Классификация камер сгорания дизельного двигателя. Двигатель с неразделенными камерами сгорания непосредственный впрыск топлива
Дизельные двигатели. Теория | Vincast.ru
Главное достоинство дизельных двигателей - это низкие затраты на топливо, поскольку моторы этого типа имеют малые удельные расходы топлива на основных эксплуатационных режимах, да и само горючее во многих странах заметно дешевле бензина.
К числу недостатков дизеля по сравнению с бензиновыми двигателями относятся: сравнительно низкие мощностные показатели, более дорогая в изготовлении и обслуживании топливная аппаратура, худшие пусковые качества, повышенный выброс некоторых токсичных компонентов с отработавшими газами, повышенный уровень шума.
Экономические и экологические показатели автомобильного дизельного двигателя в первую очередь зависят от особенностей рабочего процесса и, в частности, от типа камеры сгорания, системы впрыскивания топлива. Камеры сгорания дизельного двигателя делятся на разделенные (вихрекамерные и форкамерные), полуразделенные и неразделенные.
|
|
|
| Разделенная вихрекамерная камера сгорания | Разделенная форкамерная камера сгорания |
| |
|
| Полуразделенная камера сгорания | Неразделенная камера сгорания |
Дизельные двигатели с неразделенной камерой иногда называют двигателями с непосредственным впрыском.
Дизельные двигатели с разделенной камерой сгорания обычно устанавливаются на грузовики малой грузоподъемности и легковые автомобили. Это определяется необходимостью снижения уровня шума и меньшей жесткостью работы. При подходе поршня к ВМТ воздух из основного объема камеры сгорания вытесняется в дополнительный, создавая в нем интенсивную турбулизацию заряда, что способствует лучшему перемешиванию капель топлива с воздухом. Недостатком дизельных двигателей с разделенной камерой сгорания являются: некоторое увеличение расхода топлива вследствие повышения потерь в охлаждающую среду из-за увеличенной поверхности камеры сгорания, больших потерь на перетекание воздушного заряда в дополнительную камеру и горящей смеси обратно в цилиндр. Кроме того, ухудшаются пусковые качества.
Дизельные двигатели с неразделенной камерой сгорания имеют низкие расходы топлива и легче запускаются. Недостатком их является повышенная жесткость работы и соответственно - высокий уровень шума.
Для полного сгорания топлива изготовитель выбирает оптимальное соотношение между количеством сопловых отверстий у форсунки и интенсивностью вихревого движения заряда в цилиндре - так, чтобы струи топлива полностью охватили весь воздушный заряд. Чем меньше сопловых отверстий, тем более интенсивным должно быть вращательное движение заряда. У четырехтактных дизельных двигателей вращательное движение воздуха во время хода впуска обеспечивается тангенциальным расположением впускного канала, наличием ширмы у клапана, винтовым (улиткообразным) каналом перед впускным клапаном. В процессе сжатия при подходе поршня к ВМТ воздух перетекает из надпоршневого пространства в камеру сгорания в поршне, увеличивая интенсивность вращательного движения свежего заряда. Поэтому при ремонте дизельных двигателей необходимо следить, чтобы зазор между днищем поршня и головкой цилиндров соответствовал заданной инструкцией величине. При большем зазоре интенсивность турбулизации заряда будет недостаточна, при меньшем на больших нагрузках может появиться стук поршня от его ударов по головке. Во время сборки дизельного двигателя этот зазор проверяется установкой свинцовых пластинок на днище поршня и прокруткой коленчатого вала после затяжки болтов крепления головки.
|
|
|
|
| Способы создания вихревого движения заряда во время впуска: | ||
Тангенциальное расположение канала | Установка на клапане ширмы | Винтовой канал |
Пуск дизельного двигателя:
У дизельных двигателей с разделенной камерой сгорания (вихрекамерные или форкамерные) пусковые качества значительно хуже, чем у дизельных двигателей с неразделенной камерой.
Для облегчения пуска дизельные двигатели с разделенной камерой оснащаются электрическими свечами накаливания, устанавливаемыми в форкамеру или вихревую камеру. Реже свечи устанавливаются в дизельных двигателей с непосредственным впрыском.
Свечи бывают открытого и закрытого типа со спиралью накаливания или нагревательным элементом. Они выпускаются теми же фирмами, что и свечи зажигания. Кожух свечи располагается в камере сгорания дизельного двигателя так, чтобы конус распыленного топлива попадал только на его раскаленный наконечник.
В период, когда токсичность отработавших газов оценивалась по выбросу СО и СН (углеводородов), в широкой прессе отмечалось, что дизели имеют из всех ДВС наиболее низкую токсичность. Однако в дальнейшем, когда товарные бензины стали выпускаться без этиловой жидкости, а бензиновые двигатели начали оснащаться трехкомпонентными каталитическими нейтрализаторами, снижающими содержание СО, СН, NОх на 90-95%, о низкой токсичности дизельных двигателей по сравнению с бензиновыми двигателями стали скромно умалчивать.
Повышенная токсичность дизелей определяется следующими факторами:
Первый из них - низкая эффективность каталитических нейтрализаторов. Это связано с тем, что степень сжатия, а следовательно, и степень расширения дизелей значительно выше, чем у бензиновых двигателей. Поэтому температура отработавших газов недостаточна для эффективной работы нейтрализаторов. В связи с этим не удается добиться снижения выброса оксидов азота, которые в несколько десятков раз более токсичны, чем СО.
Второй фактор - повышенный выброс на некоторых режимах, особенно во время прогрева, продуктов неполного сгорания с характерным неприятным запахом (акролеина, альдегидов и др.), многие из которых являются канцерогенами. Третий - частицы сажи являются носителями канцерогенов. Попадая в дыхательные пути, они вызывают раковые опухоли. Из-за того, что ни в одной из стран до сих пор нет быстродействующих газоанализаторов, нет и возможности нормировать их выброс. Поэтому законодатели используют косвенные показатели - ограничение выброса углеводородов и твердых частиц.
Основные причины повышенной токсичности и повышенного расхода топлива дизельных двигателей следующие:
- низкое качество топлива,
- нарушение работы системы топливоподачи (слишком низкий коэффициент избытка воздуха, неравномерная подача топлива по цилиндрам, смещение фаз впрыска, межцикловая неравномерность подачи топлива),
- повышенный расход масла на угар из-за износа деталей цилиндропоршневой группы,
- в двигателях с турбонаддувом - слишком низкое давление наддува.
Одна из главных характеристик дизельного топлива - это его цетановое число, показывающее способность к самовоспламенению.
Оно определяется на одноцилиндровой установке сравнением со смесью эталонного топлива, подбираемого так, чтобы период задержки воспламенения был таким же, как и у испытуемого горючего. Величина цетанового числа должна быть не менее 45. Она зависит от химического состава топлива и наличия в нем специальных присадок. Увеличение цетанового числа достигается повышением содержания в топливе парафиновых углеводородов. При этом улучшаются пусковые качества, однако при цетановом числе 50...55 ухудшается полнота сгорания.
amastercar.ru
www.vincast.ru
Неразделенная камера - сгорание - Большая Энциклопедия Нефти и Газа, статья, страница 1
Неразделенная камера - сгорание
Cтраница 1
Неразделенные камеры сгорания более компактны, в результате чего потери тепла от камеры уменьшаются, облегчается процесс запуска и повышается экономичность работы двигателя. Вместе с тем однокамерные двигатели работают более жестко, поэтому износ деталей шатунно-поршневой группы у них интенсивнее. Смесеобразование у таких двигателей происходит при повышенном давлении, и, значит, топливоподающая и топ-ливораспыливающая аппаратура должна обладать повышенной гидравлической плотностью. [1]
Неразделенная камера сгорания геометрически представляет собой единый объем, куда форсункой вводится топливо и где происходят процессы смесеобразования и сгорания. Одна из неразделенных камер сгорания показана на фиг. Форсунка, расположенная по оси цилиндра, подает топливо несколькими струями, расходящимися широкоугольным конусом. [2]
Неразделенные камеры сгорания представляют собой единый объем, ограниченный поверхностями днища поршня, головки ( крышки) и цилиндра. [4]
Неразделенная камера сгорания представляет собой единый объем, заключенный между головкой цилиндра п поршнем. Этот объем образуется обычно за счет углубления в поршне или иногда н головке двигателя. Конфигурация неразделенных камер сгорания весьма разнообразна. [6]
Компактная неразделенная камера сгорания имеет на единицу объема наименьшую поверхность, что ограничивает потери теплоты через ее стенки. Это обстоятельство объясняет основные преимущества дизелей с неразделенными камерами сгорания. [7]
Неразделенная камера сгорания дизельного двигателя ( рис. 44, а, б, б) представляет собой компактную полость, ограниченную фасонным днищем поршня, а также поверхностями головки и стенок цилиндра. Форму неразделенной камеры сгорания выбирают в зависимости от расположения форсунки, количества, направления и формы струй топлива, вводимого через форсунку. Камера должна обеспечивать интенсивное завихрение в процессе смесеобразования. [9]
В неразделенные камеры сгорания ( они расположены в днище поршня) топливо подают под большим давлением 50 - 100 МПа. Это позволяет получить тонкое распылива-ние топлива, хорошее перемешивание его с воздухом, достаточную полноту сгорания, и двигатель будет развивать наибольшую мощность. [10]
Рассмотрим неразделенные камеры сгорания. В камерах этого типа собъемным смесеобразованием организация равномерного распределения топлива по заряду и камере представляет большие трудности. [11]
Схемы неразделенных камер сгорания представлены на фиг. [12]
У неразделенных камер сгорания все пространство сжатия представляет собой единый объем, который может быть размещен в головке поршня, в крышке рабочего цилиндра, либо между днищами поршня и крышки. В связи с тем, что топливо впрыскивается непосредственно в указанный единый объем, неразделенные камеры часто именуются камерами непосредственного впрыска. [14]
У неразделенных камер сгорания все пространство сжатия представляет собой единый объем, в который непосредственно впрыскивается топливо. Поэтому эти камеры часто называют камерами непосредственною впрыска. [15]
Страницы: 1 2 3 4 5
Классификация камер сгорания дизельного двигателя
Камера сгорания двигателя — это замкнутое пространство, полость для сжигания газообразного, или жидкого топлива в двигателях внутреннего сгорания. В камере сгорания происходит приготовление и сжигание топливовоздушной смеси.
Наряду с обеспечением оптимального смесеобразования ⭐ камеры сгорания должны способствовать получению высоких экономических показателей и хороших пусковых качеств двигателей. В зависимости от конструкции и используемого способа смесеобразования камеры сгорания дизелей делятся на две группы:
- неразделенные
- разделенные
Неразделенные камеры сгорания
Неразделенные камеры сгорания представляют собой единый объем и имеют обычно простую форму, которая, как правило, согласуется с направлением, размерами и числом топливных факелов при впрыске. Эти камеры компактны, имеют относительно малую поверхность охлаждения, благодаря чему снижаются потери теплоты. Двигатели с такими камерами сгорания имеют приличные экономические показатели и хорошие пусковые качества.
Неразделенные камеры сгорания отличаются большим разнообразием форм. Чаще всего они выполняются в днище поршней, иногда частично в днище поршня и частично в головке блока цилиндров, реже — в головке.
На рисунке показаны некоторые конструкции камер сгорания неразделенного типа.
Рис. Камеры сгорания дизелей неразделенного типа: а — тороидальная в поршне; б — полусферическая в поршне и головке цилиндра; в — полусферическая в поршне; г — цилиндрическая в поршне; д — цилиндрическая в поршне с боковым размещением; е — овальная в поршне: ж — шаровая в поршне; з — тороидальная в поршне с горловиной; и — цилиндрическая, образованная днищами поршней и стенками цилиндра; к — вихревая в поршне; л — трапецеидальная в поршне; м — цилиндрическая в головке под выпускным клапаном
В камерах сгорания, приведенных на рисунке, а—д качество смесеобразования достигается исключительно путем распыления топлива и согласования формы камер с формой факелов впрыска топлива. В этих камерах чаше всего применяются форсунки с многодырчатыми распылителями и используются высокие давления впрыска. Такие камеры имеют минимальные поверхности охлаждения. Для них характерна низкая степень сжатия.
Камеры сгорания, показанные на рис. е—з, имеют более развитую теплопередаюшую поверхность, что несколько ухудшает пусковые свойства двигателя. Однако путем вытеснения воздуха из надпоршневого пространства в объем камеры в процессе сжатия удается создать интенсивные вихревые потоки заряда, которые способствуют хорошему перемешиванию топлива с воздухом. При этом обеспечивается высокое качество смесеобразования.
Камеры сгорания, показанные на рисунке, к—м, находят применение в многотопливных двигателях. Для них характерно наличие строго направленных потоков заряда, обеспечивающих испарение топлива и его введение в зону сгорания в определенной последовательности. Для улучшения рабочего процесса в цилиндрической камере сгорания в головке под выпускным клапаном (рис. м) используется высокая температура выпускного клапана, который является одной из стенок камеры.
Разделенные камеры сгорания
Разделенные камеры сгорания состоят из двух отдельных объемов, соединяющихся между собой одним или несколькими каналами. Поверхность охлаждения таких камер значительно больше, чем у камер неразделенного типа. Поэтому в связи с большими тепловыми потерями двигатели с разделенными камерами сгорания имеют обычно худшие экономические и пусковые качества и, как правило, более высокие степени сжатия.
Однако при разделенных камерах сгорания за счет использования кинетической энергии газов, перетекающих из одной полости в другую, удается обеспечить качественное приготовление топливно-воздушной смеси, благодаря чему достигается достаточно полное сгорание топлива и устраняется дымление на выпуске.
Рис. Камеры сгорания дизелей разделенного типа: а — предкамера; б — вихревая камера в головке; в — вихревая камера в блоке
Кроме того, дросселирующее действие соединительных каналов разделенных камер позволяет значительно уменьшить «жесткость» работы двигателя и снизить максимальные нагрузки на детали кривошипно-шатунного механизма. Некоторое снижение «жесткости» работы двигателей с разделенными камерами сгорания может также обеспечиваться путем повышения температуры отдельных частей камер сгорания.
ustroistvo-avtomobilya.ru
Камеры сгорания дизельных двигателей
Для хорошего смесеобразования одновременно необходимо правильно сочетать распыливание топлива и движение воздуха в камере сгорания. Это позволит улучшить распределение топлива в камере и осуществить процесс сгорания при наименьшем количестве воздуха.
Форма камеры сгорания должна:
· соответствовать направлению и дальнобойности струи впрыскиваемого топлива;
· обеспечивать организованное движение потока воздуха, интенсивное перемешивание топлива и воздуха, полное сгорание топлива в короткий период при наименьшем количестве воздуха;
· плавное нарастание давления в цилиндре, умеренное максимальное давление при сгорании и минимальные тепловые потери;
· создавать условия для облегченного запуска двигателя.
По конструкции дизельные двигатели разделяются на две основные категории: с неразделенными и разделенными камерами сгорания. Неразделенные камеры имеют только одно отделение, в котором происходит и смесеобразование, и сгорание топлива. Разделенные камеры разделены на две части: основную и дополнительную, соединены между собой горловиной. При этом топливо впрыскивается в дополнительную камеру.
По способу различают объемное, пленочное и комбинированное смесеобразование.
При объемном смесеобразовании топливо распыливается в объеме камеры сгорания и лишь небольшая часть его попадает в пристеночный слой. Объемное смесеобразование осуществляется в неразделенных камерах сгорания.
Пленочное смесеобразование применяется в ряде конструкций камер сгорания, когда почти все топливо направляется в пристеночную зону. В центральную часть камеры сгорания попадает приблизительно 5–10% впрыскиваемого форсункой топлива. Остальная часть топлива распределяется на стенках камеры сгорания в виде тонкой пленки (10–15 мкм). Первоначально воспламеняется часть топлива, попавшая в центральную часть камеры сгорания, где обычно отсутствует движение заряда и устанавливается наиболее высокая температура. В дальнейшем, по мере испарения и смешения с воздухом, горение распространяется на основную часть топлива, направленную в пристеночный слой. При пленочном смесеобразовании требуется менее тонкое распыливание топлива. Применяют форсунки с одним сопловым отверстием. Давление впрыска топлива не превышает 17–20 МПа. Пленочное смесеобразование по сравнению с объемным обеспечивает лучшие экономические показатели двигателя, упрощает конструкцию топливной аппаратуры. Основным недостатком являются низкие пусковые свойства двигателя при низких температурах в связи с малым количеством топлива, участвующего в первоначальном сгорании. Этот недостаток устраняют путем подогрева воздуха на впуске или за счет увеличения количества топлива, участвующего в образовании начального очага сгорания.
Комбинированное смесеобразование получается при меньших диаметрах камеры сгорания, когда часть топлива достигает ее стенки и концентрируется в пристеночном слое. Другая часть капель топлива располагается во внутреннем объеме заряда. На поверхности камеры оседает примерно 50% топлива. При впуске в камере не создается вращательного движения заряда. Заряд приводится в движение при вытеснении его из надпоршневого пространства в камеру сгорания, и создается вихрь. Скорость движения заряда достигает 40–45 м/с. Отличительной особенностью от пленочного смесеобразования является встречное движение струй топлива и заряда, вытесняемого из надпоршневого пространства, что способствует увеличению количества топлива, взвешенного в объеме камеры сгорания, и сближает процесс с объемным смесеобразованием. Форсунки применяют с распылителями, имеющими 3–5 сопловых отверстий.
Камеры сгорания с непосредственным впрыском. В дизельных двигателях с такими камерами топливо впрыскивается непосредственно в камеру сгорания форсункой с рабочим давлением 15–30 МПа, имеющей многодырчатые распылители (5–7 отверстий) с малым диаметром сопловых каналов (0.15–0.32 мм). Столь высокие давления впрыска применяются ввиду того, что в данном случае распыливание топлива и перемешивание его с воздухом достигается главным образом за счет кинетической энергии, сообщаемой топливу при впрыске. Для равномерного распределения топлива в камере форсунки таких двигателей часто выполняют с несколькими отверстиями.
На рис. 6.4 показаны камеры сгорания двигателей с непосредственным впрыском, обеспечивающие объемное смесеобразование.
а б
Рис. 6.4. Неразделенные камеры сгорания для объемного смесеобразования:
а – полусферическая, б – тороидальная
Рис. 6.5. Использование завихрителей
| Для улучшения смесеобразования здесь предусмотрено вихревое движение воздуха вокруг оси цилиндра за счет завихрителей, установленных во впускном коллекторе (рис. 6.5). Камера сгорания с непосредственным впрыском при пленочном смесеобразовании располагается соосно с цилиндром. Смещенная форсунка направляет струю топлива под острым углом на стенку камеры сгорания, имеющей сферическую форму (рис. 6.6а). Заряд приводится в интенсивное вращательное движение (тангенциальная скорость движения заряда достигает 50–60 м/с), и топливные капли распространяются на стенке камеры сгорания. |
а б
Рис. 6.6. Неразделенные камеры сгорания для пленочного смесеобразования:
а – типа дизелей МАН, б – типа “Гессельман”
Кроме указанной выше, при пленочном смесеобразовании камеру сгорания выполняют тарелкообразной (рис. 6.6б). Струя топлива из форсунки, ввиду малого расстояния, достигает дна камеры и оседает в виде пленки.
Рис. 6.7. Неразделенные камеры сгорания для комбинированного смесеобразования
| Камеры сгорания ЦНИДИ (Центральный научно-исследовательский дизельный институт) относят к комбинированным камерам с объемно-пленочным смесеобразованием. Камера сгорания выполняется в поршне, имеет форму усеченного конуса с основанием меньшего диаметра у входной горловины, диаметр которой составляет 0.35–0.37 диаметра цилиндра, и со скругленными стенками у нижнего основания (рис. 6.7). |
Струи топлива попадают на стенку под острым углом и совершают сравнительно малый путь. На конической поверхности камеры оседает примерно 50% топлива.
Основное достоинство камер сгорания с непосредственным впрыском по сравнению с камерами других разновидностей заключается в следующем.
1. Простая и компактная форма камеры сгорания обеспечивает меньшие тепловые потери в процессе сгорания и более высокий эффективный КПД.
2. Менее интенсивное охлаждение воздуха в период сжатия (компактность камеры и сравнительно небольшое вихревое движение воздуха) создает условия для облегчения пуска. Время для пуска двигателя с непосредственным впрыском в 1.8–3.6 раза меньше, чем для пуска двигателей с другими камерами сгорания.
3. Конструкция головки цилиндра упрощается.
Недостатки камер сгорания с непосредственным впрыском состоят в следующем.
1. Смесеобразование происходит при больших давлениях впрыска (до 30 МПа). Это повышает требования к топливоподающей аппаратуре.
2. Процесс сгорания характеризуется значительными давлениями. Скорость нарастания давления при этом высокая. В связи с увеличением нагрузки на кривошипно-шатунный механизм приходится увеличивать запас прочности узлов двигателя.
3. Малые сопловые отверстия распылителя форсунки (0.1–0.25 мм) требуют точного исполнения и при недостаточно очищенном топливе могут засоряться. Поэтому топливо должно очищаться с большой тщательностью. Незначительные отклонения в качестве топлива от нормы ухудшают работу двигателя.
Предкамеры. Предкамерные дизельные двигатели имеют камеру сгорания, разделенную на две части (рис. 6.8). Основная камера размещается непосредственно над поршнем. Ее объем составляет 0.75–0.60отвсего объема камеры сгорания. Предкамера выполняется в головке цилиндра. Она занимает по объему 0.25–0.40 всего объема камеры. Предкамера соединяется с основной камерой одним или несколькими каналами.
Рис. 6.8. Предкамера
| Смесеобразование у предкамерного двигателя протекает в такой последовательности. При сжатии часть сжатого воздуха поступает из цилиндра в предкамеру. В конце такта сжатия в предкамеру через форсунку впрыскивается топливо под давлением 8–12.5 МПа. Распыленное топливо, попадая в среду сжатого воздуха предкамеры, самовоспламеняется. |
При этом сгорает от 20 до 30% впрыскиваемого топлива, что соответствует количеству кислорода воздуха, содержащегося в предкамере.
При сгорании части топлива температура и давление в предкамере повышаются. Горящие газы и несгоревшее топливо устремляются из предкамеры в основную камеру. Здесь сгорание топлива продолжается и заканчивается в процессе расширения.
В предкамерных двигателях интенсивное смесеобразование достигается главным образом за счет энергии топлива, частично сгоревшего в предкамере. Эта энергия вызывает перепад давления между предкамерой и основной камерой (обычно 1.5 МПа), что создает условия для интенсивного смесеобразования и более тонкого распыления топлива, предварительно распыленного в предкамере.
Смесеобразованию способствует образование вихревых движений воздуха при перемещении его в процессе сжатия из основной камеры в предкамеру. Форсунка таких двигателей обычно выполняется с одним отверстием.
Вихревые камеры. Двигатели с вихревыми камерами, как и предкамерные двигатели, имеют камеру, разделенную на две части (рис. 6.9). Основная камера расположена непосредственно над поршнем и имеет сравнительно небольшой объем. Вихревая камера выполнена в головке цилиндра, имеет обтекаемую форму (шара или сплющенного шара) и охлаждается водой. Ее объем составляет от 50 до 75% всего объема камеры сгорания. Такой объем позволяет вовлечь в вихревое движение большое количество воздуха. Вихревая камера сообщается с основной посредством горловины.
Рис. 6.9. Вихревая камера
| В период сжатия воздух вытесняется из основной камеры в вихревую. Взаиморасположение камер способствует смесеобразованию. Топливо впрыскивается форсункой в вихревую камеру. Здесь струя топлива увлекается воздушным потоком, интенсивно перемешивается с ним, самовоспламеняется и частично сгорает. |
В период сгорания в вихревой камере резко повышается давление. При этом продукты сгорания и несгоревшая часть топлива устремляются в основную камеру. Здесь процесс сгорания продолжается, заканчиваясь при расширении.
В двигателях с вихревыми камерами для смесеобразования используются главным образом вихревые потоки воздуха, создаваемые в процессе сжатия в вихревой камере. Перепад давлений между камерами сравнительно небольшой (обычно 0.6 МПа). Форсунки у таких двигателей применяются обычно с одним отверстием. Давление начала подачи составляет 8–10 МПа.
В дизельных двигателях с разделенными камерами сгорания достигается бездымная работа при малых значениях коэффициента избытка воздуха. Значительно снижаются требования к качеству распыливания топлива, и применяются форсунки закрытого типа с одним сопловым отверстием большого диаметра (1–2 мм). Давление впрыска топлива составляет 12–15 МПа, и обеспечивается мягкая работа двигателя. Эти дизельные двигатели являются наиболее быстроходными из всех дизелей.
Основные недостатки раздельных камер сгорания:
· низкие пусковые свойства в связи с интенсивным отводом тепла;
· высокий удельный расход топлива, большие потери тепла и значительные затраты энергии на перетекание газов из одной полости камеры сгорания в другую;
· сложная конструкция камеры сгорания и повышенные тепловые напряжения отдельных деталей.
pdnr.ru
Преимущества и недостатки двигателей с непосредственным впрыском топлива
Бензиновые моторы с непосредственным впрыском топлива автолюбители и специалисты оценивают по-разному: одни считают их примером технологического совершенства, другие бояться как огня и готовы отказаться от них ещё на стадии выбора автомобиля. Разбираемся в особенностях конструкции и выясняем, за что стоит любить и ненавидеть непосредственный впрыск.
В чём отличие схемы с непосредственным впрыском
Бензиновые двигатели внутреннего сгорания с непосредственным впрыском начали массово поступать на отечественный рынок в начале 2000-х годов и к настоящему моменту стали непременным атрибутом любого более-менее современного автомобиля среднего или высшего ценового сегмента. Иными словами, они давно являются данностью и останутся таковой до момента перехода человечества на принципиально иные средства передвижения, коими сейчас большинству экспертов видятся электрокары.
Основным отличием от традиционной системы распределённого впрыска схемы с непосредственным впрыском является то, что бензин в ней подаётся не во впускной коллектор, а прямиком в цилиндры. Таким образом, в камеры сгорания поступает не готовая топливовоздушная смесь, а «живое» топливо, при этом смесеобразование производится в самом моторе.
Зачем это нужно
Вопросом создания систем непосредственного впрыска инженеры озаботились ещё во второй половине XIX века, однако довести до массового серийного производства смогли относительно недавно. Первыми на рынок поступили моторы семейства Mitsubishi GDI, а следом подтянулись и все другие всемирно известные бренды — Volkswagen, GM, Toyota, Mercedes, BMW, Ford, Peugeot/Citroen, Renault, Mazda и даже корейский Hyundai.
Хитрость в том, что схема с непосредственным распределённым впрыском позволяет чрезвычайно тонко и точно управлять процессом смесеобразования и заставлять бензиновый двигатель работать на невероятно бедной топливовоздушной смеси. Если обычные моторы, как правило, функционируют при соотношении бензина к воздуху в пропорции 1:14, то моторы с непосредственным впрыском в некоторых режимах выходят на 1:20 и даже 1:40. Нетрудно догадаться, что это позволяет им сжигать гораздо меньше топлива. При этом настройка процессов смесеобразования в реальном времени и применение сразу нескольких режимов работы повышает мощностные и динамические показатели и улучшает экологичность силового агрегата.
Производители таких движков приводят весьма красноречивые данные: расход топлива снижается в среднем на 20-25%, а тяга и мощность повышаются на 10-15%. И всё это при небольшом литраже, применении систем рециркуляции и дожигания выхлопа, соответствии самым строгим экологическим нормам и возможности использования на ДВС многоступенчатого наддува. Словом, не моторы — сказка!
Технические хитрости
И всё бы ничего, да применение схем непосредственного впрыска тянет за собой невероятно высокие требования не только к конструкции силового агрегата, но также к топливному насосу и качеству горючего, а также смазочным материалам, форсункам и электрике, большинству других жизненно важных узлов и агрегатов автомобиля.
Добиться образования правильной смеси при непосредственном впрыске чрезвычайно сложно. Для этого «мозги» машины снабжаются сразу несколькими программами управления с разным циклом работы и ворохом высокоточных датчиков. А за распыл топлива отвечают специальные вихревые форсунки, работающие при сверхвысоком давлении, для создания которого, в свою очередь, автомобиль оснащается высокопроизводительными топливными насосами, аналогичными тем, что используются в дизельных схемах (если обычные насосы развивают порядка 3-4 атм, то эти обеспечивают 50-130). Разумеется, компоненты таких систем должны быть невероятно технологичными и качественными, рассчитанными на длительный срок службы. Именно соблюдение этих условий позволяет более эффективно распылять топливо, лучше перемешивать его с воздухом и грамотнее распоряжается готовой смесью на разных режимах работы двигателя.
Будучи ненагруженным (к примеру, в режиме холостого хода), двигатель с непосредственным впрыском функционирует в режиме послойного смесеобразования — смесь максимально обедняется, но остаётся достаточно качественной и пригодной для работы. В этом режиме дроссельная заслонка открыта широко, а впускные заслонки находятся в закрытом состоянии. Горючее впрыскивается ближе к концу такта сжатия в область свечи зажигания, где завихряется и легко воспламеняется. Гомогенное смесеобразование позволяет получить мощностную смесь, необходимую при равномерных нагрузках на двигатель и на переходных режимах. При максимальных нагрузках открыты как дроссельная заслонка, так и впускные каналы, а горючее впрыскивается ещё на такте впуска. Одновременно, по возможности, дожигаются и выхлопные газы, что повышает экологические показатели без ущерба для мотора.
Всё это требует доработки геометрии камеры сгорания, повышения степени сжатия до 1:12-14, применения более сложного и дорогого катализатора, высокопроизводительных форсунок с мощными соленоидами, а также высокопроизводительного мультирежимного топливного насоса.
Плюсы и минусы
Главным минусом систем непосредственного впрыска является общее снижение надёжности: даже при незначительных сбоях и поломках какого-либо компонента такой движок начинает «капризничать» — глохнуть, чихать, не выходить на полную мощность, зажигать пиктограмму на приборной панели и всячески намекать владельцу на проблемы.
Вторым не менее важным недочётом является стоимость такого агрегата — это технически сложное устройство, требующее повышенного внимания и контроля ко всем системам, включая систему питания, зажигания, выпуска и электронику.
Чувствительность к качеству топлива — ещё один жирный минус, с которым готов мириться далеко не каждый автовладелец. Купив машину с системой непосредственного впрыска, вы гарантированно начнёте чрезвычайно тщательно подходить к выбору заправок: заливаться дешёвой горючкой, увы, уже не получится. И дело даже не в том, что таким моторам нужно особое октановое число — некоторые из них давно научились работать даже на 92-м бензине или спирте, — а в содержании в некачественном бензине соединений серы, фосфора, железа и прочих примесей, мешающих нормальной работе ДВС.
Наконец, отпугнуть от покупки машины с таким движком может и высокая стоимость запасных частей и обслуживания. Дешёвыми высокотехнологичные запчасти к ним не бывают, при этом требования к маслам, фильтрам и прочим «расходникам» также повышаются.
Но всё это меркнет на фоне плюсов:
Именно моторы с непосредственным впрыском являются наиболее технологичными, экономичными, лёгкими и тяговитыми. Они идеально подходят для эксплуатации в загруженных мегаполисах (именно в пробочных режимах ДВС с непосредственным впрыском наиболее экономичны), вдобавок они позволяют увеличивать интервал замены масла и обладают увеличенным сроком службы из-за уменьшения нагара (это достигается программно максимально эффективным сжиганием топливовоздушной смеси). Однако всего этого удаётся добиться только при чрезвычайно внимательном отношении к автомобилю и грамотном его обслуживании.
avtoblog.ua
Дизельный двигатель
В последнее десятилетие дизельные технологии развиваются впечатляющими темпами. Модификации легковых авто с дизельными моторами составляют половину новых автомобилей, продаваемых в Европе. Густой черный дым из выхлопной трубы, громкое тарахтение и неприятный запах остались далеко в прошлом. Дизельные моторы сегодня – это не только экономичность, но также высокая мощность и достойные динамические характеристики.
Современный дизель стал тихим и экологически чистым. Как же удалось этому типу ДВС соответствовать постоянно ужесточающимся нормам токсичности и при этом не только не проигрывать в тяговитости и экономичности, но и улучшать эти показатели? Рассмотрим все по порядку…
Принцип работы
На первый взгляд дизельный двигатель почти не отличается от обычного бензинового — те же цилиндры, поршни, шатуны. Главные и принципиальные отличия заключаются в способе образования и воспламенения. В карбюраторных и обычных инжекторных двигателях приготовление смеси происходит не в цилиндре, а во впускном тракте.
В бензиновых двигателях с непосредственным впрыском смесь образуется так же как и в дизелях- непосредственно в цилиндре. В бензиновом моторе топливо-воздушная смесь в цилиндре воспламеняется в нужный момент от искрового разряда. В дизеле же топливо воспламеняется не от искры, а вследствие высокой температуры воздуха в цилиндре.
Рабочий процесс в дизеле происходит следущим образом: вначале в цилиндр попадает чистый воздух, который за счет большой степени сжатия (16-24:1) разогревается до 700-900°С. Дизтопливо впрыскивается под высоким давлением в камеру сгорания при подходе поршня к верхней мертвой точке. А так как воздух уже сильно разогрет, после смешивания с ним происходит воспламенение топлива. Самовоспламенение сопровождается резким нарастанием давления в цилиндре — отсюда повышенная шумность и жесткость работы дизеля.
Такая организация рабочего процесса позволяет использовать более дешевое топливо и работать на очень бедных смесях, что определяет более высокую экономичность. Дизель имеет больший КПД (у дизеля – 35–45%, у бензинового – 25–35%) и крутящий момент. К недостаткам дизельных двигателей обычно относят повышенную шумность и вибрацию, меньшую литровую мощность и трудности холодного пуска. Но описанные недостатки относятся в основном к старым конструкциям, а в современных эти проблемы уже не являются столь очевидными.
Конструкция
Особенности
Как уже отмечалось, конструкция дизельного двигателя подобна конструкции бензинового двигателя. Однако аналогичные детали у дизеля существенно усилены, чтобы воспринимать более высокие нагрузки — ведь степень сжатия у него намного выше (16-24 единиц против 9-11 у бензинового). Характерная деталь в конструкции дизелей — это поршень.
Форма днища поршней у дизелей определяется типом камеры сгорания, поэтому по форме легко определить, какому двигателю принадлежит данный поршень. Во многих случаях днище поршня содержит в себе камеру сгорания. Днища поршней находятся выше верхней плоскости блока цилиндров, когда поршень находится в верхней точке своего хода.
Так как воспламенение рабочей смеси осуществляется от сжатия, в дизелях отсутствует система зажигания, хотя свечи могут применяться и на дизеле. Но это не свечи зажигания, а свечи накаливания, которые предназначены для подогрева воздуха в камере сгорания при холодном пуске двигателя.
Поршни и свечи дизеляТехнические и экологические показатели автомобильного дизельного двигателя в первую очередь зависят от типа камеры сгорания и системы впрыскивания топлива.
Типы камер сгорания
Форма камеры сгорания значительно влияет на качество процесса смесеобразования, а значит и на мощность и шумность работы двигателя. Камеры сгорания дизельных двигателей разделяются на два основных типа: неразделенные и разделенные.
Несколько лет назад на рынке легкового машиностроения доминировали дизели с разделенными камерами сгорания. Впрыск топлива в этом случае осуществляется не в надпоршневое пространство, а в специальную камеру сгорания, выполненную в головке блока цилиндров. При этом различают два процесса смесеобразования: предкамерный (его еще называют форкамерным) и вихрекамерный.
Камеры сгорания дизельного двигателяПри форкамерном процессе топливо впрыскивается в специальную предварительную камеру, связанную с цилиндром несколькими небольшими каналами или отверстиями, ударяется об ее стенки и перемешивается с воздухом. Воспламенившись, смесь поступает в основную камеру сгорания, где и сгорает полностью. Сечение каналов подбирается так, чтобы при ходе поршня вверх (сжатие) и вниз (расширение) между цилиндром и форкамерой возникал большой перепад давления, вызывающий течение газов через отверстия с большой скоростью.
Во время вихрекамерного процесса сгорание также начинается в специальной отдельной камере, только выполненной в виде полого шара. В период такта сжатия воздух по соединительному каналу поступает в предкамеру и интенсивно закручивается (образует вихрь) в ней. Впрыснутое в определенный момент топливо хорошо перемешивается с воздухом.
Таким образом, при разделенной камере сгорания происходит как бы двухступенчатое сгорание топлива. Это снижает нагрузку на поршневую группу, а также делает звук работы двигателя более мягким. Недостатком дизельных двигателей с разделенной камерой сгорания являются: увеличение расхода топлива вследствие потерь из-за увеличенной поверхности камеры сгорания, больших потерь на перетекание воздушного заряда в дополнительную камеру и горящей смеси обратно в цилиндр. Кроме того, ухудшаются пусковые качества.
Дизельные двигатели с неразделенной камерой называют также дизелями с непосредственным впрыском. Топливо впрыскивается непосредственно вцилиндр, камера сгорания выполнена в днище поршня. До недавнего времени непосредственный впрыск использовался на низкооборотистых дизелях большого объема (проще говоря, на грузовиках). Хотя такие двигатели экономичнее моторов с разделенными камерами сгорания, их применение на небольших дизелях сдерживалось трудностями организации процесса сгорания, а также повышенными шумом и вибрацией, особенно в режиме разгона.
Сейчас благодаря повсеместному внедрению электронного управления процессом дозирования топлива удалось оптимизировать процесс сгорания топливной смеси в дизеле с неразделенной камерой сгорания и существенно снизить шумность. Новые дизельные двигатели разрабатываются только с непосредственным впрыском.
Системы питания
Важнейшим звеном дизельного двигателя является система топливоподачи, обеспечивающая поступление необходимого количества топлива в нужный момент времени и с заданным давлением в камеру сгорания.
Система питания дизельного двигателяТопливный насос высокого давления (ТНВД), принимая горючее из бака от подкачивающего насоса (низкого давления), в требуемой последовательности поочередно нагнетает нужные порции солярки в индивидуальную магистраль гидромеханической форсунки каждого цилиндра. Такие форсунки открываются исключительно под воздействием высокого давления в топливной магистрали и закрываются при его снижении.
Существует два типа ТНВД: рядные многоплунжерные и распределительного типа. Рядный ТНВД состоит из отдельных секций по числу цилиндров дизеля, каждая из которых имеет гильзу и входящий в нее плунжер, который приводится в движение кулачковым валом, получающим вращение от двигателя. Секции таких механизмов расположены, как правило, в ряд, отсюда и название — рядные ТНВД. Рядные насосы в настоящее время практически не применяются ввиду того, что они не могут обеспечить выполнение современных требований по экологии и шумности. Кроме того, давление впрыска таких насосов зависит от оборотов коленвала.
Распределительные ТНВД создают значительно более высокое давление впрыска топлива, нежели насосы рядные, и обеспечивают выполнение действующих нормативов, регламентирующих токсичность выхлопа. Этот механизм поддерживает нужное давление в системе в зависимости от режима работы двигателя. В распределительных ТНВД система нагнетания имеет один плунжер-распределитель, совершающий поступательное движение для нагнетания топлива и вращательное для распределения топлива по форсункам.
Эти насосы компактны, отличаются высокой равномерностью подачи топлива по цилиндрам и отличной работой на высоких оборотах. В то же время они предъявляют очень высокие требования к чистоте и качеству дизтоплива: ведь все их детали смазываются топливом, а зазоры в прецизионных элементах очень малы.
Ужесточение в начале 90-х законодательных экологических требований, предъявляемых к дизелям, заставило моторостроителей интенсивно совершенствовать топливоподачу. Сразу же стало ясно, что с устаревшей механической системой питания эту задачу не решить. Традиционные механические системы впрыска топлива имеют существенный недостаток: давление впрыска зависит от частоты вращения двигателя и нагрузочного режима.
Это значит, что при низкой нагрузке давление впрыска падает, в результате топливо при впрыске плохо распыляется, попадая в камеру сгорания слишком крупными каплями, которые оседают на ее внутренних поверхностях. Из-за этого уменьшается КПД сгорания топлива и повышается уровень токсичности отработанных газов.
Кардинально изменить ситуацию могла только оптимизация процесса горения топливо — воздушной смеси. Для чего надо заставить весь её объём воспламениться в максимально короткое время. А здесь необходима высокая точность дозы и точность момента впрыскивания. Сделать это можно, только подняв давление впрыска топлива и применив электронное управление процессом топливоподачи. Дело в том, что чем выше давление впрыска, тем лучше качество его распыления, а соответственно – и смешивания с воздухом.
В конечном итоге это способствует более полному сгоранию топливо-воздушной смеси, а значит и уменьшению вредных веществ в выхлопе. Хорошо, спросите вы, а почему бы не сделать такое же повышенное давление в обычном ТНВД и всей этой системе? Увы, не получится. Потому что есть такое понятие, как «волновое гидравлическое давление». При любом изменении расхода топлива в трубопроводах от ТНВД к форсункам возникают волны давления, «бегающие» по топливопроводу. И чем сильнее давление, тем сильнее эти волны. И если далее повышать давление, то в какой-то момент может произойти обыкновенное разрушение трубопроводов. Ну, а о точности дозирования механической системы впрыска даже и говорить не приходится.
Насос-форсунка дизельного двигателяВ результате были разработаны два новых типа систем питания – в первом форсунку и плунжерный насос объединили в один узел (насос-форсунка), а в другом ТНВД начал работать на общую топливную магистраль (Common Rail), из которой топливо поступает на электромагнитные (или пьезоэлектрические) форсунки и впрыскивается по команде электронного блока управления. Но с принятием Евро 3 и 4 и этого оказалось мало, и в выхлопные системы дизелей внедрили сажевые фильтры и катализаторы.
Насос-форсунка устанавливается в головку блока двигателя для каждого цилиндра. Она приводится в действие от кулачка распределительного вала с помощью толкателя. Магистрали подачи и слива топлива выполнены в виде каналов в головке блока. За счет этого насос-форсунка может развить давление до 2200 бар. Дозированием топлива, сжатого до такой степени и управлением угла опережения впрыска занимается электронный блок управления, выдавая сигналы на запорные электромагнитные или пьезоэлектрические клапаны насос-форсунок.
Насос-форсунки могут работать в многоимпульсном режиме (2-4 впрыска за цикл). Это позволяет произвести предварительный впрыск перед основным, подавая в цилиндр сначала небольшую порцию топлива, что смягчает работу мотора и снижает токсичность выхлопа. Недостаток насос-форсунок – зависимость давления впрыска от оборотов двигателя и высокая стоимость данной технологии.
Система питания Common RailСистема питания Common Rail используется в дизелях серийных моделей с 1997 года. Common Rail – это метод впрыска топлива в камеру сгорания под высоким давлением, не зависящим от частоты вращения двигателя или нагрузки. Главное отличие системы Common Rail от классической дизельной системы заключается в том, что ТНВД предназначен только для создания высокого давления в топливной магистрали. Он не выполняет функций дозировки цикловой подачи топлива и регулировки момента впрыска.
Система Common Rail состоит из резервуара – аккумулятора высокого давления (иногда его называют рампой), топливного насоса, электронного блока управления (ЭБУ) и комплекта форсунок, соединенных с рампой. В рампе блок управления поддерживает, меняя производительность насоса, постоянное давление на уровне 1600-2000 бар при различных режимах работы двигателя и при любой последовательности впрыска по цилиндрам.
Открытием-закрытием форсунок управляет ЭБУ, который рассчитывает оптимальный момент и длительность впрыска, на основании данных целого ряда датчиков – положения педали акселератора, давления в топливной рампе, температурного режима двигателя, его нагрузки и т. п. Форсунки могуть быть электромагнитными, либо более современными- пьезоэлектрическими. Главные преимущества пьезоэлектрических форсунок — высокая скорость срабатывания и точность дозирования. Форсунки в дизелях c Common rail могут работать в многоимпульсном режиме: в ходе одного цикла топливо впрыскивается несколько раз – от двух до семи. Сначала поступает крохотная, всего около милиграмма, доза, которая при сгорании повышает температуру в камере, а следом идет главный «заряд».
Для дизеля — двигателя с воспламенением топлива от сжатия — это очень важно, так как при этом давление в камере сгорания нарастает более плавно, без «рывка». Вследствие этого мотор работает мягче и менее шумно, снижается количество вредных компонентов в выхлопе. Многократная подача топлива за один такт попутно обеспечивает снижение температуры в камере сгорания, что приводит к уменьшению образования окиси азота- одной из наиболее токсичных составляющих выхлопных газов дизеля.
Характеристики двигателя с Common Rail во многом зависят от давления впрыска. В системах третьего поколения оно составляет 2000 бар. В ближайшее время в серию будет запущено четвертое поколение Common Rail с давлением впрыска 2500 бар.
Турбодизель
Эффективным средством повышения мощности и гибкости работы является турбонаддув двигателя. Он позволяет подать в цилиндры дополнительное количество воздуха и соответственно увеличить подачу топлива на рабочем цикле, в результате чего увеличивается мощность двигателя.
Давление выхлопных газов дизеля в 1,5-2 раза выше, чем у бензинового мотора, что позволяет турбокомпрессору обеспечить эффективный наддув с самых низких оборотов, избежав свойственного бензиновым турбомоторам провала — «турбоямы». Отсутствие дроссельной заслонки в дизеле позволяет обеспечить эффективное наполнение цилиндров на всех оборотах без применения сложной схемы управления турбокомпрессором.
На многих автомобилях устанавливается промежуточный охладитель наддуваемого воздуха — интеркулер, позволяющий поднять массовое наполнение цилиндров и на 15-20 % увеличить мощность. Наддув позволяет добиться одинаковой мощности с атмосферным мотором при меньшем рабочем объеме, а значит, снизить массу двигателя. Турбонаддув, помимо всего прочего, служит для автомобиля средством повышения «высотности» двигателя — в высокогорных районах, где атмосферному дизелю не хватает воздуха, наддув оптимизирует сгорание и позволяет уменьшить жесткость работы и потерю мощности.
В то же время турбодизель имеет и некоторые недостатки, связанные в основном с надежностью работы турбокомпрессора. Так, ресурс турбокомпрессора существенно меньше ресурса двигателя. Турбокомпрессор предъявляет жесткие требования к качеству моторного масла. Неисправный агрегат может полностью вывести из строя сам двигатель. Кроме того, собственный ресурс турбодизеля несколько ниже такого же атмосферного дизеля из-за большой степени форсирования. Такие двигатели имеют повышенную температуру газов в камере сгорания, и чтобы добиться надежной работы поршня, его приходится охлаждать маслом, подаваемым снизу через специальные форсунки.
Прогресс дизельных двигателей сегодня преследует две основные цели: увеличение мощности и уменьшение токсичности. Поэтому все современные легковые дизели имеют турбонаддув (самый эффективный способ увеличения мощности) и Соmmоn Rail.
avtonov.info
Непосредственный впрыск. Принципы и применение на бензиновых двигателях PSA
Итак, непосредственный впрыск - это способ подачи жидкого топлива в камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания с внутренним смесеобразованием. При этом топливо, поступая в камеру сгорания с высокой скоростью, определенным образом распыляется.
Сама идея подавать бензин напрямую в камеру сгорания достаточно стара, но ее реализация всегда тормозилась несовершенством технологий. Первым разработчиком систем непосредственного впрыска бензина в двигателях с искровым зажиганием и с механическим управлением стала германская компания «Robert Bosch», еще до Второй мировой войны. Сама эта идея проходила в своем развитии несколько этапов.
На первом этапе единственной областью применения непосредственного впрыска была авиация. К первым серийным и массовым двигателям с непосредственным впрыском относят моторы Daimler Benz 600-й серии, Jumo211, BMW-801C, ставившиеся на известные марки самолетов Мессершмитт, Фоке-Вульф. Следует отметить, что и «отечественный производитель» в то время не «спал в тряпочку». В этом плане следует отметить авиационный опять же двигатель М(АШ)-82ФН, устанавливавшийся на истребителях Ла-5ФН, Ла-7 и их модификациях.
На втором этапе, несмотря на неактуальность дальнейшего развития систем непосредственного впрыска в авиации в связи с переходом на реактивные двигатели, в 1951 году опять же в Германии все-таки появился первый серийный легковой автомобиль с непосредственным впрыском. Его выпустила компания Goliath - Borgward. Это был двухтактный двигатель с объемом всего 688 см3 с системой впрыска Bosch. Но, в конце концов, механическое управление впрыском свело на нет все начинания.
Третий этап развития непосредственного впрыска был предпринят на волне нефтяного кризиса 70-ых годов компанией Ford, но успехом опять же не увенчался.
Четвертый этап охарактеризовался бурным развитием электроники и ее применением в системах управления двигателями. И тут пальму первенства сорвали японские автомобилепроизводители, а именно Mitsubishi Motors Corp. cо своим двигателем GDi (Gasoline Direct Injection).
Двигатели HPi с непосредственным впрыском концерна PSA Peugeot-Citroen.
Выкупив у Mitsubishi Motors Corp. в 1998 году патенты на идеи GDi, французы, в 2000 году создали свой бензиновый двигатель с непосредственным впрыском.
Первым двигателем с системой HPi (High Pressure Injection) у концерна PSA стал двигатель EW10 HPi 16 объемом 2 литра. Благодаря этому, по заявлениям производителя, удалось добиться снижения расхода топлива на 19% по сравнению с предыдущим поколением двигателей (XU) и на 10 - по сравнению с ранним обычным двигателем EW. Несколько возрос крутящий момент на низких оборотах, улучшилась динамика, а экологические показатели в целом вошли в соответствие стандартам Euro IV. При этом французские моторостроители использовали систему VVT (изменения фаз газораспределения) и увеличили до 11,4 степень сжатия.
Сравнительные характеристики двигателей HPi и норм Евро 3 и Евро 4 показаны в таблице.
|
|
CO (г/км) |
СН (г/км) |
Оксиды азота (NOx) (г/км) |
|
Euro 3 (2001) |
2,3 |
0,2 |
0,15 |
|
HPi |
0,5 |
0,075 |
0,06 |
|
Euro 4 (2005) |
1 |
0,1 |
0,08 |
Принципы функционирования.
Двигатель может работать в режиме сгорания сверхобедненной топливовоздушной смеси: соотношение воздуха и топлива по массе (коэффициент a) 30:1. Максимально возможный для традиционных инжекторных двигателей с распределенным впрыском коэффициент a равен 20-24, а оптимальный стехиометрический состав - 14,7:1. Если избыток воздуха будет больше, переобедненная смесь просто не воспламенится.
Кроме того, для снижения насосных потерь и уменьшения выбросов оксидов азота (NOx) в атмосферу существенная роль в двигателе отведена системе рециркуляции отработавших газов (EGR) - при небольшом открытии дроссельной заслонки на впуск подается до 30% объема отработанных газов.
На двигателе НРi распыленное в ограниченном объеме топливо находится в районе свечи зажигания в виде облака. Поэтому, хотя в целом смесь переобедненная, у свечи зажигания она близка к стехиометрическому составу и легко воспламеняется. В то же время, обедненная смесь в остальном объеме имеет намного меньшую склонность к детонации, чем стехиометрическая. Последнее обстоятельство позволяет повысить степень сжатия, а значит увеличить и мощность, и крутящий момент двигателя.
Основные конструктивные отличия HPi от обычного впрыска состоят в следующем.
Во-первых, в двигателе присутствует механический топливный насос высокого давления (ТНВД). Этот насос (подобно ТНВД дизельного двигателя) развивает давление в 50 бар (у инжекторного двигателя электронасос в баке создает в магистрали давление около 3-3,5 бар).
|
Во-вторых, наличие форсунок для впрыска топлива в камеру сгорания цилиндр. При этом вихревые распылители создают различную форму топливного факела в зависимости от режима работы двигателя (конический, узкий). Посредством «хитрого» построения поршня факел направляется к свече зажигания. В остальном объеме камеры сгорания, особенно у стенок, смесь остается сверхобедненной. Направление факела выбрано так, чтобы жидкая фаза бензина не попадала на стенки цилиндра или головку поршня. |
 |
|
В-третьих, поршень имеет днище особой формы. В нем сделана выемка, при помощи которой топливо-воздушная смесь направляется в район свечи зажигания. |
 |
|
В-четвертых, впускные каналы направлены вертикально, что обеспечивает формирование в цилиндре так называемого «обратного вихря», направляя топливовоздушную смесь к свече и улучшая наполнение цилиндров воздухом (у обычного двигателя вихрь в цилиндре закручен в противоположную сторону). |
 |
|
В-пятых, для управления впрыском применяется дроссельная заслонка с электронным управлением. Водитель, нажимая на педаль акселератора, не осуществляет непосредственно управление заслонкой, а лишь воздействует на датчик положения педали. Далее, в зависимости от положения датчика, электронный блок управления сам приводит в движение дроссельную заслонку с помощью электродвигателя в зависимости от степени нажатия педали и условий работы двигателя. |
 |
Двигатель HPi может работать в следующих основных режимах:
Мощностной (обогащенная смесь) - для достижения наибольшего крутящего момента при резком ускорении или максимальной скорости. Впрыскиваемое на такте впуска топливо охлаждает воздух и образует сверхбедную смесь с a ~ 60, а при подаче основного заряда топлива смесь около свечи зажигания обогащается до a ~ 12, воспламеняется и поджигает остальную часть заряда;
|
|
|
|
| 1. Поршень движется вниз на такте впуска | 2. Топливо впрыскивается на такте впуска | 3. Поршень движется вверх | 4. Искра поджигает смесь |
Режим однородного смесеобразования (ОСО), который реализуется при движении на высокой скорости и при ускорении. Топливо впрыскивается на такте впуска, перемешиваясь с воздухом и образуя однородную смесь, как в обычном двигателе с распределенным впрыском. Состав смеси близок к стехиометрическому (a ~ 15) и одинаков по всему объему камеры сгорания;
|
|
|
|
|
| 1. Поршень движется вниз на такте впуска | 2. Топливо впрыскивается на такте впуска | 3. Поршень движется вверх | 4. Искра поджигает смесь |
Режим режимом послойного смесеобразования (ПСО), который реализуется при движении с постоянной скоростью (до 120 км/ч). Топливо впрыскивается в конце такта сжатия в направлении поршня, отражается от него, активно диспергируется и испаряется, направляясь в зону свечи зажигания. Хотя в основном объеме камеры сгорания смесь чрезвычайно обеднена (a=30-40), но заряд в районе свечи достаточно обогащен, чтобы воспламениться от искры и поджечь остальную смесь.
|
|
|
|
|
| 1. Поршень движется вниз на такте впуска | 2. Поршень достигает НМТ, начинается такт сжатия | 3. Топливо впрыскивается в конце такта сжатия | 4. Искра поджигает смесь |
Характеристики этих режимов приведены на рисунке.
Система управления для двигателей HPi изготавливает фирмой Siemens, а ТНВД является результатом совместной разработки Siemens с PSA Peugeot-Citroen.
Топливный насос высокого давления - «аксиально-поршневой» (3-х плунжерный), с приводом от распределительного вала двигателя (ведущая пластина установлена на гидростатическом подшипнике). Особенностью насоса является то, что во время работы он находится в двух стадиях: первая - собственно подача, распределение топлива и отвод излишков, вторая - стадия смазки (что позволяет смазывать движущиеся механические части, причем без смешивания масла и бензина).
Форсунки установлены так, что их ось не пересекается с осью цилиндра. При этом обеспечивается угол распыления факела - до 70°, а давление впрыска составляет 30-100 бар. Давление впрыска и его длительность изменяются блоком управления, так, на холостом ходу давление составляет 70 бар, при полной нагрузке - 100 бар. Работа в режиме обедненных смесей осуществляется при частоте вращения до 3500 об/мин и нагрузке ниже средней.
В системе зажигания также имеются новшества. В частности, предусмотрены три уровня мощности искры:
высокий (100 МДж) в режиме послойного смесеобразования;
средний (70 МДж) в переходных режимах;
низкий (50 МДж) для режима полной нагрузки.
Для привода дроссельной заслонки также используется электродвигатель. В режиме ПСО заслонка частично приоткрывается, чтобы обеспечить достаточный избыток воздуха для создания сверхобедненной смеси. На холостом ходу заслонка открыта уже на 20°, тогда как у обычных двигателей - на 8-10°. При переходе с режима ПСО на ОСО, во время ускорения или режима очистки катализатора, заслонка управляется блоком управления по адаптивному алгоритму (в зависимости от манеры вождения).
Система снижения токсичности
Одной из проблем, с которыми сталкиваются производители двигателей с непосредственным впрыском, являются повышенные выбросы NOx (оксидов азота), непосредственно связанные с переизбытком воздуха в смеси. Для борьбы с ними в конструкцию автомобилей были внедрены катализаторы (каталитические нейтрализаторы) накопительного типа (NO-катализаторы), дополняющие традиционные трехкомпонентные катализаторы (TWC - Two-Stage Combustion (двухстадийное сгорание)).
Суть их работы состоит в следующем. После пуска двигатель переходит в режим ПСО, при этом сгорание происходит в самом конце такта сжатия и в начале такта расширения. Для реализации двухстадийного сгорания в конце такта расширения впрыскивается дополнительное количество топлива, которое воспламеняется и сгорает (используя избыток воздуха в при переобедненной смеси), дополнительно нагревая отработавшие газы. В результате их температура доходит до 800°С, что позволяет прогреть катализатор до требуемой температуры вдвое быстрее (обычно - 1,5-2 минуты). Выпускной коллектор специально предназначен для догорания образовавшейся смеси и нагрева отработавших газов, еще уменьшая время прогрева - до менее чем полуминуты.
В значительной степени снизить содержание NOx схема HPi позволяет, благодаря работе системы EGR (Exhaust Gas Recirculation), перепускающей обратно на впуск намного большее количество отработавших газов, чем в обычном двигателе. Однако обеспечить полную и стабильную нейтрализацию NOx только за счет EGR невозможно, так как при увеличении нагрузки на двигатель количество перепускаемых газов должно быть уменьшено. Поэтому схема выпуска, разработанная PSA, включает в себя обычный катализатор около впускного коллектора для нейтрализации CO и CH (объем 0,8 л) и дополнительный катализатор (объем 3 л), расположенный под днищем и совмещающий функции накопительного NO-катализатора и TWC. Одним из активных элементов в нем является основное покрытие из солей бария (щелочно-земельный металл, близкий по свойствам к кальцию и стронцию), также присутствует покрытие из платины, палладия и родия.
При работе на бедной смеси все оксиды азота окисляются до диоксида NO2 при помощи платинового катализатора, а затем взаимодействуют с покрытием основы и удерживаются на ней в виде нитрата бария.
Периодически оксиды азота выводятся из накопителя при помощи обогащения смеси. Обычно это происходит раз в минуту в течении 3 секунд. В этот момент в отработавших газах увеличивается содержание CO и СН, которые взаимодействуют с NO2 - на родиевом покрытии происходят окислительно-восстановительные реакции, в которых нитрат восстанавливается до чистого азота (N2), а CO и CH окисляются до CO2 и h3O (углекислого газа и воды).
Контроль за работой катализатора осуществляет непосредственно электронный блок управления. При работе в режиме ПСО он оценивает степень наполнения катализатора и при необходимости активирует обогащение смеси, а при изменении содержания кислорода, определяет момент полного разложения оксидов азота, и вновь возвращает двигатель на режим ПСО, а катализатор - в режим накопления.
Нейтрализация оксидов азота зависит от температуры отработавших газов, т.к. после 500°С эффективность накопительного катализатора значительно падает. Поэтому он расположен в зоне, где температура обычно составляет 300-450° С (в городском режиме езды). При езде по трасе температура газов превышает 500°С, и блок управления обогащает смесь до того уровня, когда газы смогут быть нейтрализованы в TWC.
Еще одно немаловажное замечание. Большую угрозу для NO-катализатора представляет высокое содержание серы в топливе. Сера в процессе сгорания окисляется до диоксида (SO2), который также взаимодействует с солями бария, как и NO2, и образует сульфат бария, который химически более стабилен, чем нитрат. При этом постепенно снижается емкость и эффективность катализатора, вплоть до его полного выхода из строя.
Для борьбы с этим явлением используется режим очистки от серы, в котором блок управления периодически заметно увеличивает температуру отработавших газов и содержание в них CO и CH. В результате - растет расход топлива, который таким образом, напрямую зависит от содержания серы в топливе.
Так вот - заявленная экономичность двигателя обеспечивается при содержании серы в топливе в количестве не более 150 ppm (Европа). К слову, нынешнее содержание серы в бензине для Японии - 10 ppm. А вот по ГОСТу (для России) доля серы в бензине составляет 0,05%, что эквивалентно 500 ppm. О показателях в этом плане белорусского бензина остается только догадываться, хотя думается, что они не далеко ушли от показателей российского.
Это не смертельно в принципе, но это приводит к тому, что производители автомобилей дорабатывают покрытие катализаторов с помощью различных добавок (цеолит, кварц), в том числе и дорогостоящих (титан), что естественно увеличивает их стоимость, никак не продлевая срок службы.
Нет комментариев
www.peugeot-citroen.by
.jpg)
