14

Не посредственный впрыск

Принцип, по которому работает система питания автомобильного двигателя со дня рождения машины как таковой практически не изменилась: смешивай топливо с воздухом в определенных пропорциях, да поджигай… Но именно способы организации этого «замеса» можно считать вехами в автомобилестроении.

Сначала под капотами авто безраздельно царил карбюратор. Попадающий в это устройство поток воздуха сам засасывал через форсунки специальной конструкции бензин, после чего получившаяся смесь доставлялась в цилиндры. Невысокие экономичность и надежность карбюратора подвигли инженеров на внедрение в автопром авиационной технологии того времени — системы впрыска. Это был так называемый одноточечный или «моновпрыск». Единственная форсунка этой системы распыляла бензин во впускном коллекторе, из которого топливовоздушная смесь отправлялась в цилиндры. Далее, в 80-90-х годах прошлого века наступила эра многоточечного впрыска. В этом случае каждый цилиндр двигателя оснащался персональной форсункой, которая распыляла топливо во впускном тракте, непосредственно перед впускным клапаном цилиндра. Однако в погоне за экономичностью и мощностью и этого оказалось мало, поэтому сейчас в моторостроении царит технология непосредственного впрыска. В соответствии с ней, топливо специальными форсунками подается прямо в цилиндры. Благодаря этому стало возможным существенно снизить вредные выбросы и повысить КПД мотора. Первыми решились оснастить свои машины непосредственным впрыском японцы. Компания Mitsubishi, разработала фирменную систему питания двигателя под названием GDI (Gasoline Direct Injection — непосредственный впрыск бензина). Вслед за ней эту технологию внедрили и другие автопроизводители. Многие из них, следуя примеру японских коллег, дали своим системам звучные названия-аббревиатуры. Так, у Mercedes-Benz есть CGI, у BMW — HPI, концерн Audi-Volkswagen обладает технологией FSI и её производными — TFSI и TSI, а Toyota назвала свою систему непосредственного впрыска JIS.

Звучат эти названия чересчур загадочно, а потому для развенчания технического тумана придется слегка окунуться в теорию. Как известно, для работы двигателя нужно смешать с воздухом ровно столько топлива, сколько необходимо для его полного сгорания. Для бензина оптимальный состав топливной смеси выражается соотношением 14,7:1, то есть для сгорания 1 грамма бензина требуется 14,7 грамма воздуха. Смесь, в которой воздуха больше, чем нужно, называется бедной, а та, в которой меньше — богатой. Обедненную смесь сложно поджечь, при работе же на богатой смеси несгоревшее топливо бесполезно «вылетает в трубу», увеличивая выброс угарного газа.

Казалось бы, стремление к экономичности требует обеднять смесь в камере сгорания, но, как мы только что упомянули, искра свечи зажигания при соотношении бензина и воздуха 17:1 уже не в состоянии выполнять свое прямое предназначение. Тупик? Не совсем. Оказывается, если постараться, то основную часть цилиндра можно заполнить совсем бедной смесью, а непосредственно к свече подать более богатую, которую легко поджечь. Этот принцип известен уже давно. Например, в схеме так называемого форкамерного зажигания в карбюраторных двигателях. Но по-настоящему эта идя заработала на моторах с распределенным впрыском: здесь добились устойчивой работы на смеси с соотношением 22:1, но сильнее её обеднить все равно не удавалось. К тому же при данной пропорции доставить более богатую часть смеси к свече можно было только с помощью всевозможных газодинамических ухищрений. Однако главная проблема заключалась в том, что в цилиндр попадала уже готовая смесь. Чтобы продвинуться вперед, пришлось научиться распылять топливо непосредственно в цилиндре.

Двигатели Mitsubishi семейства GDI появились на дорогах в конце 1997 года. Такой мотор по конструкции напоминает и бензиновый, и дизельный агрегат одновременно. В каждом цилиндре имеется свеча зажигания и форсунка, а топливо подается насосом под давлением 5 МПа (50 атм.). Впускной трубопровод в моторах GDI подходит к цилиндру сверху, что обеспечивает «падающий» поток воздуха, который после столкновения с поршнем разворачивается и устремляется вверх, закручиваясь по часовой стрелке. Такая хитрость позволяет достичь оптимальной концентрации топлива непосредственно около свечи. По почти прямому трубопроводу поток движется с очень высокой скоростью, и даже когда поршень останавливается в нижней мертвой точке, ещё какое-то количество воздуха попадает в цилиндр по инерции. Моторы GDI, в зависимости от настроек, могут использовать два или три режима смесеобразования. В машинах, предназначенных для японского рынка, принят двухрежимный алгоритм, а для «европеек» — трехрежимный.

Первый режим действует при частичной нагрузке. На скоростях до 120 км/ч двигатель GDI потребляет сверхобедненную смесь с послойным смесеобразованием. Топливо подается в камеру сгорания (под давлением 50 бар) в конце такта сжатия, соотношение же «воздух-бензин» в среднем по объему камеры может достигать пропорции 40:1. Поджигается смесь за счет создания в зоне искрового разряда нормальной концентрации бензина — 14,5:1. Формирование более богатого облака происходит с помощью сферической выемки в днище поршня, которая направляет впрыскиваемое топливо непосредственно к свече зажигания. При этом у стен камеры сгорания остается почти чистый воздух. Когда от двигателя требуется больший крутящий момент (высокая скорость, движение на подъем), электроника переключается на другой режим смесеобразования. Теперь бензин впрыскивается на такте впуска, как в обычных инжекторных двигателях. При необходимости же получить максимальную мощность, например при интенсивном разгоне, у европейских версий моторов GDI включается третий способ смесеобразования. В этом случае топливо подается двумя порциями. Первая впрыскивается на такте впуска, а вторая — на такте сжатия. Первая порция топлива дает возможность получить в цилиндре равномерно распределенную бедную (до 60:1) горючую смесь, а вторая обеспечивает её нормальную концентрацию в районе искрового разряда. После воспламенения этой части смеси фронт огня распространяется по цилиндру и поджигает её сверхобедненную область.

Система непосредственного впрыска Volkswagen под названием FSI (Fuel Stratified Injection — многослойный впрыск топлива) была обнародована в 2000 году. FSI может работать в двух режимах — экономичном и обычном. В экономичном впрыск топлива происходит на такте сжатия, а в обычном режиме — на такте впуска, как и в системе питания с распределенным впрыском.

Повышенное давление впрыска (100 бар) обеспечивает более своевременную подачу топлива и качественное его распыление. Кроме того в двигателях FSI увеличен наклон форсунки, а впускной канал разделен специальной перегородкой на две части. На малых оборотах воздух проходит через одну половинку канала, что позволяет увеличить скорость потока для его лучшего завихрения. На высоких оборотах перегородка открывается, воздух идет через все сечение канала, но скорость потока остается примерно такой же, как и на малых оборотах.

В 2004 году конструкторы Volkswagen AG создали на основе системы FSI двигатель с турбонаддувом и непосредственным впрыском — T-FSI. Сначала его устанавливали лишь на «горячие» версии машин типа VW Golf GTi, затем он появился и на обычных «гражданских» авто. Следующей разработкой концерна стал TSI (непосредственный впрыск с двойным турбонаддувом). В этом двигателе на малых (до 2500) оборотах, воздух в цилиндры подается механическим компрессором, а на высоких — турбиной, приводимой в действие отработавшими газами. Благодаря такой схеме эффективное давление наддува достигается уже при 1500 об/мин и сохраняется во всем диапазоне оборотов.

Помимо прочего, в двигателях TSI впервые использованы форсунки с шестью отверстиями вместо привычного одного, а также до 150 бар увеличено давление впрыска. Все это существенно улучшило качество смесеобразования.

В двигателях Mercedes-Benz CGI (Stratified-Charged Gasoline Injection — послойный впрыск бензина), представленных в 2002 году, используются пьезоэлектрические форсунки. Они подают топливо несколькими порциями, за счет чего удалось получить многослойное смесеобразование. При открытии форсунки между иглой и корпусом образуется кольцевая щель толщиной в несколько микрон, через которую распыляется топливо. Форсунка располагается в центре камеры сгорания, а свеча зажигания — между выпускными клапанами. Такое место для свечи выбрано не случайно. Поскольку пьезоэлектрическая форсунка установлена почти вертикально, то свеча находится практически на границе конуса распыляемого бензина.

Давление в топливной системе мотора CGI составляет 200 бар, что дополнительно улучшает качество распыления. Работа на переобедненных смесях — 35–40:1 — допустима в нем на скоростях около 120 км/ч. В то же время, благодаря точному смесеобразованию сохраняется высокий крутящий момент.

Система непосредственного впрыска бензина от BMW — HPI (High Precision Injection — высокоточный впрыск) появилась в 2006 году. Сочетание систем регулирования фаз газораспределения, высоты подъема клапанов и пьезоэлектрических форсунок с давлением впрыска 200 бар, расположенных в непосредственной близости от свечей, позволило организовать послойное смесеобразование на всех режимах работы двигателя. Образование нормальной смеси в районе искры свечи зажигания обеспечивает форма топливной струи в сочетании с особой геометрией днища поршня. Применение турбонагнетателей практически устраняет эффект «турбоямы».

В заключение скажем, что все существующие двигатели с непосредственным впрыском используют принцип послойного сгорания топливовоздушной смеси и могут работать при более высокой степени сжатия (от 10,5:1 до 12,5:1) на бензине с октановым числом 95. У стенок их камеры сгорания находится почти чистый воздух, а испарение топлива, происходящее непосредственно в цилиндре, приводит к его дополнительному охлаждению. Подобные системы дают как минимум 10-процентную экономию горючего и уменьшают выбросы в атмосферу. Но в то же время они весьма требовательны к качеству бензина. Высокое содержание серы и механических примесей приводит к их выходу из строя.

Источник: http://www.automania.ru

Комментарии запрещены.