САЙТ КРЫЛОВА ПАВЛА
Главная
Схемы Ветрогенераторы Собаки Стройка Книги О сельском хозяйстве и прочем


СХЕМЫ---->
СХЕМЫ АВТОЭЛЕКТРОНИКИ статьи № 1-50

СИСТЕМЫ НЕПОСРЕДСТВЕННОГО ВПРЫСКА БЕНЗИНА (ГРУППА D)

Д.Соснин

Идея непосредственного впрыска топлива в цилиндры достаточно давно и полно изучена и отработана в дизельном двигателе. В бензиновых ДВС непосредственный впрыск стал применяться совсем недавно. Этому есть ряд причин, главная из которых — высокая сложность реализации

1. Предварительные замечания

Непосредственный впрыск бензина в цилиндры (или в камеры сгорания) ДВС имеет ряд преимуществ по сравнению с впрыском во впускной коллектор (в системах группы "Mono") или на впускные клапаны (в системах группы "K" и "L"). Эти преимущества следующие:
- впрыск бензина в цилиндр реализуется под высоким давлением, чем достигается значительное измельчение его капель и высокая кинетическая энергия струи впрыска;
-имеет место полная равномерность распределения топлива по цилиндрам;
-происходит внутреннее смесеобразование;
-обеспечивается перемешивание компонентов топливовоздушной смеси на молекулярном уровне. Системы непосредственного впрыска бензина в цилиндры (или в камеры сгорания) объединяют в группу "D", которая получила свой индекс от немецкого слова "direkt", что означает "непосредственный".

Двигатели с такой системой топливного питания исключительно экономичны. Но широкому внедрению систем впрыска группы "D" препятствует их высокая конструктивная сложность, а также значительная трудоемкость при ремонте и наладке.
Из-за низких смазывающих свойств бензина топливный насос высокого давления (основной компонент системы "D") обладает недостаточной надежностью.
Гидромеханические форсунки закрытого типа, которыми оснащаются системы группы "D", при работе под высоким давлением требуют их установки непосредственно в головке блока цилиндров с помощью резьбового сочленения, что исключает возможность их эффективного охлаждения потоком бензина.
Камера сгорания при реализации внутреннего смесеобразования должна иметь специальную конфигурацию, которая не поддается теоретическому расчету. Ее форму подбирают экспериментально в процессе конструктивной разработки двигателя.
Для систем впрыска группы "D" требуются специальные свечи зажигания.
Бензиновые трубопроводы и их сочленения должны обладать исключительно высокой эксплуатационной надежностью.

Преодолеть все эти трудности "под силу" не каждой моторостроительной фирме.

2. Система впрыска "Kugelfischer"

<Ранние реализации систем впрыска бензина группы "D" были чисто механическими. Наиболее известная из них — система "Kugelfischer" немецкого производства, которая устанавливалась на двигателях для автомобилей "BMW".

На рис. 1 показаны основные составные части этой системы, которая работает следующим образом.

СИСТЕМЫ НЕПОСРЕДСТВЕННОГО ВПРЫСКА БЕНЗИНА (ГРУППА D)

Бензин с помощью обычного электробензонасоса подается из топливного бака в механический многосекционный шестеренчатый бензонасос высокого давления (БНВД). БНВД приводится в действие от коленчатого вала двигателя посредством ременной передачи 3. К закрытым гидромеханическим форсункам 5 бензин поступает по трубопроводам 2 поочередно в соответствии с порядком работы двигателя. Давление во внутренних полостях форсунок может изменяться в диапазоне от 120 до 180 бар под воздействием регулятора 9, который в свою очередь управляется водительской педалью газа через систему регулируемых рычагов и тяг (поз. 1 на рис. 1).

Как и в обычной форсунке закрытого типа, изменение давления в ее внутренней полости приводит к изменению цикловой подачи бензина в каждый цилиндр в отдельности. БНВД получает топливо через входной штуцер 7, а излишки топлива возвращаются в бензобак через выходной штуцер 8. Все резьбовые сочленения БНВД и форсунок уплотнены специальными втулками 6. Практика эксплуатации системы "Kugelfischer" не показала заметных ее преимуществ перед механическими системами группы "K" и "KE" и поэтому быстро была снята с производства.

3. Современные системы непосредственного впрыска бензина

Новый стимул к внедрению систем непосредственного впрыска бензина на двигателе легкового автомобиля возник с разработкой насос-форсунок высокого давления (НФВД). Эти устройства обеспечивают возможность впрыска бензина с разделением цикловой подачи на отдельные порции. Объем каждой порции, момент и продолжительность ее впрыска в цилиндр, строго регламентируются электронной системой управления. При этом все три параметра изменяются по заложенной в ЭБУ программе в зависимости от нагрузочного, скоростного и теплового режимов двигателя.

Примером системы непосредственного впрыска с управляемой цикловой подачей бензина может служить система, разработанная фирмой TOYOTA для двигателя TD-4. Основным узлом этой системы является комбинированное устройство — насос-форсунка (рис. 2).

СИСТЕМЫ НЕПОСРЕДСТВЕННОГО ВПРЫСКА БЕНЗИНА (ГРУППА D)



В этом устройстве односекционный одноплунжерный насос высокого давления (100...150 бар) расположен непосредственно в корпусе закрытой гидромеханической форсунки и приводится в действие кулачком распределительного вала. Насосная часть форсунки содержит гладкую гильзу 4 с отверстием наполнительного канала 11, гладкий цилиндрический плунжер 3 и сливной канал 10. Рабочее движение плунжера вниз обеспечивается воздействием кулачка распредвала, а обратное — пружиной 2. Заполнение бензином подплунжерной полости 5 гильзы происходит при положении плунжера выше наполнительного отверстия и продолжается до тех пор, пока оно не окажется перекрытым опускаю¬щимся плунжером.

Давление под плунжером начнет возрастать только в том случае, если будут одновременно перекрыты отверстия как наполнительного, так и сливного каналов. Бензин для заполнения рабочей полости насос-форсунки подается обычным для систем впрыска способом — электробензонасосом низкого давления. Впрыск бензина в цилиндр произойдет только тогда, когда давление под плунжером превысит давление открывания клапана закрытой форсунки.

Впрыск несколькими порциями за один ход плунжера вниз реализуется за счет многократного (по числу порций) сброса давления в рабочей полости насос-форсунки ниже значения 100 бар (давление при котором запорный клапан форсунки закрывается). Сброс давления происходит тогда, когда открывается запорный электромагнитный клапан в сливном канале. Этот клапан управляется от электронной автоматики впрыска и срабатывает достаточно быстро для того, чтобы за один цикл подачи бензина успеть сформировать 3-4 порции топлива. Для повышения надежности порциального впрыска объем рабочей полости под плунжером больше объема максимальной цикловой подачи. При обратном ходе плунжера вверх запорный клапан сливного канала постоянно открыт и рабочая полость насос-форсунки наполняется бензином из обратной бензомагистрали до тех пор, пока плунжер не откроет отверстие прямого наполнительного канала. С этого момента бензин под напором подающего электробензонасоса начинает протекать через полость насос-форсунки от входного (подводящего) к сливному отверстию. Так реализуется промывка и охлаждение насос-форсунки в течение времени от конца предыдущего до начала очередного впрыска.

Основное преимущество порциального впрыска бензина состоит в том, что в камере сгорания к моменту воспламенения образуется послойная структура топливо-воздушного заряда с различным коэффициентом а в слоях. Это позволяет полностью сжигать топливо в очень бедных ТВ-смесях (с усредненным коэффициентом а=2). Экономия топлива достигает 30-35%. Повышаются равномерность крутящего момента и удельная мощность двигателя.

Возможности насос-форсунки и электронного управления цикловой подачей в двигателе "TD-4" дополнены тщательным подбором объема и формы камер сгорания в крышке цилиндров и в поршнях, местом и геометрией расположения форсунок и свечей зажигания, формой и дальнобойностью факела распыленного бензина.

Указанные схемно-конструктивные решения, реализованные в двигателе TD-4, позволили получить ряд принципиально новых эффектов:

- состав топливовоздушной смеси в цилиндре до момента принудительного воспламенения от свечи зажигания находится под контролем и управлением от ЭБУ впрыска и всегда неоднороден. Вблизи электродов свечи расположена сравнительно небольшая область, в которой состав ТВ-смеси близок к нормальному (а = 1). Это обеспечивает надежное воспламенение ТВ-смеси в цилиндре. Далее, по мере удаления от электродов свечи к периферии камеры сгорания состав ТВ-смеси обедняется, при этом среднее по объему камеры сгорания качество смеси соответствует значению а= 2. Выжигание такой бедной смеси обеспечивается факелом "открытого огня", который образуется при возгорании нормальной (стехиометрической) ТВ-смеси в области электродов свечи зажигания;

- порциальный впрыск топлива способствует образованию неоднородности ТВ-смеси не только по составу, но и по температуре заряда. Так температура смеси, по мере удаления от свечи зажигания, понижается, и около стенок камеры сгорания оказывается самой низкой благодаря тому, что на периферию бензин попадает в последний момент впрыска. Полученный эффект существенно снижает критический порог появления детонации. В результате оказалось возможным использовать низкооктановый бензин (типа АИ-92 вместо АИ-98) для двигателя с высокой степенью сжатия (более 10,5). Полученные результаты испытаний двигателя "Тоуоtа D-4" позволяют считать описанную систему непосредственного впрыска бензина перспективной для широкого внедрения на легковых автомобилях.

Однако двигатели, работающие на сильно обедненных топливовоздушных смесях, порождают исключительно сложную техническую проблему — необходимость нейтрализации оксидов азота NOx количество которых в выхлопных газах таких двигателей значительно повышено.

Литература.

1. Д.Соснин. Форсунки впрыска топлива для бензиновых двигателей. Ремонт&Сервис, 2000, №9, с. 47-50.
2. Н.Триодин. Системы впрыска бензина. Учебное пособие для слушателей МУЦ КТЗ. 1999 г.
РЕМОНТ&СЕРВИС-11_2000


altay-krylov@yandex.ru