ФОРСИРОВАНИЕ АВТОМОБИЛЬНЫХ ДВИГАТЕЛЕЙ

THE FORCING OF AUTOMOBILE ENGINES

Ключевые слова: двигатель, мощность, форсирование, плотность заряда.

Keywords: The engine, power, to force, charge density.

Одним из путей форсирования двигателей является повышение плотности свежего заряда. Плотность заряда можно увеличить путём наддува, путём добавления окислителя в систему питания двигателя - таким окислителем может служить закись азота N2О - и путём непосредственного использования тепловой энергии отработавших газов в двигателе. Рассмотрены три способа форсирования автомобильных двигателей. Приведены рекомендации по использованию способов форсирования двигателей на стандартных двигателях.

One of ways of speeding up of engines is increasing of density of a fresh charge. Density of a charge can be increased by pressurization, by addition of an oxidizer in an engine power supply system - as such oxidizer N2O nitrous oxide - and by direct use of thermal energy of the fulfilled gases can serve in the engine. Three ways of speeding up of automobile engines are considered. Recommendations about use of ways of speeding up of engines are given in standard engines.

Форсирование существующих моделей автомобильных как дизельных, так и бензиновых двигателей является важной задачей, позволяющей повысить их мощность без существенного увеличения массы и габаритных размеров. Для оценки влияния различных факторов на величину мощности воспользуемся известным выражением:

где Ни низшая теплота сгорания топлива,^; 10 — масса воздуха для сгорания одного килограмма топлива, кг; r}t - индикаторный кпд; а - коэффициент избытка воздуха; rjv - коэффициент наполнения цилиндра; рк - плотность заряда, п - частота вращения, мин'1; т - тактность двигателя; rjM - механический кпд; i Vh - литраж двигателя, м3.

При неизменном литраже двигателя мощность может быть повышена путём увеличения частоты вращения п. Этот способ ограничен предельной (из условия долговечности конструкции) средней скоростью поршня, и двигатель не в состоянии пропустить большее количество топливно-воздушной смеси. Величина отношения ^ определяется индикаторным процессом в цилиндре и при современном уровне совершенства процесса рост этого параметра возможен на небольшую величину и не окажет существенного влияния на мощность. Еще один способ повышения термического кпд - повысить температуру охлаждающей жидкости выше «водяных» 100°С. В Формуле-1 температура сейчас достигла 130°С. Это достигается в том числе и повышением рабочего давления жидкости. Величина rv также достигла максимальных значений. Ведутся работы по снижению механических потерь, но

зз совершенствование этого параметра не может дать резкого повышения мощности. А вот повышение плотности заряда позволяет увеличить эффективную мощность на 40...50 % и более. Так, система наддува обеспечивает повышение мощности двигателя за счёт увеличения плотности воздуха рк на входе в цилиндр, что позволяет эффективно сжигать большее количество топлива, не снижая экологические показатели двигателей [1, с. 548].

Для форсирования двигателя наддувом выбран бензиновый двигатель из линейки TOYOTA - 1UZ-FE. Это V-образный 8-цилиндровый двигатель рабочим объёмом 4 литра, с электронным впрыском.

Характеристики 1UZ-FE: V-образный, 8-цилиндров, 32-клапана, тип топлива: бензин АИ-92, 95, 98; максимальная мощность двигателя, кВт/мин _1: 195/5500; максимальный крутящий момент, Нм/мин1: 261/4600; степень сжатия: 10,0; диаметр/ход поршня, мм: 87,5/82,5.

Данный двигатель выбран по нескольким причинам. В своё время он считался одним из самых надёжных и экономичных двигателей в своём классе; устойчиво работает на низких частотах вращения и имеет очень хороший потенциал к форсированию.

Давление наддува было принято 0,18 МПа, октановое число бензина 98; было вычислено, что необходимая степень сжатия составила 9, для этого нужно увеличить объём камеры сгорания с 55,5 см3 до 62,5 см3, то есть на 7 см3.

Для уменьшения степени сжатия установлены новые поршни (CP Pistons Toyota 1UZ-FE) с углублением в центре. Чтобы снизить температуру на впуске, использовался промежуточный охладитель воздух/воздух. Это позволяет повысить плотность воздуха, устранить возможность возникновения детонации и, следовательно, снизит давление впуска. Агрегат воздух/воздух проще по конструкции, имеет большую тепловую эффективность на высоких скоростях, большую надёжность, более простое обслуживание, и, наконец, низкую стоимость. Использование в системе промежуточного охладителя с эффективностью 60 % даст увеличение плотности воздушного заряда приблизительно 16 %. Расчёт интеркулера показывает, что потери при прохождении воздушного потока сквозь промежуточный охладитель составляют 8 %.

При выборе компрессора опирались на то, что данный двигатель хорошо и устойчиво работает на низких частотах вращения, но на высоких частотах кривая момента и мощности у него начинает снижаться. Поэтому выбрали систему из двух турбокомпрессоров (Garrett GT2554R 471171-3 aka GT25R) [2], по одному на каждую ГВЦ, но в одну дроссельную заслонку (по системе twin turbo). Турбокомпрессоры по расчётам эффективно работают со средних частот вращения, и их максимальный КПД приходится на высокие частоты вращения двигателя. При выборе турбокомпрессоров были учтены рассчитанный расход воздуха и карты компрессоров, представленные изготовителем компрессоров.

Форсирование двигателя затрагивает и решение других важных вопросов в подготовке автомобиля к эксплуатации, таких как промежуточное охлаждение воздуха (интеркулер кит) и реконструкция топливной системы (топливный насос NISSAN SKYLINE GTR, 255 л/ч). Необходимо позаботиться об охлаждении и смазке турбокомпрессора (датчики ШЛЗ, ЕГТ, давление масла, температура масла, температура ОЖ, давление турбины) и установке электронного блока управления двигателем (Motec) [2, с. 90].

Теоретические расчёты показали, что максимальная мощность форсированного двигателя увеличилась до 275 кВт. Для подтверждения результатов расчётов необходимо провести стендовые испытания двигателя и снять внешнюю скоростную характеристику на всём диапазоне рабочих частот двигателя.

Плотность заряда можно увеличить и путём добавления окислителя в систему питания двигателя. Таким окислителем может служить закись азота N2O. Такие устройства называются системами закиси азота. Система закиси азота (от англ. - Nitrous Oxide System - NOS) - системы, использующиеся для улучшения технических характеристик двигателей внутреннего сгорания. Закись азота и горючая смесь впрыскиваются во впускной коллектор двигателя. Попадая в смесь в виде сжиженного газа, закись азота немедленно её охлаждает. Типичная система впрыска азота способна понизить температуру поступающего воздуха примерно до минус 1°С.

Закись азота - это бесцветный газ с характерным запахом, тяжелее воздуха. Плотность его при температуре 0°С и давлении 0,1 МПа составляет 1,98^. Жидкое состояние - при комнатной температуре и давлении 4 МПа. Температура кипения равна минус 89,5°С. При температуре выше 260°С закись азота распадается на кислород и азот.

Плотность закиси азота примерно на 50% больше плотности воздуха. Кислород в ней составляет около 36 % (а в воздухе 21 %). При высокой температуре N2O действует как сильный окислитель. При температуре выше 260°С закись азота разлагается на составляющие, при этом появляется свободный кислород в атомарном, а не молекулярном состоянии. То есть реакция разложения закиси азота в цилиндрах протекает столь быстро, что атомы кислорода не успевают образовать молекулы и потому более активно окисляют молекулы бензина. Так что реакция горения протекает более интенсивно. Таким образом, при впрыскивании закиси азота и горючей смеси во впускной коллектор двигателя: 1) снижается температура всасываемого в двигатель воздуха, обеспечивается высокая плотность поступающего заряда; 2) увеличивается содержание кислорода в поступающем заряде; 3) увеличивается интенсивность сгорания в цилиндрах двигателя.

На сегодняшней день существует множество разновидностей систем впрыска закиси, но в итоге все они сводятся к трём основным: «сухая» - закись азота впрыскивается во впускной трубопровод, а топливо, которое требуется дополнительно, подаётся через топливные инжекторы штатной системы питания двигателя, и коллектор остается «сухим» от топлива; «мокрая» - система, добавляющая закись азота и топливо одновременно, в одном и том же месте. Эта система впрыска закиси делает впускной коллектор «мокрым» от топлива - перед подачей в цилиндры закись перемешивается с топливом; «система прямого впрыска закиси азота» - закись азота и дополнительное топливо впрыскивается во впускные каналы через индивидуальные форсунки в цилиндры. Обычно в таких системах и закись, и топливо попадает в камеру сгорания через одну общую форсунку. Существует возможность контролировать соотношение азот/топливо индивидуально для каждого цилиндра. Нормальное соотношение азот/топливо составляет 8,5:1, а для воздушно-топливной смеси обычного двигателя соотношение составляет 14,7:1. Это самый мощный и самый точный тип системы. В связи с этим, такие системы применяются в основном на спортивных автомобилях [3, с. 93].

Рекомендуется использовать следующие значения мощности систем закиси для стандартных двигателей: 30-45 кВт для четырехцилиндровых двигателей; 55-75 кВт для шестицилиндровых. Регулировка момента зажигания осуществляется так, чтобы максимальное давление в цилиндре приходилось на интервал между 10 и 15 градусами после верхней мёртвой точки. Для этого необходимо угол опережения зажигания уменьшить на 1,5-2 градуса на каждые 35 кВт, добавленных при помощи закиси. В связи с высоким температурным режимом работы свечей зажигания необходимо использовать свечи «холодного диапазона» с короткой резьбовой частью и с уменьшенным зазором между электродами (от 0,65 до 0,90 мм).

Важным способом форсирования двигателей является непосредственное использование тепловой энергии отработавших газов. Коэффициент полезного действия (КПД) современного двигатели составляет 25.. .33 % в зависимости от типа используемого топлива. Основной проблемой, встающей при попытке увеличения КПД, является высокая температура газов в рабочих процессах четырехтактных ДВС (в камере сгорания температура газа достигает 2500°С). И, как результат, нагрев элементов камеры сгорания и рабочей поверхности поршня до 900... 1500°С.

Также часть тепловой энергии отводится из камеры сгорания с отработавшими газами на четвёртом такте. Необходимым условием в таком режиме работы является наличие мощной и надёжной системы охлаждения, позволяющей поддерживать температуру камеры сгорания на оптимальном уровне.

Использование хотя бы части этой энергии позволит существенно повысить эффективность ДВС. Решением данной проблемы занимались многие изобретатели, найти простой и эффективный выход удалось Брюсу Кроуэру - изобретателю шеститактного двигателя. Для большей эффективности использования теплоты двигателя Кроуэр предложил добавить еще 2 такта. Эти такты (рабочий и холостой) выполняются за счёт энергии избыточной температуры. Рабочим телом в двигателе являлась вода, которая достигает 1600-кратное увеличение своего объёма при переходе из жидкого в парообразное состояние. Таким образом удаётся преобразовать тепловую энергию двигателя в потенциальную энергию газов, а затем преобразовать в механическую работу коленчатого вала. Технология дополнительного использования тепловой энергии сгоревшего топлива получила название Steam-o-Lene [4, с. 106].

Основным преимуществом технологии Steam-o-Lene над традиционной технологией является радикальное решение проблемы охлаждения корпуса камеры сгорания, за счёт чего из конструкции исключаются система охлаждения и радиаторная решётка, что способствует улучшению коэффициента аэродинамического сопротивления автомобиля на высоких скоростях. Кроме того, достигается существенное (до 20...30%) форсирование двигателей по степени сжатия без допущения детонации - для бензиновых до 14... 16, для дизельных до 25... 30. Таким образом, за счёт повышения эффективности при сгорании топливовоздушной смеси удаётся улучшить экологические параметры двигателей (снижение оксидов азота) [4, с. 107].

Расширение числа тактов до шести обеспечило возможность существенного снижения частоты вращения коленчатого вала и получение более ровной и насыщенной «полки» крутящего момента даже на низких оборотах.

Библиографический список

  • 1. S.M. Ugay, S.V. Starkov, Y.N. Gorchakov, A.V. Starkov, A.A. Karev. Diesel cars and the environment // Life Science Journal, 2014 № 1 l(10s). p. 548-551. http://www.lifesciencesite.com
  • 2. Горчаков, Ю.Н. Турбирование автомобильного двигателя TOYOTA - 1UZ-FE [Текст] / Ю.Н. Горчаков, М.А. Гмызин // Перспективы развития и безопасность автотранспортного комплекса: материалы III Международ. Науч.-практ. конф., г. Новокузнецк, 28-30 ноября 2013 г.- Новокузнецк, 2013. - С. 88-91.
  • 3. Горчаков, Ю.Н. Форсирование автомобильных двигателей с использованием системы впрыска закиси азота [Текст] / Ю.Н. Горчаков, М.А. Журов // Инновации и исследования в транспортном комплексе: Материалы II Международю науч.-практ. конф. - Курган, 2014. - С. 92-94.
  • 4. Г орчаков, Ю.Н. Особенности рабочего процесса шеститактного двигателя внутреннего сгорания / Ю.Н. Горчаков, И.С. Фролов // Автомобильный транспорт Дальнего Востока / ФГБОУ ВПО «Тихоокеанский государственный университет». - Хабаровск, 2014. - №1 С. 106-108.

© Горчаков Ю.Н., Клушин А.В., 2015

УДК 629.423.31(043)

DOI 10.12737/13836

Ле Суан Хонг

аспирант кафедры электрического транспорта Национального исследовательского университета «Московского энергетического института», РФ Тулупов В.Д.

Доктор техн. наук, профессор кафедры электрического транспорта Национального исследовательского университета «Московского энергетического института», РФ

Le Xuan Hong

graduate student at the department of electrical transport, National Research University «Moscow Power Engineering Institute», Russian Federation

Tulupov V.D.

Doctor of Sciences, professor at the department of electrical transport, National Research University «Moscow Power Engineering Institute», Russian Federation

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >