Непрямой впрыск

Метод подачи топлива в двигатель

Непрямой впрыск в двигателе внутреннего сгорания — это впрыск топлива , при котором топливо не впрыскивается непосредственно в камеру сгорания .

Бензиновые двигатели, оснащенные системами непрямого впрыска, в которых топливный инжектор подает топливо в какой-то момент до впускного клапана , в основном вышли из моды по сравнению с прямым впрыском . Однако некоторые производители, такие как Volkswagen, Toyota и Ford, разработали систему «двойного впрыска», сочетающую прямые форсунки с портовыми (непрямыми) форсунками, объединяя преимущества обоих типов впрыска топлива. Прямой впрыск позволяет точно дозировать топливо в камеру сгорания под высоким давлением, что может привести к большей мощности и топливной экономичности. Проблема с прямым впрыском заключается в том, что он обычно приводит к большему количеству твердых частиц , и поскольку топливо больше не контактирует с впускными клапанами, на впускных клапанах со временем может накапливаться углерод. Добавление непрямого впрыска сохраняет распыление топлива на впускных клапанах, уменьшая или устраняя накопление углерода на впускных клапанах, а в условиях низкой нагрузки непрямой впрыск обеспечивает лучшее смешивание топлива и воздуха. Эта система в основном используется в более дорогих моделях из-за дополнительных расходов и сложности.

Впрыск топлива во впускной клапан представляет собой распыление топлива на заднюю часть впускного клапана, что ускоряет его испарение. ^[1]

Дизельный двигатель с непрямым впрыском подает топливо в камеру сгорания, либо в предкамеру, либо в вихревую камеру, где начинается сгорание, а затем оно распространяется в основную камеру сгорания. Предкамера тщательно спроектирована для обеспечения адекватного смешивания распыленного топлива с воздухом, нагретым сжатием.

Бензиновые двигатели

Преимущество бензиновых двигателей с непрямым впрыском по сравнению с бензиновыми двигателями с прямым впрыском заключается в том, что отложения на впускных клапанах из системы вентиляции картера смываются топливом. ^[2] Двигатели с непрямым впрыском также, как правило, производят меньшее количество твердых частиц по сравнению с двигателями с прямым впрыском, поскольку топливо и воздух смешиваются более равномерно.

Непрямой впрыск с использованием камер предварительного сгорания также используется в двигателях с высокими эксплуатационными характеристиками, например, в автомобилях Формулы-1 , где он позволяет двигателю вырабатывать больше мощности при большей эффективности.

Дизельные двигатели

Обзор

Целью разделенной камеры сгорания является ускорение процесса сгорания и увеличение выходной мощности за счет увеличения частоты вращения двигателя. ^[3] Добавление предварительной камеры увеличивает потери тепла в системе охлаждения и, таким образом, снижает эффективность двигателя. Для запуска двигателя требуются свечи накаливания . В системе непрямого впрыска воздух движется быстро, смешивая топливо и воздух. Это упрощает конструкцию двигателя (поршневой головки, клапанов, инжектора, предварительной камеры и т. д.) и позволяет использовать менее жесткие конструкции, которые проще в производстве и надежнее. Прямой впрыск , напротив, использует медленно движущийся воздух и быстро движущееся топливо; как проектирование, так и производство инжекторов сложнее. Оптимизация потока воздуха в цилиндре намного сложнее, чем проектирование предварительной камеры. Между конструкцией инжектора и двигателя существует гораздо большая интеграция. ^[4] Именно по этой причине почти все автомобильные дизельные двигатели имели непрямой впрыск, пока доступность мощных систем моделирования CFD не сделала принятие прямого впрыска практичным. ^{[ необходима цитата ]}

Классификация камер непрямого сгорания

Вихревая камера

Вихревая камера Ricardo Comet

Вихревые камеры представляют собой сферические полости, расположенные в головке цилиндра и отделенные от цилиндра двигателя тангенциальным горлом. Около 50% воздуха поступает в вихревую камеру во время такта сжатия двигателя, создавая вихрь. ^[5] После сгорания продукты возвращаются через то же горло в главный цилиндр с гораздо более высокой скоростью, поэтому больше тепла теряется на стенках канала. Этот тип камеры находит применение в двигателях, в которых контроль топлива и стабильность двигателя важнее экономии топлива. Их также называют камерами Рикардо, названными в честь изобретателя сэра Гарри Рикардо . ^{[6] [7]}

Камера предварительного сгорания

Эта камера расположена в головке цилиндра и соединена с цилиндром двигателя небольшими отверстиями. Она занимает 40% от общего объема цилиндра. Во время такта сжатия воздух из главного цилиндра поступает в предкамеру. В этот момент топливо впрыскивается в предкамеру и начинается сгорание. Давление увеличивается, и капли топлива выдавливаются через небольшие отверстия в главный цилиндр, в результате чего получается очень хорошая смесь топлива и воздуха. Основная часть сгорания фактически происходит в главном цилиндре. Этот тип камеры сгорания имеет многотопливную способность, поскольку температура предкамеры испаряет топливо до того, как происходит основное событие сгорания. ^[8]

Камера с воздушной ячейкой

Система впрыска типа Acro, предшественница Lanova, также разработанная Францем Лангом

Воздушная камера представляет собой небольшую цилиндрическую камеру с отверстием на одном конце. Она установлена ​​более или менее соосно с инжектором, причем указанная ось параллельна головке поршня, при этом инжектор стреляет через небольшую полость, которая открыта для цилиндра в отверстие на конце воздушной камеры. Воздушная камера установлена ​​таким образом, чтобы минимизировать тепловой контакт с массой головки. Используется штифтовая форсунка с узким рисунком распыления. В ее верхней мертвой точке (ВМТ) большая часть массы заряда содержится в полости и воздушной камере. ^{[ необходима цитата ]}

Когда инжектор срабатывает, струя топлива попадает в воздушную камеру и воспламеняется. Это приводит к тому, что струя пламени вырывается из воздушной камеры прямо в струю топлива, все еще выходящую из инжектора. Тепло и турбулентность обеспечивают превосходные свойства испарения и смешивания топлива. Кроме того, поскольку большая часть сгорания происходит вне воздушной камеры в полости, которая напрямую сообщается с цилиндром, потери тепла при передаче горящего заряда в цилиндр меньше.

Впрыск воздуха в камеру сгорания можно рассматривать как компромисс между непрямым и прямым впрыском, позволяющий получить некоторые преимущества эффективности прямого впрыска, сохранив при этом простоту и легкость разработки непрямого впрыска. ^{[ необходима ссылка ]}

Камеры с воздушными ячейками обычно называют воздушными камерами Lanova. ^[9] Система сгорания Lanova была разработана компанией Lanova, которая была основана в 1929 году Францем Лангом, Готтхардом Вилихом и Альбертом Вилихом. ^[10]

В США система Lanova использовалась компанией Mack Trucks . Примером может служить дизельный двигатель Mack-Lanova ED, установленный на грузовике Mack NR .

Преимущества камер сгорания с непрямым впрыском

• Возможно производство меньших дизелей.
• Необходимое давление впрыска низкое, поэтому инжектор дешевле в производстве.
• Направление инъекции имеет меньшее значение.
• Непрямой впрыск гораздо проще в проектировании и производстве, особенно для бензиновых двигателей. Требуется меньше разработки инжектора, а давление впрыска низкое (1500 фунтов на квадратный дюйм/100 бар против 5000 фунтов на квадратный дюйм/345 бар и выше для прямого впрыска)
• Более низкие нагрузки, которые непрямой впрыск накладывает на внутренние компоненты, означают, что можно производить бензиновые и непрямой впрыск дизельных версий одного и того же базового двигателя. В лучшем случае такие типы отличались только головкой блока цилиндров и необходимостью установки распределителя и свечей зажигания в бензиновой версии, в то время как в дизельной версии устанавливались инжекторный насос и форсунки . Примерами служат двигатели BMC A-Series и B-Series , а также 4-цилиндровые типы Land Rover 2,25/2,5 литра . Такие конструкции позволяют создавать бензиновые и дизельные версии одного и того же автомобиля с минимальными изменениями в конструкции между ними.
• Можно достичь более высоких оборотов двигателя, поскольку горение продолжается в форкамере.
• Альтернативные виды топлива, такие как биодизель и отработанное растительное масло , с меньшей вероятностью повредят топливную систему в дизельном двигателе с непрямым впрыском, поскольку не требуется высокое давление впрыска. В двигателях с прямым впрыском (особенно современных двигателях, использующих топливные системы Common Rail высокого давления ) поддержание топливных фильтров в хорошем состоянии имеет более важное значение, поскольку мусор может повредить насосы и инжекторы при использовании отработанного растительного масла или отработанного моторного масла.

Недостатки

• Топливная эффективность дизельных двигателей ниже, чем у двигателей с прямым впрыском, поскольку большие открытые области имеют тенденцию рассеивать больше тепла, а воздух, проходящий через порты, имеет тенденцию увеличивать перепады давления. Однако использование более высоких степеней сжатия в некоторой степени сведет на нет эту неэффективность.
• Свечи накаливания необходимы для холодного запуска дизельных двигателей; многие дизельные двигатели с непрямым впрыском вообще не могут запуститься в холодную погоду без свечей накаливания.
• Поскольку тепло и давление сгорания воздействуют на очень небольшую область поршня , когда он выходит из камеры предварительного сгорания или вихревой камеры, такие двигатели менее подходят для высоких удельных выходных мощностей (таких как турбонаддув , наддув или настройка), чем дизели с прямым впрыском. Повышенная температура и давление на одну часть головки поршня вызывают неравномерное расширение, что может привести к трещинам, деформации или другим повреждениям, хотя достижения в технологиях производства позволили производителям в значительной степени смягчить последствия неравномерного расширения, что позволяет использовать турбонаддув в дизелях с непрямым впрыском.
• Двигатели с непрямым впрыском зачастую намного шумнее двигателей с системой Common Rail.
• Пусковую жидкость («эфир») часто нельзя использовать в дизельных двигателях с непрямым впрыском, поскольку свечи накаливания значительно увеличивают риск преждевременного зажигания по сравнению с дизельными двигателями с непосредственным впрыском.

Смотрите также

• Гарри Рикардо
• Проспер Л'Оранж
• Пламя предварительной смеси

Ссылки

1. Керр, Джим. «Прямой впрыск против впрыска через порт». The Chronicle Herald . Получено 28 июня 2016 г.
2. Смит, Скотт; Гюнтер, Грегори (2016-10-17). «Формирование отложений на впускных клапанах в бензиновых двигателях с непосредственным впрыском». SAE International Journal of Fuels and Lubricants . 9 (3): 558–566. doi :10.4271/2016-01-2252. ISSN  1946-3960.
3. Стоун, Ричард. «Введение в ICE», Palgrace Macmillan, 1999, стр. 224
4. Двухтактный двигатель
5. Электромеханические первичные двигатели: Электродвигатели. Macmillan International Higher Education. 18 июня 1971 г. стр. 21–. ISBN 978-1-349-01182-7.^{[ постоянная мертвая ссылка ]}
6. "Сэр Гарри Рикардо". oldengine.org. Архивировано из оригинала 17 октября 2010 года . Получено 8 января 2017 года .
7. Демпси, П. (1995). Устранение неисправностей и ремонт дизельных двигателей. TAB Books. стр. 127. ISBN 9780070163485. Получено 8 января 2017 г.
8. Демпси, Пол (2007). Устранение неисправностей и ремонт дизельных двигателей. McGraw Hill Professional. ISBN 9780071595186. Получено 2 декабря 2017 г.
9. Демпси, П. (1995). Устранение неисправностей и ремонт дизельных двигателей. TAB Books. стр. 128. ISBN 9780070163485. Получено 8 января 2017 г.
10. "The Lanova Combustion System". The Commercial Motor . 6 января 1933 г. Получено 11 ноября 2017 г.