Экспериментальное исследование снижения нормируемых вредных выбросов с отработавшими газами надувных бензиновых двигателей с непосредственным впрыскиванием топлива

Снижение нормируемых вредных выбросов с отработавшими газами двигателей внутреннего сгорания (ДВС) является одним из направлений развития автомобильного двигателестроения. Но из-за постоянно ужесточающихся норм токсичности, производителям ДВС приходится применять более сложные системы, которые напрямую воздействуют на рабочий процесс, что позволяет снижать образование вредных выбросов в процессе сгорания. Однако разработка и применение дополнительных более сложных систем приводит к повышению затрат на изготовление и последующее обслуживание ДВС во всем жизненном цикле.

Цель исследования – проведение экспериментального исследования бензинового двигателя с непосредственным впрыскиванием топлива и использованием турбонаддува для оценки возможности снижения нормируемых вредных выбросов путем повышения давления впрыскивания и оптимизации угла опережения впрыскивания топлива (УОВТ).

Испытания проводились на измерительном динамометрическом стенде фирмы FEV, предназначенном для испытаний ДВС мощностью до 800 кВт. Достоверность полученных данных подтверждается применением современного измерительного оборудования и обработкой полученных результатов. Результатом оптимизации УОВТ и повышении давления впрыскивания топлива бензинового ДВС с непосредственным впрыскиванием топлива и турбонаддувом стало: снижение счетной концентрации взвешенных частиц во всем диапазоне работы двигателя в среднем на 42%; снижение выбросов углеводородов во всем диапазоне работы двигателя в среднем на 7,7%; выбросы оксидов азота и углерода незначительно зависят от оптимизации УОВТ и повышении давления впрыскивания. Наблюдалось снижение удельного эффективного расхода топлива на 17 % при низком крутящем моменте до 200 Нм и частоте вращения коленчатого вала до 4000 мин^-1.

1. Правила ООН №83 Единообразные предписания, касающиеся официального утверждения транспортных средств в отношении выбросов загрязняющих веществ в зависимости от топлива, необходимого для двигателей.

2. Bertsch, M. “Experimental Investigations on Particle Number Emissions from GDI Engines,” Dissertation, Karlsruhe Institute of Technology (KIT), Karlsruhe, 2017, doi:10.5445/IR/1000063994.

3. Wiese, W., Kufferath, A., Storch, A., and Rogler, P., “Requirements for Multi-Hole Injectors to Meet Future Emission Standards in Direct-Injection Gasoline Engines [in German],” 2nd International Engine Congress, 2015, 63–80, ISBN: 978-3-658-08861-3.

4. Гонтюрев, А.В. Экспериментальное исследование методов снижения счётной концентрации дисперсных частиц в отработавших газах наддувных бензиновых двигателей с непосредственным впрыскиванием топлива / А.В. Гонтюрев, Н.С. Зуев // Труды НАМИ. – 2021. – № 4(287). – С. 31-40. – DOI 10.51187/0135-3152-2021-4-31-40.

5. Choi K, Kim J, Ko A, Myung C-L, Park S, Lee Y, et al. Evaluation of time-resolved nano-particle and THC emissions of wall-guided GDI engine. SAE paper no.2011-28-0022. 2011.

6. Dageförde, H. «Untersuchung innermotorischer Einflussgrößen auf die Partikelemission eines Ottomotors mit Direkteinspritzung», Dissertation, Karlsruhe Institute of Technology (KIT), Karlsruhe, 2015, ISBN:978-3-8325-4054-8

7. Matousek T, DagefСorde H, Bertsch M. Influence of injection pressures up to 300 bar on particle emissions in a GDI-engine. In: 17th ETH-conference on combustion generated nanoparticles; 2013.

8. Piock, W.F., Berndorfer, A., Hoffmann, G., Salemi, P. et al., “Strategies Towards Meeting Future Particulate Matter Emission Requirements in Homogeneous Gasoline Direct Injection Engines,” SAE Int. J. Engines 4, no. (1) 2011: 1455–1468, doi:10.4271/2011-01-1212.

9. Горбунов, В.В. Токсичность двигателей внутреннего сгорания: учеб. пособие / В.В. Горбунов, Н.Н. Патрахальцев. – М.: Изд. РУДН, 1998.

10. Subramanian, K., Shukla, S., Athwe, M., Babu, M. et al., "Study of Flame Characteristics of a Spark Ignition Engine for Gasoline Fuel", SAE Technical Paper 2009-28-0028, 2009, doi:10.4271/2009-28-0028.

11. Звонов В.А. Токсичность двигателей внутреннего сгорания / В.А. Звонов. – 2-е изд., перераб. – М.: Машиностроение, 1981.

12. Warnatz, J., Maas, U., and Dibble, R.W., Combustion: Physical and Chemical Fundamentals, Modeling and Simulation, Experiments, Pollutant Formation, 4th ed., (Berlin/Heidelberg [u.a.]: Springer, 2006), ISBN:3-540-25992-9.