4.6 Многократный впрыск топлива.
Сокращение периода задержки воспламенения дает такая организация процессов смесеобразования и сгорания, когда для воспламенения отводится лишь небольшая часть цикловой дозы топлива. При этом снижается количество теплоты, затрачиваемой на нагрев, испарение жидкой фазы топлива и перегрев его паров, вследствие чего уменьшается охлаждение реагирующей смеси. Одним из способов реализации данного направления является организация рабочего процесса с многократным впрыском топлива. Топливо в этих системах подается не непрерывно, а порциями, что, наряду с сокращением задержки воспламенения, позволяет регулировать динамику сгорания за счет изменения закона подачи топлива. Такая организация топливоподачи дополнительно позволяет снизить зависимость процесса сгорания от температурного состояния двигателя, режима его работы и физических свойств топлива, которая характерна для рабочего процесса с пленочным смесеобразованием.
Сочетание такой системы топливоподачи и неразделенных камер сгорания позволяют получить одновременно высокую топливную экономичность, управляемое, определяемое законом подачи топлива, сгорание, улучшить пусковые характеристики и повысить верхний предел частоты вращения. В комбинации с наддувом дизели с таким рабочим процессом приблизились по удельной мощности к бензиновым двигателям.
Ключевую роль в данном процессе играет система топливоподачи. На сегодняшний день внедрены в серийное производство две основные системы впрыска высокого давления, обеспечивающие данный рабочий процесс. Концепция первого типа, так называемого «Common-Rail», представлена на рис.4.10. Здесь, создание давления и процесс впрыска разделены. Это дает большую гибкость в изменении характеристик впрыска и смесеобразования. Топливо под высоким давлением хранится внутри рампы, которая обычно изготавливается из толстостенной трубы. ТНВД постоянно поддерживает давление в рампе. Датчик регулирует необходимое давление с помощью дополнительного клапана, который регулирует поток избыточного топлива обратно в топливный бак. Таким образом, давление в рампе не зависит от числа оборотов двигателя, и могут быть достигнуты оптимальные характеристики двигателя. Рампу с форсунками соединяют короткие трубки.
Рис. 4.10. Система впрыска Common Rail [7]
Объем рампы достаточно большой, чтобы снизить влияние колебаний давления на впрыск. Момент и продолжительность впрыска контролируются э/м клапаном форсунки и не зависят от давления. Таким образом, система впрыска CR способна поддерживать давление впрыска на требуемом уровне и выполнять предварительный впрыск (для снижения шума, жесткости сгорания, оксидов азота, увеличения частоты вращения, улучшения пусковых характеристик), основной впрыск, заключительный впрыск (для сокращения выбросов сажи, обогрева катализаторов). Все это с переменными моментом и продолжительностью впрыска, которые соответствуют требованиям конкретного режима работы двигателя.
На рис. 4.11 изображена типичная форсунка системы Common-Rail. Движение иглы управляется электромагнитным клапаном. На рисунке игла закрыта. Сумма сил действующих от пружины Fпр и F1 давления топлива в верхней части стержня управления (мультипликатора давления) больше, чем силы F2, действующей на дифференциальную площадку иглы в закрытом положении. Как только электромагнитный клапан открывается, давление в управляющей камере уменьшается, и игла начинает открываться. Излишки топлива поступают обратно в топливный бак. Процесс закрытия инициируется закрытием электромагнитного клапана. Давление в камере управления увеличивается, и стержень управления закрывает иглу. Скорости открытия и закрытия определяются площадью дросселей (жиклеров).
Второй основной тип систем впрыска топлива высокого давления - топливная система неразделенного типа (или насос-форсунки), в которой процессы генерации давления и впрыск происходят синхронно (рис.4.12). Насос-форсунки приводятся распределительным валом. Отсутствие труб высокого давления между насосом и форсункой позволяет значительно увеличить максимальное давления впрыска (около 200 МПа и больше). Форма кулачка определяет движение плунжера и, таким образом создает давление в зависимости угла кривошипа. Пружина в верхней части форсунки возвращает поршень в исходное положение.
На рис. 4.13, показана упрощенная схема насос-форсунки с закрытым распылителем. Несмотря на движение плунжера вниз впрыск не происходит до тех пор пока открыт электромагнитный клапан и топливо вытекает в сливную магистраль. В зависимости от требуемого начала впрыска, блок управления двигателя, закрывает клапан, и плунжер сжимает топливо. Как только усилие от давления становится достаточным, чтобы превысить усилие пружины, начинается впрыск. В связи с большой скоростью движения плунжера возникает треугольный профиль расхода, рис. 4.14. В отличие от системы CR, в которой максимальное давление впрыска присутствует уже в начале (что приводит к прямоугольной форме профиля), качество распыливания в начале впрыска значительно хуже.
Рис. 4.11. Типичная форсунка Common Rail [7]
В конце впрыска, электромагнитный клапан открывается, топливо подается в сливную магистраль, давление впрыска снижается, игла закрывается. При движении плунжера вверх подплунжерная полость заполняется. Движение плунжера непосредственно связано с двигателем, максимальное давление впрыска увеличивается с частотой вращения двигателя. Кроме того, высокое давление доступно не при любом угле поворота коленвала, что затрудняет осуществление пред- и поствпрыска. Очевидно, что из-за прерывистого изменения давления, зависимого от формы кулачка, гибкость системы впрыска, имеет гораздо более ограниченный характер по сравнению с системой CR. Недостаточное качество распыливания из-за низкого давления вызывает проблемы в случае применения предвпрыска. Тем не менее, значительным преимуществом этих систем являются высокие максимальные давления впрыска, которые не могут быть обеспечены системой CR.
Рис. 4.12. Насос-форсунка [7]
Рис. 4.13. Схема насос-форсунки [7]
Рис. 4.14. Типичные профили изменения расхода в системе Common Rail и насос-форсунке [7]
Таким образом, описанные технологии многократного впрыска позволяют уменьшить скорость нарастания давления в камере сгорания и, соответственно, уменьшить шум, создаваемый в процессе сгорания. Малые дозы предварительного впрыскивания позволяют также снизить задержку воспламенения за счет меньшего снижения температуры в процессе испарения, увеличить УОВТ. Это позволяет увеличить частоту вращения двигателя и снизить нагрузку на элементы двигателя, что соответственно наряду с применением турбонаддува позволяет приблизить дизель по удельной мощности к бензиновому двигателю.