Теоретичне обґрунтування впливу системи впорскування на роботу автомобільного бензинового двигуна

Процес утворення паливоповітряної суміші може бути розділений на два етапи. Перший етап пов'язаний з дозуванням бензину – встановленням кількісного співвідношення палива і повітря. Другий етап – отримання можливо найбільш однорідної (гомогенної) суміші.

Основний ефект в підвищенні паливної економічності при переході до системи впорскування бензину пов'язаний з більш точним дозуванням пального з урахуванням вихідних параметрів двигуна та навколишнього середовища, можливістю швидкого корегування складу ППС та її рівномірного розподілу між циліндрами. На потужність, економічні і екологічні показники двигунів впливає склад ППС, який оцінюється коефіцієнтом надлишку повітря а. На рис. 2.2 показані регулювальні характеристики карбюраторного двигуна ВАЗ–2101 за складом паливоповітряної суміші, які показують залежність вмісту токсичних компонентів СО, C _m H _n, NO _x у відпрацьованих газах, питомої витрати палива g _e, потужності N _e від складу ППС. Ці залежності, внаслідок ідентичності протікання процесів згорання, характерні і для двигунів з ЕРСВБ. У зв’язку з тим, що максимальним показникам потужності, паливної економічності та екологічності двигуна відповідають різні значення α, стає необхідним виконання експлуатаційних регулювань паливної системи відповідно завданню, яке виконує автомобіль.

Рис. 2. 2. Регулювальні характеристики карбюраторного двигуна
ВАЗ–2101 за складом паливоповітряної суміші

При проведенні експерименту з регулюванням ЕРСВБ двигуна на середні показники потужності, паливної економічності та екологічності, були отримані результати витрати палива, кількісний показник яких на різних режимах роботи на 6...8% менший, ніж при використанні стандартної карбюраторної системи живлення. За цими ж даними, максимальна потужність двигуна збільшується на 12%, а величина максимального крутного моменту на 11%. Відповідно до поліпшення енергетичних показників двигуна покращуються динамічні характеристики автомобіля.

Процеси гомогенізації суміші при впорскуванні бензину відрізняються від аналогічних процесів з використанням карбюратора і можуть бути представлені як сукупність ряду елементарних процесів:

- розпилювання бензину;

- руху і випаровування крапель;

- утворення, руху і випаровування паливної плівки;

- змішування парів бензину з повітрям (яке має місце як у впускному тракті, так і в циліндрах двигуна).

Гомогенізація ППС багато у чому залежить від конструктивних особливостей апаратури впорскування бензину і способів його подачі. Більшість систем електронного розподіленого впорскування бензину забезпечують подачу палива електромагнітними форсунками в зону впускних клапанів. При впорскуванні у впускний тракт форсунка може бути встановлена в головці блоку циліндрів (рис. 2.3а). В цьому випадку при впорскуванні бензину на такті впуску значна частина палива потрапляє прямо в камеру згорання, аналогічно тому, як при його безпосередньому впорскуванні у циліндри двигуна. При встановленні форсунки на впускному трубопроводі (рис. 2.3б) головкаблоку може бути повністю уніфікована з головкою блоку базового карбюраторного двигуна, що значно здешевлює виробництво двигунів з ЕРСВБ.

а) б)

Рис. 2.3. Схема розташування форсунки при впорскуванні бензину в зону впускного клапана:

1 – електромагнітна форсунка.

За допомогою експериментальних досліджень підбирається місце розташування форсунок і форма факела палива, що розпилюється. Форсунку прагнуть розмістити ближче до зони впускного клапана так, щоб паливо не осідало на стінках впускного тракту у виді паливної плівки. Зменшення шляху від місця утворення ППС до циліндрів двигуна дозволяє зменшити площу паливної плівки, більш точно враховувати випаровування рідкої фракції бензину та вплив її на процес сумішоутворення.

Впорскування бензину можливо здійснювати на тарілку впускного клапана, або на стінки впускного каналу. Аналіз досліджень свідчить, що найбільш ефективною є подача палива на стінку впускного каналу на відстані 40-60мм від сідла впускного клапана, що у свою чергу забезпечує поєднання задовільного протікання процесів гомогенізації суміші як у впускному тракті, так і в циліндрі двигуна. У більшості сучасних систем впорскування переважним є встановлення паливних форсунок з конічним факелом розпилювання бензину, які при недостатньому випаровуванні бензину до його надходження в циліндр, забезпечують більшу рівномірність розподілу рідкої фази бензину.

Експериментальні дослідження довели, що ефективний тиск бензину при впорскуванні у впускний трубопровід знаходиться в межах 1, 5–2 кгс/см², що само по собі спрощує конструкцію форсунок. Впорскування можливо здійснювати в період такту впуску при закритому впускному клапані, оскільки за результатами досліджень встановлено, що енергетичні показники двигунів мало залежать від самого моменту впорскування. Зміна в широких межах моменту впорскування практично не міняє і економічності двигуна (рис. 2.4). Цей факт не тільки полегшує проведення експлуатаційних регулювань паливної апаратури, але і дозволяє відпрацьовувати шляхи для подальшого спрощення конструкції елементів систем живлення.

Рис. 2.4. Зміна економічності двигуна ГАЗ–21 залежно від зміни моменту впорскування бензину у впускний тракт

При застосуванні розподіленої системи впорскування бензину розширюються можливості зміни конструктивних параметрів впускної системи і з'являються сприятливі умови для застосування газодинамічного наддуву, у тому числі і регульованого.

Безпосередньо впускний тракт сучасного двигуна є системою, що складається з багатьох різних елементів, які спричиняють складний вплив на характер несталого потоку повітря у впускній системі і, як наслідок, значно змінюють параметри коефіцієнту наповнення. Вплив технічних характеристик елементів впускної системи можна виразити наступними чинниками:

- параметром гідравлічного опору елементів впускного трубопроводу (втрати на тертя, вхідний і вихідний опір, опір на розширення і звуження і т. і.);

- характеристиками несталого характеру руху повітря по впускному трубопроводу (динамічний чинник).

Перший чинник завжди має місце і, як правило, негативно впливає на показники наповнення. Другий чинник, залежно від конструкції впускної системи і режиму роботи двигуна, може вплинути на коефіцієнт наповнення як негативно, так і позитивно. За рахунок оптимізації конструктивної схеми, форми і геометричних розмірів елементів впускного тракту можливо не тільки компенсувати втрати від гідравлічних опорів, але і підвищити коефіцієнт наповнення. Можливості в організації газодинамічного наддуву з карбюраторною системою живлення, внаслідок особливостей цієї системи сумішоутворення, обмежені. Характеристики впускних трубопроводів двигуна з ЕРСВБ відрізняються у кращий бік однаковістю довжини трубопроводів (відповідно однаковістю динамічних характеристик руху повітря) та наявністю так званого ресивера, зміна об'єму якого разом зі зміною діаметру та довжини впускного трубопроводу, дозволяє збільшити максимальну потужність або максимальний крутний момент двигуна в широкому діапазоні швидкісних режимів (рис. 2.5, 2.6).

Рис. 2.6. Вплив довжини впускних трубопроводів двигуна на коефіцієнт наповнення при постійному об'ємі ресивера

Можливий ефект збільшення потужності при умові оптимізації об'єму ресивера може досягати 5 %. Більшість сучасних двигунів з розподіленим впорскуванням бензину мають впускні системи з попередньо налагодженими параметрами та характеристиками.

Рис. 2.6. Вплив об'єму ресивера на коефіцієнт наповнення при постійній довжині впускних трубопроводів

Застосовані на автомобілях двигуни призначені для експлуатації в самих різних умовах із використанням різних марок палив. При використанні бензину з октановим числом меншим ніж розрахункове, з'являються детонаційні процеси, що призводять до втрати потужності, або, за наявності наслідків детонації, взагалі роблять неможливою нормальну роботу двигуна. Іншим прикладом може служити робота двигуна при низькому барометричному тиску (на великій висоті в горах), коли його потужність значно знижується по причині зменшення відсоткової кількості кисню у повітрі та виникнення надлишкового збагачення суміші. Ці негативні умови більш точно враховуються при приготуванні ППС за допомогою електронних систем впорскування бензину.

Проте, найбільшою мірою переваги ЕРСВБ виявляються в поліпшенні екологічних показників двигуна і автомобіля в цілому. Наприклад, задоволення вимог стандартів США на токсичність автомобілів виявилося можливим тільки за допомогою використання систем з трикомпонентними каталітичними нейтралізаторами, які вимагають надзвичайно точного дозування суміші з урахуванням показників λ –зонда, який оцінює кількісний вміст кисню у відпрацьованих газах. Таке управління сумішоутворення неможливе без використання засобів електроніки, що головним чином і зумовило інтенсивне використання ЕРСВБ.

В цілому, показники двигунів залежать від значного числа різноманітних факторів, урахування яких не може бути повною мірою забезпечене традиційними механічними, гідравлічними і пневматичними регуляторами, а вимагають застосування сучасних електронних систем. За допомогою цих систем можливо готувати ППС відповідну особливостям режимів роботи двигуна, зміни його умов експлуатації з метою отримання найкращих енергетичних, паливо–економічних та екологічних показників.