Afr дизельного двигателя: Система контроля соотношения «воздух/топливо» для газодизельных двигателей.

Система контроля соотношения «воздух/топливо» для газодизельных двигателей.

Исторически сложилось, что газодизельные решения должны быть максимально простыми и дешевыми. Такой подход диктовался прежде всего экономическими соображениями так, как конверсии подвергались восновном бывшие в употребление машины с маленьким остаточным сроком службы. И он безусловно оправдан. Не стоит забывать и о надежности, по настоящему надежны только простые решения.

Каждое новшество и усложнение систем с большим трудом пробивало себе дорогу в жизнь. Первое поколение газодиельных систем не имело даже средств контроля подачи дизельного топлива ( эмуляция педали или упраление давлением для топливной аппаратуры common rail ). Однако, производителям и клиентам достаточно быстро стало понятно, что без уменьшения количества подаваемого топлива практически не возможно добится замещения выше 40%. И системы эмуляции нажатия на педаль газа стали использоваться в газодизельных комплектах повсеместно.

 Очередным претендентом на новый стандарт «де факто» для газодизельных систем является воздушная заслонка.  

Для понимания причины важность регулирования количества подаваемого воздуха придется немного углубится в теорию.

Понятие о регулировании ДВС ( качественное и количественное регулирование ). [1]

Первый способ регулирования ДВС — изменение массы свежего заряда, поступающего в цилиндр двигателя. В этом случае для понижения мощности двигателя уменьшают массу свежего заряда без изменения состава горючей смеси. Такой способ регулирования называется количественным регулированием и практически осуществляется путем установки дополнительного сопротивления в виде дроссельной заслонки во впускном трубопроводе. В результате дросселирования свежего заряда давление его уменьшается. Чем больше прикрыто проходное сечение, тем выше сопротивление впуска и меньше наполнение цилиндра, а следовательно, развиваемая двигателем мощность.
Существенным недостатком количественного регулирования является увеличение насосных потерь вследствие дросселирования и значительное снижение давления в конце сжатия при работе на малых нагрузках. К преимуществу этогоспособа регулирования следует отнести то, что при этом можно выбрать рациональный коэффициент избытка воздуха, обеспечивающий хорошее сгорание топлива на всех режимах работы двигателя.

При втором способе регулирования — остается постоянным количество воздуха,поступающего в цилиндр, но меняется расходвпрыскиваемого через форсунку топлива, что приводит к изменению качества горючей смеси, а следовательно, теплоты сгорания горючей смесии развиваемой двигателем мощности. Этот способ регулирования называется качественным регулированием. Ввиду того, что расход воздуха, поступающего в цилиндр, с изменением нагрузки остается постоянным, при качественном регулировании давление ра в цилиндре в конце впуска, давление рс в конце сжатия и температура Тс в конце сжатия при одной и той же частоте вращения не меняются.
Значительное изменение состава горючей смеси при качественном регулировании обусловливает невозможность его применения в двигателях с внешним смесеобразованием: при увеличении коэффициента избытка воздуха обедняется горючая смесь, что приводит к понижению скорости сгорания, мощности и ухудшениюэкономичности двигателя. При слишком обедненной смеси появляются пропуски зажигания, работа двигателя становится неустойчивой и возможна его остановка.Специфические особенности образования рабочей смеси и процесса сгоранияв дизелях определяют возможность быстрого воспламенения и полного сгорания топлива при больших коэффициентах избытка воздуха.
Третьим способом является способ регулирования, применяемый в газовых двигателях — так называемое смешанное регулирование.При смешанном регулировании увеличения или уменьшения мощности в области больших нагрузок достигают путем изменения состава смеси в пределах допустимых значений а, в области малых нагрузок — путем изменения расхода смеси.

Понятие о стехеометрическом соотношении. Процессы сгорания дизельного топлива

Стехиометрическая горючая смесь — смесь окислителя и горючего, в которой окислителя ровно столько, сколько необходимо для полного окисления горючего.[3]

Стехиометрическая смесь обеспечивает полное сгорание топлива без остатка избыточного окислителя в продуктах горения. Исходя из содержнания C и h3 в ДТ можно вычислить, что для сгорания 1 кг дизельного топлива требуется 14,5 кг воздуха, а для сгорания 1 кг чистого метана 17,2 кг воздуха.

Практически же для полного сгорания в цилиндры дизеля подается воздуха СУЩЕСТВЕННО больше, чем теоретически необходимо. Это вызывается тем, что дизельное топливо даже при самых современных технологиях распыления, остается каплей, но не молекулой ( см. иллюстрацию ниже [2]).

Горение этой капли осуществляется только в очень маленьклм «шарике» воздуха вокруг этой капли. Дизелю всегда нехватает воздуха, по этому на дизелях и нет воздушных залонок ( на самом деле иногда бывают, для исключения белого дымления при запуске или для обеспечения каких-то экзотических режимов, связанных с экологическими требованиями.) Собственно из этой вечной нехватки и вытекает качественное регулирование дизельных двигателей.

Для количественного измерения качества горючей смеси используется соотношение воздух-топливо (air fuel ratio, AFR). AFR = масска в кг воздуха/масса в кг толива.

На режимах малой нагрузке AFR высокооборотных транспортных дизелей может доходить до значений 100 и выше. По мере увеличения нагрузки на двигатель AFR стремится приблизится к стехимометрическому, но все равно превышает его. Занчения AFR соответсвующие подлинной стехиометрии можно увидеть на дизелельном двигатели только в короткие моменты, когда подача топлива резко возрасла, а турбонагнетатель не успел еще раскрутится и подать достаточное количество воздуха.

Процессы сгорания композитного топлива в газодизельном двигателе.

При реализации класического газодизельного цикла без возможности регулирования количества подаваемого воздуха в режимах малых нагрузок сгорание газзообразного топлива проходит в условиях сверхобедненной смеси. По причинам снижения температуры сгорания и скорости сгорания такой смеси наблюдается существенное недогорание газового топлива с последующем выбрасывания его излишков через выхлопной коллектор.

Потери тепла вследствии недогорания топлива в двигателе ГД100 [4]

Кроме яления недогорания, при определенных режимах работы ДВС может возникать явление срыва процесса сгорания сильно обедненной газо-воздушной смеси, что выражается в неприятных звуках и скачкообразному изменению тяги.

Реализация системы управления количеством подаваемого воздуха для газодизельных двигателей.

На практике возможно 2 варианта.

Вариант 1. Воздушная заслонка может быть установлена непосредствено перед входным коллектором, реализуя классическую схему количественного регулирования. Преиимуществом данного подхода является возможность работать на смесях благоприятного состава во всем диапазоне рабочих характеристик газодизельного двигателя. Миниусы такого подхода заключаются в резком снижении топливной эффективности двигателя на малых нагрузках.

Вариант 2. Воздушная заслонка установлена в обход турбины для организации сброса избыточного давления с выхода на вход турбонагнетателя. Реализуется специфический вариант смешанного регулирования с элементами количественного и качественного регулирования в зависимости от режима работы газодизельного двигателя.

Сравнительные результаты применения Врианта 1 и Варианта 2 для дизельного двигателя CUMMINS ISF 2.8 на режиме хлостого хода:

Выводы и практические рекомендации.

Система контроля подаваемого топлива для газодизельных двигателей позволяет снизить количество потребляемого газа необходимого для замещения 1 л ДТ примерно на 20% с 1.2 нм3 на 1 ДТ, до 1 нм3 на 1 л ДТ, что позволяет при сохранении замещения увеличить пробег ТС на одной заправке. Улучшение словий сгорания природит к росту замещещения дизельного топлива газовым на 10-15% по сравнению с обычными газодизельными системами.

Для практического применения в газодизельных двигателях предпочтительным представляется Вариант2, по следующим соображениям:

• Несмотря на невозможность обагащения смеси на режимах с малым давлением наддува, общая топливная эффективность газодизельного двигателя не ухудшается.
• Подача газа перед турбиной создает идеальную гомогенную смесь, что улучшает условия сгорания.
• Конструктивная простота исполнения.
• Большая взрывопожаро безопасность.

Июнь 2020 года. Абакумов А.М.

Список использованной литературы

[1] А. С. Орлин, Устройство и работа поршневых и комбинированных двигателей. 1990. сс. 38–40.
[2] L. Bravo, C. Ivey, D. Kim, и S. Bose, «High-fidelity simulation of atomization in diesel engine sprays», 2014, сс. 89–98.
[3] https://ru.wikipedia.org/wiki/Стехиометрическая_горючая_смесь
[4] К. И. Генкин, Газовые двигатели. Машиностроение, 1977. c. 142

Что будет если сделать чип тюнинг для дизельного или бензинного двигателя? — Статьи

Многие автовладельцы думают, что знают все о своем автомобиле. Но знаете ли вы, что ваш авто может иметь скрытые возможности, которые станут доступны, если провести чип тюнинг для дизельного или бензинного двигателя?

Качественно выполненный чип-тюнинг увеличит мощность двигателя, крутящий момент, а также существенно сократит расход топлива. Все это можно провести безо всякого вреда машине и, как правило, без механического вмешательства.

Чип тюнинг — это изменение настроек блока управления двигателем и в некоторых случаях блока управления коробкой передач. За счет перенастройки таблиц зажигания и подачи топлива (наполнения цилиндров), а также ограничителей крутящего момента, открытия дроссельной заслонки и давления наддува можно существенно изменить мощность мотора и его характер. Поиск оптимальных и безопасных настроек это сложная и комплексная работа доступная только профессионалам.

Чип Тюнинг бензиновых двигателей:

Мощность бензинового двигателя ограничена его литровым объемом и объемной эффективностью — VE. Если на первые два параметра мы как правило повлиять не можем, без существенного вмешательства в «железо», то на многие другие возможно повлиять внеся изменения в программу управления двигателем. На мощность и динамику значительно влияет состав смеси, определяемый соотношением воздуха и топлива — AFR, угол опережения зажигания — УОЗ, а также наддув в случае наличия турбины. В случае моторов оснащенных прямым впрыском таких как CGI, TSI, GDI и прочих, на мощность и экономичность влияет количество тактов впрыска и их фаза.

Чип Тюнинг дизельных двигателей:

Чип-тюнинг дизельных двигателей имеет более ярко выраженный эффект экономии топлива по сравнению с чипом бензиновых моторов. Это связанно с тяговыми характеристиками дизельного мотора, крутящий момент которых доступен с самых низких оборотов двигателя. Чип тюнинг существенно увеличивая крутящий момент дизельного мотора позволяет автомобилю двигаться с прежней или даже большей динамикой, но при более низких оборотах и более высоких передачах КПП. Таким образом при чип тюнинге помимо лучшей динамики вы также получаете ощутимое сокращение расхода топлива.

Преимущества чип-тюнинга дизельных двигателей:

• При интенсивном движении появляются возможности совершения уверенных ускорений при обгонах.
• Более хорошая тягово-скоростная характеристика, которая облегчает управление авто в городских условиях.
• Легче движение полностью загруженной машины.
• После длительного использования автомобиля, мощность мотора может уже не устраивать. Чип тюнинг позволит вернуть удовольствие от управления автомобилем.
• Чип тюнинг намного дешевле, чем дорогостоящие модификации двигателя или покупка более мощной модели авто.

Мы постоянно развиваемся и совершенствуем наши знания. Растет наш опыт и возможности. Мы всегда готовы обсуждать возможности индивидуальной настройки автомобиля и создания решения именно под Ваши требования.

Звоните по телефонам: +7 (391) 2-918-462 или +7 (391) 2-918-818. Либо записывайтесь на процедуры на нашем сайте.

Настройка дизеля и соотношение воздух-топливо

Последние сообщения

Соотношение воздух-топливо (AFR) чрезвычайно важно и часто неправильно понимается

Words by Andrew Leimroth

вашего дизеля, важно учитывать соотношение воздух-топливо выхлопных газов (AFRs).

AFR — это массовое отношение воздуха к топливу, присутствующее в двигателе внутреннего сгорания. Это важная мера для снижения загрязнения и настройки производительности. AFR обычно неправильно понимают, но это чрезвычайно важно, если вы буксируете тяжелый караван или имеете тяжело нагруженный дом на колесах.

Имею многолетний опыт в тюнинге. Лучше всего сказать, что дизель начинает дымить, когда АЧХ становится ниже 15-14:1 для нетурбо и 16-15:1 для турбодизеля.

Помните, что дизельному двигателю не требуется идеальное значение AFR, чтобы работать и работать, но бензиновый двигатель не может работать слишком долго ни с одной стороны от идеального значения AFR, равного 14,7.

В дизельном топливе слишком много топлива (низкий AFR) означает дым и перегрев двигателя. Недостаток топлива (высокий AFR) означает чистую работу и более низкую температуру двигателя. Ниже приводится руководство по настройке дизелей.

Дизель без турбонаддува, такой как Toyota Coaster с двигателем 1HZ, обычно настраивается в диапазоне 15-16:1. Это означает, что он работает только на чистой стороне выбросов выхлопных газов. Любое снижение AFR может начать дымить. Дизель с турбонаддувом на вторичном рынке, такой как Toyota LC100 с двигателем 1HZ, лучше всего будет работать при AFR около 19-20: 1 или выше при полной нагрузке. Причина более высокого и обедненного (богатого кислородом, бедного топливом) AFR в этом применении вторичного турбонаддува заключается в том, что вы знаете, что двигатель будет работать очень долго при таком уровне выхлопных газов. Хотя он работает безопасно, он не предназначен для турбонаддува. Заводской дизельный двигатель с турбонаддувом, такой как Toyota LC100 1HD-FTE или Isuzu NSeries, будет иметь AFR от нового примерно 20-22: 1 или выше под нагрузкой. Хотя вы можете выполнить настройку или установить чип на свой дизель, всегда проверяйте показания AFR до и после. Так часто слышу о большом приросте мощности от

дизельная модификация или модификация производительности. Затем я узнаю, что не было предоставлено никаких AFR для поддержки сделанных улучшений и изменений. Помните, что для безопасности вашего дизеля всегда запрашивайте закулисные цифры. К ним относится AFR, чтобы убедиться, что вы действительно знаете, «как» была достигнута мощность.

Безопасное вождение

Эндрю

Метки:
Дизельный тюнинг
Соотношение воздух-топливо
выхлоп
АФР

‘;
html += ‘

‘ + response. data.date + ‘, ‘ + response.data.time + »;
если (ответ.данные.веб-сайт) {
html += ‘, ‘ + response.data.website + »;
}
HTML += ‘

‘;
html += ‘Ответить’;
html += ‘

‘ + response.data.comment + ‘

‘;
html += ‘

Понимание современного дизеля — мощность банков

Подробный обзор современных дизельных двигателей по сравнению с бензиновыми.

Если вы думаете, что дизельные двигатели шумные, дымные, медленные и медлительные, то вы, вероятно, думаете, что у телевизоров есть маленькие овальные экраны, черно-белые изображения и один крошечный динамик. Не отчаивайтесь. Многие люди имеют такое представление о дизельных двигателях, но, друзья, дизели изменились. Современные дизели не только мощные, экономичные, бесшумные и экологически чистые, они еще и отзывчивы и способны работать по производительности, которая во многих случаях превосходит бензиновые двигатели. Сегодняшние дизели отличаются от тех, что были всего год или около того назад, и дальнейшая эволюция не за горами. Например, самый быстрый в мире пикап (222 мили в час) оснащен дизельным двигателем Cummins 2003 года, и этот же пикап тихий, ездит по улицам и даже прицепил свой собственный прицеп на соляные равнины Бонневилля для установления сертифицированного рекорда наземной скорости. пробеги (см. Project Sidewinder Goes to the Salt в другом месте на этом сайте)! И мы упоминали, что он сделал 1300 фунтов-футов. крутящего момента, не оставляя следов дыма?

Что послужило причиной такой резкой эволюции и усовершенствования дизельных двигателей? Ответ тот же, что дал нам полноцветные телевизоры высокой четкости с большими плоскими экранами, цифровым изображением и объемным стереозвуком: электроника. Однако, прежде чем мы перейдем к достижениям в области электронного управления подачей топлива, давайте рассмотрим некоторые основные различия и сходства дизельных и бензиновых двигателей. Начнем с бензиновых двигателей.

Мы ограничим этот обзор четырехтактными двигателями, обычно называемыми двигателями с циклом Отто в честь Николауса Отто, который запатентовал эту концепцию для двигателей в 1876 году. Большинство редукторов понимают основные принципы работы бензинового четырехтактного двигателя. Двигатель всасывает воздух и топливо на первом такте (ход поршня вниз), затем он сжимает топливовоздушную смесь на втором такте (ход сжатия вверх). Воспламенение воздушно-топливной смеси происходит, когда в камере сгорания возникает искра, и возникающее в результате расширение горящей воздушно-топливной смеси толкает поршень вниз, создавая мощность в третьем такте (рабочий ход поршня вниз). Следующий четвертый цикл вытесняет отработанные выхлопные газы из цилиндра (такт выпуска вверх). Эти четыре цикла соответствуют механически синхронизированным открытиям и закрытиям клапана, чтобы впустить всасываемую смесь и разрешить поток выхлопных газов. Все это подробно объясняется в сопроводительной статье «Воздушный поток — секрет создания мощности». Что наиболее важно в бензиновом четырехтактном двигателе, так это то, как он дросселируется, когда подается топливо и как топливо воспламеняется.

В то время как работа бензинового двигателя достаточно известна, некоторые тонкости — нет. Бензиновый четырехтактный двигатель дросселируется за счет управления массовым потоком воздуха в двигатель. Воздушный дроссель регулирует плотность всасываемого воздуха, поступающего в двигатель. Затем к всасываемому воздуху добавляется топливо пропорционально массовому расходу воздуха. Это делается с помощью карбюратора или системы впрыска топлива до того, как поступающий воздух поступает в цилиндр. Следовательно, это пропорционально смешанная воздушно-топливная смесь контролируемой плотности, которая поступает в цилиндр, когда впускной клапан открыт. После закрытия впускного клапана устанавливается тепловой потенциал горючей смеси. Никакое дополнительное топливо не может попасть в цилиндр, и соотношение воздух/топливо определено.

Воздушно-топливная смесь воспламеняется синхронизированной искрой, возникающей при повороте коленчатого вала от 50 до 60 градусов до того, как поршень достигнет верхней мертвой точки (ВМТ) на такте сжатия, в зависимости от частоты вращения двигателя, нагрузки и положения дроссельной заслонки. При нормальной выработке электроэнергии зажигание обычно происходит позже и может произойти уже в ВМТ. Это дает время (в градусах вращения коленчатого вала) для начала сгорания, создавая пиковое давление в цилиндре примерно на 15º после ВМТ на рабочем такте. Сгорание может продолжаться после этой точки, что еще больше способствует выработке энергии, но эффективное давление в цилиндре падает из-за движения поршня вниз.

Это резкое падение давления в цилиндре является драматичным. Например, предположим, что объем камеры сгорания над поршнем данного двигателя при повороте коленчатого вала на 15º после ВМТ составляет 6 кубических дюймов (около 82 см³). Предположим также, что верхняя часть поршня имеет площадь поверхности 12 квадратных дюймов, а максимальное давление в цилиндре при 15º после ВМТ составляет 1000 фунтов на квадратный дюйм. Это означает, что на поршень действует направленная вниз сила в 12 000 фунтов. Однако, как только поршень переместится всего на 1/2 дюйма дальше по цилиндру, пространство для сгорания удвоится, а рабочее давление упадет всего до 500 фунтов на квадратный дюйм, или всего 6000 фунтов силы на поршень. Еще один дюйм перемещения поршня снова удваивает пространство для сгорания, и давление в цилиндре будет составлять всего 250 фунтов на квадратный дюйм, или 3000 фунтов силы на поршень.

Здесь следует также отметить, что время горения (в микросекундах) для заданного соотношения воздух/топливо бензина и воздуха при заданном давлении остается довольно постоянным независимо от оборотов двигателя. Топливно-воздушная смесь горит, в нормальных условиях эксплуатации не взрывается. Если он самовоспламеняется или взрывается, это неконтролируемое сгорание, которое называется детонацией. Именно из-за времени горения, необходимого для того, чтобы смесь произвела тепло и давление, момент зажигания должен увеличиваться по мере увеличения оборотов. Время горения требуется для нагрева и расширения газов (называемых рабочим телом) в камере сгорания для создания максимального давления в цилиндре вскоре после ВМТ.

Реже обсуждаются насосные потери, связанные с четырехтактными двигателями с воздушным дросселем. Помимо трения, насосные потери — это все, что препятствует вращению коленчатого вала. Вы можете думать об этом как об «отрицательном крутящем моменте», тогда как все, что способствует вращению коленчатого вала, является «положительным крутящим моментом». Рассмотрим это для каждого цикла.

На такте впуска насосные потери возникают, если есть что-либо, препятствующее свободному потоку воздуха (и топлива) в цилиндр, когда впускной клапан открыт и поршень опускается. Помимо обычных ограничений потока впускного воздуховода, воздухоочистителя, впускного коллектора и головки блока цилиндров, основным препятствием, вызывающим озабоченность, является дроссельная заслонка, если она закрыта или частично закрыта. Когда это происходит, поршень пытается сбросить давление в цилиндре и во всем впускном трубопроводе обратно через впускное отверстие и впускной коллектор, преодолевая ограничение потока. Больше всего на свете именно это сопротивление вращению коленчатого вала на такте впуска обеспечивает «торможение двигателем», когда водитель сбрасывает газ. Это часто ошибочно называют «торможением сжатия», но на самом деле оно не имеет ничего общего с тактом сжатия.

Хорошим показателем насосных потерь во время цикла впуска является вакуум в коллекторе. Чем выше вакуум в коллекторе, тем больше насосные потери. Стоит отметить, что насосные потери такта впуска возникают и при высоких оборотах при широко открытой дроссельной заслонке, когда впускные трубопроводы уже не могут пропускать всю массу воздуха, необходимую для наполнения цилиндра до полного атмосферного давления в конце такта впуска. Когда эта точка будет достигнута, объемный КПД и крутящий момент двигателя начнут снижаться.

Кроме того, заводские компромиссы в общей системе впуска могут накладывать ограничения на всех оборотах двигателя. Gale Banks Engineering предлагает продукты как для бензиновых, так и для дизельных двигателей, специально предназначенные для устранения или уменьшения таких ограничений с целью повышения эффективности откачки и выходной мощности.

Интересно, что потери на всасывание можно полностью устранить при полностью открытой дроссельной заслонке за счет наддува (или турбонаддува) двигателя. В таких условиях положительное давление (выше атмосферного) фактически помогает толкать поршень вниз на такте впуска, добавляя крутящий момент. Конечно, «бесплатных обедов» не бывает, и мощность для привода компрессора (нагнетателя или турбокомпрессора) должна откуда-то браться. Для нагнетателя эта мощность (или отрицательный крутящий момент) снимается с коленчатого вала, когда он приводит в движение нагнетатель. Для турбокомпрессора отрицательный крутящий момент возникает в виде ограничения выхлопа, что увеличивает насосные потери в цикле выхлопа. Подробнее об этом позже.

Цикл сжатия также оказывает сопротивление вращению коленчатого вала, когда поршень пытается двигаться вверх, сжимая воздушно-топливную смесь. Чем больше плотность заряда в цилиндре на такте сжатия, тем больше силы потребуется для сжатия воздушно-топливной массы. Другими словами, в цикле сжатия насосные потери максимальны при полностью открытой дроссельной заслонке. Точно так же, если двигатель с наддувом (или с турбонаддувом), повышенная плотность заряда увеличит насосные потери в этом цикле. Независимо от положения дроссельной заслонки или от того, имеет ли двигатель наддув, эффективная степень сжатия двигателя также влияет на насосные потери в такте сжатия. Чем выше эффективная степень сжатия, тем больше насосные потери. Хорошей новостью является то, что независимо от того, высоки или низки потери на перекачку, эти потери в основном восстанавливаются в цикле мощности. Вот почему нет никакого «торможения сжатием», как мы объясним далее.

Третий цикл (силовой цикл) двигателя — единственный цикл, в котором отсутствуют насосные потери. Даже если бы не было сгорания воздушно-топливной смеси, поршень «отскакивал» бы вниз от сжатой смеси почти с той же силой, которая потребовалась бы для ее сжатия в цикле сжатия. Вот почему насосные потери в цикле сжатия не важны. Да, часть работы, выполняемой в цикле сжатия, преобразуется в тепло, и небольшая часть этого тепла теряется в системе охлаждения двигателя, но это очень небольшой процент насосных потерь, который не восстанавливается. Конечно, сгорание происходит, но оно просто увеличивает силу, действующую на поршень во время рабочего цикла.

Четвертый цикл (такт выпуска) также требует усилий для вытеснения выхлопных газов из цилиндра. Поскольку горячие расширенные выхлопные газы все еще в некоторой степени давят на цилиндр, это давление давит на поршень, когда он поднимается. Это давление в цилиндре также способствует оттоку выхлопных газов из цилиндра при открытом выпускном клапане. Насосные потери в цикле выхлопа напрямую связаны с эффективностью выхлопного канала. Все, что ограничивает поток выхлопных газов, например, турбинная секция турбонагнетателя или ограничительная система выпуска отработавших газов, увеличивает потери при откачке выхлопных газов. Здесь снова Бэнкс предлагает продукты для уменьшения или устранения заводских ограничений на выхлоп и повышения эффективности выхлопной системы, что снижает насосные потери и высвобождает мощность. В любом случае движение поршня вверх должно вытеснять все газы, оставшиеся в рабочем объеме цилиндра, а это требует работы.

Прежде чем перейти к дизельным двигателям, следует упомянуть и о насосном действии нижней части поршней. Когда поршень опускается, он должен вытеснять под себя картерный воздух. Точно так же, когда он поднимается, он втягивает за собой картерный воздух. На низких скоростях движение воздуха под поршнями уравновешивается, поскольку в большинстве многоцилиндровых двигателей поршней, движущихся вниз, всегда столько же, сколько и движущихся вверх. При очень высоких оборотах воздух в картере действительно не успевает перемещаться из цилиндра в цилиндр и обратно. Вместо этого он просто сжимается и расширяется под каждым поршнем, но, опять же, расширение уравновешивает сжатие, и в результате отсутствуют потери на прокачке. Одно из преимуществ системы откачки картера, которая сбрасывает давление в картере, заключается в том, что плотность воздуха под поршнями снижается, что еще больше сводит к минимуму насосные действия.

Теперь давайте посмотрим на дизельные двигатели. Наиболее существенные отличия от двигателей с искровым зажиганием заключаются в том, что у дизелей отсутствует воздушный дроссель, топливо впрыскивается непосредственно в камеру сгорания, вместо бензина используется дизельное топливо, а тепло, выделяющееся при сжатии воздуха в цилиндрах, воспламеняет топливо при это вводится. Дизели также работают в более узком диапазоне оборотов, чем бензиновые двигатели, и имеют более низкие пиковые обороты. Это связано с тем, что при непосредственном впрыске топлива трудно обеспечить хорошее образование топливно-воздушной смеси и полное сгорание в широком диапазоне оборотов. Более высокая степень сжатия и давление в цилиндрах дизельных двигателей также требуют более тяжелых вращающихся и возвратно-поступательных компонентов, которые ограничивают максимальные обороты. Немногие дизели работают со скоростью выше 4000 об/мин, а большинство работает заметно медленнее, чем 4000 об/мин. Дизели термически более эффективны, чем бензиновые двигатели, поскольку они работают при более высокой степени сжатия, чем бензиновые двигатели, и имеют меньшие насосные потери. Кроме того, дизельное топливо обычно имеет примерно на 11 процентов больше энергии на галлон, чем бензин. Типичное дизельное топливо имеет 138 700 БТЕ на галлон, тогда как типичный бензин имеет 124 800 БТЕ на галлон. Дизели также могут работать на более обедненных топливно-воздушных смесях, чем бензиновые двигатели, особенно на холостом ходу. Давайте посмотрим на эти вещи более внимательно.

Более высокая степень сжатия приводит к более эффективному сжиганию топлива в четырехтактных двигателях. Большинство современных бензиновых двигателей работают со статической степенью сжатия от 8:1 до 10:1. Специальный высокооктановый бензин допускает несколько более высокие степени сжатия (обычно для гонок), но дополнительная стоимость и доступность высокооктанового топлива (с высоким содержанием свинца) не позволяют использовать более высокие степени сжатия в большинстве приложений. Для сравнения, дизельные двигатели работают при степени сжатия от 14:1 до 24:1. Бензиновые двигатели не могут работать при таких более высоких степенях сжатия, потому что воздух и топливо уже смешаны друг с другом до того, как попадут в цилиндр. При степенях сжатия выше тех, которые обычно используются в бензиновых двигателях, теплота сжатия может привести к слишком раннему самовоспламенению смеси, вызывая «стук в двигателе», повреждение деталей и значительное снижение мощности. В дизеле воздух и топливо обрабатываются отдельно. Только воздух поступает в цилиндр на такте впуска, а топливо под давлением впрыскивается после сжатия воздуха. Во время такта сжатия температура всасываемого воздуха поднимается до 1400ºF. При попадании в эту горячую среду топливо самовоспламеняется. Впрыск топлива рассчитан на минимальные выбросы, эффективность и максимальный крутящий момент. Как и в случае с моментом зажигания в бензиновых двигателях, момент впрыска топлива немного увеличивается в некоторых, но не во всех, дизельных двигателях по мере увеличения оборотов. Однако следует отметить, что турбонаддув увеличивает время сгорания воздуха и топлива по мере повышения давления наддува. Это означает, что инициирование импульса впрыска топлива должно быть задержано или задержано, поскольку давление наддува в турбодизеле повышается. В большинстве дизелей время впрыска топлива изменяется при повышении оборотов и увеличении наддува, компенсируя друг друга, и время начала импульса основного впрыска топлива остается относительно фиксированным. В зависимости от конструкции дизельного двигателя, его предполагаемого использования и требований к выбросам импульс впрыска топлива может быть установлен так, чтобы он начинался за 24–26° до ВМТ, или он может быть установлен так, чтобы он возникал уже в ВМТ. В Banks Sidewinder, например, впрыск топлива начинается за 24° до ВМТ такта сжатия.

Бензиновые двигатели работают в узком диапазоне соотношения воздух/топливо примерно от 12:1 до 15:1, хотя в некоторых современных двигателях, работающих на обедненной смеси, соотношение воздух/топливо может быть значительно меньше. более широкий диапазон, например, обогащение до 15:1 или обеднение до 60:1, однако увеличение обогащения от примерно 22:1 до 25:1 приводит к чрезмерной температуре, копоти, дыму и плохой экономии топлива. Некоторые производители дизельных чипов для вторичного рынка просто добавляют слишком много топлива для увеличения мощности, в результате чего двигатель работает в нежелательном богатом диапазоне, о чем свидетельствуют шлейфы черного дыма. Тепловой КПД дизелей может быть и повышается за счет турбонаддува, чтобы увеличить доступный воздух (кислород) для поддержки сгорания большего количества топлива. Бензиновые двигатели не могут выдерживать значительно более высокое давление в цилиндре из-за турбонаддува без преждевременного зажигания и / или детонации, если только не используется высокооктановый или сверхвысокооктановый бензин.

Дизельные двигатели также имеют значительно более низкие насосные потери, чем бензиновые двигатели. Поскольку выходная мощность дизельного двигателя и частота вращения двигателя регулируются путем изменения соотношения воздух/топливо посредством контроля количества впрыскиваемого топлива, нет необходимости в дроссельной заслонке. Следовательно, насосные потери на такте впуска минимальны. Это также означает, что, к сожалению, торможение двигателем практически отсутствует, когда водитель отпускает педаль газа, если только не установлен моторный тормоз, такой как Banks Brake, но это отдельная история. Если дизель оснащен турбонаддувом, давление наддува может помочь создать «положительный крутящий момент» на такте впуска. Дизели имеют высокие насосные потери в такте сжатия из-за высокой степени сжатия, но это компенсируется почти равным отскоком в такте рабочего хода, как объяснялось ранее. Значительные насосные потери возникают только в такте выпуска, особенно в условиях наддува при использовании турбокомпрессора, и такие потери более чем компенсируются дополнительным крутящим моментом, создаваемым в такте рабочего хода, если турбокомпрессор правильно подобран к двигателю. Вышеизложенное предполагает, что выхлопные каналы достаточно неограничены для размера и выходной мощности дизеля. В противном случае повышение эффективности выхлопной системы приведет к значительному увеличению мощности. Вот почему такие продукты, как колено Power Elbow, Monster Exhaust, выпускная труба турбины Monster и глушители Dynaflow, работают так хорошо.

Принимая во внимание все вышеперечисленное, особенно меньшие насосные потери и больший тепловой КПД, становится ясно, почему дизельные двигатели более эффективны и развивают значительно больший крутящий момент, чем двигатели с искровым зажиганием аналогичного объема. Однако это еще не все. При описании работы бензинового двигателя было отмечено, что после закрытия впускного клапана устанавливается тепловой потенциал для этого всасываемого заряда. То же самое не относится к дизельным двигателям. Тепловой потенциал для рабочего такта в дизеле можно регулировать количеством впрыскиваемого топлива и продолжительностью его впрыска. Единственными ограничениями для этого являются количество воздуха в цилиндре для поддержки сгорания и производительность системы впрыска топлива. Поскольку топливо может впрыскиваться дольше в цикл мощности для поддержания эффективного давления в цилиндре, выходной крутящий момент может быть значительно увеличен. Это в значительной степени отвечает за огромный крутящий момент, который способны производить дизели. Это объясняется более подробно в другой статье на этом сайте (см. «Почему дизель создает такой большой крутящий момент» и «Гонки на дизеле»).

Теперь, когда мы рассмотрели основы работы дизельного двигателя по сравнению с бензиновым двигателем, мы можем обсудить, как электронное управление подачей топлива способствовало эволюции современного дизеля.

До недавнего времени впрыск дизельного топлива был чисто механической функцией, которая изменяла количество топлива, впрыскиваемого в камеру сгорания, в зависимости от давления впрыска, которое регулировалось скоростью топливного насоса и положением дроссельной заслонки, которое изменяло объем топлива. Поскольку топливный насос приводился в действие двигателем, давление зависело от оборотов двигателя до тех пор, пока не было достигнуто регулируемое давление. Все топливо для силового цикла впрыскивалось за один импульс. Объем впрыскиваемого топлива определял длительность импульса впрыска. Некоторое изменение скорости закачки было возможно, но оно было минимальным. Это означало, что горение имело тенденцию быть богатым в начале горения и обедненным в конце горения. Это также означало, что двигатель издавал громкий лязгающий звук в начале сгорания, неидеальную эффективность сгорания и заметную сажу в выхлопных газах.

Современные дизельные технологии используют значительно более высокое давление впрыска. Переход на четыре клапана на цилиндр также позволяет расположить форсунку непосредственно в центре камеры сгорания, направленную в середину цилиндра. Кроме того, топливные форсунки с компьютерным управлением теперь можно контролировать, чтобы «формировать» кривую впрыска топлива, используя несколько событий впрыска во время каждого цикла зажигания. Это возможно за счет использования компьютерного управления форсунками и сверхвысокого давления топлива в общей топливной рампе, которая питает форсунки, отсюда и название «впрыск общей рампы». Эта новая технология позволяет контролировать воздушно-топливную смесь для более равномерного горения с многократным впрыском во время циклов сжатия и мощности. Например, небольшое количество топлива предварительно впрыскивается в начале такта сжатия, чтобы начать процесс горения без шумного грохота, ранее характерного для дизелей. Такой импульс перед впрыском называется «пилотным» впрыском. За этим следует основной импульс впрыска топлива, определяемый положением дроссельной заслонки. Время и подача основного импульса также помогают снизить шум сгорания и выбросы, обеспечивая при этом оптимальный крутящий момент и топливную экономичность. И, наконец, импульс после впрыска может помочь сжечь сажу, образовавшуюся во время основного горения. Это дожигание происходит при относительно низкой температуре горения и иногда называется «холодным ожогом». Значительные исследования продолжаются в области электронного управления подачей топлива, чтобы усовершенствовать процесс впрыска для снижения выбросов и повышения эффективности.

Непосредственный впрыск Common Rail приносит много положительных результатов. Во-первых, мощность увеличена на 40 процентов по сравнению с более ранними конструкциями с непрямым впрыском, в то же время расход топлива снижен на 30 процентов. При меньшем расходе топлива также сокращаются выбросы углекислого газа. Эти преимущества возникают в основном из-за того, что более высокое давление впрыска приводит к меньшему размеру капель топлива для более быстрого и полного сгорания и более равномерному распределению топлива в цилиндре. Для сравнения, современная система впрыска топлива с общей топливной рампой может работать при давлении до 19от 000 до 24 000+ фунтов на квадратный дюйм, тогда как типичная система впрыска топлива бензинового двигателя работает только при давлении от 40 до 60 фунтов на квадратный дюйм. Конечно, бензиновые двигатели также не впрыскивают непосредственно в цилиндр.

Еще одно существенное различие между бензином и дизельным топливом связано с тем, как эти два вида топлива испаряются. Во-первых, надо понимать, что жидкое топливо не горит. Только пары топлива фактически окисляются или воспламеняются. Бензин легко испаряется, и бензин также успевает более полно испариться после попадания в поток всасываемого воздуха и во время такта сжатия до того, как в бензиновом двигателе произойдет воспламенение. Либо любые оставшиеся капли жидкого бензина в цилиндре испаряются в процессе сгорания, либо они выбрасываются несгоревшими или сгорают лишь частично в цикле выпуска. Дизельное топливо — отдельная история.

Дизельное топливо менее летучее, чем бензин. Он также поступает в цилиндр в виде жидкости, и сразу же начинается сгорание. Это означает, что испаряется и горит только поверхность топливных капель, или, правильнее сказать, вступает в реакцию с кислородом вокруг нее. Теплота сгорания заставляет следующий слой капли испаряться, и если капля находит доступный кислород, она затем вступает в реакцию. Этот процесс продолжается подобно снятию слоев луковицы до тех пор, пока капля топлива не будет полностью израсходована или пока капля не найдет кислород и огонь не погаснет. Технически капля также может столкнуться с верхней частью поршня или стенкой цилиндра, что обычно приводит к прекращению сгорания. Принимая во внимание этот процесс, чем мельче капли дизельного топлива, когда они выходят из форсунки, и чем быстрее они движутся, тем больше вероятность того, что капли найдут доступный кислород и полностью сгорят до столкновения с поршнем или стенкой цилиндра. Это одна из основных причин сверхвысокого давления впрыска Common Rail.

Есть негатив, связанный с современными дизелями с системой Common-Rail. Более сложная система впрыска топлива является дорогостоящей в производстве, и в настоящее время она составляет от 30 до 40 процентов стоимости современного дизельного двигателя. Дизельные двигатели по-прежнему требуют более прочных компонентов, чтобы выдерживать более высокие степени сжатия, более высокое давление наддува турбонагнетателя, более высокое давление в цилиндре и более высокий выходной крутящий момент, чем бензиновые двигатели аналогичного размера. Это приводит к тому, что дизельные двигатели тяжелее бензиновых двигателей аналогичного объема. Однако в этих областях наблюдается прогресс. В некоторых дизелях теперь используются алюминиевые головки блока цилиндров для снижения веса.

По сравнению с бензиновыми двигателями современные дизели производят на 30-40% меньше углекислого газа, имеют очень низкий уровень содержания углеводородов и угарного газа, а в течение срока службы дизели производят меньше оксидов азота, чем бензиновые двигатели. Рециркуляция охлажденных выхлопных газов (EGR) может помочь дизелям еще больше уменьшить образование оксидов азота и сажи, а некоторые новые дизели оснащены EGR. К сожалению, применение охлаждаемой системы рециркуляции отработавших газов оказывает негативное влияние на эффективность и экономию топлива. Значительное сокращение оставшихся оксидов азота возможно с помощью каталитических нейтрализаторов, когда дизельное топливо со сверхнизким содержанием серы заменяет существующее дизельное топливо, как это предписано Агентством по охране окружающей среды от 2006 г. Сера в существующем дизельном топливе повреждает оксиды азотвосстанавливающих каталитических нейтрализаторов. теперь доступно. Сера в современном дизельном топливе также способствует появлению запаха, связанного с дизелями. Когда исчезнет сера, исчезнет и большая часть дизельного запаха. Проблема, если она есть, заключается в том, что даже современные чистые дизели все еще могут выделять твердые частицы в виде дыма или сажи. Это минимально по сравнению с дизелями всего несколько лет назад. На самом деле уровень твердых частиц настолько низок, что дым едва заметен невооруженным глазом, но некоторые люди считают любой дым вредным для здоровья. Продолжаются серьезные споры о том, достигают ли нынешние уровни выбросов дизельных двигателей порога, вредного для человека.

Со всеми достижениями, достигнутыми в современных дизельных двигателях, будущее дизеля кажется светлым. На сегодняшний день дизельный двигатель является наиболее экономичным преобразователем энергии в массовом производстве. Современные дизели устанавливают рекорды производительности, которые затмевают бензиновые двигатели. Уже преодолев большую часть возражений против дизелей, инженеры продолжают совершенствовать электронное управление подачей топлива и контроль выбросов. Дизельное топливо чаще доступно на многих заправочных станциях, что устраняет еще один очевидный недостаток. Выполнение будущих требований по выбросам может оказаться проблематичным, но не невозможным. Все, что осталось изменить, — это общественное восприятие дизелей.