Итак, непосредственный впрыск - это способ подачи жидкого топлива в камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания с внутренним смесеобразованием. При этом топливо, поступая в камеру сгорания с высокой скоростью, определенным образом распыляется.
Сама идея подавать бензин напрямую в камеру сгорания достаточно стара, но ее реализация всегда тормозилась несовершенством технологий. Первым разработчиком систем непосредственного впрыска бензина в двигателях с искровым зажиганием и с механическим управлением стала германская компания «Robert Bosch», еще до Второй мировой войны. Сама эта идея проходила в своем развитии несколько этапов.
На первом этапе единственной областью применения непосредственного впрыска была авиация. К первым серийным и массовым двигателям с непосредственным впрыском относят моторы Daimler Benz 600-й серии, Jumo211, BMW-801C, ставившиеся на известные марки самолетов Мессершмитт, Фоке-Вульф. Следует отметить, что и «отечественный производитель» в то время не «спал в тряпочку». В этом плане следует отметить авиационный опять же двигатель М(АШ)-82ФН, устанавливавшийся на истребителях Ла-5ФН, Ла-7 и их модификациях.
На втором этапе, несмотря на неактуальность дальнейшего развития систем непосредственного впрыска в авиации в связи с переходом на реактивные двигатели, в 1951 году опять же в Германии все-таки появился первый серийный легковой автомобиль с непосредственным впрыском. Его выпустила компания Goliath - Borgward. Это был двухтактный двигатель с объемом всего 688 см3 с системой впрыска Bosch. Но, в конце концов, механическое управление впрыском свело на нет все начинания.
Третий этап развития непосредственного впрыска был предпринят на волне нефтяного кризиса 70-ых годов компанией Ford, но успехом опять же не увенчался.
Четвертый этап охарактеризовался бурным развитием электроники и ее применением в системах управления двигателями. И тут пальму первенства сорвали японские автомобилепроизводители, а именно Mitsubishi Motors Corp. cо своим двигателем GDi (Gasoline Direct Injection).
Двигатели HPi с непосредственным впрыском концерна PSA Peugeot-Citroen.
Выкупив у Mitsubishi Motors Corp. в 1998 году патенты на идеи GDi, французы, в 2000 году создали свой бензиновый двигатель с непосредственным впрыском.
Первым двигателем с системой HPi (High Pressure Injection) у концерна PSA стал двигатель EW10 HPi 16 объемом 2 литра. Благодаря этому, по заявлениям производителя, удалось добиться снижения расхода топлива на 19% по сравнению с предыдущим поколением двигателей (XU) и на 10 - по сравнению с ранним обычным двигателем EW. Несколько возрос крутящий момент на низких оборотах, улучшилась динамика, а экологические показатели в целом вошли в соответствие стандартам Euro IV. При этом французские моторостроители использовали систему VVT (изменения фаз газораспределения) и увеличили до 11,4 степень сжатия.
Сравнительные характеристики двигателей HPi и норм Евро 3 и Евро 4 показаны в таблице.
|
|
CO (г/км) |
СН (г/км) |
Оксиды азота (NOx) (г/км) |
|
Euro 3 (2001) |
2,3 |
0,2 |
0,15 |
|
HPi |
0,5 |
0,075 |
0,06 |
|
Euro 4 (2005) |
1 |
0,1 |
0,08 |
Принципы функционирования.
Двигатель может работать в режиме сгорания сверхобедненной топливовоздушной смеси: соотношение воздуха и топлива по массе (коэффициент a) 30:1. Максимально возможный для традиционных инжекторных двигателей с распределенным впрыском коэффициент a равен 20-24, а оптимальный стехиометрический состав - 14,7:1. Если избыток воздуха будет больше, переобедненная смесь просто не воспламенится.
Кроме того, для снижения насосных потерь и уменьшения выбросов оксидов азота (NOx) в атмосферу существенная роль в двигателе отведена системе рециркуляции отработавших газов (EGR) - при небольшом открытии дроссельной заслонки на впуск подается до 30% объема отработанных газов.
На двигателе НРi распыленное в ограниченном объеме топливо находится в районе свечи зажигания в виде облака. Поэтому, хотя в целом смесь переобедненная, у свечи зажигания она близка к стехиометрическому составу и легко воспламеняется. В то же время, обедненная смесь в остальном объеме имеет намного меньшую склонность к детонации, чем стехиометрическая. Последнее обстоятельство позволяет повысить степень сжатия, а значит увеличить и мощность, и крутящий момент двигателя.
Основные конструктивные отличия HPi от обычного впрыска состоят в следующем.
Во-первых, в двигателе присутствует механический топливный насос высокого давления (ТНВД). Этот насос (подобно ТНВД дизельного двигателя) развивает давление в 50 бар (у инжекторного двигателя электронасос в баке создает в магистрали давление около 3-3,5 бар).
|
Во-вторых, наличие форсунок для впрыска топлива в камеру сгорания цилиндр. При этом вихревые распылители создают различную форму топливного факела в зависимости от режима работы двигателя (конический, узкий). Посредством «хитрого» построения поршня факел направляется к свече зажигания. В остальном объеме камеры сгорания, особенно у стенок, смесь остается сверхобедненной. Направление факела выбрано так, чтобы жидкая фаза бензина не попадала на стенки цилиндра или головку поршня. |
 |
|
В-третьих, поршень имеет днище особой формы. В нем сделана выемка, при помощи которой топливо-воздушная смесь направляется в район свечи зажигания. |
 |
|
В-четвертых, впускные каналы направлены вертикально, что обеспечивает формирование в цилиндре так называемого «обратного вихря», направляя топливовоздушную смесь к свече и улучшая наполнение цилиндров воздухом (у обычного двигателя вихрь в цилиндре закручен в противоположную сторону). |
 |
|
В-пятых, для управления впрыском применяется дроссельная заслонка с электронным управлением. Водитель, нажимая на педаль акселератора, не осуществляет непосредственно управление заслонкой, а лишь воздействует на датчик положения педали. Далее, в зависимости от положения датчика, электронный блок управления сам приводит в движение дроссельную заслонку с помощью электродвигателя в зависимости от степени нажатия педали и условий работы двигателя. |
 |
Двигатель HPi может работать в следующих основных режимах:
Мощностной (обогащенная смесь) - для достижения наибольшего крутящего момента при резком ускорении или максимальной скорости. Впрыскиваемое на такте впуска топливо охлаждает воздух и образует сверхбедную смесь с a ~ 60, а при подаче основного заряда топлива смесь около свечи зажигания обогащается до a ~ 12, воспламеняется и поджигает остальную часть заряда;
 |
 |
 |
 |
| 1. Поршень движется вниз на такте впуска | 2. Топливо впрыскивается на такте впуска | 3. Поршень движется вверх | 4. Искра поджигает смесь |
Режим однородного смесеобразования (ОСО), который реализуется при движении на высокой скорости и при ускорении. Топливо впрыскивается на такте впуска, перемешиваясь с воздухом и образуя однородную смесь, как в обычном двигателе с распределенным впрыском. Состав смеси близок к стехиометрическому (a ~ 15) и одинаков по всему объему камеры сгорания;
|
|
 |
 |
|
| 1. Поршень движется вниз на такте впуска | 2. Топливо впрыскивается на такте впуска | 3. Поршень движется вверх | 4. Искра поджигает смесь |
Режим режимом послойного смесеобразования (ПСО), который реализуется при движении с постоянной скоростью (до 120 км/ч). Топливо впрыскивается в конце такта сжатия в направлении поршня, отражается от него, активно диспергируется и испаряется, направляясь в зону свечи зажигания. Хотя в основном объеме камеры сгорания смесь чрезвычайно обеднена (a=30-40), но заряд в районе свечи достаточно обогащен, чтобы воспламениться от искры и поджечь остальную смесь.
|
|
|
 |
|
| 1. Поршень движется вниз на такте впуска | 2. Поршень достигает НМТ, начинается такт сжатия | 3. Топливо впрыскивается в конце такта сжатия | 4. Искра поджигает смесь |
Характеристики этих режимов приведены на рисунке.
Система управления для двигателей HPi изготавливает фирмой Siemens, а ТНВД является результатом совместной разработки Siemens с PSA Peugeot-Citroen.
Топливный насос высокого давления - «аксиально-поршневой» (3-х плунжерный), с приводом от распределительного вала двигателя (ведущая пластина установлена на гидростатическом подшипнике). Особенностью насоса является то, что во время работы он находится в двух стадиях: первая - собственно подача, распределение топлива и отвод излишков, вторая - стадия смазки (что позволяет смазывать движущиеся механические части, причем без смешивания масла и бензина).
Форсунки установлены так, что их ось не пересекается с осью цилиндра. При этом обеспечивается угол распыления факела - до 70°, а давление впрыска составляет 30-100 бар. Давление впрыска и его длительность изменяются блоком управления, так, на холостом ходу давление составляет 70 бар, при полной нагрузке - 100 бар. Работа в режиме обедненных смесей осуществляется при частоте вращения до 3500 об/мин и нагрузке ниже средней.
В системе зажигания также имеются новшества. В частности, предусмотрены три уровня мощности искры:
высокий (100 МДж) в режиме послойного смесеобразования;
средний (70 МДж) в переходных режимах;
низкий (50 МДж) для режима полной нагрузки.
Для привода дроссельной заслонки также используется электродвигатель. В режиме ПСО заслонка частично приоткрывается, чтобы обеспечить достаточный избыток воздуха для создания сверхобедненной смеси. На холостом ходу заслонка открыта уже на 20°, тогда как у обычных двигателей - на 8-10°. При переходе с режима ПСО на ОСО, во время ускорения или режима очистки катализатора, заслонка управляется блоком управления по адаптивному алгоритму (в зависимости от манеры вождения).
Система снижения токсичности
Одной из проблем, с которыми сталкиваются производители двигателей с непосредственным впрыском, являются повышенные выбросы NOx (оксидов азота), непосредственно связанные с переизбытком воздуха в смеси. Для борьбы с ними в конструкцию автомобилей были внедрены катализаторы (каталитические нейтрализаторы) накопительного типа (NO-катализаторы), дополняющие традиционные трехкомпонентные катализаторы (TWC - Two-Stage Combustion (двухстадийное сгорание)).
Суть их работы состоит в следующем. После пуска двигатель переходит в режим ПСО, при этом сгорание происходит в самом конце такта сжатия и в начале такта расширения. Для реализации двухстадийного сгорания в конце такта расширения впрыскивается дополнительное количество топлива, которое воспламеняется и сгорает (используя избыток воздуха в при переобедненной смеси), дополнительно нагревая отработавшие газы. В результате их температура доходит до 800°С, что позволяет прогреть катализатор до требуемой температуры вдвое быстрее (обычно - 1,5-2 минуты). Выпускной коллектор специально предназначен для догорания образовавшейся смеси и нагрева отработавших газов, еще уменьшая время прогрева - до менее чем полуминуты.
В значительной степени снизить содержание NOx схема HPi позволяет, благодаря работе системы EGR (Exhaust Gas Recirculation), перепускающей обратно на впуск намного большее количество отработавших газов, чем в обычном двигателе. Однако обеспечить полную и стабильную нейтрализацию NOx только за счет EGR невозможно, так как при увеличении нагрузки на двигатель количество перепускаемых газов должно быть уменьшено. Поэтому схема выпуска, разработанная PSA, включает в себя обычный катализатор около впускного коллектора для нейтрализации CO и CH (объем 0,8 л) и дополнительный катализатор (объем 3 л), расположенный под днищем и совмещающий функции накопительного NO-катализатора и TWC. Одним из активных элементов в нем является основное покрытие из солей бария (щелочно-земельный металл, близкий по свойствам к кальцию и стронцию), также присутствует покрытие из платины, палладия и родия.
При работе на бедной смеси все оксиды азота окисляются до диоксида NO2 при помощи платинового катализатора, а затем взаимодействуют с покрытием основы и удерживаются на ней в виде нитрата бария.
Периодически оксиды азота выводятся из накопителя при помощи обогащения смеси. Обычно это происходит раз в минуту в течении 3 секунд. В этот момент в отработавших газах увеличивается содержание CO и СН, которые взаимодействуют с NO2 - на родиевом покрытии происходят окислительно-восстановительные реакции, в которых нитрат восстанавливается до чистого азота (N2), а CO и CH окисляются до CO2 и H2O (углекислого газа и воды).
Контроль за работой катализатора осуществляет непосредственно электронный блок управления. При работе в режиме ПСО он оценивает степень наполнения катализатора и при необходимости активирует обогащение смеси, а при изменении содержания кислорода, определяет момент полного разложения оксидов азота, и вновь возвращает двигатель на режим ПСО, а катализатор - в режим накопления.
Нейтрализация оксидов азота зависит от температуры отработавших газов, т.к. после 500°С эффективность накопительного катализатора значительно падает. Поэтому он расположен в зоне, где температура обычно составляет 300-450° С (в городском режиме езды). При езде по трасе температура газов превышает 500°С, и блок управления обогащает смесь до того уровня, когда газы смогут быть нейтрализованы в TWC.
Еще одно немаловажное замечание. Большую угрозу для NO-катализатора представляет высокое содержание серы в топливе. Сера в процессе сгорания окисляется до диоксида (SO2), который также взаимодействует с солями бария, как и NO2, и образует сульфат бария, который химически более стабилен, чем нитрат. При этом постепенно снижается емкость и эффективность катализатора, вплоть до его полного выхода из строя.
Для борьбы с этим явлением используется режим очистки от серы, в котором блок управления периодически заметно увеличивает температуру отработавших газов и содержание в них CO и CH. В результате - растет расход топлива, который таким образом, напрямую зависит от содержания серы в топливе.
Так вот - заявленная экономичность двигателя обеспечивается при содержании серы в топливе в количестве не более 150 ppm (Европа). К слову, нынешнее содержание серы в бензине для Японии - 10 ppm. А вот по ГОСТу (для России) доля серы в бензине составляет 0,05%, что эквивалентно 500 ppm. О показателях в этом плане белорусского бензина остается только догадываться, хотя думается, что они не далеко ушли от показателей российского.
Это не смертельно в принципе, но это приводит к тому, что производители автомобилей дорабатывают покрытие катализаторов с помощью различных добавок (цеолит, кварц), в том числе и дорогостоящих (титан), что естественно увеличивает их стоимость, никак не продлевая срок службы.
