Под обедненной смесью понимается сжигание топлива с избытком воздуха в двигателе внутреннего сгорания . В двигателях, работающих на обедненной смеси, соотношение воздух-топливо может достигать 65:1 (по массе). Соотношение воздух/топливо, необходимое для стехиометрического сгорания бензина, напротив, составляет 14,64:1. Избыток воздуха в двигателе, работающем на обедненной смеси, выделяет гораздо меньше углеводородов. Высокие соотношения воздух-топливо также можно использовать для уменьшения потерь, вызванных другими системами управления мощностью двигателя, такими как потери на дросселирование.
Режим сжигания обедненной смеси — это способ уменьшить потери при дросселировании. Размер двигателя типичного транспортного средства рассчитан на обеспечение мощности, необходимой для ускорения, но при нормальной работе на постоянной скорости он должен работать значительно ниже этой точки. Обычно мощность отключается при частичном закрытии дроссельной заслонки. Однако дополнительная работа по прокачке воздуха через дроссель снижает эффективность. Если соотношение топливо/воздух уменьшено, то более низкая мощность может быть достигнута при приближении дроссельной заслонки к полностью открытому, а эффективность во время нормального вождения (ниже максимального крутящего момента двигателя) может быть выше.
Двигатели , предназначенные для сжигания обедненной смеси, могут использовать более высокие степени сжатия и, таким образом, обеспечивать лучшую производительность, эффективное использование топлива и низкий уровень выбросов углеводородов в выхлопные газы, чем те, которые встречаются в обычных бензиновых двигателях . Сверхбедные смеси с очень высоким соотношением воздух-топливо можно получить только в двигателях с непосредственным впрыском .
Основным недостатком сжигания обедненной смеси является то, что для снижения выбросов NOx требуется сложная система каталитического нейтрализатора . Двигатели, работающие на обедненной смеси, плохо работают с современными трехкомпонентными каталитическим нейтрализаторами , которым требуется баланс загрязняющих веществ в выхлопном отверстии, чтобы они могли осуществлять реакции окисления и восстановления, поэтому большинство современных двигателей имеют тенденцию двигаться в крейсерском режиме и двигаться по инерции в стехиометрической точке или около нее. .
С 1976 по 1989 год компания Chrysler оборудовала многие автомобили своей системой Electronic Lean-Burn (ELB) , которая состояла из компьютера управления искрой, а также различных датчиков и преобразователей . Компьютер регулировал момент зажигания на основе вакуума в коллекторе, частоты вращения двигателя, температуры двигателя, положения дроссельной заслонки с течением времени и температуры входящего воздуха. В двигателях, оснащенных ELB, использовались распределители с фиксированным газораспределением без традиционных вакуумных и центробежных механизмов опережения газораспределения. Компьютер ELB также напрямую управлял катушкой зажигания, устраняя необходимость в отдельном модуле зажигания.
ELB производился как в разомкнутом, так и в замкнутом вариантах; системы с разомкнутым контуром производили выхлопные газы, достаточно чистые для многих вариантов транспортных средств, оборудованных таким образом, чтобы соответствовать федеральным нормам выбросов США 1976 и 1977 годов и канадским нормам выбросов до 1980 года, без каталитического нейтрализатора . Версия ELB с замкнутым контуром использовала датчик кислорода и карбюратор с обратной связью и была запущена в производство, поскольку правила выбросов стали более строгими, начиная с 1981 года, но ELB с разомкнутым контуром использовался только в 1990 году на рынках со слабыми правилами выбросов, на транспортные средства, такие как мексиканский Chrysler Spirit . Стратегии управления искрой, определения и преобразования параметров двигателя, представленные в ELB, использовались до 1995 года на автомобилях Chrysler, оснащенных системой впрыска топлива через дроссельную заслонку . [ нужна цитата ]
Концепции сжигания обедненной смеси часто используются при проектировании мощных двигателей, работающих на природном газе , биогазе и сжиженном нефтяном газе (СНГ). Эти двигатели могут либо работать на обедненной смеси постоянно, когда двигатель работает на слабой топливно-воздушной смеси независимо от нагрузки и частоты вращения двигателя, либо работать на частично обедненной смеси (также известной как «бедная смесь» или «смешанная обедненная смесь»). ), где двигатель работает на бедной смеси только при низкой нагрузке и на высоких оборотах, а в других случаях возвращается к стехиометрической воздушно-топливной смеси.
Тяжелые двигатели, работающие на обедненной газовой смеси, пропускают в камеры сгорания в два раза больше [1] воздуха, чем теоретически необходимо для полного сгорания. Чрезвычайно слабые топливовоздушные смеси приводят к более низким температурам сгорания и, следовательно, к меньшему образованию NOx. Хотя двигатели, работающие на обедненной газовой смеси, обеспечивают более высокий теоретический тепловой КПД, в определенных ситуациях переходные характеристики и производительность могут быть нарушены. Однако достижения таких компаний, как North American Repower, в области контроля топлива и технологий замкнутого контура привели к производству современных двигателей для тяжелых условий эксплуатации, сертифицированных CARB, для использования в парках коммерческих автомобилей. [2] Двигатели, работающие на обеднённом газе, почти всегда оснащены турбонаддувом, что приводит к высоким показателям мощности и крутящего момента, недостижимым для стехиометрических двигателей из-за высоких температур сгорания.
Газовые двигатели для тяжелых условий эксплуатации могут использовать камеры предварительного сгорания в головке блока цилиндров. Бедная газовоздушная смесь сначала сильно сжимается в основной камере поршнем. Гораздо более богатая, хотя и гораздо меньшая по объему газовоздушная смесь подается в камеру сгорания и воспламеняется свечой зажигания. Фронт пламени распространяется на обедненную газовоздушную смесь в цилиндре.
Двухступенчатое сжигание бедной смеси обеспечивает низкий уровень выбросов NOx и отсутствие выбросов твердых частиц. Термический КПД выше, поскольку достигается более высокая степень сжатия.
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.
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.
Эта способность сжигания обедненной смеси из-за ограничений физики и химии сгорания, применимых к современному бензиновому двигателю, должна быть ограничена условиями малой нагрузки и более низких оборотов в минуту. Требуется точка отсечки «максимальной» скорости, поскольку более обедненные бензиновые топливные смеси сгорают медленнее, а для выработки мощности сгорание должно быть «полным» к моменту открытия выпускного клапана.
В 1984 году Toyota выпустила двигатель 4A-ELU . Это был первый двигатель в мире, в котором использовалась система контроля сгорания обедненной смеси с датчиком обедненной смеси, названная Toyota «TTC-L» ( Toyota Total Clean -Lean-Burn). Toyota также называла более раннюю систему сжигания обедненной смеси «горшком, генерирующим турбулентность» (TGP). TTC-L использовался в Японии на Toyota Carina T150, заменяя подход к рециркуляции выхлопных газов TTC-V (Vortex) , использовавшийся ранее в Toyota Corolla E80 и Toyota Sprinter . Датчик обедненной смеси был установлен в выхлопной системе для определения соотношения воздух-топливо, обедненного по сравнению с теоретическим. Затем объем впрыска топлива точно контролировался компьютером с использованием этого сигнала обнаружения для достижения обратной связи по обедненной смеси топливовоздушной смеси. Для оптимального сгорания были применены следующие элементы: программный независимый впрыск, точно изменявший объем и время впрыска для отдельных цилиндров, платиновые свечи для улучшения характеристик зажигания на бедных смесях и высокоэффективные воспламенители. [6]
Версии 4-цилиндровых двигателей объемом 1587 куб.см 4A-FE и 7A-FE объемом 1762 куб.см, работающие на обедненной смеси, имеют по 2 впускных и 2 выпускных клапана на цилиндр. Toyota использует набор бабочек для ограничения потока в каждом втором впускном канале во время работы на обедненной смеси. Это создает большое завихрение в камере сгорания. Форсунки установлены в головке, а не традиционно во впускном коллекторе. Степень сжатия 9,5:1. [7] Двигатель 3S-FSE объемом 1998 куб.см представляет собой бензиновый двигатель с непосредственным впрыском топлива, работающий на обедненной смеси. Степень сжатия 10:1. [8]
Двигатели Nissan QG представляют собой алюминиевые 4-клапанные двигатели DOHC , работающие на обедненной смеси, с регулируемыми фазами газораспределения и дополнительным непосредственным впрыском NEO Di. QG15DE объемом 1497 куб.см имеет степень сжатия 9,9:1 [15] , а QG18DE объемом 1769 куб.см — 9,5:1. [16]
В 1991 году компания Mitsubishi разработала и начала производство системы сжигания обедненной смеси MVV (Mitsubishi Вертикальный Vortex), впервые использованной в двигателе Mitsubishi объемом 1,5 л 4G15 с рядной четверкой и одним верхним расположением распредвала объемом 1468 куб.см. Вертикально-вихревой двигатель имеет частоту вращения холостого хода 600 об/мин и степень сжатия 9,4:1 по сравнению с соответствующими показателями 700 об/мин и 9,2:1 для обычной версии. Двигатель MVV, работающий на обедненной топливной смеси, может обеспечить полное сгорание с соотношением воздух-топливо до 25:1, что дает прирост экономии топлива на 10–20% (по японскому 10-режимному городскому циклу) в стендовых испытаниях по сравнению с его двигателем. обычная силовая установка MPI того же рабочего объема, что означает более низкие выбросы CO 2 . [18] [19]
Сердцем системы MVV Mitsubishi является датчик кислорода в выхлопных газах с линейным соотношением воздух-топливо. По сравнению со стандартными кислородными датчиками, которые по сути представляют собой двухпозиционные переключатели, настроенные на одно соотношение воздух/топливо, датчик обедненной смеси кислорода представляет собой скорее измерительное устройство, охватывающее диапазон соотношения воздух/топливо от 15:1 до 26:1. [19]
Чтобы ускорить сгорание бедных смесей, которое в противном случае было бы медленным, в двигателе MVV используются два впускных клапана и один выпускной клапан на цилиндр. Отдельные впускные каналы специальной формы (конструкция с двумя впускными каналами) имеют одинаковый размер, но только один канал получает топливо из форсунки. Это создает два вертикальных вихря одинакового размера, силы и скорости вращения внутри камеры сгорания во время такта впуска: один вихрь воздуха, другой вихря топливовоздушной смеси. Два вихря также остаются независимыми слоями на протяжении большей части такта сжатия. [18] [19]
Ближе к концу такта сжатия слои разрушаются, образуя равномерные мельчайшие завихрения, которые эффективно способствуют сжиганию обедненной смеси. Что еще более важно, воспламенение происходит на начальных стадиях разрушения отдельных слоев, пока еще существуют значительные количества каждого слоя. Поскольку свеча зажигания расположена ближе к вихрю, состоящему из топливовоздушной смеси, воспламенение возникает в той части камеры сгорания пятистворчатой конструкции, где плотность топлива выше. Затем пламя распространяется по камере сгорания через небольшие завихрения. Это обеспечивает стабильное сгорание даже при нормальном уровне энергии зажигания, тем самым обеспечивая сжигание обедненной смеси. [18] [19]
Компьютер двигателя сохраняет оптимальные соотношения воздух-топливо для всех условий работы двигателя — от обедненной (для нормальной работы) до самой богатой (для резкого ускорения) и всех промежуточных значений. Полнодиапазонные кислородные датчики (используются впервые) предоставляют важную информацию, которая позволяет компьютерам правильно регулировать подачу топлива. [19]
Все дизельные двигатели можно считать обедненными по общему объему, однако топливо и воздух плохо смешиваются перед сгоранием. Большая часть сгорания происходит в богатых зонах вокруг мелких капель топлива. Локальное обогащенное сгорание является источником выбросов твердых частиц (ТЧ).