Испарительный карбюратор

витя 10 янв 2013, 21:39

Почему не оправдал себя испарительный карбюратор Ю.Б.Свиридова?
Журнал "Автомобильная промышленность", 2003 год, № 9
УДК 629.621.43.033/.037

В "АП" (2002, № 8) была опубликована статья М.В. ПИЩУЛИНА "Испарительный карбюратор-смеситель ". Она, судя по отзывам читателей, явно заинтересовала многих. Причем большинство из них считают, что карбюратор такого типа позволит несколько смягчить проблемы экономичности ДВС и экологической чистоты его отработавших газов. Однако были и другие отзывы. Например, в письме из Тольятти сообщалось примерно следующее: статья М.В. Пащулина излагает идеюД.Н. Иванова и Ю.Б. Свиридова, которая теоретически заманчива, но для практической реализации, как показал опыт ВАЗа, не пригодна. Редакция ознакомила автора статьи с этим письмом и вот что получила от него в ответ.

Возможные пути уменьшения эксплуатационного расхода топлива на бензиновых двигателях изучались в СССР еще в 1950—1960-е годы. Например, Д.Н. Иванов впервые применил отработавшие газы двигателя автомобиля ЗИС-5 для нагрева впускного тракта. Он экспериментально и теоретически доказал, что использование теплоты этих газов позволяет не только добиться экономии топлива в 22—27 %, но и повысить мощность двигателя за счет лучшего качества приготовления топливовоздушной смеси. Его эстафету принял Ю.Б. Свиридов, который в начале 1960-х годов работал в НАМИ, а затем продолжил начатые здесь исследования в ЦНИТА (Ленинград). Именно он стал известен как создатель обобщенной теории смесеобразования и сгорания в дизеле. Эти два человека определили целое направление в системах топливоподачи бензинового двигателя.

Основная идея данного направления — использование отработавших газов для испарения топлива. Она реализовывалась в так называемых пленочно-испарительных системах топливоподачи.

В своих трудах Д.Н. Иванов и Ю.Б. Свиридов связывали обеспечение высоких требований по экономичности и токсичности отработавших газов автомобильного двигателя с решением двух проблем — качества приготовления топливо-воздушной смеси (микросмешивание) и точности дозирования топлива по цилиндрам от цикла к циклу (макросмешивание). В частности, в 1977 г. Ю.Б. Свиридов отмечал, что вторая из них должна решаться и решается путем создания аппаратуры впрыскивания топлива, управляемой компьютером. Первая же проблема, гомогенизации топливовоздушного заряда на всех режимах двигателя, по существу им не рассматривалась. Он, как и Д.Н. Иванов, считал: попытки совершенствования смесеобразования за счет улучшения распыливания топлива в низкотемпературных условиях впускного тракта эту проблему решить не могут. Даже при некотором подогреве смеси. Другими словами, никакая топливная форсунка или карбюратор не могут дробить топливо до состояния пара. То есть ни форсунка, ни карбюратор создать гомогенную топливовоздушную смесь во впускном тракте двигателя и в цилиндре не могут: в потоке всегда будут капли топлива или пристеночная пленка, что неминуемо ухудшит рабочий процесс.

Как видим, оба исследователя очень ясно понимали, что на пути повышения экономичности двигателей лежит нежелательный, но всегда сопутствующий всякому распылению топлива эффект — пленкообразование и мелкие капли. Поэтому Ю.Б. Свиридов посвятил часть своей научной деятельности созданию пленочно-испарительных систем, которые, по его мнению, должны способствовать устранению того и другого. Так, он впервые применил принцип противотока в таких системах (распространение теплоты в испарителе навстречу движению пленки топлива), который гарантированно исключал разложение топлива, а процесс его испарения автоматически проходил в зоне оптимальных температур. Рассчитал он и длину испарителя, толщину его стенок, определил материал испарителя, лучше всего подходящий для этих целей, и многое другое. Тем не менее пленочно-испарительные системы до сих пор не применяются. Возникает вопрос: почему? Потому что, как это нередко случается в научной деятельности, результаты экспериментально-лабораторных исследований не дали ожидаемого практического результата.

Автор письма в редакцию "АП" прав. Действительно, Ю.Б. Свиридов по заказу ВАЗа провел испытания своей пленочно-испарительной системы на серийном двигателе этого завода. И оказалось, что расход топлива остается фактически тем же, что и при серийном карбюраторе. В итоге всякая работа по системам испарения была прекращена.

Этому в определенной степени способствовало и то, что тогда же был проведен эксперимент с целью выяснения, возможно ли вообще повысить экономичность двигателя, если подавать в него заранее и заведомо испаренное топливо. Было установлено: экономия топлива при этом не превышает 3—5 %.

Так окончательно сформировалось мнение: "бумажные" расчеты, показывающие, что КПД бензинового двигателя можно значительно повысить, не могут быть реализованы на практике. Между тем Ю.Б. Свиридов ошибался не в своих теоретических выводах, а в объяснении результатов экспериментов. Дело в том, что испарить топливо — это лишь необходимое условие работы пленочно-испарительной системы. Но, к сожалению, условие недостаточное. Поскольку обеспечивает лишь одну сторону процесса смесеобразования. Ведь хорошо известно, что параллельно испарению идет встречный процесс — конденсация топлива. Особенно тяжелых его фракций, имеющих температуры разгонки 400- 460 К (130-190 °С). Вот что об этом говорит теория.

Нулевое начало термодинамики гласит: "Температура как функция состояния есть равенство температур во всех точках как условие равновесия двух систем или двух частей одной и той же системы". Для пленочно-испарительной системы — это пары топлива и воздух. С другой стороны, согласно первому началу термодинамики изолированная система, т. е. система, не обменивающаяся с окружающей средой ни энергией, ни веществом, подчиняется закону сохранения энергии. В нашем случае под внутренней энергией системы "пары топлива—воздух" понимается энергия хаотического (теплового) движения всех микроскопических систем (молекул, атомов и т. д.). Исходя из этих законов, всякая замкнутая система стремится к термодинамическому равновесию, а ее внутренняя энергия остается постоянной.

Далее. Из результатов многочисленных теоретических и экспериментальных исследований известно, что при таких перепадах температур, как в пленочно-испарительных системах, термодинамическое равновесие между парами топлива и воздухом в спокойной среде наступает за 100 мс (0,1 с). В турбулентной среде, как в случае ДВС, процесс ускоряется в 2—2,5 раза, т. е. время выравнивания температур не превышает 50 мс (0,05 с). Если это время сравнить с временем, отводимым на процессы смесеобразования и сжатия в двигателе (0,2—0,02 с), то становится ясно, что температурные поля полностью выравниваются еще до момента воспламенения топливовоздушной смеси в камере сгорания двигателя. (Это утверждение вытекает из тех же термодинамических представлений. Если время, отводимое системе, больше или равно времени релаксации, то можно утверждать, что система будет находиться в термодинамическом равновесии.) Кроме того, испарение топлива, будь то в пленочно-испарительной системе или при барботажном испарении, идет в замкнутой системе или подается в замкнутую систему ("впускной тракт—цилиндр"). Поэтому за счет диффузионных процессов параллельно развивается, как сказано выше, конденсация паров топлива. Дело в том, что при испарении жидкости в закрытом пространстве пар становится насыщенным, т. е. находится в тепловом равновесии с испаряемой жидкостью. (При фракционировании бензина картина усложняется, но результат не меняется.) В момент же смешивания паров топлива с более холодным воздухом первые снижают свою температуру до температур конденсации. В итоге во впускном тракте и особенно в цилиндре двигателя сами молекулы оказываются центрами конденсации. А с учетом того, что впускной тракт и цилиндр не являются идеальной замкнутой системой, то процесс конденсации ускоряется, и пары топлива, конденсируясь в объеме, осаждаются на стенках.

Именно двойственность процесса (с одной стороны — испарение, с другой — конденсация) не позволяет качественно улучшить смесеобразование в бензиновом двигателе. И, следовательно, его топливную экономичность. С чем, собственно, и столкнулся Ю.Б. Свиридов (и не только он) при экспериментах с двигателями ВАЗ: он не сумел исключить процесс конденсации топлива даже подогревом впускного коллектора.

Между тем задача разрешима. Нужно выполнить лишь два условия. Во-первых, уменьшить количество чистого воздуха, проходящего по испарителю; во-вторых, создать в испарителе участок перегрева паровоздушной смеси (использовать принцип перегретого пара).

Условия очевидные. Первое резко снижает количество теплоты (энергии), отдаваемое испаренным топливом чистому воздуху в испарителе; второе позволяет не сконденсироваться ни одной из фракций топлива, в том числе самым тяжелым, за время смесеобразования и сжатия в камере сгорания двигателя.

Выполнить названные условия несложно. Для этого в штатную систему питания серийного двигателя необходимо ввести дополнительный испарительный тракт, работающий по принципу пленочно-испарительной системы и установленный параллельно основному впускному тракту. Этот тракт на одном конце должен иметь воздушную заслонку небольшого диаметра, которая работает синхронно с дроссельной, а на втором — разветвления по числу цилиндров двигателя, проложенные по выпускному коллектору точно так, как предлагал в своей системе противотока Ю.Б. Свиридов.

Такое разделение на тракты чистого воздуха и испарительный с перегревом паров позволяет эффективно решать и другие задачи: не нагревать основную часть воздуха, подаваемого в цилиндры двигателя, а значит, исключить влияние нагрева на коэффициент наполнения цилиндров и на детонационные процессы в них; за счет меньшего количества воздуха в дополнительном испарительном тракте устранить явления срыва капель с поверхности пленки, возникающие при больших скоростях потока; быстрее, еще до полного прогрева двигателя выходить на расчетные значения расхода топлива. Но самое главное — на режимах холостого хода и малых нагрузок экономить до 30, в движении — до 20—25 % топлива. При этом выбросы монооксида углерода, углеводородов и оксидов азота оказываются меньше самых жестких стандартов.

И последнее. Все перечисленное подтверждено экспериментально на серийном двигателе ВАЗ.

http://www.avtomash.ru

Испарительный карбюратор

Испарительный карбюратор

Сейчас на 4x4.tomsk.ru