Как высокое давление поможет двигателям стать экологичнее
Непосредственный «прямой» впрыск топлива на двигателях внутреннего сгорания был разработан еще в середине 30-х годов двадцатого века. Технология подачи топлива напрямую в камеру сгорания применялась в авиации на «Мессершмитт 109».
Основная задача автопроизводителей — сделать мотор экономичным и мощным. Рост нормативов по экологии в начале 90-х годов стал основной причиной применения непосредственного впрыска.
В условиях городского режима двигатель работает на малых и частичных нагрузках, используя средние и холостые обороты при оптимальной для сгорания смеси бензина и воздуха. Для улучшения экологии применена идея обеднить топливовоздушную смесь в 2-3 раза, снизить расход бензин до 5-15%,что позволит сократить выброс вредных веществ в атмосферу.
Проблема двигателей с непосредственным впрыском
Основная конструктивная особенность таких двигателей — расположение топливной форсунки прямо в камере сгорания. Это позволяет раздельно подавать в цилиндр компоненты топливовоздушной смеси — воздух и бензин.
Какими бы идеальными ни были сальники клапанов, масляные остатки все равно просачиваются через их направляющие, частично оседают на головке и седле клапана в виде твердых отложений — нагара. А определенная доля частиц выбрасывается через выхлопную систему в атмосферу, что является основной причиной завышенного содержания частиц в выхлопе.
В докладе брюссельского центра «Транспортная среда» от ноября 2013 года отмечается, что в выхлопе двигателей с прямым впрыском твердых частиц в 1000 раз больше, чем в моторах с распределенным впрыском. Эта проблема решается установкой сажевого фильтра в систему выхлопа отработанных газов.
Разработка систем впрыска с высоким давлением
Прямой впрыск, по сути, является очередным этапом эволюции инжекторных двигателей. Его суть — работа на сильнообедненной смеси в малонагруженных режимах, когда смесь воздуха с бензином 40:1 от искры не вспыхнет.
Воспламенение реализуется методом послойного смесеобразования, когда небольшое количество топлива подается к свече в конце такта сжатия. Подкрученное особой формой дна поршня, обогащенное топливо направляется в зону искрообразования свечи, при этом в других частях камеры сгорания смесь остается бедной.
При равномерном движении такие двигатели работают на обычной смеси 14,7:1 и впрыск происходит в два этапа: в начале и конце такта сжатия.
Для реализации такой «оптимизации» применяются:
- топливный насос высокого давления;
- форсунки с тонким распылом в камере сгорания;
- поршень с особой формой днища для подкручивания смеси;
- специальное электронное управление для исполнения разных вариантов впрыска.
Преимущества увеличенного давления впрыска
В двигателях с распределенным впрыском топливная смесь во впускном коллекторе получается неоднородной по составу и размеру частиц. Ее сгорание в цилиндре происходит не полностью и неравномерно.
С этими явлениями позволяет бороться система непосредственного впрыска.
Приготовление топливной смеси происходит в камере сгорания. Молекулы бензина и воздуха перемешиваются равномерно. Повышенное давление в форсунке уменьшает размер частиц бензина в факеле распыления. В результате соотношение бензина к воздуху можно уменьшить, не потеряв мощность двигателя.
Увеличенное давление впрыска позволяет обеспечить смесеобразование, которое подразделяется на:
- послойное — используется для работы двигателя на холостом ходу и средних оборотах;
- стехиометрическое и однородное — применяется на высоких оборотах и больших нагрузках;
- однородное (гомогенное) — в промежуточных режимах.
Каждый тип смеси рассчитан под определенные условия работы двигателя. Типы смесеобразования позволяют работать мотору на очень бедной смеси, эффективно использовать топливо, добиться его экономии, полного сгорания, увеличения мощности и снижения выбросов.
Проблемы создания системы впрыска высокого давления
Плунжерные пары топливного насоса высокого давления (ТНВД) нагнетают топливо под давлением от 3 до 11 Мпа. Для этого необходим дополнительный отбор мощности с распределительного вала, что увеличивает затраты механической энергии.
Любой ТНВД работает с повышенным уровнем шума из-за высокого трения в плунжерной паре коротких, похожих на удары, ходов плунжера. Однородный состав бензовоздушной смеси в области свечи воспламеняется микровзрывом.
Большое давление в топливной системе предъявляет к ее элементам особые требования по качеству и надежности. Их изготовление, монтаж и обслуживание увеличивают конечную стоимость двигателя.
Казалось бы, решен вопрос создания идеального мотора, работающего в любых режимах. Экономичного при спокойной езде и на холостых оборотах, динамичного, когда необходимо.
Основной элемент всей системы — ТНВД — очень требователен к качеству топлива, дорогой в обслуживании и ремонте. Зарастание нагаром клапанов и дроссельных заслонок происходит за 20-40 тыс. км.
По этой причине не каждый производитель готов использовать прямой впрыск. Его внедряют в премиум-бренды, где новые технологии положены по статусу; в престижные автомобили на рынках с доступным техническим обслуживанием и качественным топливом. Но процесс внедрения таких двигателей необратим и на ряде популярных моделей уже нет альтернативы.
Загрузка ...
