Рис. 7.18. Плунжерная пара для впрыскивания бензина
Равномерное распределение рабочей смеси по всем цилиндрам и хорошая продувка цилиндров вследствие большого угла перекрытия клапанов позволили сдвинуть границу детонации в работающем авиационном двигателе, таким образом можно было повысить литровую мощность двигателя. Регулировка количества впрыскиваемого бензина выполнялась дроссельной заслонкой в зависимости от давления и температуры во впускном коллекторе. Кроме того, подача бензина немного увеличивалась с помощью высотного корректора при понижении атмосферного давления, так как при понижающемся давлении в цилиндре оставалось меньше отработавших газов.
В 1949 году были предприняты попытки оснастить системой впрыска бензина двухтактный двигатель. Результаты оказались настолько хороши, что в начале 50-х годов прошлого века началось серийное производство автомобилей «Goliath» и «Gutbrod» с двухтактными двигателями, оснащенными системой впрыска. Бензин впрыскивался непосредственно в цилиндр после закрытия выпускного окна во время такта сжатия. Литровую мощность двигателя удалось повысить, а удельный расход топлива — снизить, особенно при полной нагрузке и низкой частоте вращения коленчатого вала, поскольку потери при продувке карбюраторного двухтактного двигателя были очень высоки.
В то же время проводились эксперименты по расслоению рабочей смеси, которые показали, что даже на сильно обедненной смеси бензиновый двигатель может работать без пропусков зажигания. Массового распространения на автомобилях двухтактные двигатели так и не получили, поэтому выпуск систем впрыска для них через несколько лет свернули.
После Второй мировой войны компания «Daimler-Benz AG» начала разработку четырехтактных автомобильных моторов с системой впрыска бензина, используя опыт создания авиационных двигателей. Новые моторы сначала оснащались системой непосредственного впрыска. Под давлением от 50 до 100 бар форсунка впрыскивала топливо непосредственно в цилиндр во время такта впуска. В то время многоструйные форсунки не были защищены должным образом. Их отверстия легко забивались и коксовались, поэтому была разработана форсунка с затвором для предотвращения утечки бензина (рис. 7.19).
Рис. 7.19. Форсунка с затвором для предотвращения утечки бензина
Современные системы впрыска для непосредственной подачи бензина в камеру сгорания создают давление топлива до 200 бар и позволяют несколько впрыскиваний за один рабочий цикл путем применения пьезоклапанной форсунки (см. раздел 7.1.2.2). В то время, как в двухтактном двигателе топливо впрыскивается непосредственно в цилиндр для предотвращения потерь при продувке, в четырехтактном двигателе этого не требуется. По этой причине в большинстве четырехтактных моторов используется экономичное и технически простое впрыскивание топлива во впускной коллектор, которое производится под низким давлением (приблизительно 3,5 бар). Конструкция форсунки в большинстве случаев позволяет топливу при соответствующем выборе момента впрыскивания частично поступать непосредственно в камеру сгорания в обход впускного клапана.
При сравнении вариантов подачи топлива — непосредственного впрыска в цилиндр и впрыска во впускной коллектор — можно вывести следующие преимущества непосредственного впрыска:
- 1. Хорошее внутреннее охлаждение цилиндра путем испарения впрыскиваемого топлива. Чтобы наполнение цилиндра увеличилось, граница детонации сдвигается к более высокой степени сжатия. С увеличением степени сжатия увеличивается термический коэффициент полезного действия.
- 2. Так как форсунки не мешают движению потока воздуха во впускном коллекторе, наполнение цилиндра улучшается.
- 3. Во впускном коллекторе не скапливается топливо, вследствие чего улучшается качество смеси на переходных режимах работы двигателя.
- 4. Бедная рабочая смесь в камере сгорания ближе к свече зажигания настолько обогащается, что возможно надежное ее воспламенение (эффект расслоение смеси).
В то же время непосредственный впрыск топлива имеет следующие недостатки:
- 1. Форсунка в камере сгорания подвергается воздействию высоких температур и давления. Вследствие этого возникает опасность ее коксования, а также быстрого износа иглы распылителя форсунки.
- 2. Конструкция форсунки усложняет конструктивное исполнение камеры сгорания и всей головки блока цилиндров.
- 3. Высокое давление впрыскивания повышает износ всей топливной аппаратуры, а также увеличивает расход топлива.
На рис. 7.20 представлены варианты формы камеры сгорания и расположения форсунок для двигателя с системой впрыска топлива во впускной коллектор и системой непосредственного впрыска топлива в цилиндр. В двигателе с непосредственным впрыском топлива степень сжатия выше, чем в двигателе с впрыском во впускной коллектор — соответственно 12:1 против 10:1. При сравнимом рабочем объеме непосредственный впрыск обеспечивает расход топлива, сниженный примерно на 6%, и крутящий момент, возрастающий на 6-8%. Оба представленных двигателя имеют четыре клапана на цилиндр и одну расположенную в центре камеры сгорания свечу зажигания. В результате камера сгорания получается компактной, что обеспечивает хорошее распространение фронта пламени после воспламенения рабочей смеси.
Рис. 7.20 а. 1,6-литровый двигатель с системой впрыска топлива во впускной коллектор производства компании «Adam Opel GmbH» |
Рис. 7.20 b. 2,2-литровый двигатель с системой непосредственного впрыска топлива в цилиндр производства компании «Adam Opel GmbH» |
Для лучшего отображения положения форсунки на рис. 7.20b разрез камеры сгорания выполнен несимметричным, поэтому на изображении отсутствует впускной клапан. Такой двигатель предназначен для равномерной работы при λ=1, что требует хорошего смешивания впрыскиваемого топлива с впускаемым воздухом. Для улучшения необходимого для этого движения заряда смеси в обоих впускных каналах находится заслонка, которую при необходимости можно закрыть. При этом, благодаря соответствующей конструкции второго впускного канала, можно вызвать в камере сгорания завихрения потока смеси, которые улучшают ее перемешивание и делают смесь более однородной.
При впрыскивании топлива во впускной коллектор форсунка убирается из камеры сгорания, подверженной высоким термическим и механическим нагрузкам. В этом случае конструкция головки блока цилиндров получается более простой и экономичной.
С тех пор, как бензиновые двигатели стали оснащаться системами впрыска топлива, началась конкуренция между системами впрыска и карбюраторами. По экологическим соображениям все современные бензиновые автомобильные двигатели оснащаются каталитическими нейтрализаторами, поэтому системы впрыска бензина окончательно заменили карбюратор. Бензиновые двигатели с нейтрализаторами работают с коэффициентом избытка воздуха λ=1, что проще обеспечить при наличии системы впрыска, чем при использовании карбюратора. Тем не менее обе системы смесеобразования имеют ряд преимуществ, которые перечислены ниже.
Преимущества системы впрыска бензина:
- лучшее наполнение цилиндра, так как впускной коллектор имеет простую форму и отсутствует лишнее сопротивление потоку воздуха в узких местах; большой угол перекрытия клапанов позволяет обеспечить хорошую продувку камеры сгорания и оптимальный вывод отработавших газов;
- сдвиг границы детонации двигателя в моторах с более высокой степенью сжатия, так как каждый цилиндр получает одинаковое количество смеси; возможно внутреннее охлаждение цилиндра с помощью испаренного топлива; можно вызвать расслоение рабочей смеси с богатой частью на свече зажигания и очень бедной частью в дальних областях камеры сгорания. Благодаря вышесказанному можно получить высокую литровую мощность двигателя.
- Небольшой удельный расход топлива; отсутствие потерь топлива при продувке цилиндра, без возникновения пропусков воспламенения; в режиме принудительного холостого хода топливо не впрыскивается; нет необходимости в устройствах, которые дополнительно обогащают рабочую смесь;
- незначительный осадок бензина во впускном коллекторе при пуске холодного двигателя;
- нечувствительность двигателя к его рабочему положению;
- точная регулировка соотношения количества бензина и количества воздуха в зависимости от изменения нагрузки и частоты вращения коленчатого вала. При этом возможно снижение расхода топлива, а также обеспечение требуемого уровня токсичности отработавших газов.
Преимуществами карбюратора считаются относительная простота конструкции и уменьшенная в сравнении с системой впрыска стоимость изготовления, а также сравнительно несложные обслуживание и регулировка. При увеличении затрат можно создать карбюратор, который по параметрам будет обеспечивать параметры рабочей смеси, близкие к параметрам смеси, подготовленной с помощью системы впрыска. Таков, например, карбюратор «Ecotronic». Разумеется, цена такого карбюратора будет выше аналогов прошлых лет.