Для экономичной работы двигателя важно качество смесеобразования. В дизелях это достигается повышением давления при впрыскивании топлива и требуемой степенью турбулизации заряда. В бензиновых ДВС данную задачу решить сложнее из-за внешнего смесеобразования при количественном регулировании мощности. Через дозирующие органы карбюратора и впускной тракт проходит разное количество воздуха. Следовательно, меняется и скорость потока, и условия дробления струйки топлива, вытекающей из распылителя, и испарение капелек топлива. Сделать впускные каналы переменного сечения сложно, поэтому изыскиваются варианты улучшения смесеобразования при постоянном сечении каналов или делаются двойные впускные каналы.
Одно из наиболее доступных решений — улучшение смесеобразования за счет всевозможных завихрителей или распылителей, которые устанавливаются прямо в прокладке между карбюратором и выпускным трубопроводом. Подобные устройства целесообразно устанавливать под первичной камерой двухкамерного карбюратора с последовательным открытием заслонок. Поскольку на частичных нагрузках, когда малы скорости потока смеси и необходимо улучшать смесеобразование, работает только первичная камера. На полных нагрузках скорость потока уже достаточна для удовлетворительного смесеобразования. Кроме того, подобные устройства целесообразно делать так, чтобы раздробить только капли, перемещающиеся вблизи стенки, и не слишком ограничивать проходное сечение канала. Эффективным оказывается и „еж”, устанавливаемый на днище приемной камеры трубопровода, особенно подогреваемый электрической спиралью или отработавшими газами. Попадающие на еж капельки топлива дробятся об его иголки и хорошо испаряются с их нагретых поверхностей. Вместе с тем он не оказывает большего гидравлического сопротивления и мало влияет на подогрев смеси в целом, так как основной ее поток проходит мимо. Применяется впускной трубопровод с переменной шероховатостью поверхности. Три четверти поверхности трубопровода гладкие, а одна четверть шероховатая, способствующая возникновению пристенных вихрей, которые обусловливают интенсивный срыв топливной пленки с поверхности канала и ее испарению. При резком нажатии на педаль управления дроссельной заслонкой срабатывает насос ускорения впрыскивающий в поток дополнительную порцию топлива, чтобы кратковременно обогатить смесь. Если в приводе от педали к дроссельной заслонке установить замедлитель, то дозу топлива, впрыскиваемую насосом ускорения, можно существенно уменьшить. При резком нажатии на педаль сначала сжимается пружина (штриховая линия), а потом она плавно поворачивает заслонку до полного открытия. Аналогичный эффект получается и при нажатии на педаль подачи топлива. Поток воздуха замедляется плавно и не вызывает излишнего выброса топлива. Устройство удобно не только с точки зрения снижения расхода топлива, но и с точки зрения токсичности — уменьшается выброс несгоревших углеводородов. Недостаток один: необходимо постоянное сопротивление проворачиванию дроссельной заслонки.
Бензиновые двигатели имеют минимальный удельный расход топлива при полностью открытой дроссельной заслонке, если они работают на экономичном составе смеси. Повышение удельного расхода связано с включением клапана-экономайзера и переходом на мощностной состав. Он включается, как правило, задолго до полного открытия дросселя (при 75…80% нагрузки). Гораздо разумнее сделать такой привод дроссельной заслонки, который обеспечивал бы сначала ее полное открытие и только потом, если мощности не достаточно, — включение экономайзера.
Наддув в настоящее время почти повсеместно применяется на дизелях судов, тепловозов, тракторов и грузовых автомобилей и находит все более широкое применение на малолитражных дизелях и бензиновых двигателях легковых автомобилей и даже мотоциклов.
Наддув возможен либо с помощью нагнетателя, приводимого от коленчатого вала, либо с помощью турбокомпрессора. Приводные нагнетатели, как правило, — сравнительно тихоходные (до 6…10 тыс. мин-1) поршневые, роторно-поршневые или роторные нагнетатели с достаточно высокими коэффициентами подачи в широком диапазоне частот вращения вала, что является их основным преимуществом. Но на их привод затрачивается работа двигателя, равная работе сжатия с учетом КПД нагнетателя. Другим недостатком таких нагнетателей является их большие габаритные размеры и масса. А неизбежные зазоры не позволяют создать высокое давление наддува.
В настоящее время наибольшее распространение получили турбонагнетатели, в которых для привода лопаточного компрессора используется энергия выбрасываемых из цилиндра отработавших газов.
В приводном объемном нагнетателе количество подаваемого воздуха пропорционально частоте вращения вала (конечно, с учетом объемного КПД), а характеристика подачи очень близко соответствует расходной характеристике двигателя. Поэтому объемные нагнетатели могут обеспечить примерно одинаковую (небольшую) степень повышения давления в очень широком диапазоне частот вращения вала. Подача турбокомпрессора и степень повышения давления нелинейно связаны с частотой вращения коленчатого вала двигателя. При малых частотах вращения (при малом количестве отработавших газов) подача турбокомпрессора может быть меньше требуемого расхода воздуха, но резко возрастает по мере увеличения частоты вращения вала.
Для получения гарантированного увеличения мощности на 25…40% в зоне низких и средних частот вращения вала разумнее применить отключаемый приводной нагнетатель. Турбонаддув целесообразно использовать при необходимости увеличения мощности в 1,5…2 раза и более в зоне высоких частот вращения вала. Например, для двигателей гоночных автомобилей или для тихоходных дизелей грузовых автомобилей, которые на крейсерских режимах работают при высоких нагрузках и расходах отработавших газов.
Турбонаддув целесообразно применять для дизелей. Повышенное сопротивление выпуску отработавших газов приводит к повышению количества остаточных газов, но дизель работает на обедненных смесях, поэтому данное обстоятельство не существенно влияет на процесс сгорания. В бензиновом ДВС увеличение количества остаточных газов связано с излишним подогревом свежего топливовоздушного заряда и нарушением процесса сгорания — повышается склонность двигателя к детонации. Для ее устранения приходится снижать степень сжатия (невыгодно на частичных нагрузках), уменьшать угол опережения зажигания и переводить процесс сгорания на линию расширения, впрыскивать воду, а следовательно, неизбежно значительное увеличение расхода топлива. Применение турбонаддува не очень целесообразно для автомобилей общего назначения. В последние годы неуклонно растет число фирм, использующих для бензиновых двигателей наддув приводными объемными нагнетателями. В конце 70-х гг. некоторые фирмы разрабатывали газодинамический наддув, в основе которого находились волновые являния во впускном и выпускном трубопроводах.
Волновой обменник показан на рис. 134. Он представляет собой цилиндр с вращающимся в нем ротором в виде соединенных у оси продольных пластин. Таким образом, между пластинами возникают достаточно длинные каналы с относительно малым проходным сечением.
Для того чтобы яснее представить процессы, происходящие в волновом обменнике, обратимся к рис. 134, б. В положении 1 канала в нем под воздействием отработавших газов сжимается воздух. Поскольку канал имеет малое проходное сечение и большую длину, зона смешения отработавших газов с воздухом невелика. Когда рассматриваемый канал перемещается в положение 2, сжатый в нем воздух выталкивается во впускной патрубок. В положении 3 расширяющиеся отработавшие газы вытесняются остатком сжатого воздуха из канала обменника. При этом благодаря наличию волновых колебаний в выпускном трубопроводе давление в канале оказывается меньше давления окружающей среды. При перемещении в положение 4 канал заполняется свежим зарядом воздуха из впускного трубопровода. Такой агрегат наддува может успешно работать в сравнительно узком скоростном диапазоне при совпадении частот вынужденных (частота вращения волнового обменника и коленчатого вала двигателя) и собственных колебаний столба газов, но при отклонении от оптимального режима эффективность резко ухудшается.
Мы уже упоминали о том, что бензиновый двигатель имеет наименьший удельный расход топлива при работе на экономичном составе смеси с полностью открытой дроссельной заслонкой.
Однако в реальных условиях движения полная мощность двигателя реализуется только при достижении максимальной скорости, при резком разгоне автомобиля или при преодолении каких-то экстремальных дорожных препятствий. В условиях нормальной дороги для преодоления сопротивления движению требуется существенно меньшая мощность, чем та, которую двигатель способен развить.
В большинстве случаев на автомобиле с классической трансмиссией (с постоянным передаточным отношением) двигатель работает на менее экономичных нагрузочных режимах (с прикрытой дроссельной заслонкой).
Однако мощность, требуемую для преодоления сопротивления движению с той или иной скоростью va можно обеспечить и при работе двигателя с полностью открытой дроссельной заслонкой, но при меньших частотах вращения его вала п. Для этого между двигателем и колесами автомобиля должна быть установлена трансмиссия с плавно измененным передаточным отношением, например вариатор. В двигателе с обычным механизмом газораспределения работа на низких частотах вращения вала при полном открытии дроссельной заслонки практически невозможна или неустойчива из-за обратного выброса смеси и вялого сгорания вследствие малой фактической степени сжатия и малой турбулизации заряда.
Для улучшения наполнения во всем диапазоне частот вращения коленчатого вала используют регулируемые фазы газораспределения. Существует достаточное число механизмов газораспределения с регулируемыми фазами открытия и закрытия клапанов. Идея переменных фаз газораспределения возникла давно, еще на заре двигателестроения, и применялась как один из способов регулирования подачи газового топлива. Но затем эти конструкции не использовались, так как нашлись более простые способы дозирования топлива, и в настоящее время механизмы газораспределения с переменными фазами существуют пока только на экспериментальных двигателях.
Механические устройства, позволяющие регулировать фазы газораспределения, не очень дороги и не сложены в производстве — просто пока в них не было необходимости, поскольку с обычной трансмиссией двигатель крайне редко работает с полным открытием дроссельной заслонки да еще в зоне малых частот вращения вала. Заманчивой представляется гидромеханическое управление клапанами (рис. 136, а, при котором длительность нахождения клапана 1 в открытом состоянии определяется временем перекрытия перепускного отверстия 3 золотником 2. Но данная схема имеет недостатки: инерционность гидравлической связи, ненадежность при высоких частотах вращения коленчатого вала, необходимость высокого качества изготовления деталей.
Возможно не только механическое или гидромеханическое управление клапанами, но и электромагнитное (рис. 136, в). И здесь существуют трудности. Сила тока в катушках индуктивности 4 электромагнита должна регулироваться так, чтобы с одной стороны преодолеть инерцию клапана при разных частотах вращения вала, с другой — предотвратить чрезмерный удар по амортизатору 5 в момент открытия или жесткую посадку в седло при закрытии. Очень важна идентичность работы всех клапанах на многоцилиндровом двигателе, т.е. идентичность всех параметров электромагнитов и регулирующих устройств.
Для достаточной турбулизации заряда при низких частотах вращения как во впускных каналах, так и в камере сгорания используют двойной впускной трубопровод, регулирование высоты подъема клапана и интенсификацию вихревого движения в процессе сгорания смеси в двух объемных камерах сгорания. Принцип работы этой камеры такой. При низких частотах вращения вала смесь достаточно воспламенять за 10…15° до ВМТ, когда поршень 1 практически вплотную подошел к головке и между малой и большой камерами сгорания остался соединительный канал 2 небольшого сечения. Во время воспламенения заряда в малой камере через этот канал с большой скоростью вытесняется горящая смесь, турбулизируя основной объем заряда. При больших частотах вращения вала угол опережения зажигания 0 достигает 35…400 до ВМТ. Поршень находится еще достаточно далеко от поверхности головки, и выгорание смеси в малой камере не сопровождается излишней турбулизацией всего заряда, так как слишком интенсивный вихрь в процессе сгорания связан с большими тепловыми потерями в стенки камеры. А при высокой частоте вращения вала смесь имеет достаточные завихрения в процессе впуска и сжатия.
Вопрос об отключении цилиндров для повышения эксплуатационной экономичности двигателей широко дискутировался в конце 70-х — начале 80-х гг., были созданы экспериментальные образцы двигателей и даже серийно выпускались автомобили с такими двигателями. При работе двигателя на малых нагрузках отключается часть цилиндров, но их поршни продолжают двигаться, работают все системы и механизмы, обслуживающие в том числе и отключенные цилиндры. Увеличиваются относительные механические потери. Оказалось, что вместо ожидаемых 12…15% экономии топлива в лучшем случае достигалось только 4…6%, да и то в условиях установившегося движения. При работе автомобиля в городских условиях экономия сводится почти к нулю, так как для стабилизации процессов во впускном трубопроводе, в цилиндре и топливоподающей аппаратуре требуется время, нехватку которого приходится компенсировать обогащением смеси. Отключение цилиндров осуществлялось, как правило, выведением клапанов из контакта с кулачком.
Были выполнены интересные разработки секционных малолитражных двигателей автомобильного типа с муфтами синхронизации вращения параллельных валов или с расчленяемым коленчатым валом, которые в какой-то степени копируют схемы тепловозных или судовых силовых агрегатов, но, поскольку проблему эксплуатационной экономичности можно решить несколько проще, данные разработки применения не нашли.
Рассмотренные выше способы повышения эксплуатационной экономичности двигателя были направлены на решение практически одной задачи -заставить бензиновый двигатель работать на режимах, близких к полной нагрузке, т.е. на режимах с меньшими удельными расходами топлива. Конструкторы заранее соглашались с тем, что частичные нагрузки так и останутся неэкономичными.
Однако наряду с упомянутыми выше способами улучшения смесеобразования й интенсификации сгорания на частичных нагрузках большой резерв в экономии топлива заложен в конструкции двигателя, в котором степень сжатия может изменяться в зависимости от нагрузки.
На частичных нагрузках давление газов и напряжения в деталях кривошипно-шатунного механизма существенно меньше, равно как меньше склонность к возникновению детонации. Принципиально ничто не мешает повысить на частичных нагрузках степень сжатия. Но слишком большая степень расширения продуктов сгорания может привести к тому, что в конце рабочего хода давление в цилиндре будет меньше давления окружающей среды и насосные потери уменьшат выигрыш, полученный при увеличении степени сжатия. Кроме того, для малолитражных дизелей реализовать высокую степень сжатия сложно, исходя из их конструкции и технологии изготовления: объем камеры сгорания оказывается сопоставимым с объемом между днищем поршня и головкой, возникающим из-за необходимого технологического зазора.
Тем не. менее было создано достаточно много экспериментальных двигателей с переменной степенью сжатия, в которых использовали различные конструктивные решения для изменения объема камеры сгорания. Однако ни один из них, к сожалению, не удобен для реализации в массовом производстве и в эксплуатации.
Один из наиболее простых способов изменения объема камеры сгорания -с помощью дополнительного поршня 1 (рис. 138, а). Но подвижный дополнительный поршень необходимо уплотнять и охлаждать, на стенках не должен образовываться нагар, иначе поршень потеряет подвижность, прорвавшиеся через уплотнение газы нужно удалять: конструкция не очень удачная.
Можно сделать основной поршень таким образом, чтобы его головка 4 имела возможность перемещаться относительно направляющей части 3 (рис. 138, б). Но, во-первых, нужно управлять положением головки в зависимости от режима на работающем двигателе и, во-вторых, существенно возрастает масса поршня, динамические нагрузки в кривошипно-шатунном механизме, регулирующие клапаны 2 снижают надежность.
Можно изменять положение коленчатого вала 5 относительно картера 6 или цилиндра 9 с головкой относительно поршня 10 (рис. 138, в, д). Такой метод широко и давно применяется при создании исследовательских одноцилиндровых двигателей для определения антидетонационных свойств топлив. Объем камеры сгорания и степень сжатия можно изменить в результате отклонения направляющего штока 7, по которому движется ползун 8 крейцкопфного кривошипно-шатунного механизма (см. кинематическую схему на рис. 138, г).
Схему с переменными ходом поршня и степенью сжатия, можно реализовать изменением плеч коромысла 12 при смещении его опоры 11 (рис. 138, е). Но ДВС с традиционным кривошипно-шатунным механизмом мало пригоден для реального воплощения рассматриваемой схемы.
Более приемлем двигатель с наклонной шайбой. Перемещение шайбы в осевом направлении с одновременным изменением угла ее наклона позволяет в широких пределах изменять рабочий объем цилиндра 2, сохраняя на заданном уровне или изменяя степень сжатия. Благодаря такому способу регулирования рабочего объема двигатель в каждый момент развивает мощность, требующуюся для преодоления сопротивления движению при полностью открытой дроссельной заслонке и, главное, со стандартной трансмиссией автомобиля. Прототип такого ДВС создан во второй половине 80-х гг. специалистами НАМИ.
Возможность свести к минимуму тепловые потери через стенки цилиндра (они составляют 30…35% энергии, заключенной в топливе), которая появляется при использовании новых конструкционных материалов на основе керамики, металлокерамики или полимеров и различных комбинаций с традиционными материалами, ставит перед создателями двигателей целый комплекс задач, требующих решения.
Если исключить (примем это допущение) отвод теплоты в процессе сжатия, то и температура, и давление в начале процесса сгорания будут выше. Сократится период задержки воспламенения топлива, возрастет скорость сгорания. Иное дело — традиционный бензиновый двигатель, в цилиндре которого сжимается уже приготовленная топливовоздушная смесь. Повышение ее температуры в конце сжатия неизбежно приведет к повышению вероятности детонационного сгорания.
Поэтому при адиабатизации двигателя возникает задача такой организации процессов смесеобразования и сгорания, чтобы исключить термическую подготовку топлива в процессе впуска и сжатия, как и в бензиновых двигателях, работающих с высокой степенью сжатия. Одним из направлений в решении такой задачи является регулирование процесса сгорания за счет подачи топливовоздушной смеси непосредственно в камеру сгорания перед ее воспламенением и в начальный период сгорания.
Но трудности адиабатизации двигателей не кончаются. Поскольку теплота через стенку не отводится, температура поверхности стенки, обращенной к камере сгорания, имеет такую же температуру, что и газы. На такой горячей стенке вряд ли может сохраниться пленка смазочных масел из минерального сырья. Кроме малой теплопроводности, материалы, применяющиеся для цилиндров адиабатных двигателей, должны обладать и жаропрочностью и хорошими антифрикционными качествами поверхности при высоких температурах. Или мы должны иметь масла, способные работать при таких температурах. К счастью, современный уровень разработок в области материаловедения позволяет конструкторам выбрать материалы, во многом отвечающие предъявляемым требованиям.