Системы непосредственного впрыска топлива с воздушной поддержкой OCP

Помимо жидкостных систем непосредственного впрыска под высоким давлением, в современной автомобильной инженерии активно применяются системы с воздушной поддержкой, такие как OCPTM. Эти технологические решения обеспечивают стабильный процесс сгорания с качественным послойным смесеобразованием. Такая конфигурация совместима с использованием больших объемов рециркулируемых выхлопных газов благодаря превосходной подготовке топливно-воздушной смеси. Основной конструктивной особенностью OCPTM является совместное расположение электромагнитной топливной форсунки и электромагнитного клапана впрыска воздуха, которые обеспечивают подачу мелкодисперсного топлива в камеру сгорания.

Рис. 12-12. Воздушная и топливная рампа с топливной форсункой и клапаном впрыска воздуха, метод завихрения с закрытием канала

Обзор архитектуры и принципа работы системы. Общая архитектура системы непосредственного впрыска с воздушной поддержкой разделена на две ключевые подсистемы: тракт сжатого воздуха и топливный тракт. Сжатый воздух вырабатывается специальным компрессором, имеющим шестеренчатый или ременный привод от двигателя. Уровень давления в системе поддерживается механическим регулятором давления на заданном значении. Топливо подается при помощи электрического топливного насоса, при этом его давление регулируется для поддержания постоянного дифференциала относительно сжатого воздуха в диапазоне от 0.7 до 1.5 бар.

Рис. 12-13. Обзор системы непосредственного впрыска с воздушной поддержкой

Дозирование топлива осуществляется с использованием стандартной форсунки, обычно применяемой для впрыска во впускной коллектор. Топливо подается в сопло Вентури, расположенное внутри воздушного инжектора. С помощью этого устройства в камеру сгорания вводится мелко распыленное облако смеси, которое способно к мгновенному воспламенению. В режиме послойного смесеобразования это позволяет реализовать процесс сгорания с направленной струей, что значительно снижает уровень необработанных выбросов.

Синхронизация и управление компонентами. Для поддержания стабильного горения при любых режимах эксплуатации критически важна синхронизация фазового угла впрыска и момента зажигания. Это позволяет сохранять оптимальное соотношение воздуха и топлива в зоне свечи зажигания. Техническое оснащение системы включает в себя воздушный фильтр, датчик массового расхода воздуха с интегрированным датчиком температуры, а также электрический привод дроссельной заслонки. Все компоненты работают в едином цикле для обеспечения прецизионной подачи компонентов смеси во впускной коллектор.

Внешняя рециркуляция отработавших газов (EGR) может быть реализована через впускной коллектор или через каналы в головке блока цилиндров. Для точного дозирования в таких схемах обязателен клапан EGR с регулируемым положением. Дополнительно возможна внутренняя рециркуляция путем изменения фаз газораспределения впускного и выпускного распределительных валов. Это техническое решение позволяет существенно оптимизировать характеристики крутящего момента и общую выходную мощность силового агрегата.

Подсистема очистки и нейтрализации выхлопных газов. Система очистки выхлопных газов состоит из трехкомпонентного каталитического нейтрализатора, расположенного близко к двигателю, и подпольного NOx-адсорбера. Контроль состава смеси в обедненном режиме, включая фазы регенерации, осуществляется с помощью широкополосного датчика кислорода (лямбда-зонда). Датчик температуры выхлопных газов оптимизирует работу накопительного катализатора и инициирует меры по его защите. Для корректной работы фазы регенерации после катализатора устанавливается бинарный лямбда-зонд или специализированный датчик NOx.

Интересным инженерным решением является использование компрессора для продувки адсорбера угольного канистра. Воздух, всасываемый компрессором, направляется через адсорбер, что позволяет эффективно использовать режим послойного заряда. Такой подход обеспечивает достаточную скорость продувки без увеличения токсичности необработанных выбросов. Это делает систему более экологичной и эффективной в условиях жестких законодательных норм по защите окружающей среды.

Процесс распыления и физика топливной струи. Процесс подготовки топлива в инжекторе OCPTM принципиально отличается от работы обычных форсунок высокого давления. В стандартных форсунках распад струи происходит в основном из-за турбулентности и инерции самой жидкости. Для завершения этого процесса требуется расстояние, превышающее диаметр сопла в 10–50 раз. В случае системы с воздушной поддержкой струя диссипирует (рассеивается), когда аэродинамические силы превышают поверхностное натяжение жидкости.

Рис. 12-14. Распределение размеров капель по объему и времени при непосредственном впрыске с воздушной поддержкой

В воздушном инжекторе поддерживается уровень давления, при котором превышается критическое соотношение давлений на отверстии клапана. Возникающая при этом звуковая скорость воздушного потока создает мощные аэродинамические силы, воздействующие на топливную струю. Основная часть процесса атомизации (распыления) завершается непосредственно на выходе из клапана. Средний диаметр капель по Заутеру (SMD) составляет всего 10.3 мкм, а количество капель диаметром более 40 мкм незначительно.

Эксплуатационные характеристики и преимущества. Требуемый массовый расход воздуха для инжектора OCPTM варьируется от 15% на холостом ходу до 1.5% при полной нагрузке от общего объема воздуха. В абсолютных величинах это составляет примерно 5–9 мг воздуха на каждый импульс впрыска топлива. Давление в воздушной рампе предпочтительно поддерживать на уровне 6.5 бар. Сжатый воздух генерируется поршневым компрессором с водяным охлаждением, который приводится в действие непосредственно от двигателя.

Благодаря высокой турбулентности и качественной стратификации в системе OCPTM, обычно не требуются дополнительные устройства для завихрения заряда. Низкая чувствительность к внутренним потокам в цилиндре делает эту систему идеальной для двигателей с различными конфигурациями клапанов. Это избавляет инженеров от необходимости внедрения активных или пассивных мер по управлению движением заряда. В результате конструкция двигателя упрощается, а его надежность и эффективность возрастают.

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.