Искровое зажигание двигателя
Управление работой двигателя с искровым зажиганием
Управление работой двигателя с искровым зажиганием
Определяющую роль в современном автомобиле играют электронные системы управления и регулирования. Постепенно шаг за шагом они вытеснили механические системы (например датчик-распределитель зажигания). Лишь электроника делает возможным соблюдение все болеестрогих предписаний законодательства по выбросам вредных веществ с ОГ.
Технические требования
Одной из целей при разработке ДВС является обеспечение как можно более низких показателей расхода топлива и токсичности ОГ при одновременном получении более высокой мощности двигателя.
Сокращение расхода топлива возможно лишь за счет повышения общего КПД двигателя. В частности» на холостом ходу и при частичной нагрузке двигатель с искровым зажиганием и впрыском во впускной трубопровод работает с низким КПД. Учитывая, что холостой ход и частичная нагрузка используются при эксплуатации двигателя чаще всего, необходимо повышать КПД именно на этих режимах, не допуская при этом снижения достаточно высокого КПД в верхнем диапазоне нагрузок. Это требование можно выполнить благодаря применению непосредственного впрыска
Еще одно предъявляемое к двигателю требование состоит в том, чтобы он вырабатывал высокий крутящий момент уже при низких оборотах коленчатого вала, для того чтобы автомобиль мог быстро разгоняться. Тем самым, крутящий момент является наиболее важной характеристикой при управлении работой двигателя с искровым зажиганием
Крутящий момент двигателя
Создаваемая двигателем мощность Р определяется крутящим моментом М на коленчатом валу и частотой вращения коленчатого вала п. Крутящий момент на коленчатом валу, передаваемый сцеплению, равняется крутящему моменту создаваемому в процессе сгорания топлива, за вычетом механических потерь на трение, насосных потерь при газообмене и потерь на привод вспомогательного оборудования (рис. 1).
Момент, создаваемый в процессе сгорания рабочей смеси, определяется: массой воздуха, поступающего в цилиндры для обеспечения процесса сгорания на момент закрытие впускных клапанов;
- •массой топлива, поступающегов цилиндры на момент закрытиявпускных клапанов;
- •моментом зажигания.
В перспективе доля двигателей с непосредственным впрыском будет увеличиваться. Эти двигатели работают на режимах с избытком воздуха в смеси (эксплуатация на обедненной смеси), когда в цилиндрах находится часть воздуха, никак не влияющая на крутящий момент.В этом случае гораздо большее влияние на крутящий момент имеет количество впрыскиваемого топлива.
Функции системы управления работой двигателя
Одной из функций управления работой двигателя является регулирование вырабатываемого двигателем крутящего момента. Для этого в различных подсистемах (управление наполнением, образованием рабочей смеси, зажигание) производится управление всеми влияющими на крутящий момент параметрами. Цель такого управления состоит в том, чтобы обеспечить получение крутящего момента, необходимого водителю, и одновременно выполнять требования по токсичности ОГ, расходу топлива, повышению мощности, комфорту и безопасности. Эти задачи можно решить только путем применения электронных систем.
В процессе выполнения этих задач система управления работой двигателя в условиях длительной эксплуатации постоянно производит диагностику и информирует водителя о выявленных неполадках. Кроме того, подобная диагностика упрощает техническое обслуживание автомобиля.
В обычных системах впрыска, не оснащенных системой управления работой двигателя, водитель непосредственно управляет открытием дроссельной заслонки путем нажатия на педаль газа. Тем самым устанавливает количество всасываемого в цилиндры воздуха. В системе управления работой двигателя, имеющей электронно-управляемую педаль газа (EGAS), состав рабочей смеси, поступающей в цилиндры, регулируется дроссельной заслонкой, положение которой изменяется согласно управляющим сигналам, подаваемым рассматриваемой подсистемой. Для этого предусмотрен датчик положения педали «газа», сигнал от которого поступает в подсистему «управление наполнением цилиндров» для определения такого наполнения цилиндров, которое необходимо для выработки требуемого крутящего момента, и открывает приводимую электрически дроссельную заслонку на соответствующую величину.
Подсистема «образование рабочей смеси»
Данная подсистема рассчитывает на режиме гомогенного распределения смеси при определенном коэффициенте избытка воздуха X массу топлива, соответствующую необходимому наполнению цилиндров воздухом, и но этим данным определяет требуемые продолжительность и момент впрыска. При непосредственном впрыске в условиях работы на обедненной смеси, к которым в основном относится режим послойного распределения смеси, действуют иные правила. В данном случае не всасываемая масса воздуха, а требуемая водителем величина крутящего момента определяет количество впрыскиваемого топлива.
Подсистема «зажигание»Эта подсистема определяет угол поворота коленчатого вала, при котором должно происходить воспламенение рабочей смеси.
Управление наполнением цилиндров
Задачей управления подачей горючей смеси в цилиндры является координация работы систем, влияющих на состав смеси в цилиндре.
Состав заряда рабочей смеси
Газовая смесь, находящаяся в цилиндре при закрытии впускных клапанов, называется зарядом цилиндра. Он состоит из поступившей свежей рабочей смеси и остаточных О Г.
Для того чтобы определять величину, не зависящую от рабочего объема двигателя, было введено понятие «относительный заряд». Он устанавливается как отношение фактического заряда к заряду в стандартных условиях (р0 = 1013 rl la, Г„ = 273 К).
Свежая рабочая смесьКомпонентами поступающей в цилиндр свежей смеси являются свежий воздух и находящееся в нем топливо (рис. 1). При впрыске во впускной трубопровод все топливо полностью перемешивается со свежим воздухом еще перед впускным клапаном. В системах с непосредственным впрыском топливо впрыскивается непосредственно в камеру сгорания. Основная часть свежего воздуха поступает в цилиндр с потоком воздуха 6, 7 через дроссельную заслонку 13 и впускной клапан 11. Дополнительный воздух может проходить через систему улавливания паров топлива.
При гомогенном распределении смеси (А, < 1) поступающий через дроссельную заслонку и находящийся в цилиндре после закрытия впускных клапанов 11 воздух является главным фактором производимой во время сгорания работы поршня и, тем самым, вырабатываемого двигателем крутящего момента. В этом случае крутящий момент и нагрузка двигателя зависят от заряда. На режиме работы с обедненной смесью (послойное распределение смесп), напротив, крутящий момент (нагрузка двигателя) напрямую зависит от массы впрыски ваемого топ л и ва.
На режиме эксплуатации с обедненной смесью масса воздуха может различаться даже при одинаковом крутящем моменте. Меры по повышению максимальных крутящего момента и мощности двигателя почти всегда обуславливают увеличение заряда до максимально возможного значения. Теоретически максимальная величина заряда определяется рабочим объемом двигателя.
Остаточные О Г
Количество остаточных ОГ — это та доля заряда в цилиндре, которая уже участвовала в процессе сгорания. При этом существует принципиальное различие между внутренними и внешними остаточными ОГ. Внутренние остаточные ОГ —это газы, оставшиеся после сгорания в цилиндре или поступившие обратно в цилиндр из выпускного коллектора при одновременно открытых впускном.
и выпускном клапанах (т. е. во время перекрытия клапанов). Внешние остаточные ОГ образуют газы, направляемые из выпускного коллектора во впускной трубопровод через открытый клапан системы рециркуляции ОГ.
В то время как доля внутренних остаточных ОГ регулируется, главным образом, изменением фаз газораспределение при газообмене (выпускной клапан закрывается, впускной открывается), доле
Непосредственный впрыск
Для двигателей с непосредственным впрыском при работе на режиме гомогенного распределения смеси (X < 1), т. е. не в условиях с обедненной смесью, действуют те же пропорции, что и при впрыске во впускной трубопровод.
Дроссельная заслонка для снижения потерь при дросселировании остается широко открытой и при частичной нагрузке. В идеальном случае при полностью открытой дроссельной заслонке — как на режиме полной нагрузки — не возникает вообще никаких потерь при дросселировании. Для уменьшения крутящего момента на режиме частичной нагрузки требуется ограничить участие в процессе сгорания поступающего в цилиндры воздуха. При эксплуатации на режимах с избытком воздуха (Х>1) часть поступившего воздуха остается в цилиндре в виде остаточных ОГ или выводится из цилиндра во время такта выпуска. Поэтому при работе на обедненных смесях величина крутящего момента определяется не наполнением цилиндра воздухом, а поступившим в него количеством топлива.
Газообмен
Замена отработавшего заряда (ОГ) свежим происходит посредством согласованного во времени открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов. Кулачки распределительного вала определяют моменты открытия и закрытия клапанов (фазы газораспределения), а также характеристику подъема клапанов. Благодаря этому производится воздействие на процесс газообмена, и, тем самым, на количество свежей смеси, поступающей для сгорания.
Перекрытие клапанов, т. е. перекрытие фаз открытия впускных и выпускных клапанов, имеет решающее влияние на остающуюся в цилиндре массу остаточных ОГ. Тем самым определяется и доля инертных газов в свежем заряде цилиндра для следующего рабочего хода. В этом случае говорят о внутренней рециркуляции ОГ.
Доля инертных газов в заряде может быть увеличена за счет внешней рециркуляции ОГ. Клапан в системе рециркуляции ОГ соединяет впускной трубопровод и выпускной коллектор. Управляя этим клапаном, следовательно, можно регулировать долю инертных газов в заряде в зависимости от режима работы двигателя.
Коэффициент наполнения цилиндра
Коэффициент наполнения цилиндра определяется отношением полного объема заряда, поступившего в цилиндр за весь рабочий цикл, к теоретическому заряду, определяемому ходом поршня. При определении коэффициента н а п ол н е н и я цилиндра рассматривается только объем ОГ, действительно оставшихся в цилиндре. Подаваемая в цилиндр свежая смесь, которая во время перекрытия клапанов не участвует в процессе сгорания, в данном случае не учитывается.
Для безнаддувных ДВС коэффициент наполнения цилиндра составляет 0,6 — 0,9. Он зависит от конструкции впускного трубопровода, формы камеры сгорания, поперечного сечения отверстий для впускного и выпускного клапанов и фаз газораспредслен и я. Наддув
Крутящий момент, который может быть получен при работе на гомогенной смеси (^<1), пропорционален массе свежего заряда, поступившего в цилиндры. Поэтому максимальный крутящий момент можно увеличить за счет предварительного сжатия воздуха перед поступлением в цилиндры (наддув). Благодаря наддувукоэффициент наполнения цилиндра можно увеличить до величин, больших 1.
Динамический наддувНаддув можно получить, используя динамические эффекты во впускном трубопроводе. Коэффициент наддува зависит от конструкции впускного трубопровода и характеристик работы двигателя (в основном, от частоты вращения коленчатого вала и наполнения цилиндров). При использовании регулируемой геометрии впускного трубопровода динамический наддув может обеспечивать увеличение максимального заряда в широком эксплуатационном диапазоне.
Механический наддувЕще большее повышение плотности воздуха на впуске достигается при помощи нагнетателей с механическим приводом oт коленчатого вала двигателя. Сжатый воздух нагнетается в цилиндры через впускной трубопровод.
Турбопаддув с использованием энергии ОГ
В отличие от механического наддувг привод турбонагнетателя осуществляется за счет отработавших газов (энерия которых в безнаддувных двигателях остается невостребованной), а не от коленчатого вала.
Приготовление рабочей смеси
В системе «приготовление рабочей смеси» производится расчет необходимой массы топлива, соответствующей массе всасываемого воздуха. Дозирование топлива производится форсунками.
Топливовоздушная смесь
Для эффективной работы двигателя с искровым зажиганием требуется использование рабочей смеси с определенным соотношением воздуха и топлива. Идеальное теоретически полное сгорание смеси происходит при пропорции воздуха и топлива, равной 14,7 : 1. Такое соотношение называется стехиометрическим. Это означает, что, например, для сгорания 1 кг топлива требуется 14,7 кг воздуха или, если это выразить в объемшах единицах, топливо объемом 1 л полностью сгорает в присутствии 9500 л воздуха.
Коэффициент избытка воздухаДля обозначения степени отличия действительной топливовоздушной смеси от теоретически необходимой (стехиометрической) используется коэффициент избытка воздуха X (в отечественной практике обозначается буквой а — прим. ред.).
При X = 1 масса подаваемого в цилиндры воздуха равна теоретически необходимой.При X < 1 имеется дефицит воздуха, т.е. смесь является обогащенной. Обогащение смеси топливом необходимо при пуске холодного двигателя — для компенсации того количества топлива, которое конденсируется на холодных стенках пускного трубопровода (при впрыске во ; пуск ной трубопровод) и цилиндра, значит не участвует в сгорании.
При X > 1 имеется избыток воздуха, е. смесь является обедненной. Максимально достижимое значение X, соответствующее границе устойчивой рабо: двигателя на обедненных смесях, в большой степени зависит от конструкции двигателя и применяемой системы
смесеобразования. За этой границей бвозникают перебои в сгорании, сопрово-ждаемые неравномерной работой двига-теля, возрастает расход топлива и падаетмощность.
У двигателей с непосредственным впрыском, характеризуемых другими условиями сгорания, степень предельно допустимого обеднения смеси значительно ниже. Эти двигатели на режиме неполной нагрузки могут работать при гораздо больших коэффициентах избытка воздуха.
Условия работы на разных смесяхГомогенная смесь (X < 1): в двигателях с впрыском во впускной трубопровод топливовоздушная смесь всасывается в цилиндры во время такта впуска через открытый впускной клапан. Результатом этого является практически гомогенное распределение смеси в камере сгорания.
Это возможно и на двигателях с непосредственным впрыском, когда топливо впрыскивается в камеру сгорания во время такта впуска.
Гомогенно-обедненная смесь (X > 1): рабочая смесь с определенным избытком воздуха распределяется в камере сгорания однородно (гомогенно).
Послойный заряд: этот и описанные ниже режимы возможны только на двигателях с непосредственным впрыском. Топливо впрыскивается лишь незадолго до момента зажигания. Оно располагается в виде ограниченного объема смеси вблизи свечи зажигания.
Гомогенно-послойная смесь: дополнительно к послойному заряду на всем пространстве камеры сгорания находится гомогенно-распределенная обедненная смесь. Это распределение смеси достигается посредством двойного впрыска.
Гомогенно-антидетонационная смесь:и в этом случае благодаря двойному впрыску достигается такое распределение смеси, которое практически предотвращает детонационное сгорание.
Послойный заряд с разогревом каталитического нейтрализатора: задержка впрыскивания топлива ведет к быстрому разогреву нейтрализатора.
Удельный расход топлива, мощность и токсичность ОГ
Впрыскивание топлива во впускной трубопровод
Двигатели с впрыском во впускной трубопровод развивают максимальную мощность при 5-15 % дефицита воздуха в смеси (X = 0,95-0,85) и обеспечивают минимальный расход топлива при 10-20% избытка воздуха (X = 1,1-1,2). На рис. 1 и 2 показаны зависимости мощности и удельного расхода топлива, а также токсичности ОГ от коэффициента избытка воздуха. Из этих графиков можно сделать вывод о том, что не существует идеального коэффициента избытка воздуха, при котором все указанные факторы были бы наилучшими. Оптимальный расход топлива при оптимальной мощности достигается при X = 0,9-1,1. Для каталитической очистки ОГ при помощи трехкомпонентного каталитического нейтрализатора обязательным
условием является поддержание X = 1 при условии, что двигатель имеет рабочую температуру. Для поддержания X необходимо точно определять поступающую в цилиндры массу воздуха и количество впрыскиваемого топлива. Наряду с точным дозированием впрыскиваемого топлива для оптимизации протекания процесса сгорания необходимо получение гомогенной смеси, что обеспечивает хорошее распыление топлива. Если это требование не выполняется, то на стенках впускного трубопровода или камеры сгорания конденсируются капли топлива. полностыо они не сгорают, следствием чего является повышение эмиссии углеводородов с ОГ.
Непосредственное вирыскивание топливаПри непосредственном впрыскивании топлива и в условиях гомогенной смеси при X < 1 действуют те же пропорции соотношения топлива и воздуха, что и при впрыскивании топлива во впускной трубопровод. При послойном распределении смеси, напротив, рабочая смесь имеетпрактически стехиометрическую пропорцию только в облаке заряда вблизи свечи зажигания. За пределами этой области цилиндр наполнен воздухом и инертными газами. С учетом всего объема камеры сгорания соотношение воздуха и топлива в смеси оказывается большим {X > 1).
Режим холостого хода и работы в условиях частичной нагрузкиПосле достижения рабочей температуры двигатели с впрыском во впускной трубопровод эксплуатируются на режимах холостого хода и частичной нагрузки исключительно со стехиометрической смесью. Напротив, двигатель с непосредственным впрыском должен как можночаще работать в условиях послойного распределения смеси. На режимах холостого хода и частичной нагрузки это возможно, благодаря чему обеспечивается наименьший расход топлива — при эксплуатации с обедненной смесыо на этих рабочих режимах можно сэкономить до 40 % топлива.
Работа при полной нагрузкеНа этом режиме соотношения воздуха и топлива в смеси как при впрыске во впускной трубопровод, так и при непосредственном впрыске различаются незначительно. При полностью открытой дроссельной заслонке может потребоваться обогащение смеси. Благодаря этому, как показано на рис. 1, можно добиться максимальных значений крутящего момента или мощности.
Режим разгона и торможенияСклонность топлива к испаряемости при впрыске во впускной трубопровод сильно зависит от давления в трубопроводе. Из-за этого вблизи впускных клапанов на стенках трубопровода происходит образование пленки топлива. Скачки давления во впускном трубопроводе, например при быстрых изменениях открытия дроссельной заслонки, приводят к тому, что толщина этой пленки увеличивается. При резкомразгоне давление во впускном трубопроводе повышается, склонность топлива к испаряемости, соответственно, растет, и пленка топлива на стенках становится толще. Итак, поскольку часть впрыскивае- мого топлива конденсируется на стенках в виде пленки, смесь на короткое время обедняется, до тех пор пока толщина этой пленки не стабилизируется. Аналогично, резкое замедление приводит к обогащению смеси, поскольку из-за понижения
давления во впускном трубопроводе интенсивность образования пленки топлива на стенках уменьшается. Для достижения Iшилучших динамических характеристик и обеспечения необходимого для оптимальной работы каталитического нейтрализатора постоянного соотношения воздуха и топлива в смеси применяется корректировка смеси в зависимости от температуры (переходная компенсация).
Такая пленка топлива также может образовываться на стенках цилиндров. Но на прогретом двигателе конденсация здесь весьма незначительна.
Движение накатом
При движении накатом подача топлива отсекается (система отключения подачи топлива при движении накатом). Благодаря этому экономится топливо, а также осуществляется защита каталитического нейтрализатора от перегрева, вызванного неполным сгоранием.
Зажигание
Задачей системы зажигания является воспламенение сжатой рабочей смеси в точно установлюшый момент.
Система зажигания
В двигателях Отто воспламенение рабочей смеси производится электрической искрой, проскакивающей между электродами свечи зажигания. На таких ДВС используются, главным образом, индуктивные системы зажигания, которые аккумулируют необходимую для зажигания энергию в катушке зажигания. Требуемая величина энергии определяет период времени, в течение которого должна заряжаться находящаяся под током катушка зажигания (угол замкнутого состояния контактов). Прерывание тока от катушки при определенном значении угла поворота коленчатого вала (угол опережения зажигания) приводит к возникновению искры и, тем самым, к воспламенению рабочей смеси.
В современных системах зажигания управление всеми процессами производится при помощи электроники.
Момент зажигания
Установка угла опережения зажигания После момента зажигания проходит примерно 2 мс, прежде чем рабочая смесь полностью сгорит. Следовательно, момент зажигания должен быть выбран так, чтобы основной процесс сгорания и вместе с ним пик давления в цилиндре происходили вскоре после прохождения поршнем ВМТ. Таким образом, с увеличением частоты вращения коленчатого вала угол опережения зажигания следует корректировать в сторону установки «раннего зажигания ».
Кроме того, на протекание процесса сгорания влияет наполнение цилиндра зарядом смеси. При незначительном наполнении цилиндра фронт пламени распространяется медленнее. Поэтому в этом случае угол опережения зажигания следует также увеличивать.
Влияние угла опережения зажигания Угол опережения зажигания существенным образом влияет на эксплуатацию двигателя. Он определяет:
- •создаваемый двигателем крутящий момент;
- •токсичность О Г;
- •расход топлива.
Угол опережения зажигания выбирается таким, чтобы эксплуатационные характеристики были, по возможности, опимизированы. Кроме того, при работе зигателя не должно появляться длительное детонационное сгорание.
Основная регулировка опережения зажигания системах зажигания с электронным управлением применяется диаграмма изменения угла опережения зажигания в зависимости от частоты вращения коленчатого вала и наполнения цилиндров зарядом рабочей смеси (рис. 1). Эта диаграмма ранится в памяти системы управления двигателем и обеспечивает основную регулировку угла опережения зажигания.
Определенное количество показатели, обычно равное 16, образуют опорные очки диаграммы. Для каждой пары покадтелей в памяти блока управления хранится соответствующее значение угла переженил зажигания. Следовательно, паграмма содержит 256 устанавливаемых показателей для угла опережения зажигания. Путем линейной интерполяции между двумя опорными точками диараммы число показателей для угла опережения зажигания увеличивается до 4096. Электронное регулирование угла опеежеиия зажигания посредством этой иаграммы делает возможным определено оптимального угла опережения задания для каждого рабочего состояли двигателя. Эти диаграммы рассчитаются на основе информации, Полуниной при испытаниях двигателя на димометрическом сгенде.
дополнительные корректировки опережения зажигания смесь хуже воспламеняется, сдовательно, при работе на такой смеси образуется большее время для достижения фазы процесса сгорания, соотственно, смесь должна воспламеняться. Поэтому установка угла опережения зажигания должна производить; зависимости от состава смеси, т.е. изменения коэффициента избытка воздуха.
Также на выбор угла опережения зажигания влияет температура охлаждающей жидкости системы охлаждения
двигателя. Поэтому необходимо производить также установку угла опережения зажигания в зависимости от этой температуры. Информация об этих установках угла опережения зажигания внесена в память блока управления. Дополнительные регулировки сдвигают
основной угол опережения зажигания на определенную величину в направлении как «раннего», так и «позднего» зажигания.
Специальные значения угла опережения зажигания Определенные режимы работы, например холостой ход или отключение подачи топлива при движении накатом, требуют установки углов опережения зажигания, отличающихся от зафиксированных на диаграмме. Для этого в памяти блока управления хранятся специальные кривые изменения угла опережения зажигания.
Регулирование угла опережения зажигания в зависимости от детонации при сгорании
Детонация — явление, возникающее при установке слишком раннего угла опережения зажигания. При этом после момента начала обычного процесса сгорания происходит самовоспламенение еще не охваченной фронтом пламени остаточной смеси (несгоревшей рабочейсмеси) из-за высокого давления в камере сгорания. Следующее за этим воспламенение несгоревшей рабочей смеси протекает мгновенно, приводя к быстрому нарастанию давления. Вызываемая этим процессом ударная волна распространяется в цилиндре, воздействует на стенкии становится слышна по меньшей мере при низкой частоте вращения коленчатого вала и низком уровне общего шума двигателя. На высоких частотах вращения шумы, производимые двигателем, перекрывают звуки детонационного сгорания.
Ударные волны и повышенные термические нагрузки при длительном детонационном сгорании могут стать причиной механических повреждений деталей двигателя. Для предотвращения подобных явлений у современных двигателей (со впрыском во впускной трубопровод
и с непосредственным впрыском), работающих с сильно сжимаемой смесью, установка угла опережения зажигания в зависимости от детонации при сгорании входит в стандартные функции системы управления двигателем. При появлении детонационного сгорания, сигнал о котором поступает с датчиков детонации,блок управления устанавливает угол опережения зажигания в направлении «позднего» зажигания для того цилиндра, в котором датчик распознал детонационное сгорание. Для достижения максимального КПД двигателя основная регулировка угла опережения зажигания (калибровочная характеристика) должна выполняться строго на границе детонационного сгорания.
У двигателей с непосредственным впрыском детонационное сгорание возникает только при работе на гомогенных смесях. При послойном распределении смеси в крайних зонах камеры сгорания, за пределами послойного заряда, не находится никакой горючей смеси, поэтому
двигатель в этих условиях к детонационному сгоранию не склонен.
Угол замкнутого состояния контактов
Энергия, аккумулированная в катушке зажигания, зависит от продолжительности протекания через нее электрического тока. Следует точно соблюдать время, требуемое для создания необходимой энергии зажигания в катушке, для того чтобы не подвергать ее термическим перегрузкам. Поэтому угол замкнутого состояния контактов, связанный с углом поворота коленчатого вала, зависит от частоты его вращения.
При расчете угла замкнутого состояния контактов необходимо также учитывать п напряжение аккумуляторной батареи, влияющее на величину электрического тока в катушке зажигания.
Продолжительность замкнутого состояния контактов учитывается на диаграмме, на осях х и у которой нанесенын напряжение аккумуляторной батареи и частота вращения коленчатого вала.
- < Назад
- Вперёд >
www.boschdiagnost.ru
Управление работой двигателя с искровым зажиганием
Подробности Просмотров: 7594Управление работой двигателя с искровым зажиганием
Определяющую роль в современном автомобиле играют электронные системы управления и регулирования. Постепенно шаг за шагом они вытеснили механические системы (например датчик-распределитель зажигания). Лишь электроника делает возможным соблюдение все болеестрогих предписаний законодательства по выбросам вредных веществ с ОГ.
Технические требования
Одной из целей при разработке ДВС является обеспечение как можно более низких показателей расхода топлива и токсичности ОГ при одновременном получении более высокой мощности двигателя.
Сокращение расхода топлива возможно лишь за счет повышения общего КПД двигателя. В частности» на холостом ходу и при частичной нагрузке двигатель с искровым зажиганием и впрыском во впускной трубопровод работает с низким КПД. Учитывая, что холостой ход и частичная нагрузка используются при эксплуатации двигателя чаще всего, необходимо повышать КПД именно на этих режимах, не допуская при этом снижения достаточно высокого КПД в верхнем диапазоне нагрузок. Это требование можно выполнить благодаря применению непосредственного впрыска
Еще одно предъявляемое к двигателю требование состоит в том, чтобы он вырабатывал высокий крутящий момент уже при низких оборотах коленчатого вала, для того чтобы автомобиль мог быстро разгоняться. Тем самым, крутящий момент является наиболее важной характеристикой при управлении работой двигателя с искровым зажиганием
Крутящий момент двигателя
Создаваемая двигателем мощность Р определяется крутящим моментом М на коленчатом валу и частотой вращения коленчатого вала п. Крутящий момент на коленчатом валу, передаваемый сцеплению, равняется крутящему моменту создаваемому в процессе сгорания топлива, за вычетом механических потерь на трение, насосных потерь при газообмене и потерь на привод вспомогательного оборудования (рис. 1).
Момент, создаваемый в процессе сгорания рабочей смеси, определяется: массой воздуха, поступающего в цилиндры для обеспечения процесса сгорания на момент закрытие впускных клапанов;
- •массой топлива, поступающегов цилиндры на момент закрытиявпускных клапанов;
- •моментом зажигания.
В перспективе доля двигателей с непосредственным впрыском будет увеличиваться. Эти двигатели работают на режимах с избытком воздуха в смеси (эксплуатация на обедненной смеси), когда в цилиндрах находится часть воздуха, никак не влияющая на крутящий момент.В этом случае гораздо большее влияние на крутящий момент имеет количество впрыскиваемого топлива.
Функции системы управления работой двигателя
Одной из функций управления работой двигателя является регулирование вырабатываемого двигателем крутящего момента. Для этого в различных подсистемах (управление наполнением, образованием рабочей смеси, зажигание) производится управление всеми влияющими на крутящий момент параметрами. Цель такого управления состоит в том, чтобы обеспечить получение крутящего момента, необходимого водителю, и одновременно выполнять требования по токсичности ОГ, расходу топлива, повышению мощности, комфорту и безопасности. Эти задачи можно решить только путем применения электронных систем.
В процессе выполнения этих задач система управления работой двигателя в условиях длительной эксплуатации постоянно производит диагностику и информирует водителя о выявленных неполадках. Кроме того, подобная диагностика упрощает техническое обслуживание автомобиля.
В обычных системах впрыска, не оснащенных системой управления работой двигателя, водитель непосредственно управляет открытием дроссельной заслонки путем нажатия на педаль газа. Тем самым устанавливает количество всасываемого в цилиндры воздуха. В системе управления работой двигателя, имеющей электронно-управляемую педаль газа (EGAS), состав рабочей смеси, поступающей в цилиндры, регулируется дроссельной заслонкой, положение которой изменяется согласно управляющим сигналам, подаваемым рассматриваемой подсистемой. Для этого предусмотрен датчик положения педали «газа», сигнал от которого поступает в подсистему «управление наполнением цилиндров» для определения такого наполнения цилиндров, которое необходимо для выработки требуемого крутящего момента, и открывает приводимую электрически дроссельную заслонку на соответствующую величину.
Подсистема «образование рабочей смеси»
Данная подсистема рассчитывает на режиме гомогенного распределения смеси при определенном коэффициенте избытка воздуха X массу топлива, соответствующую необходимому наполнению цилиндров воздухом, и но этим данным определяет требуемые продолжительность и момент впрыска. При непосредственном впрыске в условиях работы на обедненной смеси, к которым в основном относится режим послойного распределения смеси, действуют иные правила. В данном случае не всасываемая масса воздуха, а требуемая водителем величина крутящего момента определяет количество впрыскиваемого топлива.
Подсистема «зажигание»Эта подсистема определяет угол поворота коленчатого вала, при котором должно происходить воспламенение рабочей смеси.
Управление наполнением цилиндров
Задачей управления подачей горючей смеси в цилиндры является координация работы систем, влияющих на состав смеси в цилиндре.
Состав заряда рабочей смеси
Газовая смесь, находящаяся в цилиндре при закрытии впускных клапанов, называется зарядом цилиндра. Он состоит из поступившей свежей рабочей смеси и остаточных О Г.
Для того чтобы определять величину, не зависящую от рабочего объема двигателя, было введено понятие «относительный заряд». Он устанавливается как отношение фактического заряда к заряду в стандартных условиях (р0 = 1013 rl la, Г„ = 273 К).
Свежая рабочая смесьКомпонентами поступающей в цилиндр свежей смеси являются свежий воздух и находящееся в нем топливо (рис. 1). При впрыске во впускной трубопровод все топливо полностью перемешивается со свежим воздухом еще перед впускным клапаном. В системах с непосредственным впрыском топливо впрыскивается непосредственно в камеру сгорания. Основная часть свежего воздуха поступает в цилиндр с потоком воздуха 6, 7 через дроссельную заслонку 13 и впускной клапан 11. Дополнительный воздух может проходить через систему улавливания паров топлива.
При гомогенном распределении смеси (А, < 1) поступающий через дроссельную заслонку и находящийся в цилиндре после закрытия впускных клапанов 11 воздух является главным фактором производимой во время сгорания работы поршня и, тем самым, вырабатываемого двигателем крутящего момента. В этом случае крутящий момент и нагрузка двигателя зависят от заряда. На режиме работы с обедненной смесью (послойное распределение смесп), напротив, крутящий момент (нагрузка двигателя) напрямую зависит от массы впрыски ваемого топ л и ва.
На режиме эксплуатации с обедненной смесью масса воздуха может различаться даже при одинаковом крутящем моменте. Меры по повышению максимальных крутящего момента и мощности двигателя почти всегда обуславливают увеличение заряда до максимально возможного значения. Теоретически максимальная величина заряда определяется рабочим объемом двигателя.
Остаточные О Г
Количество остаточных ОГ — это та доля заряда в цилиндре, которая уже участвовала в процессе сгорания. При этом существует принципиальное различие между внутренними и внешними остаточными ОГ. Внутренние остаточные ОГ —это газы, оставшиеся после сгорания в цилиндре или поступившие обратно в цилиндр из выпускного коллектора при одновременно открытых впускном.
и выпускном клапанах (т. е. во время перекрытия клапанов). Внешние остаточные ОГ образуют газы, направляемые из выпускного коллектора во впускной трубопровод через открытый клапан системы рециркуляции ОГ.
В то время как доля внутренних остаточных ОГ регулируется, главным образом, изменением фаз газораспределение при газообмене (выпускной клапан закрывается, впускной открывается), доле
Непосредственный впрыск
Для двигателей с непосредственным впрыском при работе на режиме гомогенного распределения смеси (X < 1), т. е. не в условиях с обедненной смесью, действуют те же пропорции, что и при впрыске во впускной трубопровод.
Дроссельная заслонка для снижения потерь при дросселировании остается широко открытой и при частичной нагрузке. В идеальном случае при полностью открытой дроссельной заслонке — как на режиме полной нагрузки — не возникает вообще никаких потерь при дросселировании. Для уменьшения крутящего момента на режиме частичной нагрузки требуется ограничить участие в процессе сгорания поступающего в цилиндры воздуха. При эксплуатации на режимах с избытком воздуха (Х>1) часть поступившего воздуха остается в цилиндре в виде остаточных ОГ или выводится из цилиндра во время такта выпуска. Поэтому при работе на обедненных смесях величина крутящего момента определяется не наполнением цилиндра воздухом, а поступившим в него количеством топлива.
Газообмен
Замена отработавшего заряда (ОГ) свежим происходит посредством согласованного во времени открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов. Кулачки распределительного вала определяют моменты открытия и закрытия клапанов (фазы газораспределения), а также характеристику подъема клапанов. Благодаря этому производится воздействие на процесс газообмена, и, тем самым, на количество свежей смеси, поступающей для сгорания.
Перекрытие клапанов, т. е. перекрытие фаз открытия впускных и выпускных клапанов, имеет решающее влияние на остающуюся в цилиндре массу остаточных ОГ. Тем самым определяется и доля инертных газов в свежем заряде цилиндра для следующего рабочего хода. В этом случае говорят о внутренней рециркуляции ОГ.
Доля инертных газов в заряде может быть увеличена за счет внешней рециркуляции ОГ. Клапан в системе рециркуляции ОГ соединяет впускной трубопровод и выпускной коллектор. Управляя этим клапаном, следовательно, можно регулировать долю инертных газов в заряде в зависимости от режима работы двигателя.
Коэффициент наполнения цилиндра
Коэффициент наполнения цилиндра определяется отношением полного объема заряда, поступившего в цилиндр за весь рабочий цикл, к теоретическому заряду, определяемому ходом поршня. При определении коэффициента н а п ол н е н и я цилиндра рассматривается только объем ОГ, действительно оставшихся в цилиндре. Подаваемая в цилиндр свежая смесь, которая во время перекрытия клапанов не участвует в процессе сгорания, в данном случае не учитывается.
Для безнаддувных ДВС коэффициент наполнения цилиндра составляет 0,6 — 0,9. Он зависит от конструкции впускного трубопровода, формы камеры сгорания, поперечного сечения отверстий для впускного и выпускного клапанов и фаз газораспредслен и я. Наддув
Крутящий момент, который может быть получен при работе на гомогенной смеси (^<1), пропорционален массе свежего заряда, поступившего в цилиндры. Поэтому максимальный крутящий момент можно увеличить за счет предварительного сжатия воздуха перед поступлением в цилиндры (наддув). Благодаря наддувукоэффициент наполнения цилиндра можно увеличить до величин, больших 1.
Динамический наддувНаддув можно получить, используя динамические эффекты во впускном трубопроводе. Коэффициент наддува зависит от конструкции впускного трубопровода и характеристик работы двигателя (в основном, от частоты вращения коленчатого вала и наполнения цилиндров). При использовании регулируемой геометрии впускного трубопровода динамический наддув может обеспечивать увеличение максимального заряда в широком эксплуатационном диапазоне.
Механический наддувЕще большее повышение плотности воздуха на впуске достигается при помощи нагнетателей с механическим приводом oт коленчатого вала двигателя. Сжатый воздух нагнетается в цилиндры через впускной трубопровод.
Турбопаддув с использованием энергии ОГ
В отличие от механического наддувг привод турбонагнетателя осуществляется за счет отработавших газов (энерия которых в безнаддувных двигателях остается невостребованной), а не от коленчатого вала.
Приготовление рабочей смеси
В системе «приготовление рабочей смеси» производится расчет необходимой массы топлива, соответствующей массе всасываемого воздуха. Дозирование топлива производится форсунками.
Топливовоздушная смесь
Для эффективной работы двигателя с искровым зажиганием требуется использование рабочей смеси с определенным соотношением воздуха и топлива. Идеальное теоретически полное сгорание смеси происходит при пропорции воздуха и топлива, равной 14,7 : 1. Такое соотношение называется стехиометрическим. Это означает, что, например, для сгорания 1 кг топлива требуется 14,7 кг воздуха или, если это выразить в объемшах единицах, топливо объемом 1 л полностью сгорает в присутствии 9500 л воздуха.
Коэффициент избытка воздухаДля обозначения степени отличия действительной топливовоздушной смеси от теоретически необходимой (стехиометрической) используется коэффициент избытка воздуха X (в отечественной практике обозначается буквой а — прим. ред.).
При X = 1 масса подаваемого в цилиндры воздуха равна теоретически необходимой.При X < 1 имеется дефицит воздуха, т.е. смесь является обогащенной. Обогащение смеси топливом необходимо при пуске холодного двигателя — для компенсации того количества топлива, которое конденсируется на холодных стенках пускного трубопровода (при впрыске во ; пуск ной трубопровод) и цилиндра, значит не участвует в сгорании.
При X > 1 имеется избыток воздуха, е. смесь является обедненной. Максимально достижимое значение X, соответствующее границе устойчивой рабо: двигателя на обедненных смесях, в большой степени зависит от конструкции двигателя и применяемой системы
смесеобразования. За этой границей бвозникают перебои в сгорании, сопрово-ждаемые неравномерной работой двига-теля, возрастает расход топлива и падаетмощность.
У двигателей с непосредственным впрыском, характеризуемых другими условиями сгорания, степень предельно допустимого обеднения смеси значительно ниже. Эти двигатели на режиме неполной нагрузки могут работать при гораздо больших коэффициентах избытка воздуха.
Условия работы на разных смесяхГомогенная смесь (X < 1): в двигателях с впрыском во впускной трубопровод топливовоздушная смесь всасывается в цилиндры во время такта впуска через открытый впускной клапан. Результатом этого является практически гомогенное распределение смеси в камере сгорания.
Это возможно и на двигателях с непосредственным впрыском, когда топливо впрыскивается в камеру сгорания во время такта впуска.
Гомогенно-обедненная смесь (X > 1): рабочая смесь с определенным избытком воздуха распределяется в камере сгорания однородно (гомогенно).
Послойный заряд: этот и описанные ниже режимы возможны только на двигателях с непосредственным впрыском. Топливо впрыскивается лишь незадолго до момента зажигания. Оно располагается в виде ограниченного объема смеси вблизи свечи зажигания.
Гомогенно-послойная смесь: дополнительно к послойному заряду на всем пространстве камеры сгорания находится гомогенно-распределенная обедненная смесь. Это распределение смеси достигается посредством двойного впрыска.
Гомогенно-антидетонационная смесь:и в этом случае благодаря двойному впрыску достигается такое распределение смеси, которое практически предотвращает детонационное сгорание.
Послойный заряд с разогревом каталитического нейтрализатора: задержка впрыскивания топлива ведет к быстрому разогреву нейтрализатора.
Удельный расход топлива, мощность и токсичность ОГ
Впрыскивание топлива во впускной трубопровод
Двигатели с впрыском во впускной трубопровод развивают максимальную мощность при 5-15 % дефицита воздуха в смеси (X = 0,95-0,85) и обеспечивают минимальный расход топлива при 10-20% избытка воздуха (X = 1,1-1,2). На рис. 1 и 2 показаны зависимости мощности и удельного расхода топлива, а также токсичности ОГ от коэффициента избытка воздуха. Из этих графиков можно сделать вывод о том, что не существует идеального коэффициента избытка воздуха, при котором все указанные факторы были бы наилучшими. Оптимальный расход топлива при оптимальной мощности достигается при X = 0,9-1,1. Для каталитической очистки ОГ при помощи трехкомпонентного каталитического нейтрализатора обязательным
условием является поддержание X = 1 при условии, что двигатель имеет рабочую температуру. Для поддержания X необходимо точно определять поступающую в цилиндры массу воздуха и количество впрыскиваемого топлива. Наряду с точным дозированием впрыскиваемого топлива для оптимизации протекания процесса сгорания необходимо получение гомогенной смеси, что обеспечивает хорошее распыление топлива. Если это требование не выполняется, то на стенках впускного трубопровода или камеры сгорания конденсируются капли топлива. полностыо они не сгорают, следствием чего является повышение эмиссии углеводородов с ОГ.
Непосредственное вирыскивание топливаПри непосредственном впрыскивании топлива и в условиях гомогенной смеси при X < 1 действуют те же пропорции соотношения топлива и воздуха, что и при впрыскивании топлива во впускной трубопровод. При послойном распределении смеси, напротив, рабочая смесь имеетпрактически стехиометрическую пропорцию только в облаке заряда вблизи свечи зажигания. За пределами этой области цилиндр наполнен воздухом и инертными газами. С учетом всего объема камеры сгорания соотношение воздуха и топлива в смеси оказывается большим {X > 1).
Режим холостого хода и работы в условиях частичной нагрузкиПосле достижения рабочей температуры двигатели с впрыском во впускной трубопровод эксплуатируются на режимах холостого хода и частичной нагрузки исключительно со стехиометрической смесью. Напротив, двигатель с непосредственным впрыском должен как можночаще работать в условиях послойного распределения смеси. На режимах холостого хода и частичной нагрузки это возможно, благодаря чему обеспечивается наименьший расход топлива — при эксплуатации с обедненной смесыо на этих рабочих режимах можно сэкономить до 40 % топлива.
Работа при полной нагрузкеНа этом режиме соотношения воздуха и топлива в смеси как при впрыске во впускной трубопровод, так и при непосредственном впрыске различаются незначительно. При полностью открытой дроссельной заслонке может потребоваться обогащение смеси. Благодаря этому, как показано на рис. 1, можно добиться максимальных значений крутящего момента или мощности.
Режим разгона и торможенияСклонность топлива к испаряемости при впрыске во впускной трубопровод сильно зависит от давления в трубопроводе. Из-за этого вблизи впускных клапанов на стенках трубопровода происходит образование пленки топлива. Скачки давления во впускном трубопроводе, например при быстрых изменениях открытия дроссельной заслонки, приводят к тому, что толщина этой пленки увеличивается. При резкомразгоне давление во впускном трубопроводе повышается, склонность топлива к испаряемости, соответственно, растет, и пленка топлива на стенках становится толще. Итак, поскольку часть впрыскивае- мого топлива конденсируется на стенках в виде пленки, смесь на короткое время обедняется, до тех пор пока толщина этой пленки не стабилизируется. Аналогично, резкое замедление приводит к обогащению смеси, поскольку из-за понижения
давления во впускном трубопроводе интенсивность образования пленки топлива на стенках уменьшается. Для достижения Iшилучших динамических характеристик и обеспечения необходимого для оптимальной работы каталитического нейтрализатора постоянного соотношения воздуха и топлива в смеси применяется корректировка смеси в зависимости от температуры (переходная компенсация).
Такая пленка топлива также может образовываться на стенках цилиндров. Но на прогретом двигателе конденсация здесь весьма незначительна.
Движение накатом
При движении накатом подача топлива отсекается (система отключения подачи топлива при движении накатом). Благодаря этому экономится топливо, а также осуществляется защита каталитического нейтрализатора от перегрева, вызванного неполным сгоранием.
Зажигание
Задачей системы зажигания является воспламенение сжатой рабочей смеси в точно установлюшый момент.
Система зажигания
В двигателях Отто воспламенение рабочей смеси производится электрической искрой, проскакивающей между электродами свечи зажигания. На таких ДВС используются, главным образом, индуктивные системы зажигания, которые аккумулируют необходимую для зажигания энергию в катушке зажигания. Требуемая величина энергии определяет период времени, в течение которого должна заряжаться находящаяся под током катушка зажигания (угол замкнутого состояния контактов). Прерывание тока от катушки при определенном значении угла поворота коленчатого вала (угол опережения зажигания) приводит к возникновению искры и, тем самым, к воспламенению рабочей смеси.
В современных системах зажигания управление всеми процессами производится при помощи электроники.
Момент зажигания
Установка угла опережения зажигания После момента зажигания проходит примерно 2 мс, прежде чем рабочая смесь полностью сгорит. Следовательно, момент зажигания должен быть выбран так, чтобы основной процесс сгорания и вместе с ним пик давления в цилиндре происходили вскоре после прохождения поршнем ВМТ. Таким образом, с увеличением частоты вращения коленчатого вала угол опережения зажигания следует корректировать в сторону установки «раннего зажигания ».
Кроме того, на протекание процесса сгорания влияет наполнение цилиндра зарядом смеси. При незначительном наполнении цилиндра фронт пламени распространяется медленнее. Поэтому в этом случае угол опережения зажигания следует также увеличивать.
Влияние угла опережения зажигания Угол опережения зажигания существенным образом влияет на эксплуатацию двигателя. Он определяет:
- •создаваемый двигателем крутящий момент;
- •токсичность О Г;
- •расход топлива.
Угол опережения зажигания выбирается таким, чтобы эксплуатационные характеристики были, по возможности, опимизированы. Кроме того, при работе зигателя не должно появляться длительное детонационное сгорание.
Основная регулировка опережения зажигания системах зажигания с электронным управлением применяется диаграмма изменения угла опережения зажигания в зависимости от частоты вращения коленчатого вала и наполнения цилиндров зарядом рабочей смеси (рис. 1). Эта диаграмма ранится в памяти системы управления двигателем и обеспечивает основную регулировку угла опережения зажигания.
Определенное количество показатели, обычно равное 16, образуют опорные очки диаграммы. Для каждой пары покадтелей в памяти блока управления хранится соответствующее значение угла переженил зажигания. Следовательно, паграмма содержит 256 устанавливаемых показателей для угла опережения зажигания. Путем линейной интерполяции между двумя опорными точками диараммы число показателей для угла опережения зажигания увеличивается до 4096. Электронное регулирование угла опеежеиия зажигания посредством этой иаграммы делает возможным определено оптимального угла опережения задания для каждого рабочего состояли двигателя. Эти диаграммы рассчитаются на основе информации, Полуниной при испытаниях двигателя на димометрическом сгенде.
дополнительные корректировки опережения зажигания смесь хуже воспламеняется, сдовательно, при работе на такой смеси образуется большее время для достижения фазы процесса сгорания, соотственно, смесь должна воспламеняться. Поэтому установка угла опережения зажигания должна производить; зависимости от состава смеси, т.е. изменения коэффициента избытка воздуха.
Также на выбор угла опережения зажигания влияет температура охлаждающей жидкости системы охлаждения
двигателя. Поэтому необходимо производить также установку угла опережения зажигания в зависимости от этой температуры. Информация об этих установках угла опережения зажигания внесена в память блока управления. Дополнительные регулировки сдвигают
основной угол опережения зажигания на определенную величину в направлении как «раннего», так и «позднего» зажигания.
Специальные значения угла опережения зажигания Определенные режимы работы, например холостой ход или отключение подачи топлива при движении накатом, требуют установки углов опережения зажигания, отличающихся от зафиксированных на диаграмме. Для этого в памяти блока управления хранятся специальные кривые изменения угла опережения зажигания.
Регулирование угла опережения зажигания в зависимости от детонации при сгорании
Детонация — явление, возникающее при установке слишком раннего угла опережения зажигания. При этом после момента начала обычного процесса сгорания происходит самовоспламенение еще не охваченной фронтом пламени остаточной смеси (несгоревшей рабочейсмеси) из-за высокого давления в камере сгорания. Следующее за этим воспламенение несгоревшей рабочей смеси протекает мгновенно, приводя к быстрому нарастанию давления. Вызываемая этим процессом ударная волна распространяется в цилиндре, воздействует на стенкии становится слышна по меньшей мере при низкой частоте вращения коленчатого вала и низком уровне общего шума двигателя. На высоких частотах вращения шумы, производимые двигателем, перекрывают звуки детонационного сгорания.
Ударные волны и повышенные термические нагрузки при длительном детонационном сгорании могут стать причиной механических повреждений деталей двигателя. Для предотвращения подобных явлений у современных двигателей (со впрыском во впускной трубопровод
и с непосредственным впрыском), работающих с сильно сжимаемой смесью, установка угла опережения зажигания в зависимости от детонации при сгорании входит в стандартные функции системы управления двигателем. При появлении детонационного сгорания, сигнал о котором поступает с датчиков детонации,блок управления устанавливает угол опережения зажигания в направлении «позднего» зажигания для того цилиндра, в котором датчик распознал детонационное сгорание. Для достижения максимального КПД двигателя основная регулировка угла опережения зажигания (калибровочная характеристика) должна выполняться строго на границе детонационного сгорания.
У двигателей с непосредственным впрыском детонационное сгорание возникает только при работе на гомогенных смесях. При послойном распределении смеси в крайних зонах камеры сгорания, за пределами послойного заряда, не находится никакой горючей смеси, поэтому
двигатель в этих условиях к детонационному сгоранию не склонен.
Угол замкнутого состояния контактов
Энергия, аккумулированная в катушке зажигания, зависит от продолжительности протекания через нее электрического тока. Следует точно соблюдать время, требуемое для создания необходимой энергии зажигания в катушке, для того чтобы не подвергать ее термическим перегрузкам. Поэтому угол замкнутого состояния контактов, связанный с углом поворота коленчатого вала, зависит от частоты его вращения.
При расчете угла замкнутого состояния контактов необходимо также учитывать п напряжение аккумуляторной батареи, влияющее на величину электрического тока в катушке зажигания.
Продолжительность замкнутого состояния контактов учитывается на диаграмме, на осях х и у которой нанесенын напряжение аккумуляторной батареи и частота вращения коленчатого вала.
- < Назад
- Вперёд >
www.boschdiagnost.ru
ПРОЦЕСС СГОРАНИЯ В ДВИГАТЕЛЯХ С ИСКРОВЫМ ЗАЖИГАНИЕМ
1. Общие сведения
В процессе сгорания химическая энергия топлива превращается в тепловую. Это превращение осуществляется в течение некоторого промежутка времени, когда поршень находится вблизи в. м. т.
Эффективность протекания процесса сгорания зависит от большого количества факторов и прежде всего от способа смесеобразования и воспламенения топлива. Поэтому в отличие от процессов газообмена и сжатия процесс сгорания необходимо рассматривать отдельно для двигателей с искровым зажиганием и дизелей.
Процесс горения топлива, его развитие и полное завершение в короткий срок представляют собой ряд сложных последовательных реакций.
Если температура рабочей смеси в начальный момент реакции сгорания низкая, то реакции кислорода с топливом практически не происходит. При высоких температурах скорость этой реакции возрастает и процесс сгорания происходит очень быстро 1.
Опыты показали, что скорость реакции зависит от состава горючей смеси, т. е. от коэффициента избытка воздуха, а воспламенение однородной горючей смеси возможно в определенных пределах изменения коэффициента избытка воздуха. За пределами этих значений коэффициента избытка воздуха воспламенить однородную смесь невозможно.
Наименьший коэффициент избытка воздуха ccmin, при котором можно воспламенить смесь, называют верхним концентрационным пределом распространения пламени. Наибольший коэффициент избытка воздуха amax, при котором еще можно воспламенить смесь, называют нижним концентрационным пределом распространения пламени.
Показано изменение скорости распространения пламени ин при сгорании смеси некоторых топлив с воздухом в зависимости от коэффициента избытка воздуха. В применяемых для двигателей углеводородных топливах наибольшие скорости имеют смеси при а = 0,85 -=- 0,9. Дальнейшее обогащение или обеднение смеси приводит к плавному снижению скорости распространения пламени до такого значения, при котором смесь не воспламеняется. При повышении температуры в момент воспламенения топлива ин увеличивается (пропорционально квадрату температуры), при повышении давления — несколько снижается.
В двигателях с внешним смесеобразованием и искровым зажиганием горючая смесь, состоящая из горючего газа или паров жидкого топлива и воздуха, практически однородна и ее воспламенить за пределами воспламеняемости невозможно.
При наличии в смеси остаточных газов пределы воспламеняемости сужаются. Поэтому в карбюраторных двигателях при изменении нагрузки необходимо одновременно изменять количество поступающего в цилиндр топлива и воздуха так, чтобы при всех нагрузках горючая смесь находилась в пределах воспламеняемости. Количество поступающей в цилиндр горючей смеси в карбюраторном двигателе регулируется изменением положения дроссельной заслонки при одновременном изменении в узких пределах (а = 0,85 н — 1,15) состава горючей смеси в зависимости от нагрузки. Такое количественное регулирование состава смеси, когда при прикрытой дроссельной заслонке приходится использовать богатую смесь,снижает экономичность двигателя.
На рис. 53 в координатах р — Vпоказан участок индикаторной диаграммы процесса сгорания (штриховой линией отмечен процесс подвода теплоты в теоретическом цикле).
В действительном цикле, где сгорание происходит за некоторыйпромежутоквремени(около0,001сек),поршень успевает несколько переместиться от в. м. т. За период сгорания коленчатый вал поворачивается на 15—25°.
На рис. 53 внизу нанесены углы поворота коленчатого вала, соответствующие перемещению поршня. Как видно из диаграммы, за период сгорания (примерно 20° угла поворота коленчатого вала) поршень проходит небольшой путь SZi, при котором отклонение линии, характеризующей процесс сгорания, от линии V= constневелико. Поэтому трудно провести анализ протекания процесса сгорания в системе координат р — V. Удобнее рассматривать этот процесс в системе координат, где по оси ординат отложено давление р, а по оси абсцисс — угол поворота коленчатого вала ф. При испытаниях быстроходных двигателей такая диаграмма записывается индикатором.
Показана индикаторная диаграмма процессов сгорания и расширения четырехтактного карбюраторного двигателя с характерными точками цикла. Штриховыми линиями изображены процесс расширения, соответствующий случаю, когда электрическая искра в камеру сгорания не подавалась и топливо не воспламенялось, процесс подвода теплоты на участке cz (V= const) и начало расширения на участке zzxдиаграммы в теоретическом цикле.
Для быстрого сгорания рабочей смеси вблизи в. м. т., при котором достигается наилучшее использование теплоты, необходимо в камеру сгорания подать электрическую искру в тот момент, когда коленчатый вал на несколько градусов не доходит до в. м. т. Угол поворота коленчатого вала, соответствующий проскакиванию искры до в. м. т., называют углом опережения зажигания и обозначают через фа. В зоне проскакивания искры она оказывает тепловое и электрическое воздействие на рабочую смесь. Если рабочая смесь находится в пределах воспламеняемости, возникает очаг воспламенения.
Опыты показали, что видимое пламя появляется не мгновенно в момент проскакивания искры, так как для его образования и химической подготовки смеси к сгоранию требуется некоторый промежуток времени, равный тысячным долям секунды. При проведенииэкспериментов,уголопережениябылвыбраннаивыгоднейший (20° до в. м. т.), который обеспечивает при данном скоростном режиме оптимальные показатели двигателя.
Несмотря на то, что электрическая искра иодавалась в камеру сгорания в точке 1, повышение давления от точки 1 до точки 2 происходит так, как если бы искра не проскакивала. При фотографировании камеры в этот период времени не обнаружено видимого процесса сгорания. В точке 2, соответствующей углу поворота коленчатого вала 8° до в. м. т. заметно начало резкого повышения давления. С этого момента в связи с расширением фронта пламени количество выделившейся теплоты резко увеличивается, что приводит к заметному повышению давления и температуры. Наибольшее давление было достигнуто при ф = 11° после в. м. т.
Анализ процесса сгорания по индикаторной диаграмме (рис. 54, в) показывает, что максимальная температура цикла достигается не при наибольшем давлении, а несколько позже. Это объясняется тем, что интенсивный процесс сгорания продолжается еще после того, как давление достигнет максимального значения. Однако вследствие движения поршня с возрастающей скоростью и происходящего при этом расширения газов давление начинает уменьшаться, чему способствует также увеличивающаяся отдача теплоты от газов к стенкам.
Наблюдение за развитием процесса сгорания в двигателе с искровым зажиганием можно вести несколькими способами. Наиболее наглядным из них является фотографирование процесса через специально вмонтированные в головку цилиндров кварцевые окна, способные выдержать высокие давления и температуру.
При фотографировании различных периодов процесса сгорания в камере сгорания обнаружено наличие светящегося контура, отделяющего сгоревшую смесь от несгоревшей. Этот контур, называемый фронтом пламени, представляет собой тонкий слой смеси, в котором развиваются реакции сгорания.
Развитие процесса сгорания на основании обработки результатов фотографирования камеры сгорания через весьма короткие промежутки времени, соответствующие повороту коленчатого вала примерно на 2°, показано на рис. 54, б.
Волнообразными линиями изображен фронт распространения пламени при соответствующем угле поворота коленчатого вала дляслучая,когдаотсутствует направленное движениезаряда.
Окончание процесса видимого сгорания было зафиксировано при повороте коленчатого вала на 14—16° после в. м. т.
На рис. 54, б показано среднее значение скорости распространения пламени ин в зоне, где происходит наиболее интенсивное развитие процесса сгорания (средняя зона камеры сгорания). К концу процесса, развивающегося в пристеночных слоях и в зонах, где нет интенсивного движения заряда, скорость существенно снижается.
При наличии направленного движения заряда развитие процесса значительно ускоряется. В современных быстроходных автомобильных двигателях скорость распространения пламени в средней зоне камеры достигает 60 м/сек.
Процесс сгорания можно разделить на три фазы (рис. 54, а):
Первая фаза — от момента проскакивания электрической искры до начала резкого повышения давления по индикаторной диаграмме характеризуется углом 6jи называется начальной фазой сгорания. Она включает период, в течение которого возникает небольшой очаг горения в зоне высоких температур между электродами свечи (в момент разряда температура достигает примерно 10 000° К), и период появления видимого начального очага воспламенения. За время, соответствующее первой фазе, сгорает 6—8% горючей смеси.
Вторая — основная фаза сгорания характеризуется углом 6ц от момента начала резкого повышения давления до момента достижения максимального давления Рг]тах (от точки 2 до точки 3). В течение этого периода пламя распространяется в большей части объема рабочей смеси и выделяется наибольшее количество теплоты. За время второй фазы сгорает около 80% горючей смеси.
Вторую фазу сгорания при наличии индикаторной диаграммы оценивают по скорости нарастания давления на каждый градус угла поворота коленчатого вала. Среднее значение этой величины, называемой жесткостью процесса,определяется отношением.
При необходимости оценить величину наибольшего приращениядавления (-г^)учитывают толькопрямолинейныйучасток нарастания давления в процессе сгорания (от точки к до точки I).
Третья фаза, обозначаемая 6Ш, начинается в точке 3 индикаторной диаграммы и характеризует догорание топлива. Окончание этой фазы зафиксировать на индикаторной диаграмме затруднительно, поскольку не представляется возможным установить момент, когда сгорает все топливо. В двигателях с искровым зажиганием топлива продолжительность третьей фазы невелика, и процесс сгорания при правильном его осуществлении заканчивается полностью на первой половине хода поршня в процессе расширения.
Величина средней жесткости процесса в этих двигателях составляет 1—2 бар/град.
2. Факторы, влияющие на продолжительность и качество сгорания
Влияние угла опережения зажигания. Для того чтобы основная масса рабочей смеси сгорала в процессе расширения вблизи в. м. т., необходимо, учитывая продолжительность начальной фазы сгорания, подавать электрическую искру с некоторым опережением до в. м. т., соответствующим нескольким градусам поворота коленчатого вала.
На рис. 55 показаны индикаторные диаграммы карбюраторного двигателя, снятые при различных углах опережения зажигания и одинаковом положении дроссельной заслонки.
Диаграмма, изображенная на рис. 55, а, получена при установке наивыгоднейшего угла опережения зажигания. Своевременная подача искры обеспечила развитие процесса сгорания вблизи в. м. т. В этом случае была получена наибольшая мощность двигателя и наилучшая его экономичность.
При установке слишком большого угла опережения зажигания (рис. 55, б) процесс сгорания начался до прихода поршня в в. м. т., давление резко увеличилось и достигло наибольшей величины еще при движении поршня к в. м. т. Затем наблюдается снижение давления и вблизи в. м. т. получается «петля», заштрихованная площадь которой определяет непроизводительно затраченную работу. Слишком раннее зажигание приводит к уменьшению мощности и ухудшению экономичности двигателя. Установка чрезмерно большого угла опережения зажигания может вызвать ненормальное детонационное сгорание.
При очень малом угле опережения зажигания (рис. 55, в) процесс сгорания происходит во время расширения, когда поршень уже находится далеко от в. м. т. В результате позднего сгорания мощность и экономичность двигателя ухудшаются, температура отработавших газов в процессе расширения и выпуска повышается и двигатель перегревается.
Наивыгоднейший угол опережения зажигания зависит от всех перечисленных выше факторов, влияющих на процесс сгорания. Выбор его производится при испытании двигателя на тормозном испытательном стенде. Метод выбора наивыгоднейшего угла опережения приводится в § 41. Влияние состава рабочей смеси. Состав рабочей смеси, определяемый коэффициентом избытка воздуха, оказывает значительное влияние на процесс сгорания. Опыты показали, что процесс сгорания имеет наименьшую продолжительность тогда, когда рабочая смесь воспламеняется при коэффициенте избытка воздуха а == 0,8 -=—^0,9, при котором достигается наибольшая скорость распространения фронта пламени. При зтих значениях коэффициента избытка воздуха начальная фаза процесса сгорания сокращается, а основная развивается быстро и при правильном выбранном угле опережения зажигания протекает вблизи в. м. т., обеспечивая наивысшие значения давления pzи наибольшую работу цикла.
При а > 0,9 продолжительность сгорания увеличивается главным образом из-за увеличения начальной фазы.
На рис. 56, а—в, показаны осциллограммы, снятые в следующих один за другим циклах при трех значениях коэффициента избытка воздуха. При а = 0,98 и особенно при а = 1,14 развитие процесса сгорания в последовательных циклах нестабильно и в отдельных циклах наблюдается очень медленное его развитие. При дальнейшем обеднении смеси все большее количество последовательных циклов протекает при медленном развитии процесса сгорания, что приводит к неустойчивой и неэффективной работе двигателя. Обеднение смеси сверх определенного предела, зависящего от формы камеры сгорания, степени сжатия и нагрузки двигателя, приводит к невозможности воспламенения и сгорания топливо-воздушной смеси.
Возможность получения наибольшей работы цикла при коэффициенте избытка воздуха а = 0,8 н — 0,9 используется в автомобильных карбюраторных двигателях. Если по условиям движения автомобиля необходимо, чтобы двигатель развивал наибольшую мощность, дроссельную заслонку полностью открывают при одновременном включении экономайзера.
При работе двигателя на обогащенной рабочей смеси для получения наибольшей мощности не обеспечиваются условия достижения наилучшей экономичности. Ухудшение экономичности является следствием химической неполноты сгорания топлива из-за недостатка кислорода (а << 1).
Наилучшая экономичность в современных автомобильных карбюраторных двигателях достигается при коэффициенте избытка воздуха а = 1,05 -т — 1,15. В этом случае, хотя процесс сгорания протекает медленно и работа цикла уменьшается, все топливо сгорает полностью. В результате этого при указанных значениях а использование теплоты в действительном цикле будет наилучшим, а его индикаторный к. н. д. наивысшим.
В связи с изменением скорости сгорания в зависимости от состава рабочей смеси меняется наивыгоднейший угол опережения зажигания.
Влияние скорости вихревого движения рабочей смеси. Увеличение скорости вихревого движения рабочей смеси способствует ускорению развития фронта пламени и резкому уменьшению общей продолжительности сгорания вследствие сокращения его второй фазы. Опыты показали, что скорость распространения пламени в карбюраторных двигателях при вихревом движении рабочей смеси составляет 15—60 м/сек, т. е. в 8—12 раз больше, чем когда оно отсутствует.
Вихревое движение рабочей смеси в цилиндре возникает в процессе впуска свежего заряда. Для увеличения скорости вихревого движения рабочей смеси в период сгорания, когда поршень приближается к в. м. т., применяют камеры сгорания с вытеснителем. В такой камере сгорания при приближении поршня к в. м. т. в зоне, противоположной размещению свечи зажигания, образуется небольшой (около 1 мм) зазор между поршнем и головкой цилиндров, из которого заряд вытесняется в направлении к свече зажигания; при этом происходит усиление вихревого движения. При наличии вытеснителя, в котором сгорает последняя порция топлива, уменьшается возможность возникновения детонационного сгорания.
Влияние числа оборотов. При повышении числа оборотов двигателя, время, отводимое на осуществление процесса сгорания, сокращается прямо пропорционально увеличению числа оборотов. Рассмотрим зависимость от числа оборотов фаз сгорания. С повышением числа оборотов время начальной фазы сгорания 6iнесколько сокращается, но это сокращение не пропорционально росту числа оборотов, вследствие этого длительность фазы 6ь выраженная в градусах угла поворота коленчатого вала, увеличивается.
Из-за усиливающейся интенсивности движения заряда скорость распространения фронта пламени при увеличении числа оборотов растет так, что продолжительность основной фазы сгорания 6 ц поуглу поворотаколенчатоговалапрактическинеменяется.
С увеличением числа оборотов возрастает также длительность фазы сгораниявш-
Для компенсации увеличения угла поворота коленчатого вала, соответствующего фазе 6ь и получения оптимальных условий для сгорания, когда этот процесс происходит вблизи в. м. т., необходимо при повышении числа оборотов увеличивать угол опережения зажигания.
Изменение угла опережения зажигания производится автоматически действующим центробежным регулятором.
Влияние нагрузки двигателя. При снижении нагрузки двигателя дроссельную заслонку прикрывают,уменьшаяколичество свежей смеси, поступающей в цилиндр. При этом начальные и конечные значения давления и температуры понижаются. Количество остаточных газов остается при этом неизменным, а коэффициент остаточных газов увеличивается и, следовательно, свежая смесь больше загрязняется инертными газами. В результате этого ухудшаются условия воспламенения смеси, уменьшается скорость распространения пламени и увеличивается продолжительность начальной и основной фаз процесса сгорания.
При прикрытии дроссельной заслонки вследствие уменьшения скорости движения воздуха в диффузоре процесс смесеобразования ухудшается.
Частичное улучшение процесса сгорания при прикрытой дроссельной заслонке достигается специальной регулировкой состава горючей смеси в зависимости от положения дросселя и изменением угла опережения зажигания.
Состав горючей смеси регулируется так, чтобы при прикрытии дроссельной заслонки от положения, при котором обеспечивается наилучшая экономичность двигателя (а = 1,05 — н 1,15), смесь обогащалась. Обогащение смеси способствует ускорению процесса сгорания. Увеличение угла опережения зажигания, производимое автоматически с помощью вакуум-корректора, обеспечивает протекание второй фазы сгорания ближе кв. м. т. При обогащении смеси (а <; 1) из-за химической неполноты сгорания топлива часть теплоты не выделяется, вследствие чего расход топлива резко возрастает. Одновременно с этим с отработавшими газами выбрасывается в атмосферу большое количество продуктов неполного сгорания, содержащих отравляющие вещества (окись углерода и другие ядовитые вещества).
Влияние степени сжатия. При увеличении степени сжатия давление и температура в конце процесса сжатия возрастают. С увеличением температуры и давления подготовка топлива к сгоранию ускоряется и скорость распространения пламени повышается. В результате этого общая продолжительность процесса сгорания уменьшается и показатели работы двигателя улучшаются. При увеличении степени сжатия угол опережения зажигания уменьшают.
Следует отметить, что повышение степени сжатия дает положительный эффект, если не возникает детонационного сгорания, преждевременного или последующего самовоспламенения.
Влияние формы камеры сгорания и размещения свечи зажигания. Форма камеры сгорания и расположение в ней свечи зажигания существенно влияют на продолжительность процесса сгорания. Наиболее удачной является такая форма камеры сгорания, в которой расстояние от свечи зажигания до наиболее удаленной точки будет наименьшим.
На рис. 57 показаны наиболее распространенные формы камер сгорания. При расположении свечи зажигания в центре камеры сгорания создаются наилучшие условия для сгорания рабочей смеси, так как фронт пламени от свечи может распространяться равномерно во все стороны. Процесс сгорания в случае применения клиновидной и полуклиновой камер сгорания с клапанами, расположенными под углом, и смещенной относительно центра свечей зажигания улучшается вследствие наличия небольшого зазора между днищем поршня и головкой цилиндров (вытеснителя) в наиболее удаленной от свечи зажигания части камеры, где происходит сгорание последней порции рабочей смеси. Такое устройство камеры сгорания обеспечивает возможность бездетонационного сгорания последней порции рабочей смеси, увеличивает объем смеси, находящейся вблизи источника зажигания, и создает дополнительное вихревое движение заряда.
Полуклиновая камера сгорания получила широкое распространение в автомобильных двигателях (двигатели ЗИЛ-130, ГАЗ-21, МЗМА-408).
При нижнем размещении клапанов применяется камера сгорания, показанная на рис. 57, д. Эта камера сгорания характеризуется интенсивным вихревым движением рабочей смеси в конце процесса сжатия вследствие вытеснения из зазора между поршнем и головкой цилиндра в направлении к источнику зажигания.
Указанная камера сгорания применялась на двигателях ЗИЛ-120, ГАЗ-51 и ГАЗ-20; на двигателях новой конструкции она не используется.
При сравнительно больших диаметрах цилиндра для ускорения процесса сгорания и обеспечения безотказной работы двигателя иногда устанавливают две свечи зажигания. Такое же мероприятие целесообразно применять и в газовых двигателях, где скорость меньше, чем в карбюраторных.
3. Детонационное сгорание. Факторы, влияющие на появление детонации
При некоторых условиях в двигателях с искровым зажиганием возникают звенящие металлические стуки, которые являются признаком детонационного сгорания топлива. При слабой детонации они появляются через некоторые интервалы и похожи на стуки, возникающие при увеличении зазора между верхней втулкой шатуна и поршневым пальцем. С увеличением интенсивности детонации в цилиндре двигателя слышатся сильные непрерывные стуки. При этом работа двигателя становится неустойчивой, уменьшается число оборотов коленчатого вала, поршень, цилиндр и головка цилиндров перегреваются и появляется черный дым в отработавших газах.
В случае длительной работы двигателя с детонационным сгоранием возможно обгорание кромок поршня, прокладки между цилиндрами и головкой блока, а также электродов и изоляторов свечи зажигания. Местные высокие давления, возникающие при детонации, создают повышенные ударные нагрузки на кривошиппо-шатунный механизм и вызывают разрушения антифрикционного слоя в шатунных подшипниках. Из-за разрушения масляной пленки, а также под воздействием содержащихся в продуктах сгорания активных веществ усиливается износ гильз цилиндров в верхней части.
По указанным выше причинам длительная работа двигателя с детонацией недопустима.
Опыты показали, что в процессе сгорания перед фронтом пламени вследствие расширения продуктов сгорания несгоревшая рабочая смесь сжимается, и ее температура повышается. В результате повышения температуры и давления несгоревшей части рабочей смеси в ней возникают химические реакции окисления молекул топлива и образуются перекисные соединения. При достаточно высоких давлениях и температуре эти соединения воспламеняются еще до того, как к этой части рабочей смеси приблизится фронт пламени. Начавшийся процесс сгорания распространяется с весьма высокой скоростью на соседние слои рабочей смеси, где также произошли предварительные реакции окисления.
В результате такого развития процесса сгорания возникают ударные волны, которые распространяются с большой скоростью по всему объему камеры сгорания и, отражаясь от стенок, вызывают металлические стуки. Попадая в зоны, где указанные химические реакции близки к завершению, эти ударные волны вызывают детонационный взрыв. Распространение детонационной волны происходит со скоростью 2000—2300 м/сек.
Опытным путем установлено, что детонационное сгорание, как правило, возникает в зоне камеры сгорания, наиболее удаленной от свечи зажигания, где рабочая смесь сгорает в последнюю очередь и наиболее подвержена сжатию газами, образовавшимися от сгоревшего топлива, и воздействию высоких температур.
На рис. 58 показана индикаторная диаграмма детонационного сгорания: процессы сгорания и расширения имеют пикообразный характер протекания кривой давления.
На возникновение детонации влияют различные факторы. Степень сжатия. При увеличении степени сжатия температура и давление в конце процесса сжатия возрастают, что способствует возникновению детонации. Поэтому пределом увеличения степени сжатия является такое ее значение, при котором возникает детонационное сгорание. При прочих равных условиях возможное повышение степени сжатия зависит от октанового числа топлива и применяемой формы камеры сгорания. Поэтому степень сжатия для данного двигателя выбирают с учетом предназначаемого для него топлива и типа камеры сгорания.
Рис. 58. Индикаторнаядиаграмма карбюраторного двигателя при детонационномсгорании
Форма камеры сгорания и расположение свечи зажигания. Форма камеры сгорания в известной мере определяет характер распространения фронта пламени. Компактная камера сгорания с размещением свечи зажигания в центре (см. рис. 57, б) так, чтобы пламя распространялось равномерно во все стороны, позволяет повысить допускаемую степень сжатия, при которой процесс сгорания протекает без детонации. При использовании камеры сгорания с вытеснителем (см. рис. 57, в, г и д), улучшается отвод теплоты от сгорающей в последнюю очередь части рабочей смеси, и склонность двигателя к детонации снижается.
Размер и число цилиндров. При больших диаметрах цилиндра путь пламени до наиболее удаленной точки камеры сгорания увеличивается, что способствует возникновению детонации. В этом случае для получения бездетонационного сгорания устанавливают две свечи зажигания, располагая их в диаметрально противоположных концах.
В многоцилиндровых двигателях с внешним смесеобразованием возможно возникновение детонации в отдельных цилиндрах из-за неравномерного распределения смеси по цилиндрам. Склонность к детонации появляется в тех цилиндрах, в которые поступает обогащенная горючая смесь (а = 0,8 -=- 0,9).
Материал головки цилиндров и поршня. Склонность двигателя к детонации можно уменьшить, улучшив отвод теплоты от деталей, образующих камеру сгорания. С этой целью для изготовления головки цилиндров и поршня следует применять материал, обладающий большой теплопроводностью. Использование алюминиевого сплава, имеющего по сравнению с чугуном большую теплопроводность, позволяет при том же топливе несколько-повысить допустимую степень сжатия.
Состав рабочей смеси. Наибольшую склонность к детонации имеет рабочая смесь при коэффициенте избытка воздуха а = = 0,8 ~г 0,9, так как при этом скорость сгорания, температура, и давление оказываются наибольшими, что способствует возникновению детонации.
Число оборотов коленчатого вала. При увеличении числа оборотов уменьшается время для химической подготовки топлива. Кроме того, из-за повышения сопротивления во впускной системе коэффициент остаточных газов возрастает. В результате этого температура и давление в процессе сгорания уменьшаются. Совместное действие этих факторов приводит к тому, что с увеличением числа оборотов склонность двигателя к детонации снижается.
Нагрузка двигателя. При уменьшении нагрузки и соответствующем прикрытии дроссельной заслонки увеличивается коэффициент остаточных газов, а давление и температура конца сжатия снижаются. Оба эти фактора уменьшают склонность двигателя к детонации.
Угол опережения зажигания. При увеличении угла опережения зажигания процесс сгорания развивается ближе к в. м. т., повышая давление и температуру во второй фазе процесса сгорания,чтоспособствуетвозникновению детонации.
Нагарообразование. При отложении нагара на днище поршня и поверхности головки цилиндров, обращенной к камере сгорания, отвод теплоты от них уменьшается и температура поверхности, ограничивающей камеру сгорания, повышается. Кроме того, по мере отложения нагара несколько увеличивается степень-сжатия.
Оба эти фактора приводят к повышению температуры и давления рабочей смеси, что способствует появлению детонационного-сгорания.
В случае необходимости эксплуатации двигателя с нагаром на деталях, следует уменьшить угол опережения зажигания.
Охлаждение двигателя. Часть теплоты отработавших газов-через стенки отводится в охлаждающую среду. При уменьшении отвода теплоты возникает перегрев внутренних поверхностей цилиндра, поршня и головки цилиндров, что приводит к возникновению детонационного сгорания.
4. Преждевременное самовоспламенение
В некоторых случаях при наличии сильно нагретых (более 700—800° С) зон на поверхности головки, выпускного клапана и электродов свечи или тлеющих частиц нагара возможно самовоспламенение заряда до того, как будет подана искра.
Индикаторная диаграмма в случае преждевременного воспламенения имеет вид, показанный на рис. 59, а. При таком ненормальном процессе воспламенения, сопровождающемся глухими стуками, мощность двигателя снижается, увеличиваются потери теплоты и, вследствие резкого повышения давления в процессе сжатия, возникают дополнительные динамические нагрузки на шатунно-кривошипный механизм.
5. Последующее самовоспламенение
В форсированных автомобильных карбюраторных двигателях, имеющих высокие степени сжатия и использующих высокооктановые топлива с антидетонаторами, после того как процесс сгорания начался, в отдельных зонах камеры сгорания возникают очаги самовоспламенения от частиц тлеющего нагара, отслаивающихся от стенок. В результате этого в камере сгорания распространяются дополнительные фронты пламени, резко увеличивающие скорость повышения давления в основной фазе сгорания и максимальное давление цикла. В этом случае процесс сгорания сопровождается резким стуком (грохотом), а индикаторная диаграмма имеет вид, показанный на рис. 59, б.
Последующее самовоспламенение большей частью возникает при переходе от малых нагрузок к полным.
maestria.ru
История создания систем управления двигателем с искровым зажиганием
История создания систем управлениядвигателем с искровым зажиганием
Принцип действия двигателя с искровым зажиганием существенно не изменился, начиная с первого его применена на автомобиле более ста лет назад. И все же современный двигатель с искровым зажиганием имеет мало общего со своим предшественником. Конструкция двигателей постоянно развивалась, они становились мощнее, а за последие три десятилетия — менее вредными для окружающей среды и одновременно более экономичными. Значительное влияние на это развитие оказал переход с механического управления двигателем на электронное.
До конца 60-х годов прошлого века управление двигателем с искровым зажиганием осуществлялось чисто механически. У таких систем, по существу, имеются всего два регулируемых параметра: количество подаваемого топлива и угол опережения зажигания.
Поначалу системы впрыска не могли выпустить более простой карбюраторный принцип смесеобразования. Управляемый педалью газа карбюратор задает требуемое количество топлива в соответствии с количеством всасываемого в цилиндры воздуха. Однако, механическое управление карбюратором не обеспечивает настолько точного дозирования количества топлива, которое необходимо сегодня. Именно этот фактор привел к замене карбюраторных систем на системы впрыска.
Эта гидромеханическая система впрыска обеспечивает впрыскивание топлива во впускной трубопровод через отдельные форсунки, располагаемые перед каждым цилиндром (многоточечная система впрыска). Дозирование топлива производится механически, когда форсунка открывается и закрывается в зависимости от давления топлива. Датчик расхода воздуха измеряет объем всасываемого в двигатель воздуха и воздействует непосредственно на управляющий плунжер в специальном распределителе топлива, что позволяет регулировать давление и, тем самым, количес тво топлива, которое поступает в цилиндры. При этом могут быть учтены и дополнительные факторы, влияющие на количество впрыскиваемого топлива, например, темиература.
Приемущество такой механической системы впрыска перед электронными состоит в ее невысокой стоимости.
Электронные системы
Постепенно для управления впрыском и зажиганием стала использоваться электроника. В настоящее время системы с механическим управлением не производятся.
Системы впрыска топлива
Система D-Jetronic
D-Jetгопic — это электронно управляемая система прерывистого впрыскивания топлива через одну форсунку (одноточечная система впрыска). Давление впрыскиваемого топлива остается постоянным, а количество и разделяется продолжительностью импульсов впрыскивания. Эта фаза впрыскивания зависит от оборотов коленчатого вала и противодавления во впускном трубопроводе.
Информацию об оборотах коленчатого вала блок управления получает от двух, расположенных в датчике-распределителе зажигания, необслуживаемых размыкающих контактов, сдвинутых на 180°. Датчик давления во впускном трубопроводе передает информацию о нагрузке двигателя. Температура двигателя и воздуха определяется термодатчиками и служит для корректировки рационального моментавпрыскивания топлива, рассчитываемого на основе данных о нагрузке и частоте вращения коленчатого вала.
Система D-Jetronic сконструирована из аналоговых электронных схем.
Система L-Jetronic
В системе l.-Jetronic, в отличие от D-Jetronic, моменты впрыскивания топлива рассчитываются, исходя из оборотов коленчатого вала и поступившего во впускной трубопровод объема воздуха. Для этого непосредственно за дроссельной заслонкой расположен датчик расхода воздуха, подающий в блок управления соответствующий сигнал. Так как объем поступившего воздуха зависит ото всех изменений, происходящих с двигателем (например износ, нагарообразование в камере сгорания), то тем самым имеется возможность получения более точного состава смеси по сравнению с методом измерения давления во впускном трубопроводе в системе D-Jetronic.
1. Датчик расхода воздуха2. Электронный блок управления3. Топливный фильтр4. Топливный насос с электроприводом5. Регулятор давления топлива6. устройство подачи долнительного воздуха7. Термореле8. Датчик температуры9. Датчик положения дросельной заслонки10.Пусковая форсунка11- Форсунки
Данные об оборотах коленчатого вала блок управления системы L-Jetronic получает от контактов в датчике-распределителе зажигания, а при бесконтактной системе зажигания — от вывода 1 катушки зажигания. Система L-Jetronic сконструированана основе аналоговой технологии. Следующая разработка — система L3-Jetronic — делает возможным производить обработку данных в цифровом виде. Благодаря этому можно использовать дополнительные функции с лучшими возможностями корректировки. Система KE-Jetronic Система KE-Jetronic базируется на хорошо зарекомендовавшей себя системе K-Jetronic с включением в нее электронния в системе и электрогидравлического корректора давления для правления составом рабочей смеси. Благодаря электронной регулировке дозирования топлива стало возможным улучшить при подготовке смеси корректировку ее состава с учетом внешних условий и рабочего режима двигателя.
Система LH-JetronicПо существу, система LH-Jetronic отличается от L-Jetronic способом измерения нагрузки: вместо объема подаваемого воздуха измеряется массовый расход воздуха. Тем самым информация, поступающая с датчика, не зависит от плотностивоздуха, на которую влияют температура и давление.
Система Mono-JetronicСистема Mono-Jetronic представляет собой систему с впрыскиванием топлива через одну форсунку (одноточечная сисстема впрыска) центрального расположения с электромагнитным управлением. Эта система является более дешевойпо сравнению с прежними системами впрыска топлива через одну форсунку, это позволило внедрить электронный впрыск топлива на автомобилях среднего и малого классов.
Зажиганиевменение микроконтроллеров позволило заменить механическое регулирование угла опережения зажигания электронным. Зависящие от нагрузки и частоты положения коленчатого вала значения угол опережения зажигания могут быть внесены в память программного накопителя блока управления системой зажигания. Тем самым угол опережения зажигания поддерживается постоянным в течение продолжительного времени без учета влияния быстроизнашиваюхся деталей.Электронные системы зажигания используются совместно с электронными системами впрска. На новых автомобилях эти системы использовались до 1998 г., а в наши дни системы зажигания и впрыска топлива интегрированы в систему Motronic.
Электронная система зажиганияЭлектронная система зажигания управляет оконечным каскадом зажигания. Данные по углу замкнутого состояния контактов датчика-распределителя и углу опережения зажигания хранятся в памяти программного блока (система зажигания с управлением по оптимизированному отображению процесса зажигания). Дополнительные показатели, например, температура охлаждающей жидкости или температура подаваемого воздуха, учитываются при расчете угла опережения зажигания.
Полупроводниковая система зажигания без датчика-распределителя Данная система обходится без механического высоковольтного датчика-распределителя зажигания. Распределение напряжения происходит электронным способом в блоке управления системой зажигания. Высоковольтное напряжение генерируется несколькими катушками зажигания.
Система управления двигателем Motronic
Электронный впрыск и электронное зажигание сделали возможным разработку двигателей, которые, с одной стороны, сталиболее мощными, а с другой — обеспечили соблюдение более жестких требований по ограничению токсичности ОГ. Растущая миниатюризация эяектрониых деталей и схем привела к появлению все более мощных микроконтроллеров и полупроводниковых чипов со значительно большим объемом памяти. В результате стало возможным задачи, выполняемые системой электронного впрыска и электронной системой зажигания с программным управлением, возложить на единственный микроконтроллер. Тем самым,разработчикам представилась возможность объединить обе системы — электронный впрыск и электронное зажигание — в одном блоке управления. Гак появилась система Motronic.
Система M-MotronicСистема M-Molronic начала серийно выпускаться еще в 1979 г. Она совместила в себе функциональность системы многоточечного впрыска Jetronic с электронной системой зажигания с программным управлением. Тем самым стало возможным отличительное согласование дозирования топлива и управления зажиганием. Благодаря стремительному прогрессу в полупроводниковой технологии быстродействие микроконтроллеров становилось все выше, а емкость запоминающих устройств программных накопителей данных и чипов — все больше. Таким образом, в систему M-Motronic можно было интегрировать все большее число функций (например, контроль за детонацией или регулирование давления наддува для турбонагнетателя). Такие функции, как рециркуляция ОГ или система вентиляции топливного бака, снижающие токсичность ОГ и эмиссию топливных паров, стали обязательными требованиями. Благодаря этому система M-Motronicпревратилась в комплексную систему управления двигателем.
Система KE-MotronicВ самом начале применения системы M-Motronic ее использование было возможно только на автомобилях высшегокласса из-за высокой стоимости электроники и элементов системы впрыска. Требования по соблюдению норм токсичности ОГ привели к развитию более простых систем Motronic, используемых на автомобилях среднего и малого классов Система KE-Motronic представляет собой объединенную в одном блоке управления комбинацию электронно-механической системы впрыска KE-Jetronic и электронной системы зажигания с программными управлением. Система Mono-Motronic Упрощение системы Mono-Motronic, по сравнению с M-Motronic, состояло в том, что здесь использовалась единственная форсунка центрального расположения, впрыскивающая топливо во впускной трубопровод. Тем самым система впрыска Mono-Motronic соответствовала системе Mono-Jetronic.
Система ME-MotronicСистема ME-Motronic, начало серийного производства которой приходится на 1994 г.,базируется на системе M-Motronic.Дополнительно здесь применяется электронное управление мощностными параметрами двигателя (отдельно производимое с 1986 г.). В этой системе, называемой также EGAS (электронное управление педалью «газа»), традиционный приводдроссельной заслонки через трос Боудена заменен электрически регулируемой дроссельной заслонкой и дополнительным датчиком положения педали «газа», расположенным в педальном узле.
Система MED-MotronicСистема MED-Motronic (начало серийного производства — 2000 г.) отличается от ME-Motronic расширенной функциональностью непосредственного впрыска. Большая сложность выполнения задач по управлению и регулированию требуют применения микроконтроллера с очень высокой вычислительной способностью.
mail.boschdiagnost.ru
История создания систем управления двигателем с искровым зажиганием
История создания систем управлениядвигателем с искровым зажиганием
Принцип действия двигателя с искровым зажиганием существенно не изменился, начиная с первого его применена на автомобиле более ста лет назад. И все же современный двигатель с искровым зажиганием имеет мало общего со своим предшественником. Конструкция двигателей постоянно развивалась, они становились мощнее, а за последие три десятилетия — менее вредными для окружающей среды и одновременно более экономичными. Значительное влияние на это развитие оказал переход с механического управления двигателем на электронное.
До конца 60-х годов прошлого века управление двигателем с искровым зажиганием осуществлялось чисто механически. У таких систем, по существу, имеются всего два регулируемых параметра: количество подаваемого топлива и угол опережения зажигания.
Поначалу системы впрыска не могли выпустить более простой карбюраторный принцип смесеобразования. Управляемый педалью газа карбюратор задает требуемое количество топлива в соответствии с количеством всасываемого в цилиндры воздуха. Однако, механическое управление карбюратором не обеспечивает настолько точного дозирования количества топлива, которое необходимо сегодня. Именно этот фактор привел к замене карбюраторных систем на системы впрыска.
Эта гидромеханическая система впрыска обеспечивает впрыскивание топлива во впускной трубопровод через отдельные форсунки, располагаемые перед каждым цилиндром (многоточечная система впрыска). Дозирование топлива производится механически, когда форсунка открывается и закрывается в зависимости от давления топлива. Датчик расхода воздуха измеряет объем всасываемого в двигатель воздуха и воздействует непосредственно на управляющий плунжер в специальном распределителе топлива, что позволяет регулировать давление и, тем самым, количес тво топлива, которое поступает в цилиндры. При этом могут быть учтены и дополнительные факторы, влияющие на количество впрыскиваемого топлива, например, темиература.
Приемущество такой механической системы впрыска перед электронными состоит в ее невысокой стоимости.
Электронные системы
Постепенно для управления впрыском и зажиганием стала использоваться электроника. В настоящее время системы с механическим управлением не производятся.
Системы впрыска топлива
Система D-Jetronic
D-Jetгопic — это электронно управляемая система прерывистого впрыскивания топлива через одну форсунку (одноточечная система впрыска). Давление впрыскиваемого топлива остается постоянным, а количество и разделяется продолжительностью импульсов впрыскивания. Эта фаза впрыскивания зависит от оборотов коленчатого вала и противодавления во впускном трубопроводе.
Информацию об оборотах коленчатого вала блок управления получает от двух, расположенных в датчике-распределителе зажигания, необслуживаемых размыкающих контактов, сдвинутых на 180°. Датчик давления во впускном трубопроводе передает информацию о нагрузке двигателя. Температура двигателя и воздуха определяется термодатчиками и служит для корректировки рационального моментавпрыскивания топлива, рассчитываемого на основе данных о нагрузке и частоте вращения коленчатого вала.
Система D-Jetronic сконструирована из аналоговых электронных схем.
Система L-Jetronic
В системе l.-Jetronic, в отличие от D-Jetronic, моменты впрыскивания топлива рассчитываются, исходя из оборотов коленчатого вала и поступившего во впускной трубопровод объема воздуха. Для этого непосредственно за дроссельной заслонкой расположен датчик расхода воздуха, подающий в блок управления соответствующий сигнал. Так как объем поступившего воздуха зависит ото всех изменений, происходящих с двигателем (например износ, нагарообразование в камере сгорания), то тем самым имеется возможность получения более точного состава смеси по сравнению с методом измерения давления во впускном трубопроводе в системе D-Jetronic.
1. Датчик расхода воздуха2. Электронный блок управления3. Топливный фильтр4. Топливный насос с электроприводом5. Регулятор давления топлива6. устройство подачи долнительного воздуха7. Термореле8. Датчик температуры9. Датчик положения дросельной заслонки10.Пусковая форсунка11- Форсунки
Данные об оборотах коленчатого вала блок управления системы L-Jetronic получает от контактов в датчике-распределителе зажигания, а при бесконтактной системе зажигания — от вывода 1 катушки зажигания. Система L-Jetronic сконструированана основе аналоговой технологии. Следующая разработка — система L3-Jetronic — делает возможным производить обработку данных в цифровом виде. Благодаря этому можно использовать дополнительные функции с лучшими возможностями корректировки. Система KE-Jetronic Система KE-Jetronic базируется на хорошо зарекомендовавшей себя системе K-Jetronic с включением в нее электронния в системе и электрогидравлического корректора давления для правления составом рабочей смеси. Благодаря электронной регулировке дозирования топлива стало возможным улучшить при подготовке смеси корректировку ее состава с учетом внешних условий и рабочего режима двигателя.
Система LH-JetronicПо существу, система LH-Jetronic отличается от L-Jetronic способом измерения нагрузки: вместо объема подаваемого воздуха измеряется массовый расход воздуха. Тем самым информация, поступающая с датчика, не зависит от плотностивоздуха, на которую влияют температура и давление.
Система Mono-JetronicСистема Mono-Jetronic представляет собой систему с впрыскиванием топлива через одну форсунку (одноточечная сисстема впрыска) центрального расположения с электромагнитным управлением. Эта система является более дешевойпо сравнению с прежними системами впрыска топлива через одну форсунку, это позволило внедрить электронный впрыск топлива на автомобилях среднего и малого классов.
Зажиганиевменение микроконтроллеров позволило заменить механическое регулирование угла опережения зажигания электронным. Зависящие от нагрузки и частоты положения коленчатого вала значения угол опережения зажигания могут быть внесены в память программного накопителя блока управления системой зажигания. Тем самым угол опережения зажигания поддерживается постоянным в течение продолжительного времени без учета влияния быстроизнашиваюхся деталей.Электронные системы зажигания используются совместно с электронными системами впрска. На новых автомобилях эти системы использовались до 1998 г., а в наши дни системы зажигания и впрыска топлива интегрированы в систему Motronic.
Электронная система зажиганияЭлектронная система зажигания управляет оконечным каскадом зажигания. Данные по углу замкнутого состояния контактов датчика-распределителя и углу опережения зажигания хранятся в памяти программного блока (система зажигания с управлением по оптимизированному отображению процесса зажигания). Дополнительные показатели, например, температура охлаждающей жидкости или температура подаваемого воздуха, учитываются при расчете угла опережения зажигания.
Полупроводниковая система зажигания без датчика-распределителя Данная система обходится без механического высоковольтного датчика-распределителя зажигания. Распределение напряжения происходит электронным способом в блоке управления системой зажигания. Высоковольтное напряжение генерируется несколькими катушками зажигания.
Система управления двигателем Motronic
Электронный впрыск и электронное зажигание сделали возможным разработку двигателей, которые, с одной стороны, сталиболее мощными, а с другой — обеспечили соблюдение более жестких требований по ограничению токсичности ОГ. Растущая миниатюризация эяектрониых деталей и схем привела к появлению все более мощных микроконтроллеров и полупроводниковых чипов со значительно большим объемом памяти. В результате стало возможным задачи, выполняемые системой электронного впрыска и электронной системой зажигания с программным управлением, возложить на единственный микроконтроллер. Тем самым,разработчикам представилась возможность объединить обе системы — электронный впрыск и электронное зажигание — в одном блоке управления. Гак появилась система Motronic.
Система M-MotronicСистема M-Molronic начала серийно выпускаться еще в 1979 г. Она совместила в себе функциональность системы многоточечного впрыска Jetronic с электронной системой зажигания с программным управлением. Тем самым стало возможным отличительное согласование дозирования топлива и управления зажиганием. Благодаря стремительному прогрессу в полупроводниковой технологии быстродействие микроконтроллеров становилось все выше, а емкость запоминающих устройств программных накопителей данных и чипов — все больше. Таким образом, в систему M-Motronic можно было интегрировать все большее число функций (например, контроль за детонацией или регулирование давления наддува для турбонагнетателя). Такие функции, как рециркуляция ОГ или система вентиляции топливного бака, снижающие токсичность ОГ и эмиссию топливных паров, стали обязательными требованиями. Благодаря этому система M-Motronicпревратилась в комплексную систему управления двигателем.
Система KE-MotronicВ самом начале применения системы M-Motronic ее использование было возможно только на автомобилях высшегокласса из-за высокой стоимости электроники и элементов системы впрыска. Требования по соблюдению норм токсичности ОГ привели к развитию более простых систем Motronic, используемых на автомобилях среднего и малого классов Система KE-Motronic представляет собой объединенную в одном блоке управления комбинацию электронно-механической системы впрыска KE-Jetronic и электронной системы зажигания с программными управлением. Система Mono-Motronic Упрощение системы Mono-Motronic, по сравнению с M-Motronic, состояло в том, что здесь использовалась единственная форсунка центрального расположения, впрыскивающая топливо во впускной трубопровод. Тем самым система впрыска Mono-Motronic соответствовала системе Mono-Jetronic.
Система ME-MotronicСистема ME-Motronic, начало серийного производства которой приходится на 1994 г.,базируется на системе M-Motronic.Дополнительно здесь применяется электронное управление мощностными параметрами двигателя (отдельно производимое с 1986 г.). В этой системе, называемой также EGAS (электронное управление педалью «газа»), традиционный приводдроссельной заслонки через трос Боудена заменен электрически регулируемой дроссельной заслонкой и дополнительным датчиком положения педали «газа», расположенным в педальном узле.
Система MED-MotronicСистема MED-Motronic (начало серийного производства — 2000 г.) отличается от ME-Motronic расширенной функциональностью непосредственного впрыска. Большая сложность выполнения задач по управлению и регулированию требуют применения микроконтроллера с очень высокой вычислительной способностью.
www.boschdiagnost.ru
