Отведение специальных циклических процессов. Впрыск топлива

Бензиновый двигатель с принудительным зажиганием имеет сравнительно низкую степень сжатия, но при этом, из-за наличия пламени после предварительного смешивания топлива с воздухом, обеспечивает более выгодное термодинамически сгорание при постоянном объеме.

Напротив, дизельный двигатель имеет более высокую степень сжатия, так как топливо впрыскивается только в конце такта сжатия воздуха в цилиндре. Из-за этого диффузионное сгорание происходит медленнее, так что в классическом дизельном двигателе доля сгорания при постоянном давлении, менее выгодного термодинамически, преобладает благодаря движению поршня вниз. Так как в целом преимущество более высокой степени сжатия превышает недостаток большей доли сгорания при постоянном объеме, классические дизельные двигатели позволяют достичь более высокого термодинамического коэффициента полезного действия в отличие от бензиновых двигателей.

Дальнейшее улучшение процесса работы дизельного двигателя достигается с помощью турбонагнетателя, приводимого в действие потоком отработавших газов. Благодаря этому удается увеличить количество подаваемого в цилиндр воздуха при неизменном рабочем объеме и, таким образом, повысить удельную мощность двигателя. Конечная температура при сжатии, возрастающая при увеличении количества воздуха в цилиндре, не является критичной в дизельном двигателе с точки зрения процесса его работы, так она не может привести к преждевременному воспламенению, как в бензиновом двигателе, в котором используется горючая топливовоздушная смесь.

При использовании непосредственного впрыска топлива в бензиновом двигателе также можно увеличить степень сжатия или использовать эффект турбонаддува даже при слегка сниженной степени сжатия. Этого можно достичь посредством внутреннего охлаждения с одновременным испарением жидкого впрыскиваемого топлива, что снижает опасность преждевременного и неконтролируемого сгорания смеси.

С увеличением степени сжатия повышается термический коэффициент полезного действия. При использовании турбонаддува в бензиновом двигателе достигается постоянный термический коэффициент полезного действия при повышенной мощности двигателя. Это позволяет заменить двигатели с большим рабочим объемом, которые сильно задросселированы в режимах частичной нагрузки и работают с неоптимальным коэффициентом полезного действия, на двигатели с меньшим рабочим объемом, которые при приблизительно одинаковой номинальной мощности имеют незначительные дроссельные потери в режимах частичной нагрузки. Данная концепция известна также как Downsizing (уменьшение габаритов).

Процесс однородного сгорания пока не удается использовать в серийных моторах. До сих пор для дизельных двигателей выбираются пути стабилизации процесса сгорания посредством понижения степени сжатия и рециркуляции отработавших газов. Равномерно распределенные горячие отработавшие газы служат, вследствие своей высокой температуры, инициатором последующего воспламенения в камере сгорания. После этого они поддерживают начинающееся горение, поскольку при этом выделяется меньше теплоты. Целью является необходимость повлиять на температуру сжатия воздуха посредством точного добавления количества отработавших газов таким образом, чтобы сделать возможным безопасное возгорание смеси в желаемый момент — в том числе без хорошо управляемого впрыскивания топлива. Необходимо учитывать тот факт, что с помощью данных мер и многократных впрыскиваний, типичных для современных дизельных двигателей, классический процесс работы дизельного двигателя приближается к процессу работы бензинового двигателя, в котором доля сгорания при постоянном объеме увеличивается и составляет весь процесс подвода теплоты.

С другой стороны, в современных бензиновых двигателях благодаря непосредственному впрыску топлива уменьшается опасность преждевременного воспламенения смеси благодаря внутреннему охлаждению, связанному с испарением топлива. При использовании непосредственного впрыска топлива во время такта сжатия можно вызвать расслоение смеси непосредственно в зоне свечи зажигания. Расслоение смеси должно происходить благодаря конструктивному исполнению днища поршня или посредством подачи топлива через насадку на форсунке в виде капель таким образом, чтобы вблизи свечи зажигания располагалась относительно насыщенная легковоспламеняющаяся смесь. В этом случае инициируемое свечой зажигания воспламенение уже не имеет исключительно взрывной тип, наоборот, возрастает составляющая, типичная для диффузионного пламени. При этом способ сгорания смеси в современном бензиновом двигателе приближается к способу сгорания смеси в дизельных двигателях.

С непосредственным впрыском топлива и расслоением горючей смеси связано использование отработавших газов. В данном случае нейтрализация отработавших газов, допустимая для случая лямбда = 1, оказывается невозможной по причине использования на автомобиле катализатора в системе выпуска.

В бензиновом двигателе однородный способ сжигания смеси также достигается посредством высокой скорости рециркуляции отработавших газов. Точное управление скоростью рециркуляции отработавших газов является одной из самых сложных проблем, особенно при неустойчивой работе двигателя. Возрастающий шум, возникающий в процессе сгорания, и высокие предельные значения давления так же должны учитываться при разработке.

В целом, плохая работа двигателя по этим причинам ограничивается до максимальных средних нагрузок и частот вращения коленчатого вала.