Конструктивные усовершенствования двигателей

Совершенствование конструкции современного двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием является одним из основных мероприятий снижения отработавших газов до величин, регламентированных существующими стандартами. Наибольшее влияние на токсичность отработавших газов оказывают изменения, вносимые в систему питания и зажигания двигателей внутреннего сгорания, поскольку эти системы во многом определяют процесс воспламенения и сгорания рабочей смеси, совершенствование системы питания двигателя внутреннего сгорания, позволяющее добиться более равномерного распределения рабочей смеси по цилиндрам, обеспечить ее оптимальный состав для каждого режима работы и возможность работы на бедных смесях, влияет в основном на количество продуктов неполного сгорания в отработавших газах.

Работы ведутся в следующих направлениях:

улучшение качества процесса смесеобразования во впускной системе;

улучшение распыливания топлива в карбюраторе;

обеспечение равномерного распределения смеси по цилиндрам.

Улучшение качества процесса смесеобразования и распыливания топлива позволяет повысить предел обеднения рабочей смеси и увеличить полноту ее сгорания. При использовании карбюраторов, в которых распыливание топлива происходит при высоких (близких к звуковым) скоростях движения воздуха, значительно улучшается процесс смесеобразования, особенно в режимах холостого хода. При этом снижается содержание углеводородов в отработавших газах, двигатель устойчиво работает на холостом ходу.

Подогрев впускного трубопровода тоже приводит к улучшению смесеобразования, так как при этом быстрее и полнее происходит испарение топлива: выделение СО и CnHm уменьшается, но выделение NOx увеличивается. Подогрев смеси целесообразно вводить при работе двигателя внутреннего сгорания на холостом ходу и малых нагрузках. Особенно необходим подогрев смеси при эксплуатации автомобиля в зимнее время года.

В случае отключения жиклера холостого хода снижается расход топлива и выброс СО, но увеличивается выброс CnHm, так как часть топлива из каналов холостого хода уносится воздухом. При переходе с режима принудительного холостого хода наблюдаются «провалы», неустойчивая работа двигателя на холостом ходу. Поэтому применяется, как правило, одновременное отключение подачи топлива и воздуха в режиме принудительного холостого хода. При этом снижаются выбросы СО и CnHm.

В многоцилиндровых карбюраторных двигателях нередко наблюдается неравномерное распределение рабочей смеси по цилиндрам, что вызывает повышенное содержание продуктов неполного сгорания в отработавших газах. Эффективный метод снижения неравномерности распределения смеси по цилиндрам - применение систем непосредственного впрыска топлива. Впрыск бензина обычно осуществляется во впускной коллектор и бывает одноточечным (с одной форсункой, установленной вместо карбюратора) и многоточечным, или распределенным, когда форсунки ставятся непосредственно перед впускными клапанами. Первое время широко применялся механический впрыск, но сейчас он повсеместно вытеснен электронным. Наилучшие результаты получены при электронном управлении впрыском топлива. Легкий пуск в любую погоду, разгон без «провалов» на непрогретом моторе. Легкость перенастройки электронной системы: для этого достаточно заменить или перепрограммировать микросхему в бортовом компьютере - и можно, например, перевести мотор с 95-го на 93-й бензин или из «экологичного» режима на «мощностной» или «экономичный». Но многоточечный впрыск гораздо дороже одноточечного. Недостатком впрыска является его требовательность к качеству топлива, а любая его неисправность требует диагностики и ремонта только в специализированных технических центрах.

Существенное влияние на состав отработавших газов оказывает также, как отмечалось выше, регулировка системы холостого хода. Оптимальная регулировка позволяет снизить содержание СО на 30% и CnHm на 15% при некотором увеличении (до 5%) NOx. В конструкциях современных карбюраторов сейчас применяются различные ограничивающие устройства, исключающие перерегулировку системы холостого хода в больших пределах в процессе эксплуатации.

Совершенствование системы зажигания играет большую роль в процессе сгорания рабочей смеси в цилиндрах. На многих автомобилях в системе зажигания предусмотрены устройства, обеспечивающие установку поздних углов опережения зажигания, иногда даже после верхней мертвой точки. При этом процесс сгорания смеси затягивается на такте расширения, нередко до открытия выпускного клапана. Концентрация СО и NOx в отработавших газах двигателей внутреннего сгорания практически не меняется, а концентрация CnHm уменьшается. Это объясняется увеличением температуры отработавших газов и догоранием CnHm в выпускной системе. Отрицательным последствием работы двигателя внутреннего сгорания при позднем зажигании является снижение КПД и некоторое увеличение расхода топлива.

Второе направление совершенствования системы зажигания - обеспечение стабильной мощной искры на свече. Это привело к появлению систем зажигания с увеличенным временем разряда или подачей серии искр. Применение транзисторных систем зажигания, обеспечивающих мощный разряд, позволяет снизить содержание CnHm в отработавших газах до 10% с одновременным повышением надежности системы.

Как уже отмечалось, отработавшие газы двигателей внутреннего сгорания являются не единственным источником загрязнения атмосферы CnHm. Около 35% CnHm попадают в атмосферу с картерными газами и при испарении топлива из карбюратора и топливного бака.

Самым распространенным способом предотвращения попадания в атмосферу CnHm с картерными газами является использование замкнутой системы вентиляции картера.

Отработавшие газы (CnHm), попавшие в картер двигателя внутреннего сгорания, очищаются в маслоотделителе от капелек масла, поступают в воздушный фильтр, а затем в карбюратор, и сгорают в цилиндре. При замкнутой системе вентиляции картера выброс уменьшается на 10-50%.

Для уменьшения испарения топлива на автомобили устанавливается система улавливания паров бензина. Такие системы монтируются на автомобилях ВАЗ, предназначенных для экспорта в Северную Америку. Система улавливания паров бензина работает следующим образом: при неработающем двигателе внутреннего сгорания в случае достижения определенного давления паров в топливном баке они через трехпозиционный клапан поступают в адсорбер, представляющий собой емкость с активированным углем.

В адсорбере пары топлива накапливаются. При работающем двигателе внутреннего сгорания через адсорбер просасывается воздух, который уносит накопившиеся пары топлива во впускную систему двигателя. При работающем двигателе магистраль, связывающая топливный бак и адсорбер, перекрыта.

У автомобиля, оборудованного системой улавливания паров бензина, количество CnHm, попадающего в атмосферу при испарении топлива, уменьшается в 5 раз.

Состав отработавших газов в наибольшей степени определяется техническим состоянием двигателя внутреннего сгорания. На двигатели внутреннего сгорания приходится 84% неисправностей, влияющих на выброс токсичных веществ. Очевидно, что старые автомобили в эксплуатации имеют значительно более высокую токсичность отработавших газов, чем новые. Это объясняется изменением в результате эксплуатации технического состояния и регулировок систем питания и зажигания, газораспределительного механизма, износом цилиндропоршневой группы, отложением нагара на стенках камеры сгорания, увеличением потерь в трансмиссии и сил сопротивления движению.

Поддержание технического состояния автомобиля в период его эксплуатации позволяет значительно уменьшить загрязнение атмосферы продуктами неполного сгорания топлива (в среднем на 30-40% для одного автомобиля). В итоге цифра получается очень значительная, поскольку основную часть парка составляют автомобили со средними и большими пробегами.

Токсичность двигателя с искровым зажиганием можно существенно уменьшить путем совершенствования конструкции и формы камеры сгорания, впускной и выпускной систем двигателя, введения оптимальных регулировок состава смеси и угла опережения зажигания, применения непосредственного впрыска топлива, организации послойного смесеобразования, перепуска отработавших газов во впускную систему, впрыска воды, поддержания двигателя в должном техническом состоянии, рациональной его эксплуатации.

На выделение токсичных веществ двигателем с искровым зажиганием большое влияние оказывает состав смеси и угол опережения зажигания. Подбирая оптимальные в отношении токсичности регулировки указанных параметров, можно значительно уменьшить выделение токсичных веществ. Это в равной мере относится и карбюраторным, и к дизельным двигателям.

Наибольшее количество токсичных веществ двигатель выделяет при ускорении и замедлении автомобиля, а также на режиме холостого хода. Поэтому в первую очередь указанные выше параметры регулируются на этих режимах. Оптимальные регулировки двигателя являются эффективным средством для уменьшения токсичности двигателей (по продуктам неполного сгорания).

Признанным методом уменьшения выделения оксидов азота с отработавшими газами является перепуск части газов во впускную систему двигателя. Концентрация NOx в отработавших газах двигателя зависит от максимальной температуры и наличия свободного кислорода в продуктах сгорания.

Уменьшение выделения NOx с помощью рециркуляции части отработавших газов объясняется понижением максимальной температуры процесса сгорания из-за уменьшения количества топлива, поступающего в цилиндр при рециркуляции, и большей теплоемкости продуктов сгорания по сравнению с теплоемкостью воздуха.

Введение системы рециркуляции несколько ухудшает динамические качества автомобиля. При работе двигателя на этилированном бензине в системе рециркуляции и камере сгорания образуются отложения, которые содержат в основном свинец. Это приводит к нарушению ее нормальной работы.

Впрыск воды во впускной трубопровод двигателя приводит к понижению максимальной температуры цикла и, следовательно, к снижению концентрации NOx при работе. Впрыск воды несколько улучшает мощностные и экономические показатели двигателя.

Однако для массового автомобиля система вряд ли найдет применение из-за усложнения конструкции и необходимости иметь запас воды, соизмеримый с запасом топлива.

Для уменьшения выделения всех основных токсичных компонентов целесообразно применять глубокое расслоение смеси, при котором в первой стадии процесс сгорания происходит в зоне обогащенной смеси, а во второй стадии - в зоне обедненной смеси. Выход оксидов азота в первой стадии ограничивается недостатком кислорода, а во второй - низкой температурой. При послойном смесеобразовании обогащенная смесь находится в зоне расположения свечи зажигания. Это создает благоприятные условия для воспламенения смеси электрической искрой и формирования начального очага пламени, что обеспечивает устойчивую работу двигателя на обедненных смесях и уменьшение цикловой неравномерности. В настоящее время известно много способов послойного смесеобразования и сжигания неравномерно распределенной смеси.

На выделение токсичных веществ двигателями влияет большое число различных эксплуатационных факторов: режим работы, температура деталей камеры сгорания, нагарообразование, износ цилиндропоршневой группы, состояние топливоподающей системы и системы зажигания.

Уменьшение выделения токсичных веществ с картерными газами может быть достигнуто двумя методами: уменьшением прорыва газов в картер двигателя и предотвращением попадания картерных газов в атмосферу.

К системам, разрабатываемым в соответствии с этими методами, предъявляются следующие требования: высокая эффективность, простота конструкции и надежность ее работы, большой срок службы. Кроме того, применяемые устройства не должны ухудшать эксплуатационные показатели двигателя и увеличивать токсичность отработавших газов.

Более рациональным представляется первый метод, однако второй проще реализовать. Поэтому в настоящее время более разработанными являются системы, предотвращающие попадание картерных газов в атмосферу.

Уменьшение выброса углеводородов в атмосферу вследствие испарения топлива из карбюратора и топливного бака возможно различными способами: применением топлив с меньшей испаряемостью; адсорбцией паров топлива в специальных фильтрах; герметизацией топливного бака; сбором паров топлива в специальную емкость (или картер) при неработающем двигателе; конденсацией паров топлива; вентиляцией топливного бака во впускную систему двигателя; вентиляцией топливного бака для уменьшения колебаний температуры топлива в нем.

К системе, предотвращающей образование паров топлива или улавливающей их, предъявляются следующие требования: значительное уменьшение потерь топлива за счет испарения, универсальность, т.е. возможность применения системы на различных автомобилях, простота конструкции, компактность и большой срок службы. Кроме того, система не должна увеличивать выделение токсичных веществ с отработавшими газами (через воздействие на процесс сгорания) и ухудшать эксплуатационные показатели двигателя.

Способы воздействия на основные токсические компоненты можно сгруппировать так: уменьшение токсичности двигателей путем усовершенствования рабочего процесса и конструкции; регулировка угла опережения впрыска топлива и подбор топливной аппаратуры.

В отработавших газах дизелей доминируют такие токсичные вещества, как оксиды азота и сажа; кроме того, также необходимо обращать внимание на дымность и запах. Запах отработавших газов дизелей связан с присутствием в них ряда веществ (альдегидов и др.). В настоящее время проводятся работы по установлению связи между запахом и химическим составом отработавших газов. Борьба с запахом может проводиться как в направлении его устранения, так и превращения его из неприятного в приятный (добавка присадок).

Уменьшение угла опережения впрыска топлива на 1 градус снижает концентрацию NOx в отработавших газах. Содержание сажи в отработавших газах уменьшается с увеличением угла опережения впрыска. Таким образом, уменьшая угол опережения впрыска топлива, можно существенно снизить выделение оксидов азота дизелями, но при этом выделение сажи заметно возрастает, и для его уменьшения необходимо принимать специальные меры. Большое влияние на токсичность дизелей оказывают характеристики топливной системы: продолжительность впрыска и размеры сопловых отверстий распылителя. Следовательно, подбирая топливную аппаратуру, можно влиять на токсичность отработавших газов дизеля, особенно на их дымность.

Большое влияние на выделение токсичных веществ с отработавшими газами дизелей оказывает организация процессов смесеобразования и сгорания. Установлено, что двухкамерные (вихрекамерные и предкамерные) дизели выделяют примерно 50% оксидов азота от выбрасываемых однокамерными.

Одним из средств уменьшения выделения NOx с отработавшими газами дизелей является применение рециркуляции отработавших газов.

Дымность отработавших газов двигателей может быть уменьшена применением специальных устройств, корректирующих работу циркулятора. Эти устройства часто выполняют в виде амортизатора, который ограничивает скорость перемещения рейки топливного насоса высокого давления относительно положения, соответствующего максимальной подаче.

Определенное снижение дымности автотранспортных средств можно получить и более простым способом, ограничив ход рейки установкой постоянного упора простейшей конструкции (прокладка, шайба, ограничительный винт), величину снижения пусковой подачи подбирают из условий нормального запуска двигателя. Такого рода регулировка должна иметь сезонный характер.