Lean-burn относится к сжиганию топлива с избытком воздуха в двигателе внутреннего сгорания . В двигателях с обедненной смесью соотношение воздух-топливо может быть таким обедненным, как 65:1 (по массе). Соотношение воздух/топливо, необходимое для стехиометрического сгорания бензина, напротив, составляет 14,64:1. Избыток воздуха в двигателе с обедненной смесью выбрасывает гораздо меньше углеводородов. Высокие соотношения воздух-топливо также могут использоваться для снижения потерь, вызванных другими системами управления мощностью двигателя, такими как потери при дросселировании.
Режим обедненного сгорания — это способ снижения потерь на дросселирование. Двигатель в типичном автомобиле рассчитан на обеспечение мощности, необходимой для ускорения, но должен работать значительно ниже этой точки при нормальной работе с постоянной скоростью. Обычно мощность отключается путем частичного закрытия дроссельной заслонки. Однако дополнительная работа, выполняемая при протягивании воздуха через дроссельную заслонку, снижает эффективность. Если уменьшить соотношение топлива и воздуха, то можно достичь меньшей мощности при дроссельной заслонке, близкой к полному открытию, а эффективность при нормальной езде (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 низкие выбросы углеводородов выхлопных газов , чем те, которые встречаются в обычных бензиновых двигателях . Сверхобедненные смеси с очень высоким соотношением воздух-топливо могут быть получены только в двигателях с прямым впрыском .
Главным недостатком обедненного сжигания является то, что для снижения выбросов NOx требуется сложная система каталитического нейтрализатора . Двигатели, работающие на обедненной смеси, плохо работают с современными трехкомпонентными каталитическими нейтрализаторами , которым требуется баланс загрязняющих веществ в выпускном отверстии, чтобы они могли проводить реакции окисления и восстановления, поэтому большинство современных двигателей имеют тенденцию к крейсерскому движению и остановке на стехиометрической точке или около нее .
С 1976 по 1989 год Chrysler оснастил многие автомобили своей системой Electronic Lean-Burn (ELB) , которая состояла из компьютера управления искрой и 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. Двигатели, оснащенные ELB, использовали распределители с фиксированным временем зажигания без традиционных вакуумных и центробежных механизмов опережения зажигания. Компьютер ELB также напрямую управлял катушкой зажигания, устраняя необходимость в отдельном модуле зажигания.
ELB выпускался как в открытом, так и в закрытом вариантах; системы открытого цикла производили достаточно чистый выхлоп для многих вариантов транспортных средств, поэтому были оборудованы для прохождения федеральных норм выбросов США 1976 и 1977 годов и канадских норм выбросов до 1980 года без каталитического нейтрализатора . Версия ELB с закрытым циклом использовала датчик кислорода и карбюратор с обратной связью и была поэтапно запущена в производство по мере ужесточения норм выбросов с 1981 года, но ELB с открытым циклом использовался вплоть до 1990 года на рынках со слабыми нормами выбросов, на таких транспортных средствах, как мексиканский Chrysler Spirit . Стратегии управления искрой и измерения и преобразования параметров двигателя, представленные с ELB, оставались в использовании до 1995 года на транспортных средствах Chrysler, оснащенных впрыском топлива через дроссельную заслонку . [ требуется ссылка ]
Концепции обедненного горения часто используются для проектирования двигателей большой грузоподъемности, работающих на природном газе , биогазе и сжиженном нефтяном газе (LPG). Эти двигатели могут работать либо на обедненной смеси постоянно, когда двигатель работает на слабой воздушно-топливной смеси независимо от нагрузки и скорости двигателя, либо на обедненной смеси частично (также известной как «бедная смесь» или «смешанная бедная смесь»), когда двигатель работает на обедненной смеси только при низкой нагрузке и на высоких оборотах двигателя, возвращаясь к стехиометрической воздушно-топливной смеси в других случаях.
Мощные двигатели на обедненной смеси пропускают в камеры сгорания вдвое больше [1] воздуха, чем теоретически необходимо для полного сгорания. Чрезвычайно слабые воздушно-топливные смеси приводят к более низким температурам сгорания и, следовательно, к меньшему образованию NOx. Хотя двигатели на обедненной смеси обеспечивают более высокую теоретическую тепловую эффективность, переходный отклик и производительность могут быть скомпрометированы в определенных ситуациях. Однако достижения в области управления топливом и технологии замкнутого контура такими компаниями, как North American Repower, привели к производству современных двигателей большой грузоподъемности, сертифицированных CARB на обедненной смеси, для использования в коммерческих автопарках. [2] Двигатели на обедненной смеси почти всегда оснащены турбонаддувом, что приводит к высоким показателям мощности и крутящего момента, недостижимым для стехиометрических двигателей из-за высоких температур сгорания.
Тяжелые газовые двигатели могут использовать камеры предварительного сгорания в головке цилиндра. Бедная смесь газа и воздуха сначала сильно сжимается в главной камере поршнем. Гораздо более богатая, хотя и гораздо меньшая по объему смесь газа и воздуха вводится в камеру предварительного сгорания и воспламеняется свечой зажигания. Фронт пламени распространяется на бедную смесь газа и воздуха в цилиндре.
Это двухэтапное сгорание обедненной смеси обеспечивает низкий уровень выбросов NOx и отсутствие выбросов твердых частиц. Тепловая эффективность лучше, поскольку достигаются более высокие степени сжатия.
Производителями мощных газовых двигателей, работающих на обедненной смеси, являются MTU , Cummins , Caterpillar , MWM , GE Jenbacher , MAN Diesel & Turbo , Wärtsilä , Mitsubishi Heavy Industries , Dresser-Rand Guascor , Waukesha Engine и Rolls-Royce Holdings .
Одна из новейших технологий сжигания обедненной смеси, доступных в настоящее время [ когда? ] в производстве автомобилей, использует очень точный контроль впрыска топлива, сильный вихрь воздух-топливо, создаваемый в камере сгорания, новый линейный датчик воздуха-топлива ( датчик O 2 типа LAF ) и катализатор сжигания обедненной смеси NO x для дальнейшего снижения выбросов NO x , которые увеличиваются в условиях «сжигания обедненной смеси», и соответствует требованиям по выбросам NO x .
Этот подход к сгоранию обедненной смеси с использованием стратифицированного заряда означает, что соотношение воздух-топливо не одинаково по всему цилиндру. Вместо этого точный контроль над впрыском топлива и динамикой впускного потока позволяет увеличить концентрацию топлива ближе к кончику свечи зажигания (более богатое), что требуется для успешного зажигания и распространения пламени для полного сгорания. Оставшаяся часть впускного заряда цилиндров постепенно обедняется, а общее среднее соотношение воздух-топливо попадает в категорию обедненной смеси до 22:1.
Более старые двигатели Honda , которые использовали обедненную смесь (не все), достигли этого за счет параллельной системы подачи топлива и впуска, которая подавала в предварительную камеру «идеальное» соотношение для начального сгорания. Затем эта горящая смесь открывалась в главную камеру, где гораздо более крупная и обедненная смесь затем воспламенялась, обеспечивая достаточную мощность. Во время производства этой конструкции эта система ( CVCC, Compound Vortex Controlled Combustion ) в первую очередь позволяла снизить выбросы без необходимости в каталитическом нейтрализаторе . Это были карбюраторные двигатели, и относительная «неточная» природа таких ограниченных возможностей MPG концепции, которая теперь при MPI (Multi-Port Fuel Injection) также позволяет повысить MPG.
Новые двигатели Honda с послойным зарядом (двигатели с обедненной смесью) работают с соотношением воздух-топливо до 22:1. Количество топлива, всасываемого в двигатель, намного меньше, чем у типичного бензинового двигателя, который работает при 14,7:1 — химическом стехиометрическом идеале для полного сгорания при усреднении бензина до принятого в нефтехимической промышленности стандарта C 8 H 18 .
Эта способность к обедненной смеси из-за ограничений физики и химии сгорания, применяемых к современному бензиновому двигателю, должна быть ограничена легкой нагрузкой и низкими оборотами. Требуется точка отсечки «верхней» скорости, поскольку более бедные бензиновые топливные смеси горят медленнее, и для выработки мощности сгорание должно быть «завершено» к моменту открытия выпускного клапана.
В 1984 году Toyota выпустила двигатель 4A-ELU . Это был первый двигатель в мире, в котором использовалась система управления сгоранием обедненной смеси с датчиком обедненной смеси, названная Toyota «TTC-L» ( Toyota Total Clean -Lean-Burn). Toyota также называла более раннюю систему обедненного сгорания «Turbulence Generating Pot» (TGP). TTC-L использовалась в Японии на Toyota Carina T150, заменив подход рециркуляции выхлопных газов TTC-V (Vortex), используемый ранее, на Toyota Corolla E80 и Toyota Sprinter . Датчик обедненной смеси был предусмотрен в выхлопной системе для обнаружения соотношений воздух-топливо, более бедных, чем теоретическое соотношение воздух-топливо. Затем объем впрыска топлива точно контролировался компьютером с использованием этого сигнала обнаружения для достижения обратной связи по обедненному соотношению воздух-топливо. Для оптимального сгорания применялись следующие элементы: программно-независимый впрыск, который точно изменял объем и время впрыска для отдельных цилиндров, платиновые свечи для улучшения характеристик зажигания с обедненными смесями и высокопроизводительные воспламенители. [6]
Версии 4-цилиндровых двигателей 1587 куб. см 4A-FE и 1762 куб. см 7A-FE с обедненной смесью имеют 2 впускных и 2 выпускных клапана на цилиндр. Toyota использует набор заслонок для ограничения потока в каждом втором впускном канале во время работы на обедненной смеси. Это создает большое количество завихрений в камере сгорания. Инжекторы установлены в головке, а не традиционно во впускном коллекторе. Степень сжатия 9,5:1. [7] Двигатель 1998 куб. см 3S-FSE — это бензиновый двигатель с непосредственным впрыском, работающий на обедненной смеси. Степень сжатия 10:1. [8]
Двигатели Nissan QG — это алюминиевые DOHC с обедненной смесью, 4-клапанные, с изменяемыми фазами газораспределения и опциональным 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 производить систему обедненного сгорания MVV (Mitsubishi Vertical Vortex), впервые использованную в двигателе Mitsubishi 1,5 л 4G15 с одним верхним распредвалом и объемом 1468 куб. см. Двигатель с вертикальным вихрем 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 обедненного сгорания MVV может достигать полного сгорания с соотношением воздух-топливо до 25:1, что обеспечивает экономию топлива на 10–20 % (в японском 10-режимном городском цикле) в стендовых испытаниях по сравнению с его обычной силовой установкой MPI того же рабочего объема, что означает более низкие выбросы CO2 . [ 18] [19]
Сердцем системы MVV Mitsubishi является линейный датчик кислорода выхлопных газов с соотношением воздух-топливо. По сравнению со стандартными датчиками кислорода, которые по сути являются переключателями включения-выключения, настроенными на одно соотношение воздух/топливо, датчик обедненного кислорода является скорее измерительным устройством, охватывающим диапазон соотношения воздух/топливо от примерно 15:1 до 26:1. [19]
Чтобы ускорить медленное сгорание бедных смесей, двигатель MVV использует два впускных клапана и один выпускной клапан на цилиндр. Отдельные специально сформированные (двойной впускной порт) впускные порты имеют одинаковый размер, но только один порт получает топливо от инжектора. Это создает два вертикальных вихря одинакового размера, силы и скорости вращения внутри камеры сгорания во время такта впуска: один вихрь воздуха, другой — воздушно-топливной смеси. Два вихря также остаются независимыми слоями на протяжении большей части такта сжатия. [18] [19]
Ближе к концу такта сжатия слои распадаются на однородные мелкие турбулентности, которые эффективно способствуют характеристикам обедненного сгорания. Что еще более важно, воспламенение происходит на начальных стадиях распада отдельных слоев, пока еще существуют значительные количества каждого слоя. Поскольку свеча зажигания расположена ближе к вихрю, состоящему из смеси воздуха и топлива, воспламенение возникает в области камеры сгорания конструкции пентруфа, где плотность топлива выше. Затем пламя распространяется по камере сгорания через небольшие турбулентности. Это обеспечивает стабильное сгорание даже при нормальных уровнях энергии зажигания, тем самым реализуя обедненное сжигание. [18] [19]
Компьютер двигателя хранит оптимальные соотношения воздуха и топлива для всех условий работы двигателя — от обедненного (для нормальной работы) до богатого (для резкого ускорения) и всех точек между ними. Датчики кислорода полного диапазона (используемые впервые) предоставляют важную информацию, которая позволяет компьютерам правильно регулировать подачу топлива. [19]
Все дизельные двигатели можно считать работающими на обедненной смеси по отношению к общему объему, однако топливо и воздух не перемешиваются должным образом перед сгоранием. Большая часть сгорания происходит в богатых зонах вокруг небольших капель топлива. Локально богатое сгорание является источником выбросов твердых частиц (ТЧ).