Процессы впрыскивания в дизельном двигателе

Процессы впрыскивания в дизеле

 

Процессы сгорания в дизеле сильно зависят от того, как впрыскивается топливо в камеру сгорания. Самыми важными критериями являются момент и продолжительность впрыскивания, тонкость распыливания и распределение топлива в камере сгорания, момент начала сгорания, цикловая подача топлива в зависимости от угла поворота коленчатого вала и нагрузки на двигатель.

 

Содержание

  1. Смесеобразование в дизеле
  2. Начало подачи и момент начала впрыскивания
  3. Начало подачи дизельного топлива
  4. Протекание впрыскивания
  5. Дополнительное впрыскивание
  6. Подвпрыскивание и остаточные порции топлива
  7. Вредные объемы в обычных системах впрыска
  8. Протекание процесса впрыскивания в системе Common Rail
  9. Давление впрыскивания
  10. Направление и количество факелов впрыскивания

 

Протекание процесса сгорания в экспериментальном двигателе с непосредственным впрыскиванием топлива многоструйной форсункой

Рис. «Протекание процесса сгорания в экспериментальном двигателе с непосредственным впрыскиванием топлива многоструйной форсункой». В экспериментальном двигателе процессы впрыскивания и сгорания можно наблюдать через систему стеклянных вставок и зеркал. Показаны моменты после появления собственного свечения пламени через: а — 200 мкс, Ь — 400 мкс, с — 522 мкс, d — 1200 мкс

Параметры впрыскивания должны соответствовать конкретному двигателю и условиям его эксплуатации. Поскольку следует учитывать многие факторы, зачастую влияющие на процесс впрыскивания совершенно противоположным образом, достигнутый результат может быть только компромиссным.

Качество подготовки смеси существенно влияет на удельный расход топлива, крутящий момент (и тем самым на мощность), состав отработавших газов и уровень шума. Система впрыска топлива в наибольшей степени отвечает за качественный процесс смесеобразования.

На смесеобразование и протекание процесса сгорания в цилиндре двигателя (см. рис. «Протекание процесса сгорания в экспериментальном двигателе с непосредственным впрыскиванием топлива многоструйной форсункой»), а тем самым на эмиссию отработавших газов, мощность и КПД двигателя влияют:

  • Начало впрыскивания;
  • Протекание впрыскивания (продолжительность и цикловая подача);
  • Давление впрыскивания;
  • Направление факела впрыскивания;
  • Количество факелов впрыскивания.

 

Цикловая подача и частота вращения коленчатого вала определяют мощность двигателя.

 

Смесеобразование в дизеле

 

Коэффициент избытка воздуха

 

Для характеристики того, насколько отличаются реальные показатели топливовоздушной смеси от теоретического или стехиометрического отношения вводится коэффициент избытка воздуха λ (лямбда). Коэффициент избытка воздуха показывает отношение массы введенного в цилиндр воздуха к требуемой при стехиометрическом сгорании для данной массы топлива:

λ = Масса воздуха/(Масса топлива • Стехиометрический коэффициент)

λ = 1: введенное в цилиндр количество воздуха соответствует теоретически необходимому для сгорания всего топлива.

λ<1: имеется недостаток воздуха, соответственно смесь — богатая.

λ>1: имеется избыток воздуха, соответственно смесь — бедная.

 

Значения коэффициента избытка воздуха λ для дизельного двигателя

 

Наличие в цилиндре зон с богатой смесью (λ<1) приводит к увеличению выбросов сажи, СО и СН. Чтобы избежать возникновения таких зон с богатой смесью, дизель должен работать при избытке воздуха. Значения к для дизелей с наддувом при полной нагрузке находятся между 1,15 и 2,0. На холостом ходу и при нулевой нагрузке они повышаются до λ>10.

Данные величины коэффициента избытка воздуха показывают значение общего по цилиндру соотношения масс воздуха и топлива. С точки зрения самовоспламенения и образования вредных веществ существенное значение имеют локальные значения λ.

Дизель работает при гетерогенном смесеобразовании и самовоспламенении полученной смеси от сжатия. Перед или во время сгорания невозможно обеспечить полностью гомогенное смешивание впрыснутого топлива с воздухом. Самовоспламенение происходит через несколько градусов угла поворота коленчатого вала после начала впрыскивания (период задержки воспламенения). При гетерогенной смеси в цилиндре дизеля локальные коэффициенты избытка воздуха имеют весь диапазон значений от λ = 0 (чистое топливо) в центре факела около носка распылителя до λ = ∞ (чистый воздух) в зоне внешнего пламени. При ближайшем рассмотрении отдельной жидкой (свободной ) капли можно отметить, что на ее поверхности (паровая зона) имеют место локальные значения λ от 0,3 до 1,5, обеспечивающие возможность самовоспламенения смеси (рис. «Изменение коэффициента избытка воздуха в зависимости от расстояния от ядра струи» и «Образование локальных зон вокруг капли топлива при различных скоростях потока воздуха»). Из этого следует, что при тонком распыливании (много мелких капель), высоком коэффициенте избытка воздуха и «дозированном» движении заряда возникает множество локальных зон с небольшими значениями λ, обеспечивающими воспламенение. Это потенциально обеспечивает при сгорании незначительное образование сажи и NOx.

 

Изменение коэффициента избытка воздуха в зависимости от расстояния от ядра струи

 

Хорошее распиливание происходит благодаря высокому давлению впрыскивания (в настоящее время максимальные давления в опытных системах превышают 2000 бар). Таким образом, в цилиндре достигается высокая относительная скорость между факелом топлива и воздухом, что обеспечивает хороший распыл факела топлива.

С учетом минимизации массы двигателя и соответствующих этому затрат следует получать по возможности большую мощность с имеющегося рабочего объема. Для этого дизель должен работать с высокой нагрузкой при незначительном избытке воздуха, что, однако, повышает эмиссию вредных веществ. Именно поэтому коэффициент λ должен находиться в определенных границах, устанавливаемых точным дозированием количества топлива в зависимости от количества воздуха в цилиндре и от частоты вращения коленчатого вала.

Низкое атмосферное давление также требует изменения цикловой подачи топлива с учетом недостатка воздуха.

 

Начало подачи и момент начала впрыскивания

 

Момент начала впрыскивания

 

Момент начала впрыскивания топлива в камеру сгорания существенно влияет на начало сгорания топливовоздушной смеси н имеете с тем — на уровень эмиссии отработавших газов, расход топлива и шум сгорания. Соответственно момент начала впрыскивания играет большую роль с точки зрения оптимизации работы дизеля.

Момент начала впрыскивания, когда форсунка открывается и начинает впрыскивать топливо в камеру сгорания, определяется по углу поворота коленчатого вала относительно ВМТ поршня. Положение поршня относительно ВМТ при впрыскивании оказывает влияние на смесеобразование наряду с конфигурацией впускного канала, движением воздуха в камере сгорания, плотностью этого воздуха и его температурой.

Качество смеси воздуха и топлива зависит также от момента начала впрыскивания топлива (угла опережения впрыскивания). Последний, таким образом, влияет на уровень эмиссии сажи, продуктов неполного сгорания, оксидов азота (NOx), несгоревших углеводородов (СН) и оксида углерода (СО).

 

Зависимость эмиссии NO, и СН от изменении момента начала впрыскивания на двигателе грузового автомобиля без системы рециркуляции ОГ

 

Оптимальные значения углов опережения впрыскивания меняются в зависимости от нагрузки на двигатель (рис.»Зависимость эмиссии NO, и СН от изменении момента начала впрыскивания на двигателе грузового автомобиля без системы рециркуляции ОГ»), что требует их регулирования. Необходимые величины устанавливаются отдельно для каждого типа двигателя и образуют поле характеристик, которое определяет момент начала впрыскивания в зависимости от нагрузки на двигатель, частоты вращения коленчатого вала и температуры охлаждающей жидкости (рис. «Характеристика момента начала впрыскивания в зависимости от частоты вращения коленчатого вала и нагрузки на двигатель легкового автомобиля при холодном пуске и рабочей температуре»). При этом наряду с требуемой мощностью принимаются во внимание расход топлива, а также уровень эмиссии вредных веществ и шум.

 

Нормы Евро 3

 

В поле характеристик дизеля оптимальные значения начала сгорания для достижения низкого расхода топлива находятся в пределах 0…8° угла поворота коленчатого вала до ВМТ поршня. С учетом этого факта и ограничений по эмиссии отработавших газов требуются следующие моменты начала впрыскивания.

Двигатели легковых автомобилей с непосредственным впрыском топлива:

  • Нулевая нагрузка — от 2° до ВМТ до 4° после ВМТ;
  • Частичная нагрузка — от 6° до ВМТ до 4° после ВМТ;
  • Полная нагрузка — 6… 15° до ВМТ.

Двигатели грузовых автомобилей с непосредственным впрыском топлива (без рециркуляции отработавших газов):

  • Нулевая нагрузка — 4… 12° до ВМТ;
  • Полная нагрузка — от З…6° до ВМТ до 2° после ВМТ.

На холодном двигателе угол опережения начала впрыскивания увеличивается на 3…100. Продолжительность сгорания при полной нагрузке соответствует 40…60° угла поворота коленчатого вала.

 

Раннее начало впрыскивания

 

В момент прохождения поршнем ВМТ устанавливается наивысшая температура сжатия. Если сгорание начинается задолго до ВМТ, сильное повышение давления сгорания действует как отрицательная сила по отношению к движению поршня. Затраченное на это количество тепла уменьшает КПД двигателя и повышает, таким образом, расход топлива. Кроме того, такой резкий подъем давления сгорания приводит к повышению уровня шума работы дизеля.

Сдвиг начала сгорания на более ранний угол повышает температуру в камере сгорания. В результате растет уровень эмиссии NOx и уменьшается выделение СН (рис. «Характеристика момента начала впрыскивания в зависимости от частоты вращения коленчатого вала и нагрузки на двигатель легкового автомобиля при холодном пуске и рабочей температуре»).

 

Позднее начало впрыскивании

 

Более позднее начало впрыскивания при нулевой нагрузке может привести к неполному сгоранию и соответственно к повышению уровня эмиссии неполностью сгоревших углеводородов (СН), поскольку температура в камере сгорания быстро снижается (рис. «Зависимость эмиссии NO, и СН от изменении момента начала впрыскивания на двигателе грузового автомобиля без системы рециркуляции ОГ»).

Характеристики изменения удельного расхода топлива, эмиссии углеводородов, уровней дымности и NOx рассматриваются в разделе «Протекание впрыскивания», где определяется компромисс при выборе угла опережения впрыскивания для конкретного двигателя и величины допуска на него.

Для получения на выпуске минимального количества синего и белого дыма на холодном двигателе требуется более ранее впрыскивание и/или предварительное впрыскивание. Для уменьшения уровня эмиссии вредных веществ и уровня шума при частичной нагрузке часто требуется другой угол опережения впрыскивания, нежели при полной нагрузке. Поле характеристик момента начала впрыскивания для легкового автомобиля (рис. «Характеристика момента начала впрыскивания в зависимости от частоты вращения коленчатого вала и нагрузки на двигатель легкового автомобиля при холодном пуске и рабочей температуре») схематически показывает зависимость угла опережения впрыскивания от температуры охлаждающей жидкости, нагрузки на двигатель и частоты вращения коленчатого вала.

 

Начало подачи дизельного топлива

 

Наряду с моментом начала впрыскивания часто рассматривается также термин «начало подачи». Он подразумевает момент начала движения топлива от ТНВД. Так как в старых системах впрыска на неработающем двигателе начало подачи проще было определять как фактическое начало впрыскивания, оценка момента начала впрыскивания осуществлялась по моменту начала подачи с учетом сдвига по времени за счет определенной длины магистралей высокого давления между ТНВД и форсунками (прежде всего, при использовании рядных и распределительных ТНВД). Определенный сдвиг между моментами начала подачи и начала впрыскивания составляет период задержки впрыскивания.

Время движения волны давления от ТНВД к форсунке зависит от длины магистрали и определяет (в градусах угла поворота коленчатого нала) задержку впрыскивания при различных частотах вращения коленчатого вала. С увеличением частоты вращения возрастает и угол задержки воспламенения.

Оба фактора должны компенсироваться, для чего система впрыска должна компенсировать начало подачи и, соответственно начало впрыскивания в зависимости от частоты вращения коленчатого вала, нагрузки на двигатель и температуры охлаждающей жидкости.

 

Цикловая подача топлива

 

Необходимая масса топлива m для цилиндра рассчитывается по формуле:

m = Р·b·33,33/n·z, мг/ход,

где:

Р — мощность двигателя, кВт;

b— удельный расход топлива двигателя, г/кВт·ч;

n — частота вращения коленчатого вала, мин;

z — число цилиндров двигателя.

Соответствующее объемное количество топлива на рабочий цикл для цилиндра (цикловая подача топлива) Q определяется по формуле:

Q = (Р·b·1000)/(30·n·z·ρ), мм3/ход,

где:

ρ — плотность топлива, мг/мм3.

Эта формула показывает, что получаемая от двигателя мощность при постоянном КПД (обратно пропорциональном расходу топлива:  η∼1/b) прямо пропорциональна цикловой подаче топлива.

Цикловая подача топлива зависит от следующих величин:

  • Эффективного давления в отверстиях распылителя;
  • Продолжительности впрыскивания;
  • Разницы давления впрыскивания и давления в камере сгорания двигателя;
  • Плотности топлива.

 

При высоких давлениях дизельное топливо сжимается. Это влияет на цикловую подачу топлива и должно учитываться при регулировании.

Цикловая неравномерность подачи топлива ведет к колебаниям в токсичности отработавших газов и получаемой от двигателя мощности. Благодаря применению систем впрыска с электронным регулированием необходимая цикловая подача топлива может дозироваться очень точно.

 

Протекание впрыскивания

 

Для дизеля наиболее важны уровень эмиссии вредных веществ и расход топлива. В связи с этим к системе впрыска предъявляются следующие требования:

  • Впрыскивание должно происходить в точно выбранный момент времени. Уже при незначительных отклонениях сильно изменяются расход топлива, уровень эмиссии вредных веществ и уровень шума сгорания.
  • Давление впрыскивания должно соответствовать каждой рабочей точке двигателя (например, меняться, по возможности раздельно, в зависимости от нагрузки на двигатель и частоты вращения коленчатого вала).
  • Впрыскивание должно заканчиваться резко, без подвпрыскивания топлива. Неконтролируемые под-впрыски ведут к повышенному уровню эмиссии вредных веществ в отработавших газах.
  • Понятие «протекание впрыскивания», или «закон впрыскивания», характеризует впрыскивание в камеру сгорания определенного количества топлива в зависимости от времени.

 

Характеристика удельного расхода топлива Ь, в г/кВт-ч в зависимости от момента начала и продолжительности процесса впрыскивания

 

Продолжительность впрыскивания

 

Основным параметром процесса впрыскивания является его продолжительность, которая определяет время открытия форсунки и поступления топлива в камеру сгорания. Продолжительность впрыскивания указывается в градусах поворота коленчатого или распределительного вала, либо в миллисекундах (мс). Различные вилы процессов сгорания в дизеле требуют соответственно различной продолжительности впрыскивания (ниже приведены приблизительные значения угла поворота коленчатого вала в градусах для номинальной мощности):

  • Двигатели легковых автомобилей с непосредственным впрыском топлива — 32…38°;
  • Двигатели легковых автомобилей с разделенными камерами сгорания — 35…400;
  • Двигатели грузовых автомобилей с непосредственным впрыском топлива — 25…36°.

 

Угол в 30° поворота коленчатого вала соответствует 15° поворота кулачкового вала ТНВД. При частоте вращения вала ТНВД, равной 2000 мин-1, продолжительность впрыскивания равняется 1,25 мс. Чтобы минимизировать расход топлива и дымность отработавших газов, продолжительность и момент начала впрыскивания должны быть согласованы с рабочей точкой поля характеристик.

 

Удельные выбросы несгоревших углеводоро¬дов СН в г/кВт-ч в зависимости от момента начала и продолжительности впрыскивания

 

Протекание впрыскивания

 

Системы впрыска выполняют следующие функции (рис. «Мероприятия, используемые в начале впрыскивания вблизи ВМТ поршня для снижения уровня NO, при высокой нагрузке и отсутствии системы рециркуляции отработавших газов»):

  • Предварительное впрыскивание 1 для снижения уровней шума сгорания и эмиссии NOx, особенно в двигателях с непосредственным впрыском топлива;
  • Интенсивное повышение давления 3 при основном впрыскивании для сокращения уровня эмиссии NOx при работе без рециркуляции отработавших газов, ступенчатое повышение давления 4 во время основного впрыскивания для сокращения уровней эмиссии NOx и сажеобразования при работе без рециркуляции отработавших газов;
  • Удержание постоянного и высокого давления при основном впрыскивании (3,7) для сокращения уровня сажеобразования при работе с рециркуляцией отработавших газов;
  • Дополнительное впрыскивание 8 — непосредственно после основной подачи для сокращения уровня сажеобразования;
  • Позднее дополнительное впрыскивание 9 как восстановитель для аккумулирующего нейтрализатора NOx и/или е целью повышения температуры отработавших газов для регенерации частиц в сажевом фильтре.

 

Мероприятия, используемые в начале впрыскивания вблизи ВМТ поршня для снижения уровня NO, при высокой нагрузке и отсутствии системы рециркуляции ОГ

Рис. «Мероприятия, используемые в начале впрыскивания вблизи ВМТ поршня для снижения уровня NO, при высокой нагрузке и отсутствии системы рециркуляции ОГ». Момент начала подачи предшествует моменту начала впрыскивания и зависит от конструкции системы впрыскивания: 1. Предварительное впрыскивание (Pl); 2. Основное впрыскивание (Ml); 3. Интенсивное повышение давления (для системы Common Rail); 4. Ступенчатое повышение давления (для системы индивидуальных ТНВД с электромагнитным клапаном (UPS)). В данном случае двумя пружинами в корпусе форсунки обеспечивается двухступенчатый ход иглы форсунки со ступенчатым, а вовсе не плавным повышением давления. Это уменьшает уровень шума сгорания, но не уровень эмиссии сажи; 5. Стандартное новышение давления (традиционные системы впрыска); 6. Мягкое падение давления (рядный и распределительный ТНВД). Резное падение давления (для систем индивидуальных ТНВД (UPS) и насос-форсунок (UIS). При использовании сис-темы Common Rail процесс протекает несколько мягче); 8. Раннее дополнительное впрыскивание; 9. Позднее дополнительное впрыскивание: рσ — давление впрыскивания; р0 — давление открытия форсунки; b — продолжительность сгорания основной доли впрыснутого топлива; v — продолжительность сгорания предварительной доли впрыснутого топлива ZV — период задержки воспламенения основной доли впрыснутого топлива.

 

Традиционное протекание процесса впрыскивания

 

В традиционных системах впрыска давление во время процесса впрыскивания непрерывно нагнетается плунжером ТНВД. При этом скорость движения плунжера определяет скорость нагнетания и соответственно давление впрыскивания.

В рядных и распределительных ТНВД с регулирующими кромками на плунжерах впрыскивание имеет только основную фазу (5, 6), без предварительного и дополнительного этапов.

В распределительных ТНВД с электромагнитными клапанами возможно осуществление предварительного впрыскивания 1. В насос-форсунках (UTS) для дизелей легковых автомобилей предварительное впрыскивание осуществляется с помощью гидромеханического привода.

Создание высокого давления и формирование цикловой подачи, соответствующей режиму работы, в традиционных системах впрыска обеспечиваются кулачком и плунжером.

Зависимость давления впрыскивания от цикловой подачи топлива"

Рис. «Зависимость давления впрыскивания от цикловой подачи топлива». 1. Высокооборотныи двигатель 2. Среднеоборотный двигатель 3. Низкооборотный двигатель

В результате протекание процесса впрыскивания отличается следующими характеристиками:

  • Величина давлении впрыскивания повышается с возрастанием частоты вращении коленчатого вала и цикловой подачи топлива (рис. «Зависимость давления впрыскивания от цикловой подачи топлива»);
  • Величина давления повышается в начале впрыскивания, однако к концу падает до величины давления закрытия форсунки;
  • Малые цикловые подачи топлива впрыскиваются под незначительным давлением;
  • Закон впрыскивания на графике (см. рис. 5) должен иметь примерно треугольную форму, что требуется для благоприятного сгорания топлива без использования рециркуляции отработавших газов (мягкое повышение давления и вместе с тем малошумное сгорание).

 

Максимальное давление впрыскивания служит критерием оценки нагрузки конструктивных элементов и привода ТНВД. Для систем впрыска оно является критерием качества распыливания топлива в камере сгорания.

На дизелях с разделенными камерами сгорания (двигатели с пред- или вихревой камерой) используются дросселирующие штифтовые распылители, которые создают единый факел топлива и формируют протекание процесса впрыскивания. Эти распылители формируют переменное поперечное сечение факела в зависимости от величины подъема иглы форсунки, что приводит к плавному повышению давления и к малошумному сгоранию.

 

Предварительное впрыскивание

 

Если предварительное впрыскивание не производится (рис. «Влияние предварительного впрыскивания на давление сгорания», кривая а), то при изменении давления впрыскивания топлива давление в цилиндре плавно растет перед ВМТ поршня, но с началом сгорания повышается очень резко. Такой процесс является причиной высокого уровня шума сгорания.

рис. "Влияние предварительного впрыскивания на давление сгорания"

Рис. «Влияние предварительного впрыскивания на давление сгорания». а — без предвари тельного впрыскивания; b — с предварительным впрыскиванием. hp1 — ход иглы распылителя при предварительном впрыскивании. hM1— ход иглы распылителя при основном впрыскивании.

Использование предварительного впрыскивания позволяет достичь плавного повышения давления сгорания. Период задержки воспламенения основной части цикловой подачи топлива значительно сокращается. Это благоприятно сказывается на снижении уровня шума сгорания и расхода топлива, а также на уменьшении эмиссии NOx и СН.

При предварительном впрыскивании в цилиндр направляется небольшое количество топлива (1…4 мм3), которое обеспечивает «подготовку» камеры сгорания. При этом возникают следующие эффекты:

  • Период задержки воспламенения основной доли топлива сокращается;
  • Повышение давления сгорания становится более плавным (рис. «Влияние предварительного впрыскивания на давление сгорания», кривая Ь).

 

Удельный расход топлива может меняться в зависимости от момента начала впрыскивания основной доли топлива и его сдвига по времени относительно предварительного впрыскивания.

 

Дополнительное впрыскивание

 

Позднее дополнительное впрыскивание

 

Позднее дополнительное впрыскивание может применяться для восстановления в некоторых вариантах нейтрализаторов NOх. Оно происходит вслед за основным впрыскиванием во время рабочего хода или выпуска до 200° угла поворота коленчатого вала после ВМТ поршня и добавляет в отработавшие газы точно дозированное количество топлива.

В противоположность предварительному и основному впрыскиваниям, это топливо не сгорает, а испаряется в отработавших газах под воздействием тепла. Смесь испарений топлива и отработавших газов направляется при такте выпуска через выпускные клапаны к соответствующим нейтрализаторам NOx, где топливо служит восстановителем этих оксидов. Как следствие происходит умеренное снижение уровня NOx в отработавших газов. Другой возможностью снижения уровня NOx считается использование аккумулирующих нейтрализаторов NOx.

Позднее дополнительное впрыскивание может применяться также для повышения температуры отработавших газов в окислительном нейтрализаторе, чтобы поддерживать заданную температуру дли регенерации сажевого фильтра.

Позднее дополнительное впрыскивание может вести к разжижению моторного масла дизельным топливом, поэтому применение этого процесса должно быть согласовано с производителем двигателей.

 

Раннее дополнительное впрыскивание

 

Независимо от дополнительного впрыскивания для нейтрализации NOx или использования сажевого фильтра раннее дополнительное впрыскивание может осуществляться при применении системы Common Rail непосредственно после основного впрыскивания, что происходит еще при продолжающемся сгорании топливовоздушной смеси. При этом дополнительно сжигаются частицы сажи, что уменьшает уровень ее выброса примерно на 20…70%.

Ведутся также исследования по внедрению раннего дополнительного впрыскивания в работу традиционных систем впрыска с механическими ТНВД.

 

Подвпрыскивание и остаточные порции топлива

 

рис. "Влияние конструкции распылителя на уровень эмиссии CH"

рис. «Влияние конструкции распылителя на уровень эмиссии CH» а — распылитель без микрообъема под иглой; Ь- распылитель с микрообъемом под иглой. 1. Двигатель с рабочим объемом цилиндра до 1л; 2. Двигатель с рабочим объемом цилиндра до 2 л

Особенно неблагоприятно на работе двигателя отражаются нежелательные подвпрыскивания. При подвпрыскивании форсунка самопроизвольно открывается еще раз вскоре после закрытия, и в цилиндр к концу сгорания попадает плохо подготовленное топливо. Оно не сгорает частично или полностью и устремляется в виде несожженных углеводородов в выпускной тракт. Быстро запираемые распылители с достаточно высоким давлением закрытия и низким остаточным давлением в подающей магистрали предотвращают этот неблагоприятный эффект.

Подобно таким подвпрыскиванием на работе дизеля негативно сказывается наличие остаточных порций топлива, скапливающихся в носке корпуса распылителя, за уплотняющей поверхностью. Остающееся топливо выходит после окончания сгорания в камеру сгорания и также частично устремляется в выпускной тракт, повышая уровень эмиссии несгоревших углеводородов (СП) (рис. «Влияние конструкции распылителя на уровень эмиссии CH»). Распылители, в которых отверстия рассверливаются в районе уплотнительного седла, имеют самые незначительные объемы остаточных порций топлива.

 

Протекание процесса впрыскивания во времени

 

Пример HTML-страницы
Цепь факторов влияния хода кулачка на протекание процесса впрыскивания в зависимости от угла поворота кулачкового вала ТНВД

Рис. «Цепь факторов влияния хода кулачка на протекание процесса впрыскивания в зависимости от угла поворота кулачкового вала ТНВД». Пример радиального распределительного ТНВД серии VP44. работающего без предварительного впрыскивания в режиме полной нагрузки. t — задержка волны давления по концам магистрали высокого давления.

На рис. «Цепь факторов влияния хода кулачка на протекание процесса впрыскивания в зависимости от угла поворота кулачкового вала ТНВД» на примере распределительного ТНВД с радиальными плунжерами (VP44) показано, как кулачок на кольцевой шайбе воздействует на нагнетание и выход топлива из форсунки. Показано, как сильно изменяется давление топлива в процессе его доставки к форсунке впрыскивания в зависимости от ряда конструктивных определяющих элементов (кулачок, нагнетательный клапан, трубопровод, форсунка и др. элементы). Поэтому необходимо точное согласование системы впрыска с параметрами двигателя.

Во всех системах впрыска, где давление создается плунжерами насосов (рядные ТНВД, системы насос-форсунок и индивидуальных ТНВД с электромагнитным клапаном), протекание процесса схоже. Протекание процесса в системе впрыскивания Common Rail происходит совершенно иначе.

 

Вредные объемы в обычных системах впрыска

 

Понятие «вредные объемы» используется при рассмотрении контура высокого давления системы впрыска. Последняя включает в себя объемы высокого давления ТНВД, магистралей и форсунок.

Во вредных объемах давление повышается при каждом впрыскивании и снова уменьшается в конце его. Тем самым возникают потерн энергии на сжатие, а процесс впрыскивания затягивается. При этом, двигаясь вдоль магистралей, топливо подвергается сжатию-расширению из- за динамических волновых процессов изменения давления.

Чем больше вредные объемы, тем хуже гидравлическая эффективность системы впрыска. Минимизация вредных объемов является одной из важнейших целей при создании системы впрыскивания. В конструкции системы с блоком насос-форсунок (UIS) вредные объемы наименьшие.

Чтобы гарантировать равномерность работы двигателя, вредные объемы в магистралях подвода топлива ко всем цилиндрам должны быть одинаковы.

 

Протекание процесса впрыскивания в системе Common Rail

 

Протекание процесса впрыскивании в системе Common Rail

Рис. «Протекание процесса впрыскивании в системе Common Rail». ро. — давление в аккумуляторе; pL давление открытия форсунки.

В системе Common Rail ТНВД независимо от момента начала впрыскивания обеспечивает в аккумуляторе давление, величина которого примерно постоянна во время всего процесса впрыскивания топлива (рис. «Протекание процесса впрыскивании в системе Common Rail»). Из-за почти равномерного процесса нагнетания ТНВД может иметь меньшие, чем обычно, размеры и работать с меньшими пульсациями крутящего момента в приводе. Короткие магистрали связывают аккумулятор с форсунками. Так как регулятор частоты вращения управляет процессом впрыскивания, его начало и окончание легко и четко устанавливаются в зависимости от комплектации двигателя. Возможно также осуществление процессов предварительного и дополнительного впрыскивания.

При заданном давлении количество впрыснутого топлива пропорционально времени подъема иглы распылителя форсунки и не зависит от частоты вращения коленчатого вала или распределительного вала ТНВД (впрыскивание по времени). Таким образом, момент начала впрыскивания, ею продолжительность и давление могут быть установлены оптимальным образом для различных режимов работы двигателя. Это осуществляет система электронного регулирования работы дизеля с помощью преобразователя «время—угол».

 

Давление впрыскивания

 

При впрыскивании потенциальная энергия давления топлива превращается в кинетическую энергию его струи. Высокое давление приводит к большой скорости выхода топлива из отверстия форсунки. Распыливание топлива происходит из-за импульсного смешения турбулентной струи топлива с воздухом в камере сгорания. Чем выше относительная скорость между впрыскиваемым топливом и воздухом, а также плотность воздуха в камере сгорания, тем тоньше распыляется топливо. Специальным подбором параметров можно добиться того, чтобы давление в магистрали у форсунки (оно же давление впрыскивания) было выше, чем у ТНВД.

 

Двигатели с непосредственным впрыском топлива

 

У дизелей с непосредственным впрыском топлива скорость воздуха в камере сгорания сравнительно мала — в соответствии с законом сохранения энергии впускаемого воздуха при его тангенциальном поступлении в цилиндр (вихревой эффект). Лишь при движении поршня до ВМТ скорость вихря увеличивается.

При непосредственном впрыскивании топливо подается в камеру сгорания под высоким давлением. Впрыскивание с давлениями порядка 2000 бар может сильно уменьшить уровень эмиссии дыма и вредных веществ. В настоящее время системы впрыска при полной нагрузке создают максимальное давление от 1000 до 2050 бар для легковых автомобилей и 1000… 1800 бар для грузовых. Однако максимальное давление достигается только в верхней области частот вращения коленчатого вала (кроме системы Common Rail). В то же время для благоприятного протекания кривой максимального крутящего момента и одновременно малой дымности отработавших газов при низких нагрузках решающее значение имеет высокое давление впрыскивания. Исходя из этого уровень давления впрыскивания в зоне максимального крутящего момента для легковых и грузовых автомобилей должен лежать в диапазоне 800… 1400 бар.

 

Двигатели с разделенными камерами сгорания

 

Двигатели с разделенными камерами сгорания, где нарастание давления сгорания сглаживается перетеканием заряда топливовоздушной смеси из предварительной камеры в основную, имеют высокие скорости воздуха в дополнительной камере и в канале, соединяющем ее с основ¬ ной камерой сгорания. При этом процессе давление впрыскивания свыше 450 бар не дает никаких преимуществ.

 

Направление и количество факелов впрыскивания

 

Двигатели с непосредственным впрыском топлива

 

Дизели с непосредственным впрыском топлива оснащаются, как правило, центрально расположенными форсунками с числом отверстий в распылителе от 4 до 10 (в большинстве случаев 6…8 отверстий). Факелы впрыскивания очень точно направлены в камеру сгорания. Отклонение направления впрыскивания уже на 2° от оптимального направления приводит к ощутимому повышению дымности отработавших газов и расхода топлива.

 

Двигатели с разделенными камерами сгорания

 

Дизели с разделенными камерами сгорания работают со штифтовыми распылителями, создающими только один факел.

 

Форсунка впрыскивает в предварительную или вихревую камеру топливо таким образом, что его факел, направленный точно в предкамеру, касается свечи накаливания. Отклонение от этого направления ведет к ухудшению условий использования воздуха для сгорания и затем к увеличению уровней концентрации черного дыма и эмиссии углеводородов.

 

Пример HTML-страницы

Добавить комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.