Что такое прямой впрыск топлива на бензиновом двигателе

Непосредственный впрыск

Схема двигателя Volkswagen FSI с непосредственным впрыском бензина

Первые системы впрыска бензина непосредственно в цилиндры двигателя появились еще в первой половине ХХ в. и использовались на авиационных двигателях. Попытки применения непосредственного впрыска в бензиновых двигателях автомобилей были прекращены в 40-е годы ХХ в., потому что такие двигатели получались дорогостоящими, неэкономичными и сильно дымили на режимах большой мощности. Впрыскивание бензина непосредственно в цилиндры связано с определенными трудностями. Форсунки для непосредственного впрыска бензина работают в более сложных условиях, чем те, что установлены во впускном трубопроводе. Головка блока, в которую должны устанавливаться такие форсунки, получается более сложной и дорогой. Время, отводимое на процесс смесеобразования при непосредственном впрыске, существенно уменьшается, а значит, для хорошего смесеобразования необходимо подавать бензин под большим давлением.
Со всеми этими трудностями удалось справиться специалистам компании Mitsubishi, которая впервые применила систему непосредственного впрыска бензина на автомобильных двигателях. Первый серийный автомобиль Mitsubishi Galant с двигателем 1,8 GDI (Gasoline Direct Injection — непосредственный впрыск бензина) появился в 1996 г.
Преимущества системы непосредственного впрыска заключаются в основном в улучшении топливной экономичности, а также и некоторого повышения мощности. Первое объясняется способностью двигателя с системой непосредственного впрыска работать на очень бедных смесях. Повышение мощности обусловлено в основном тем, что организация процесса подачи топлива в цилиндры двигателя позволяет повысить степень сжатия до 12,5 (в обычных двигателях, работающих на бензине, редко удается установить степень сжатия свыше 10 из-за наступления детонации).

Форсунка двигателя GDI может работать в двух режимах, обеспечивая мощный (а) или компактный (б) факел распыленного бензина

В двигателе GDI топливный насос обеспечивает давление 5 МПа. Электромагнитная форсунка, установленная в головке блока цилиндров, впрыскивает бензин непосредственно в цилиндр двигателя и может работать в двух режимах. В зависимости от подаваемого электрического сигнала она может впрыскивать топливо или мощным коническим факелом, или компактной струей.

Поршень двигателя с непосредственным впрыском бензина имеет специальную форму (процесс сгорания над поршнем)

Днище поршня имеет специальную форму в виде сферической выемки. Такая форма позволяет закрутить поступающий воздух, направить впрыскиваемое топливо к свече зажигания, установленной по центру камеры сгорания. Впускной трубопровод расположен не сбоку, а вертикально сверху. Он не имеет резких изгибов, и поэтому воздух поступает с высокой скоростью.

В работе двигателя с системой непосредственного впрыска можно выделить три различных режима:
1) режим работы на сверхбедных смесях;
2) режим работы на стехиометрической смеси;
3) режим резких ускорений с малых оборотов;
Первый режим используется в том случае, когда автомобиль движется без резких ускорений со скоростью порядка 100–120 км/ч. На этом режиме используется очень бедная горючая смесь с коэффициентом избытка воздуха более 2,7. В обычных условиях такая смесь не может воспламениться от искры, поэтому форсунка впрыскивает топливо компактным факелом в конце такта сжатия (как в дизеле). Сферическая выемка в поршне направляет струю топлива к электродам свечи зажигания, где высокая концентрация паров бензина обеспечивает возможность воспламенения смеси.
Второй режим используется при движении автомобиля с высокой скоростью и при резких ускорениях, когда необходимо получить высокую мощность. Такой режим движения требует стехиометрического состава смеси. Смесь такого состава легко воспламеняется, но у двигателя GDI повышена степень сжатия, и для того чтобы не наступала детонация, форсунка впрыскивает топливо мощным факелом. Мелко распыленное топливо заполняет цилиндр и, испаряясь, охлаждает поверхности цилиндра, снижая вероятность появления детонации.
Третий режим необходим для получения большого крутящего момента при резком нажатии педали «газа», когда двигатель работает на малых оборотах. Этот режим работы двигателя отличается тем, что в течение одного цикла форсунка срабатывает два раза. Во время такта впуска в цилиндр для его охлаждения мощным факелом впрыскивается сверхбедная смесь (α=4,1). В конце такта сжатия форсунка еще раз впрыскивает топливо, но компактным факелом. При этом смесь в цилиндре обогащается и детонация не наступает.
По сравнению с обычным двигателем с системой питания с распределенным впрыском бензина, двигатель с системой GDI примерно на 10 % экономичнее и выбрасывает в атмосферу на 20 % меньше углекислого газа. Повышение мощности двигателя доходит до 10 %. Однако, как показала эксплуатация автомобилей с двигателями такого типа, они очень чувствительны к содержанию серы в бензине. Оригинальный процесс непосредственного впрыска бензина разработала компания Orbital. В этом процессе в цилиндры двигателя впрыскивается бензин, заранее смешанный с воздухом с помощью специальной форсунки. Форсунка компании Orbital состоит из двух жиклеров, топливного и воздушного.

Работа форсунки Orbital

Читать еще:  Что представляет собой механическая характеристика двигателя

Воздух к воздушным жиклерам поступает в сжатом виде от специального компрессора при давлении 0,65 МПа. Давление топлива составляет 0,8 МПа. Сначала срабатывает топливный жиклер, а затем в нужный момент и воздушный, поэтому в цилиндр, мощным факелом впрыскивается топливно-воздушная смесь в виде аэрозоля.
Форсунка, установленная в головке цилиндра рядом со свечой зажигания, впрыскивает топливно-воздушную струю непосредственно на электроды свечи зажигания, что обеспечивает ее хорошее воспламенение.

Конструктивные особенности двигателя с непосредственным впрыском бензина Audi 2.0 FSI

Прямой впрыск метана

Компания Bosch возглавила консорциум по разработке и совершенствованию систем впрыска сжатого природного газа.

Непосредственный впрыск можно использовать не только в дизельных и бензиновых двигателях. Эта система подачи топлива способна сделать еще более экономичными и экологичными двигатели, работающие на сжатом природном газе (метане). По сравнению с нынешними системами, использующими многоточечный впрыск газа в коллектор, перспективная система непосредственного впрыска топлива способна на 60% увеличить крутящий момент на низких оборотах, и в будущем способна повысить динамические характеристики автомобилей с газобаллонным оборудованием. Тем не менее, до сих пор нет ни одной технологии для непосредственно впрыска природного газа в камеру сгорания двигателя. В проекте Direct4Gas исследователи пытаются разработать систему прямого впрыска для двигателей, которые работают исключительно на сжатом метане.

Современные автомобили, работающие на сжатом природном газе, как правило, могут работать и на бензине, и на газе. Двигатели этих автомобилей укомплектованы системой впрыска бензина, а во время работы на метане эти автомобили используют дополнительную топливную систему. «Проблема такой ситуации в том, что ни процесс сгорания, ни показатели КПД, ни образование выбросов не могут быть оптимизированы. Метан, как и бензин, нужно впрыскивать непосредственно в камеру сгорания, – говорит д-р Андреас Биркефельд, руководитель проекта Direct4Gas в Robert Bosch GmbH. – Поскольку метан и бензин работают по-разному при прямом впрыске, важно оптимизировать процесс сгорания для метана».

В проекте Direct4Gas исследователи и инженеры разрабатывают систему непосредственного впрыска, способную быть особенно надежной, герметичной и прочной, и дозировать точное количество газового топлива для впрыска. Модификации самого двигателя сведены к минимуму, так что промышленность может продолжать использовать те же компоненты, что и для бензиновых двигателей. Команда проекта комплектует экспериментальные газовые двигатели недавно разработанным клапаном впрыска высокого давления. Систему предполагается тестировать в лаборатории и непосредственно на транспортных средствах. Исследователи также изучают образование топливно-воздушной смеси, процесс управления зажиганием и образование токсичных газов. По мнению инженеров, непосредственный впрыск способен на 60% увеличить крутящий момент при низких оборотах двигателя. Это сделало бы двигатели на метане в будущем значительно динамичнее.

Долгосрочная цель консорциума поставщиков автомобильных компонентов и автопроизводителей – это создание условий, при которых технология сможет выйти на рынок. Проект Direct4Gas является важным шагом на пути к этой цели. Компания Robert Bosch GmbH возглавляет этот консорциум. Партнерами проекта выступают Daimler AG и Штутгартский научно-исследовательский институт автомобильной техники и двигателей (FKFS). Компания AG & Co. KG является ассоциированным партнером. После резолюции Бундестага, в рамках инициативы «Повышение эффективности трансмиссии транспортного средства», Федеральное министерство экономики и энергетики на проект Direct4Gas выделило 3,8 млн евро. Проект будет работать с 2015 до января 2017 года.

Бензиновые двигатели FSI

телефон:
+7 495 212-91-03
г. Москва
проезд Завода Серп и Молот, 5
c 10 до 20, кроме воскресенья

Двигатели FSI

Двигатели FSI (Fuel Stratified Injection — послойный впрыск топлива) превосходят двигатели с впрыском бензина во впускной коллектор по показателям экономичности, выброса вредных веществ и динамики. Это одна из самых инновационных технологий в ряду двигателей с непосредственным впрыском.

Основной принцип работы FSI — впрыск топлива непосредственно в камеру сгорания. Форсунки имеют по шесть отверстий и с большой точностью распределяют сверхтонкие струи топлива по камере, а поток воздуха управляется заслонками движения заряда — все это обеспечивает однородность топливовоздушной смеси и эффективность процесса сгорания.

Необходимое давление впрыска поддерживает насос высокого давления нового типа. Он приводится в действие четырехсторонним кулачком распределительного вала выпускных клапанов. Такое решение уменьшает требуемую рабочую силу, повышает точность работы, позволяя снизить токсичность отработавших газов. Его рабочий процесс поддерживается движением воздуха в цилиндрах двигателя, интенсивность которого регулируется в зависимости от скоростного и нагрузочного режимов, обеспечивая образование послойной или гомогенной (однородной) смеси. Еще одна «фишка» — двойной впрыск (распределение подаваемого топлива между тактом впрыска и тактом сжатия) — также способствует образованию однородной топливовоздушной смеси и прогреву каталитического нейтрализатора после запуска холодного двигателя.

Первым двигателем с системой FSI стал мотор рабочим объемом 1,4 литра, мощностью 86 л.с. при 5000 об./мин и крутящим моментом — 130 Н·м при 3500 об./мин., разработанный еще в конце 2000 года специалистами концерна Volkswagen для автомобиля Lupo.

Читать еще:  L200 расход топлива дизельного двигателя

На практике двигатели FSI совмещают хорошие динамические и мощностные показатели с умеренным расходом топлива. Технология FSI уже предоставила убедительные доказательства своей эффективности, обеспечив четыре победы модели R8 на автогонках в Ле-Мане. В общем, похоже, титул «Двигатель года» этот мотор получил не зря Прелесть системы FSI заключается в том, что мотор способен живо откликаться на педаль акселератора в достаточно широком диапазоне оборотов, но при этом его характеристики не сглажены, взрывной характер весьма ощутим. Что особенно приятно при разгоне или ускорениях, необходимых для обгонов на трассе.

Технические преимущества бензинового двигателя FSI с прямым впрыском топлива:

  • Благодаря электромагнитному клапану возможно точно определить момент впрыска топлива в камеру сгорания
  • Распределительный вал, поворачивающийся на 40°, обеспечивает хорошую тягу на малых и средних оборотах двигателя
  • Рециркуляция отработанных газов значительно снижает уровень эмиссии вредных веществ в атмосферу
  • По сравнению с обычным бензиновым двигателем экономия топлива составляет до 15%

Концерн Volkswagren Audi, стал первым в мире автопроизводителем, сочетающим в своих двигателях непосредственный впрыск бензина с турбонаддувом. Например, двигатель 2,0 TFSI начал свою успешное восхождение на Олимп славы с модели Audi A3 Sportback. Сейчас 2,0 TFSI устанавливается также на Audi A4, A6 и выпускается в трёх мощностных вариантах: от 170 до 220 л.с. В 2006 году 2.0T FSI удостоился почетно звания «Двигатель года» за инновационные разработки в области бензиновых двигателей с впрыском.

На данный момент линейка бензиновых двигателей FSI состоит из множества двигателей рабочим объемом от 1,4 до 5,2 литра и устанавливается практически весь модельный ряд концерна Audi Volkswagen.

Наш сервис Фольксваген и Ауди ремонтирует бензиновые двигатели FSI как с турбонаддувом, так и без него. Записаться на ремонт можно по телефону

Bezнепрямой впрыск бензина… A może jednak nie?

Когда в популярном легковом автомобиле появилась система прямого впрыска бензина, инженеры были в восторге. Более точная дозировка топлива, более эффективное сгорание, большая мощность, возможность получения более высокой степени сжатия — казалось, что новое решение имеет только преимущества.

Однако вскоре оказалось, что во время разработки прямой впрыск бензина не произвел революцию в работе двигателя внутреннего сгорания, и, кроме того, были эксплуатационные проблемы. Запасные части достигли астрономических цен. Известная японская компания, которая хотела стать пионером прямого впрыска, быстро остыла от первоначального энтузиазма. То же самое произошло с французскими решениями, которые появились на рынке, как только они были выведены из него.

Однако с тех пор прошло много времени, и сегодня почти все бренды ориентированы на прямой впрыск бензина. Однако есть и такие, которые пытаются совместить старое и новое. Нет, вы не ошибаетесь: речь идет о двигателе, который помимо инжекторов, подающих топливо непосредственно в цилиндр, также имеет форсунки, которые когда-то можно было найти в каждом «бензобоеке», установленный на впускном коллекторе и подающий топливо непосредственно перед всасывающими клапанами.

Такое решение может быть найдено, например, в безнаддувном двигателе Toyota GT86, в системе впрыска D-4S которого используются оба типа впрыска бензина. Однако это двигатель с типичными спортивными характеристиками, довольно сильный (100 л.с. на литр рабочего объема), и кто-то может обвинить нас в описании экстремальных технических решений.

VW Passat 1.8 TSI — классика жанра

Audi 1.8 TFSI: двигатель с «двойным» впрыском

Итак, мы приведем еще один пример, и он исходит от Audi. Именно этот производитель три года назад представил двигатель 1.8 TFSI, который также использует оба типа впрыска топлива, и в то же время может похвастаться инновационными техническими решениями и постоянным стремлением уменьшить сгорание.

Благодаря использованию турбонаддува, изменяемого фаз газораспределения и регулируемого подъема клапана двигатель 1.8 TFSI предлагает параметры, о которых водители даже не мечтали десять лет назад. Крутящий момент не только достигает типичного значения дизеля в 320 Нм, но также доступен — внимание — 1400 об / мин! И оно не уменьшается до 3700 оборотов. Выше этой скорости двигатель Audi работает в соответствии с характеристиками постоянной мощности, что обеспечивает эффективное переключение передач: максимальная мощность двигателя 1,8 TFSI составляет 170 л.с. при 3800-6200 об / мин. Несмотря на эти параметры, ожидается, что новый дизайн будет сжигать более чем на двадцать процентов меньше топлива, чем предыдущий двигатель мощностью 160 л.с.

По данным Audi, использование «двойной» системы впрыска бензина имеет значительную долю в характеристиках нового двигателя. Как это работает Правило оказывается довольно простым. Во время холодного запуска запускаются инжекторы, подающие бензин непосредственно в цилиндр. Когда двигатель 1.8 TFSI прогревается, косвенный впрыск работает при частичной нагрузке, подает топливо во впускной коллектор — как в старые добрые времена. Только при полном газе прямой впрыск снова становится активным, что позволяет достичь максимальной мощности и крутящего момента.

Читать еще:  Волга 31029 402 двигатель сколько

Прямая или непрямая инъекция?

Кто-то может спросить: «а какая разница, куда мы будем закачивать газ?» Каждый тип инъекций имеет свою специфику. Традиционный многоточечный впрыск, где топливо впрыскивается во впускной коллектор непосредственно перед впускными клапанами, проще и дешевле в разработке. Давление в топливной магистрали намного ниже, чем при прямом впрыске.

Тот факт, что топливо распыляется во всасывающей трубе, имеет свои плюсы и минусы. Преимущество: во время рабочего цикла форсунка имеет относительно длительное время для подачи нужного количества топлива, а когда двигатель прогревается, топливо успевает испариться, что выгодно. С другой стороны, когда двигатель холодный, бензин конденсируется на стенках впускного коллектора и поступает в цилиндр в виде капель, которые не всегда горят полностью. Это явление может увеличить сгорание и ухудшить чистоту выхлопа.

Прямой впрыск лишен этого недостатка — здесь топливо распыляется за долю секунды до взрыва, и его путь к свече зажигания с холодным (а также теплым) двигателем очень короткий. Когда двигатель прогревается и мы хотим использовать его полную мощность, испаряющееся топливо со стенок цилиндра охлаждает его, и это позволяет использовать высокую степень сжатия. К сожалению, преимущества прямого впрыска связаны со значительным увеличением сложности и точности системы впрыска — в описанном двигателе Audi 1.8 TFSI давление в топливной магистрали составляет 200 бар.

VW Golf 1.2 TSI — популярность в качестве стандарта

Следует также помнить, что форсунки в системе непосредственного впрыска подвергаются воздействию температур в несколько сотен градусов Цельсия, поскольку их наконечники расположены в цилиндрах двигателя. Между тем, традиционная инъекция MPI — это инжекторы во впускном коллекторе — и это намного, намного прохладнее.

Мы сосредоточились только на системе впрыска, а энциклопедию можно было бы написать о двигателе Audi 1.8 TFSI и его конкурентах из конюшен других марок. Не кажется ли вам, что сложность современных бензиновых двигателей уже настолько велика, что предел здравого смысла был превышен? И речь идет не только о впрыске топлива, но и о целом пакете решений, которые делают приводные блоки такими высокими параметрами: двойной наддув, двойные системы охлаждения, переменные фазы фаз, съемные цилиндры, сложные и дорогие системы управления, десятки дорогих датчиков . И мы говорим о Держу пари, что инженеры еще не сказали последнее слово!

Вот старая, хорошая многоточечная инъекция MPI. Инжектор, расположенный во впускном канале двигателя внутреннего сгорания, подает топливо во всасывающий клапан. Если двигатель теплый, бензин успевает испариться, а когда открывается всасывающий клапан, топливо уже частично испаряется. И пары бензина — прекрасная воздушно-топливная смесь. В первых системах многоточечного впрыска все инжекторы работали одновременно. Это означает, что в четырехцилиндровом двигателе три впрыска были сделаны для закрытого всасывающего клапана, и только один впрыск имел место, когда всасывающий клапан был открыт. В случае последовательного впрыска инжекторы каждого цилиндра получают индивидуальные сигналы управления.

Прямой впрыск бензина — это то, что сегодня самое модное. Большое преимущество этого решения состоит в том, что впрыскиваемое топливо значительно снижает температуру в цилиндре при высоких нагрузках на двигатель. В результате степень сжатия может быть увеличена, особенно в двигателях с наддувом. В последнем случае давление наддува может быть дополнительно увеличено. Обе процедуры широко используются в современных двигателях.

Audi в своем бензиновом двигателе 1.8 TFSI 180 HP решила использовать оба известных типа впрыска бензина: прямой и косвенный. Первый используется при частичной нагрузке, поэтому — если кто-то ездит разумно — чаще всего. Прямой впрыск работает, когда мы требуем максимальной мощности от двигателя, а также во время фазы прогрева двигателя после холодного запуска.

В системах прямого впрыска бензина давление в топливной магистрали достигает до 200 бар и, таким образом, намного выше, чем в традиционных системах впрыска с впрыском топлива (MPI). Для двигателей с прямым впрыском бензина стандарт защиты от утечек топлива должен быть повышен.

И вот главный герой всей этой суматохи: бензиновый инжектор. Он сделан с использованием новейших технологий лазерного сверления. Наконечник инжектора, расположенный в цилиндре двигателя, должен выдерживать очень высокие температуры, достигающие нескольких сотен градусов Цельсия. Когда инжектор изнашивается, качество распыления топлива снижается.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector