Управление подачей топлива дизельного двигателя

Образование топливо-воздушной смеси влияет на расход топлива, состав выхлопных газов и шумы дизельного двигателя. Система впрыска топлива оказывает влияние на смесеобразование и процесс сгорания в камере сгорания двигателя. К параметрам, влияющим на смесеобразование и процесс сгорания относятся:

• начало подачи (перекрытие канала) и начало впрыска;
• продолжительность впрыска и кривая (график) интенсивности подачи;
• давление впрыска;
• направление впрыска и количество отверстий для впрыска;
• избыточный воздух.

Начало подачи (перекрытие канала) и начало впрыска

Термин «начало подачи» относится к действительному началу подачи насоса высокого давления. Вместе с началом подачи (FB) действительное начало впрыска (SB) также имеет большое значение для оптимальной отдачи двигателя. Так как начало подачи (перекрытие канала) может быть определено более просто, чем действительное начало впрыска для двигателя при его остановке, то установка (настройка) топливного насоса высокого давления (ТНВД) производится при начале подачи топлива. Это возможно, т.к. между началом подачи и началом впрыска (4) существует определенное соотношение. Начало впрыска определяется с помощью угла поворота коленчатого вала (5) в области верхней мертвой точки (ВМТ) поршня, при котором о ткрывается форсунка и топливо впрыскивается в камеру сгорания. Начало впрыска топлива в камеру сгорания имеет значительное влияние на начало сгорания топливо-воздушной смеси. Максимальная конечная температура сжатия возникает в ВМТ. Если сгорание начинается раньше ВМТ, то давление сгорания резко возрастает и тормозит движение поршня вверх, уменьшая, таким образом, эффективную мощность двигателя. Резкий рост давления сгорания также приводит к «жесткой» работе двигателя. Сгорание, тем не менее, должно закончиться до того, как откроется выпускной клапан. Имеет место также и понижение расхода топлива, если сгорание начинается в области ВМТ.

Если начало сгорания опережается (2), то температура в камере сгорания возрастает, что приводит также и к увеличению выбросов NOx (1). Если начало впрыска слишком запаздывает (3), то это может привести к неполному сгоранию и к выбросу не полностью сгоревших углеводородов.

Мгновенное положение поршня влияет на движение воздуха в камере сгорания, его плотность и температуру. Соответственно, скорость движения и качество смешивания топливо-воздушной смеси зависят от начала впрыска. Таким образом, начало впрыска также влияет на выбросы сажи и продуктов неполного сгорания. Такая взаимная зависимость удельного расхода топлива и выбросов углеводородов с одной стороны и выбросов черного дыма и N0 с другой стороны требует минимально возможных допусков для начала впрыска, чтобы добиться оптимальных величин (а — оптимальное начало впрыска).

Различные периоды задержки воспламенения при различных температурах требуют температурной коррекции начала впрыска. При подаче топлива, время распространения топлива зависит от длины магистрали. При высоких оборотах это имеет результатом задержку впрыска (т.е. время от начала подачи до начала впрыска). Вдобавок к этому, чем выше обороты двигателя, тем выше задержка воспламенения (т.е. время от начала впрыска до начала воспламенения). Оба этих фактора должны быть скомпенсированы, и это является причиной того, почему в систему впрыска топлива должно быть встроено устройство корректировки момента впрыска, зависящего от числа оборотов двигателя опережения и момента начала впрыска. Из соображений шумности и уменьшения выбросов, различные характеристики начала впрыска для режима полной нагрузки (2) требуются чаще, чем для режима частичной нагрузки (3). Характеристика начала впрыска показывает схематически зависимость начала впрыска (4) от температуры, нагрузки и оборотов двигателя (5). (1 — запуск холодного двигателя).

Продолжительность впрыска и кривая интенсивности подачи (впрыска)

Термин «интенсивность подачи» описывает кривую характеристику количества впрыснутого в камеру сгорания топлива как функцию угла поворота коленчатого или кулачкового вала (соответственно углы поворота коленчатого или кулачкового вала).

Одним из главных параметров, влияющих на кривую интенсивности подачи, является продолжительность впрыска. Она измеряется в углах поворота коленчатого или кулачкового вала или в миллисекундах и является периодом, в течение которого открыта форсунка и топливо впрыскивается в камеру сгорания, На рисунке показано, как подача количества впрыскиваемого топлива начинается с помощью кулачкового вала насоса и как топливо впрыскивается из форсунки (как функция угла поворота кулачкового вала). Можно видеть, что характеристика давления и кривая интенсивности подачи сильно изменяются между элементом насоса и форсункой, и что на них влияют детали, которые определяют впрыск (кулачок, элемент насоса, нагнетательный клапан, топливопровод (магистраль подачи) и форсунка).

Рис. Продолжительность впрыска и кривая интенсивности подачи

Рис. rl — период задержки воспламенения; 1. Подъем кулачка, скорость подъема; 2. Давление в камере элемента насоса; 3. Подъем клапана; 4. Давление в топливопроводе на стороне насоса; 5. Давление в топливопроводе на стороне форсунки; 6. Подъем иглы форсунки; 7. Кривая интенсивности подачи; 8. Угол поворота кулачка, град.

Различные системы дизельных двигателей требуют различной продолжительности впрыска в каждом из случаев. Двигатели с непосредственным впрыском требуют примерно 25 — 30° поворота коленчатого вала при определенном числе оборотов, а двигатели с предкамерой — угла поворота коленчатого вала в 35 — 40°. Продолжительность впрыска при 30°- повороте коленчатого вала, соответствующем повороту на 15° кулачкового вала, означает продолжительность впрыска в 1,25 миллисекунд для числа оборотов ТНВД, равному 2000 об/мин.

Для поддержания расхода топлива и выбросов серы на низком уровне, продолжительность впрыска должна быть определена как функция рабочей точки и зависит от начала впрыска. При начале впрыска должно протекать лишь малое количество топлива, тогда как в конце требуется большое количество топлива. Форсунка затем должна закрыться как можно быстрее. Такая кривая интенсивности подачи приведет к медленному повышению давления сжатия. Сгорание, таким образом, будет «мягким». В двигателях с непосредственным впрыском шум от сгорания заметно меньшается, если малая часть топлива, впрыснутого в камеру сгорания, мелко распылена перед основным впрыском.

Рис. as — начало впрыска в градусах поворота коленчатого вала до ВМТ; 1. Расход топлива; 2. г/кВт-ч; 3. Продолжительность впрыска; 4. Сера; 5. Градусы поворота коленчатого вала; 6. Окислы азота (NOx); 7. Углеводороды (НС); 8. г/ч.

Такой метод впрыска остается очень дорогим. В двигателях с разделенной камерой сгорания (с предкамерой или вихревой камерой) используются игольчатые дросселирующие форсунки. Эти форсунки образуют одну струю топлива и определяют кривую интенсивности подачи. Форсунки управляют поперечным сечением выхода как функцией хода клапана впрыска (нагнетательного клапана).

Вторичный впрыск (или так называемое «капание») особенно нежелателен и происходит из-за быстрого повторного открывания форсунки после ее закрывания, и она впрыскивает плохо подготовленное топливо позже в процессе сгорания. Эго топливо сгорает не полностью или вообще не сгорает и выходит через выхлопные газы как несгоревшие углеводороды.

Быстрозакрывающиеся форсунки предотвращают такое «капание». «Мертвый объем» в нижней части у седла форсунки производит эффект, подобный «капанью». Пары топлива, накапливающиеся в этом объеме, выходят в камеру сгорания после окончания сгорания и также поступают в выхлопные газы, где увеличивают выбросы несгоревших углеводородов. Наименьший «мертвый объем» получается у форсунок с седлом с отверстиями.

Влияние конструкции форсунки на выбросы углеводородов

Рис. Влияние конструкции форсунки на выбросы углеводородов: а ) Форсунка без глухого отверстия; б) Форсунка с миниатюрным глухим отверстием; 1. Двигатель с удельным рабочим объемом 1,3 л на цилиндр; 2. Двигатель с удельным рабочим объемом 2,0 л на цилиндр; 3. Выбросы НС; 3. Объем отверстия для впрыска и объем глухого отверстия; 5. г/кВт-ч; 6. мм3.

Давление впрыска

Чем выше относительные скорости топлива и воздуха, чем выше плотность воздуха в камере сгорания, тем мельче распыление дизельного топлива. Высокое давление топлива приводит к высокой его скорости. Дизельные двигатели с разделенными камерами сгорания работают при высоких скоростях воздуха в вихревой камере или в дополнительной камере сгорания (предкамере) или в соединительном канале между вихревой и основной камерами сгорания. Здесь рабочее давление превышает примерно 350 бар. Для дизельных двигателей с непосредственным впрыском скорость воздуха в камере сгорания относительно низка и смешивание является нормальным.

Смешивание существенно улучшается, если топливо впрыскивается в камеру сгорания под высоким давлением. Выбросы сажи могут быть существенно снижены, особенно на низких оборотах двигателя, используя давления впрыска вплоть до 1000 бар. Повышенные давления впрыска заметно увеличивают расход топлива, т.к. помимо прочего возрастает нагрузка на двигатель для привода ТНВД.

Рис. Давление впрыска: OCs — начало впрыска после ВМТ; 1. Черный дым; 2. г/кВт-ч; 3. Расход топлива, в,; 4. Окислы азота NOx.

Направление впрыска

Дизельные двигатели с предкамерой или с вихревой камерой работают только с одной струей (факелом) топлива, направление которого подбирается для соответствующей камеры сгорания. Отклонение приводят к худшему использованию воздуха и, таким образом, к увеличению выбросов черного дыма и несгоревших углеводородов.

Дизельные двигатели с непосредственным впрыском обычно работают с 4 — 6 распылительными отверстиями в форсунке, направление впрыска которых очень точно подбирается для соответствующей камеры сгорания. Отклонения в пределах 2° от оптимального направления приводят к заметному увеличению выбросов черного дыма и расхода топлива.

Избыточный воздух и «поведение» выхлопных газов

Дизельные двигатели обычно работают без дросселирования поступающего воздуха. Если имеется много избыточного воздуха, то топливо сгорает «чище» в камере сгорания. Компоненты выхлопных газов, такие как окись углерода, СО и сажа образуются в очень низких концентрациях. Избыток воздуха в камере сгорания уменьшается с увеличением количества впрыскиваемого топлива. Если принимать во внимание низкий вес двигателя и его стоимость, то для конкретного двигателя существует определенный объем для получения максимально возможной мощности. Двигатель поэтому должен работать с небольшим избытком воздуха при высоких нагрузках. Если избыток воздуха мал, то выбросы должны быть ограничены, т.е. количество топлива должно быть точно дозировано для данного количества воздуха и в зависимости от оборотов двигателя. Низкое давление воздуха (например, на большой высоте) требует адаптации количества впрыснутого топлива к уменьшившемуся количеству воздуха.

Турбонаддув

В случае двигателей с турбонаддувом количество впрыскиваемого топлива ограничивается в зависимости от давления во впускном коллекторе двигателя.

Рециркуляция выхлопных газов (EGR)

У двигателей с EGR выпускаемый воздух может смешиваться с поступающим воздухом при работе в режиме частичной нагрузки для уменьшения выбросов NOx. Эта мера уменьшает концентрацию кислорода в выхлопе и к тому же выхлопные газы обладают большей теплоемкостью, чем воздух. Оба этих фактора уменьшают температуру сгорания (и вместе с ней образование NOx). Увеличение скорости EGR (2) уменьшает расход свежего воздуха для двигателя и, таким образом, количество избыточного воздуха (3 — коэффициент избытка воздуха). Следовательно, выбросы (1 — концентрация выбросов) углеводородов и сажи (4) в выхлопных газах возрастают, если поступающий воздух содержит избыточную долю выхлопных газов.

Попытки существенно снизить выбросы NOx с помощью рециркуляции выхлопных газов также требуют точной регулировки количества впрыскиваемого топлива (5) для требуемого количества воздуха при работе в области частичных нагрузок. Другими словами, количество рециркулирующих выхлопных газов должно быть ограничено так, чтобы для сгорания впрыснутого топлива в камере сгорания имелось достаточное количество кислорода.

Рис. Рециркуляция выхлопных газов