Системы прямого впрыска топлива: Технологии и стратегии управления GDI

Современное двигателестроение стремится к максимальной эффективности, и одной из ключевых технологий здесь выступает непосредственный впрыск топлива в цилиндр. Реализация этого процесса возможна на основе принципа Common Rail (общая топливная магистраль под высоким давлением). Данная система позволяет прецизионно дозировать топливо, разделяя компоненты на контур низкого и высокого давления для оптимизации работы ДВС.

Обзор системы высокого давления бензинового впрыска. Система управления двигателем с прямым впрыском (GDI) представляет собой сложный комплекс, объединяющий электронные и гидравлические компоненты. На Рисунке 12-15 представлена общая схема, где выделены подсистемы управления и подачи топлива. Для работы в режимах с гомогенным и послойным смесеобразованием обязательным условием является наличие электронно-управляемой дроссельной заслонки.

Для прецизионного контроля состава смеси, особенно в обедненных режимах при послойном заряде, применяется линейный лямбда-зонд. Этот датчик обеспечивает корректную обратную связь как при избытке воздуха, так и в стехиометрическом режиме (λ = 1). Такая гибкость регулирования критически важна для соблюдения современных экологических норм и снижения расхода горючего.

Рис. 12-15. Общий обзор системы прямого впрыска бензина

Гидравлический контур и механизмы регулирования. Топливо поступает в насос высокого давления (ТНВД) из системы низкого давления, где поддерживается уровень 1–4 бар. В механически приводимом ТНВД давление рабочей среды возрастает до 120 бар. Управление этим параметром осуществляется через электрический регулятор давления, который сбрасывает излишки топлива обратно в подающую линию насоса.

Для мониторинга состояния контура используется прецизионный датчик давления, а безопасность обеспечивается встроенным перепускным клапаном. Если технологический процесс требует постоянного давления во всем диапазоне оборотов, электрический регулятор может быть заменен механическим аналогом. Однако электронное управление предпочтительнее для адаптации к динамическим нагрузкам двигателя.

Характеристики форсунок и качество распыления. Топливная форсунка (инжектор) монтируется непосредственно в головку блока цилиндров. Из-за экстремального рабочего давления электромагнитная сила для поднятия иглы клапана должна быть значительно выше, чем в системах распределенного впрыска. Кроме того, механизмы обязаны обладать сверхвысоким быстродействием для реализации фаз послойного распределения заряда.

Качество атомизации (распыления) топлива напрямую коррелирует с давлением впрыска, противодавлением в камере и геометрией сопла. На Рисунке 12-16 приведено сравнение качества распыления форсунок высокого давления и традиционных систем. Различные конфигурации камер сгорания требуют индивидуальной калибровки потока и формы факела распыла для эффективного воспламенения.

Рис. 12-16. Сравнение качества распыления форсунок высокого давления и форсунок впускного коллектора

Конструкция и привод ТНВД. Современные насосы обеспечивают давление в рампе в диапазоне от 50 до 120 бар, однако последние разработки достигают значений в 200 бар. Использование многоструйных форсунок позволяет получить стабильный угол распыла и отличное испарение смеси. Насос высокого давления обычно приводится в действие напрямую от распределительного вала двигателя.

Существуют два основных типа конструкций: радиально-поршневые и осевые насосы. На Рисунке 12-17 продемонстрирована осевая плунжерная помпа, где вращающаяся наклонная шайба обеспечивает возвратно-поступательное движение поршней. Такая конструкция требует минимальных допусков при изготовлении, что накладывает жесткие требования к фильтрации бензина.

Рис. 12-17. Топливный насос высокого давления

Требования к электронной системе управления. Внедрение прямого впрыска предъявляет специфические требования к электронному блоку управления (ECU). Во-первых, необходим алгоритм поддержания стабильного давления в рампе. Во-вторых, обязательна поддержка линейного лямбда-зонда для работы в широком диапазоне составов топливовоздушной смеси.

Управление форсунками также усложняется: для их быстрого открытия требуются импульсы напряжения до 80 В и ток до 10 А. Это ведет к повышенному тепловыделению каскадов драйверов в блоке управления, что требует продуманного охлаждения. Кроме того, использование электронной дроссельной заслонки делает положение педали газа и заслонки независимыми друг от друга.

Особенности вентиляции и стратегии смесеобразования. В режимах с полностью открытым дросселем отсутствует перепад давления, необходимый для продувки адсорбера (угольного канистра). В таких случаях системы GDI оснащаются дополнительным насосом для удаления паров топлива. Это критично для двигателей с высокой долей работы на послойном заряде, где разрежение во впуске минимально.

В отличие от традиционных моторов, работающих в основном на стехиометрической смеси, двигатели Otto с прямым впрыском используют гибкие стратегии. Выбор между гомогенным и послойным зарядом зависит от текущей нагрузки и температурного режима. На Рисунке 12-18 показаны основные принципы функционирования двигателя в этих состояниях.

Рис. 12-18. Работа двигателя с гомогенным и послойным зарядом

Механика послойного заряда. Целью послойного смесеобразования является создание зоны богатой смеси (λ ≈ 1) непосредственно у электродов свечи зажигания. Это позволяет двигателю работать на предельно бедных смесях в общем объеме цилиндра. Такая локализация топлива достигается за счет позднего впрыска на такте сжатия при полностью открытом дросселе.

Ключевыми факторами успеха здесь являются форма факела, глубина его проникновения и аэродинамика потоков воздуха. Скорость струи регулируется давлением впрыска, а турбулентность — формой впускных каналов (дизайн Tumble или Swirl). Оптимизация этих параметров — основная задача инженеров при проектировании камеры сгорания.

Переход к гомогенному режиму. При необходимости увеличения мощности система переходит от послойного к гомогенному смесеобразованию. В этом случае дроссельная заслонка прикрывается, а объем подаваемого топлива увеличивается для компенсации насосных потерь. Впрыск производится на такте впуска, когда скорость воздушного потока максимальна, что гарантирует однородность смеси.

Однако проблемы с выбросами и стабильностью работы ограничивают применение послойного заряда во всем диапазоне. На Рисунке 12-19 представлена карта режимов двигателя, учитывающая также температуру охлаждающей жидкости. Внешние факторы существенно влияют на выбор оптимальной стратегии впрыска в конкретный момент времени.

Рис. 12-19. Стратегии работы на карте характеристик двигателя

Режимы сгорания и экологические ограничения. В современных системах GDI выделяют следующие состояния сгорания:
- Гомогенное богатое;
- Гомогенное стехиометрическое (λ = 1) с EGR (рециркуляцией) или без неё;
- Гомогенное бедное с EGR;
- Послойное с высокой долей рециркуляции.

Послойный заряд эффективен на низких и средних нагрузках, обеспечивая экономию топлива. Однако температура катализатора не должна опускаться ниже 250°C, иначе конверсия вредных веществ прекратится. Поэтому на холостом ходу или при прогреве используется гомогенная, слегка обедненная смесь для быстрого выхода нейтрализатора на рабочий режим.

Факторы ограничения и регенерация катализатора. На высоких скоростях послойный заряд затруднен из-за дефицита времени на испарение и риска образования сажи. В таких условиях предпочтительнее гомогенная смесь с системой EGR. Кроме того, при температурах свыше 500°C накопительные катализаторы теряют способность удерживать оксиды азота (NO_x), что заставляет систему возвращаться к стехиометрии.

При полной нагрузке рециркуляция отработавших газов невозможна, и двигатель работает аналогично системам с впрыском в коллектор. Особое внимание уделяется плавности переходов между режимами, чтобы водитель не ощущал колебаний крутящего момента. Важно помнить, что для периодической регенерации катализатора расход топлива может кратковременно возрастать на 3%.

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.