Протекание впрыскивания дизельного топлива в двигателе

Протекание впрыскивания

Для дизеля наиболее важны уровень эмиссии вредных веществ и расход топлива. В связи с этим к системе впрыска предъявляются следующие требования:

• Впрыскивание должно происходить в точно выбранный момент времени. Уже при незначительных отклонениях сильно изменяются расход топлива, уровень эмиссии вредных веществ и уровень шума сгорания (рис. 1-4).

• Давление впрыскивания должно соответствовать каждой рабочей точке двигателя (например, меняться, по возможности раздельно, в зависимости от нагрузки на двигатель и частоты вращения коленчатого вала).

• Впрыскивание должно заканчиваться резко, без подвпрыскивания топлива Неконтролируемые подвпрыски ведут к повышенному уровню эмиссии вредных веществ в ОГ. Понятие «протекание впрыскивания», или «закон впрыскивания», характеризует впрыскивание в камеру сгорания определенного количества топлива в зависимости от времени.

boschdiesel 62boschdiesel 63boschdiesel 64boschdiesel 65

Рис. 1- 4

Двигатель: 6 цилиндровый дизель грузового автомобиля с системой впрыска Common Rail Режим эксплуатации:л=1400 мин1,нагрузка  50% Изменение продолжительности впрыскивания в данном случае производится путем изменения давления впрыскивания


Продолжительность впрыскивания

Основным параметром процесса впрыскивания является его продолжительность, которая определяет время открытия форсунки и поступления топлива в камеру сгорания. Продолжительность впрыскивания указывается в градусах поворота коленчатого или распределительного вала, либо в миллисекундах (мс).Различные виды процессов сгорания в дизеле требуют соответственно различной продолжительности впрыскивания (ниже приведены приблизительные значения угла поворота коленчатого вала в градусах для номинальной мощности):

• двигатели легковых автомобилей с непосредственным впрыском топлива — 32...38;

• двигатели легковых автомобилей с разделенными камерами сгорания — 35...40";

• двигатели грузовых автомобилей с непосредственным впрыском топлива — 25...36.

Угол в 30° поворота коленчатого вала соответствует 15° поворота кулачкового вала ТНВД. При частоте вращения вала ТНВД, равной 2000 мин продолжительность впрыскивания равняется 1,25 мс. Чтобы минимизировать расход топлива и дымность ОГ, продолжительность и момент начала впрыскивания должны быть согласованы с рабочей точкой поля характеристик (рис. 1 и 4).

Протекание впрыскивания

Системы впрыска выполняют следующие функции (рис. 5):


boschdiesel 66

Рис. 5

Момент начала подачи предшествует моменту начала впрыскивания и зависит от конструкции системы впрыскивания 1. Предварительное впрыскивание (Рl ) 2. Основное впрыскивание (Ml) 3. Интенсивное повышение давления (для системы Common Rail) 4. Ступенчатое повышение давления (для системы индивидуальных ТНВД с электромагнитным клапаном (UPS)). В данном случае двумя пружинами в корпусе форсунки обеспечивается двух ступенчатый ход форсунки со ступенчатым, а вовсе не плавным повышением давления. Это уменьшает уровень шума сгорания. но не уровень эмиссии сажи 5. Стандартное повышение давления (традиционные системы впрыска) 6. Мягкое падение давления (рядный и распределительный ТНВД)  7. Разное падение давления (для систем индивидуальны ТНВД (UPS) и насос форсунок (UIS). При использовании системы Common Rail процесс протекает несколько мягче) 8. Раннее дополнительное впрыскивание 9. Позднее дополнительное впрыскивание

р,  давление впрыскивания, pe давление открытия Форсунки b  продолжительность сгорания основной доли впрыснутого топлива v  продолжительность сгорания предварительной доли впрыснутого топлива ZV  период задержки воспламенения основной доли впрыснутого топлива


• предварительное впрыскивание 1 для снижения уровней шума сгорания и эмиссии NOх, особенно в двигателях с непосредственным впрыском топлива;

• интенсивное повышение давления 3 при основном впрыскивании для сокращения уровня эмиссии NOх при работе без рециркуляции ОГ, ступенчатое повышение давления 4 во время основного впрыскивания для сокращения уровней эмиссии NOx и сажеобразования при работе без рециркуляции ОГ;

• удержание постоянного и высокого давления при основном впрыскивании (3, 7) для сокращения уровня сажеобразования при работе с рециркуляцией ОГ;

• дополнительное впрыскивание 8 —непосредственно после основной подачи для сокращения уровня сажеобразования;

• позднее дополнительное впрыскивание 9 как восстановитель для аккумулирующего нейтрализатора NOx и/или с целью повышения температуры ОГ для регенерации частиц в сажевом фильтре.

 • величина давления впрыскивания повышается с возрастанием частоты вращения коленчатого вала и цикловой подачи топлива (рис. 6);

• величина давления повышается вначале впрыскивания, однако к концу надает до величины давления закрытия форсунки;

• малые цикловые подачи топлива впрыскиваются под незначительным давлением;

• закон впрыскивания на графике (см.рис. 5) должен иметь примерно треугольную форму, что требуется для благоприятного сгорания топлива без использования рециркуляции ОГ (мягкое повышение давления и вместе с тем малошумное сгорание).

boschdiesel 67

Рис. 6

1. высокооборотный двигатель 2. Среднеоборотный двигатель 3. Низкооборотный двигатель


Максимальное давление впрыскивания служит критерием оценки нагрузки конструктивных элементов и привода ТНВД. Для систем впрыска оно является критерием качества распыливания топлива в камере сгорания.

На дизелях с разделенными камерами сгорания (двигатели с пред или вихревой камерой) используются дросселирующие штифтовые распылители, которые создают единый факел топлива и формируют протекание процесса впрыскивания. Эти распылители формируют переменное поперечное сечение факела в зависимости от величины подъема иглы форсунки, что приводит к плавному повышению давления и к малошумному сгоранию.

Предварительное впрыскивание

Если предварительное впрыскивание не производится (рис. 7, кривая а), то при изменении давления впрыскивания топлива давление и цилиндре плавно растет перед ВМТ поршня, но с началом сгорания повышается очень резко. Такой процесс является причиной высокого уровня шума сгорания.

Использование предварительного впрыскивания позволяет достичь плавного повышения давления сгорания. Период задержки воспламенения основной части цикловой подачи топлива значительно сокращается. Это благоприятно сказывается на снижении уровня шума сгорания и расхода топлива, а также на уменьшении эмиссии NOx и СН. При предварительном впрыскивании в цилиндр направляется небольшое количество топлива (1...4 мм'), которое обеспечивает «подготовку» камеры сгорания.

При этом возникают следующие эффекты:

• период задержки воспламенения основной доли топлива сокращается;

• повышение давления сгорания становится более плавным (рис. 7,кривая b).

Удельный расход топлива может меняться в зависимости от момента начала впрыскивания основной доли топлива и его сдвига по времени относительно предварительного впрыскивания.

boschdiesel 68

Рис. 7

а - без предварительного впрыскивания b - с предварительным впрыскиванием hp1 - ход иглы распылителя при предварительном впрыскивании hmi - ход иглы распылителя при основном впрыскивании

Дополнительное впрыскивание

Позднее дополнительное впрыскивание

Позднее дополнительное впрыскивание может применяться для восстановления в некоторых вариантах нейтрализаторов NOх Оно происходит вслед за основным впрыскиванием во время рабочего холла или выпуска до 200° угла поворота коленчатого вала после ВМТ поршня и добавляет в ОГ точно дозированное количество топлива.

В противоположность предварительному и основному впрыскиваниям, это топливо не сгорает, а испаряется в ОГ под воздействием тепла. Смесь испарений топлива и ОГ направляется при такте выпуска через выпускные клапаны к соответствующим нейтрализаторам NOx, где топливо служит восстановителем этих оксидов. Как следствие происходит умеренное снижение уровня NOx в ОГ. Другой возможностью снижения уровня NOx считается использование аккумулирующих нейтрализаторов NOx (см.главу «Системы очистки ОГ»).

Позднее дополнительное впрыскивание может применяться также для повышения температуры ОГ в окислительном нейтрализаторе, чтобы поддерживать заданную температуру для регенерации сажевого фильтра.

Позднее дополнительное впрыскивание может вести к разжижению моторного масла дизельным топливом, поэтому применение этого процесса должно быть согласовано с производителем двигателей.

Раннее дополнительное впрыскивание

Независимо от дополнительного впрыскивания для нейтрализации NOx или использования сажевого фильтра раннее дополнительное впрыскивание может осуществляться при применении системы Common Rail непосредственно после основного впрыскивания, что происходит еще при продолжающемся сгорании топливовоздушной смеси. При этом дополнительно сжигаются частицы сажи, что уменьшает уровень ее выброса примерно на 20...70%.

Ведутся также исследования по внедрению раннего дополнительного впрыскивания в работу традиционных систем впрыска с механическими ТНВД.

Подвпрыскивание и остаточные порции топлива

Особенно неблагоприятно на работе двигателя отражаются нежелательные подвпрыскивания. При подвпрыскивании форсунки самопроизвольно открывается еще раз вскоре после закрытия, ив цилиндр к концу сгорания попадает плохо подготовленное топливо. Оно не сгорает частично или полностью и устремляется в виде не сожженных углеводородов в выпускной тракт. Быстро запираемые распылители с достаточно высоким давлением закрытия и низким остаточным давлением в подающей магистрали предотвращают этот неблагоприятный эффект.

Подобно таким подвпрыскиваниям на работе дизеля негативно сказывается наличие остаточных порций топлива, скапливающихся в носке корпуса распылителя, за уплотняющей поверхностью. Остающееся топливо выходит после окончания сгорания в камеру сгорания и также частично устремляется в выпускной тракт, повышая уровень эмиссии не сгоревших углеводородов (CII) (рис. 8). Распылители, в которых отверстия рассверливаются в районе уплотнительного седла, имеют самые незначительные объемы остаточных порций топлива.

boschdiesel 69

Рис. 8

а  распылитель без микрообъема под иглой b  распылитель с микрообъемом под иглой 1. Двигатель с рабочим объемом цилиндра до 1л 2. Двигатель с рабочим объемом цилиндра до 2 л

Протекание процесса впрыскивания во времени

На рис. 9 на примере распределительного ТНВД с радиальными плунжерами(VP44) показано, как кулачок на кольцевой шайбе воздействует на нагнетание и выход топлива из форсунки. Показано, как сильно изменяется давление топлива в процессе его доставки к форсунке впрыскивания в зависимости от ряда конструктивных определяющих элементов (кулачок, нагнетательный клапан, трубопровод, форсунка и др. элементы).Поэтому необходимо точное согласование системы впрыска с параметрами двигателя. Во всех системах впрыска, где давление создается плунжерами насосов (рядные ТНВД, системы насос форсунок и индивидуальных ТНВД с электромагнитным клапаном), протекание процесса схоже. Протекание процесса в системе впрыскивания Common Rail происходит совершенно иначе.

boschdiesel 70

Рис. 9

Пример радиального распределительного ТНВД серии VP44.работающего без предварительного впрыскивания в режиме полной нагрузки т t задержка волны давления по концам магистрали высокого давления


Вредные объемы в обычных системах впрыска

Понятие «вредные объемы» используется при рассмотрении контура высокого давления системы впрыска. Последняя включает в себя объемы высокого давления ТНВД, магистралей и форсунок.

Во вредных объемах давление повышается при каждом впрыскивании и снова уменьшается в конце его. Тем самым возникают потерн энергии на сжатие, а процесс впрыскивания затягивается. При этом, двигаясь вдоль магистралей, топливо подвергается сжатию расширению из-за динамических волновых процессов изменения давления.

Чем больше вредные объемы, тем хуже гидравлическая эффективность системы впрыска. Минимизация вредных объемов является одной из важнейших целей при создании системы впрыскивания. В конструкции системы с блоком насос форсунок(UIS) вредные объемы наименьшие. Чтобы гарантировать равномерность работы двигателя, вредные объемы в магистралях подвода топлива ко всем цилиндрам должны быть одинаковы.

Протекание процесса впрыскивания в системе Common Rail

В системе Common Rail ТНВД независимо от момента начала впрыскивания обеспечивает в аккумуляторе давление, величина которого примерно постоянно во  время всего процесса впрыскивания топлива (рис. 10). Из-за почти равномерного процесса нагнетания ТНВД может иметь меньшие, чем обычно, размеры и работать с меньшими пульсациями крутящего момента в приводе.

boschdiesel 71

Рис. 10 р,  давление в аккумуляторе р„ давление открытия форсунки


Короткие магистрали связывают аккумулятор с форсунками. Так как регулятор частоты вращения управляет процессом впрыскивания, его начало и окончание легко и четко устанавливаются в зависимости от комплектации двигателя. Возможно также осуществление процессов предварительного и дополнительного впрыскивания.

При заданном давлении количество впрыснутого топлива пропорционально времени подъема иглы распылителя форсунки и не зависит от частоты вращения коленчатого вала или распределительного вала ТНВД (впрыскивание по времени).

Таким образом, момент начала впрыскивания, его продолжительность и давление могут быть установлены оптимальным образом для различных режимов работы двигателя. Это осуществляет система электронного регулирования работы дизеля с помощью преобразователя «время—угол».