9.6. Призначення, загальна будова та робота системи живлення бензинового двигуна з безпосереднім упорскуванням пального

Перші системи упорскування бензину безпосередньо в циліндри двигуна з'явились ще в першій половині XX ст. і використовувались на авіаційних двигунах. Спроби застосування безпосереднього упорскування в бензинових двигунах автомобілів були припинені в 40-і роки XX ст. в зв’язку з тим, що такі двигуни виходили дорогими, неекономічними та сильно диміли на режимах великої потужності. Упорскування бензину безпосередньо в циліндри пов'язане з певними труднощами. Форсунки для безпосереднього упорскування бензину працюють в складніших умовах, ніж ті, що встановлені у впускному трубопроводі. Головка блока, в яку повинні встановлюватись такі форсунки, виходить складнішою і дорожчою. Час, що відводиться на процес сумішоутворення при безпосередньому упорскуванні, істотно зменшується, а значить, для хорошого сумішоутворення необхідно подавати бензин під великим тиском.

Зі всіма цими труднощами вдалося справитись фахівцям компанії Mitsubishi, яка вперше застосувала систему безпосереднього упорскування бензину на автомобільних двигунах. Перший серійний автомобіль Mitsubishi Galant з двигуном 1,8 GDI (Gasoline Direct Injection — безпосереднє упорскування бензину) з'явився в 1996 р. Зараз двигуни з безпосереднім упорскуванням бензину випускають Peugeot-Citroen, Renault, Toyota, Daimler Chrysler тощо.

Переваги системи безпосереднього упорскування бензину полягають в покращенні паливної економічності та підвищенні потужності. Перше пояснюється здатністю двигуна з системою безпосереднього упорскування працювати на дуже бідних сумішах. Підвищення потужності обумовлене тим, що організація процесу подачі пального в циліндри двигуна дозволяє підвищити ступінь стиснення до 12,5 (у звичайних двигунах, які працюють на бензині, через детонацію рідко вдається досягти ступінь стиснення понад 10).

Рис. 9.30. Перший серійний бензиновий двигун з безпосереднім упорскуванням Mitsubishi 1,8 GDI

У двигуні GDI паливний насос забезпечує тиск 5 МПа. Електромагнітна форсунка, встановлена в головці блока циліндрів, упорскує бензин безпосередньо в циліндр двигуна і може працювати в двох режимах. Залежно від електричного сигналу, який подається, вона може упорскувати пальне або великим конічним факелом, або компактним струменем. Днище поршня має спеціальну форму у вигляді сферичної виїмки. Вона дозволяє закрутити повітря, яке надходить у циліндр та направити пальне до свічки запалювання, встановленої по центру камери згоряння. Впускний трубопровід розташований не збоку, а вертикально вгорі. Він не має різких вигинів, і тому повітря поступає з високою швидкістю.

У роботі двигуна з системою безпосереднього упорскування можна виділити три різних режими:

• режим роботи на надбідних сумішах;

• режим роботи на стехіометричній суміші;

• режим різких прискорень з малих обертів;

Перший режим використовується у тому випадку, коли автомобіль рухається без різких прискорень із швидкістю 100-120 км/год. На цьому режимі використовується дуже бідна горюча суміш з коефіцієнтом надлишку повітря α>2,7. У звичайних умовах така суміш не може спалахнути від іскри, тому форсунка упорскує пальне компактним факелом в кінці такту стиснення (як в дизелі). Сферична виїмка в поршні направляє струмінь пального до електродів свічки запалювання, де висока концентрація парів бензину забезпечує можливість займання суміші.

Другий режим використовується при русі автомобіля з високою швидкістю і при різких прискореннях, коли необхідно отримати високу потужність. Такий режим руху вимагає стехіометричного складу суміші. Суміш такого складу легко спалахує, але у двигуна GDI підвищений ступінь стиснення, і для того, щоб не виникла детонація, форсунка упорскує пальне великим факелом. Дрібно розпорошене пальне заповнює циліндр і, випаровуючись, охолоджує поверхні циліндра, знижуючи вірогідність появи детонації.

Третій режим необхідний для отримання великого обертового моменту при різкому натисканні на педаль керування, коли двигун працює на малих обертах. Цей режим роботи двигуна відрізняється тим, що протягом одного циклу форсунка спрацьовує двічі. Під час такту впускання в циліндр для його охолоджування великим факелом упорскується надбідна суміш (α=4,1). В кінці такту стиснення форсунка ще раз упорскує пальне, але компактним факелом. При цьому суміш в циліндрі збагачується і детонація не виникає.

В порівнянні із звичайним двигуном, у якого використовується система живлення з розподіленим упорскуванням бензину, двигун з системою GDI приблизно на 10% економічніший і викидає в атмосферу на 20% менше вуглекислого газу. Підвищення потужності двигуна доходить до 10%. Проте, як показала експлуатація автомобілів з двигунами такого типу, вони дуже чутливі до вмісту сірки в бензині.

Рис. 9.31. Двигун з безпосереднім упорскуванням пального

Оригінальний процес безпосереднього упорскування бензину розробила компанія Orbital. У цьому процесі в циліндри двигуна упорскується бензин, заздалегідь змішаний з повітрям за допомогою спеціальної форсунки. Форсунка компанії Orbital складається з двох жиклерів, паливного і повітряного.

Повітря до повітряних жиклерів поступає в стисненому вигляді від спеціального компресора під тиском 0,65 МПа. Тиск пального становить 0,8 МПа. Спочатку спрацьовує паливний жиклер, а потім в потрібний момент і повітряний. Тому в циліндр великим факелом упорскується паливно-повітряна суміш у вигляді аерозолю.

Форсунка, встановлена в головці циліндра поряд зі свічкою запалювання, упорскує паливно-повітряний струмінь безпосередньо на електроди свічки запалювання, що забезпечує її хороше займання.