Камера сгорания с прямым впрыском

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.

Рис. 6.4. Неразделенные камеры сгорания для объемного смесеобразования:

а – полусферическая, б – тороидальная

Рис. 6.5. Использование завихрителейДля 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.

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 смесеобразованияКамеры 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. ПредкамераСмесеобразование 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 камераВ 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.

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском:

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 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.

Читайте также:  Как ремонтировать датчик уровня топлива

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.

Типы камер сгорания

Типы камер сгорания
Имеются различные конструкции камер сгорания дизельных двигателей, каждая из которых разработана таким образом, чтобы получить наиболее эффективный вихревой поток. Эти конструкции можно разделить на два основных класса:
* Камера сгорания с прямым впрыском
* Камера сгорания с непрямым впрыском.
В первой конструкции топливо впрыскивается непосредственно у закрытого конца цилиндра, тогда как во второе конструкции топливо впрыскивается внутрь отдельной дополнительной камеры сгорания, которая соединяется с цилиндром посредством небольшого канала.
Прямой впрыск
На рис. 30.2 изображена камера сгорания открытою типа. В течение многих лет камеры сгорания прямого впрыска использовались на тяжелых автомобилях и в слегка модифицированном виде они получили в настоящее время распространение в автомобилях с двигателем с рабочим объемом 2 литра.
Имеющаяся в поршне глубокая выемка содержит воздух, когда поршень находится в ВМТ очень близко к плоской головке цилиндра. Для того чтобы получить требуемую степень сжатия, необходимо наличие верхнерасположенных клапанов. Неглубокие выемки в головке поршня обеспечивают зазоры, необходимые для головок цилиндров.

Неправильная регулировка клапанов приведет к тому, что клапаны будут бить по поршню. Форсунка со многими отверстиями обеспечивает подачу тонко распыленного топлива под высоким давлением (175 бар) в струю быстро движущегося воздуха и немедленное его поступление в выемку поршня (камеру сгорания).
Завихрение образуется в двух плоскостях, вертикальной и горизонтальной. При подъеме поршня воздух заходит непосредственно в выемку и перемещается примерно так, как изображено на рисунке. Когда поршень достигает ВМТ, это движение ускоряется благодаря завихрению поршня между поршнем и головкой. Горизонтальное или вращающееся завихрение может быть получено путем наклона впускного канала по касательной по отношению к цилиндру или путем использования завихрителя на впускном клапане. На рис. 30.2а изображена наиболее распространенная конструкция. Комбинация двух вихревых потоков создает «водоворот» воздуха в выемке и обеспечивает хорошую подачу кислорода в область горения.
Непрямой впрыск
Примерно до середины 1980-х годов двигатели непрямо го впрыска (IDI — InDirect Injection) были наиболее распространенными двигателями, устанавливаемыми на не больших автомобилях. По сравнению с традиционными тяжелыми двигателями прямого впрыска, двигатель непрямого впрыска может работать более равномерно; в таком двигателе можно использовать меньшее давление впрыска, кроме того, этот двигатель обеспечивает больший диапазон оборотов.
Большинство камер сгорания двигателей с непрямым впрыском имеют конструкцию, предложенную фирмой Ricardo Comet, изображенную на рис. 30.3. В этой конструкции имеется вихрекамера, которая соединена с главной камерой при помощи канала, что позволяет работать при температуре более высокой, чем температура окружающего металла.
Воздух нагнетается через горячий канал в вихрекамер во время сжатия, так что в конце этого такта в камере находится очень горячий воздух при высокой степени завихрения. Топливо впрыскивается в эту быстро движущуюся массу воздуха и быстро распыляется на очень мелкие частицы. Это распыление достаточно эффективно даже тогда, когда топливо впрыскивается в виде «мягкой» струи при помощи штифтовой форсунки или набора сопел при относительно низком давлении (около 100 бар).
После инициации горения в вихревой камере горящее топливо вместе с несгоревшим или частично сгоревшим топливом подается в основную камеру сгорания, выполненную в днище поршня. Если увеличивается время впрыска для обеспечения большей мощности двигателя, большая часть топлива, впрыскиваемая в конце периода впрыска, не загорается до тех пор, пока не смешается с воздухом в основной камере. Этим обеспечивается то, что период горения может продол жаться относительно длительное время, пока, в конце концов, не будет достигнута такая стадия, когда топливу не будет хватать кислорода для горения. Начиная с этого места начинается выброс черного смога и появление этого смога указывает на максимальное количество топлива, которое может впрыскиваться без жертвования экономичностью, также максимальную мощность, которая может быть получена от двигателя.

Рис. 30.3
Двухполостная камера сгорания двигателя с воспламенением от сжатия – непрямой впрыск топлива
B двигателе с непрямым впрыском сочетание горячего воздуха и очень тонкого распыления дает малую задержку воспламенения. По сравнению с двигателем с прямым рыском, интенсивность «жесткой» работы двигателя меньше, двигатель работает более равномерно; в таких двигателях можно применять топливо с более низким цетановым числом. Все двигатели с воспламенением от сжатия требуют применения специальных средств для обеспечения холодного пуска. Для запуска холодного двигателя с воспламенением от сжатия обычно бывает впрыск большего количества топлива и наличие большего количества легко воспламеняемых фракций во впрыскиваемой порции, однако большие потери теплоты в двигателях с непрямым впрыском требуют наличия дополнительных средств обеспечения холодного запуска. В сравнении с двигателями с прямым впрыском, в которых используется степень сжатия 16, в двигателях с непрямым впрыском применяется степень сжатия порядка 22, в некоторых случаях до 30.
Кроме обеспечения холодного запуска, высокая степень сжатия необходима также для увеличения термического КПД, то есть экономичности, как и в двигателе с прямым впрыском. Тем самым компенсируются большие потери теплоты, которые имеют место из-за большей площади поверхности камеры сгорания двигателя с непрямым впрыском.
Для обеспечения холодного запуска двигателя с непрямым впрыском используются одно или несколько из следующих дополнительных средств:
1 Запальная свеча — прибор с электрическим нагревом, устанавливаемая в вихрекамере. Воздух в камере нагревается электрическим путем за несколько секунд до запуска холодного двигателя. В настоящее время такие запальные свечи обычно управляются автоматически.
2 Нагреватели коллекторов — электрические устройства, предназначенные для электрического нагрева воздуха, проходящего через впускной коллектор к цилиндрам.
3 Форсунка Пинтокса — штифтовая форсунка с дополнительным отверстием для прямой подачи топлива через специальный канал в камеру сгорания во время проворачивания коленчатого вала двигателя стартером.
Современные двигатели, предназначенные для установки на легковые автомобили
Применение на автомобилях небольших двигателей с воспламенением от сжатия очень привлекательно, поскольку такие небольшие двигатели имеют расход топлива до 40 процентов меньше чем на двигателях с искровым зажиганием аналогичной мощности. Это преимущество еще более привлекательно, если автомобиль используется достаточно интенсивно и экономия на топливе может в таком случае превысить большие начальные расходы на более дорогой двигатель.
Это преимущество, в сочетании с общим подъемом спроса на двигатели такого типа, заставило многих производителем автомобилей обратить большее внимание на малые дизельные двигатели.
В прошлом двигатели с воспламенением от сжатия работали очень шумно и не выдерживали конкуренции с двигателями с искровым зажиганием, но в последнее время в этой области были сделаны большие усовершенствования. Совершенствование формы камеры сгорания и применение глушителей шумов обеспечило уменьшение уровня шума, а путем установки двигателя несколько большего рабочего объема был уменьшен разрыв по мощности с двигателями с искровым зажиганием.

Nav view search

Навигация

ЭЛЕКТРОСХЕМЫ НА ВСЕ АВТОМОБИЛИ МИРА НА Portal-Diagnostov.ru

Искать

Примеры работ

Установка Диодной подсветки, Цветомузыки. Дискотека на БОРТУ

Полезная информация

Global Statistic

Как это работает?

Навигация

Обучение диагностике

Камеры сгорания

Форма камеры сгорания влияет на качество процесса сгорания и соответственно на мощность и параметры ОГ дизеля. Благодаря форме камеры сгорания при движении поршня в цилиндре топливовоздушная смесь может завнхряться, перемешиваться или вытесняться из цилиндра, что необходимо для равномерного распределения жидкого топлива или парожидкостных струй в камере сгорания.
Для рабочих процессов используются:
• неразделенная камера сгорания для двигателей с непосредственным впрыском топлива в цилиндр (Direct Injection Engine);
• разделенная камера сгорания (Indirect Injection Engine).

Количество дизелей с непосредственным впрыском топлива все возрастает. У них меньше расход топлива (экономия составляет до 20%), но вышеуровень шума сгорания (прежде всего, при разгоне). Правда, используя предварительное впрыскивание небольшой дозы топлива, можно снизить уровень шума до величины, характерной для двигателей с разделенными камерами. Последние сегодня практически уже не
проектируются.

Неразделенная камера сгорания

Двигатели с непосредственным впрыском топлива (рис. 1) имеют более высокий КПД и работают экономичнее, чем двигатели с разделенными камерами, поэтому они используются на всех грузовых автомобилях и на большинстве новых легковых автомобилей.

Рис.1
1. Многострунный распылитель
2. ‘ / образная выемка в поршне
3. Штифтовая свеча накаливания

При непосредственном впрыске топливо сразу попадает в камеру сгорания 1 с ш-образной выемкой 2, находящейся в поршне, поэтому распылнвание, нагрев, испарение и смешивание топлива с воздухом должны быстро следовать друг за другом. При этом предъявляются высокие требования к подаче не только топлива, но и воздуха. Во время тактов впуска и сжатия в цилиндре благодаря специальной конструкции впускного канала в головке блока цилиндров возникает воздушный вихрь. Форма камеры сгорания также способствует вихревому движению воздуха в конце хода сжатия (т. е. к началу впрыскивания). Из различных видов выемок в поршне, образующих камеру сгорания, в разное время применявшихся при создании дизелей, в настоящее время широкое применение нашла ц-образная выемка в поршне. Топливо должно вводи 1Ы.И и камеру сгорания таким образом, чтобы, равномерно распределяясь по объему камеры, оно могло быстро перемешиваться с воздухом. Для этого, в отличие от дизеля с разделенными камерами сгорания, где используется форсунка со штифтовым распылителем, при непосредственном впрыске топлива применяется форсунка с многоструйным распылителем 1. Распространение его топливных факелов должно быть оптимизировано и согласовано с параметрами камеры сгорания. Давление впрыскивания при непосредственной подаче топлива очень высокое (до 2000 бар).
На практике при непосредственном впрыске применяются два способа интенсификации смесеобразования:
• за счет целенаправленного движения воздуха;
• за счет впрыска топлива — без использования движения воздуха.

Читайте также:  Материал изготовления блока цилиндров и гильз цилиндров

Во втором случае отсутствуют затраты энергии на завихрение воздуха на впуске, что уменьшает потери на газообмен и улучшает наполнение цилиндра. Использование этого способа, однако, предъявляет повышенные требовании к расположению и количеству отверстии в распылителе форсунки, а также к тонкости распыливання топлива, что определяется диаметром отверстии распылителя. Кроме того, для достижения малой продолжительности впрыскивания и хорошего распыликания топлива необходимо очень высокое давление впрыска.

Разделенная камера сгорания

Дизели с разделенными камерами сгорания долгое время имели преимущества по сравнению с системой непосредственного впрыска топлива по шумностн работы и уровню содержания вредных веществ в ОГ. Их повсеместно применяли на легковых и легких грузовых автомобилях. Сегодня, благодаря высокому давлению впрыскивания электронному регулированию работы дизеля и дополнительному предварительному впрыскиванию топлива, двигатели с непосредственным впрыском достигли сопоставимых параметров.

Различают два процесса смесеобразования с разделенной камерой сгорания:
• предкамерный (форкамерный);
• вихрекамерный.

Предкамерный процесс

При предкамерном процессе топливо впрыскивается в горячую предварительную камеру 2 (рис.2),расположенную в головке блока цилиндров. При этом впрыскивание осуществляется форсункой 1 со штифтовым распылителем под относительно низким давлением (до 450 бар). Отражающая поверхность 3, находящаяся в середине камеры, разбивает струю топлива и интенсивно смешивает ее с воздухом.

Рис.2
1. Форсунка оо шгифтовым распылителем
2. Предварительная камера
3. Отражающая поверхность
4. Соединительный канал
5. Штифтовая свеча накаливания

Во время сгорания в предкамере частично сожженная топливовоздушная смесь, нагреваясь, через отверстие в нижней части предкамеры вытесняется в основную камеру сгорания над поршнем. Здесь она интенсивно перемешивается с воздухом, также поступившим к этому моменту в основную камеру, и сгорает окончательно. Короткая задержка воспламенения и управляемое тепловыделение приводят к «мягкому» сгоранию смеси с низким уровнем шума и малыми нагрузками на д е ы л и дыгателем. Измененная форма предкамеры с выемкой для испарения топлива, а также специальная форма и положение отражающей поверхности (сферический ш гифт) придают потоку воздуха, который устремляется при сжатии из цилиндра в предкамеру, определенное вихрение. Топливо впрыскивается по направлению движения воздуха под углом 5° к оси предкамеры. Чтобы не нарушать процесс сгорания, свеча 5 накаливания устанавливается таким образом, чтобы ее «обтекал» поток топливовоздушной смеси, движущийся в основную камеру сгорания. После пуска холодного двигателя свеча накаливания еще продолжает управляемый нагрев, длящийся до 1 мин (в зависимости от температуры охлаждающей жидкости), что способствует улучшению состава ОГ и уменьшению шума профетого двигателя. Соотношение объемов предкамеры и основной камеры сгорания составляет от 1:3 до 2:3.

Вихрекамерный процесс

При этом процессе сгорание начинается в отдельной вихревой камере шаро- или дискообразной формы, которая заключает в себе почти весь объем камеры сжатия. Из нее тангенциально направленный соединительный канал 2 (рис. 3) ведет в цилиндр.

Рис. 3
1. Форсунка
2. Тангенциально направленный соединительный клапан
3. Штифтовая свеча накаливания

Во время такта сжатия входящий через канал воздух совершает движение в виде вихря, в который впрыскивается топливо. Положение форсунки 1 выбирается таким образом, чтобы факел топлива пересекал вихрь перпендикулярно его оси и попадал на противоположную сторону камеры в наиболее нагретую зону. С началом сгорания топливовоздушная смесь вытесняется через канал в цилиндр и смешивается с имеющимся там воздухом. При процессе сгорания в вихревой камере потери на газообмен меньше, чем в случае с предкамерой, так как сечение соединительного канала здесь больше. Это приводит к снижению потерь энергии на дросселирование, увеличению КПД и снижению расхода топлива. Тем не менее уровень шума сгорания при этом выше, чем при предкамерном процессе.
Важно чтобы смесеобразование по возможности более полно происходило в вихревой камере. Ее конфигурация, расположение и форма топливного факела, а также расположение свечи накаливания должны быть тщательно согласованы, чтобы на всех режимах обеспечить хорошее смесеобразование.

Следующее требование — быстрый разогрев вихревой камеры после холодного пуска. Этим сокращается задержка воспламенения и снижается уровень шума сгорания, а на прогретом двигателе в ОГ отсутствуют нссгоревшне углеводороды (сизый дым).

При непосредственном впрыске с разбрызгиванием топлива на стенку камеры в поршне (М-процесс)* у дизелей грузовых автомобилей и стационарных установок, а также многотопливных двигателей однофакельная (были и двухфакельные. — Ред.) форсунка впрыскивает топливо под невысоким давлением целенаправленно на стенку камеры сгорания. Здесь топливо испаряется и уносится воздухом.
Таким образом, при М-процессе тепло камеры служит для испарения топлива. При правильном согласовании движения воздуха в камере сгорания можно достичь гомогенности топливовоздушной смеси с плавным повышением давления, продолжительным и * процесс разработан фирмой MAN бесшумным сгоранием. Из-за большего расхода топлива по сравнению с современным процессом непосредственного впрыска, использующим распределение топлива в объеме, М-процесс сегодня уже не применяют.

vitalxbc › Блог › Непосредственный впрыск топлива бензиновых ДВС.

Система непосредственного впрыска топлива является самой современной и совершенной, с точки зрения экономия топлива и экологии, системой впрыска топлива бензиновых двигателей. Работа системы основана на впрыске топлива непосредственно в камеру сгорания двигателя.

Впервые система непосредственного впрыска была применена на двигателе GDI (Gasoline Direct Injection – непосредственный впрыск бензина), устанавливаемом на автомобили компании Mitsubishi. В настоящее время система непосредственного впрыска используется в двигателях многих автопроизводителей.

Toyota — D4
Mercedes-benz — CGI
Mitsubishi — GDI
Nissan — NEO DI
Renault — IDE
Alfa Romeo — JTS
PSA Peugeot Citroën — HPi
Mazda — DISI; SkyActive
General Motors — Ecotec
Ford — TwinForce, SCTi, EcoBoost
Volkswagen, Audi, Skoda — FSI, TSI, TFSI
Opel — SIDI (Spark Ignition Direct Injection)

Применение системы непосредственного впрыска позволяет достичь до 5-15% экономии топлива в режиме холостого хода и частичных нагрузок, а также сокращения выброса вредных веществ с отработавшими газами.

Устройство системы непосредственного впрыска топлива.

Конструкция системы непосредственного впрыска топлива рассмотрена на примере системы, устанавливаемой на двигатели FSI Fuel Stratified Injection – послойный впрыск топлива. Система непосредственного впрыска составляет контур высокого давления топливной системы двигателя и включает топливный насос высокого давления, регулятор давления топлива, топливную рампу, предохранительный клапан, датчик высокого давления и форсунки впрыска.

1. топливный бак
2. топливный насос
3. топливный фильтр
4. перепускной клапан
5. регулятор давления топлива
6. топливный насос высокого давления
7. трубопровод высокого давления
8. распределительный трубопровод
9. датчик высокого давления
10. предохранительный клапан
11. форсунки впрыска
12. адсорбер
13. электромагнитный запорный клапан продувки адсорбера

Топливный насос высокого давления служит для подачи топлива к топливной рампе и далее к форсункам впрыска под высоким давлениям (3-11 МПа) в соответствии с потребностями двигателя. Основу конструкции насоса составляет один или несколько плунжеров. Насос приводится в действие от распределительного вала впускных клапанов.

Регулятор давления топлива обеспечивает дозированную подачу топлива насосом в соответствии с впрыском форсунки. Регулятор расположен в топливном насосе высокого давления. Топливная рампа служит для распределения топлива по форсункам впрыска и предотвращения пульсации топлива в контуре. Предохранительный клапан защищает элементы системы впрыска от предельных давлений, возникающих при температурном расширении топлива. Клапан устанавливается на топливной рампе.

Датчик высокого давления предназначен для измерения давления в топливной рампе. В соответствии с сигналами датчика блок управления двигателем может изменять давление в топливной рампе. Форсунка впрыска обеспечивает распыление топлива в камере сгорания для образования топливно-воздушной смеси.

Согласованную работу системы обеспечивает электронная система управления двигателем, которая является дальнейшим развитием объединенной системы впрыска и зажигания. Традиционно система управления двигателем объединяет входные датчики, блок управления и исполнительные механизмы.

Помимо датчика высокого давления топлива в интересах системы непосредственного впрыска работают датчик частоты вращения коленчатого вала, датчик положения распределительного вала, датчик положения педали акселератора, расходомер воздуха, датчик температуры охлаждающей жидкости, датчик температуры воздуха на впуске.

В совокупности датчики обеспечивают необходимой информацией блок управления двигателем, на основании которой блок воздействует на исполнительные механизмы — электромагнитные клапаны форсунок, предохранительный и перепускной клапаны.

Принцип действия системы непосредственного впрыска
Система непосредственного впрыска в результате работы обеспечивает несколько видов смесеобразования:

Многообразие в смесеобразовании определяет высокую эффективность использования топлива (экономия, качество образования смеси, ее полное сгорание, увеличение мощности, уменьшение вредных выбросов, мгновенный отклик на педаль акселератора) на всех режимах работы двигателя.

Послойное смесеобразование используется при работе двигателя на малых и средних оборотах и нагрузках. Стехиометрическое (другое наименование – легковоспламеняемое) гомогенное (другое наименование – однородное) смесеобразование применяется при высоких оборотах двигателя — режим макисмальной мощности или больших нагрузках — режим максимального момента. На бедной гомогенной смеси двигатель работает в промежуточных режимах и на холостом ходу, когда нужно обеспичить максимальную экономию топлива. При послойном смесеобразовании дроссельная заслонка почти полностью открыта, впускные заслонки закрыты. Воздух поступает в камеры сгорания с большой скоростью, с образованием воздушного вихря. Впрыск топлива производится в зону свечи зажигания в конце такта сжатия, для этого поршень имеет специальную форму днища. За непродолжительное время до воспламенения в районе свечи зажигания образуется топливно-воздушная смесь с коэффициентом избытка воздуха от 1,5 до 3. При воспламенении смеси вокруг нее остается достаточно много чистого воздуха, выступающего в роли теплоизолятора.

Гомогенное стехиометрическое смесеобразование происходит при открытых впускных заслонках, дроссельная заслонка при этом открывается в соответствии с положением педали газа. Впрыск топлива производится на такте впуска, что способствует образованию однородной смеси. Коэффициент избытка воздуха составляет 1. Смесь воспламеняется и эффективно сгорает во всем объеме камеры сгорания. Бедная гомогенная смесь образуется при максимально открытой дроссельной заслонке и закрытыми впускными заслонками. При этом создается интенсивное движение воздуха в цилиндрах. Впрыск топлива производится на такте впуска. Коэффициент избытка воздуха поддерживается системой управления двигателем на уровне 1,5. При необходимости в состав смеси добавляются отработавшие газы из выпускной системы, содержание которых может доходить до 25%, что снижает количество кислорода в камере сгорания.

Читайте также:  Как отремонтировать тормозной суппорт

На практике непосредственный впрыск приносит много головной боли своим владельцам, вся экономия топлива рассыпается в труху о стоимость ремонта и обслуживания.

1. Необходимо следить за чистотой бензина от механических примесей. Что попало (самый дешевый) в эти двигатели не пойдет. Только самый дорогой из доступных, причем АИ-98-100.

2. Приходится часто менять топливные фильтры (обычно 30-60т.км.), причем только оригинальные. Использование неоригингальных топливных фильтров чревато быстрым износом ТНВД и забитыми форсунками, со всеми прелестями их замены или ремонта. Можно конечно рисковать, но в случае чего — выйдет раком очень дорого.

3. При температурах ниже -25-30С ТНВД из-за ухода тепловых зазоров не может развить номинальное давление, с прогревом он конечно довольно быстро приходит в норму. Но с увеличением пробега все становится хуже. Двигатель трясется, пытается — и не заводится нормально. Кроме того, запуск при таких температурах быстро изнашивает ТНВД и форсунки.

4. Каждые 30-60т.км. необходимо обслуживать всю топливную систему — промывать форсунки, менять уплотнительные колечки, проверять все насосы и при необходимости менять (насос низкого давления) либо ремонтировать (насос высокого давления). Иначе можно “встать” колом.

5. Нужно подбирать масло так, чтобы оно не сильно загаживало камеру сгорания и впускные клапана (а значит зола не больше 1,15%, а в некоторых случаях и все 0,8-1% что явно не способствует стойкости масла и сроку жизни ДВС до износа), но так чтобы предотвратить износ распредвалов, цепей, шестерен и прочего. Подобрать такое масло — не так то просто, даже сами автопроизводители в своих допусках уже запутались…и даже придумали новую страшилку — проблема LSPI. Несите ваши денежки за новые масла…только это вам не поможет. Выбирайте — повышенный износ всего двигателя, но чистые от нагара клапана и каналы, либо — низкий износ и все заросшее нагаром, с опасностью клина. Хороший выбор, не правда ли? Что в лоб, что по лбу…особенно печально в свете того, что многие двигатели с непосредственным впрыском имеют пластинчатую цепь Морзе, либо кулачки распредвалов непосредственно скользят по толкателям клапанов без роликовых механизмов, имеющую крайне высокие требования к противозадирным и противоизносным компонентам ZDDP и ZP, содержание которых приходится постоянно снижать, с все ужесточающимися экологическими нормами. Сюда нужны исключительно полнозольники…иначе износ к 150т.км. будет критическим. Раз в пару-тройку лет — обязательная чистка.

6. Самое веселое — каждые 50-100т.км. необходимо очищать одним из способов (чаще всего — механически, с разборкой) впускные клапана и впускные окна головки блока, из-за того что они не омываются бензином — зарастают нагарами, отложениями, сажей. “Спасибо” системам EGR и принудительной вентиляции картера. Все это дерьмо прилетает именно оттуда и налипает повсюду. В противном случае двигатель сначала теряет мощность (обычно чуть больше 100т.км.), в некоторых случаях смесь обогащается (воздуха мало) и двигатель начинает под нагрузкой коптить, в особо тяжелых случаях (когда владелец — у меня 150-180тыщ ниче не делал по движку — машина огонь!) возможно повреждение клапанов (клинит и гнет…) либо даже отрыв тарелок, с крайне тяжелыми последствиями…а эти двигатели нихрена не простые в сборке-разборке. И еще более тяжелые в капремонте. Если делать самостоятельно — довольно сложно и трудоемко, если ехать в автосервис — неприлично дорого и велик риск что ничего путем не очистят, а протрут тряпочкой впускные каналы и ОК — ждем на капиталочку, лох подготовлен, счетчик запущен…

7. Очень распространенная проблема двигателей с непосредственным впрыском — низкое тепловыделение на холостых и медленном движении по пробкам, в режиме бедной смеси. Экономия она конечно хорошо, но когда за окном -25-35С двигатель натурально остывает, из печки начинает идти холодный воздух. Все двигатели объемом менее 2л с непосредственным впрыском в той или иной степени подвержены этой проблеме. Постепенно решают извращениями с контурами охлаждения (подогрев антифриза от выхлопа, 2 термостата один в головку, второй в блок), интеграция выхлопного коллектора в головку блока…и…даже подачей обогащенной смеси, если температура ДВС начинает снижаться, превращая весь смысл непосредственного впрыска в ничто.

8. При езде на высоких скоростях, под нагрузкой, по трассе, когда нужен большой момент и мощность, для сопротивления нагрузке и воздушному потоку — экономия топлива от непосредственного впрыска едва ли укладывается в диапазон 1-5%. В таком режиме двигатель готовит исключительно стехиометрическую смесь, а то и богатит, когда нужна максимальная мощность. В таких режимах езды выгоды от непосредственного впрыска нет и быть не может.

9. Почти полная неликвидность авто с такими двигателями с реальным пробегом свыше 100-150т.км., даже если авто обслуживалось во время и проблем не доставляло. Сильное падение цены на вторичке. Владельцам приходится сматывать пробег в разы, чтобы вообще куда-то продать…и по этой причине невозможно понять, сколько же реально ходят эти двигатели?

К сожалению, непосредственный впрыск топлива бензиновых ДВС можно отнести еще к одной системе снижения ресурса до вмешательства, и вновь срок службы до первого ремонта не превышает 100-150т.км. городского пробега. Если хотите реально экономить топливо — покупайте дизель. Там тоже прелестей хватает (“зимнее” летнее диз.топливо, свечи накала, топливные фильтры, прокладки форсунок, ТНВД, сажевые фильтры…), но рассчитаны они обычно для комтранса, имеют огромный запас прочности (сравните поршни, толщину колец, шатунов, коленвала, конструкцию головы, блока) и раньше 250-350т.км. вы туда вряд ли вообще полезите.

Непосредственный впрыск

Схема двигателя Volkswagen FSI с непосредственным впрыском бензина

Первые системы впрыска бензина непосредственно в цилиндры двигателя появились еще в первой половине ХХ в. и использовались на авиационных двигателях. Попытки применения непосредственного впрыска в бензиновых двигателях автомобилей были прекращены в 40-е годы ХХ в., потому что такие двигатели получались дорогостоящими, неэкономичными и сильно дымили на режимах большой мощности. Впрыскивание бензина непосредственно в цилиндры связано с определенными трудностями. Форсунки для непосредственного впрыска бензина работают в более сложных условиях, чем те, что установлены во впускном трубопроводе. Головка блока, в которую должны устанавливаться такие форсунки, получается более сложной и дорогой. Время, отводимое на процесс смесеобразования при непосредственном впрыске, существенно уменьшается, а значит, для хорошего смесеобразования необходимо подавать бензин под большим давлением.
Со всеми этими трудностями удалось справиться специалистам компании Mitsubishi, которая впервые применила систему непосредственного впрыска бензина на автомобильных двигателях. Первый серийный автомобиль Mitsubishi Galant с двигателем 1,8 GDI (Gasoline Direct Injection — непосредственный впрыск бензина) появился в 1996 г.
Преимущества системы непосредственного впрыска заключаются в основном в улучшении топливной экономичности, а также и некоторого повышения мощности. Первое объясняется способностью двигателя с системой непосредственного впрыска работать на очень бедных смесях. Повышение мощности обусловлено в основном тем, что организация процесса подачи топлива в цилиндры двигателя позволяет повысить степень сжатия до 12,5 (в обычных двигателях, работающих на бензине, редко удается установить степень сжатия свыше 10 из-за наступления детонации).

Форсунка двигателя GDI может работать в двух режимах, обеспечивая мощный (а) или компактный (б) факел распыленного бензина

В двигателе GDI топливный насос обеспечивает давление 5 МПа. Электромагнитная форсунка, установленная в головке блока цилиндров, впрыскивает бензин непосредственно в цилиндр двигателя и может работать в двух режимах. В зависимости от подаваемого электрического сигнала она может впрыскивать топливо или мощным коническим факелом, или компактной струей.

Поршень двигателя с непосредственным впрыском бензина имеет специальную форму (процесс сгорания над поршнем)

Днище поршня имеет специальную форму в виде сферической выемки. Такая форма позволяет закрутить поступающий воздух, направить впрыскиваемое топливо к свече зажигания, установленной по центру камеры сгорания. Впускной трубопровод расположен не сбоку, а вертикально сверху. Он не имеет резких изгибов, и поэтому воздух поступает с высокой скоростью.

В работе двигателя с системой непосредственного впрыска можно выделить три различных режима:
1) режим работы на сверхбедных смесях;
2) режим работы на стехиометрической смеси;
3) режим резких ускорений с малых оборотов;
Первый режим используется в том случае, когда автомобиль движется без резких ускорений со скоростью порядка 100–120 км/ч. На этом режиме используется очень бедная горючая смесь с коэффициентом избытка воздуха более 2,7. В обычных условиях такая смесь не может воспламениться от искры, поэтому форсунка впрыскивает топливо компактным факелом в конце такта сжатия (как в дизеле). Сферическая выемка в поршне направляет струю топлива к электродам свечи зажигания, где высокая концентрация паров бензина обеспечивает возможность воспламенения смеси.
Второй режим используется при движении автомобиля с высокой скоростью и при резких ускорениях, когда необходимо получить высокую мощность. Такой режим движения требует стехиометрического состава смеси. Смесь такого состава легко воспламеняется, но у двигателя GDI повышена степень сжатия, и для того чтобы не наступала детонация, форсунка впрыскивает топливо мощным факелом. Мелко распыленное топливо заполняет цилиндр и, испаряясь, охлаждает поверхности цилиндра, снижая вероятность появления детонации.
Третий режим необходим для получения большого крутящего момента при резком нажатии педали «газа», когда двигатель работает на малых оборотах. Этот режим работы двигателя отличается тем, что в течение одного цикла форсунка срабатывает два раза. Во время такта впуска в цилиндр для его охлаждения мощным факелом впрыскивается сверхбедная смесь (α=4,1). В конце такта сжатия форсунка еще раз впрыскивает топливо, но компактным факелом. При этом смесь в цилиндре обогащается и детонация не наступает.
По сравнению с обычным двигателем с системой питания с распределенным впрыском бензина, двигатель с системой GDI примерно на 10 % экономичнее и выбрасывает в атмосферу на 20 % меньше углекислого газа. Повышение мощности двигателя доходит до 10 %. Однако, как показала эксплуатация автомобилей с двигателями такого типа, они очень чувствительны к содержанию серы в бензине. Оригинальный процесс непосредственного впрыска бензина разработала компания Orbital. В этом процессе в цилиндры двигателя впрыскивается бензин, заранее смешанный с воздухом с помощью специальной форсунки. Форсунка компании Orbital состоит из двух жиклеров, топливного и воздушного.

Работа форсунки Orbital

Воздух к воздушным жиклерам поступает в сжатом виде от специального компрессора при давлении 0,65 МПа. Давление топлива составляет 0,8 МПа. Сначала срабатывает топливный жиклер, а затем в нужный момент и воздушный, поэтому в цилиндр, мощным факелом впрыскивается топливно-воздушная смесь в виде аэрозоля.
Форсунка, установленная в головке цилиндра рядом со свечой зажигания, впрыскивает топливно-воздушную струю непосредственно на электроды свечи зажигания, что обеспечивает ее хорошее воспламенение.

Конструктивные особенности двигателя с непосредственным впрыском бензина Audi 2.0 FSI

Ссылка на основную публикацию