6.1.2.2. Непосредственное впрыскивание бензина
В связи с истощением запасов жидкого нефтяного топлива и глобальным загрязнением окружающей среды на первый план при проектировании нового двигателя выносится его топливная экономичность и минимальный выброс вредных веществ. С этой целью стремятся обеспечить как можно быстрое и полное сгорание в цилиндре двигателя. Поэтому в настоящее время получили распространение такие мероприятия как 4-х клапанный механизм газораспределения, распределенный впрыск бензина во впускной трубопровод, переменные фазы газораспределения, впускной трубопровод переменной длины (газодинамический наддув), турбонаддув, оптимизируется форма камеры сгорания и впускного тракта, обеспечивается быстрый прогрев двигателя и поддержание оптимальной температуры при работе, уменьшают механические потери в двигателе.
Один из наиболее перспективных путей повышения топливной экономичности двигателя это избавиться от детонации и научиться воспламенять бедную смесь. Проблема в том, что искра не воспламеняет бензовоздушную смесь более бедную, чем в соотношении 17:1. Выход – заполнять цилиндр бедной смесью, а непосредственно к свече подавать более богатую, которая хорошо воспламеняется.
При использовании обычного распределенного впрыска смесеобразование внешнее — форсунка впрыскивает бензин во впускной трубопровод. И доставить более богатую часть потока смеси к свече очень сложно. Целесообразно впрыскивать непосредственно в цилиндр.
Использование непосредственного впрыска бензина позволяет получить следующие преимущества: 1. Значительное снижение расхода топлива (и соответственно выбросов парникового газа СО2); 2. Охлаждение заряда на впуске испаряющимся в цилиндре топливом позволяет: повысить наполнение; улучшить антидетонационные качества двигателя; увеличить степень сжатия, что в свою очередь, обеспечивает улучшение энергетических показателей, повышает индикаторный КПД; 3. Уменьшаются выбросы СО и СН, снижается расход топлива (нет необходимости в компенсационном обогащении смеси);
Принцип работы системы непосредственного впрыска бензина. Система впрыска состоит из контуров низкого и высокого давления. Контур низкого давления монтируется в топливном баке и включает в себя электробензонасос и регулятор низкого давления. Контур высокого давления состоит из топливного насоса высокого давления (ТНВД), топливного аккумулятора, вихревых электромагнитных форсунок, регулятора высокого давления и байпасного клапана. Поршневой насос высокого давления смонтирован в головке цилиндров и приводится непосредственно от распределительного вала.
Электрический топливный насос подает топливо при начальном давлении 0,3…0,5 МПа к насосу высокого давления. Этот насос создает давление в системе в зависимости от режима работы двигателя (крутящий момент и частота вращения коленчатого вала). Топливо под высоким давлением поступает в топливную рейку и там накапливается. Давление топлива измеряет датчик давления и оно устанавливается клапаном регулировки давления от 5 до 12 МПа.
Электромагнитная вихревая форсунка является центральным компонентом системы впрыска. Такая форсунка соответствует высоким требованиям не только в отношении габаритов, точности установки, короткой продолжительности впрыска, точности дозирования, линейности характеристик топливоподачи, но и в отношении характеристик струи впрыснутого топлива, их цикловой стабильности, изменения этих характеристик в зависимости от выбранной стратегии сгорания.
Функциями топливной рейки являются накапливание поступающего от насоса высокого давления топлива и распределения его по форсункам. Материал рейки – алюминий. Конструктивнее формы (объем, размер, вес) зависят от типа двигателя и системы топливоподачи. Топливная рейка соединена с другими устройствами системы впрыска – это насос, клапан регулировки давления, датчик высокого давления и форсунки. Конструкция обеспечивает хорошую герметичность ее самой, а также хорошую герметичность в переходных устройствах с различными элементами системы.
Насос высокого давления сжимает топливо, которое подается топливным электронасосом с начальным давлением 0,3…0,5 МПа до давления 5…12 МПа, которое необходимо для непосредственного впрыска топлива. В зависимости от потребности в топливе применяются трехцилиндровые и одноцилиндровые насосы.
Трехцилиндровый насос по своей конструкции это насос радиально-поршневого типа с тремя поршнями, распределенными относительно друг друга через 1200 по окружности. Одноцилиндровый насос выполнен в виде модуля с непосредственным приводом от распределительно вала.
Привод насоса осуществляется от распределительного вала двигателя. Входной вал, вращаясь с эксцентриком, обеспечивает возвратно-поступательное движение поршней в цилиндрах насоса. При движении поршня вниз, топливо начинает поступать из топливопровода через полый поршень насоса и впускной клапан в нагнетательную камеру с начальным давлением 0,3…0,5 МПа. При поднятии поршня этот объем топлива сжимается и топливо преодолев давление в топливной рейке поступает через выпускной клапан к узлу высокого давления.
В работе двигателя с непосредственным впрыскиванием бензина возможны три режима:
Первый это работа на сверхбедных смесях. Этот режим используется при малых нагрузках: при спокойной городской езде и загородном движении на скоростях до 120 км/ч. 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.
Второй это 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 не допустить детонации и калильного зажигания. Впрыск топлива осуществляется в процессе такта впуска. Топливо впрыскивается коническим факелом, распыляется по всему цилиндру и, испаряясь, охлаждает при этом воздух в цилиндре. Благодаря охлаждению снижается вероятность детонации и калильного зажигания.
Третий режим, реализуемый системой управления двигателя, позволяет повысить момент двигателя в том случае, когда водитель, двигаясь на малых оборотах, резко нажимает педаль акселератора. Основная проблема данного режима это повышенная вероятность возникновения детонации. Поэтому впрыск осуществляется в два этапа. Небольшое количество топлива впрыскивается в цилиндр на такте впуска и охлаждает воздух в цилиндре. При этом цилиндр заполняется сверхбедной смесью (примерно 60:1), в которой детонационные процессы не происходят. Затем, в конце такта сжатия, подается компактная струя топлива, которая доводит соотношение воздуха и топлива в цилиндре до «богатого» 12:1. А на «подготовку» детонации времени уже не остается.
Для равномерной работы двигателя (плавный переход с одного режима работы на другой) основные три режима работы двигателя могут дополняться промежуточными. Кроме того, при переходе с одного режима на другой всегда происходит корректирование топливоподачи и угла опережения зажигания.
Формирование расслоенного заряда. Одна из наиболее сложных проблем при непосредственном впрыске бензина это обеспечение эффективной работы двигателя на бедной расслоенной смеси. Причина этого, во-первых, в сложности формирования расслоенного заряда в фиксированной точке (у свечи зажигания) в широком диапазоне режимов из-за различий в динамике движения жидкого топлива и воздушного заряда. Другая причина заключается в высокой чувствительности процессов формирования и сгорания расслоенной смеси к отклонениям от оптимума (по производственным и эксплуатационным причинам) характеристик струи впрыснутого топлива и внутрицилиндрового поля течения, геометрии камеры сгорания, моментов впрыска и зажигания.
Решение этой проблемы существенно зависит от выбора типа системы сгорания и топливной аппаратуры.
Для системы сгорания контролируемой струей топлива характерна установка свечи зажигания вблизи топливной форсунки так, чтобы электроды свечи находились на краю струи топливовоздушной смеси, создаваемой форсункой при впрыске. Эта система очень чувствительна к отклонениям геометрических характеристик струи топлива, которые возможны по технологическим и эксплуатационным причинам (из-за нагара). Кроме того, из-за размещения в центре камеры сгорания свечи зажигания и топливной форсунки приходится уменьшать размеры газовых каналов, что ограничивает наполнение. Повышается вероятность отказов в работе свечи зажигания из-за шунтирования ее нагаром, который образуется при оседании жидкого топлива на свечу.
В системе сгорания контролируемая стенкой топливная форсунка и свеча зажигания установлены на значительном расстоянии друг от друга, а не рядом, как в системе сгорания контролируемой струей топлива. Расслоение заряда обеспечивается тем, что струя топлива направляется не прямо на свечу зажигания, а сначала на поршень и только после удара о его поверхность отражается к свече. Эта система сгорания позволяет увеличить продолжительность подготовки расслоенной смеси, однако, имеет повышенные выбросы СН из-за неэффективного сгорания пленки жидкого топлива образующейся в выемке поршня.
В системе сгорания контролируемой движением заряда, как и в системе сгорания, контролируемой стенкой, топливная форсунка и свеча зажигания установлены на значительном расстоянии друг от друга. Струя мелко распыленного топлива впрыскивается с помощью форсунки не на поршень, а приблизительно в центр камеры сгорания, откуда обогащенное топливом облачко переносится к свече зажигания с помощью хорошо организованного внутрицилиндрового поля течения. Такой способ формирования расслоенного заряда позволяет, не только исключить проблемы связанные с оседанием топлива на поверхность камеры сгорания (повышенные выбросы СН, формирование нагара), но позволяет также сохранить преимущества системы сгорания контролируемой стенкой и обеспечить дополнительное улучшение топливной экономичности.