Вначале рассмотрим в общих чертах всем известный карбюратор. Топливовоздушная смесь в карбюраторе образуется в процессе засасывания потока воздуха в ДВС, и поэтому качественный состав топливовоздушной смеси зависит в первую очередь от скорости потока воздуха и разряжения, возникающего при этом в районе диффузоров рабочих камер (статические параметры); и во вторую очередь от того, насколько увеличиваются обороты ДВС в соответствии с движением ДЗ на открытие, иначе: значение функции производной качественного состава топливовоздушной смеси от производной степени разряжения (скорости) потока воздуха (динамические параметры). Т.е. при движении ДЗ на открытие (для типичного карбюратора) наблюдается некоторый провал в характеристике качественного состава топливовоздушной смеси, другими словами, происходит некоторое «обеднение» смеси, пока ДВС не увеличит обороты (либо пока не произойдет коррекция качественного состава смеси), после поворота ДЗ на некоторый угол, т.е. не наступит равновесие между приращением мощности ДВС и нагрузкой. Это, в упрощенном понимании, так называемая характеристика приемистости двигателя и она прекрасно знакома каждому водителю.
Фиг. 2. «Обедненный провал» (См. Фиг.2 в «Рисунки и чертежи») по составу топливовоздушной смеси происходит, поскольку все процессы в ДВС идут в реальном времени и относительно инерционны; поворот ДЗ первичен (развитие сценария зависит от скорости и величины поворота), за ним следует распространение изменения разряжения по впускному коллектору, изменение скорости потока воздуха в диффузорах карбюратора, которое и влияет на состав образуемой топливовоздушной смеси (по статической характеристике); но чтобы произошло существенное приращение скорости потока, должна увеличится и частота вращения ДВС, либо просто наступит равновесное состояние между текущей мощностью ДВС и расходуемой, либо это произойдет несколько позже, а это в свою очередь означает либо увеличение нагрузки, либо скорости автомобиля. При этом необходимо учитывать, что изменения качественного состава смеси происходят в пределах статической настройки карбюратора, а она в свою очередь подобрана в процессе заводских испытаний компромиссным решением между экономичностью и приемистостью. Из-за несовершенства конструкции карбюратора в жертву обычно приносится экономичность ДВС.
Т.е. при небольших величинах производной приращения избыточной мощности (т.е. скорости приращения и величины), можно считать возникновение двух вариантов: первый - что не произойдет увеличение оборотов ДВС (только увеличилась нагрузка) а, следовательно, произошло изменение состава топливовоздушной смеси в сторону обогащения, за счет большего всасывания топлива в возросшей поток воздуха от некоторого открытия заслонки; второй – произойдет увеличение оборотов и наступит равновесие, как и в первом случае. Получаемое приращение производной избыточной мощности имеет критическую величину, после которой наступает резкое падение мощности ДВС и возможен его останов.
Из выше сказанного следует, что для получения максимально возможной скорости приращения мощности необходима динамическая коррекция состава топливовоздушной смеси, чтобы выходить за границы обычной статической характеристики карбюратора. В этом и заключается основной недостаток традиционного карбюратора, именно поэтому он и «проиграл» на начальном этапе борьбу с инжекторными системами внешнего смесеобразования.
Динамическую коррекцию топливовоздушной смеси может с успехом выполнять вариостат, описанный в соответствующей статье. Достоинства вариостата (в концептуальном плане): повышение общего КПД ДВС на переходных режимах (снижение потерь, поскольку прирост мощности происходит без увеличения оборотов); эффект «обратного отката» избыточной мощности (удельного расхода топлива) при постоянстве оборотов ДВС (скорости автомобиля), отсутствующий в остальных системах управления топливоподачей; преимущественно механические настройки, обладающие простотой, надежностью и длительной стабильностью параметров.
Какие особенности имеет инжекторная система топливоподачи? Во-первых, доза топлива, подаваемая форсункой, зависит от закона управления, заложенного в БУ (блок управления) и от наличия, характеристик, точности датчиков, которые фактически и определяют закон управления. Во-вторых, от критериев, которым подчиняется закон управления дозировкой топлива. На первый взгляд складывается благоприятные условия получения, как максимальной мощности, так и хорошей экономичности ДВС на фоне минимальной токсичности. Что получается на самом деле? (Рассматриваем типичные системы управления топливным впрыском с внешним смесеобразования.)
Во-первых, входной поток топливовоздушной смеси в данном случае, имеет крайне неоднородную структуру по своему объему, поскольку топливо подается импульсами и не успевает достаточно перемешиваться с воздухом. Хотя необходимо признать, что на некоторых режимах данных дискретный поток оказывается эффективным, но отнюдь не во всем диапазоне мощностей ДВС; слишком велик разброс в дозе топлива. Неоднородность потока требует определенных специфических методов достижения устойчивой работы и удовлетворительного процесса горения на различных режимах работы ДВС.
Возникла сложность в получении оптимального закона управления топливоподачей исходя из условия горения стехиометрической смеси (по датчику наличия кислорода в выхлопных газах: Лямбда-зонду), другими словами на разных режимах работы необходим отличающийся от стехиометрической состав смеси: от достаточно бедной до предельно богатой. Попытка решить вопрос закона дозировки, создав электрический аналог механического карбюратора (заменяя, лямбда – зонд, сопротивлением) достижима, но достаточно ли она эффективна? Да, получается в данном случае хороший запуск зимой, хорошая приемистость холодного ДВС (за счет возможности подать большую дозу топлива, в 3 – 5 раз большую, чем может подать карбюратор), а что еще? Ведь в этих случаях резко возрастает токсичность выхлопа и если в нормы Евро – 3 уже добавлен контроль токсичности на режиме прогрева от –7 градусов холодного ДВС, что ставит определенные проблемы перед конструкторами ДВС, то требования Евро 4 (и явная тенденция) по снижению удельного содержанию СО2 (фактически расходу топлива до 3 – 4 литров на 100 км), ставит крест на многие конструкции современных ДВС. Можно отметить еще одну особенность: если сдерживающим фактором «приемистости» для карбюраторных ДВС является ограниченная скорость изменения состава смеси (всасывание топлива при падении оборотов), а у инжекторных ДВС наоборот, не топлива, которое впрыскивается в любой дозе, а воздуха, необходимого для горения (уменьшение всасывания воздуха при падении оборотов). Данный фактор косвенно говорит о большей теоретической экономичности усовершенствованного карбюраторного ДВС, в отличие от традиционного инжекторного внешнего смесеобразования.
Но превратить поршневой ДВС в двигатель будущего, совершенствуя традиционные системы топливоподачи, не получится. Упрощенно говоря, одним механизмом дозировки топлива, будь то карбюратор, даже усовершенствованный, будь то супер электронная инжекторная система внешнего смесеобразования, решить проблемы современного ДВС невозможно. Предел, к которому подошел традиционный поршневой ДВС, фактически достигнут, а из этого следует, что простой заменой карбюратора на «электрический карбюратор» - современную инжекторную систему, ничего серьезного не решить. Где же выход? Выход в поиске принципиально новой конструкции двигателя. А делать ставку на традиционный инжекторный ДВС, считая его двигателем будущего, по всей видимости, глубокая ошибка.
Для полноты картины рассмотрим традиционный дизельный ДВС. Недостатки последнего связаны в основном со сложностью организации оптимального процесса горения топливного заряда во всем диапазоне допустимых мощностей. Это является следствием работы форсунок в очень широких пределах впрыскиваемых доз топлива. Другими словами, либо малые дозы, либо большие, недостаточно эффективно распыляются; возникают зоны с переобогащенной смесью, горение топливного заряда протекает неэффективно. Требуется значительно повышать давление впрыска и усложнять конструкцию форсунки. Другая сторона, это сложность электронного управления параметрами впрыска. Основные преимущества дизеля получаются за счет высокой степени сжатия.
Одно из перспективных направлений – это так называемый газодизель. (См. Журнал «Автомобильная промышленность» № 5 за 2002 год, статья «Газодизель – силовая установка 21 века.».) Суть: производится конвертация дизельного ДВС в газодизель. Конвертации доступен ДВС с неразделенной камерой сгорания и объемным смесеобразованием. Принцип конвертации довольно простой: от дизеля берется уменьшенная порция топлива (запальная) в пределах 30 – 45%, остальное компенсируется газовым топливом, поступающим через впускной коллектор. Испытания газодизеля проводились еще до перестройки и потом были забыты. Результаты испытаний говорят о том, что на дорогах общего пользования газодизельный режим выгоднее дизельного. Уменьшается токсичность и возможна работа обычного катализатора; он не забивается сажей и смолами. Газодизель по всем параметрам превосходит дизель за исключением (что закономерно) максимальной скорости и времени разгона, т.к. несколько уменьшается мощность ДВС, т.к. энергетичность газа ниже солярки.
По большому счету конструкцию газодизеля можно принимать как очень показательный опыт и практически проверенное направление, в каком может развиваться современный дизельный двигатель. И не только дизель, а и ДВС с искровым зажиганием (при использовании основного газового топлива возможно повышение степени сжатия и эффективного использования турбо наддува); подобный пример описан в предыдущей статье.
Главная идея заключается в комбинированном смесеобразовании, т.е. внешнее смесеобразование (основная доза топливного заряда, желательно газового) и внутреннее смесеобразование (непосредственный впрыск запальной дозы жидкого топлива). Подобное сочетание, благодаря хорошей управляемости и возможности получить действительно совершенное горение топливного заряда, открывает возможность создать новый двигатель, по всей видимости, данная конструкция – это единственный путь совершенствования поршневого ДВС.
Хотелось бы несколько слов сказать и о современных топливных системах непосредственного впрыска двигателей с искровым зажиганием. Основные особенности инжекторных систем внутреннего смесеобразования (т.е. непосредственного впрыска): высокое рабочее давление (порядка 120 кг/см кв. и выше), аналогичное давлению современных дизельных форсунок; сложные конфигурации камеры сгорания и дна поршня; усложненная система впуска воздуха в цилиндр, большой объем автоматики управления, специфический катализатор отработанных газов.
Исходя из особенностей - вытекают основные недостатки подобных систем: высокая стоимость двигателя; достаточно дорогое и высококвалифицированное техническое обслуживание и ремонт; чрезвычайно высокие требования к качеству топлива.
Если проанализировать конструктивные особенности двигателей с непосредственным впрыском высокого давления топлива, можно сделать следующие выводы.
Подобные топливные системы не будут широко распространены. Они представляют собой начальный, пробный этап развития ДВС. Возможности чистого непосредственного впрыска ограничены.
|
