≪
-
Непосредственный впрыск бензина
Двигатели с непосредственным впрыскиванием топлива образуют горючую смесь в камере сгорания. Через открытый впускной клапан при такте впуска в цилиндр поступает только воздух. Топливо впрыскивается специальными форсунками непосредственно в камеры сгорания цилиндров (рис.85).
Рисунок 85 – Элементы системы непосредственного впрыска бензина:
1 – поршень; 2 – впускной клапан; 3 – катушка зажигания с установленной свечой зажигания; 4 – выпускной клапан; 5 – форсунка высокого давления; 6 – топливная рейка
Обычная форсунка располагается вне камеры сгорания, защищенная от всего того, что происходит во время воспламенения и после закрытия впускного клапана. Форсунка, входящая в камеру сгорания, должна выдержать все те изменения температур и давления, которые там происходят, а это усложняет ее. Она также должна впрыскивать топливо быстрее и лучше распылять его. Когда двигатель работает на максимальных нагрузках, другими словами, когда он требует больше топлива, время, отведенное на впрыскивание, уменьшается.
Если необходимо, обычная форсунка может подавать топливо в течение большинства циклов, в то время как форсунка непосредственного впрыска не может подавать топливо, когда открыт выпускной клапан, потому что топливо будет удаляться вместе с отработавшими газами. При непосредственном впрыске время, отводимое на процесс впрыскивания, гораздо меньше, поэтому форсунка должна подавать топливо быстрее, а это требует достаточно высокого давления топлива.
Смешивание – потенциальная проблема непосредственного впрыска. В обычной системе топливо начинает смешиваться с воздухом, когда они проходят через впускной клапан, и продолжают перемешиваться, при тактах впуска и сжатия. Форсунка непосредственного впрыска заполняет топливом центральную часть камеры сгорания за короткое время и должна лучше распылить топливо, чтобы гарантировать однородный состав смеси.
Сложность представляет и расположение форсунки непосредственного впрыска в головке цилиндров. Форсунки обычного типа являются составной частью впускного трубопровода, а форсунка непосредственного впрыска должна располагаться вверху камеры сгорания, где уже размещаются клапаны и, особенно, свеча зажигания. Кроме того, остается мало места для прохода охлаждающей жидкости вокруг жизненно важных зон головки цилиндров.
2.Принцип действия системы
Топливный насос с электрическим приводом 6 (рис.86) подает топливо при начальном давлении 0,3…0,5 МПа к насосу высокого давления 1. Этот насос создает давление в системе в зависимости от рабочего режима двигателя (требуемый крутящий момент и частота вращения коленчатого вала). Топливо под высоким давлением поступает в топливную рейку 3 и там накапливается.
Рисунок 86 – Схема подачи топлива в системе непосредственного впрыска топлива:
1 – топливный насос высокого давления; 2 – датчик давления топлива; 3 – топливная рейка; 4 – клапан регулировки давления; 5 – форсунки; 6 – топливный насос с электрическим приводом; 7 – катушка зажигания; 8 – свеча зажигания
Давление топлива измеряется датчиком высокого давления 2 и устанавливается клапаном регулировки давления 4 в значении от 5 до 12 МПа.
В топливной рейке 3 расположены форсунки высокого давления 5, работа которых регулируется блоком управления двигателем. Форсунки впрыскивают топливо в камеру сгорания цилиндра.
Впрыснутое тонко распыленное за счет высокого давления топливо образует с поступающим в камеру сгорания воздухом горючую смесь. В зависимости от режима работы двигателя топливо впрыскивается так, что создается смесь, равномерно распределенная по всей камере сгорания с соотношением a £ 1 (гомогенный режим) или образуется облако с послойным зарядом с соотношением a £ 1 в области свечи зажигания (работа в условиях послойно распределенного заряда или обедненной смеси). Остальное пространство камеры сгорания при послойном распределении заряда наполнено либо всасываемым свежим воздухом с инертным газом, поступившим из системы рециркуляции отработавших газов, либо очень обедненной горючей смесью. За счет этого в целом получается обедненная горючая смесь с a суммар ³ 1.
Выбор режима работы осуществляется, с одной стороны, на базе частоты вращения коленчатого вала и потребного крутящего момента, а с другой стороны, за счет функциональных требований, таких как, например, восстановление каталитического нейтрализатора накопительного типа.
3.Приборы подачи топлива
Функциями топливной рейки (рис.87) являются накапливание поступающего от насоса высокого давления топлива и распределение его по форсункам высокого давления. Объем этой рейки достаточно велик для того, чтобы сглаживать пульсацию давления в топливоподающем контуре.
Топливная рейка изготавливается из алюминиевого сплава. Конструктивные формы (объемы, размеры, вес и т.п.) зависят от типа двигателя и системы топливоподачи.
Рисунок 87 – Топливная рейка
Топливная рейка располагает соединительными устройствами для связи с другими элементами системы впрыска (насос, клапан регулировки давления, датчик высокого давления, форсунки высокого давления). Конструкция топливной рейки обеспечивает герметичность ее самой, а также хорошую герметичность в переходных устройствах с различными элементами системы.
Топливный насос высокого давления
Насос высокого давления должен сжимать топливо, подаваемое в достаточном количестве топливным насосом с электрическим приводом с начальным давлением 0,3…0,5 МПа до уровня 5…12 МПа, необходимого для впрыскивания под высоким давлением.
При пуске двигателя топливо вначале впрыскивается при начальном давлении. Затем с повышением частоты вращения коленчатого вала происходит рост давления.
При эксплуатации насос высокого давления смазывается и охлаждается исключительно топливом.
В настоящее время на двигателях применяются трехцилиндровые и одноцилиндровые насосы.
Трехцилиндровый насос высокого давления HDP 1
По своей конструкции это насос радиально-поршневого типа с тремя поршнями, распределенными относительно друг друга через 120° по окружности. На рис.88, а показано реализованное решение такого насоса в продольном направлении, а на рис.88, б – в поперечном.
С приводом от распределительного вала двигателя, входной вал 13 (рис.88) вращается с эксцентриком 1, который при этом обеспечивает возвратно-поступательное движение поршней 4 в цилиндрах 3 насоса.
При ходе поршня вниз (рис.89), топливо поступает при начальном давлении из подающего трубопровода через полый поршень насоса и впускной клапан в нагнетательную камеру.
Рисунок 88 – Трехцилиндровый насос высокого давления HDP 1:
а – продольный разрез; б – поперечный разрез
1 – эксцентрик; 2 – контактный башмак; 3 – цилиндр насоса; 4 – поршень насоса; 5 – запорный шарик; 6 – выпускной клапан; 7 – впускной клапан; 8 – подача топлива под высоким давлением; 9 – поступление топлива под низким давлением; 10 – кулачковая шайба; 11 – осевое уплотнение; 12 – неподвижная прокладка; 13 – приводной вал
Рисунок 89 – Схема работы насоса при ходе всасывания
При движении поршня вверх (рис.90) этот объем топлива сжимается и топливо течет, преодолев давление в топливной рейке, через выпускной клапан к стороне узла высокого давления.
Рисунок 90 - Схема работы насоса при ходе нагнетания
За счет выбранного расположения поршней попеременно осуществляется перекрытие подачи топлива, следствием чего является незначительная пульсация подачи и, следовательно, низкая пульсация давления топлива в топливной рейке. Количество подаваемого топлива пропорционально частоте вращения коленчатого вала.
Для гарантирования возможности изменения начального давления в соответствии с потребностью двигателя в топливе (даже при максимальном количестве его впрыскивания) максимальное количество подачи насоса рассчитывается на определенный объем. На режиме работы с постоянным давлением в топливной рейке или при частичной нагрузке давление топлива, поданного в избыточном количестве, сбрасывается клапаном регулировки давления до уровня давления на входе и топливо возвращается на сторону входа насоса.
Одноцилиндровый насос высокого давления HDP 2
Одноцилиндровый насос HDP 2 выполнен в виде модуля с непосредственным приводом от кулачка, расположенного на распределительном валу для впускных клапанов (рис.91).
Рисунок 91 – Привод одноцилиндрового топливного насоса высокого давления
На рис.92 показана принципиальная конструкция насоса. В подающей камере теперь, в дополнение к впускному 5 и выпускному 4 клапану, еще размещен клапан регулирования количества топлива 9 с электрическим переключением и рециркуляцией топлива на вход насоса.
Регулируемый по многопараметровой характеристике одноцилиндровый насос подает всегда столько топлива, сколько его впрыскивается через форсунки.
Момент начала подачи топлива поршнем 6 рассчитывается блоком управления двигателем в соответствии с требуемым его расходом. В расчетный момент движения поршня регулятор давления закрывает впускной клапан, после чего начинается подача топлива к форсункам.
Рисунок 92 – Одноцилиндровый насос высокого давления HDP 2:
1 – подача топлива от топливного насоса; 2 – подача топлива к топливной рейке; 3 – возврат утечек топлива в бак; 4 – выпускной клапан; 5 – впускной клапан; 6 – поршень насоса; 7 – уплотнительное кольцо поршня; 8 – цилиндр насоса; 9 – клапан регулирования количества топлива; 10 – демпфер давления
Форсунка высокого давления представляет собой переходное устройство между топливной рейкой и камерой сгорания. Задача этой форсунки заключается в том, чтобы обеспечивать дозирование топлива и путем его распыления добиваться контролируемого смешивания топлива и воздуха в определенной зоне камеры сгорания. В зависимости от режима работы двигателя, топливо концентрируется в зоне вокруг свечи зажигания (послойное распределение заряда) или равномерно распыляется по всей камере сгорания (гомогенное распределение заряда).
Форсунки устанавливаются в головке блока цилиндров и фиксируются на ней с помощью специальных крепежных элементов.
Чтобы получить наилучшее распределение топлива при послойном смесеобразовании, угол конуса факела топлива принят равным 70°, а ось конуса наклонена на 20° (рис.101).
Рисунок 101 – Схема распыливания топлива форсункой
Форсунка высокого давления (рис.102) состоит из следующих элементов: корпуса, седла 6, иглы распылителя 7 с якорем электромагнита, пружины 8, обмотки электромагнита 3.
Когда электрический ток проходит через обмотку электромагнита, создается магнитное поле. За счет этого игла, противодействуя давлению пружины, поднимается над седлом и открывает сопловое отверстие 5 (рис.102) форсунки. За счет разницы в давлении между топливной рейкой и камерой сгорания топливо впрыскивается в камеру сгорания.
Рисунок 102 – Форсунка высокого давления:
1 – электрический разъем; 2 – впускной канал с сетчатым фильтром; 3 – обмотка электромагнита; 4 – тефлоновое уплотнение; 5 – сопловое отверстие; 6 – седло; 7 – игла распылителя с якорем электромагнита; 8 – пружина
При отключении электрического тока игла распылителя под действием усилия пружины опускается на седло клапана и прерывает поток топлива.
Форсунка быстро открывается, обеспечивая при открытии постоянную площадь поперечного сечения отверстия, и снова закрывается, преодолевая давление в топливной рейке. Впрыснутое количество топлива (при данной площади поперечного сечения отверстия) зависит от давления в топливной рейке, противодавления в камере сгорания и продолжительности открытия форсунки. За счет соответствующей геометрии распылителя на конце форсунки достигается очень хорошее распыление топлива.
4.Приготовление горючей смеси
Задача образования горючей смеси заключается в том, чтобы приготовить в максимальной степени гомогенную воспламеняемую смесь воздуха и топлива.
При работе двигателя на гомогенной смеси (гомогенная смесь при a £ 1, а также гомогенная обедненная смесь) эта горючая смесь должна однородно распределяться по всей камере сгорания. Напротив, в условиях послойного заряда, горючая смесь гомогенна только в пределах пространственно ограниченной зоны, а в остальных зонах камеры сгорания находится свежий воздух или инертный газ.
Гомогенной может быть газообразная или парообразная топливная смесь только в том случае, если все топливо испарилось. На испарение оказывают влияние несколько факторов:
· температура в камере сгорания;
· размер капель топлива;
· время, которое имеется в распоряжении для испарения топлива.
В зависимости от температуры, давления и геометрии камеры сгорания, воспламеняемая горючая смесь (воздух/бензин) может быть в диапазоне значений a = 0,6…1,6. При низких температурах топливо испаряется не полностью. Поэтому при этих условиях должно впрыскиваться больше топлива для того, чтобы получить способную к воспламенению смесь.
Для того чтобы получить как можно больше времени для образования гомогенной горючей смеси, топливо должно впрыскиваться как можно раньше. Поэтому при гомогенном распределении смеси впрыскивание происходит уже при такте впуска, и с помощью поступающего воздуха достигается быстрое испарение топлива и хорошая гомогенизация смеси.
Для послойного заряда образование способного к воспламенению облака смеси, которое к моменту зажигания находится вблизи свечи зажигания, имеет решающее значение. Вот почему топливо впрыскивается при такте сжатия таким образом, что возникает облако смеси, которое направляется потоками воздуха в камеру сгорания и отводится двигающимся вверх поршнем в зону расположения свечи зажигания. Момент впрыскивания зависит от частоты вращения коленчатого вала и потребности крутящего момента.
Величина капель впрыскиваемого топлива зависит от давления впрыскивания и давления в камере сгорания. С повышением давления впрыскивания можно получить меньший размер капель, которые быстрее испаряются. При постоянном давлении в камере сгорания так называемая глубина проникновения увеличивается параллельно с ростом давления впрыскивания. Глубина проникновения определяется через расстояние, которое проходит отдельная капля топлива перед полным испарением.
Если этот пройденный путь превышает расстояние от форсунки до стенки камеры сгорания, то смачиваются стенки цилиндра или поршень (смачивание стенок). Если это топливо не испаряется на стенке цилиндра и поршне до момента зажигания, то либо не происходит воспламенения смеси, либо оно не полное.
При использовании непосредственного впрыскивания топлива известны шесть условий его работы:
· послойное распределение смеси;
· гомогенно-послойное распределение смеси;
· двойной впрыск для защиты двигателя от детонации;
· двойной впрыск для разогрева нейтрализатора.
Эти условия работы позволяют достичь максимальной адаптации к каждому режиму работы двигателя. Переключение режимов работы в процессе движения автомобиля осуществляется без скачков крутящего момента и поэтому не замечается водителем.
Линии на диаграмме (рис.106) показывают, какие режимы работы проходит двигатель при сильном ускорении (заметное изменение крутящего момента при начальной неизменной частоте вращения коленчатого вала) и при постепенном ускорении (небольшое изменение крутящего момента при увеличении частоты вращения коленчатого вала).
Рисунок 106 – Характеристики работы двигателя в зависимости от вида распределения смеси в камере сгорания
Работа двигателя при послойном распределении смеси
В нижнем диапазоне крутящего момента, примерно при 3000 об/мин, двигатель работает в условиях послойного заряда.
Переход двигателя на режим работы с использованием послойной смеси осуществляется при следующих условиях:
· нагрузка и частота вращения коленчатого вала 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.
1.Процесс впуска (рис.107)
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. Дроссельная заслонка не должна открываться полностью, так как для нормального функционирования адсорбера и системы рециркуляции отработавших газов всегда необходимо определенное разрежение во впускной системе.
Рисунок 107 – Процесс впуска при послойном распределении смеси
2.Движение воздуха в цилиндре двигателя (рис.108)
Специальная форма выемки в днище поршня способствует образованию и усилению вихря в цилиндре двигателя.
Рисунок 108 – Процесс завихрения потоков воздуха при послойном распределении смеси
3.Впрыск топлива (рис.109)
Топливо впрыскивается в последней трети такта сжатия. Впрыск начинается приблизительно за 60° и заканчивается приблизительно за 45° до ВМТ такта сжатия. Начало впрыска оказывает значительное влияние на расположение облачка смеси относительно свечи зажигания.
Рисунок 109 – Впрыск топлива при послойном распределении смеси
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 ВМТ 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.
4.Процесс смесеобразования (рис.112)
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.
Рисунок 112 – Процесс смесеобразования при послойном распределении смеси
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.
5.Процесс сгорания (рис.113)
После поступления топливовоздушной 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 КПД 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.
Рисунок 113 – Процесс сгорания при послойном распределении смеси
Параметры «частота вращения коленчатого вала» и «крутящий момент» определяют ограничения на условия работы при послойном распределении смеси. При слишком большом крутящем моменте образуются частицы сажи за счет локальных зон переобогащенной смеси. При слишком высокой частоте вращения коленчатого вала, за счет высокой турбулентности смеси не может поддерживаться на необходимом уровне послойное распределение и эффективное перемещение горючей смеси к свече зажигания.
Работа двигателя при гомогенном распределении смеси
При высоком крутящем моменте и высокой частоте вращения коленчатого вала двигатель работает на гомогенной смеси при a = 1.
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.
1.Процесс впуска (рис.114)
Дроссельная заслонка открывается соответственно перемещению педали акселератора. Впускная заслонка может быть открыта или закрыта в зависимости от режима работы двигателя.
Рисунок 114 – Процесс впуска при гомогенном распределении смеси
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 коленчатого вала поступление воздуха только через верхнюю часть впускного канала оказывается недостаточным. Поэтому заслонку поворачивают, открывая нижнюю часть впускного канала.
2.Впрыск топлива (рис.115)
Впрыск топлива производится непосредственно в цилиндр на такте впуска приблизительно за 300° до ВМТ такта сжатия.
Необходимое для испарения топлива тепло отбирается у поступившего в цилиндр воздуха, в результате чего этот воздух охлаждается. Благодаря этому можно поднять степень сжатия против ее значения у двигателя с впрыском топлива во впускные каналы.
Рисунок 115 – Процесс впрыска топлива при гомогенном распределении смеси
3.Процесс смесеобразования (рис.116)
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.
Рисунок 116 – Процесс смесеобразования при гомогенном распределении смеси
4.Процесс сгорания (рис.117)
Крутящий момент двигателя, расход топлива и выброс вредных веществ при работе на гомогенной смеси зависят от угла опережения зажигания.
Рисунок 117 – Процесс сгорания смеси при гомогенном распределении смеси
Работа двигателя при гомогенно-обедненном распределении 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.
1.Процесс впуска (рис.118)
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.
2.Процесс впрыска топлива (рис.119)
Впрыск топлива осуществляется непосредственно в цилиндр в процессе впуска. Он начинается приблизительно за 300° до ВМТ такта сжатия. При этом блок управления двигателем регулирует подачу топлива таким образом, чтобы коэффициент избытка воздуха был равен приблизительно 1,55.
Рисунок 118 – Процесс впуска при гомогенно-обедненном распределении смеси
Рисунок 119 – Процесс впрыска топлива при гомогенно-обедненном распределении смеси
3.Процесс смесеобразования (рис.120)
Благодаря раннему моменту впрыска предоставляется достаточно большое время до момента зажигания для образования гомогенной смеси во всем объеме камеры сгорания.
Рисунок 120 – Процесс смесеобразования при гомогенно-обедненном распределении смеси
4.Процесс сгорания (рис.121)
Как и при работе на любой гомогенной смеси момент зажигания не зависит от процесса смесеобразования. Смесь горит при этом во всем объеме камеры сгорания.
Рисунок 121 – Процесс сгорания при гомогенно-обедненном распределении смеси
Материалы: http://www.dvfokin.narod.ru/auto_ych/Benzin/Benzin_direct.htm
2 ≫
-
Сейчас одной из основных задач перед конструкторскими бюро автопроизводителей является создание силовых установок, потребляющими как можно меньше топлива и выбрасывающих в атмосферу сниженное количество вредных веществ. При этом всего этого необходимо добиться с условием того, что влияние на рабочие параметры (мощность, крутящий момент) будет минимальным. То есть, необходимо сделать мотор экономичным, и в то же время мощным и тяговитым.
Для достижения результата переделкам и доработкам подвергаются практически все узлы и системы силового агрегата. Особенно это касается системы питания, ведь именно она отвечает за поступление топлива в цилиндры. Последней разработкой в данном направлении считается непосредственный впрыск топлива в камеры сгорания силовой установки, функционирующего на бензине.
Суть этой системы сводится к раздельной подаче компонентов горючей смеси – бензина и воздуха в цилиндры. То есть принцип ее функционирования очень похож на работу дизельных установок, где смесеобразование выполняется в камерах сгорания. Но у бензинового агрегата, на котором установлена система непосредственного впрыска, имеется ряд особенностей процесса закачки составляющих топливной смеси, его смешивания и сгорания.
Прямой впрыск – идея не новая, в истории имеется ряд примеров, где такая система использовалась. Первое массовое использование такого типа питания мотора было в авиации в средине прошлого века. Использовать ее пытались и на автотранспорте, однако широкого распространения она не получила. Систему тех годов можно рассматривать как некий прототип, поскольку она была полностью механической.
«Вторую жизнь» система непосредственного впрыска получила в средине 90-х годов 20 века. Первыми свои авто с установками, имеющими прямой впрыск, оснастили японцы. Разработанный в Mitsubishi агрегат получил обозначение GDI, которое является аббревиатурой «Gasoline Direct Injection», что обозначается как непосредственный впрыск топлива. Чуть позже Toyota создала свой мотор – D4.
Прямой впрыск топлива
Со временем моторы, в которых используется прямой впрыск, появились и у других производителей:
Непосредственный впрыск не является отдельным, совершенно новым типом, и относится он к инжекторным системам подачи топлива. Но в отличие от предшественников, топливо у него впрыскивается под давлением сразу в цилиндры, а не как раньше – во впускной коллектор, где бензин перемешивался с воздухом перед подачей в камеры сгорания.
Прямой впрыск бензина по принципу очень схож с дизелем. В конструкции такой системы питания имеется дополнительный насос, после которого бензин уже под давлением поступает на форсунки, установленные в ГБЦ с распылителями, находящимися в камере сгорания. В требуемый момент форсунка подает топливо в цилиндр, куда через впускной коллектор уже закачан воздух.
Конструкция данной системы питания включает:
- бак с установленным в нем топливоподкачивающим насосом;
- магистрали низкого давления;
- фильтрующие элементы очистки топлива;
- насос, создающий повышенное давление с установленным регулятором (ТНВД);
- магистрали высокого давления;
- рампа с форсунками;
- перепускной и предохранительный клапаны.
Схема топливной системы с непосредственный впрыском
Назначение части элементов, такие как бак с насосом и фильтра описаны в других статьях. Поэтому рассмотрим назначение ряда узлов, использующихся только в системе прямого впрыска.
Одним из основных элементов в данной системе является насос высокого давления. Он обеспечивает поступление топлива под значительным давлением в топливную рампу. Конструкция его у разных производителей отличается — одно или многоплунжерная. Привод же осуществляется от распределительных валов.
Также в систему включены клапана, которые предотвращают превышение давления топлива в системе выше критических значений. В целом же регулировка давления выполняется в нескольких местах – на выходе из насоса высокого давления регулятором, который входит в конструкцию ТНВД. Имеется перепускной клапан, контролирующий давление на входе в насос. Предохранительный же клапан следит за давлением в рампе.
Работает все так: топливоподкачивающий насос из бака по магистрали низкого давления подает бензин на ТНВД, при этом бензин проходит через фильтр тонкой очистки топлива, где удаляются крупные примеси.
Плунжерные пары насоса создают давление топлива, которое при разных режимах работы двигателя варьируется от 3 до 11 МПа. Уже под давлением топливо по магистралям высокого давления поступает в рампу, которая распределяется по его форсункам.
Работа форсунок контролируется электронным блоком управления. При этом он основывается на показаниях множества датчиков двигателя, после анализа данных, он производит управление форсунками – момента впрыска, количества топлива и способа распыла.
Если на ТНВД подается количество топлива больше необходимого, то срабатывает перепускной клапан, который часть топлива возвращает в бак. Также часть топлива сбрасывается в бак в случае превышения давления в рампе, но делается это уже предохранительным клапаном.
Используя непосредственный впрыск топлива, инженерам удалось снизить расход бензина. И все достигнуто возможностью использования нескольких типов смесеобразования. То есть под определенные условия работы силовой установки подается свой тип смеси. Причем система контролирует и управляет не только подачей топлива, для обеспечения того или иного типа смесеобразования устанавливается еще и определенный режим подачи воздуха в цилиндры.
Всего же прямой впрыск способен обеспечить два основных типа смеси в цилиндрах:
Это позволяет подобрать смесь, которая при определенной работе мотора, обеспечит наибольшее КПД.
Послойное смесеобразование позволяет двигателю функционировать на очень бедной смеси, в которой массовая часть воздуха больше топливной части в более чем 40 раз. То есть в цилиндры подается очень большое количество воздуха, а затем в нее добавляется немного топлива.
В нормальных условиях такая смесь от искры не загорается. Чтобы воспламенение произошло, конструкторы придали днищу поршня особую форму, обеспечивающую завихрение.
При таком смесеобразовании в камеру сгорания воздух, направленный заслонкой, поступает на большой скорости. В конце такта сжатия форсунка впрыскивает топливо, которое достигая днища поршня, за счет завихрения поднимается вверх к свече зажигания. В результате в зоне электродов смесь является обогащенной и легковоспламенимой, в то время как вокруг этой смеси находится воздух практически без частиц топлива. Поэтому такое смесеобразование и получило название послойного – внутри имеется слой с обогащенной смесью, поверх которого находится еще один слой, практически без топлива.
Данное смесеобразование обеспечивает минимальное потребление бензина, но и приготавливает такую смесь система лишь при равномерном движении, без резких ускорений.
Стехиометрическое смесеобразование – это изготовление топливной смеси в оптимальных пропорциях (14,7 части воздуха на 1 часть бензина), что обеспечивает максимальный выход мощности. Такая смесь уже воспламеняется легко, поэтому надобности в создании обогащенного слоя возле свечи не требуется, наоборот, для эффективного сгорания необходимо, чтобы бензин равномерно распределился в воздухе.
Поэтому топливо впрыскивается форсунками на также сжатия, и до воспламенения оно успевает хорошо перемещаться с воздухом.
Такое смесеобразование обеспечивается в цилиндрах во время ускорений, когда необходим максимальный выход мощности, а не экономичность.
Конструкторам пришлось также решать вопрос с переходом двигателя с бедной смеси на обогащенную во время резких ускорений. Чтобы не произошло детонационного сгорания, во время перехода используется двойной впрыск.
Первая закачка топлива выполняется на такте впуска, при этом топливо выступает в качестве охладителя стенок камеры сгорания, что исключает детонацию. Вторая порция бензина подается уже на конце такта сжатия.
Система непосредственного впрыска топлива благодаря применению сразу нескольких типов смесеобразования, позволяет неплохо экономить топливо без особого влияния на мощностные показатели.
Во время ускорений двигатель работает на обычной смеси, а после набора скорости, когда режим движения размеренный и без резких перепадов, силовая установка переходит на очень обедненную смесь, тем самым экономя топливо.
В этом и кроется основное достоинство такой системы питания. Но есть у нее и немаловажный недостаток. В топливном насосе высокого давления, а также в форсунках используются прецизионные пары с высокой степенью обработки. Именно они и являются слабым местом, поскольку эти пары очень чувствительны к качеству бензина. Наличие сторонних примесей, серы и воды способно вывести ТНВД и форсунки из строя. Дополнительно, бензин обладает очень слабыми смазывающими свойствами. Поэтому износ прецизионных пар выше, чем у того же дизельного мотора.
К тому же сама система непосредственной подачи топлива конструктивно более сложная и дорогостоящая, чем та же система раздельного впрыска.
Конструкторы же на достигнутом не останавливаются. Своеобразную доработку прямого впрыска сделали в концерне VAG в силовом агрегате TFSI. У него систему питания объединили с турбокомпрессором.
Интересное решение предложила компания Orbital. Они разработали особую форсунку, которая помимо топлива впрыскивает в цилиндры еще и сжатый воздух, подающийся от дополнительного компрессора. Такая топливовоздушная смесь обладает отличной воспламеняемостью и хорошо сгорает. Но это пока только разработка и найдет ли она применение на авто, пока неизвестно.
В целом же, непосредственный впрыск сейчас является самой лучшей системой питания в плане экономичности и экологичности, хоть и имеются у нее свои недостатки.
Система впрыска Common Rail
Системы впрыска дизельных двигателей
Инжекторная система
Интересные статьи
Отличие дизельного двигателя от бензинового
Состав охлаждающей жидкости
Раздаточная коробка передач
Материалы: http://autoleek.ru/sistemy-dvigatelja/sistema-vpryska/sistema-neposredstvennogo-vpryska-topliva.html
3 ≫
-
Тенденция развития рынка требует создания новейших механизмов впрыска топлива, которой является система непосредственного впрыска. В бензиновых двигателях внутреннего сгорания, для которых она предназначена, данная система осуществляет непосредственный впрыск топлива в цилиндры. Камера их сгорания под высоким давлением получает горючее. Данная система этим отличается от стандартной системы распределенного впрыска (топливо впрыскивается во впускной коллектор).
Система непосредственного впрыска топлива
Прямой впрыск происходит благодаря слаженной работе всех составляющих структуры. Система непосредственного впрыска топлива состоит из:
- Топливного насоса высокого давления. Данный насос состоит из плунжеров. Их может быть несколько. Движение начинает осуществляется насосом от распределительного вала. Его основной функцией является непосредственный впрыск к топливной рампе бензина. Затем, по мере возникновения потребностей двигателя, приборы для пульверизации получают его под высоким давлением.
- Топливной рампы. Ее назначение – накопление горючего, его перераспределение по приборам для пульверизации. Она предотвращает контурные колебания бензина.
- Форсунок впрыска. Они обеспечивают распределение в камере сгорания бензина, благодаря чему происходит образование топливно-воздушной смеси.
- Камеры высокого давления, оснащенной регулятором количественного давления топлива. Благодаря ей осуществляется дозированная подача насосом топлива, зависящая от впрыскивания форсунки.
- Привода топливного насоса. Его функция – запуск движения вала.
- Предохранительного клапана. Обеспечивает защиту элементов системы впрыска от давления превышающего норму. Это происходит путем расширения топлива, если есть нарушения режима температур.
- Датчика высокого давления. Повышение нормы давления способствует работе датчика путем реакции на изменения. Затем, на основании результатов передачи от него данных, действует блок управления, который уменьшает давление в топливной рампе.
- Топливного фильтра. Очищает топливо путем отсеивания ржавчины, частичек пыли. Таким образом, топливная система защищена от их попадания.
- Блока управления двигателем. Обеспечивает единую слаженную работу самой системы.
- Блока управления форсунками. Осуществляет согласованную работу форсунок.
- Топливного насоса низкого давления. Основой его функционирования является подача из бака горючего к топливному оборудованию.
- Перепускного клапана. Он является исполнительным механизмом, который начинает действие с помощью блока управления двигателем.
- Входных датчиков. Они обеспечивают блок управления двигателем новой информацией.
- Фильтров супертонкой очистки топлива. Его функция – очищать от грязного горючего.
Схема непосредственного впрыска топлива
В двигателях, подающих прямой впрыск, требования к качеству топлива намного выше. Они позволяют больше экономить – до 20%, соответствуют высокому уровню экологических стандартов – сокращают вместе с отработавшими газами выброс вредных элементов.
Высокую эффективность использования топливной смеси определяет разнообразие смесеобразования на всех режимах работы двигателя.
Непосредственный впрыск топлива дает возможность получить такие виды смесеобразования:
- Послойное. Оно применяется при работе бензиновых двигателей на небольших нагрузках, а также малых и средних оборотах. При этом входные клапаны остаются закрытыми, а дроссельная заслонка – открыта. С огромной скоростью воздух поступает в камеры. Впрыск подается к свече зажигания. Воздух, оставшийся после воспламенения смеси, является теплоизолятором.
- Стехеометрическое гомогенное. Его применяют при больших нагрузках и высоких оборотах. Впускные заслонки, при данном образовании смеси, открыты, а дроссельная, при изменении положения педали газа, открывается. На такте впуска происходит впрыск горючего. Образование смеси по своей структуре является однородным. Горение смеси проиходит в полном объеме камеры сгорания.
- Гомогенное. Оно используется в промежуточных режимах работы двигателя. Смесеобразование получается благодаря максимальному открытию дроссельной заслонки. Впускные заслонки остаются закрытыми. Цилиндры, содержащие воздух, способствуют его эффективному движению. На такте впуска происходит впрыск бензина. Гомогенная смесь может содержать отработанные газы.
Непосредственный впрыск имеет ряд преимуществ.
Технология впрыска топлива
Непосредственный впрыск дает возможность точной подачи горючего, благодаря инновационным компьютерам. Не образовывая капель, он распределяет топливо наиболее оптимально с помощью правильного расположения инжекторов. Таким образом, происходит эффективное сгорание бензина. Это приводит к увеличению мощности автомобиля, при этом каждая капля бензина несет меньше грязи и ненужных частиц.
Недостатками непосредственного впрыска являются:
- система достаточно сложна,
- система имеет высокую стоимость.
Данная система затратная в производстве. Ее элементы работают с топливом под большим давлением. Иная ситуация у обычного способа образования смеси. Крепость форсунок должна выдерживать давление, температуру в цилиндрах.
Таким образом, эта система является новой технологией, позволяющей двигателям сжигать, эффективно прорабатывать горючее. Она позволяет увеличить мощность, экономичность двигателей автомобилей, а также сократить атмосферные выбросы.
Похожие темы
Всегда будьте в курсе наших новостей
Подпишись на ежедневную рассылку лучших новостей
Подписка бесплатна для любых мобильных абонентов Вы можете отказаться от рассылки в любой момент
Размещенная на сайте информация является собственностью администрации сайта и охраняется законом об авторском праве. Копирование информации возможно только при размещении активной гиперссылкой на страницу-источник.
Материалы: http://autodont.ru/system-of-injection/sostavlyayushhie-sistemy-vpryska-topliva
