Обедненное сгорание в двигателях внутреннего сгорания

Введение

Сжигание топлива с избытком воздуха в двигателе внутреннего сгорания

Обедненное сгорание – это сжигание топлива с избытком воздуха в двигателе внутреннего сгорания. В двигателях с обедненной смесью соотношение воздуха к топливу может достигать 65:1 (по массе). Для стехиометрического сгорания бензина требуется соотношение воздуха к топливу 14,64:1. Избыток воздуха в двигателе с обедненной смесью приводит к значительно меньшему выбросу углеводородов. Высокие значения соотношения воздух/топливо также могут использоваться для снижения потерь, вызванных другими системами управления мощностью двигателя, такими как потери на дросселировании.

Принцип

Режим обедненной смеси – это способ снизить дроссельные потери. Двигатель в обычном автомобиле рассчитывается на обеспечение мощности, необходимой для ускорения, но в нормальном режиме движения с постоянной скоростью должен работать значительно ниже этой точки. Обычно мощность снижается путем частичного закрытия дроссельной заслонки. Однако дополнительная работа, затрачиваемая на прокачку воздуха через дроссель, снижает эффективность. Если уменьшить соотношение топлива к воздуху, то можно добиться меньшей мощности при более открытой дроссельной заслонке, и эффективность при нормальном вождении (ниже максимального крутящего момента двигателя) может быть выше. Двигатели, разработанные для работы с обедненной смесью, могут использовать более высокие степени сжатия и, следовательно, обеспечивать лучшую производительность, экономичное расходование топлива и низкие выбросы углеводородов в выхлопе по сравнению с обычными бензиновыми двигателями. Ультраобедненные смеси с очень высоким соотношением воздуха к топливу могут быть достигнуты только в двигателях с непосредственным впрыском. Основным недостатком работы с обедненной смесью является необходимость в сложной системе каталитического нейтрализатора для снижения выбросов NOx. Двигатели с обедненной смесью плохо работают с современными трехкомпонентными каталитическими нейтрализаторами, которым требуется баланс загрязняющих веществ на выходе из выхлопной системы для проведения реакций окисления и восстановления, поэтому большинство современных двигателей обычно работают и замедляются в стехиометрической точке или вблизи нее.

Chrysler Electronic Lean-Burn (электронный двигатель с несколькими двигателями)

С 1976 по 1989 год Chrysler оснащал многие автомобили системой электронного обедненного сгорания (ELB), которая состояла из компьютера управления зажиганием и различных датчиков и преобразователей. Компьютер регулировал угол опережения зажигания на основе вакуума во впускном коллекторе, оборотов двигателя, температуры двигателя, изменения положения дроссельной заслонки во времени и температуры поступающего воздуха. Двигатели, оснащенные ELB, использовали распределители зажигания с фиксированным углом опережения, лишенные традиционных вакуумных и центробежных механизмов опережения. Компьютер ELB также напрямую управлял катушкой зажигания, что исключало необходимость в отдельном модуле зажигания. ELB выпускался в вариантах с разомкнутым и замкнутым контуром; системы с разомкнутым контуром обеспечивали достаточно чистые выхлопные газы для соответствия федеральным нормам выбросов США 1976 и 1977 годов, а также канадским нормам до 1980 года, без использования каталитического нейтрализатора. Версия ELB с замкнутым контуром использовала датчик кислорода и карбюратор с обратной связью и внедрялась в производство постепенно, по мере ужесточения норм выбросов, начиная с 1981 года. Однако системы ELB с разомкнутым контуром применялись до 1990 года на рынках с менее строгими нормами выбросов, например, на мексиканском Chrysler Spirit. Стратегии управления зажиганием и определения параметров двигателя, а также преобразования сигналов, впервые реализованные в ELB, оставались в использовании до 1995 года на автомобилях Chrysler с впрыском топлива в корпус дроссельной заслонки.

Газовые двигатели тяжелого назначения

Концепции обедненного сгорания часто используются при проектировании мощных двигателей, работающих на природном газе, биогазе и сжиженном нефтяном газе (СНГ). Эти двигатели могут работать постоянно в режиме обедненного сгорания, когда двигатель работает на слабой топливовоздушной смеси независимо от нагрузки и скорости вращения, или временно в режиме обедненного сгорания (также известном как "обедненная смесь" или "смешанное обеднение"), когда двигатель работает в обедненном режиме только при низкой нагрузке и высоких оборотах, переключаясь на стехиометрическую смесь в остальных случаях. В мощных двигателях с обедненным сгоранием в камеры сгорания подается в два раза больше воздуха, чем теоретически необходимо для полного сгорания. Чрезвычайно слабая топливовоздушная смесь приводит к снижению температуры сгорания и, следовательно, к уменьшению образования NOx. Хотя двигатели с обедненным сгоранием обеспечивают более высокую теоретическую тепловую эффективность, в определенных ситуациях может ухудшаться переходная характеристика и производительность. Однако достижения в области управления топливом и систем обратной связи, реализованные такими компаниями, как North American Repower, позволили создать современные двигатели с обедненным сгоранием, сертифицированные CARB, для использования в коммерческих автопарках. Двигатели с обедненным сгоранием почти всегда оснащены турбонаддувом, что обеспечивает высокую мощность и крутящий момент, недостижимые для стехиометрических двигателей из-за высоких температур сгорания. В мощных газовых двигателях могут использоваться предкамеры сгорания в головке блока цилиндров. Обедненная топливовоздушная смесь сначала сильно сжимается в основной камере поршнем. Гораздо более богатая, но меньшая по объему, топливовоздушная смесь подается в предкамеру сгорания и воспламеняется свечой зажигания. Фронт пламени распространяется на обедненную топливовоздушную смесь в цилиндре. Это двухступенчатое обедненное сгорание обеспечивает низкий уровень выбросов NOx и полное отсутствие твердых частиц. Тепловая эффективность выше благодаря достижению более высоких степеней сжатия. Производители мощных двигателей с обедненным сгоранием включают MTU, Cummins, Caterpillar, MWM, GE Jenbacher, MAN Diesel & Turbo, Wärtsilä, Mitsubishi Heavy Industries, Dresser Rand Guascor, Waukesha Engine и Rolls Royce Holdings.

Lean burn concepts are often used for the design of heavy duty natural gas, biogas, and liquefied petroleum gas (LPG) fuelled engines. These engines can either be full time lean burn, where the engine runs with a weak air–fuel mixture regardless of load and engine speed, or part time lean burn (also known as "lean mix" or "mixed lean"), where the engine runs lean only during low load and at high engine speeds, reverting to a stoichiometric air–fuel mixture in other cases. Heavy duty lean burn gas engines admit twice as much air as theoretically needed for complete combustion into the combustion chambers. The extremely weak air–fuel mixtures lead to lower combustion temperatures and therefore lower NOx formation. While lean burn gas engines offer higher theoretical thermal efficiencies, transient response and performance may be compromised in certain situations. However, advances in fuel control and closed loop technology by companies like North American Repower have led to production of modern CARB certified lean burn heavy duty engines for use in commercial vehicle fleets. Lean burn gas engines are almost always turbocharged, resulting in high power and torque figures not achievable with stoichiometric engines due to high combustion temperatures. Heavy duty gas engines may employ precombustion chambers in the cylinder head. A lean gas and air mixture is first highly compressed in the main chamber by the piston. A much richer, though much lesser volume gas/air mixture is introduced to the precombustion chamber and ignited by spark plug. The flame front spreads to the lean gas air mixture in the cylinder. This two stage lean burn combustion produces low NOx and no particulate emissions. Thermal efficiency is better as higher compression ratios are achieved. Manufacturers of heavy duty lean burn gas engines include MTU, Cummins, Caterpillar, MWM, GE Jenbacher, MAN Diesel & Turbo, Wärtsilä, Mitsubishi Heavy Industries, Dresser Rand Guascor, Waukesha Engine and Rolls Royce Holdings.

Системы с низким содержанием топлива Honda

Одна из новейших технологий обедненного сгорания, доступных в современных серийных автомобилях, использует прецизионное управление впрыском топлива, создание мощного вихревого потока топливно-воздушной смеси в камере сгорания, новый линейный датчик состава топливно-воздушной смеси (LAF-тип O2-сенсора) и катализатор NOx для обедненных смесей, чтобы дополнительно снизить выбросы NOx, которые возрастают при работе в режиме обедненного сгорания, и соответствовать требованиям по выбросам NOx. Этот подход со стратифицированным зарядом при обедненном сгорании означает, что соотношение воздуха и топлива неоднородно по всему объему цилиндра. Вместо этого, точное управление впрыском топлива и динамикой впускного потока позволяет создать более высокую концентрацию топлива вблизи свечи зажигания (обогащенная смесь), что необходимо для надежного воспламенения и распространения пламени для обеспечения полного сгорания. Остальная часть заряда цилиндра постепенно обедняется, при этом среднее общее соотношение воздуха к топливу попадает в диапазон обедненного сгорания – до 22:1. Более ранние двигатели Honda, использовавшие обедненное сгорание (хотя и не все), достигали этого за счет параллельной системы подачи топлива и воздуха, которая подавала в предкамеру "идеальное" соотношение для начального сгорания. Затем эта горящая смесь поступала в основную камеру, где воспламенялась гораздо большая и обедненная смесь, обеспечивая достаточную мощность. В период производства этой конструкции система (CVCC, Compound Vortex Controlled Combustion) в основном позволяла снизить выбросы без необходимости использования каталитического нейтрализатора. Это были карбюраторные двигатели, и относительная "неточность" таких систем ограничивала потенциал экономии топлива, который теперь, благодаря MPI (многоточечному впрыску топлива), позволяет достичь более высоких показателей MPG. Новые двигатели Honda со стратифицированным зарядом (работающие по принципу обедненного сгорания) работают с соотношением воздух/топливо до 22:1. Количество топлива, поступающего в двигатель, значительно меньше, чем в типичном бензиновом двигателе, который работает при 14,7:1 – химически стехиометрическом идеале для полного сгорания при усредненном бензине, соответствующем принятому в нефтехимической промышленности стандарту C8H18. Способность к обедненному сгоранию, обусловленная ограничениями физики и химией сгорания в современных бензиновых двигателях, должна быть ограничена условиями малой нагрузки и низких оборотов. Требуется ограничение максимальной скорости, поскольку обедненные топливно-воздушные смеси горят медленнее, и для выработки мощности сгорание должно быть "полным" к моменту открытия выпускного клапана.

One of the newest lean burn technologies available in automobiles currently in production uses very precise control of fuel injection, a strong air–fuel swirl created in the combustion chamber, a new linear air–fuel sensor (LAF type O2 sensor) and a lean burn NOx catalyst to further reduce the resulting NOx emissions that increase under "lean burn" conditions and meet NOx emissions requirements. This stratified charge approach to lean burn combustion means that the air–fuel ratio is not equal throughout the cylinder. Instead, precise control over fuel injection and intake flow dynamics allows a greater concentration of fuel closer to the spark plug tip (richer), which is required for successful ignition and flame spread for complete combustion. The remainder of the cylinders' intake charge is progressively leaner with an overall average air:fuel ratio falling into the lean burn category of up to 22:1. The older Honda engines that used lean burn (not all did) accomplished this by having a parallel fuel and intake system that fed a pre chamber the "ideal" ratio for initial combustion. This burning mixture was then opened to the main chamber where a much larger and leaner mix then ignited to provide sufficient power. During the time this design was in production this system (CVCC, Compound Vortex Controlled Combustion) primarily allowed lower emissions without the need for a catalytic converter. These were carbureted engines and the relative "imprecise" nature of such limited the MPG abilities of the concept that now under MPI (Multi Port fuel Injection) allows for higher MPG too. The newer Honda stratified charge (lean burn engines) operate on air–fuel ratios as high as 22:1. The amount of fuel drawn into the engine is much lower than a typical gasoline engine, which operates at 14.7:1—the chemical stoichiometric ideal for complete combustion when averaging gasoline to the petrochemical industries' accepted standard of C8H18. This lean burn ability by the necessity of the limits of physics, and the chemistry of combustion as it applies to a current gasoline engine must be limited to light load and lower RPM conditions. A "top" speed cut off point is required since leaner gasoline fuel mixtures burn slower and for power to be produced combustion must be "complete" by the time the exhaust valve opens.

Двигатели Toyota с низким содержанием топлива

В 1984 году Toyota выпустила двигатель 4A ELU. Это был первый в мире двигатель, использующий систему управления обедненным сгоранием с датчиком обедненной смеси, названную Toyota "TTC L" (Toyota Total Clean Lean Burn). Ранее Toyota использовала систему обедненного сгорания, которую называла "Turbulence Generating Pot" (TGP). TTC L применялся в Японии на Toyota Carina T150, заменяя более ранний подход рециркуляции отработавших газов TTC V (Vortex), а также на Toyota Corolla E80 и Toyota Sprinter. Датчик обедненной смеси был установлен в выхлопную систему для определения соотношения воздух/топливо, меньшего теоретического. Компьютер, используя сигнал от этого датчика, точно регулировал объем впрыска топлива для обеспечения обратной связи по обедненному соотношению воздух/топливо. Для оптимального сгорания применялись следующие решения: попарное независимое управление впрыском, точно изменяющее объем и момент впрыска для каждого цилиндра, платиновые свечи зажигания для повышения эффективности зажигания обедненных смесей и высокопроизводительные катушки зажигания. Двигатели 4A FE (1587 см³) и 7A FE (1762 см³) с обедненным сгоранием имеют по 2 впускных и 2 выпускных клапана на цилиндр. Toyota использует дроссельные заслонки для ограничения потока воздуха в каждом втором впускном канале при работе в режиме обедненного сгорания. Это создает интенсивный вихревой поток в камере сгорания. Форсунки установлены в головке блока цилиндров, а не традиционно – во впускном коллекторе. Степень сжатия 9.5:1. Двигатель 3S FSE (1998 см³) – бензиновый двигатель с непосредственным впрыском и обедненным сгоранием. Степень сжатия 10:1.

Приложения

Toyota двигатель с обедненной смесью Области применения Снаряженная масса Расход топлива, Япония (цикл 10-15) Емкость топливного бака Запас хода Годы Модель Двигатель кг фунты л/100 км км/л mpg (UK) mpg (US) л галлонов (UK) галлонов (US) км мили Примечания1984–88 Carina T1504A ELU950 2100 5.6 17.0 5.0 4 16.0 13.2 15.9 10.5 6.6 5spd (мех. коробка передач)1994–96 Carina SG i SX i 7A-FE 1040 2292 5.6 17.6 5.0 4 16.0 13.2 15.9 10.5 6.6 5spd (мех. коробка передач)1998–2000 Corona Premio G3S FSE1200 2645 5.8 17.2 4.9 4 16.0 13.2 15.9 10.3 4.6 4.3 Auto (автомат)1996–97 Caldina FZ CZ7A-FE 1140 2513 5.6 17.6 5.0 4 16.0 13.2 15.9 10.5 6.6 5spd (мех. коробка передач)1997–2000 Avensis T221 7A-FE 1260 2778 6.0 13.2 15.91997–2002 Caldina E7A-FE 1200 2645 5.6 17.6 5.0 4 16.0 13.2 15.9 10.5 6.6 5spd (мех. коробка передач)1997–2002 Spacio 7A-FE Auto

Магические двигатели Nissan

Двигатели Nissan QG – это алюминиевые двигатели с низким расходом топлива, имеющие конструкцию DOHC с четырьмя клапанами на цилиндр, систему изменения фаз газораспределения и опциональную систему непосредственного впрыска NEO Di. У двигателя QG15DE объемом 1497 куб. см степень сжатия составляет 9,9:1, а у QG18DE объемом 1769 куб. см – 9,5:1.

Дизельные двигатели

Все дизельные двигатели можно рассматривать как работающие на обедненной смеси по отношению к общему объему, однако топливо и воздух недостаточно хорошо смешиваются до начала сгорания. Большая часть сгорания происходит в богатых зонах вокруг мелких капель топлива. Локально богатое сгорание является источником выбросов твердых частиц (PM).