Aklaypart.ru

Авто Журнал
0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Бензиновый двигатель работает на воздухе

Если говорить совсем начистоту, то в любой топливной магистрали есть микротрещинки, микропоры, разболтавшиеся крепления, изношенные уплотнители.

Воздух попадает в систему через ТНВД — если уплотнения крышки насоса или вала нарушены, обратку на форсунках, треснувшие топливные шланги, места соединения магистрали и топливных фильтров.

Уплотнение крышки ТНВД

Все эти моменты уже делают систему негерметичной. И чем старше автомобиль, тем больше таких лазеек для воздуха.

Как проявляется воздух в системе:

  • двигатель нормально заводится на холодную, но дальше работает нестабильно;
  • мотор глохнет при разгоне и высоких нагрузках;
  • вяло реагирует на нажатие педали газа, троит и трясется;
  • чтобы мотор “схватился”, нужно дольше крутить стартером;
  • в совсем запущенных случаях машина не заводится ни от стартера, ни с помощью пусковых устройств, ни с толкача.

Да, эти же симптомы могут свидетельствовать и о других неисправностях. Но завоздушивание отличается вот чем: проблемы в работе двигателя проявляются спустя несколько минут после запуска.

Принцип работы бензиновой силовой установки

В моторах, работающих на бензине, смесь топлива и воздуха приготавливается за пределами цилиндра во впускном коллекторе. Исключением являются двигатели с непосредственным впрыском. В конце такта сжатия происходит окончательное перемешивание паров бензина и воздуха. Смесь, распространяющаяся по цилиндру равномерно, называется гомогенной.

Процесс сжатия приводит к нагреву смеси, ее температура достигает 400-500°С, однако, коэффициент сжатия в бензиновых установках ограничен 9-10 единицами. Этого не достаточно, что бы топливный заряд мог самовоспламениться, поэтому в таких моторах свеча, рабочая часть которой находится в цилиндре, является источником возгорания.

Детонационные процессы, возникающие в бензиновых моторах при увеличении компрессии, не дают поднять степень сжатия более 11 единиц. Повышение октанового числа топлива снижает их, но не позволяет добиться показателей дизельных установок.

Кроме того, пропорциональное соотношение топлива и воздуха при приготовлении рабочей смеси, находится в узком диапазоне, что затрудняет достижения идеального результата.

Дизельные установки тоже относятся к двигателям внутреннего сгорания, однако принцип их работы отличается от бензинового агрегата.

Система подачи воздуха в дизельный двигатель

Как известно, современный дизельный двигатель на разных автомобилях и спецтехнике обычно оснащается турбокомпрессором. Также данное решение активно используется и на турбобензиновых ДВС.

Другими словами, для получения необходимой отдачи от моторов силовую установку дополнительно турбируют. Дизельный агрегат с турбонаддувом получил название турбодизель. Давайте остановимся на схеме подачи воздуха в такие моторы более подробно.

Как и в случае с бензиновыми ДВС, система питания дизельных моторов воздухом предполагает его забор из атмосферы, очистку поступающего воздуха и дальнейшую подачу в цилиндры. При этом воздух дополнительно проходит через турбину, охлаждается и уже затем поддается в камеру сгорания, причем нагнетается под давлением.

На примере турбодизеля стоит выделить следующие элементы системы питания воздухом:

  • воздухозаборник;
  • воздухоочиститель (воздушный фильтр);
  • турбокомпрессор;
  • специальный воздушный радиатор (интеркулер);
  • впускной коллектор;

С функцией воздухозаборника и воздушного фильтра мы уже ознакомились при рассмотрении атмосферного бензинового мотора. Что касается турбодвигателей на спецтехнике, которая работает в условиях сильной запыленности и общего загрязнения воздуха, используется многоступенчатая система очистки (двух или даже трехступенчатые схемы). В конструкцию может быть включен инерционный предварительный очиститель воздуха и другие подобные решения.

Итак, после прохода через фильтры, воздух втягивается в турбокомпрессор. После турбины воздух идет по трубопроводам уже под давлением, проходя через так называемый воздушный радиатор. Дело в том, что после сжатия в турбине воздух нагревается. При этом если его охладить перед подачей в цилиндры, тогда общая масса воздуха увеличивается.

В результате такого снижения температуры в камеру сгорания удается подать больше воздуха, что позволяет более полноценно и эффективно сжечь топливо, добиться прироста мощности, улучшенной экономичности и снизить токсичность выхлопа.

Далее сжатый и охлажденный воздух попадает во впускной коллектор, а затем и в цилиндры дизельного двигателя. Что касается турбокомпрессора, данное устройство использует энергию отработавших газов. Если просто, газы под давлением вращают турбинное колесо, за счет такого вращения начинает крутиться и компрессорное колесо, которое закреплено на одном валу вместе с турбинным колесом. Затем выхлоп после турбины попадает в выпускную систему ТС и выводится в атмосферу.

Отметим, что существует много разновидностей турбин, которые отличаются по размерам, по своей производительности и могут иметь ряд индивидуальных отличий в общей схеме устройства. Еще добавим, что дизельный двигатель долгое время вообще не имел дроссельной заслонки по сравнению с бензиновыми аналогами. В двух словах, мощность в дизельном агрегате регулируется не количеством подаваемого в цилиндры воздуха, а количеством впрыскиваемого горючего.

Читать еще:  Характеристики двигателя renault k4m

Кстати, на современных дизельных ДВС дроссельная заслонка все же появилась, но она выполняет другие задачи. Если точнее, снижается токсичность выхлопа в соответствии с жесткими экологическими нормами.

Работает дроссельный узел тогда, когда нагрузки на двигатель минимальны, то есть мотор не нуждается в мощном потоке свежего воздуха. В этот момент заслонка частично перекрывает подачу воздуха, параллельно с этим срабатывает клапан системы рециркуляции отработавших газов EGR.

В результате оставшийся воздух перемешивается с выхлопными газами, после чего такая смесь снова поступает в цилиндры. Подача выхлопа вместе с воздухом снижает температуру в камере сгорания, в результате в отработавших газах отмечается уменьшение окиси азота.

КПД двигателей и развиваемая мощность

КПД (коэффициент полезного действия) дизельного двигателя гораздо выше, чем у бензинового. Связано это с наиболее эффективным сгоранием топливовоздушной смеси за счёт повышенной степени сжатия.

Если у бензинового двигателя степень сжатия ровна 10 единиц, то у дизелей этот показатель в два раза больше! То есть 20 единиц. В среднем КПД дизельного двигателя больше на 40% по сравнению с бензиновым, и при всём этом у дизелей расход топлива на 20% меньше.

Но в мощности дизельные автомобили проигрывают бензиновым.

Топливная экономичность.

Еще одна любимая тема маркетологов и журналистов — выдающаяся топливаная экономичность дизельных двигателей.

Если спросить откуда берется эта самая экономичность у гугла, то почти все материалы будут объяснять её большой степенью сжатия. В рассматриваемом примере она, кстати, 16,2/1 у дизеля против 9,8/1 у бензинового аналога.

Но сколько бы статей я не прочитал, суть взаимосвязи между степенью сжатия и расходом топлива я, увы, уловить никак не мог. И тут на любимом ресурсе http://bmwservice.livejournal.com Сергей наконец дал подсказку к пониманию сути самого процесса работы дизельного двигателя.

Статья находится здесь: http://bmwservice.livejournal.com/89683.html и крайне рекомендуется к прочтению всем любителям подумать головой, впрочем как и остальные статьи в блоге Сергея.

Для начала краткий ликбез по строению уже устаревшего, классического бензинового ДВС с распределенным впрыском.

Топливовоздушная смесь, в такой силовой установке, формирутеся за пределами цилиндра, во впускном коллекторе, окончательное перемешивание паров бензина и воздуха происходит в конце такта сжатия. Тогда в камере сгорания двигателя образуется топливная смесь, называемая гомогенной и распределяемая равномерно по объему. Сжатие приводит к повышению температуры смеси, которая нагревается до 400-500°С, после этого наступает черед свечей зажигания, которые дают искру и поджигают смесь.

Проблема предыдущего поколения бензиновых двигателей состоит в том, что при любых режимах работы двигателя (холостые, частичные нагрузки, полная нагрузка) необходимо соотношение воздуха и топлива близкое к стехиометрическому: 14,7 кг воздуха на 1 кг топлива. Такому соотношению соответствует коэффициент избытка воздуха 1. Обычно в классических бензиновых двигателях он изменяется в пределах от 0,85 до 1,15 в зависимости от режима работы.

Иными словами даже на холостых оборотах надо лить много бензина в цилиндры, что бы смесь воспламенялась и двигатель не глох. В пробке расход топлива будет высоким.

В чем же принципиальное отличие дизельного двигателя?

В цилиндре такого двигателя сжимается только воздух, на который воздействует давление в 30-50 бар. В результате сжатия воздух нагревается до 600-900°С. Перед верхней мертвой точкой в камере сгорания распыляется солярка. Мелкие капли дизельного топлива испаряются, и образуется топливовоздушная смесь. При такой температуре эта смесь самовоспламеняется.

На первый взгляд отличие от бензинового двигателя только в принципе смесеобразования и отсутствии свечей зажигания.

Проведем мысленный эксперемент. Возьмем два схожих двигателя: бензиновый и дизельный. Настроим систему впрыска таким образом, что бы в цилиндр подавалось одинаковое количество топлива. Допустим, что двигатели завелись и работают. Начнем уменьшать количество топлива. В определенный момент, когда коэффициент избытка воздуха в классическом бензиновом двигателе превысит 1,15 — двигатель заглохнет, так как однородная топливно-воздушная смесь в цилиндре содержит слишком мало топлива.

А что с дизельным двигателем? Количество воздуха подаваемого в цилиндры в дизельном двигателе не регулируется, так как оно не влияет на процесс горения. Когда требуется меньше мощности, в цилиндр подается совсем немного топлива и воспламенение происходит в небольшом объеме рядом с форсункой. Выгорает только небольшая часть поступившего воздуха. Когда нужна вся мощность, подается больше топлива и горение начинается во всем объеме цилиндра. Так как смесь воспламеняется сама за счет высокой температуры в цилиндре, то горение будет происходить при любых, даже очень малых, количествах топлива. На холостых оборотах дизельный двигатель даже не прогревается до рабочей температуры: топлива сгорает так мало, что тепловой энергии не хватает на полноценный прогрев.

Читать еще:  Высокие обороты на горячем двигателе ваз

Если провести аналогии, то бензиновый двигатель работает по принципу объемного взрыва, а дизельный — по принципу газовой горелки.

Обратимся к цифрам. У дизеля коэффициент избытка воздуха может достигать 5 против 1,15-1,3 у классических бензиновых двигателей с распределенным впрыском. Теоритически, на холостых оборотах, такой дизель будет потреблять топлива до 4 раз меньше.

А что с режимом полных нагрузок?

Увы, но при работе с высокой нагрузкой расход топлива у сопоставимых бензиновых и дизельных двигателей будет одинаковым.

Но это все теория. Вернемся к нашему примеру и рассмотрим показатели топливной экономичности у Mercedes-Benz E 250 CDI 4-matic и сравним их c бензиновым E 250:

  • Расход топлива, городской цикл — 6,6 л/100 км. (-13,2%);
  • Расход топлива, загородный цикл — 4,9 л/100 км (- 2%).

Официальные данные не радуют. Конечно городской режим — это не глухая пробка. Японский тест подразумевает среднюю скорость в 23 км/час, с минимальной скоростью в 4,3 км/час. Европейские системы тестирования не должны сильно отличаться. Но 13% экономии по сравнению с бензиновым двигателем это даже не близко к ожидаемым 80%-90% на холостых. Впрочем, загородный цикл полностью соответсвует предположениям.

В чем проблема? Дизели мерседеса ущербные или в теории ошибка?

Внимательный и технически подкованный читатель наверняка возмущался тому, что в нашем мысленном эксперименте использовались бензиновые двигатели с устаревшей системой распределенного впрыска, при которой смесь в цилиндрах всегда однородная. Ведущие производители уже предлагают двигатели с непосредственным впрыском бензина в цилиндр.

Википедия говорит нам, что в бензиновых двигателях с непосредственным впрыском коэффициент избытка воздуха может достигать значений до 4,42 и даже больше на короткие промежутки времени! Смесь в таких двигателях неоднородная и на холостых оборотах горение происходит в небольшом объеме, рядом с форсункой и свечой зажигания. Т.е. инженеры, взяли принцип работы дизельного двигателя и применили его в бензиновом. Хотя, конечно, проблемы с воспламенением остались. Свеча хоть и расположена близко к форсунке, но при малых количествах топлива горение всеравно будет неустойчивым. Недостатки современных бензиновых двигателей приводят всего к 13%-му повышению расхода топлива по сравнению с дизельными, при меньшей стоимости и большей мощности.

С учетом того, что цена дизельного топлива сравнялась со стоимостью 95-го бензина говорить о высокой экономии не приходится.

Цена автомобиля с дизельным двигателем, в нашем примере, на 50 тысяч рублей больше (если вычесть стоимость полного привода), чем с аналогичным бензиновым. При расходе 6,6 литра/100км. в городском цикле экономия составит около 1 литра/100км. При цене дизельного топлива и бензина в 35 рублей/литр необходимо проехать 142 тысячи (!) километров в городских условиях, что бы окупить стоимость дизельного двигателя. При моем пробеге в 10 тысяч километров в год на это потребуется 14 лет. А с учетом того, что по пробкам я стараюсь передвигаться как можно меньше — о экономии речи вообще не идет.

Довод маркетологов и журналистов об экономии на топливе тонет под напором достижений инженерной мысли.

Эксперименты с экологичными машинами

Ажиотаж вокруг глобального транспортного плана вынудил общественность, аналитиков и инженеров глубже погрузиться в проблему автомобильного производства. Несмотря на то, что сейчас 97% всех европейских машин оснащены двигателем внутреннего сгорания, практически все крупнейшие автопроизводители бросили максимум ресурсов на выпуск электромобилей. Один только Volkswagen планирует в ближайшем десятилетии спускать с конвейера до 3 миллионов таких машин в год. А Daimler проектирует целую линейку электрокаров, состоящую из двух седанов и двух внедорожников. Крупнейшая консалтинговая компания PwC прогнозирует, что к 2028 году европейский авторынок на 30% будет состоять из электрического автотранспорта. По 28% останется на классические бензиновые и дизельные двигатели, а оставшиеся 14% равномерно распределятся по иным экспериментальным видам транспорта.

Еще в Советском Союзе инженеры пытались экспериментировать с разнообразными накопителями энергии, достигая экономии в 45%. Идея нерациональности автомобильного механизма давно беспокила научные умы. Действительно, какой смысл впустую использовать энергию торможения для нагрева воздуха и тормозной системы. Намного разумнее разработать своеобразный накопитель для нее, в качестве которого даже пытались применить сжимающийся газ. К сожалению, все подобные схемы прежних лет оказывались чересчур примитивными, не пригодными для массового применения. Но мыслью о гибридном автомобиле, умеющем запасать вырабатываемую при торможении энергию в особых аккумуляторах, серьезно озадачились инженеры и ученые многих стран.

Первой серьезной разработкой в данной области можно назвать увидевший свет в 1997 году автомобиль Toyota Prius. Он имел 1,5-литровый бензиновый мотор, который работал в хитрой связке с электромотором и генератором. Вместе вся эта конструкция соединялась в планетарном редукторе и регулировалась чрезвычайно замысловатой электроникой, а получаемая энергия аккумулировалась в гибридной никель-металлической батарее.

Читать еще:  Влияние сигнализации на запуск двигателя

Сейчас странно воспринимается информация, что в Prius использовался генератор и электродвигатель по отдельности, тогда как современные электромашины совмещают их в себе. Новинка, разработанная в Toyota, с восторгом была воспринята общественностью, особенно на волне рьяной борьбы на защиту окружающей среды. Выгода автомобиля была налицо:

экономия, продемонстрированная по время тестов в городском режиме,

  • цена, сопоставимая с традиционными бензиновыми представителями.
  • Эффект «первооткрывательства» был настолько велик, что на недостатки предпочитали не обращать внимания, хотя они были не менее очевидны:

      Аккумулятор со всем прочим неотъемлемым электрическим багажом утяжелял автомобиль на дополнительные 300 кг, которые во время стабильного движения по трассе становились бесполезным грузом. Хотя экономия была доказана опытным путем, рядовые автовладельцы, ставшие обладателями сложного и тяжелого агрегата, ощутимого снижения расхода топлива совершенно не ощутили.

    Государственная поддержка, направленная на повышение интереса к новому экологичному транспорту, вызывала негатив у большинства граждан. Так как за покупку и эксплуатацию гибридов владельцы получили налоговое послабление и определенные субсидии, бюджет приходилось пополнять за счет увеличения налогов для других автомобилистов, предпочитающих традиционные автомобили.

  • Чтобы обеспечивать растущий спрос на электромобили, должна быть создана отдельная отрасль, обеспечивающая автомобильную промышленность достаточным количеством аккумуляторов. А параллельно, следует решить проблему утилизации отработавших свой ресурс батарей, чтобы снова не привести к экологической катастрофе.
  • Пока же картину с гибридными автомобилями можно обрисовать, как сданный жилой дом с коммуникациями, но без какой-либо инфраструктуры, над которой работать еще долгие годы.

    Промежуточным этапом перехода от ДВС к более совершенному транспорту может стать подзаряжаемый гибрид. По самой сути конструкции это то же самый электромобиль, который в случае крайне низкого разряда аккумулятора запускает маленький ДВС, быстро подзаряжающий основной двигатель. Над подобными моделями работали Chevrolet и Opel, но объем продаж не показал впечатляющих результатов. Отсутствие интереса объяснялось тем, что место, отданное под двигатель внутреннего сгорания и бензобак, можно было заполнить дополнительным аккумулятором, чтобы получить настоящий, полноценный электромобиль. На деле же получилась не очень понятная и не самая функциональная комбинация, так и не нашедшая отклика в сердцах автолюбителей.

    Заключение

    На основании проведенного исследования можно сделать следующие основные выводы:
    – разработаны математические модели поршневых двигателей, работающих на бензине и метане;
    – перевод двигателя 8Ч 9,2/8,0 на газообразное топливо приводит к существенному (почти в 2 раза) снижению количества эмиссии NOх в отработавших газах;
    – путем уменьшения коэффициента избытка воздуха до 0,9-0,95 можно повысить мощность двигателя, работающего на метане, до уровня базового, бензинового ДВС;
    – перевод бензинового двигателя на газообразное топливо (метан) не вызывает увеличения тепловых и механических нагрузок на основные детали ДВС.
    Таким образом, перевод бензинового двигателя 8Ч 9,2/8,0 на метан улучшает его экологические и экономические показатели, а путем изменения состава топливно-воздушной смеси (коэффициента α) можно значительно повышать эффективность рассматриваемого ДВС.

    Авторы:
    Осипов Леонид Евгеньевич, магистр каф. «Турбины и двигатели», УрФУ, Россия, 620002, г. Екатеринбург, ул. Мира, 19.
    Плотников Леонид Валерьевич, канд. техн. наук, доцент каф. «Турбины и двигатели», УрФУ
    Козубский Андрей Михайлович, канд. техн. наук, главный конструктор по гидравлическим экскаваторам, ПАО «Уралмашзавод»; инженер кафедры «Подъемно-транспортные машины и роботы», УрФУ
    Максименко Александр Григорьевич, директор, ООО «Элитгаз», Россия, 620137, г. Екатеринбург, ул. Шефская, 3а.

    Библиография:
    1. Дашков В.Н. Возобновляемые источники энергии в ресурсосберегающих технологиях АПК: монография. Барановичи: РУПП «Баранов, укрупн. Тип». 2003. 184 с.
    2. Генкин К.И. Газовые двигатели. Москва: Машиностроение. 1977. 196 с.
    3. Директор Л.Б., Зайченко В.М., Марков А.В., Суслов В.А. Результаты стендовых испытаний газопоршневой мини-тэц на базе двигателя ЯМЗ-240 // Теплоэнергетика. 2008. № 11. С. 64-66.
    4. Залманов Л.Р., Крышина Т.М. Перевод дизельных электростанций на газ // Энергетик. 2014. № 1. С. 45-48.
    5. Скоробогатый К.В. Перевод дизельных двигателей на газовое топливо для работы в условиях Сибири // Автотранспортное предприятие. 2012. № 8. С. 24-26.
    6. Плотников Л.В., Козубский А.М., Максименко А.Г., Осипов Л.Е. Оценка топливной экономичности поршневых двигателей после их перевода на газомоторное топливо // Сантехника, Отопление, Кондиционирование. 2019. № 2. С. 70-73.

    Источник: Материалы конференции молодых ученых – 2019 УралЭНИН, ФГАОУ ВО «УрФУ»

    голоса
    Рейтинг статьи
    Ссылка на основную публикацию
    ВсеИнструменты
    Adblock
    detector