СРАВНЕНИЕ ЭКОНОМИЧНОСТИ БЕНЗИНОВОГО ДВИГАТЕЛЯ С РАССЛОЕНИЕМ ЗАРЯДА И АВТОМОБИЛЬНОГО ДИЗЕЛЯ

Полный текст

Применение в бензиновых двигателях рабочего процесса с расслоением заряда позволяет получить устойчивую работу при коэффициенте избытка воздуха α  3,5, в то время как при гомогенной смеси величина α не превышает 1,15-1,25 [1-4]. При этом двигатель на гетерогенной смеси имеет малую склонность к детонации, что позволяет повысить степень сжатия ε до 12 и более. Кроме того, при расслоении заряда уменьшается температура газа на периферийной зоне, что снижает теплоотдачу стенки цилиндра. В бензиновом двигателе с гетерогенной смесью удается перейти от качественного к количественному регулированию и, как следствие, снизить потери от дросселирования на входе на эксплуатационных режимах. Благодаря всему этому можно заметно повысить индикаторный (η i ) и эффективный (η e ) коэффициенты полезного действия (КПД) бензинного двигателя [1-4]. С увеличением α (при >1) снижается средняя по цилиндру максимальная температура T Z и давление P Z сгорания. Снижение T Z приводить к уменьшению потерь, связанных с ростом теплоемкости продуктов сгорания и диссоциацией молекул. Однако максимальная температура вблизи свечи растет, что может привести к увеличению выделений оксидов азота. Это заставляет на некоторых режимах прибегать к рециркуляции отработавших газов. В конце 1990-х годов фирмы Мицубиси, Таета, Ситроэн, Пежо, Фольксваген и др. приступили к эксплуатации легковых автомобилей с двигателями, имеющими расслоение заряда [1; 3]. Выигрыш в экономичности этих автомобилей оценивается по разному. Поэтому представляет интерес сравнивать экономичность двигателей без наддува с расслоением зарядом и дизелей с неразделенной камерой сгорания. Для сравнительного анализа удобно воспользоваться зависимостью [5] где m = 0,22-0,25 - для дизеля и бензинового двигателя; η опт - учитывает потери от неполноты сгорания (для дизелей), отдачу теплоты в стенки и другие факторы. Из зависимостей η α = f(α) для дизелей [5], бензинного двигателя [1] и двигатели с расслоением заряда [2; 3] (рис. 1) видно, что расслоение заряда позволяет повысить КПД на 5-7%, существенно расширив при этом диапазон устойчивой работы. Величины η опт , в среднем, для дизелей равна 0,76, а бензиновых двигателей 0,80. Среднее индикаторное давление где H и и L o - теплотворность и стехиометрическое отношение топлива; ρ в - плотность воздуха во впускном коллекторе; η v - коэффициент наполнения. Рис. 1. Зависимость коэффициента η α от коэффициента избытка воздуха: а - дизель; б - бензиновый двигатель с расслоением заряда Среднее эффективное давление где P м - среднее давление механических потерь, принятое при расчетах равным для дизеля 0,14 МПа, для бензинного двигателя 0,174 МПа. Большие механические потери у бензинного двигателя объясняются увеличенными насосными потерями, связанными с дополнительным сопротивлением на входе в камеру с расслоением заряда. На рисунке 2 приведены зависимости индикаторного и эффективного КПД, среднего эффективного давления и максимального давления P Z для дизелей с ε = 16, η v = 0,91, теплотворностью топлива H и = 43 МДж/кг, L o - 14,7 кг/кг со средней скоростью поршня c п = Sn / 30 = 10,5 м/с (n = 3200 мин -1 , S - ход поршня). Видно, что максимальное значение η e = 0,4 достигается при α = 2,2-3,2, а падение η e при α > 3,2 объясняется снижением механического КПД. При этом α мин = 1,3, η e = 0,33 и P e = 0,78 МПа. Рис. 2. Характеристика дизеля без наддува в зависимости от коэффициента избытка воздуха: ε = 16, n = 3200 мин -1 На рисунке 3 приведены аналогичные зависимости для бензинного двигателя с расслоением заряда с ε = 16, η v = 0,91 при средней скорости поршня 11 м/с и частоте вращения коленчатого вала n = 4000 мин -1 . Видно, что эффективный КПД в широком диапазоне изменения α  1 равен около 0,35. Средняя по объему цилиндра температура газа T Z и давление P Z быстро снижается с увеличением α. При этом следует иметь в виду, что вблизи свечи зажигания местная величина α близка к единице, а на периферии цилиндра находится бедная смесь с низкой температурой. Это способствует уменьшению теплоотдачи в стенки и повышению КПД. На номинальной частоте вращения коленчатого вала, которая у дизеля равна 4000 мин -1 , а у бензинового двигателя 5000 мин -1 , литровая мощность у бензинового двигателя N л = P e n = 50 кВт/л, а для дизелей 32 кВт/л. В то же время, на эксплуатационных режимах (α  3-4) дизель имеет на 10-15% более высокую экономичность, чем бензиновый двигатель. Сравнение двигателя с расслоением заряда и без расслоения заряда показывает, что их мощностные и экономические характеристики на номинальном режиме (α  1) близки между собой. Зато на эксплуатационных режимах применение расслоенного заряда дает повышение экономичности на 10-15%. Рис. 3. Характеристика бензинового двигателя с расслоением заряда в зависимости от коэффициента избытка воздуха: ε = 16, n = 4000 мин -1 Выводы 1. Сравнение экономичности дизеля и бензинового двигателя с расслоением заряда показало, что на номинальном режиме экономичность дизеля на 10-15% выше, а литровая мощность в 1,5 раза меньше. 2. На эксплуатационных режимах, соответствующих α = 3-4, экономичность дизеля на 15% выше, чем у двигателя с расслоением заряда. 3. Сравнение бензинового двигателя с гомогенным и расслоенным зарядом показало, что на эксплуатационных режимах, соответствующих 20-40% от номинальной мощности, расслоение заряда позволяет повысить экономичность на 10-15% по сравнению с обычным бензиновым двигателем.

Об авторах

Пабло Рамон Вальехо Мальдонадо

Российский университет дружбы народов

Автор, ответственный за переписку.
Email: prvm@rambler.ru

кандидат технических наук, доцент Департамента машиностроения и приборостроения инженерной академии Российского университета дружбы народов. Сфера научных интересов: рабочий процесс, динамика и конструкция двигателей внутреннего сгорания, альтернативные топлива

ул. Миклухо-Маклая, 6, Москва, Россия, 117198

Юрий Александрович Антипов

Российский университет дружбы народов

Email: rudn-tit@yandex.ru

кандидат технических наук, доцент Департамента машиностроения и приборостроения инженерной академии Российского университета дружбы народов. Сфера научных интересов: теплопередача, газотурбинный двигатель, газодинамика

ул. Миклухо-Маклая, 6, Москва, Россия, 117198

Петр Платонович Ощепков

Российский университет дружбы народов

Email: opp1967@yandex.ru

кандидат технических наук, доцент Департамента машиностроения и приборостроения инженерной академии Российского университета дружбы народов. Сфера научных интересов: устройство и ремонт автомобиля, альтернативные топлива

ул. Миклухо-Маклая, 6, Москва, Россия, 117198

Список литературы