Как работает непосредственный (прямой) впрыск топлива и чем он лучше

Как работает непосредственный (прямой) впрыск топлива и чем он лучше?

Если Вы читали статью о том, как работает двигатель, то знаете, что бензиновые двигатели работают, высасывая смесь бензина и воздуха в цилиндр, сжимая его поршнем, когда тот движется вверх, и поджигая его искрой от свечи зажигания; в результате взрыва происходит сильное увеличение давления в камере сгорания, что приводит к движению поршня вниз, производя энергию — в конечном счёте вращательную.

Традиционная (непрямая) система впрыска топлива предварительно смешивает бензин и воздух в камере в непосредственной близости от цилиндра — камера эта называется впускным коллектором. В системе непосредственного впрыска, однако, воздух и бензин не смешиваются предварительно. Воздух поступает в камеру сгорания через впускной коллектор, в то время как бензин впрыскивается непосредственно в цилиндр. Именно так работает непосредственный впрыск топлива и поэтому он так называется.

Топливо-воздушная смесь в камере сгорания, клапаны, форсунка прямого впрыска и свеча зажигания

Плюсы прямого впрыска топлива

В сочетании с ультраточным управлением с помощью компьютера прямой впрыск обеспечивает более точное управление дозировкой топлива (количество впрыскиваемого топлива) и воздуха. Расположение инжектора также способствует более оптимальному распылению, которое разрушает струю жидкого бензина на более мелкие капельки и превращая его, можно сказать, в пыль. В результате обеспечивается более полное сгорание бензина, что очень важно, когда для сгорания этого выделяется так мало времени на высоких оборотах. Проще говоря, при непосредственном впрыске топлива больше бензина сжигается, что приводит к большей мощности и уменьшению загрязнения в расчёте на каждую каплю бензина.

Минусы непосредственного впрыска топлива

Основными недостатками двигателей с прямым впрыском бензина являются сложность этой системы и, как следствие, её конечная стоимость. Системы прямого впрыска дороже производить, потому что их компоненты должны быть более прочными и точными — они обращаются с топливом при значительно более высоких давлениях, чем косвенные системы впрыска, и, кроме того, сами форсунки должны быть в состоянии выдержать высокую температуру сгорания и разрушительное давление в цилиндре.

Насколько лучше прямой впрыск, чем непрямой?

Для примера, General Motors для автомобилей Cadillac CTS производит два аналогичных двигателя с прямым и косвенным впрыскиванием — 3,6-литровый двигатель V6. Двигатель с непрямым впрыском производит 263 лошадиных силы, в то время как версия с непосредственным впрыском топлива развивает 304 лошадиные силы. Несмотря на увеличенную мощность, двигатель с непосредственным впрыском в то же время более экономичен — 18 миль на галлон против 17 миль на галлон бензина в условиях города и равный расход в условиях трассы. Ещё одно преимущество двигателей с непосредственным впрыском топлива — это то, что в силу особенности своей технологии они менее требовательны к октановому числу бензина.

Технология прямого впрыска далеко не новая — она известна ещё примерно с середины 20-го века. Однако, тогда всего несколько автопроизводителей приняли её для массового производства автомобилей. Тогда, из-за дороговизны производства и отсутствия должного ассистирования компьютера, механический карбюратор был доминирующим в системах подачи топлива — вплоть до 1980-х годов. Тем не менее, давние и непрекращающиеся циклические события, такие как резкий рост цен на топливо и ужесточения в законодательстве по экономии топлива и экологичности выбросов, привели многих автопроизводителей к началу разработки системы прямого впрыска топлива. Вы, скорее всего, будете видеть больше и больше автомобилей, использующих непосредственный впрыск топлива, в ближайшем будущем.

Более того, практически все дизельные двигатели используют прямой впрыск топлива. Впрочем, дизели используют немного другой процесс сжигания топлива: бензиновые двигатели сжимают смесь бензина и воздуха и поджигают его искрой, в то время как дизели сжимают воздух, и только затем распыляют топливо в камеру сгорания, которое воспламеняется от температуры сжатого воздуха и его давления.

Как работает непосредственный (прямой) впрыск топлива и чем он лучше? Видео

Общие сведения о системах впрыска непосредственного действия

Системы непосредственного действия по конструктивному исполнению могут быть разделенного и неразделенного типов (насосы-форсунки).

При раздельном исполнении топливный насос и форсунка соединяются между собой топливопроводом высокого давления. В ВОД и некоторых СОД с небольшой цилиндровой мощностью наибольшее распространение получили блочные насосы с рядным или V-образным расположением секций высокого давления, которые размещаются в одном корпусе (рис. 1.1а). У МОД и СОД с большой цилиндровой мощностью для каждого цилиндра устанавливают автономный ТНВД (рис. 1.1б), который располагают максимально близко к форсунке. Это позволяет свести к минимуму длину трубопроводов высокого давления и тем самым уменьшить вредное воздействие больших промежуточных объемов, в которых могут возникать волновые процессы, нарушающие процесс топливоподачи.

Насос-форсунки представляют собой агрегаты, у которых в одном корпусе смонтирован топливный насос и распылитель форсунки. Они отличаются большой компактностью, хорошими массогабаритными показателями, меньшими затратами на привод.

За счет минимизации объемов сжимаемого топлива насос-форсунки способны обеспечивать высокие давления впрыска, а практически полное отсутствие волновых процессов позволяет отказаться от нагнетательного клапана, обеспечивает отсутствие подвпрысков и резкую отсечку подачи, а также снижение запаздывания впрыска относительно нагнетания плунжера. В результате распылители насос-форсунок в меньшей степени склонны к закоксовыванию, что значительно увеличивает их ресурс, уменьшается разброс углов опережения подачи по частотам вращения и уменьшается необходимый диапазон его регулирования. Использование насос-форсунок сопряжено с трудностями их размещения в крышках цилиндров, сложностью привода, который, как правило, осуществляется от распределительного вала через систему толкателей и штанг (рис. 1.2). В настоящее время насос-форсунки используются преимущественно на высокооборотных дизелях некоторых фирм с диаметрами цилиндров до 300 мм.

Общие схемы систем топливоподачи непосредственного действия показаны на рисунке 1.3.

Схема с раздельным исполнением включает в себя два элемента: топливный насос высокого давления плунжерного типа и форсунку для распыливания топлива, которая присоединяется к насосу трубопроводом высокого давления (рис. 1.3а). Для разъединения подплунжерного пространства и нагнетательной полости между ними устанавливается нагнетательный клапан.

В топливных системах с неразделенным исполнением (в насос-форсунках) оба элемента системы впрыска объединены в одном корпусе, а трубопровод высокого давления и нагнетательный клапан отсутствуют (рис. 1.3б).

Схематически обе системы подачи топлива в цилиндры дизеля показаны на рисунке 1.3. Плунжер 1 топливного насоса совершает возвратно-поступательное движение во втулке 2. Когда он находится в нижнем (в верхнем (рис. 1.3б)) положении, топливо через впускное окно 3 поступает в надплунжерное пространство 4. При движении вверх плунжер перекрывает это окно и топливо, поднимая нагнетательный клапан 5, поступает через образовавшуюся кольцевую щель между клапаном и седлом клапана в топливопровод высокого давления 6 к форсунке (рис. 1.3а).

У насос-форсунок нагнетательный клапан и топливопровод отсутствуют, поэтому топливо сразу поступает в подыгольчатое пространство распылителя (рис. 1.3б). Когда давление топлива на торцевую поверхность иглы форсунки 7 достигнет величины, превышающей усилие пружины 8, прижимающей ее к седлу, игла приподнимется и топливо с большой скоростью впрыскивается через сопло форсунки 9 в камеру сгорания. Длительность впрыска, а значит, и цикловая подача топлива зависят от продолжительности активного хода плунжера, представляющего собой часть хода плунжера, в течение которого происходит нагнетание топлива. Для изменения цикловой подачи топлива используются различные методы ее регулирования, которые будут рассмотрены нами далее.

По способу регулирования цикловой подачи топливные насосы высокого давления разделяют на золотниковые, клапанные и комбинированные. В ряде современных двигателей последнее время находят применение топливные насосы с регулированием подачи путем изменения величины полного хода плунжера.

В ТНВД с золотниковым регулированием изменение подачи топлива осуществляется плунжером-золотником, а в насосах клапанного типа — специальными клапанами с механическим приводом от толкателя плунжера.

В клапанных насосах более простая конструкция плунжерной пары, но сама система привода клапанов имеет множество подвижных деталей, что значительно усложняет конструкцию насоса. Кроме того, эти насосы очень чувствительны к износам посадочных поясков в седлах всасывающего и отсечного клапанов, которые вызывают нарушения четкости впрыскивания и возрастание неравномерности подачи топлива по цилиндрам дизеля.

Золотниковые насосы проще по конструкции, легче в регулировании и эксплуатации. Основным недостатком золотниковых насосов является более интенсивный износ плунжера в районе золотниковых кромок.

В комбинированных насосах регулирование цикловой порции топлива происходит с помощью как золотникового, так и клапанного управления. Например, началом подачи управляет клапан, а окончанием — золотниковая нарезка на плунжере. Такие насосы имеют достаточно сложную конструкцию, поэтому на современных судовых дизелях их практически не используют.

Все рассмотренные выше способы регулирования цикловой подачи используют, как правило, ТНВД с механическим приводом плунжеров (кулачковая шайба размещена на валу топливного насоса или на распределительном валу дизеля).

Последнее время широкое распространение на судовых малооборотных двигателях получили топливные насосы с гидравлическим приводом плунжера. В этих насосах реализуется принцип регулирования, основанный на изменении хода плунжера, так как плунжер не имеет строго фиксированного полного хода, определяемого профилем приводного кулачка. В таких насосах ход плунжера, а значит, и цикловая подача топлива зависят от количества масла, поступающего в пространство под поршнем гидравлического привода плунжера. Подачу масла из управляющей магистрали, как правило, регулирует электронная система управления на базе микропроцессорной техники.

Независимо от типа, основные конструктивные отличия топливной аппаратуры судовых дизелей связаны с тем, что большинство из них приспособлены для работы на вязких IFO, TFO (Intermediate Fuel Oil, Thin Fuel Oil) и высоковязких сортах топлив HFO, RFO (Heavy Fuel Oil, Residual Fuel Oil). Такие топлива, в силу своей малой подвижности, не могут использоваться при температуре окружающей среды. Для снижения их вязкости до 10. 14 сСт перед подачей к агрегатам топливной системы топлива подогревают до 100. 140°C.

Наиболее широко используемыми сортами топлив для судовых дизелей на мировом флоте являются IFO-180 и IFO-380. Они отвечают требованиям стандарта ISO 3217:1987 и соответствуют классам RME 25 и RMG 35.

На сегодня практически все выпускаемые дизели способны работать на тяжелых топливах, и только высокооборотные двигатели, используемые на судах в основном для привода аварийных дизель-генераторов, используют легкие топлива, такие как морской газойль MGO (Marine Gas Oil) и морское дизельное топливо MDO (Marine Diesel Oil). Эти топлива не нуждаются в подогреве, так как при температуре, характерной для машинно-котельного отделения судна, имеют вязкость 3. 12 сСт.

Основная масса морских топлив представляет собой смесь остаточного топлива и дистиллятных фракций с высоким содержанием серы и других вредных компонентов. В этой связи топливная аппаратура судовых дизелей должна быть устойчива к воздействию химической коррозии.

Двигатель с системой непосредственного впрыска

Система непосредственного впрыска топлива является самой современной. Ее работа 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. Передовики Audi (двигатели TFSI) и Volkswagen (двигатели FSI, TSI), которые практически полностью перешли на бензиновые двигатели с непосредственным впрыском.

Двигатели с непосредственным впрыском имеют в своем активе BMW (двигатели N54, N63), Infiniti (двигатели M56), Ford (двигатели EcoBoost), General Motors (двигатели Ecotec), Hyundai (двигатели Theta), Mazda (двигатели Skyactiv), Mercedes-Benz (двигатели CGI).

Применение системы непосредственного впрыска позволяет достичь до 15% экономии топлива, 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.

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.

Схема системы непосредственного впрыска на примере системы Motronic MED7. 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.

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:

• послойное ;
• стехиометрическое гомогенное ;
• гомогенное.

Многообразие в смесеобразовании определяет высокую эффективность использования топлива (экономия, качество образования смеси, ее полное сгорание, увеличение мощности, уменьшение вредных выбросов) 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 и больших нагрузках. На бедной гомогенной смеси двигатель работает в промежуточных режимах.

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. 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%.

Принцип работы системы непосредственного впрыска топлива хорошо показан на примере двигателя автомобиля AUDI

Что такое непосредственный впрыск?

Непосредственный впрыск топлива в цилиндры — это новая технология, позволяющая бензиновым двигателям сжигать топливо более эффективно, увеличивая мощность, уменьшая вредность выбросов в атмосферу и увеличивая экономичность двигателя.

Как непосредственный впрыск работает:
Бензиновые двигатели работают на смеси топлива с воздухом, которая засасывается в цилиндр, сжимается поршнем и воспламеняется электрической свечой; в результате продукты горения давят на поршень, заставляя его двигаться вниз, производя работу. Традиционная (не прямая) система образования топливно-воздушной смеси в камере вне цилиндра, называется- коллекторная. В непосредственной системе, воздух и бензин смешиваются непосредственно в цилиндре, путем подачи бензина через специальную форсунку.

Преимущества непосредственного впрыска:
Объединяясь с ультрасовременными компьютерами, непосредственный впрыск позволяет более точно подавать топливо. Расположение инжекторов также позволяет наиболее оптимально распылять топливо, как туман, без образования капель. Результат- более полное сгорание, другими словами, больше бензина сгорит, что переводится, как , больше мощности и меньше загрязнения с каждой капли бензина.

Недостатки непосредственного впрыска:
Основные недостатки- сложность и стоимость. Эти системы дороги в производстве потому, что их компоненты должны быть более крепкими- они имеют дело с топливом при давлении значительно большем, чем при обычном способе смесеобразования. К тому же форсунки сами должны быть способными выдержать температуру и давление в цилиндрах двигателя.

Насколько мощнее и эффективнее непосредственный впрыск:
Компания Кадиллак продает модель CTS с двумя версиями смесеобразования на их V6- 3,6 литра. Предкамерное смесеобразование дает 263 л.с., в то время как непосредственный впрыск уже 306 л.с. Несмотря на дополнительную мощность, экономия топлива составляет 1 миля/галлон в городе, хотя равно на трассе. Другое преимущество: Кадиллак с непосредственным впрыском работает на 92 бензине, в то время как Infiniti и Lexus, которые используют 300 л.с. V6 с предкамерным смесеобразованием, требуют 95 бензин.

Возвращение интереса к непосредственному впрыску:
Эта технология существует с середины 20 века; однако только некоторые автопроизводители адоптировали ее для массового производства автомобилей. Электронно-контролируемый предкамерный впрыск делал замечательно свою работу и предлагал огромные преимущества перед карбюраторными автомобилями, которые доминировали на рынке до 80-х годов прошлого столетия. Однако, недавние установление космических цен на топливо и строжайшая топливная экономия и контроль вредных выбросов в атмосферу, толкнуло многих автопроизводителей развивать систему непосредственного впрыска. Это легко увидеть вокруг нас, на многих машинах пишут NeoDi, GDI, D4, Common Rail и т.д.

Дизели и непосредственный впрыск:
Виртуально можно сказать, что все дизели используют эту систему. Однако, потому что дизели используют другие процессы для воспламенения топлива (в отличии от бензинового двигателя, топливо в дизельном двигателе воспламеняется от давления и температуры), их система впрыска отличается по конструкции и способу управления от бензинового непосредственного впрыска. Благодаря новым технологиям, компания Mazda сняла стереотип, как самых грязных двигателей, с дизелей. Вполне возможно, что они вскоре вновь займут полноправное место на улицах Токио.