу так называемых акустических систем, обеспечивают ограниченное повышение давление наддува, энергетическим источником которого является работа насосных ходов поршневой группы. Благодаря относительной простоте конструктивного исполнения и высокой эксплуатационной надежности область применения таких систем непрерывно расширяется. Элементы акустического наддува в той или иной мере реализуются в подавляющем большинстве современных конструкций двигателя, поскольку решаемые в настоящее время задачи аэродинамического профилирования впускных и выпускных трактов предполагают целенаправленное использование инерционной и колебательной составляющих движения газовоздушных сред.
Колебания воздушного потока во впускном тракте вызваны периодичностью его подключения к цилиндрам, а также переменностью объемного расхода в сечениях впускных клапанов в процессе наполнения. Энергетическим источником акустического наддува является работа насосных ходов поршневой группы. Привлекательность такого способа наддува заключается в возможности повышения мощности двигателя в среднем на 10...12% без существенного усложнения конструкции и обслуживания установки [1, 2, 3, 4].
В зависимости от особенностей рабочего процесса системы акустического наддува подразделяются на устройства инерционного и резонансного наддува. В системах инерционного наддува повышение давления воздуха перед впускными клапанами, прежде всего, обусловлено торможением воздушного потока во впускном тракте при снижении объемной скорости поступления заряда в цилиндр в конце процесса наполнения. Вместе с тем, инерционный наддув не является результатом чистой инерции движения массы воздушного столба как единого тела, поскольку процесс разгона и торможения потока имеет волновую природу. При соответствующем выборе длины впускного трубопровода первичная волна разрежения, формируемая в сечении у впускного клапана, отражаясь от открытого конца, возвращается к цилиндру в виде волны давления до окончания процесса наполнения, что способствует повышению давления в результате торможения потока у впускного клапана. При этом своевременность подхода обратной волны к цилиндру целесообразна не столько из-за вносимого этой волной повышения давления, а, главным образом, ввиду повышения скорости спутного потока за фронтом волны. Таким образом, в системах инерционного наддува основным фактором создания избыточного давления перед клапаном является скоростной напор потока во впускном трубопроводе. Характерная особенность систем инерционного наддува заключается в том, что остаточные колебания давления во впускном тракте в период между тактами впуска затухают и не оказывают существенного влияния на процесс наполнения следующего цикла.
Резонансный наддув отличается от инерционного появлением во впускном трубопроводе стоячей волны с пучностью волн давления у впускных клапанов и узлом на срезе трубопровода. Усиление волновых явлений (резонанс) достигается в относительно узком диапазоне скоростных режимов при совпадении круговой частоты одной из гармоник вынужденных колебаний с частотой собственных колебаний воздушного столба впускного тракта. Вынужденные колебания возбуждаются работой одного или нескольких неперекрывающихся по фазам впуска цилиндров, объединяемых в один коллектор. Более подробно различные системы газодинамического наддува рассмотрены в работе [5].
Литература:
Березин С.Р. Исследование динамического наддува четырехтактного двигателя внутреннего сгорания.-Автореф. дис. …канд. техн. наук. –Киев, 1980 – 16 с.
Круглов М.Г., Рудой Б.П., Березин С.Р. Критериальная взаимосвязь параметров четырехтактного ДВС при динамическом наддуве // Двигатели внутреннего сгорания. – Харьков, Изд-во «Вища школа» при ХГУ, 1983 – вып. 37 – с. 67 – 76.
Burchardt H.-M., Arnold G. Rechnerische Auslegung des geschalteten Ansaugsystems Dual Ram // Automob.-Ind.-1989, №5-s.619-632.
Matsumoto I. , Ohara A. Variable induction systems to improve volumetric efficiency at low and/or medium engine speeds / “SAE Techn. Pap. Ser.”, 1986 - № 860100 pp.1 -11
Крайнюк А.И., Сторчеус Ю.В. Системы газодинамического наддува. Монография. – : Изд-во Восточноукр. нац. уни-та, 2000.-224 с.