Преимущества и классификация систем непосредственного впрыска топлива в двигателях с искровым зажиганием

Помимо традиционной инжекции горючего во впускной коллектор, в последние годы получили широкое распространение системы непосредственного впрыска. В данных установках топливо подается под высоким давлением напрямую в камеру сгорания из общей топливной рампы через электроуправляемые форсунки. Этот метод функционирует по принципу Common Rail, обеспечивая прецизионную дозировку смеси.

За счет послойного распределения бензина и воздуха в фазе сжатия формируется относительно бедная смесь с богатым ядром вблизи свечи зажигания. Такая конфигурация гарантирует стабильное воспламенение даже при избытке воздуха в остальном объеме цилиндра. Данный режим работы значительно снижает насосные потери на цикле обмена заряда и уменьшает теплоотдачу в стенки камеры.

Эффект охлаждения внутренней части цилиндра при испарении мелкодисперсного топлива эффективно предотвращает возникновение детонации при высоких нагрузках. Это техническое преимущество позволяет конструкторам увеличить степень сжатия примерно на одну единицу. В результате существенно снижается удельный расход топлива, что повышает общую энергоэффективность силового агрегата.

Послойное смесеобразование целесообразно использовать только в ограниченном диапазоне частичных нагрузок двигателя с искровым зажиганием. В остальных эксплуатационных режимах мотор функционирует на гомогенных бедных, стехиометрических или обогащенных смесях. Выбор режима зависит от текущих условий движения и требуемой выходной мощности.

В зависимости от расположения форсунки и организации впуска выделяют способы сгорания с направлением струи на стенку, потоком воздуха или факелом. Данные конструктивные различия определяют траекторию движения топливного заряда внутри цилиндра (Рис. 12-11). Правильный выбор геометрии поршня критически важен для оптимизации процесса сгорания.

Рис. 12-11. Различные способы организации процесса сгорания при непосредственном впрыске.

Непосредственный впрыск высокого давления (HPDI) с управлением по стенке предполагает боковое размещение форсунки (Рис. 12-11, слева). Топливо распыляется непосредственно на головку поршня, имеющую специальную выемку. Благодаря форме этой выемки и направленному движению воздушного заряда смесь перенаправляется точно к электродам свечи.

Различают процедуру обратного вихря (reverse tumble) и системы с управлением воздушным потоком в зависимости от геометрии впускных каналов. При управлении потоком воздуха форсунка также располагается сбоку, но топливо впрыскивается в центральную часть камеры (Рис. 12-11, в центре). Для реализации этого метода требуется интенсивное движение воздушных масс, создаваемое переменным вихрем.

Система HPDI со струйным управлением (jet-directed) обладает наибольшим потенциалом для работы на сверхбедных смесях (Рис. 12-11, справа). Данная технология позволяет достичь экономии топлива более 30% при малых частичных нагрузках. Форсунка здесь установлена по центру камеры сгорания в непосредственной близости от свечи зажигания.

Такое расположение предотвращает контакт топлива со стенками цилиндра или поверхностью поршня, снижая выбросы несгоревших углеводородов. Однако метод предъявляет крайне высокие требования к качеству распыления и форме факела форсунки. Для предотвращения загрязнения свечи топливо должно быть максимально мелкодисперсным и сохранять стабильную геометрию при изменении давления.

Существует также система с пневматическим распылением, известная как OCP™ (Orbital Combustion System), являющаяся торговой маркой Orbital Corporation. В этой установке центральное положение форсунки рядом со свечой признано наиболее эффективным. Использование сжатого воздуха помогает лучше подготовить топливовоздушную смесь к воспламенению.

Общее обеднение смеси при послойном сгорании создает специфические трудности для систем очистки отработавших газов. Стандартные трехкомпонентные каталитические нейтрализаторы не способны эффективно восстанавливать оксиды азота (NOx) в условиях избытка кислорода. Несмотря на использование системы рециркуляции газов (до 30%), требуется дополнительная нейтрализация вредных примесей.

Для решения проблемы токсичности применяются селективные катализаторы или специальные накопительные нейтрализаторы NOx. Эти устройства абсорбируют оксиды азота в режиме обедненной смеси и восстанавливают их до N2 и CO2 при кратковременном переходе на богатую смесь. Управление этим сложным процессом осуществляется посредством прецизионной электроники двигателя.

Накопительные катализаторы крайне чувствительны к «серному отравлению», что требует использования топлива с минимальным содержанием серы. Эксплуатация систем очистки и циклы регенерации катализатора несколько снижают общую экономию горючего. Тем не менее, непосредственный впрыск остается ключевой технологией для современного двигателестроения.

Сведения об авторах и источниках:

Авторы: Ричард ван Бассхейзен, Фред Шефер

Источник: Руководство по двигателям внутреннего сгорания

Данные публикации будут полезны студентам автотехнических и машиностроительных специальностей, начинающим инженерам-конструкторам в области двигателестроения, специалистам по ремонту и обслуживанию ДВС, а также всем, кто интересуется современными технологиями газораспределительных механизмов.