Система управления топливом компании Saab

Рис. Инжектор со свечой системы управления сгоранием (Источник: Saab)

Система управления топливом компании Saab (Saab Combustion Control — SCC) была разработана с целью уменьшить потребление топлива к значительно сократить при этом вредные выбросы. Однако это ничуть не ухудшило характеристики двигателя. Ключевая идея системы SCC — использование выхлопных газов.

Благодаря рециркуляции значительной доли выхлопного газа в процессе сгорания, потребление топлива может быть уменьшено на 10%. К тому же выбросы можно сократить до значения, лежащего ниже уровня требований американском инструкции снижения эмиссии ULEV2 и европейской инструкции ЕВРО 4. Эта технология почти вдвое сократила выброс окиси углерода и углеводородов, а выброс окиси азота — до 75%.

Система SCC, непохожая на стандартные системы прямого впрыска, имеет множество преимуществ, не нарушая при этом идеальное отношение воздушно-топливной смеси (14,7:1). Поддержание этого отношения необходимо, чтобы мог работать в нормальном режиме обычный каталитический конвертер с тремя реакциями. Наиболее важные аспекты системы SCC таковы:

• впрыск топлива, поддерживаемый воздушной струей, с генератором турбулентности — инжектор и свеча объединены в один узел, получивший название — «инжектор со свечой» (spark plug injection — SPI). Топливо впрыскивается непосредственно в цилиндр при помощи сжатого воздуха, а еще одна струя воздуха создает в цилиндре турбулентность перед моментом воспламенения топлива. Этот прием поддерживает процесс горения и сокращает время сгорания;
• изменяемое время функционирования клапанов — используются изменяемые кулачки, чтобы система SCC могла варьировать время открытия и закрытия клапанов впуска и выпуска. Это позволяет смешивать выхлопной газ с воздушно-топливной смесью в цилиндре. Ключевой аспект здесь — выгода от прямого впрыска при одновременном сохранении лямбда-показателя, равного единице, в большинстве условий эксплуатации двигателя. Точный процент рециркуляции выхлопного газа зависит от режима работы двигателя, но во 70% объема цилиндра во время сгорания может состоять из выхлопного газа;
• переменный промежуток свечи зажигания с высокой энергией искры — промежуток свечи зажигания изменяется в диапазоне от 1 до 3,5 мм. Искра создается между нейтральным подвижным электродом SPI и неподвижным земляным электродом с промежутком в 3,5 мм, или на имеющий потенциал земли поршень. Очень высокая энергия искры (около 80 мДж) необходима, чтобы воспламенить воздушно- топливную смесь, смешанную с 70% выхлопных газов.

Рис. Стадии управления сгоранием топлива (Источник: Saab)

Рассмотрим процесс SCC с такта расширения (рабочего такта). На рисунке приведены следующие моменты работы цилиндра:

1. Рабочий такт происходит обычным способом — воздушно-топливная смесь сгорает, давление в цилиндре увеличивается, что вызывает движение поршня вниз.
2. Как только поршень достигает конца рабочего хода выпускные клапаны открываются и выводят большую часть выхлопа через выхлопные патрубки. Остающиеся выхлопные газы выводятся по мере движения поршня вверх на такте выпуска.
3. Топливо вводится в цилиндр через SPI непосредственно перед тем, как поршень достигнет верхней мертвой точки. Впускные клапаны открываются в то же самое время. Выхлоп, смешанный с топливом, выводится из цилиндра через клапаны впуска и выпуска.
4. В начале такта впуска выпускные и впускные клапаны открыты, и смесь выхлопа с топливом всасывается из выпускного коллектора обратно в цилиндр.
5. По мере перемещении поршня вниз, выпускные клапаны закрываются, но клапаны впуска продолжают оставаться открытыми. Смесь выхлопных газов и топлива, которая зашла во впускной коллектор, теперь втягивается в цилиндр.
6. Когда поршень приближается к нижней мертвой точке, вся смесь из выхлопа и топлива втянута обратно в цилиндр. К концу такта впуска в цилиндр засасывается только воздух.
7. Когда поршень в течение такта сжатия перемещается вверх, клапаны впуска закрыты и смесь выхлопа, воздуха и топлива сжимается. Приблизительно на половине хода такта сжатия SPI подает в цилиндр сильную струю воздуха. Она бурно перемешивает смесь, чем облегчает ее горение и сокращает время сгорания.
8. Непосредственно перед тем, как поршень достигает верхней мертвой точки, искра от электрода SPI зажигает смесь, и начинается следующий такт расширения.

Каталитический конвертер с тремя реакциями — все еще самый важный элемент контроля выхлопной эмиссии, потому что он может преобразовать до 99% вредных компонентой выхлопных газов. Однако каталитический конвертер не оказывает никакого влияния на эмиссию углекислого газа, которая прямо пропорциональна потреблению топлива.

Прямой впрыск бензина — хороший способ понизить потребление топлива. Поскольку отмеренное количество топлива вводится непосредственно в цилиндр, можно более точно управлять его расходом. Однако гореть может только область вокруг свечи, потому как остальная часть объема цилиндра заполнена воздухом. В стандартных системах прямого впрыска это уменьшает потребление топлива, но приводит к более высокому уровню выбросов окислов азота. Получающиеся выхлопные газы совершенно не подходят для обычного каталитического конвертера с тремя реакциями. Поэтому должен быть использован специальный каталитический конвертер с «ловушкой окислов азота». Он дороже, потому что содержит благородные металлы. Кроме того, такие конвертеры более чувствительны к температуре и при работе с полной нагрузкой нуждаются в охлаждении. Это часто обеспечивается впрыском дополнительного количества топлива. Чтобы восстановить улавливатель NOx, когда он «полон», двигателю нужно некоторое время поработать на более богатой топливно-воздушной смеси.

Система SCC также вносит вклад в сокращение насосных потерь. Они выше, когда двигатель работает с низкой нагрузкой при почти закрытом дроссельном клапане. В этих условиях поршень в цилиндре в течение такта впуска работает под частичным вакуумом. Дополнительная энергия, необходимая, чтобы толкать поршень вниз, приводит к увеличенному потреблению топлива. В двигателе SCC цилиндр питается только тем количеством топлива и воздуха, которые необходимы в любой конкретный момент времени. Остальная часть цилиндра заполнена выхлопными газами. Это означает, что поршень не должен втягивать дополнительный воздух, и, следовательно, насосные потери уменьшаются. Выхлопные газы составляют 60—70% объема камеры сгорания, в то время как 29—39% занимает воздух. Доля топлива составляет менее 1%. Вообще говоря, когда двигатель работает с малой нагрузкой, используется и более высокая пропорция выхлопного газа.

При низких нагрузках искра зажигается от центрального электрода инжектора на неподвижный земляной электрод через промежуток 3,5 мм. При высоких нагрузках искра проскакивает позже (задерживается). Плотность газа в камере сгорания в этих условиях является слишком высокой, чтобы искра могла пробить 3,5 мм. Поэтому в качестве земли используется выступ на поршне. Искра проскочит но электрод поршня, когда промежуток станет меньше, чем 3,5 мм.

Сейчас система управления сгоранием компании Saab находится в эксплуатации и показывает очень высокую эффективность. Компания продолжает разработки в этом направлении.