Энергопреобразования в инжекторных двигателях
Анализ существующих систем впрыскивания топлива в двигателей
С принудительным воспламенением и особенностей их конструкции
Впрыскивание топлива в воздушный заряд двигателей под избыточным давлением как альтернатива образования горючей топливовоздушной смеси за счет использования «подсасывающего» действия потока воздуха возникло и развивалось в самом начале появления поршневых двигателей с искровым зажиганием (еще в конце XIX века).
Вместе с тем, первый серийный двигатель с непосредственным впрыскиванием бензина был применен на автомобиле Mersedes-Benz 300SL тольков 1954 году, показавшем большие преимущества этого способа смесеобразования с точки зрения резкого улучшения динамики машины. Однако сложность и высокая стоимость аппаратуры непосредственного впрыскивания существенно тормозили их массовое применение. И только, начиная с 1961 года, когда сочли возможным перейти на впрыскивание бензина во впускной трубопровод, что существенно упростило топливную аппаратуру, применение таких систем стало стремительно расширяться. Дополнительным импульсом к этому послужил переход на электронное управление топливоподачей, что заметно улучшило функциональные характеристики двигателей.
Практически все последние модели бензиновых двигателей для новых автомобилей всех классов в подавляющем большинстве случаев оборудуются системами впрыскивания. При этом аппаратура для этих систем производится специализированными фирмами, в числе которых следует назвать немецкую фирму Bosch, General Motors (США), Lucas (Великобритания) и Hitaschi (Япония). О массовости применения систем впрыскивания бензина свидетельствует и тот факт, что в 1993 году одной только фирмой Bosch было выпущено более 11 миллионов комплектов этой аппаратуры.
|
|
|
Резкое увеличение применяемости систем впрыскивания топлива в двигателях с искровым зажиганием вызвано значительно большими возможностями удовлетворения возросшим требованиям в отношении экологических свойств и топливной экономичности автомобилей. При этом в наибольшей степени возможности и эффективность системы впрыскивания возросли с применением электронного управления топливоподачей.
Впрыскивание топлива позволило исключить недостатки, органически присущие карбюраторной системе топливопитания: высокие гидравлические сопротивления на впуске, сложность достижения необходимой точности дозирования компонентов горючей смеси, практическую невозможность равномерного распределения топлива по отдельным цилиндрам многоцилиндрового двигателя.
|
|
Отмеченные недостатки в значительной мере устраняют при применении взамен карбюрации смесеобразования, осуществляемого путем впрыскивания легкого топлива. Общая классификация систем впрыскивания приведена на рис. 1.1.1. 
|
|
|
Рис. 1.1.1. Классификация систем впрыскивания топлива в двигатели
с принудительным воспламенением
В современных ДВС впрыскивание может осуществляться либо непосредственно в цилиндр двигателя, либо во впускной трубопровод.
При применении непосредственного впрыскивания легкого топлива, осуществляемого в процессе сжатия, удается обеспечить высокую равномерность распределения топлива по цилиндрам, максимально повысить коэффициент наполнения. Последнее происходит как за счет отсутствия диффузора, увеличенного сечения впускного трубопровода и его настройки, обеспечивающей инерционный наддув, так и вследствие организации наполнения «чистым» воздухом, не содержащим паров топлива. Непосредственное впрыскивание позволяет также использовать охлаждающий эффект от испарения топлива в цилиндре, что дает возможность повысить степень сжатия и благоприятно влияет на снижение образования токсических оксидов азота. Однако системы непосредственного впрыскивания могут работать только при достаточно высоких давлениях впрыскивания (5...12 МПа), что требует применения дорогостоящей прецизионной топливной аппаратуры.
|
|
|
В этой связи предпочтительнее использовать центральную систему впрыскивания бензина во впускной трубопровод. В этом случае требуемое давление впрыскивания снижается до 0,2...0,4 МПа и является легко реализуемым.
Системы впрыскивания во впускной трубопровод (рис. 1.1.2) имеют минимальное гидравлическое сопротивление впускного тракта, а за счет подбора длин впускного трубопровода могут осуществлять инерционный наддув, что существенно повышает коэффициент наполнения.
Впрыскивание бензина во впускной трубопровод может осуществляться циклически в виде отдельных порций или непрерывно. При этом циклическое впрыскивание в распределенных системах реализуется либо синхронно с определенными тактами рабочего цикла каждого цилиндра (фазированное впрыскивание), либо в виде группового впрыскивания парой или одновременно всеми форсунками.
Рис. 1.1.2. Схема расположения форсунки при впрыскивании в зону впускного клапана: 1 - электромагнитная форсунка; 2 - впускной трубопровод; 3 - впускной клапан
В системах центрального впрыскивания обычно используется циклическая поддача топлива несколько раз за рабочий цикл двигателя.
|
|
|
При применении современных средств электронного управления системами впрыскивания с помощью микропроцессорных устройств удается добиться более равномерного распределения топлива по цилиндрам и высокой точности приближения состава смеси к оптимальному на всех режимах и при различных внешних условиях работы двигателя.
Все это позволяет существенно (на 10.. .15%) повысить мощность бензиновых двигателей по сравнению с карбюраторным топливопитанием и на 6...8% уменьшить расход топлива. За счет равномерного распределения топлива по цилиндрам, высокой точности дозирования и его корректировки с учетом минимизации эмиссии токсичных веществ удается значительно улучшить экологические свойства ДВС.
Эффективное энергопреобразование в двигателях с принудительным воспламенением требует, чтобы система топливопитания обеспечила приготовление гомогенизированной бензовоздушной смеси оптимального состава на всех режимах работы двигателя. Для осуществления этого требования необходимо чтобы при впрыскивании топлива во впускной трубопровод происходило дробление топливных струй на капли минимальных размеров, их прогрев, испарение и смешивание с воздушным зарядом.
Эксперименты [ 8 ] показывают, что при давлении впрыскивания 0,2 МПа, скорость топливной струи составляет всего 23 м/с, а диаметры капель находятся в диапазоне 250...800 мкм, что недостаточно для получения хорошо гомогенизированной смеси.
Степень гомогенизации смеси зависит от фазирования впрыскивания, т.е. от его временного положения в рабочем цикле двигателя.
Существует несколько разновидностей согласования момента впрыскивания топлива с фазами впуска свежего заряда, представленные на рис. 1.1.3.
Впрыскивание может быть одновременным, приходящимся на различные такты рабочего цикла, групповым, осуществляемым одновременно в одну группу цилиндров. Эти способы применялись в схемах первых поколений двигателей преимущественно с центральным впрыскиванием бензина и были обусловлены определенными ограничениями по быстродействию электронных блоков управления. Тогда же считалось, что изменение момента впрыскивания относительно фаз впуска незначительно влияет на показатели рабочего процесса.
Однако современные схемы распределенного впрыскивания бензина используют впрыскивание, синхронизированное с фазами впуска (рис. 1.1.3., в), осуществляемое в зону впускного клапана таким образом, чтобы окончание подачи топлива происходило непосредственно перед его открытием.
Считается, что впрыскивание топлива на стенку впускного канала на расстоянии 40.. .60 мм от тарелки закрытого клапана обеспечивает удовлетворительное протекание процесса гомогенизации в зоне впускного канала и его эффективное завершение во внутрицилиндровой полости. Поскольку впрыскивание топлива осуществляется непосредственно в зону впускного клапана, то в этом случае практически исключается повышение неравномерности подачи топлива по цилиндрам, обусловленное образование жидкой пленки на стенках впускного трубопровода.
Рис. 2.1.3. Схема согласования момента впрыскивания топлива с фазами впуска свежего заряда:
а - одновременное впрыскивание; б - групповое впрыскивание; в - впрыскивание,
синхронизированное с фазами впуска: ■- впрыскивание топлива; □— впуск;
ϟ - момент зажигания
Считается, что улучшение равномерности подачи воздуха в отдельные цилиндры может быть достигнуто также при ее регулировании за счет изменения высоты и продолжительности подъема впускных клапанов (система Valvetronic) вместо центральной дроссельной заслонки. Существенное значение для обеспечения качественного смесеобразования имеет продолжительность впрыскивания ( τ ), которая определяется быстродействием форсунки.
В первых образцах двигателей с электронным управлением применяли впрыскивание одновременно всеми форсунками (рис. 2.1.3., а), что упрощало схему управления. В более поздних конструкциях четырехцилиндровых двигателей используется групповое впрыскивание парой форсунок, а в шестицилиндровых - тремя форсунками одновременно.
При повышенном быстродействии блока управления и форсунок может применяться схема фазированного (рис. 2.1.3., в), а также двойного фазированного впрыскивания, при котором каждая форсунка подает топливо двумя порциями за каждый цикл, т.е. один раз за один оборот коленчатого вала двигателя.
Осуществление точечного принудительного воспламенения чрезвычайно критично по отношению к составу и гомогенизации горючей смеси. Наиболее надежное воспламенение и быстрое распространение фронта пламени может происходить только при обогащении смеси до коэффициента избытка воздуха (α) равного 0,85.. .0,95, а минимум удельного расхода топлива требует ее обеднения до α = 1,1... 1,2. Для поддержания необходимого состава смеси во всем диапазоне нагрузок применяется количественное регулирование, при котором с уменьшением нагрузки уменьшается общее количество горючей смеси, подаваемой в цилиндры двигателя.
При использовании систем эжекционного типа дозирование топлива происходит автоматически в зависимости от разрежения в диффузоре пропорционально квадрату объемного расхода воздуха, который регулируется изменением положения дроссельной заслонки.
В системах впрыскивания топлива его цикловая подача и расход воздуха непосредственно не связаны друг с другом. Отсюда требуется введение специального устройства, согласующего эти факторы и обеспечивающего требуемую программу изменения состава горючей смеси во всем поле эксплуатационных режимов.
В системах впрыскивания топлива применяют следующие два принципа управления дозированием смеси. Первый состоит в программном управлении цикловой подачей топлива, при котором в памяти электронного блока управления содержится определенная программа, связывающая выходной сигнал, управляющий подачей топлива форсунками, с входными параметрами, называемыми командными. Каждому сочетанию командных параметров соответствует определенное значение параметра, управляющего цикловой подачей топлива. Причем состав горючей смеси, задаваемый электронным блоком управления, приближается к оптимальному во всем поле эксплуатационных режимов.
Во втором случае используется программно-адаптивное управление с использованием принципа обратной связи. В адаптивном варианте система самонастраивается на поддержание постоянного (или предельно допустимого) значения одного командного параметра. Этот параметр подлежит прямому или косвенному измерению и его отклонение используется для корректирования выходной величины.
Дата добавления: 2018-05-13; просмотров: 306; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!