Переваги безпосереднього упорскування бензину

На двигунах з безпосереднім упорскуванням бензину досягається зниження витрат палива до 15%. Нижче описані окремі заходи, які дозволили це зробити.

Зменшення дроселювання при роботі двигуна на бідних пошаровій та гомогенній сумішах

При роботі двигуна на цих сумішах коефіцієнт надлишку повітря змінюється в межах від 1,55 до 3. При цьому дросельна заслінка відкривається на більший кут, тобто впуск повітря в циліндри здійснюється з меншим опором.

Робота двигуна на бідних сумішах

При застосуванні пошарового сумішоутворення вдається ефективно спалювати бідні суміші з коефіцієнтом надлишку повітря від 1,6 до 3, а при роботі двигуна на гомогенній бідній суміші коефіцієнт надлишку повітря дорівнює приблизно 1,55.

Зниження втрат тепла у стінки

Так як горіння суміші відбувається головним чином поблизу свічки запалювання, знижуються втрати тепла в стінки циліндра і, відповідно, підвищується термічний коефіцієнт корисної дії.

Спалювання гомогенної суміші з високим вмістом відпрацьованих газів

Завдяки високій турбулізації заряду циліндра двигуна вдається ефективно спалювати гомогенні бідні суміші з вмістом відпрацьованих газів до 25%.

Щоб впустити в циліндри ту саму кількість повітря, яке надходить у них під час перепуску невеликих доз відпрацьованих газів потрібно відкривати дросельну заслінку на більший кут. При цьому повітря засмоктується в циліндри з меншим опором, тобто знижуються насосні втрати.

Ступінь стиснення

При безпосередньому упорскуванні бензину тепло, що витрачається на його випаровування, відбирається у повітря, що поступає в циліндри двигуна. В результаті знижується ймовірність детонаційного згоряння та ступінь стиснення може бути підвищено. Підвищення ступеня стиснення призводить до зростання тиску в кінці стиснення і, відповідно, до збільшення термічного коефіцієнта корисної дії.

Розширення діапазону примусового холостого ходу з вимкненою подачею палива

Частота обертання холостого ходу, на якій відбувається відновлення подачі палива, може бути знижена, тому що паливо, що впорскується, практично не осідає на стінках циліндра і більшу його частину може бути негайно використано. Тому двигун працює стійко зі зниженою частотою обертання.

Способи сумішоутворення

Крім бідної пошарової та стехіометричної гомогенної сумішей у двигуні з безпосереднім впорскуванням палива використовується суміш третього виду, а саме, бідна гомогенна суміш. Цей вид суміші дозволяє отримати меншу витрату палива, ніж суміш стехіометричного складу з добавкою відпрацьованих газів.

Вибір того чи іншого способу сумішоутворення проводиться блоком управління двигуном в залежності від крутного моменту та потужності двигуна з урахуванням вимог до викиду шкідливих речовин та вимог безпеки.

Робота двигуна при пошаровому сумішоутворенні

Пошарове сумішоутворення використовується при роботі двигуна на малих та середніх навантаженнях та частотах обертання.

Завдяки пошаровому розподілу палива в камері згоряння двигун працює при загальному коефіцієнті надлишку повітря від 1,6 до 3.

• У середній частині камери згоряння, поблизу свічки запалювання, легкозаймиста робоча суміш.

• Ця суміш оточена оболонкою, що перебуває в ідеальному випадку з чистого повітря та відпрацьованих газів

Робота двигуна на бідній гомогенній суміші

На проміжних режимах, розташованих між режимами роботи двигуна на пошарової суміші та гомогенної стехіометричній суміші, використовуються бідна гомогенна суміш.

Коефіцієнт надлишку повітря бідної гомогенної, тобто однорідної у всьому обсязі камери згоряння, суміші приблизно дорівнює 1,55.

Робота двигуна на гомогенній стехіометричній суміші

Двигун працює на гомогенній стехіометричній суміші при виході на режими великих навантажень та високих частот обертання. Коефіцієнт надлишку повітря цієї суміші дорівнює (згідно з визначенням) одиниці.

Робочий процес визначається способом сумішоутворення та процесами перетворення енергії у камері згоряння.

Робота двигуна на гомогенних сумішах

При роботі двигуна на гомогенних сумішах паливо впорскується в циліндр на такті впуску і рівномірно розподіляється по всій масі повітря, що засмоктується.

Робота двигуна при пошаровому сумішоутворенні

Пошарова суміш формуються біля свічки запалювання за допомогою поршня спеціальної форми та за рахунок вихрового руху повітря.

Форсунка розташована так, що паливо, що впорскується нею, прямує на виїмку в днищі поршня і відхиляється її стінкою у напрямку свічки запалювання.

За допомогою встановленої у впускному каналі заслінки та аеродинамічної виїмки в поршні в циліндрі двигуна створюється вихровий рух повітря, який підтримує перенесення палива до свічки запалювання. Таким чином горюча суміш утворюється в процесі руху палива та повітря.

Робота двигуна при пошаровому сумішоутворенні

Перехід двигуна на режим роботи з використанням пошарової суміші здійснюється за наступних умов:

• навантаження та частота обертання двигуна відповідають режимам, на яких ефективне використання пошарового сумішоутворення;

• системою не зареєстрована несправність, через яку може підвищитися викид шкідливих речовин;

• температура охолоджуючої рідини вище 50 °C;

• датчик датчик окислів азоту справний;

• температура накопичувального нейтралізатора знаходиться в межах від 250°C до 500°C.

Якщо ці передумови виконані, можна перейти на пошарове сумішоутворення.

Процес впуску

При роботі на пошаровій суміші дросельну заслінку відкривають по можливості більше, щоб до максимуму знизити втрати на дроселювання.

При цьому встановлена у впускному каналі допоміжна заслінка (впускна заслінка) перекриває його нижню частину. В результаті підвищується швидкість потоку повітря, що проходить через верхню частину каналу, і яке потім закручується в циліндрі.

Дросельна заслінка не повинна відкриватися повністю, тому що для нормального функціонування адсорбера та системи рециркуляції відпрацьованих газів завжди необхідне певне розрідження у впускній системі.

Рух повітря в циліндрі двигуна

Спеціальна форма виїмки в днищі поршня сприяє утворенню та посиленню вихору в циліндрі двигуна.

Впорскування палива

Паливо впорскується в останній третині такту стиснення. Впорскування починається приблизно за 60° і закінчується приблизно за 45° до ВМТ такту стиснення.

Початок упорскування значно впливає на розташування хмарки суміші відносно свічки запалювання.

Паливо впорскується в напрямку паливної виїмки в поршні.

Бажані розміри хмарки суміші досягаються підбором геометричних параметрів форсунки.

Спеціальна форма паливної виїмки та рух поршня до ВМТ сприяють відхиленню руху крапель палива до свічки запалювання. Цей рух палива підтримується вихровим рухом повітря. В процесі руху до свічки запалювання паливо змішується з повітрям, що надійшло в циліндр.

Процес сумішоутворення

Для утворення пошарової суміші надається час, відповідний повороту колінчастого валу на 40°...50°. Від тривалості цього процесу залежить здатність суміші до займання. Якщо час між упорскуванням та моментом подачі іскри занадто малий, суміш виявляється не підготовленою до займання. При занадто великому проміжку часу між цими процесами суміш розподіляється по всьому об'єму камери згоряння.

При виконанні зазначених вище умов у центрі камери згоряння, тобто поблизу свічки, утворюється легкозаймиста суміш. Ця суміш оточена оболонкою, що складається зі свіжого повітря та відпрацьованих газів.

Загальний коефіцієнт надлишку повітря у камері згоряння може дорівнювати при цьому від 1,6 до 3.

Процес згоряння

Після надходження паливно-повітряної суміші до свічки запалювання вона підпалюється іскрою. При цьому займається тільки хмара суміші, у той час як інші гази утворюють її оболонку. Завдяки ізолюючій дії цієї оболонки знижуються втрати тепла в стінки камери згоряння та відповідно збільшується термічний ККД двигуна.

Запалювання суміші повинно виконуватись в кінці такту стиснення в межах достатньо вузького кута повороту колінчастого валу, обмеженого моментом закінчення упорскування палива та проміжком часу, необхідного для утворення суміші.

При використанні пошарового сумішоутворення крутний момент двигуна залежить головним чином від кількості палива, що впорскується. Маса повітря, що надходить в циліндри, і кут випередження запалення впливають на нього невеликою мірою.

Робота двигуна на бідній гомогенній суміші

Ця суміш використовується на режимах, що знаходяться в полі багатопараметрової характеристики між режимами роботи двигуна при пошаровому сумішоутворенні та режимами його роботи на гомогенній стехіометричній суміші. Коефіцієнт надлишку повітря цієї суміші дорівнює майже 1,55. Двигун може ефективно працювати на цій суміші за тих же умов, які призначені для пошарової суміші.

Процес впуску

Як при пошаровому сумішоутворенні, робота двигуна на бідній гомогенній суміші здійснюється з максимально відкритою дросельною заслінкою при закритих впускних заслінках. При цьому знижуються втрати на дроселювання та створюється інтенсивний рух повітря в циліндрі двигуна.

Процес впорскування палива

Впорскування палива здійснюється безпосередньо в циліндр в процесі впуску. Воно починається приблизно за 300 ° до ВМТ такту стиснення. При цьому блок керування двигуном регулює подачу палива таким чином, щоб коефіцієнт надлишку повітря дорівнював приблизно 1,55.

Процес сумішоутворення

Завдяки ранньому моменту впорскування надається досить великий час до моменту запалювання для утворення гомогенної суміші у всьому обсязі камери згоряння.

Процес згоряння

Як і при роботі на будь-якій гомогенній суміші момент запалювання не залежить від процесу сумішоутворення. Суміш при цьому горить у всьому об'ємі камери згоряння.

Робота двигуна на гомогенній стехіометричній суміші

Роботу двигуна на гомогенній стехіометричній суміші можна порівняти з роботою двигуна з впорскуванням бензину у впускний трубопровід. 

Істотна відмінність полягає тільки у місці впорскування палива, що виконується в даному випадку безпосередньо в циліндри двигуна.

Крутний момент двигуна може бути змінений як зміщенням кута випередження запалювання (короткочасно), так і зміною маси повітря, що надходить у циліндри (довгочасно). При цьому впорскується така кількість палива, яка необхідна для утворення стехіометричної суміші, коефіцієнт надлишку повітря якої (за визначенням) дорівнює одиниці.

Процес впуску

Дросельна заслінка відкривається відповідно до переміщення педалі акселератора.

Впускна заслінка може бути відкрита або закрита в залежності від режиму роботи двигуна:

• при часткових навантаженнях та в середньому діапазоні частот обертання ця заслінка закрита, внаслідок чого потік повітря, що входить в циліндр закручується, покращуючи сумішоутворення.

• по мірі збільшення навантаження та частоти обертання надходження повітря тільки через верхню частину впускного каналу виявляється недостатнім. Тому заслінку повертають, відкриваючи нижню частину впускного каналу.

Впорскування палива

Впорскування палива виконується безпосередньо в циліндр на такті впуску приблизно за 300 ° до ВМТ такту стиснення.

Необхідне для випаровування палива тепло відбирається у повітря, що надійшло в циліндр, внаслідок чого це повітря охолоджується. Завдяки цьому можна підняти ступінь стиснення у порівнянні з її значенням у двигунів з упорскуванням палива у впускні канали.

Процес сумішоутворення

Так як упорскування палива відбувається на такті впуску, на процес сумішоутворення приділяється відносно багато часу. Завдяки цьому впорскнуте в циліндр паливо рівномірно розподіляється по всьому обсягу повітря, що надійшло в нього.

Коефіцієнт надлишку повітря суміші у камері згоряння дорівнює одиниці.

Процес згоряння

Крутний момент двигуна, витрата палива та викид шкідливих речовин під час роботи на гомогенній суміші залежать від кута випередження запалювання.