ПРОБЛЕМЫ БЕНЗИНОВОГО ДВИГАТЕЛЯ С ВЫСОКИМ НАДДУВОМ: АНОМАЛЬНОЕ СГОРАНИЕ

Повышение в современных бензиновых двигателях внутреннего сгорания (ДВС) с высоким наддувом среднего эффективного давления и литровой мощности до уровня порядка 25 бар и 100 кВт/л помогло существенно снизить расход топлива и количество вредных выбросов (в том числе СО₂) вследствие понижения размерности ДВС. Однако обострило проблемы надёжности из-за аномальных явлений сгорания - детонации, калильного зажигания, преждевременного воспламенения и мега-детонации. Дальнейшее улучшение КПД двигателя за счёт повышения давления наддува и понижения его размерности существенно зависит от решения проблем аномального сгорания. Статья посвящена обзору особенностей разных мод аномального сгорания в бензиновых ДВС с высоким наддувом, анализу влияния конструктивных и режимных факторов на эти моды сгорания и конкретным решениям, направленным на подавление аномального сгорания. Показано, что жёсткость аномального сгорания и склонность к нему ДВС зависят от температуры, давления, гомогенности энд-газа, продолжительности сгорания, свойств топлива и масла, загрязнённости камеры сгорания продуктами сгорания. Отмечено, что наиболее критичными модами аномального сгорания становятся преждевременное воспламенение и мега-детонация, которые возникают спорадически при работе на низких оборотах с высокой нагрузкой, повышают давление сгорания до 15-40 МПа и очень разрушительны для двигателя. Показано, что эффективным способом подавления аномального сгорания является комбинирование высокого наддува с непосредственным впрыском топлива, регулируемым клапанным приводом, рециркуляцией охлаждённых отработавших газов, комплексным охлаждением двигателя, быстрым сгоранием и точной калибровкой. Такой подход может обеспечить будущим двигателям пониженной размерности надёжную работу без аномального сгорания с высокой литровой мощностью и эффективным КПД на уровне 40%.

бензиновый двигатель, аномальное сгорание, детонация, калильное зажигание, преждевременное воспламенение, мега-детонация, высокий наддув, пониженная размерность, непосредственный впрыск, степень сжатия

1. Кутенёв В.Ф., Сонкин В.И. Бензиновые двигатели: тенденции развития // Труды НАМИ. - 2017. - № 1 (268). - С. 6-21.

2. Сонкин В.И. Бензиновый двигатель пониженной размерности - современная концепция // Труды НАМИ. - 2015. - № 261. - С. 68-84.

3. Catalogue of “Automobil Revue”. - Berne, 2015. - 594 p.

4. Friedl H., Fraidl G., Kapus P. Challenges and Solutions for Modern Gasoline Engine Applications / VII International Congress on Combustion Engines, Poznan Poland, 27-29* June 2017.

5. Heywood J.B. Internal combustion engine fundamentals. - McGraw-Hill, Inc., 1988. - 930 p.

6. Dahnz C., Spicher U. Irregular combustion in supercharged spark ignition engines-pre-ignition and other phenomena // International Journal of Engine Research. - 2010. - Vol. 11. - Issue 6. - P. 485-498. DOI: 10.1243/14680874JER609.

7. Воинов А.Н. Сгорание в быстроходных поршневых двигателях. - М.: Машиностроение, 1977. - 277 с.

8. Wang Z., Liu H., Reitz R.D. Knocking combustion in spark-ignition engines // Progress in Energy and Combustion Science. - 2017. - Vol. 61. - Р. 78-112.

9. Arcoumanis C., Kamimoto T. (eds) Flow and combustion in reciprocating engines. - Springer, 2009. - 420 p.

10. Wang Z., Liu H., Song T., Qi Y., He X., Shuai S., Wang J.X. Relationship between super-knock and preignition // International Journal ofEngine Research. - 2014. -Vol. 16. - Р. 166-180. DOI: 10.1177/1468087414530388.

11. Inoue T., Inoue Y., Ishikawa M. Abnormal combustion in a highly boosted SI engine - the occurrence of super knock // SAE Paper. - 2012. - № 2012-01-1141. DOI: 10.4271/2012-01-1141.

12. Mayer M., Hofman P., Williams J., Tong D. Influence of the Engine Oil on Pre-Ignition at Highly Supercharged Direct-injection Gasoline Engines // MTZ. - 2016. - Vol. 77. - № 6. - Р. 36-40.

13. Kalghatgi G., Algunaibet I., Morganti K. On knock intensity and superknock in SI engine // SAE International Journal of Engines. - 2017. DOI: 10.4271/2017-01-0689.

14. Kalghatgi G.T. The outlook for fuels for internal combustion engines // International Journal of Engine. - 2014. - Vol. 15. - Issue 4. - P. 383-398. DOI: 10.1177/1468087414526189.

15. Döhler А., Pritze S. A contribution to better understanding the pre-ignition phenomenon in highly charged internal combustion engines with direct fuel injection / Knocking in gasoline engines, M. Kratzsch, M. Günther (ed.). - Meckenheim, 2013. - P. 41-61.

16. Mayer M., Hofman P., Geringer B., Williams J., Moss J., Kapus P. Influence of different oil properties on low-speed pre-ignition in turbocharged direct injection spark ignition engines // SAE Technical Paper. - 2016. -№ 2016-01-0718. DOI: 10.4271/2016-01-0718.

17. Fujimoto K., Yamashita M., Hirano S., Kato K. et al. Engine oil development for preventing pre-ignition in turbocharged gasoline engine // SAE Int. J. Fuels Lubr. - 2014. - № 2014-01-2785. DOI: 10.4271/2014-01-2785.

18. Mansfield A., Chapman E., Briscoe K. Impact of fuel octane rating and aromatic content on stochastic preignition // SAE Technical Paper. - 2016. - № 2016-010721. DOI: 10.4271/2016-01-0721.

19. Luo X., Teng H., Hu T., Miao R., Cao L. An experimental investigation on highly boosted gasoline direct injection engine // SAE Int. J. Engines. - 2015. -8(2): 520-528.

20. Schünemann E., Witt A., Selder M., Schwarz C. Pre-ignition analysis on a turbocharged gasoline engine with direct injection / Knocking in gasoline engines, M. Kratzsch, M. Günther (ed.). - Meckenheim, 2013. -P. 380-393.

21. Hirano S., Yamashita M., Fujimoto K., Kato K. Investigation of engine oil effect on abnormal combustion in turbocharged direct injection - spark ignition engines (Part 2) // SAE Paper. - 2013. - № 2013-01-2569. - P. 1-8.

22. Morikawa K., Moroyoshi Y., Kuboyama T., Imai Y., Yamada T. Investigation and improvement of LSPI phenomena and study of combustion strategy in highly boosted SI combustion in low speed range // SAE Paper. - 2015. - № 2015-01-0756. - P. 1-12.

23. Amann M., Alger T., Westmoreland B., Rothmaier A. The effects of piston crevices and injection strategy on low-speed pre-ignition in boosted SI engines // SAE Paper. - 2012. - № 2012-01-1148. - P. 1-13.

24. Zahdeh A., Rothenberger P., Nguen W., Anbarasu M., Schmuck-Soldan S., Schaefer J., Goebel T. Fundamental approach to pre-ignition in boosted SI engines // SAE Int. J. Engines. - 2011. - № 4(1). - P. 246-273.

25. Kraus B., Wolf S., Fischer J. Knock and irregular combustion - challenges for the new turbocharged, high performance four-cylinder AMG engine / Knocking in gasoline engines, M. Kratzsch, M. Günther (ed.). -Meckenheim, 2013. - P. 394-413.

26. Сонкин В.И. Регулируемый клапанный привод автомобильного двигателя. - М.: Машиностроение, 2015. - 124 с.

27. Сонкин В.И., Артёмов А.А., Бажинов А.А., Миронычев М.А. Бензиновый двигатель с непосредственным впрыском: Требования к ключевым системам // Приводная техника. - 2006. - № 4. - С. 9-25.

28. Каменев В.Ф., Миронычев М.А., Сонкин В.И. Перспективы и проблемы непосредственного впрыска бензина // Труды НАМИ. - 2003. - № 231. - С. 63-85.

29. Freeland P., Warth M., Mahr B. Minimising autoignition for optimum efficiency in high specific output spark-ignited engines / Knocking in gasoline engines, M. Kratzsch, M. Günther (ed.). - Meckenheim, 2013. -P. 62-87.

30. Amann M., Alger T., Mehta D. The effect of EGR on low-speed pre-ignition in boosted SI engines // SAE Paper. - 2011. - № 2011-01-0339.

31. Takahashi D., Nakata K., Yoshihara Y., Ohta Y., Nishiura H. Combustion development to achieve engine thermal efficiency of 40% for hybrid vehicles // SAE Paper. - 2015. - № 2015-01-1254.

32. Dobes T., Hirsch A., Kapus P., Ninaus M., Ogris M., Philipp H., Winklhofer E. Irregular combustion: development and calibration of highly boosted SI engines / Knocking in gasoline engines, M. Kratzsch, M. Günther (ed.). - Meckenheim, 2013. - P. 142-158.

33. Kieberger M., Biehl D. Continental’s pre-ignition and glow ignition function - detection and avoidance of irregular combustions / Knocking in gasoline engines, M. Kratzsch, M. Günther (ed.). - Meckenheim, 2013. - P. 360-379.