Основные тенденции в развитии конструкции современных бензиновых двигателей с целью улучшения их экономичности и экологической безопасности

Размещено на http://www.allbest.ru/

Саратовский государственный технический университет имени Гагарина Ю.А.

ОСНОВНЫЕ ТЕНДЕНЦИИ В РАЗВИТИИ КОНСТРУКЦИИ СОВРЕМЕННЫХ БЕНЗИНОВЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ С ЦЕЛЬЮ УЛУЧШЕНИЯ ИХ ЭКОНОМИЧНОСТИ И ЭКОЛОГИЧЕСКОЙ БЕЗОПАСНОСТИ

Фролов В.Г., Иванов П.О.

Аннотация

Рассмотрены основные тенденции в развитии конструкции современных бензиновых двигателей, с целью улучшения их топливной экономичности и экологической безопасности.

Ключевые слова: инжекторные двигатели, электронная система управления двигателем, бортовая система диагностирования

The main trends in the development of the design of modern diesel engines to improve their fuel efficiency and environmental safety.

Keywords: injection engines, electronic engine management system, on-Board system diagnosis

Количество автомобилей в Российской Федерации неуклонно растет. Так, в 1992 г. количество автомобилей в нашей стране составляло 8,9 млн., а в 2017 г. количество автомобилей превысило 57 млн, произошел рост в 6,5 раз. Так же существует такое понятие как насыщенность автомобилей на 1000 человек. Этот показатель в нашей стране в 1992 г. составлял 60 автомобилей на 1000 человек населения, а в 2017 г. вырос до 300 автомобилей на 1000 человек.

Бурный рост количества автомобилей как в нашей стране, так и за рубежом, нефтяные кризисы, высокие цены на топливо заставили конструкторов решать две основные проблемы в этой области - повышение топливной экономичности автомобильных двигателей и улучшение их экологической безопасности.

Автомобиль наряду с его неоспоримыми преимуществами перед другими видами транспорта, такими как оперативность доставки пассажиров и грузов от двери грузоотправителя до двери грузополучателя, является одним из основных источников загрязнения окружающей среды вредными выбросами, содержащимися в отработавших газах автомобиля, занимая по этому показателю второе место в мире, сразу после промышленных предприятий.

При работе автомобильного двигателя выделяются такие вредные вещества как окись углерода - СО, несгоревшие углеводороды - СН, оксиды азота - NОx.

СО - угарный газ, газ без цвета и запаха, накапливается в организме человека до определённой концентрации, после чего человек теряет сознание и зачастую это заканчивается летальным исходом.

СН - углеводороды или несгоревший бензин, который попадает в выхлопную трубу автомобиля, а затем выбрасывается в атмосферу, загрязняя ее. Наличие СН в воздухе вызывает онкологические заболевания, а также заболевания органов дыхания человека.

NOx - поднимается в атмосферу, смешивается с парами воды и превращается в азотную кислоту, а затем виде кислотных дождей выпадает на землю со всеми вытекающими негативными последствиями.

Каковы же основные пути решения этих важнейших проблем современности?

С момента создания первого автомобильного двигателя и по настоящее время конструкция двигателей внутреннего сгорания постоянно совершенствовалась с целью улучшения их экономичности и снижения выбросов вредных веществ в отработавших газах. Для автомобильных бензиновых двигателей одним из путей решения этой проблемы явилось повышение степени сжатия. Так, например, для современных отечественных бензиновых двигателей степень сжатия составляет:

ВАЗ-2111 - 9.0 ВАЗ-21114 - 9.8

ВАЗ-2112 - 9.5 ВАЗ-21124 - 10.5

ВАЗ-21126 - 11 ВАЗ-21127 - 11

Данное обстоятельство заставило производителей бензина улучшать его качество, отказаться от этилированного бензина и, кроме того, повысить его октановое число. Однако дальнейшее повышение степени сжатия автомобильных двигателей стало сдерживаться детонацией.

Следующим шагом явилось увеличение количества клапанов на цилиндр. Вместо традиционных двух клапанов - один впускной - другой выпускной, на каждый цилиндр стали устанавливать по четыре клапана - два впускных и два выпускных. Это позволило улучшить наполнение цилиндров свежей рабочей смесью и, кроме того, улучшить освобождение цилиндров от отработавших газов, что в конечном итоге повысило экономичность двигателей, увеличило их мощность и уменьшило количество вредных веществ в отработавших газах.

Непрерывно совершенствовалась система зажигания. Если на первых двигателях устанавливалась обычная батарейная система зажигания, которая на выходе с катушки зажигания позволяла получить напряжение 10-12 кВ, то скоро на смену ей пришла контактно-транзисторная система зажигания, позволившая получать на выходе с катушки зажигания 14-15 кВ, а затем и бесконтактная система зажигания (на основе эффекта Холла). Здесь уже выходное напряжение достигало 16 -18 кВ. Это позволило увеличить зазор между электродами свечи с 0,5-0,6 мм (для обычной системы зажигания) до 1,0-1,1 мм (для бесконтактной). Это позволило надежнее воспламенять рабочую смесь в цилиндрах двигателя и дало возможность двигателю работать на обедненных смесях, что в конечном итоге привело к снижению расхода топлива и уменьшению вредных выбросов в атмосферу.

Совершенствовалась конструкция свечей зажигания, начиная от обычных одноэлектродных свечей до 3- и 4-электродных. Это также повысило надежность воспламенения рабочей смеси в самых неблагоприятных условиях.

Для улучшения экономичности вместо традиционной одной свечи зажигания на каждый цилиндр двигателя стали устанавливать по две свечи. Причем искра на электродах второй свечи проскакивала с некоторой задержкой, по отношению к первой, что позволило улучшить процесс сгорания рабочей смеси в цилиндрах двигателя.

На каждый цилиндр двигателя стали устанавливать свою индивидуальную катушку зажигания. Это позволило отказаться от высоковольтных проводов, уменьшить потери энергии в подводящих проводах, увеличить мощность искры и снизить помехи радиоприему.

Однако со временем все эти приемы себя исчерпали. Поэтому в настоящее время основной путь повышения топливной экономичности и экологической безопасности современных автомобильных двигателей - оптимизация и автоматическая адаптация программы дозирования топлива. Анализ дозирующих устройств современных карбюраторных двигателей показывает, что в зависимости от режима работы двигателя отклонение от оптимального дозирования достигает 10%. Тщательная регулировка дозирующих устройств позволяет снизить эту величину до 6%. Таким образом, традиционный карбюратор исчерпал все свои возможности, и в дальнейшем от него пришлось отказаться.

На первом этапе после отказа от традиционного карбюратора на смену ему пришел механический впрыск топлива. Однако он просуществовал недолго вследствие наличия целого ряда недостатков, и поэтому на смену механическому впрыску пришел электронный: центральный (одноточечный) и распределенный (многоточечный).

Первые отечественные инжекторные двигатели с электронной системой управления двигателем (ЭСУД) появились в нашей стране в 1995 г. Волжский автомобильный завод разработал двигатель ВАЗ-2111, который оказался весьма успешным и в дальнейшем появились его модификации: ВАЗ-2112, -21124, -21126, которые хорошо зарекомендовали себя в эксплуатации и выпускаются в настоящее время.

Заволжский моторный завод также разработал собственный инжекторный двигатель ЗМЗ-4062.10, который устанавливался на автомобиль ГАЗ-3110 "Волга", хорошо показавший себя в эксплуатации, а затем появились его модификации: ЗМЗ-405 и ЗМЗ-409.

Двигатель ЗМЗ-405 устанавливают на микроавтобусы ГАЗель и Соболь, а также и грузовые автомобили ГАЗель. Двигатель ЗМЗ-409 устанавливают на автомобили УАЗ-469, УАЗ-Хантер, и УАЗ-Патриот. Все эти двигатели очень хорошо зарекомендовали себя в эксплуатации и в настоящее время ими комплектуются все вышеприведенные марки автомобилей.

Поскольку собственного опыта в разработке электронных систем управления инжекторными двигателями не было, то заводы стали искать пути сотрудничества с зарубежными фирмами, имевшими такой опыт.

Первым свои услуги предложил американский концерн GM. Он стал поставлять в нашу страну ЭСУД с моновпрыском. Моновпрыск устанавливали на автомобили ВАЗ-2121 "Нива". Однако моновпрыск позволял выполнить только нормы токсичности не выше Евро-2. Когда все это осознали, то это сотрудничество, продолжавшееся с 1996 по 1999 г., было прекращено.

Начиная с 1996 г. и по настоящее время отечественные автозаводы сотрудничают с немецкой фирмой Bosch, широко известной своей продукцией во всем мире.

Оптимальная топливная экономичность и минимальное содержание вредных веществ в отработавших газах автомобилей достигается в случае если рабочая смесь будет иметь так называемый стехиометрический состав при котором коэффициент избытка воздуха б будет равен 1 (рис. 1а). В этом случае на один килограмм сгораемого топлива должно приходиться 14,7 кг воздуха.

Кроме того, коэффициент избытка воздуха оказывает большое влияние на мощность двигателя и удельный расход топлива (рис. 1б). Достичь оптимального соотношения топливо-воздух на различных режимах работы двигателя можно было только путем установки на инжекторные двигатели электронной системы управления двигателем (ЭСУД).

В инжекторных двигателях топливо во впускной коллектор подается форсунками в строгом соответствии с количеством поступившего туда воздуха. Угол опережения зажигания в инжекторных двигателях устанавливается оптимальным, индивидуально по каждому цилиндру в зависимости от температуры охлаждающей жидкости и режима нагружения. Это позволило резко повысить экологическую безопасность современных двигателей, а также их экономичность.

Для уменьшения вредных выбросов оксидов азота и была создана система рециркуляции отработавших газов получившая название EGR (Exhaust Gas Recirculation).

Идея заключается в том, что на определенных режимах работы двигателя подавать некоторую часть отработавших газов из выпускного коллектора во впускной. Повышенное содержание оксидов азота в отработавших газах ДВС вызывается высокой температурой в камере сгорания. Применение клапана EGR является альтернативной всем другим методам. Кроме улучшения экологических показателей (выброс NOх снижается до 50%) имеются и другие положительные моменты. В бензиновых двигателях порция отработавших газов, снижая разряжение во впускном коллекторе, уменьшает насосные потери, что способствует уменьшению расхода топлива на 2-3 %. EGR устанавливается как на бензиновых (кроме турбированных), так и на дизельных двигателях.

Алгоритм работы EGR зависит от типа двигателя. В дизелях клапан открывается на холостом ходу и подает до 50% объема воздуха на впуске. С ростом оборотов клапан пропорционально закрывается до полного закрытия при максимальной нагрузке. При прогреве двигателя клапан также полностью закрыт. В бензиновых двигателях EGR не включается на холодном двигателе, на холостом ходу и на оборотах максимального крутящего момента. При низкой и средней нагрузке система обеспечивает 5-10% подавляемого на впуск воздуха. Клапан EGR может устанавливаться на впускном коллекторе, во всасывающем тракте, или непосредственно на блоке дроссельных заслонок.

Так как в дизельных двигателях система EGR перепускает большее количество отработанных газов, то и клапаны в таких системах имеют перепускное отверстие большего диаметра по сравнению с бензиновыми. В некоторых дизелях, особенно турбированных, давление на выпуске небольшое, что делает невозможной рециркуляцию выхлопных газов. В таких случаях для создания необходимого пониженного давления во впускной трубопровод устанавливаются регулирующие (вихревые заслонки).

В электронных системах EGR управление клапаном осуществляет непосредственно блок управления двигателем без использования вакуума. Существует две основные конструкции цифровых клапанов EGR: с тремя или двумя разновеликими отверстиями. Отверстия закрываются соленоидами в разных комбинациях. При трех отверстиях можно получить 7 различных уровней рециркуляции, при двух отверстиях - три уровня. Еще более совершенным является клапан, степень открытия которого определяет ЭБУ через шаговый электродвигатель. Таким образом, получается плавное регулирование потока выхлопных газов.

На некоторых двигателях в системе EGR применяется дополнительное охлаждение газов. Для этого клапан регуляции включается в штатную систему охлаждения. Такая мера позволяет еще больше снизить выброс оксидов. бензиновый двигатель карбюратор инжекторный

Центральным звеном ЭСУД является электронный блок управления (ЭБУ) или контроллер. В ЭБУ поступают сигналы с многочисленных датчиков установленных на двигателе, опираясь на показания которых, ЭБУ управляет подачей топлива в цилиндры двигателя, а также углом опережения зажигания, поддержанием оборотов холостого хода и т.д.

Схема взаимосвязи контролируемых параметров, ЭБУ и управляемых устройств приведена на рис. 2.

Рис. 2. Схема взаимосвязи контролируемых параметров, ЭБУ и управляемых устройств

Учитывая бурный рост количества автомобилей во всем мире и особенно в крупных городах, правительство практически всех промышленно развитых стран приняли экологические стандарты в законодательном порядке, ограничивающие вредные выбросы автомобилей в атмосферу, причем примерно каждые 5 лет эти стандарты меняются в сторону их ужесточения (таблица).

Европейские стандарты токсичности выхлопа для легковых автомобилей, г/км

В требования стандарта Евро-1 после тщательной регулировки с трудом укладывались карбюраторные двигатели, поэтому эра карбюраторов завершилась.

В 1996 г. в Европе вступил в силу экологический стандарт Евро-2. Требованиям этого стандарта удовлетворяли не просто инжекторные двигатели, а только двигатели оснащенные системой нейтрализации отработавших газов, то есть имеющие в выпускной системе каталитический нейтрализатор и кроме того, обратную связь ЭБУ за контролем процесса сгорания топлива, которую обеспечивал датчик кислорода.

В каталитическом нейтрализаторе в результате химической реакции с кислородом СО превращается в СО ₂, углеводороды СН в воду Н ₂О, окислы азота NO_x - в азот N₂. Но для эффективной работы нейтрализатора необходимо чтобы он был прогрет до температуры не менее 360^оС и кроме того топливо должно подаваться в цилиндры в строгой пропорции с воздухом (так называемый стехиометрический состав б = 1). На автомобили стали устанавливать систему улавливания паров бензина.

В нашей стране экологический стандарт Евро-2 вступил в действие с июля 2006 г.

В 2000 г. в Европе вступил в силу новый стандарт по токсичности Евро-3. Кроме более жестких норм по токсичности, в него были включены требования по постоянному контролю работоспособности основных элементов системы, неисправности которых приводят к увеличению вредных выбросов в атмосферу.

Это потребовало установки второго - диагностического датчика кислорода и датчика неровной дороги. Автомобили, отвечающие требованиям этого стандарта, стали комплектоваться бортовой системой самодиагностики OBD II. Основные требования стандарта OBD II следующие:

1. Непрерывный контроль за вредными выбросами в атмосферу.

2. Стандартный диагностический разъем на автомобиле.

3. Стандартная распиновка контактов на диагностическом разъеме.

4. Диагностический разъем в свободной зоне доступа с места водителя.

5. Стандартная система кодирования ошибок.

6. Возможность считывания ошибок с помощью любого диагностического оборудования.

7. Оповещение водителя о возникшей неисправности в ЭСУД зажиганием диагностической лампы "CHECK ENGINE" на панели приборов.

Кроме того, согласно требованиям этого стандарта, уже через 40 секунд после запуска, двигатель должен обеспечивать выполнение требований по токсичности. Однако для выполнения этих требований и начала эффективной работы каталитический нейтрализатор должен прогреться до температуры не ниже 360^оС, также как и датчик кислорода.

На автомобилях под нормы токсичности Евро-2 каталитический нейтрализатор располагался под днищем автомобиля и прогревался в течение нескольких минут. По этой причине нейтрализатор установили непосредственно на двигатель, вместо чугунного выпускного коллектора. Его корпус был изготовлен из нержавеющей стали и получил название кат-коллектор. В верхней его части был установлен управляющий датчик кислорода, а в нижней части - диагностический датчик кислорода, для контроля правильности его работы.

Согласно требованиям этого стандарта, допускается не более трёх-четырех пропусков воспламенения рабочей смеси на сто рабочих ходов двигателя. В случае обнаружения таких пропусков воспламенения выше допустимого, ЭБУ независимо по какой причине они произошли (например, закоксовывание форсунки, неисправность свечи зажигания, модуля зажигания, высоковольтных проводов и т.п.) отключает форсунку подачи топлива в проблемный цилиндр. Для исключения ошибочного отключения подачи топлива при езде автомобиля по неровной дороге, датчик неровной дороги, установленный на автомобиле при езде по неровной дороге отключает систему слежения за пропусками воспламенения.

В нашей стране стандарт Евро-3 был введен в действие в 2008 г.

С 2005 г. в Европе действует новый стандарт по токсичности - Евро-4.

На автомобилях, отвечающих требованиям этого стандарта, помимо распределенного фазированного впрыска топлива, системы улавливания паров бензина, катколлектора с двумя датчиками кислорода, датчика неровной дороги, установлен электронный привод педали акселератора.

Это сделано с целью снизить выбросы вредных веществ в атмосферу при резком нажатии на педаль акселератора, так как при этом форсунки подают большое количество топлива, обогащая смесь, чтобы исключить провал двигателя при резком разгоне. Однако все топливо поступившее в цилиндры двигателя сгореть не успевает и часть его выбрасывается в атмосферу, загрязняя её.

В случае установки на автомобиле электронного привода педали акселератора при резком нажатии на педаль сигнал водителя игнорируется и автомобиль разгоняется плавно по программе заложенной в ЭБУ, тем самым обеспечивается полное сгорание топлива и исключается загрязнение окружающей среды.

В нашей стране стандарт Евро-4 вступил в действие с 1 января 2010 г.

На отечественных автомобилях под нормы токсичности Евро-4 примерно половина из них сходила с конвейера с электронным приводом педали акселератора, а другая без электронного привода педали акселератора, но с измененной программой под эти нормы токсичности, заложенной в ЭБУ.

С 1.09.2009 года в Европе действует стандарт Евро-5. В нашей стране этот стандарт начал действовать с 2016 года.

На этих автомобилях установлено всё тоже что и на автомобилях под нормы токсичности Евро-4 и кроме того, изменена программа управления двигателем - которая даже при резком нажатии на педаль акселератора обеспечивает только плавный разгон автомобиля, исключая тем самым увеличение вредных выбросов в атмосферу.

Все отечественные автомобили под нормы токсичности Евро-5 в настоящее время выпускаются только с электронным приводом педали акселератора.

Таким образом, благодаря всем этим конструктивным решениям современный бензиновый инжекторный двигатель стал экономичным и экологически чистым.

Следует отметить, что около 30% стоимости современного автомобиля составляет стоимость электронных устройств. Кроме электронной системы управления двигателем сюда ещё входят: антиблокировочная система (АБС) тормозов, противобуксовочные системы, системы курсовой устойчивости (ESP), навигационные системы, охранные системы, системы климат контроля, парковочные системы.

Список литературы

1. Волков В.С. Электроника и электрооборудование транспортно-технологических машин и оборудования, М.: Академия, 2013. 384 с.

2. Вердинский О.С., Поливаев О.И. Электронные системы управления бензиновых двигателей, М.: КноРУС, 2015. 96 с.

3. Ерохов В.И. Системы впрыска бензиновых двигателей (конструкция, расчет, диагностика). М.: Горячая линия - Телеком, 2011. 522 с.

4. Соснин Д.А. Яковлев В.Ф. Новейшие автомобильные электронные системы. М.: Солон - Пресс, 2005. 240 с.

5. Системы управления бензиновыми двигателями. М.: ООО "Книжное издательство "За рулем", 2005. 432 с.

6. Тюнин А.А Диагностика электронных систем управления двигателями легковых автомобилей. М.: СОЛОН - ПРЕСС, 2007. 352 с.

7. Ютт В.Е., Рузавин Г.Е. Электронные системы управления ДВС и методы их диагностирования. М.: Горячая линия - Телеком, 2007. 104 с.

8. Яковлев В.Ф. Диагностика электронных систем автомобиля. М.: СОЛОН - ПРЕСС, 2007 272 c.

Размещено на Allbest.ru