Непосредственный впрыск бензина

1.Общие сведения

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_суммар³ 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

Топливная рейка

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 HDP1

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.

а)

б)

Рисунок 88 – Трехцилиндровый насос высокого давления HDP1:

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 HDP2

Одноцилиндровый насос HDP2 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 HDP2:

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

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;

·         гомогенная смесь;

·         гомогенно-обедненная смесь;

·         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