Введение
Метод подачи топлива в двигатель
Косвенный впрыск в двигателе внутреннего сгорания – это впрыск топлива, при котором топливо не впрыскивается непосредственно в камеру сгорания. Бензиновые двигатели, оснащенные системами косвенного впрыска, в которых топливный инжектор подает топливо до впускного клапана, в основном уступили место системам прямого впрыска. Однако некоторые производители, такие как Volkswagen, Toyota и Ford, разработали систему "двойного впрыска", сочетающую прямые инжекторы с портовыми (косвенными) инжекторами, объединяя преимущества обоих типов впрыска топлива. Прямой впрыск позволяет точно дозировать топливо в камеру сгорания под высоким давлением, что может привести к увеличению мощности и топливной эффективности. Недостатком прямого впрыска является то, что он обычно приводит к увеличению количества твердых частиц, а поскольку топливо больше не контактирует с впускными клапанами, на них со временем может накапливаться углерод. Добавление косвенного впрыска обеспечивает распыление топлива на впускные клапаны, снижая или устраняя накопление углерода на них, а в условиях низкой нагрузки косвенный впрыск обеспечивает лучшее смешивание топлива с воздухом. Эта система в основном используется в более дорогих моделях из-за дополнительных затрат и сложности. Портовый впрыск подразумевает распыление топлива на тыльную сторону впускного клапана, что ускоряет его испарение. Дизельный двигатель с косвенным впрыском подает топливо в камеру, отделенную от камеры сгорания – предкамеру или вихревую камеру, где начинается сгорание, а затем распространяется в основную камеру сгорания. Предкамера тщательно спроектирована для обеспечения достаточного смешивания распыленного топлива с воздухом, нагретым при сжатии.
Indirect injection in an internal combustion engine is fuel injection where fuel is not directly injected into the combustion chamber. Gasoline engines equipped with indirect injection systems, wherein a fuel injector delivers the fuel at some point before the intake valve, have mostly fallen out of favor to direct injection. However, certain manufacturers such as Volkswagen, Toyota and Ford have developed a 'dual injection' system, combining direct injectors with port (indirect) injectors, combining the benefits of both types of fuel injection. Direct injection allows the fuel to be precisely metered into the combustion chamber under high pressure which can lead to greater power, fuel efficiency. The issue with direct injection is that it typically leads to greater amounts of particulate matter and with the fuel no longer contacting the intake valves, carbon can accumulate on the intake valves over time. Adding indirect injection keeps fuel spraying on the intake valves, reducing or eliminating the carbon accumulation on intake valves and in low load conditions, indirect injection allows for better fuel air mixing. This system is mainly used in higher cost models due to the added expense and complexity. Port injection refers to the spraying of the fuel onto the back of the intake valve, which speeds its evaporation. An indirect injection diesel engine delivers fuel into a chamber off the combustion chamber, either a prechamber or swirl chamber, where combustion begins and then spreads into the main combustion chamber. The prechamber is carefully designed to ensure adequate mixing of the atomized fuel with the compression heated air.
Бензиновые двигатели
Преимущество бензиновых двигателей с косвенным впрыском перед двигателями с прямым впрыском состоит в том, что отложения на впускных клапанах, образующиеся из системы вентиляции картерных газов, смываются топливом. Двигатели с косвенным впрыском также, как правило, производят меньше твердых частиц, чем двигатели с прямым впрыском, поскольку топливо и воздух смешиваются более однородно.
Обзор
Целью разделенной камеры сгорания является ускорение процесса сгорания и повышение мощности за счет увеличения оборотов двигателя. Добавление предкамеры увеличивает теплопотери в систему охлаждения, тем самым снижая эффективность двигателя. Для запуска двигателю требуются свечи накаливания. В системе непрямого впрыска воздух движется быстро, обеспечивая смешивание топлива и воздуха. Это упрощает конструкцию двигателя (корона поршня, головка блока, клапаны, форсунка, предкамера и т.д.) и позволяет использовать менее точные допуски, что упрощает производство и повышает надежность. Прямой впрыск, напротив, использует медленно движущийся воздух и быстро движущееся топливо; проектирование и изготовление форсунок в этом случае более сложны. Оптимизация воздушного потока в цилиндре значительно сложнее, чем проектирование предкамеры. Существует тесная взаимосвязь между конструкцией форсунки и двигателем. Именно поэтому автомобильные дизельные двигатели почти всегда использовали непрямой впрыск, пока широкая доступность мощных систем вычислительной гидродинамики (CFD) не сделала практичным внедрение прямого впрыска.
Вихревая камера
Вихревые камеры – это сферические полости, расположенные в головке блока цилиндров и отделенные от цилиндра двигателя тангенциальным каналом. Около 50% воздуха поступает в вихревую камеру во время такта сжатия, создавая вращательное движение (вихрь). После сгорания продукты сгорания возвращаются через тот же канал в основной цилиндр с гораздо большей скоростью, что приводит к большим потерям тепла на стенках канала. Этот тип камеры находит применение в двигателях, где контроль над процессом сгорания и стабильность работы важнее экономии топлива. Они также называются камерами Рикардо, в честь их изобретателя, сэра Гарри Рикардо.
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 основного цилиндра поступает в камеру предварительного сгорания. В этот момент топливо впрыскивается в камеру предварительного сгорания и начинается воспламенение. Давление возрастает, и капли топлива выталкиваются через небольшие отверстия в основной цилиндр, обеспечивая очень хорошее смешивание топлива и воздуха. Основная часть сгорания происходит именно в основном цилиндре. Этот тип камеры сгорания обладает многотопливностью, поскольку температура в предкамере испаряет топливо перед основным событием сгорания.
Камера для воздушных ячеек
Воздушная ячейка представляет собой небольшую цилиндрическую камеру с отверстием в одном конце. Она установлена более или менее коаксиально с инжектором, ось которого параллельна короне поршня, при этом инжектор направлен в небольшую полость, открытую в цилиндр, в отверстие в конце воздушной ячейки. Воздушная ячейка установлена таким образом, чтобы минимизировать тепловой контакт с массой головки блока. Используется инжектор с узким углом распыла. В верхней мертвой точке (ВМТ) большая часть массы заряда содержится в полости и воздушной ячейке. При впрыске топлива струя попадает в воздушную ячейку и воспламеняется. Это приводит к тому, что струя пламени вырывается из воздушной ячейки непосредственно в струю топлива, продолжающую выходить из инжектора. Тепло и турбулентность обеспечивают отличное испарение и смешивание топлива. Кроме того, поскольку основное сгорание происходит вне воздушной ячейки, в полости, которая непосредственно соединяется с цилиндром, потери тепла при переносе сгорающей смеси в цилиндр снижаются. Впрыск в воздушную ячейку можно рассматривать как компромисс между косвенным и прямым впрыском, сочетающий в себе некоторые преимущества эффективности прямого впрыска с простотой и легкостью разработки, характерными для косвенного впрыска. Воздушные камеры обычно называют воздушными камерами Лановы. Система сгорания Lanova была разработана компанией Lanova, основанной в 1929 году Францем Лангом, Готтардом Вилихом и Альбертом Вилихом. В США система Lanova использовалась компанией Mack Trucks. Примером является дизельный двигатель Mack Lanova ED, установленный на грузовике Mack NR.
Преимущества камер сгорания с косвенным впрыском
Можно производить дизели меньшего размера. Требуемое давление впрыска невелико, поэтому инжектор дешевле в производстве. Направление впрыска имеет меньшее значение. Непрямой впрыск гораздо проще спроектировать и изготовить, особенно для бензиновых двигателей. Требуется меньше разработок инжекторов, а давление впрыска низкое (1500 фунтов на кв. дюйм / 100 бар против 5000 фунтов на кв. дюйм / 345 бар и выше для прямого впрыска).
The lower stresses that indirect injection imposes on internal components mean that it is possible to produce petrol and indirect injection diesel versions of the same basic engine. At best such types differed only in the cylinder head and the need to fit a distributor and spark plugs in the petrol version whilst fitting an injection pump and injectors to the diesel. Examples include the BMC A Series and B Series engines and the Land Rover 2.25/2.5 litre 4 cylinder types. Such designs allow petrol and diesel versions of the same vehicle to be built with minimal design changes between them. Higher engine speeds can be reached, since burning continues in the prechamber. Alternative fuels like bio diesel and waste vegetable oil are less likely to damage the fuel system in an indirect injection diesel engine, as high injection pressures are not needed. In direct injection engines (especially modern engines using high pressure common rail fuel systems), keeping fuel filters in good condition is more critical as debris can damage the pumps and injectors when waste vegetable oil or waste engine oil are used.
Меньшие нагрузки, которые непрямой впрыск оказывает на внутренние компоненты, позволяют производить бензиновые и дизельные версии с непрямым впрыском 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 топливный насос и форсунки. Примерами служат двигатели BMC серий A и B, а также 4-цилиндровые модели Land Rover объемом 2,25/2,5 литра. Такие конструкции позволяют создавать бензиновые и дизельные версии одного и того же транспортного средства с минимальными конструктивными изменениями. Можно достичь более высоких оборотов двигателя, поскольку сгорание продолжается в предкамере. Альтернативное топливо, такое как биодизель и отработанное растительное масло, с меньшей вероятностью повредит топливную систему дизельного двигателя с непрямым впрыском, поскольку высокое давление впрыска не требуется. В двигателях с непосредственным впрыском (особенно в современных двигателях, использующих топливные системы Common Rail высокого давления), поддержание топливных фильтров в хорошем состоянии имеет большее значение, поскольку загрязнения могут повредить насосы и форсунки при использовании отработанного растительного или моторного масла.
The lower stresses that indirect injection imposes on internal components mean that it is possible to produce petrol and indirect injection diesel versions of the same basic engine. At best such types differed only in the cylinder head and the need to fit a distributor and spark plugs in the petrol version whilst fitting an injection pump and injectors to the diesel. Examples include the BMC A Series and B Series engines and the Land Rover 2.25/2.5 litre 4 cylinder types. Such designs allow petrol and diesel versions of the same vehicle to be built with minimal design changes between them. Higher engine speeds can be reached, since burning continues in the prechamber. Alternative fuels like bio diesel and waste vegetable oil are less likely to damage the fuel system in an indirect injection diesel engine, as high injection pressures are not needed. In direct injection engines (especially modern engines using high pressure common rail fuel systems), keeping fuel filters in good condition is more critical as debris can damage the pumps and injectors when waste vegetable oil or waste engine oil are used.
Недостатки
Эффективность использования топлива в дизельных двигателях ниже, чем в двигателях с непосредственным впрыском, так как большие открытые поверхности склонны к большей диссипации тепла, а движение воздуха через впускные каналы увеличивает перепад давления. Однако, использование более высоких степеней сжатия частично компенсирует эту неэффективность. Для холодного запуска дизельного двигателя необходимы свечи накаливания; многие дизельные двигатели с косвенным впрыском вообще не запускаются в холодную погоду без свечей накаливания. Поскольку тепло и давление, возникающие при сгорании, приходятся на очень небольшую площадь поршня при выходе из предкамеры сгорания или камеры вихревого движения, такие двигатели менее пригодны для высоких удельных мощностей (например, при использовании турбонаддува, механического нагнетателя или чип-тюнинга), чем дизельные двигатели с непосредственным впрыском. Повышенная температура и давление на одной части головки поршня вызывают неравномерное расширение, которое может привести к трещинам, деформации или другим повреждениям, хотя усовершенствования в технологиях производства позволили производителям в значительной степени смягчить последствия неравномерного расширения, что сделало возможным использование турбонаддува в дизельных двигателях с косвенным впрыском. Двигатели с косвенным впрыском часто значительно шумнее, чем двигатели с непосредственным впрыском по технологии Common Rail. Запускная жидкость ("эфир") часто нельзя использовать в дизельном двигателе с косвенным впрыском, так как свечи накаливания значительно повышают риск предзажигания по сравнению с дизельными двигателями с непосредственным впрыском.