Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

Стратифицированный заряд двигатель описывает определенный тип двигателя внутреннего сгорания , как правило , с искровым зажиганием (SI) , двигатель , который может быть использован в грузовиках, автомобилях , портативное и стационарное оборудование. Термин «послойный заряд» относится к рабочим жидкостям и парам топлива, поступающим в цилиндр. Обычно топливо впрыскивается в цилиндр или входит в виде богатого топливом пара, где искра или другие средства используются для инициирования воспламенения, когда зона, богатая топливом, взаимодействует с воздухом, способствуя полному сгоранию. Послойный заряд может обеспечить несколько более высокую степень сжатия без « детонации » и более бедное соотношение воздух / топливо. чем в обычных двигателях внутреннего сгорания.

Обычно четырехтактный (бензиновый или бензиновый) двигатель с циклом Отто работает за счет втягивания смеси воздуха и топлива в камеру сгорания во время такта впуска. В результате образуется однородный заряд: однородная смесь воздуха и топлива, которая воспламеняется свечой зажигания в заданный момент вблизи вершины такта сжатия .

В системе с однородным зарядом соотношение воздух / топливо поддерживается очень близким к стехиометрическому , что означает, что он содержит точное количество воздуха, необходимое для полного сгорания топлива. Это обеспечивает стабильное сгорание, но устанавливает верхний предел эффективности двигателя: любая попытка улучшить экономию топлива за счет использования гораздо более бедной смеси (меньше топлива или больше воздуха) с однородным зарядом приводит к более медленному сгоранию и более высокой температуре двигателя; это влияет на мощность и выбросы, особенно увеличивая количество оксидов азота или NO x .

Преимущества [ править ]

Более высокая степень сжатия [ править ]

Более высокая степень механического сжатия или степень динамического сжатия с принудительной индукцией может использоваться для улучшения термодинамической эффективности . Поскольку топливо не впрыскивается в камеру сгорания до тех пор, пока не требуется начать сгорание, существует небольшой риск преждевременного зажигания или детонации в двигателе .

Leaner Burn [ править ]

Основная статья: Постный ожог

Двигатель также может работать на гораздо более обедненном общем соотношении воздух / топливо, используя стратифицированный заряд, при котором сначала воспламеняется небольшой заряд богатой топливной смеси и используется для улучшения сгорания большего заряда обедненной топливной смеси.

Недостатки [ править ]

К недостаткам можно отнести:

  • Повышенная стоимость и сложность инжектора
  • Требования к более высокому давлению топлива
  • Накопление углерода на задней части впускного клапана [1] [ необходима цитата ] из-за отсутствия бензина, проходящего через впускной клапан, чтобы действовать как чистящее средство для клапана на традиционных конструкциях с многопортовым впрыском
  • Повышенное образование NO x из-за наличия очень бедных зон. Эти зоны обычно отсутствуют в бензиновом двигателе, потому что воздух и топливо лучше смешиваются.

Управление горением [ править ]

Возгорание может быть проблематичным, если на свече зажигания присутствует обедненная смесь. Однако заправка бензинового двигателя напрямую позволяет направлять больше топлива к свече зажигания, чем где-либо еще в камере сгорания. [2] Это приводит к расслоению заряда: в котором соотношение воздух / топливо не является однородным по всей камере сгорания, а изменяется контролируемым (и потенциально довольно сложным) образом по всему объему цилиндра.

Стратификация заряда также может быть достигнута там, где нет расслоения «в цилиндре»: входящая смесь может быть настолько бедной, что она не сможет воспламениться за счет ограниченной энергии, обеспечиваемой обычной свечой зажигания. Однако эта исключительно бедная смесь может быть воспламенена при использовании обычной смеси с концентрацией 12-15: 1, в случае двигателя, работающего на бензине, подаваемой в небольшую камеру сгорания, примыкающую к основной обедненной смеси и соединенную с ней. смесительная камера. Большой фронт пламени от этой горящей смеси достаточен для воспламенения заряда. Из этого метода расслоения заряда видно, что обедненный заряд «сгорает», и двигатель, использующий эту форму расслоения, больше не подвержен «детонации» или неконтролируемому сгоранию. Таким образом, топливо, сжигаемое в обедненной смеси, не является «детонационным».или с ограничением октанового числа. Таким образом, в этом типе расслоения можно использовать самые разные виды топлива; удельный выход энергии зависит только от теплотворной способности топлива.

Относительно богатая топливно-воздушная смесь направляется к свече зажигания с помощью форсунок с несколькими отверстиями. Эта смесь воспламеняется, образуя сильный, равномерный и предсказуемый фронт пламени. Это, в свою очередь, приводит к качественному сгоранию гораздо более слабой смеси в другом месте цилиндра.

Сравнение с дизельным двигателем [ править ]

Стоит сравнить современные бензиновые двигатели, работающие на прямом топливе, с дизельными двигателями с прямым впрыском . Бензин может гореть быстрее, чем дизельное топливо , что обеспечивает более высокие максимальные обороты двигателя и, следовательно, большую максимальную мощность спортивных двигателей. Дизельное топливо, с другой стороны, имеет более высокую плотность энергии и в сочетании с более высоким давлением сгорания может обеспечить очень высокий крутящий момент и высокую термодинамическую эффективность для более «обычных» дорожных транспортных средств.

Это сравнение показателей «сжигания» - довольно упрощенное представление. Хотя бензиновый и дизельный двигатели кажутся похожими в работе, эти два типа работают на совершенно разных принципах. В выпускаемых ранее модификациях внешние характеристики были очевидны. Большинство бензиновых двигателей были карбюраторными, всасывая топливно-воздушную смесь в двигатель, в то время как дизель всасывал только воздух, а топливо непосредственно впрыскивалось под высоким давлением в цилиндр. В обычном четырехтактном бензиновом двигателе свеча зажигания начинает воспламенять смесь в цилиндре под углом до сорока градусов перед верхней мертвой точкой, в то время как поршень все еще движется вверх по отверстию. При этом движении поршня вверх по каналу происходит контролируемое сгорание смеси, и максимальное давление возникает сразу после верхней мертвой точки.при этом давление уменьшается по мере движения поршня по отверстию. т.е. объем цилиндра по отношению к созданию давления в цилиндре-времени остается практически постоянным в течение цикла сгорания. С другой стороны, при работе дизельного двигателя воздух вдыхается и сжимается только движением поршня, перемещающегося в верхнюю мертвую точку. На этом этапе достигнуто максимальное давление в баллоне. Теперь топливо впрыскивается в цилиндр, и в этот момент начинается «сгорание» или расширение топлива из-за высокой температуры уже сжатого воздуха. Когда топливо сгорает, оно расширяется, оказывая давление на поршень, который, в свою очередь, развивает крутящий момент на коленчатом валу. Видно, что дизель работает при постоянном давлении. По мере расширения газа поршень также движется вниз по цилиндру.Благодаря этому процессу поршень, а затем кривошип испытывают больший крутящий момент, который также проявляется в течение более длительного промежутка времени, чем его бензиновый эквивалент.

История [ править ]

Прямая инъекция Брайтона 1887 г.

Принцип впрыска топлива непосредственно в камеру сгорания в момент, когда необходимо начать горение, был впервые изобретен Джорджем Брайтоном.в 1887 году, но долгое время он успешно использовался в бензиновых двигателях. Брайтон описывает свое изобретение следующим образом: «Я обнаружил, что тяжелые нефти могут быть механически преобразованы в тонкоизмельченные состояния в пределах горящей части цилиндра или в сообщающейся камере горения». Другая часть гласит: «Я впервые, насколько мне известно, отрегулировал скорость путем переменного управления прямым выпуском жидкого топлива в камеру сгорания или цилиндр в мелкодисперсное состояние, очень благоприятное для немедленного сгорания». Это был первый двигатель, в котором использовалась система сжигания обедненной смеси для регулирования частоты вращения / мощности двигателя. Таким образом, двигатель запускался на каждом рабочем такте, а скорость / мощность регулировались исключительно количеством впрыскиваемого топлива.

Рикардо [ править ]

Гарри Рикардо впервые начал работать с идеей двигателя с расслоенным зарядом на обедненной смеси в начале 1900-х годов. В 1920-х годах он улучшил свои ранние разработки.

Хессельман [ править ]

Ранним примером прямого впрыска бензина был двигатель Хессельмана, изобретенный шведским инженером Йонасом Хессельманом в 1925 году. В двигателях Хессельмана использовался принцип сверхбедного горения: топливо впрыскивалось в конце такта сжатия, а затем зажигалось свечой зажигания. часто заводился на бензине, а затем переходил на дизельное топливо или керосин. Система контролируемого горения Texaco (TCCS) была многотопливной системой, разработанной в 1950-х годах, которая очень напоминала конструкцию Хессельмана. Система TCCS была протестирована на автофургонах с ИБП и показала, что общая экономия увеличилась примерно на 35%.

Honda [ править ]

Honda «s CVCC двигатель, выпущенный в начале 1970 - х годов модели Civic , а затем Accord и City в конце десятилетия, является формой стратифицированной заряда двигателя , который имел широкое признание на рынке для значительного времени. Система CVCC имела обычные впускной и выпускной клапаны и третий, дополнительный, впускной клапан, который заряжал область вокруг свечи зажигания. Свеча зажигания и вход CVCC были изолированы от главного цилиндра перфорированной металлической пластиной. При воспламенении серия фронтов пламени выстреливала в очень обедненный основной заряд через перфорационные отверстия, обеспечивая полное возгорание. В Honda City Turbo такие двигатели обеспечивали высокую удельную мощность при частоте вращения 7000 об / мин. и выше.

Ягуар [ править ]

В 1980-х годах компания Jaguar Cars разработала двигатель Jaguar V12 , версию HE (так называемую высокоэффективную), который подходил для моделей Jaguar XJ 12 и Jaguar XJS, и использовала конструкцию расслоенного заряда, названную «May Fireball», чтобы снизить очень высокую мощность двигателя. расход тяжелого топлива ..

Vespa [ править ]

Vespa самоката ET2 имел 50 куб.см двухтактный двигатель , в котором воздух поступает через проходное отверстие и богатой топливной смеси вводили в цилиндр вблизи свечи зажигания непосредственно перед зажиганием. Система впрыска была чисто механической, с регулируемым по времени насосным цилиндром и обратным клапаном.

При движении вниз он сжимает богатую смесь примерно до 70 фунтов на квадратный дюйм, при этом повышающееся давление поднимает подпружиненный тарельчатый клапан с его седла, и заряд впрыскивается в цилиндр. Там он направляется в область свечи зажигания и воспламеняется. Давление сгорания немедленно закрывает подпружиненный тарельчатый клапан и с этим моментом его ( так в оригинале ) только «регулярный» процесс зажигания стратифицированного заряда с фронтом пламени , воспламеняя эти области постной смеси в цилиндре. [3]

Volkswagen [ править ]

Volkswagen в настоящее время использует стратифицированный наддув на своих бензиновых двигателях 1,2, 1,4, 1,5, 1,8 и 2,0 литра TFSI ( послойный впрыск топлива с турбонаддувом) в сочетании с турбонаддувом .

Mercedes Benz [ править ]

Mercedes Benz использует двигатели со стратифицированным наддувом со своей системой Blue DIRECT.

При использовании стратифицированного заряда в 3,0-литровом двигателе V-6 будет по-прежнему использоваться прямой впрыск топлива, но форсунки были переработаны для распыления под более высоким давлением позже на такте впуска, непосредственно перед сжатием, и топливо имеет форму, чтобы поступать определенные области внутри цилиндра для оптимизации сгорания. Эта стратегия обеспечивает гораздо более бедную воздушно-топливную смесь внутри камеры, чем при использовании традиционной системы с однородным зарядом, которая более равномерно заполняет камеру перед сгоранием.

Исследование [ править ]

SAE International опубликовала статьи об экспериментальной работе с двигателями со стратифицированным зарядом. [4]

Двигатели TFSI [ править ]

Послойный впрыск топлива с турбонаддувом ( TFSI ) является торговой маркой Volkswagen Group для типа двигателя с наддувом (« турбо »), в котором топливо впрыскивается под давлением прямо в камеру сгорания таким образом, чтобы создать расслоенный заряд . Технология прямого впрыска FSI увеличивает крутящий момент и мощность двигателей с искровым зажиганием , делает их на 15% более экономичными и снижает выбросы выхлопных газов. [5]

Преимущества [ править ]

Некоторые преимущества двигателей TFSI:

  1. Лучшее распределение топлива и лучший заряд топлива внутри камеры сгорания
  2. В процессе впрыска топливо испаряется, охлаждая камеру цилиндра.
  3. Эффект охлаждения сжатого топлива позволяет использовать топливо с более низким октановым числом, что приводит к экономии затрат для конечного пользователя.
  4. Более высокая степень сжатия, что означает большую мощность
  5. Повышенная эффективность сгорания топлива
  6. Повышенная мощность при подборе автомобиля

Недостатки [ править ]

  1. Огромный рост количества выбрасываемых частиц выхлопных газов
  2. За впускными клапанами накапливается нагар. Поскольку топливо впрыскивается непосредственно в камеру сгорания, у него никогда не будет возможности вымыть какие-либо загрязнения за клапанами. Это приводит к чрезмерному накоплению углерода со временем, снижая производительность. Некоторые автомобили (например, двигатель Toyota 2GR-FSE в Lexus IS ) сочетают прямой впрыск с традиционным многоточечным впрыском топлива, чтобы решить эту проблему.
  3. Более дорогой - для впрыска топлива непосредственно в цилиндр требуются топливные насосы гораздо более высокого давления. Для этого требуется давление топлива до 200 бар, что намного больше, чем при использовании традиционной системы многоточечного впрыска (см. Прямой впрыск ) [6]

См. Также [ править ]

  • Обедненный ожог
  • Послойный впрыск турбонаддува

Ссылки [ править ]

  1. ↑ Белл, Сэм (декабрь 2014 г.). "GDI: газовые залежи внутри?" (PDF) . Мотор . Проверено 3 июня 2017 года .
  2. ^ "32 (17) страт" (PDF) . Архивировано из оригинального (PDF) 27 сентября 2013 года . Проверено 10 мая 2014 .
  3. ^ "Мотоцикл Интернет: Vespa ET2" . Web.archive.org. 2005-07-28. Архивировано 28 июля 2005 года . Проверено 10 мая 2014 .CS1 maint: неподходящий URL ( ссылка )
  4. ^ «Обзор статей по двигателям со стратифицированным зарядом: результаты по темам - SAE International» . Topics.sae.org . Проверено 10 мая 2014 .
  5. ^ "Архивная копия" . Архивировано из оригинального 28 апреля 2009 года . Проверено 24 июля 2009 года .CS1 maint: archived copy as title (link)
  6. ^ http://products.bosch-mobility-solutions.com/en/de/powertrain/powertrain_systems_for_passenger_cars_1/direct_gasoline_injection/direct_gasoline_injection_23.html