Двигатель с неразделенными камерами сгорания непосредственный впрыск топлива – Классификация камер сгорания дизельного двигателя. Двигатель с неразделенными камерами сгорания непосредственный впрыск топлива

Содержание

Распределенный или непосредственный впрыск (MPI или GDI). Какая разница и что лучше

Многие современные инжекторные двигатели оснащаются различной системой впрыска топлива. Уже давно ушел в историю моновпрыск, а тем более карбюратор, и сейчас остались два основных вида – это распределенный и непосредственный тип (на многих автомобилях они «скрыты» под аббревиатурами MPI и GDI). Однако простой обыватель реально не понимает в чем разница, а также — какой из них лучше. Сегодня мы закроем этот пробел в конце будет видео версия и голосование, так что читаем-смотрим-голосуем …

СОДЕРЖАНИЕ СТАТЬИ

Действительно пришел в салон смотришь на комплектации, а там сплошные MPI или GDI, могут быть еще и ТУРБО варианты. Начинаешь спрашивать консультанта, а он однозначно хвалит непосредственный впрыск, а вот распределенный (ну если уж денег не хватает). НО чем он так хорош то? Зачем переплачивать, и тратится именно на него?

Распределенный или многоточечный впрыск топлива

Начнем именно с него, все потому что он появился первым (перед своим оппонентом). Прототипы существовали еще на заре 20века, правда они были далеко от идеала и зачастую использовали механическое управление.

Сокращение MPI (Multi Point Injection) – многоточечный распределенный впрыск. По сути это и есть современный инжектор

Сейчас с развитием электроники карбюратор и прочие системы питания, которые были на заре, уходят в прошлое. Распределенный впрыск это электронная система питания, которая основана на инжекторах (от слова injection — впрыск), топливной рампе (куда они устанавливаются), электронном насосе (который крепится в баке). Все просто ЭБУ дает приказания насосу качать топливо, оно по магистрали идет до топливной рампы, далее в инжектора и после распыляется на уровне впускного коллектора.

Но эта система также шлифовалась годами. Существуют три типа впрыска:

  • Одновременный. Раньше в 70 – 80 годы никого не заботила цена на бензин (стоял он дешево), также никто не думал об экологии. Поэтому впрыск топлива происходил сразу во все цилиндры, при одном обороте коленчатого вала. Это было крайне не практично, потому как обычно (в 4 цилиндровом двигателе) — два поршня работают над сжатием, а другие два отводят отработанные газы. И если подавать бензин сразу во все «горшки» то другие два просто выкинут его в глушитель. Крайне затратно по бензину и очень вредно по экологии.
  • Попарно-параллельный. Этот вид в распределительном впрыске как вы наверное уже догадались, происходил в два цилиндра по очереди. То есть топливо поступало именно туда, где сейчас происходит сжатие.
  • Фазированный тип. Это самый совершенный на данный момент метод, здесь каждая форсунка живет «своей жизнью» и управляется отдельно. Она подает бензин именно перед тактом впуска. Здесь происходит максимальная экономия смеси, а также высокая экологическая составлявшая

Я думаю с этим понятно, именно третий тип сейчас устанавливается на все современные модели автомобилей.

ГДЕ РАСПОЛАГАЕТСЯ ИНЖЕКТОР.  Здесь кроется основное отличие распределительного впрыска от непосредственного. Форсунка находится на уровне впускного коллектора, рядом с блоком двигателя.

Смешение воздуха и бензина происходит именно в коллекторе. От дроссельной заслонки поступает дозированный воздух (который вы регулируете педалью газа), при достижении им  форсунки впрыскивается топливо, получается смесь, которая уже затягивается через впускные клапана в цилиндры мотора (дальше сжатие, воспламенение и отвод отработанных газов).

ПЛЮСАМИ такого метода можно назвать относительную простоту конструкции, дешевизну, также сами инжектора не должны быть сложными и устойчивыми к высоким температурам (потому как не имею контакта с горючей смесью), работают дольше без очистки, не так требовательны к качеству топлива.

МИНУСЫ больший расход топлива (по сравнению с оппонентом), меньшая мощность

НО из-за простоты, дешевизны и неприхотливости устанавливаются на большое количество моторов не только бюджетного сегмента, но и D-класса.

Непосредственный впрыск

Появился не так давно, в 80 – 90 года прошлого века. Развитием активно занимались такие бренды как MERCEDES, VOLKSWAGEN, BMW и т.д.

Сокращение GDI (Gasoline Direct Injection) – впрыск непосредственно в камеру сгорания

Впрыск происходит по принципу фазированного типа, то есть каждая форсунка управляется отдельно. Зачастую они закреплены в рампу высокого давления (что-то наподобие COMMON RAIL), но бывают и отдельные элементы топливо подходит именно к каждой отдельно.

КАКОЕ ЗДЕСЬ ОТЛИЧИЕ – форсунки вкручиваются в сам блок двигателя и имеют непосредственное соприкосновение с камерой сгорания и воспламененной топливной смесью.

Воздух также подается через дроссель, далее по впускному коллектору – через клапана заходит в цилиндры мотора, после этого на цикле сжатия впрыскивается топливо, смешиваясь с воздухом и воспламеняясь от свечи. ТО есть смесь происходит непосредственно в двигателе, а не во впускном коллекторе, в этом то и кроется основная РАЗНИЦА!

ПЛЮСЫ. Топливная экономичность (может достигать до 10%), большая мощность (до 5%), лучшая экология.

МИНУСЫ. Нужно понимать форсунка находится рядом с воспламененной смесью, из этого вытекает:

  • Сложная конструкция
  • Сложное обслуживание
  • Дорогой ремонт и профилактика
  • Требование к качеству топлива (иначе банально забьется)

Как видите эффективно-технологично, но дорого обслуживать.

Что же лучше — таблица?

Предлагаю подумать, составил таблицу по плюсам того и другого типов

Распределенный (MPI) плюсы:Непосредственный (GDI) плюсы:
ДешевыйМощнее (около 5%)
ПростойМеньший расход (до 10%)
Работают больше без очисткиЭкологичнее
Не требовательны к качеству топлива
Инжектора проще конструкция

Как видите и тот и другой тип имеют весомые преимущества перед другим, видимо пока существуют оба.

Сейчас видео версия смотрим.

А теперь голосование, как ВЫ считаете что лучше – MPI (распределенный) или GDI (непосредственный)?

НА этом заканчиваю, думаю, моя статья и видео были вам полезны. Читайте наш АВТОБЛОГ, подписывайтесь на обновления.

avto-blogger.ru

Как это работает: дизельный двигатель. Часть 2.

    В прошлой статье про дизельный двигатель мы говорили о основах работы дизеля и про камеры сгорания. Тогда материал мог показаться скучным (хотя был важным), зато сегодняшний компенсирует интерес сполна.




    В этот раз вы узнаете, откуда взялись и что обозначают аббревиатуры дизельных двигателей CDI, TDI, HDI, SDI, CRDI и ЕСОТЕС TDI. А так же поймете, что такое система Common Rail и как она дала второе дыхание дизелю!


 


 


 


 


 


 


 


    Итак, когда дизельные двигатели обозначались одной буквой D – это были громкие и медленные двигатели. Тогда в двигателях были разделенные камеры сгорания. С изобретением неразделенной камеры сгорания (так называемый непосредственный впрыск) в развитии дизелей наметился прогресс: расход топлива стал уменьшаться.




    Однако, управлять процессами в дизельных двигателях с непосредственным впрыском было не возможно при оборотах коленчатого вала свыше 2500 в минуту.




    Новую жизнь для дизелей открыла фирма BOSCH, которая в 1993г, благодаря развитию микропроцессоров, изобрела систему Common rail  !




    Common rail (от англ.общая магистраль) – это современная технология систем подачи топлива в дизельных двигателях с непосредственным впрыском топлива.




    До Common rail  роль управляющей электроники в легковых дизельных двигателях сводилась к управлению топливным насосом, давлением наддува, стартовой процедурой и регулированием холостого хода. Давление в системе практически постоянно, топливный насос высокого давления (ТНВД) варьирует лишь количество топлива, что подается в цилиндр за один ход, а бездумная форсунка открывается под действием ударной волны в топливе (жидкость практически несжимаема) и закрывается под действием пружины.




    В «коммон рейл» все обстоит иначе – можно непосредственно регулировать момент впрыска, количество топлива и закон его подачи, даже давление в магистрали. Иными словами, всегда обеспечивать оптимальные условия работы. Принципиальное отличие системы в том, что ТНВД (топливный насос высокого давления) подает топливо не в индивидуальные трубопроводы к форсункам, а в «общую магистраль», оборудованную датчиком давления и обратным клапаном, сливающим лишнее топливо в бак. Форсунки остались прежними, механическими (ничего другого пока не придумали), но вот к каждой добавился пьезоэлектрический клапан, открыванием и закрыванием которого управляет электронный блок. Он же управляет ТНВД, обеспечивая различную подачу топлива и давление в «общей магистрали». Так, давление на холостом ходу минимально, что позволяет снизить шум работы форсунок и ТНВД, а при разгоне с низких оборотов – максимально, что обеспечивает наилучшую приемистость.




 


 


Устройство топливной системы Common Rail — Коммон Рейл


 


 

 


 


Схема компонентов системы «Common rail» фирмы «BOSCH»


 


        1 – топливный насос высокого давления;

        2 – электронный блокуправления;


        3 – датчик давления;


        4 – собственно «общий путь» – коллектор;

        5 – обратный клапан;


        6 –форсунка с электронным управлением;


        7 – топливный бак.


 




    Оснащенные данной системой автомобили, получили уменьшенный расход топлива на 15 процентов, в то время как мощность двигателя выросла почти на 40 процентов, шум снизился на 10 дБ (как можно вспомнить, минусом неразделенной камеры сгорания был повышенный шум). Все это притом, что крутящий момент дизеля был также увеличен.



    BOSCH внедрила Common rail  на серийные автомобили лишь в 1997 году. Первыми автомобилями с данной системой были Mercedes-Benz 220 CDI и Alfa Romeo 156 JTD. На данное время, каждый второй автомобиль с дизельным двигателем оснащен именно этой системой впрыска и каждый производитель обозначает эту систему по-своему:


 


    Например, Mercedes-Benz обозначил свои моторы с технологией Common Rail аббревиатурой CDI.


    Мировой лидер в производстве дизельных двигателей — концерн PSA Peugeot Citroen спрятал технологию Common Rail под шильдиком HDI. HDI экономичны и очень тяговиты, но cложны в ремонте. Межсервисный интервал этих моторов составляет 30 тыс. км и они считаются одними из самых тихих. О успехах французских дизелей говорит тот факт, что Франция – одна из самых «дизелизованных» стран: 85% новых легковушек работают на солярке.

 


 


Отличительный знак французских дизелей


 




    Аббревиатура SDI используется для обозначения атмосферных (безнаддувных — нет турбины) дизелей с непосредственным впрыском топлива. Это самые простые дизели, которые не боятся больших пробегов и прочно держат свою позицию в рейтинге надежности. Система разработана VW.


 

    Аббревиатура CRDI расшифровывается как Common Rail Diesel with Intercooler (Интеркулер — это система охлаждения подачи воздуха подробнее).


 


 

    Чтобы картина была полной, необходимо упомянуть про изобретение турбонаддува, которое привело к увеличению мощности двигателя без увеличения расхода топлива. Если опираться на цифры, то мощность двигателя с турбиной вырасла на 20-50%, а удельный расход топлива снизился! на 5-20%, что говорит о значительном повышении КПД двигателя. Аббревиатура TD как раз таки и означает, что двигатель оборудован турбиной (подробно и доходчиво узнать про работу турбонаддува можно здесь).


 


 


    Volkswagen применил аббревиатуру TDI для обозначения дизелей с системой Коммон Рейл и турбонаддувом. TDI с объемом 1,2 л модели Volkswagen Lupo держит мировой рекорд среди легковых автомобилей по коэффициенту полезного действия.




    С появлением турбонаддува и Common Rail, Adam Opel AG не заставил долго ждать и своих инноваций. Фирма выпустила семейство двигателей ЕСОТЕС TDI: непосредственный впрыск, головка блока с четырьмя клапанами на цилиндр при одном распределительном вале, турбонаддув с промежуточным охлаждением, управляемый электроникой топливный насос с повышенным давлением, форсунки, обеспечивающие высокую дисперсность топлива при распылении в комбинации с характерным завихрением всасываемого воздуха. Все это позволило снизить расход топлива на 17% (относительно обычного турбонаддувного дизеля) и уменьшить уровень выбросов на 20%.

    Технологии CDI, TDI, HDI, CRDI, SDI строятся вокруг системы Common Rail третьего поколения, поэтому по сути своей мало чем различаются. То, что мы сейчас видим, – всего лишь отличительный знак производителей. Выявить лидера в этой гонке не представляется возможным, т.к. речь идет о вкусах и предпочтениях. 


 


 


    P.S. Есть и другие двигатели, на основе Коммон Рейл, например, JTD (в основном японцы) или XTD (китайцы), но они не так распространены в Беларуси.


 


    P.P.S. Следующим шагом в развитии дизельных двигателей стало изобретение «Насос-форсунки». Об этом будем рассказывать в будущем. 


 


    Спасибо за внимание!


 

autogrodno.by

Камеры сгорания дизельных двигателей

Для хорошего смесеобразования одновременно необходимо правильно сочетать распыливание топлива и движение воздуха в камере сгорания. Это позволит улучшить распределение топлива в камере и осуществить процесс сгорания при наименьшем количестве воздуха.

Форма камеры сгорания должна:

· соответствовать направлению и дальнобойности струи впрыскиваемого топлива;

· обеспечивать организованное движение потока воздуха, интенсивное перемешивание топлива и воздуха, полное сгорание топлива в короткий период при наименьшем количестве воздуха;

· плавное нарастание давления в цилиндре, умеренное максимальное давление при сгорании и минимальные тепловые потери;

· создавать условия для облегченного запуска двигателя.

По конструкции дизельные двигатели разделяются на две основные категории: с неразделенными и разделенными камерами сгорания. Неразделенные камеры имеют только одно отделение, в котором происходит и смесеобразование, и сгорание топлива. Разделенные камеры разделены на две части: основную и дополнительную, соединены между собой горловиной. При этом топливо впрыскивается в дополнительную камеру.

По способу различают объемное, пленочное и комбинированное смесеобразование.

При объемном смесеобразовании топливо распыливается в объеме камеры сгорания и лишь небольшая часть его попадает в пристеночный слой. Объемное смесеобразование осуществляется в неразделенных камерах сгорания.

Пленочное смесеобразование применяется в ряде конструкций камер сгорания, когда почти все топливо направляется в пристеночную зону. В центральную часть камеры сгорания попадает приблизительно 5–10% впрыскиваемого форсункой топлива. Остальная часть топлива распределяется на стенках камеры сгорания в виде тонкой пленки (10–15 мкм). Первоначально воспламеняется часть топлива, попавшая в центральную часть камеры сгорания, где обычно отсутствует движение заряда и устанавливается наиболее высокая температура. В дальнейшем, по мере испарения и смешения с воздухом, горение распространяется на основную часть топлива, направленную в пристеночный слой. При пленочном смесеобразовании требуется менее тонкое распыливание топлива. Применяют форсунки с одним сопловым отверстием. Давление впрыска топлива не превышает 17–20 МПа. Пленочное смесеобразование по сравнению с объемным обеспечивает лучшие экономические показатели двигателя, упрощает конструкцию топливной аппаратуры. Основным недостатком являются низкие пусковые свойства двигателя при низких температурах в связи с малым количеством топлива, участвующего в первоначальном сгорании. Этот недостаток устраняют путем подогрева воздуха на впуске или за счет увеличения количества топлива, участвующего в образовании начального очага сгорания.

Комбинированное смесеобразование получается при меньших диаметрах камеры сгорания, когда часть топлива достигает ее стенки и концентрируется в пристеночном слое. Другая часть капель топлива располагается во внутреннем объеме заряда. На поверхности камеры оседает примерно 50% топлива. При впуске в камере не создается вращательного движения заряда. Заряд приводится в движение при вытеснении его из надпоршневого пространства в камеру сгорания, и создается вихрь. Скорость движения заряда достигает 40–45 м/с. Отличительной особенностью от пленочного смесеобразования является встречное движение струй топлива и заряда, вытесняемого из надпоршневого пространства, что способствует увеличению количества топлива, взвешенного в объеме камеры сгорания, и сближает процесс с объемным смесеобразованием. Форсунки применяют с распылителями, имеющими 3–5 сопловых отверстий.

Камеры сгорания с непосредственным впрыском. В дизельных двигателях с такими камерами топливо впрыскивается непосредственно в камеру сгорания форсункой с рабочим давлением 15–30 МПа, имеющей многодырчатые распылители (5–7 отверстий) с малым диаметром сопловых каналов (0.15–0.32 мм). Столь высокие давления впрыска применяются ввиду того, что в данном случае распыливание топлива и перемешивание его с воздухом достигается главным образом за счет кинетической энергии, сообщаемой топливу при впрыске. Для равномерного распределения топлива в камере форсунки таких двигателей часто выполняют с несколькими отверстиями.

На рис. 6.4 показаны камеры сгорания двигателей с непосредственным впрыском, обеспечивающие объемное смесеобразование.

а б

Рис. 6.4. Неразделенные камеры сгорания для объемного смесеобразования:

а – полусферическая, б – тороидальная


Рис. 6.5. Использование завихрителей
Для улучшения смесеобразования здесь предусмотрено вихревое движение воздуха вокруг оси цилиндра за счет завихрителей, установленных во впускном коллекторе (рис. 6.5).
Камера сгорания с непосредственным впрыском при пленочном смесеобразовании располагается соосно с цилиндром. Смещенная форсунка направляет струю топлива под острым углом на стенку камеры сгорания, имеющей сферическую форму (рис. 6.6а). Заряд приводится в интенсивное вращательное движение (тангенциальная скорость движения заряда достигает 50–60 м/с), и топливные капли распространяются на стенке камеры сгорания.

а б

Рис. 6.6. Неразделенные камеры сгорания для пленочного смесеобразования:

а – типа дизелей МАН, б – типа “Гессельман”

Кроме указанной выше, при пленочном смесеобразовании камеру сгорания выполняют тарелкообразной (рис. 6.6б). Струя топлива из форсунки, ввиду малого расстояния, достигает дна камеры и оседает в виде пленки.


Рис. 6.7. Неразделенные камеры сгорания для комбинированного смесеобразования
Камеры сгорания ЦНИДИ (Центральный научно-исследовательский дизельный институт) относят к комбинированным камерам с объемно-пленочным смесеобразованием. Камера сгорания выполняется в поршне, имеет форму усеченного конуса с основанием меньшего диаметра у входной горловины, диаметр которой составляет 0.35–0.37 диаметра цилиндра, и со скругленными стенками у нижнего основания (рис. 6.7).

Струи топлива попадают на стенку под острым углом и совершают сравнительно малый путь. На конической поверхности камеры оседает примерно 50% топлива.

Основное достоинство камер сгорания с непосредственным впрыском по сравнению с камерами других разновидностей заключается в следующем.

1. Простая и компактная форма камеры сгорания обеспечивает меньшие тепловые потери в процессе сгорания и более высокий эффективный КПД.

2. Менее интенсивное охлаждение воздуха в период сжатия (компактность камеры и сравнительно небольшое вихревое движение воздуха) создает условия для облегчения пуска. Время для пуска двигателя с непосредственным впрыском в 1.8–3.6 раза меньше, чем для пуска двигателей с другими камерами сгорания.

3. Конструкция головки цилиндра упрощается.

Недостатки камер сгорания с непосредственным впрыском состоят в следующем.

1. Смесеобразование происходит при больших давлениях впрыска (до 30 МПа). Это повышает требования к топливоподающей аппаратуре.

2. Процесс сгорания характеризуется значительными давлениями. Скорость нарастания давления при этом высокая. В связи с увеличением нагрузки на кривошипно-шатунный механизм приходится увеличивать запас прочности узлов двигателя.

3. Малые сопловые отверстия распылителя форсунки (0.1–0.25 мм) требуют точного исполнения и при недостаточно очищенном топливе могут засоряться. Поэтому топливо должно очищаться с большой тщательностью. Незначительные отклонения в качестве топлива от нормы ухудшают работу двигателя.

Предкамеры. Предкамерные дизельные двигатели имеют камеру сгорания, разделенную на две части (рис. 6.8). Основная камера размещается непосредственно над поршнем. Ее объем составляет 0.75–0.60отвсего объема камеры сгорания. Предкамера выполняется в головке цилиндра. Она занимает по объему 0.25–0.40 всего объема камеры. Предкамера соединяется с основной камерой одним или несколькими каналами.


Рис. 6.8. Предкамера
Смесеобразование у предкамерного двигателя протекает в такой последовательности. При сжатии часть сжатого воздуха поступает из цилиндра в предкамеру. В конце такта сжатия в предкамеру через форсунку впрыскивается топливо под давлением 8–12.5 МПа. Распыленное топливо, попадая в среду сжатого воздуха предкамеры, самовоспламеняется.

При этом сгорает от 20 до 30% впрыскиваемого топлива, что соответствует количеству кислорода воздуха, содержащегося в предкамере.

При сгорании части топлива температура и давление в предкамере повышаются. Горящие газы и несгоревшее топливо устремляются из предкамеры в основную камеру. Здесь сгорание топлива продолжается и заканчивается в процессе расширения.

В предкамерных двигателях интенсивное смесеобразование достигается главным образом за счет энергии топлива, частично сгоревшего в предкамере. Эта энергия вызывает перепад давления между предкамерой и основной камерой (обычно 1.5 МПа), что создает условия для интенсивного смесеобразования и более тонкого распыления топлива, предварительно распыленного в предкамере.

Смесеобразованию способствует образование вихревых движений воздуха при перемещении его в процессе сжатия из основной камеры в предкамеру. Форсунка таких двигателей обычно выполняется с одним отверстием.

Вихревые камеры. Двигатели с вихревыми камерами, как и предкамерные двигатели, имеют камеру, разделенную на две части (рис. 6.9). Основная камера расположена непосредственно над поршнем и имеет сравнительно небольшой объем. Вихревая камера выполнена в головке цилиндра, имеет обтекаемую форму (шара или сплющенного шара) и охлаждается водой. Ее объем составляет от 50 до 75% всего объема камеры сгорания. Такой объем позволяет вовлечь в вихревое движение большое количество воздуха. Вихревая камера сообщается с основной посредством горловины.


Рис. 6.9. Вихревая камера
В период сжатия воздух вытесняется из основной камеры в вихревую. Взаиморасположение камер способствует смесеобразованию. Топливо впрыскивается форсункой в вихревую камеру. Здесь струя топлива увлекается воздушным потоком, интенсивно перемешивается с ним, самовоспламеняется и частично сгорает.

В период сгорания в вихревой камере резко повышается давление. При этом продукты сгорания и несгоревшая часть топлива устремляются в основную камеру. Здесь процесс сгорания продолжается, заканчиваясь при расширении.

В двигателях с вихревыми камерами для смесеобразования используются главным образом вихревые потоки воздуха, создаваемые в процессе сжатия в вихревой камере. Перепад давлений между камерами сравнительно небольшой (обычно 0.6 МПа). Форсунки у таких двигателей применяются обычно с одним отверстием. Давление начала подачи составляет 8–10 МПа.

В дизельных двигателях с разделенными камерами сгорания достигается бездымная работа при малых значениях коэффициента избытка воздуха. Значительно снижаются требования к качеству распыливания топлива, и применяются форсунки закрытого типа с одним сопловым отверстием большого диаметра (1–2 мм). Давление впрыска топлива составляет 12–15 МПа, и обеспечивается мягкая работа двигателя. Эти дизельные двигатели являются наиболее быстроходными из всех дизелей.

Основные недостатки раздельных камер сгорания:

· низкие пусковые свойства в связи с интенсивным отводом тепла;

· высокий удельный расход топлива, большие потери тепла и значительные затраты энергии на перетекание газов из одной полости камеры сгорания в другую;

· сложная конструкция камеры сгорания и повышенные тепловые напряжения отдельных деталей.


pdnr.ru

Принцип сгорания топлива в дизельном двигателе

Системы с предкамерой

В системе с предкамерой (форкамерой), используемой для дизельных двигателей легковых автомобилей, топливо впрыскивается в горячую предкамеру (дополнительную камеру). Здесь начинается предварительное воспламенение, чтобы достичь образования качественной смеси и уменьшения задержки воспламенения для основного процесса сгорания.

Топливо впрыскивается с помощью игольчатой форсунки при относительно низком давлении (до 300 бар). Специально разработанная поверхность экрана в центре камеры распределяет струю топлива, которая разбивается на части и интенсивно перемешивается с воздухом. Сгорание начинается и продвигает частично воспламененную топливо-воздушную смесь через отверстия на нижнем конце предкамеры в основную камеру сгорания над поршнем и смесь нагревается в процессе еще больше. При этом имеет место интенсивное перемешивание топлива с воздухом в основной камере сгорания, сгорание продолжается и завершается. Малый период задержки воспламенения и контролируемое высвобождение энергии при общем низком уровне давления в основной камере сгорания приводит к «мягкому» сгоранию с небольшим шумом и уменьшением нагрузки на двигатель. Оптимизированная версия предкамеры обеспечивает сгорание с пониженным содержанием токсичных соединений в выхлопных газах и уменьшение выбросов в среднем на 40%. Модифицированная форма предкамеры с углублением для испарения и измененная форма и положение поверхности экрана (шаровой стержень) обеспечивают специфическое завихряюшее действие на воздух, после того как он поступает из цилиндра в предкамеру после сжатия. Топливо впрыскивается под углом в 5° относительно оси предкамеры.

Рис. Системы с предкамерой

Накальная свеча располагается ниже воздушного потока для предотвращения помех при сгорании. Управляемый последующий накал в течение времени до 1 минуты после запуска холодного двигателя (в зависимости от температуры охлаждающей жидкости) служит для уменьшения состава выхлопных газов и уменьшения шумов при прогреве двигателя.

Система с вихревой предкамерой

В этой системе, используемой в дизельных двигателях легковых автомобилей, сгорание также начинается в дополнительной камере. В процессе сгорания используется дополнительная камера сгорания в форме шара или диска (вихревая камера) с поверхностью горловины (выреза), расположенной тангенциально в основной камере сгорания.

Рис. Система с вихревой предкамерой

Сильное завихрение воздуха образуется при такте сжатия, а топливо впрыскивается в этот завихренный воздух. Форсунка расположена так, что струя топлива поступает в завихрение воздуха перпендикулярно к его оси и ударяется в противоположную сторону камеры в зоне с горячей стенкой.

В начале процесса сгорания топливо-воздушная смесь выдавливается в основную камеру сгорания через поверхность горловины (выреза) и смешивается с остальным воздухом. По сравнению с процессом в предкамере потери потока между основной камерой сгорания и дополнительной (вихревой камерой) более низкие для вихревой камеры из-за того, что поперечное сечение потока больше. Это приводит к пониженной работе цикла наполнения с соответствующими преимуществами для внутренней эффективности и расхода топлива. Конструкция вихревой камеры, расположение и форма распылителя форсунки, а также расположение накальной свечи должны быть тщательно подобраны для обеспечения качественного смесеобразования во всем диапазоне оборотов и нагрузок двигателя. Дополнительным требованием является быстрый разогрев вихревой камеры после запуска холодного двигателя. Это уменьшает время задержки воспламенения и препятствует образованию несгоревших углеводородов (голубой дым) в выхлопных газах при прогреве.

Системы с непосредственным впрыском (VI)

В системах с непосредственным впрыском, используемых главным образом в грузовых автомобилях и в стационарных дизельных двигателях всех размеров, образование смеси обходится без дополнительной вихревой камеры. Топливо впрыскивается непосредственно в камеру сгорания над поршнем.

Рис. Системы с непосредственным впрыском

Процессы, описанные выше (распыление топлива, разогрев, испарение и смешивание с воздухом) должны в связи с этим, происходить в очень быстрой последовательности. Высокие требования предъявляются к впрыску топлива и к подаче воздуха. Как в системе с вихревой камерой, завихрение воздуха образуется при тактах впуска и сжатия. Этот вихрь вызывается с помощью специальной формы впускного канала в головке цилиндров. Конструкция верхней части поршня с встроенной камерой сгорания способствует движению воздуха в конце такта сжатия, т.е. в начале впрыска.

Формы камеры сгорания, использованные в процессе разразвития дизельных двигателей и широко используемые в настоящее время, соответствуют цилиндрической выемке в поршне, т.к. это предлагает компромисс между экономией при производстве и соответствующим контролем воздуха.

В дополнение к хорошему завихрению (турбулентности) воздуха, топливо также должно равномерно распределено для облегчения быстрого перемешивания. В отличие от двигателя с предкамерой с одноструйной игольчатой форсункой, в системах с непосредственным впрыском используется многоструйная форсунка. Расположение ее струй должно быть опрегулировано в соответствии с конструкцией камеры сгорания.

На практике для непосредственного впрыска используются два метода:

  • образование смеси с помощью контролируемого движения воздуха;
  • образование смеси почти исключительно с помощью впрыска топлива без контролируемого движения воздуха.

Во втором случае завихрение воздуха не включается в работу. Эго становится заметным в форме уменьшения потерь в цикле подачи топлива и улучшения наполнения цилиндра. В тоже время к оборудованию для впрыска топлива предъявляются более высокие требования относительно расположения и количества отверстий форсунки, качест ва распыления путем малых диаметров отверстий для распыления и очень высокого давления впрыска, необходимого для достижения требуемой краткой продолжительности впрыска.

В методе непосредственного впрыска, описанном выше, образование смеси достигается с помощью смешивания и испарения частичек топлива с частичками воздуха, окружающими их (метод распределения воздуха). В методе с распределением по стенкам, с другой стороны, топливо направляется к стенкам камеры сгорания, где оно испаряется и смешивается с воздухом.

Система непосредственного смешивания топлива с распределением по стенкам (М — система)

В этой системе впрыска для стационарных и коммерческих дизельных двигателей теплосодержание (теплоемкость) стенок углубления в поршне используется для испарения топлива, и топливо-воздушная смесь образуется с помощью соответствующего управления воздухом для сжатия.

Рис. Система непосредственного смешивания топлива с распределением по стенкам

Система работает с помощью одноструйной форсунки (т.е. форсунки с одним отверстием) при относительно низком давлении впрыска. Если движение воздуха в камере сгорания правильно отрегулировано, то может быть получена очень однородная топливо-воздушная смесь с длительной продолжительностью сгорания, низким ростом давления и, таким образом, более мягкое сгорание. Однако это увеличивает расход топлива по сравнению с системами с распределением воздуха.

Сравнение различных систем

Недостатки двигателей с предкамерой, касающиеся шума, более заметны при работе холодного двигателя. Недостаточное смесеобразование, вызванное не только рассеянием тепла стенками камеры сгорания, приводит к относительно длительному периоду задержки воспламенения и к детонационным шумам при сгорании. При прогреве двигателя двиг атель с вихревой камерой также имеет тенденцию к повышенному шуму в диапазоне низких нагрузок и низких оборотов. Метод с предкамерой, с другой стороны, имеет преимущества, касающиеся температуры камеры и задержки воспламенения.

Главное преимущество системы непосредственного впрыска состоит в уменьшении расхода топлива до 20% по сравнению с двигателями с разделенной камерой сгорания. Недостатками систем непосредственного впрыска являются, однако, повышенный шум при работе (в частности, при разгоне) и ограниченные максимальные обороты. Система с непосредственным впрыском всегда требует повышенных давлений впрыска и, таким образом, более сложной системы впрыска топлива.

Преимуществами системы непосредственного впрыска являются преобладающими для таких условий работы, где решающими являются расход топлива и экономия, а вопросы комфорта играют второстпенную роль. Интенсивные исследования работы в области смесеобразования, которые включают усовершенствование систем впрыска, в скором времени приведут к возможности использования систем с непосредст венным впрыском топлива в двигателях легковых автомобилей.

ustroistvo-avtomobilya.ru

Непосредственный впрыск.

Непосредственный впрыск GDI — революция на границе тысячелетий.
     Уже более 100 лет на автомобили устанавливают бензиновый и дизельный ДВС. Мы давно к ним приспособились, и хорошо зная их достоинства  и недостатки, применяем тот или иной по обстоятельствам.
     Бензиновый двигатель легко пускается, разгоняется быстро и до высоких оборотов, имеет большую литровую мощность и дешевле стоит. Но любит «покушать», причем недешево. Поэтому мы его чаще видим на легковых и небольших грузовых автомобилях.
     Дизель и сам по себе стоит дороже, и дороже в обслуживании, не столь быстроходен, выдает меньшую мощность с литра рабочего объема, имеет повышенный уровень шума и хуже пускается. Зато, и это главное, потребляет куда меньше топлива, причем более дешевого. Понятно, что практически весь тяжелый и комерческий транспорт «ездит» на дизелях.
     Но лишних денег не бывает, и покупатели легковых автомобилей, причем не только в Европе, все чаще задумываются о том, какой двигатель им предпочесть. И довольно часто выбирают дизель. Хотя еще лучше , если бы два в одном… И быстрый , и тихий, и с легким пуском, и чтобы топливо зимой не застывало, да и мощность повыше не помешает, но вот только бы «ел» поменьше.
     Но чудес не бывает. Есть теория двигателей…

Простыми словами. Чтобы топливо сгорало, нужен воздух. Но надо смешать с воздухом столько топлива, сколько нужно для полного сгорания. Такое количество воздуха называется стехиометрическим, и оно, конечно же , давно известно. Например, для бензина оптимальный состав топливной смеси выражается соотношением 14.7 : 1 то есть на 1 грамм бензина нужно 14.7 грамма воздуха. Смесь в которой воздуха больше, чем нужно, называют «бедной», а там, в которой воздуха меньше, чем нужно, называется «богатой». Слишком бедную смесь не всегда удается поджечь, при работе на богатой смеси несгоревшее топливо бесполезно «вылетает» в трубу и растет выброс угарного газа.
     Но воздух нужен не только для сгорания . Чем выше давление  в цилиндре перед воспламенением смеси, тем больше отдача  двигателя. И нам очень выгодно, чтобы больше воздуха попало в цилиндр на такте впуска; тем больше потом будет давление.
     А теперь разберемся, почему дизель экономичнее.
     Вспомним, как работает двигатель внутреннего сгорания. У бензинового двигателя на такте впуска смесь воздуха и топлива поступает в цилиндр, затем он сжимается и поджигается искрой. У дизеля на такте впуска в цилиндр поступает только воздух, который сжимается поршнем под большим давлением и при этом еще и нагревается. В конце сжатия в цилиндр впрыскивается топливо, которое при высоких давлении и температуре самовоспламеняется. Давление в цилиндре дизеля намного выше, чем в цилиндре бензинового двигателя. Для современного безнаддувного дизеля вполне нормальна степень сжатия 20, а у серийных бензиновых, даже самых «зажатых», едва достигает 11. А выше давление в цилиндре, выше и эффективность. Поднять выше степень сжатия в бензиновом моторе мешают такие явления как детонация и калильное зажигание.

     Детонация — очень быстрое сгорание топлива в точках удаленных от свечи, сопровождается резким местным перегревом и перегрузкой деталей двигателя. Внешний признак детонации — стук, мы слышим , когда например, на «Жигулях» пытаемся резко разогнаться после заправки низкооктановым бензином.
     Калильное зажигание — преждевременное, (до появления искры) воспламенение смеси от перегретых деталей камеры сгорания (например от того же электрода свечи). Длительная работа с детонацией и калильным зажиганием недопустима для двигателя и ведет к его разрушению.
     Детонация и калильное зажигание провоцируют высокая температура и высокое давление. Во избежание детонации моторы с высокой степенью сжатия «кормят» высокооктановым бензином (98). но выше степени 11 и этого «не хватает».
     Теперь посмотрим, что происходит при малых нагрузках. Вот мы убавили газ и поехали медленнее. Что это значит для бензинового мотора? Когда мы отпускаем педаль акселератора, на впуске перекрывается дроссельная заслонка, а это значит, что мы уменьшаем не только количество подаваемого топлива, но и количество воздуха. Меньше воздуха в цилиндре  — меньше давления в конце сжатия.
     А как же бензиновый двигатель с впрыском топлива? Ведь там то можно уменьшить подачу топлива, не уменьшая количество воздуха. Можно, но до определенного предела. Потому, что слишком бедная смесь не будет поджигаться искрой, и чтобы смесь не обеднилась слишком сильно, дроссель все же придется прикрыть, и давление снизится. Меньше давление в цилиндре — меньше момент на выходе.
     А что значит отпустить педаль у дизеля? Это значит, что в цилиндр будет подаваться меньше топлива. Но количество всасываемого воздуха останется прежним, и давление в конце такта впуска не изменится. Да, смесь в цилиндре станет бедной , но дизель благополучно работает и на бедной смеси, ведь там другой принцип воспламенения и другое топливо..
 И дизель остается эффективным и при малых нагрузках.
     Вот, мы и дошли до главного, если мы хотим сделать бензиновый двигатель экономичным, и при этом более мощным, то мы должны избавить его от детонации и научить питаться бедной смесью.

На некалорийной пище. Итак, проблема в том, что искра упорно не желает воспламенять бензовоздушную смесь более бедную, чем 17:1. Но ведь можно заполнить чилиндр более бедной смесью, а непосредственно к свече подавать более богатую,которая загорится. В форкамерном двигателе эта идея и была заложена.  
     Реальных же результатов удалось достичь на моторах с распределенным впрыском топлива: здесь добиваются устойчивой работы на смеси с соотношением 22:1, но сильнее обеднить смесь все равно не удается. Ведь в случае обычного распределенного впрыска смесеобразование внешнее — форсунка впрыскивает бензин во впускной трубопровод. И доставить более богатую часть потока смеси к свече мы можем только за счет направления потока методами аэродинамики, например, определенным образом его завихряя. Вот если бы топливо впрыскивалась непосредственно в цилиндр….
     Бензиновые двигатели с непосредственным впрыском появились довольно давно и применялись в авиации уже в годы Второй Мировой войны. Двигатели для автомобилей тоже разрабатывались, по крайней мере в нашей стране их испытывали уже в конце 40-х. Однако еще долгое время не удавалось справиться с серьезными недостатками непосредственного впрыска, в частности — «дизельным» дымлением на мощностных режимах. Да и мотор получался довольно дорогим, а потому экономически невыгодным. И непосредственным впрыском практически перестали заниматься.
     Но не японцы. На Mitsubishi раньше других осознали, какую пользу может принести непосредственный впрыск в условиях ожесточения экологических норм, а бензин в Японии дешевым никогда не был. 15 лет усилий увенчались успехом, первые доведенные до готовности моторы с непосредственным впрыском бензина были представлены публике на Фракфуртском и Токийском автосалонах осенью 1995 года. Их обозначили GDI (Gasoline Direct Injection — непосредственный впрыск бензина). Спустя год на японском рынке появился серийный Mitsubishi Galant 1.8 GDI и наконец, в 1997 году европейцам была предложена Carusma с двигателем 1.8 GDI.

Как устроен GDI.   Действительно, этот двигатель напоминает по конструкции  обычный бензиновый и дизель. В каждом цилиндре присутствует и свеча зажигания и форсунка, а топливо подается насосом высокого давления под давлением 5 МПа (50 атм). Форсунка обеспечивает два режима впрыска топлива.

     Обратим внимание на следующие особенности . Впускной трубопровод подходит к цилиндру сверху. Это позволяет получить падающий поток воздуха, который после контакта с поршнем разворачивается и устремляется вверх, закручиваясь по часовой стрелке ( такая организация воздушного потока позволяет достичь оптимальныой концентрации топлива непосредственно около свечи). По почти прямому трубопроводу поток движется с очень высокой скоростью, и даже когда поршень достиг нижней мертвой точки, еще некоторое количество воздуха входит по инерции.

     Поршень необычный , сверху есть выемка сферической формы. Форма поршня обеспечивает  три важных функции. Во-первых, позволяет задать воздушному потоку нужное направление движения. Во-вторых, направляет впрыскиваемое топливо непосредственно к свече зажигания, что важно при работе  на предельно бедных смесях. В-третьих, определяет распространение фронта пламени.

Как работает GDI. В работе GDI различают три возможных режима в зависимости от режима движения.
     Работа на сверхбедных смесях. Этот режим используется на малых нагрузках: при спокойной городской езде и загородном движении на скорости до 120 км/час. В этом случае топливо подается в цилиндр практически как в дизеле — в конце такта сжатия. Топливо впрыскивается компактным факелом и смешиваясь с воздухом, направляется сферической выемкой поршня. В результате наиболее обогащенное топливом облако оказывается непосредственно около свечи зажигания и благополучно воспламеняется, поджигая затем бедную смесь. В результате двигатель устойчиво работает даже при общем соотношении воздуха и топлива в цилиндре 40:1.

     Работа на стехиометрической смеси. Этот режим используется при интенсивной городской езде, высокоскоростном загородном движении и обгонах. При стехиометрическом составе смеси с воспламенением никаких проблем не возникает. Но поскольку было бы желательно повысить степень сжатия, то важным становится недопустить детонацию и калильное зажигание. Впрыск топлива осущесвтляется в процессе такта впуска. Топливо впрыскивается коническим факелом, распыляется по всему цилиндру и испаряясь, охлаждает воздух в цилиндре. Благодаря охлаждению снижается поверхность детонации и калильного зажигания.
     И еще один режим реализует система управления GDI. Он позволяет повысить момент двигателя в том случае, когда водитель, двигаясь на малых оборотах, резко нажимает педаль акселератора.
     Когда двигатель работает на малых оборотах, а в него вдруг подается обогащенная смесь, вероятность детонации еще возрастает. Поэтому впрыск осущесвтляется в два этапа. Небольшое количество топлива впрыскивается в цилиндр на такте впуска и охлаждает воздух в цилиндре. При этом цилиндр наполняется сверх бедной смесью (примерно 60:1), в котором детонационные процессы не происходят. Затем, в конце такта сжатия, подается компактная струя топлива, ктоторая доводит соотношение воздуха и топлива в цилиндре до 12:1. А на подготовку детонации времени уже не остается.
     Итак, что в конце концов получается на выходе. Степень сжатия удалось поднять до 12-12.5, улучшилось наполнение воздухом. Двигатель устойчиво работает и на очень бедной смеси. Результат: по сравнению с «обычным» бензиновым двигателем GDI расходует на 10% меньше топлива, выдает на 10% больше мощности и выбрасывает на 20% меньше углекислого газа.

     Но это в Японии. Из-за того, что бензин в Европе содержит больше серы, при подготовке европейской версии мотора, от одного из преимуществ, повышения мощности, пришлось отказаться…
     Но это уже история. Сегодня двигатели с непосредственным впрыском топлива GDI успешно устанавливаются на многих моделях автомобилей разных марок и производителей…

www.gpmar.ru

gpmar.ru

Бензиновый двигатель с непосредственным впрыском топлива: устройство и особенности

Система непосредственного впрыска топлива в бензиновых двигателях на сегодняшний день представляет собой наиболее совершенное и современное  решение. Главной особенностью непосредственного впрыска можно считать то, что горючее подается в цилиндры напрямую.

По этой причине данную систему также часто называют прямым впрыском топлива. В этой статье мы рассмотрим, как работает двигатель с непосредственным впрыском топлива, а также какие преимущества и недостатки имеет такая схема.

Читайте в этой статье

Прямой впрыск топлива: устройство системы непосредственного впрыска

Как уже было сказано выше, горючее в подобных системах питания подается непосредственно в камеру сгорания двигателя. Это значит, что форсунки распыляют бензин не во впускном коллекторе, после чего топливно-воздушная смесь поступает через впускной клапан в цилиндр, а впрыскивают топливо в камеру сгорания напрямую.

Первыми бензиновыми двигателями с непосредственным впрыском стали моторы GDI на моделях японской компании Mitsubishi. В дальнейшем схема получила широкое распространение, в результате чего сегодня ДВС с такой системой подачи топлива можно встретить в линейке многих известных автопроизводителей.

Например, концерн VAG представил ряд моделей Audi и Volkswagen с атмосферными и турбированными бензиновыми двигателям TFSI, FSI и TSI, которые получили непосредственный впрыск топлива. Также двигатели с прямым впрыском производит компания BMW, Ford, GM, Mercedes и многие другие.

Такое широкое распространение непосредственный впрыск топлива получил благодаря высокой экономичности системы (около 10-15% по сравнению с распределенным впрыском), а также более полноценному сгоранию рабочей смеси в цилиндрах и снижению уровня токсичности отработавших газов.

Система непосредственного впрыска: конструктивные особенности

Итак, давайте в качестве примера возьмем двигатель FSI с его так называемым «послойным» впрыском. Система включает в себя следующие элементы:

  • контур высокого давления;
  • бензиновый ТНВД;
  • регулятор давления;
  • топливную рампу;
  • датчик высокого давления;
  • инжекторные форсунки;

Начнем с топливного насоса. Указанный насос создает высокое давление, под которым топливо подается к топливной рампе, а также на форсунки. Насос имеет плунжеры (плунжеров может быть как несколько, так и один в насосах роторного типа) и приводится в действие от распредвала впускных клапанов.

РДТ (регулятор давления топлива) интегрирован в насос и отвечает за дозированную подачу топлива, что соответствует впрыску форсунки. Топливная рейка (топливная рампа) нужна для того, чтобы распределить горючее на форсунки. Также наличие данного элемента позволяет избежать скачков давления (пульсации) горючего в контуре.

Кстати, в схеме используется специальный клапан-предохранитель, который стоит в рейке. Указанный клапан нужен для того, чтобы избежать слишком высокого давления топлива и тем самым защитить отдельные элементы системы. Рост давления может возникать по причине того, что горючее имеет свойство расширяться при нагреве.

Датчик высокого давления является устройством, которое измеряет давление в топливной рейке. Сигналы от датчика передаются на ЭБУ (электронный блок управления двигателем), который, в свою очередь, способен изменять давление в топливной рейке.

Что касается инжекторной форсунки, элемент обеспечивает своевременную подачу  и  распыл топлива в камере сгорания, чтобы создать необходимую топливно-воздушную смесь. Отметим, что описанные процессы протекают под управлением ЭСУД (электронная система управления двигателем). Система имеет группу различных датчиков, электронный блок управления, а также исполнительные устройства.

Если же говорить о системе прямого впрыска, вместе с датчиком высокого давления топлива для ее работы задействованы: датчик коленчатого вала, ДПРВ, датчик положения дроссельной заслонки, воздухорасходомер, датчик температуры воздуха во впускном коллекторе, датчик температуры ОЖ и т.д.

Благодаря работе этих датчиков на ЭБУ поступает нужная информация, после чего блок посылает сигналы на исполнительные устройства. Это позволяет добиться слаженной и точной работы электромагнитных клапанов, форсунок, предохранительного клапана и ряда других элементов.

 Как работает система непосредственного впрыска топлива

Главным плюсом непосредственного впрыска является возможность добиться различных типов смесеобразования. Другим словами, такая система питания способна гибко изменять состав рабочей топливно-воздушной смеси с учетом режима работы двигателя, его температуры, нагрузки на ДВС и т.д.

Следует выделить послойное смесеобразование, стехиометрическое, а также гомогенное. Именно такое смесеобразование позволяет в конечном итоге максимально эффективно расходовать топливо. Смесь всегда получается качественной независимо от режима работы ДВС, бензин сгорает полноценно, двигатель становится более мощным, при этом одновременно снижается токсичность выхлопа.

  • Послойное смесеобразование задействуется тогда, когда нагрузки на двигатель низкие или средние, а обороты коленвала небольшие. Если просто, в таких режимах смесь несколько обедняется в целях экономии.  Стехиометрическое смесеобразование предполагает приготовление такой смеси, которая легко воспламеняется, при этом не является слишком обогащенной.
  • Гомогенное смесеобразование позволяет получить так называемую «мощностную» смесь, которая нужна при больших нагрузках на двигатель. На обедненной гомогенной смеси в целях дополнительной экономии силовой агрегат работает на переходных режимах.
  • Когда задействован режим послойного смесеобразования, дроссельная заслонка широко открыта, при этом впускные заслонки находятся в закрытом состоянии. В камеру сгорания воздух подается с высокой скоростью, возникают завихрения воздушных потоков. Горючее впрыскивается ближе к концу такта сжатия, впрыск производится в область расположения свечи зажигания.

За короткое время до того, как на свече появится искра, образуется топливно-воздушная смесь, в которой коэффициент избыточного воздуха составляет 1.5-3. Далее смесь воспламеняется от искры, при этом вокруг зоны воспламенения сохраняется достаточно количество воздуха. Указанный воздух выполняет функцию температурного «изолятора».

Если же рассматривать гомогенное стехиометрическое смесеобразование, такой процесс происходит тогда, когда впускные заслонки открыты, при этом дроссельная заслонка также открыта на тот или иной угол (зависит от степени нажатия на педаль акселератора).

В этом случае горючее впрыскивается еще на такте впуска, в результате чего удается получить однородную смесь. Избыток воздуха имеет коэффициент, близкий к единице. Такая смесь легко воспламеняется и полноценно сгорает по всему объему камеры сгорания.

Обедненная гомогенная смесь создается тогда, когда дроссельная заслонка полностью открыта,  а впускные заслонки закрыты. В этом случае воздух активно движется в цилиндре, а впрыск горючего приходится на такт впуска. ЭСУД поддерживает избыток воздуха на отметке 1.5.

Дополнительно к чистому воздуху могут быть добавлены отработавшие газы. Это происходит благодаря работе системы рециркуляции отработавших газов EGR. В результате выхлоп повторно «догорает» в цилиндрах без ущерба для мотора. При этом снижается уровень выброса вредных веществ в атмосферу.

Что в итоге

Как видно, прямой впрыск позволяет добиться не только экономии топлива, но и хорошей отдачи от двигателя как в режимах низких и средних, так и высоких нагрузок. Другими словами, наличие непосредственного впрыска означает, что оптимальный состав смеси будет поддерживаться на всех режимах работы ДВС.

Что касается недостатков, к минусам прямого впрыска можно отнести разве что повышенную сложность  во время ремонта и цену запчастей, а также высокую чувствительность системы к качеству горючего и состоянию фильтров топлива и воздуха.

Читайте также

krutimotor.ru

Устройство и принцип действия система непосредственного впрыска бензина Bosch Motronic MED 7

Первостепенной целью разработки новых двигателей является снижение расхода топлива и соответствующее ему уменьшение выброса вредных веществ. В трехкомпонентных нейтрализаторах удается преобразовать в безвредные вещества до 99%
выбрасываемых с отработавшими газами углеводородов, оксидов азота и оксида углерода. Выбросы образуемого при сгорании диоксида углерода (CO2), способствующего образованию парникового эффекта, могут быть снижены только в результате уменьшения
расхода топлива. Однако, у двигателей с внешним смесеобразованием (с впрыском бензина во впускной трубопровод) резервы снижения расхода топлива практически отсутствуют. Двигатели с непосредственным впрыском бензина в цилиндры, осуществляемым посредством системы Bosch Motronic MED 7 позволяют экономить до 15% топлива по сравнению с сопоставимым двигателем с впрыском бензина во впускной трубопровод.

Как осуществляется подача топлива?

 

Зачем нужен непосредственный впрыск бензина?

 

Первостепенной целью разработки новых двигателей является снижение расхода топлива и уменьшение выброса вредных веществ.

При этом должны быть получены следующие результаты:

  • снижение благодаря экономии топлива затрат на эксплуатацию автомобиля и получение поощрительных налоговых льгот для автомобилей с низкими выбросами вредных веществ
  • снижение загрязнения среды обитания вредными веществами
  • экономия сырьевых ресурсов

  • Электронное регулирование системы охлаждения, регулируемые фазы газораспределения и рециркуляция отработавших газов уже нашли применение на многих двигателях
  • Ввиду необходимости сохранения достаточной равномерности вращения коленчатого вала отключение цилиндров имеет смысл применять только на многоцилиндровых двигателях. Для снижения вибраций четырехцилиндровых двигателей целесообразно применять уравновешивающие валы
  • Переменная степень сжатия и изменяемые фазы газораспределения реализуются только посредством достаточно мощных
  • механических приводов
  • Дальнейшая разработка различных способов сжигания бедных смесей прекращена в ползу создания двигателей с непосредственным впрыском
  • Непосредственный впрыск бензина принят как наиболее эффективное средство экономии топлива,
  • обеспечивающее его снижение до 20%

 

Преимущества непосредственного впрыска бензина

Уменьшение дросселирования при работе двигателя на бедных послойной и гомогенной смесях.

При работе двигателя на этих смесях коэффициент избытка воздуха изменяется в пределах от 1,55 до 3. При этом дроссельная
заслонка открывается на больший угол, то есть впуск воздуха в цилиндры осуществляется с меньшим сопротивлением.

Работа двигателя на бедных смесях.

При применении послойного смесеобразования удается эффективно сжигать бедные смеси с коэффициентом избытка воздуха от 1,6 до 3, а при работе двигателя на гомогенной бедной смеси коэффициент избытка воздуха равен приблизительно 1,55.

Снижение потерь тепла в стенки.

Так как горение смеси происходит главным образом вблизи свечи зажигания, снижаются потери тепла в стенки цилиндра и
соответственно повышается термический коэффициент полезного действия.

Сжигание гомогенной смеси с высоким содержанием перепускаемых отработавших газов.

Благодаря высокой турбулизации заряда цилиндра двигателя удается эффективно сжигать гомогенные бедные смеси с содержанием отработавших газов до 25%. Чтобы впустить в цилиндры то же количество воздуха, какое поступает в них при перепуске
небольших доз отработавших газов, нужно открывать дроссельную заслонку на больший угол. При этом воздух засасывается в
цилиндры с меньшим сопротивлением, то есть снижаются насосные потери.

Степень сжатия

При непосредственном впрыске бензина затрачиваемое на его испарение тепло отбирается у поступившего в цилиндры
двигателя воздуха. В результате снижается вероятность детонационного сгорания и степень сжатия может быть повышена.
Повышение степени сжатия приводит к росту давления в конце сжатия и соответственно к увеличению термического коэффициента полезного действия.

Расширение диапазона принудительного холостого хода с выключенной подачей топлива.

Частота вращения холостого хода, на которой производится возобновление подачи топлива может быть снижена, так как впрыскиваемое топливо практически не осаждается на стенках цилиндра и большая его часть может быть немедленно использована. Поэтому двигатель работает устойчиво с пониженной частотой вращения.

Способы смесеобразования.

Помимо бедной послойной и стехиометрической гомогенной смесей в двигателе FSI используется смесь третьего вида, а именно, бедная гомогенная смесь. Этот вид смеси позволяет получить меньший расход топлива, чем смесь стехиометрического состава с добавкой перепускаемых отработавших газов. Выбор того или иного способа смесеобразования производится блоком управления двигателем в зависимости от крутящего момента и мощности двигателя с учетом требований к выбросу вредных
веществ и требований безопасности.

Работа двигателя при послойном смесеобразовании.

Послойное смесеобразование используется при работе двигателя при малых и средних нагрузках и частотах вращения.
Благодаря послойному распределению топлива в камере сгорания двигатель работает при общем коэффициенте избытка воздуха от 1,6 до 3.

  • В средней части камеры сгорания, вблизи свечи зажигания, находится легко воспламеняемая рабочая смесь.
  • Эта смесь окружена оболочкой, состоящей в идеальном случае из чистого воздуха и перепускаемых отработавших газов.

Работа двигателя на бедной гомогенной смеси.

На промежуточных режимах, расположенных между режимами работы двигателя на послойной смеси и гомогенной стехиометрической смеси, используются бедная гомогенная смесь. Коэффициент избытка воздуха бедной гомогенной, т. е. однородной во всем объеме камеры сгорания, смеси приблизительно равен 1,55.

Работа двигателя на гомогенной смеси стехиометрического состава.

Двигатель работает на гомогенной смеси стехиометрического состава при выходе на режимы больших нагрузок и высоких частот вращения. Коэффициент избытка воздуха этой смеси равен (согласно определению) единице.

Рабочий процесс.

Рабочий процесс определяется способом смесеобразования и процессами преобразования энергии в камере сгорания.
Работа двигателя на гомогенных смесях При работе двигателя на гомогенных смесях топливо впрыскивается в цилиндр на такте
впуска и равномерно распределяется по всей массе засасываемого воздуха.

Работа двигателя при послойном смесеобразовании.

Послойная смесь формируются около свечи зажигания с помощью поршня специальной формы и за счет вихревого движения воздуха. Форсунка расположена так, что впрыскиваемое ею топливо направляется на выемку в днище поршня и отклоняется ее
стенкой в направлении свечи зажигания. С помощью установленной во впускном канале заслонки и аэродинамической выемки в
поршне в цилиндре двигателя создается вихревое движение воздуха, которое поддерживает перенос топлива к свече зажигания. Таким образом горючая смесь образуется в процессе движения топлива и воздуха.

Работа двигателя при послойном смесеобразовании.

Переход двигателя на режим работы с использованием послойной смеси осуществляется при следующих условиях:

  • нагрузка и частота вращения двигателя соответствуют режимам, на которых эффективно использование послойного смесеобразования;
  • системой не зарегистрирована неисправность, из/за которой может повыситься выброс вредных веществ;
  • температура охлаждающей жидкости выше 50 °C,
  • датчик окислов азота исправен;
  • температура накопительного нейтрализатора находится в пределах от 250°C до 500°C. Если эти предпосылки выполнены, можно перейти на послойное смесеобразование.

Процесс впуска

При работе на послойной смеси дроссельную заслонку открывают по возможности больше, чтобы до максимума снизить потери на дросселирование. При этом установленная во впускном канале вспомогательная заслонка (называемая в дальнейшем впускной заслонкой) перекрывает его нижнюю часть. В результате повышается скорость проходящего через верхнюю часть канала потока воздуха, который закручивается затем в цилиндре.

Движение воздуха в цилиндр двигателя.

Специальная форма выемки в днище поршня способствует образованию и усилению вихря в цилиндре двигателя.

Впрыск топлива.

Топливо впрыскивается в последней трети такта сжатия. Впрыск начинается приблизительно за 60° и заканчивается приблизительно за 45° до в. м. т. такта сжатия. Начало впрыска оказывает значительное влияние на расположение облачка смеси
относительно свечи зажигания.

Топливо впрыскивается в направлении топливной выемки в поршне. Желаемые размеры облачка смеси достигаются подбором геометрических параметров форсунки.

Специальная форма топливной выемки и движение поршня к в. м. т. способствуют отклонению движения капель топлива к свече
зажигания. Это движение топлива поддерживается вихревым движением воздуха. В процессе движения к свече зажигания
топливо смешивается с поступившим в цилиндр воздухом.

Процесс смесеобразования

Для образования послойной смеси предоставляется время, соответствующее повороту коленчатого вала на 40° / 50°. От
продолжительности этого процесса зависит способность смеси к воспламенению. Если время между впрыском и моментом подачи искры слишком мало, смесь оказывается не подготовленной к воспламенению. При слишком большом промежутке времени между этими процессами смесь распределяется по всему объему камеры сгорания. При выполнении указанных выше условий в центре камеры сгорания, т. е. вблизи свечи, образуется легко воспламеняемая смесь. Эта смесь окружена оболочкой, состоящей из свежего воздуха и перепущенных отработавших газов. Общий коэффициент избытка воздуха в камере сгорания может быть равен при этом от 1,6 до 3.

Процесс сгорания.

После поступления топливо/воздушной смеси к свече зажигания она поджигается искрой. При этом воспламеняется только облако смеси, в то время как остальные газы образуют его оболочку. Благодаря изолирующему действию этой оболочки снижаются потери тепла в стенки камеры сгорания и соответственно увеличивается термический к. п. д. двигателя.
Зажигание смеси должно производиться в конце такта сжатия в пределах достаточно узкого угла поворота коленчатого вала,
ограниченного моментом окончания впрыска топлива и промежутком времени, необходимого для образования смеси.

Работа двигателя на бедной гомогенной смеси.

Эта смесь используется на режимах, которые находятся в поле многопараметровой характеристики между режимами работы двигателя при послойном смесеобразовании и режимами его работы на гомогенной смеси стехиометрического состава. Коэффициент избытка воздуха этой смеси равен практически 1,55. Двигатель может эффективно работать на этой смеси при тех же условиях, которые предписаны для послойной смеси.

Процесс впуска.

Как при послойном смесеобразовании, работа двигателя на бедной гомогенной смеси осуществляется с максимально
открытой дроссельной заслонкой при закрытых впускных заслонках. При этом снижаются потери на дросселирование и
создается интенсивное движение воздуха в цилиндре двигателя.

Процесс впрыска топлива

Впрыск топлива осуществляется непосредственно в цилиндр в процессе впуска. Он начинается приблизительно за 300° до
в. м. т. такта сжатия. При этом блок управления двигателем регулирует подачу топлива таким образом, чтобы коэффициент избытка воздуха был равен приблизительно 1,55.

Процесс смесеобразования

Благодаря раннему моменту впрыска предоставляется достаточно большое время до момента зажигания для образования гомогенной смеси во всем объеме камеры сгорания.

Процесс сгорания

Как и при работе на любой гомогенной смеси момент зажигания не зависит от процесса смесеобразования. Смесь горит при этом во всем объеме камеры сгорания.

Работа двигателя на гомогенной смеси стехиометрического состава.

Работу двигателя на гомогенной смеси стехиометрического состава можно сравнить с работой двигателя с впрыском бензина во впускной трубопровод. Существенное различие заключается только в месте впрыска топлива, который производится в данном случае непосредственно в цилиндры двигателя. Крутящий момент двигателя может быть изменен как смещением угла опережения зажигания
(кратковременно), так и изменением поступающей в цилиндры массы воздуха (долговременно). При этом впрыскивается такое количество топлива, которое необходимо для образования стехиометрической смеси, коэффициент избытка воздуха которой (по определению) равен единице.

Процесс впуска

Дроссельная заслонка открывается соответственно перемещению педали акселератора. Впускная заслонка может быть открыта или
закрыта в зависимости от режима работы двигателя. При частичных нагрузках и в среднем диапазоне частот вращения эта заслонка закрыта, в результате чего входящий в цилиндр поток воздуха закручивается, улучшая смесеобразование. По мере увеличения нагрузки и частоты вращения поступление воздуха только через верхнюю часть впускного канала оказывается недостаточным. Поэтому заслонку
поворачивают, открывая нижнюю часть впускного канала.

Впрыск топлива

Впрыск топлива производится непосредственно в цилиндр на такте впуска приблизительно за 300° до в. м. т. такта сжатия.

Процесс смесеобразования

Так как впрыск топлива производится на такте впуска, на процесс смесеобразования отводится относительно много времени.
Благодаря этому впрыснутое в цилиндр топливо равномерно распределяется по всему объему поступившего в него воздуха.
Коэффициент избытка воздуха смеси в камере сгорания равен единице.

Процесс сгорания

Крутящий момент двигателя, расход топлива и выброс вредных веществ при работе на гомогенной смеси зависят от угла опережения зажигания.

 

Система впуска

 

У двигателей с непосредственным впрыском бензина система впуска была изменена в соответствии с их потребностями. Ее особенностью является целенаправленное воздействие на потоки воздуха в цилиндрах двигателя в зависимости от режимов его работы.

  1. Пленочный измеритель массового расхода воздуха с датчиком температуры воздуха на впуске для более точного определения нагрузки двигателя
  2. Датчик давления во впускном трубопроводе для расчета количества перепускаемых отработавших газов
  3. Система заслонок во впускных каналах для целенаправленного управления потоками воздуха на входе в цилиндры двигателя
  4. Электромагнитный клапан системы рециркуляции отработавших газов с увеличенными проходными сечениями для перепуска большего количества газов
  5. Датчик давления для регулирования разрежения в магистрали к вакуумному усилителю тормозного привода
  6. Блок управления дроссельной заслонкой
  7. Клапан продувки адсорбера
  8. Блок управления системой Motronic

Система впускных заслонок

Впускные заслонки и их привод расположены в нижней и верхней частях впускной системы. Заслонки служат для управления потоками воздуха, поступающего в цилиндры двигателя, в зависимости от режимов работы двигателя.

Работа двигателя с закрытыми впускными заслонками

При работе двигателя на послойных и бедных гомогенных смесях, а также на некоторых режимах с использованием гомогенных смесей стехиометрического состава заслонки перекрывают нижние части впускных каналов, расположенных в головке цилиндров. При этом воздух проходит в цилиндры только через верхние части впускных каналов. Форма верхней части впускного канала подобрана
таким образом, чтобы впускаемый в цилиндр воздух закручивался на входе в него. Помимо этого повышенная скорость проходящего через зауженный канал воздуха способствует смесеобразованию.

Реализуются два преимущества:

  • При послойном смесеобразовании вихревое движение воздуха обеспечивает перенос топлива к свече зажигания. Образование смеси осуществляется в процессе этого движения.
  • Вихревое движение воздуха создает условия для образования гомогенных бедной и стехиометрической смесей. Благодаря ему повышается воспламеняемость и достигается стабильное горение бедных смесей

 Работа двигателя с открытыми впускными заслонками

При работе двигателя на режимах с высокой нагрузкой и при высоких частотах вращения воздушные заслонки открыта и воздух
проходит в цилиндры через обе части впускных каналов. Большое сечение впускного канала обеспечивает наполнение цилиндра,
необходимое для получения высокой мощности и крутящего момента

Определение количества перепускаемых отработавших газов

Блок управления двигателем определяет с помощью измерителя расхода поступающую в цилиндры массу воздуха и рассчитывает соответствующее ее величине давление во впускном трубопроводе. При рециркуляции отработавших газов их масса добавляется к массе свежего воздуха и соответственно повышается давление во впускном трубопроводе. Датчик давления во впускном трубопроводе реагирует на это изменением напряжения на его выходе, которое передается на вход блока управления двигателем. По величине этого сигнала определяется суммарное количество воздуха и отработавших газов, поступающих в цилиндры двигателя. Количество перепускаемых отработавших газов определяется вычитанием количества свежего воздуха из суммарной величины. Преимуществом такого метода определения количества перепускаемых отработавших газов является возможность увеличения их доли в рабочей смеси и приближения к границе воспламеняемости смеси.

Последствия при отсутствии сигнала датчика давления во впускном трубопроводе.
При выходе датчика давления во впускном трубопроводе из строя блок управления определяет количество перепускаемых газов
расчетным путем и снижает перепуск против значений, соответствующих многопараметровой характеристике.

Топливная система

Топливная система разделена на контуры высокого и низкого давления. Часть топлива подводится в цилиндры через систему улавливания паров бензина.

Контур низкого давления

Контур низкого давления охватывает часть топливной системы от расположенного в баке электронасоса до насоса высокого давления. Давление топлива в этом контуре обычно равно 3 бар и только при пуске горячего двигателя может быть повышено до 5,8 бар.

Контур высокого давления

Контур высокого давления начинается с топливного насоса высокого давления, который подает топливо в распределительный
трубопровод. На распределительном трубопроводе установлен датчик давления топлива, сигналы которого используются для
поддержания давления в диапазоне от 50 до 100 бар посредством клапана регулятора. Впрыск топлива в цилиндры осуществляется через форсунки высокого давления.

В контур низкого давления входят:
     1. топливный бак
     2. топливный электронасос
     3. топливный фильтр
     4. клапан перепуска топлива
     5. регулятор давления топлива
В контур высокого давления входят:
     6. топливный насос высокого давления
     7. трубопровода высокого давления
     8. распределительный трубопровод
     9. датчик давления топлива
     10. клапан регулятора давления
     11. форсунки высокого давления

Форсунки высокого давления

Форсунки установлены в головке цилиндров. Через них топливо впрыскивается под высоким давлением непосредственно в цилиндры двигателя. Назначение Форсунки должны мелко распыливать топливо за возможно короткий промежуток времени. Способ подачи топлива зависит при этом от режима работы двигателя. При послойном смесеобразовании топливо должно направляться в зону свечи зажигания, а при работе двигателя на гомогенных смесях его необходимо равномерно распределять в объеме камеры сгорания.

Чтобы получить наилучшее распределение топлива при послойном смесеобразовании, угол конуса факела топлива принят равным 70°, а ось конуса наклонена на 20°


Эта система должна обеспечивать выполнение законодательных норм выброса углеводородов. Эта система предотвращает попадание паров бензина из бака автомобиля

в окружающую среду. Пары топлива накапливаются в адсорбере с активированным углем и периодически отсасываются в двигатель, где они сгорают. 

При работе двигателя на гомогенных смесях
При этом рабочая смесь равномерно распределяется по объему камеры сгорания. Поступающие из адсорбера пары бензина сгорают вместе с рабочей смесью во всем объеме камеры сгорания.

При послойном смесеобразовании
При послойном смесеобразовании способная к воспламенению рабочая смесь находится только в зоне свечи зажигания. Часть поступившего из адсорбера топлива оказывается при этом в зоне невоспламеняемой смеси. Это может привести к неполному сгоранию топлива и повышенному выбросу углеводородов с отработавшими газами. Поэтому переход на послойное смесеобразование производится только при небольшом содержании топлива в адсорбере.

Блок управления двигателем рассчитывает количество топлива, которое может быть отведено из адсорбера, и вырабатывает команды на открытие клапана его продувки, изменение дозы впрыскиваемого топлива и установку дроссельной заслонки. Для этого блоком управления используется следующая данные:

  • нагрузка двигателя, определяемая по сигналам измерителя расхода воздуха с пленочным чувствительным элементом
  • частота вращения коленчатого вала, определяемая по сигналам датчика
  • температура воздуха на впуске, определяемая по сигналам датчика
  • заряд адсорбера, определяемый по сигналам датчика кислорода

Система зажигания

Задачей системы зажигания является воспламенение рабочей смеси в нужный момент времени. Для этого блок управления двигателем должен определять для каждого режима работы двигателя угол опережения зажигания, энергию искры и длительность искрообразования. От угла опережения зажигания зависят крутящий момент, выброс вредных веществ и расход топлива двигателя.

При послойном смесеобразовании
момент зажигания может изменяться в узком диапазоне значений угла поворота коленчатого вала, которому соответствует
образование способной к воспламенению смеси.

При работе на гомогенных бедной и стехиометрической смесях.
Требования к зажиганию не отличаются от них у двигателей с впрыском бензина во впускные каналы. Ввиду одинакового распределения
смеси у двигателей с обеими системами впрыска оптимальные углы опережение зажигания практически не отличаются.

При расчете оптимальных углов опережения зажигания используются:

 

Основные исходные данные:
     1. о нагрузке двигателя, определяемые по сигналам измерителя расхода воздуха и датчика температуры воздуха на впуске,
     2. о частоте вращения коленчатого вала, измеряемой по сигналам датчика

Вспомогательные данные, определяемые по сигналам:
     3. датчика температуры охлаждающей жидкости,
     4. с блока управления дроссельной заслонкой,
     5. датчика детонации,
     6. датчиков положения педали акселератора,
     7. датчика кислорода.

Система выпуска

Эта система была приспособлена к двигателю с непосредственным впрыском бензина. До настоящего времени система очистки
отработавших газов двигателей с непосредственном впрыском была проблематичной. Это связано с тем, что образующиеся при работе на бедных гомогенных и послойных смесях оксиды азота не могут быть восстановлены в обычных трехкомпонентных нейтрализаторах до уровня, допускаемого законодательством. Поэтому для двигателей с непосредственным впрыском бензина применяют накопительные нейтрализаторы, которые способны удерживать оксиды азота при работе на бедных смесях. При заполнении
нейтрализатора до предела производится перевод его на режим регенерации, в процессе которого накопленные в нем оксиды азота
выводятся и восстанавливаются до азота.

Охлаждение отработавших газов
Охлаждение отработавших газов применяется для того, чтобы поддерживать температуру в накопительном нейтрализаторе в диапазоне от 250 до 500 °C. Только в этом температурном диапазоне обеспечивается удерживание оксидов азота в накопительном нейтрализаторе. Накопительный нейтрализатор необходимо охлаждать также из-за снижения его аккумулирующей способности при перегреве до температур свыше 850 °C. 

Охлаждение выпускного коллектора
В подкапотном пространстве предусмотрен воздуховод, который позволяет преднамеренно охлаждать выпускной коллектор направляемым на него потоком свежего воздуха и таким образом снижать температуру отработавших газов.

Раздвоенный выпускной трубопровод
Этот трубопровод расположен перед накопительным нейтрализатором. Его установка является вторым мероприятием по
снижению температуры отработавших газов и соответственно накопительного нейтрализатора. Температура газов снижается
за счет увеличения теплоотдачи через развитую поверхность трубопровода.

При одновременном использовании обоих мероприятий удается снижать температуру
отработавших газов на 30*100 °C в зависимости от скорости автомобиля.

Предварительный трехкомпонентный нейтрализатор.
Этот нейтрализатор встроен в выпускной коллектор. Благодаря близости к двигателю он быстро прогревается до рабочей температуры, при которой начинается очистка отработавших газов. Благодаря этому могут быть выполнены жесткие нормы на выбросы вредных веществ.

Назначение
Нейтрализатор служит для каталитического преобразования образующихся при сгорании вредных веществ в безвредные вещества.

Принцип действия

При работе двигателя на гомогенной стехиометрической смеси

Углеводороды (HC) и оксид углерода (CO) отнимают у оксидов азота (NOx) кислород (O), окисляясь до воды (h3O) и диоксида углерода (CO2). При этом оксиды азота восстанавливаются до азота (N2).

При работе двигателя на бедных смесях

Углеводороды и оксид углерода окисляются кислородом, содержащимся в избытке в отработавших газах. При этом кислород у
оксидов азота не отнимается. Поэтому при работе на бедных смесях трехкомпонентный нейтрализатор не может осстанавливать оксиды азота. Последние проходят через трехкомпонентный нейтрализатор и направляются в нейтрализатор накопительного типа.

www.carluck.ru