Управління подачею палива дизельного двигуна

Утворення паливо-повітряної суміші впливає на витрату палива, склад вихлопних газів та шуми дизельного двигуна. Система упорскування палива впливає на сумішоутворення та процес згоряння в камері згоряння двигуна. До параметрів, що впливають на сумішоутворення та процес згоряння відносяться:

початок подачі (перекриття каналу) та початок упорскування;
тривалість упорскування та крива (графік) інтенсивності подачі;
тиск упорскування;
напрямок упорскування та кількість отворів для упорскування;
надмірне повітря.

Початок подачі (перекриття каналу) та початок упорскування

Термін «початок подачі» стосується дійсного початку подачі насоса високого тиску. Разом з початком подачі (FB) дійсний початок упорскування (SB) також має велике значення для оптимальної віддачі двигуна. Так як початок подачі (перекриття каналу) може бути визначений більш просто, ніж дійсний початок упорскування для двигуна при його зупинці, то встановлення (налаштування) паливного насоса високого тиску (ТНВД) проводиться на початку подачі палива. Це може бути, т.к. між початком подачі та початком упорскування (4) існує певне співвідношення. Початок упорскування визначається за допомогою кута повороту колінчастого валу (5) в області верхньої мертвої точки (ВМТ) поршня, при якому відкривається форсунка і паливо впорскується в камеру згоряння. Початок упорскування палива в камеру згоряння має значний вплив на початок згоряння паливо-повітряної суміші. Максимальна кінцева температура стиснення виникає у ВМТ. Якщо згоряння починається раніше ВМТ, то тиск згоряння різко зростає і гальмує рух поршня вгору, зменшуючи таким чином ефективну потужність двигуна. Різке зростання тиску згоряння також призводить до «жорсткої»роботи двигуна. Проте згоряння повинно закінчитися до того, як відкриється випускний клапан. Є також і зниження витрати палива, якщо згоряння починається області ВМТ.

Якщо початок згоряння випереджається (2), то температура в камері згоряння зростає, що призводить також до збільшення викидів NOx (1). Якщо початок упорскування занадто запізнюється (3), це може призвести до неповного згоряння і до викиду вуглеводнів, що не повністю згоріли.

Миттєве положення поршня впливає на рух повітря в камері згоряння, його щільність та температуру. Відповідно, швидкість руху та якість змішування паливо-повітряної суміші залежать від початку упорскування. Таким чином, початок упорскування також впливає на викиди сажі та продуктів неповного згоряння. Така взаємна залежність питомої витрати палива та викидів вуглеводнів з одного боку та викидів чорного диму та N0 з іншого боку потребує мінімально можливих допусків для початку упорскування, щоб досягти оптимальних величин (а – оптимальний початок упорскування).

Різні періоди затримки займання за різних температур потребують температурної корекції початку упорскування. При подачі палива час розповсюдження палива залежить від довжини магістралі. При високих оборотах це має результат затримку впорскування (тобто час від початку подачі до початку упорскування). До того ж, що стоїть обороти двигуна, то вище затримка займання (тобто. час від початку упорскування до початку займання). Обидва ці фактори повинні бути скомпенсовані, і це є причиною того, чому в систему упорскування палива має бути вбудований пристрій коригування моменту упорскування, що залежить від кількості обертів двигуна випередження і моменту початку упорскування. З міркувань шумності та зменшеннявикидів, різні характеристики початку упорскування для повного навантаження режиму (2) потрібні частіше, ніж для режиму часткового навантаження (3). Характеристика початку упорскування показує схематично залежність початку упорскування (4) від температури, навантаження та оборотів двигуна (5). (1 - запуск холодного двигуна).

Тривалість упорскування та крива інтенсивності подачі (уприскування)

Термін «інтенсивність подачі» визначає криву характеристику кількості впорскненого в камеру згоряння палива як функцію кута повороту колінчастого або кулачкового валу (відповідно кути повороту колінчастого або кулачкового валу).

Однією з основних властивостей, які впливають криву інтенсивності подачі, є тривалість упорскування. Вона вимірюється в кутах повороту колінчастого або кулачкового валу або в мілісекундах і є періодом, протягом якого відкрита форсунка і паливо впорскується в камеру згоряння. як функція кута повороту кулачкового валу). Можна бачити, що характеристика тиску та крива інтенсивності подачі сильно змінюються між елементом насоса та форсункою, і що на них впливають деталі, які визначають упорскування (кулачок, елемент насоса, нагнітальний клапан, паливопровід (магістраль подачі) та форсунка).

Мал. Тривалість упорскування та крива інтенсивності подачі

Мал. rl - період затримки займання; 1. Підйом кулачка, швидкість підйому; 2. Тиск у камері елемента насоса; 3. Підйом клапана; 4. Тиск у паливопроводі на стороні насоса; 5. Тиск у паливопроводі на стороні форсунки; 6. Підйом голки форсунки; 7. Крива інтенсивності подачі; 8. Кутповороту кулачка, град.

Різні системи дизельних двигунів вимагають різної тривалості упорскування у кожному з випадків. Двигуни з безпосереднім упорскуванням вимагають приблизно 25 - 30 ° повороту колінчастого валу при певному числі обертів, а двигуни з передкамерою - кута повороту колінчастого валу в 35 - 40 °. Тривалість упорскування при 30°- повороті колінчастого валу, що відповідає повороту на 15° кулачкового валу, означає тривалість упорскування в 1,25 мілісекунд для числа оборотів ТНВД, що дорівнює 2000 об/хв.

Для підтримки витрати палива та викидів сірки на низькому рівні, тривалість упорскування повинна бути визначена як функція робочої точки та залежить від початку упорскування. На початку упорскування має протікати лише мала кількість палива, тоді як наприкінці потрібна велика кількість палива. Форсунка потім має закритися якнайшвидше. Така крива інтенсивності подачі спричинить повільне підвищення тиску стиснення. Згоряння таким чином буде «м'яким». У двигунах з безпосереднім упорскуванням шум від згоряння помітно зменшується, якщо мала частина палива, впораненого в камеру згоряння, дрібно розпорошена перед основним упорскуванням.

Мал. as - початок упорскування в градусах повороту колінчастого валу до ВМТ; 1. Витрата палива; 2. г/кВт-год; 3. Тривалість упорскування; 4. Сірка; 5. Градуси повороту колінчастого валу; 6. Окиси азоту (NOx); 7. Вуглеводні (НС); 8. г/ч.

Такий метод упорскування залишається дуже дорогим. У двигунах з розділеною камерою згоряння (з передкамерою або вихровою камерою) використовуються голчасті форсунки. Ці форсунки утворюють один струмінь палива та визначають криву інтенсивності подачі. Форсунки керують поперечним перерізом виходу як функцією ходу клапана упорскування.(Нагнітального клапана).

Вторинний упорскування (або так зване «капання») особливо небажаний і відбувається через швидке повторне відкривання форсунки після її закривання, і вона впорскує погано підготовлене паливо пізніше в процесі згоряння. Його паливо згоряє не повністю або взагалі не згоряє і виходить через вихлопні гази як вуглеводні, що не згоріли.

Форсунки, що швидко закриваються, запобігають такому «капанню». «Мертвий об'єм» у нижній частині у сідла форсунки справляє ефект, подібний до «капання». Пари палива, що накопичуються в цьому обсязі, виходять в камеру згоряння після закінчення згоряння і також надходять у вихлопні гази, де збільшують викиди вуглеводнів, що не згоріли. Найменший «мертвий об'єм» виходить у форсунок із сідлом із отворами.

Вплив конструкції форсунки на викиди вуглеводнів

Мал. Вплив конструкції форсунки на викиди вуглеводнів: а) Форсунка без глухого отвору; б) Форсунка з мініатюрним глухим отвором; 1. Двигун із питомим робочим об'ємом 1,3 л на циліндр; 2. Двигун з питомим робочим об'ємом 2,0 л на циліндр; 3. Викиди СР; 3. Об'єм отвору для впорскування та об'єм глухого отвору; 5. г/кВт-год; 6. мм3.

Тиск упорскування

Чим вище відносні швидкості палива та повітря, чим вище щільність повітря в камері згоряння, тим дрібніше розпилення дизельного палива. Високий тиск палива призводить до високої швидкості. Дизельні двигуни з розділеними камерами згоряння працюють при високих швидкостях повітря у вихровій камері або додаткової камери згоряння (передкамері) або в сполучному каналі між вихровою та основною камерами згоряння. Тут робочий тиск перевищує приблизно 350 бар. Для дизельних двигунів з безпосереднім упорскуванням швидкістьповітря в камері згоряння відносно низька та змішування є нормальним.

Змішування значно покращується, якщо паливо впорскується в камеру згоряння під високим тиском. Викиди сажі можуть бути суттєво знижені, особливо на низьких оборотах двигуна, використовуючи тиск упорскування аж до 1000 бар. Підвищені тиски упорскування помітно збільшують витрату палива, т.к. також зростає навантаження на двигун для приводу ТНВД.

Мал. Тиск упорскування: OCs - початок упорскування після ВМТ; 1. Чорний дим; 2. г/кВт-год; 3. Витрата палива,; 4. Окиси азоту NOx.

Напрямок упорскування

Дизельні двигуни з передкамерою або вихровою камерою працюють тільки з одним струменем (факелом) палива, напрямок якого підбирається для відповідної камери згоряння. Відхилення призводять до гіршого використання повітря і, таким чином, до збільшення викидів чорного диму і вуглеводнів, що не згоріли.

Дизельні двигуни з безпосереднім уприскуванням зазвичай працюють з 4 - 6 розпилювальними отворами у форсунці, напрямок упорскування яких дуже точно підбирається для відповідної камери згоряння. Відхилення в межах 2° від оптимального напрямку призводять до помітного збільшення викидів чорного диму та витрати палива.

Надмірне повітря та «поведінка» вихлопних газів

Дизельні двигуни зазвичай працюють без дроселювання повітря, що надходить. Якщо є багато надлишкового повітря, паливо згоряє «чистіше» в камері згоряння. Компоненти вихлопних газів, такі як окис вуглецю, СО та сажа утворюються в дуже низьких концентраціях. Надлишок повітря в камері згоряння зменшується зі збільшенням кількості палива, що впорскується. Якщо брати до уваги низьку вагу двигуна та його вартість, то для конкретногодвигуна існує певний обсяг для отримання максимально можливої потужності. Тому двигун повинен працювати з невеликим надлишком повітря при високих навантаженнях. Якщо надлишок повітря малий, то викиди би мало бути обмежені, тобто. кількість палива має бути точно дозована для даної кількості повітря та залежно від оборотів двигуна. Низький тиск повітря (наприклад, на великій висоті) вимагає адаптації кількості впораненого палива до кількості повітря, що зменшилася.

Турбонаддув

У випадку двигунів з турбонаддувом кількість палива, що впорскується, обмежується в залежності від тиску у впускному колекторі двигуна.

Рециркуляція вихлопних газів (EGR)

У двигунів з EGR повітря, що випускається, може змішуватися з повітрям, що надходить при роботі в режимі часткового навантаження для зменшення викидів NOx. Ця міра зменшує концентрацію кисню у вихлопі і до того ж вихлопні гази мають більшу теплоємність, ніж повітря. Обидва ці чинники зменшують температуру згоряння (і разом із нею освіту NOx). Збільшення швидкості EGR (2) зменшує витрату свіжого повітря для двигуна і, таким чином, кількість надлишкового повітря (3 – коефіцієнт надлишку повітря). Отже, викиди (1 — концентрація викидів) вуглеводнів і сажі (4) у вихлопних газах зростають, якщо повітря, що надходить, містить надмірну частку вихлопних газів.

Спроби істотно знизити викиди NOx за допомогою рециркуляції вихлопних газів також вимагають точного регулювання кількості палива (5), що впорскується, для необхідної кількості повітря при роботі в області часткових навантажень. Іншими словами, кількість вихлопних газів, що рециркулюють, повинна бути обмежена так, щоб для згоряння вприснутого палива в камері згоряння була достатнякількість кисню.