ДВИГАТЕЛИ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ С НЕПОСРЕДСТВЕННЫМ ВПРЫСКОМ ЛЕГКОГО ТОПЛИВА: ПРОБЛЕМЫ И ПЕРСПЕКТИВЫ РАЗВИТИЯ

INTERNAF COMBUSTION ENGINES WITH DIRECT LIGHT FUEL INJECTION: PROBLEMS AND PROSPECTS

Ключевые слова: непосредственный впрыск, двигатель внутреннего сгорания, газобаллонное оборудование, монотопливный газовый двигатель, альтернативные источники энергии.

Keywords: direct injection, internal combustion engine, LPG equipment, monofuel gas engine, alternative sources of energy.

В данной статье рассмотрены двигатели внутреннего сгорания с непосредственным впрыском легкого топлива, их преимущества и недостатки, приведен сравнительный анализ двух наиболее эффективных систем, позволяющих использовать газ как альтернативный вид топлива.

In this article gasoline engines of internal combustion with direct fuel injection, their advantages and shortcomings are considered, comparative analysis of two most effective systems allowing to use gas as an alternative type of fuel.

Впервые принцип работы бензинового двигателя внутреннего сгорания (ДВС) с системой непосредственной подачи бензина в камеру сгорания (далее «непосредственный впрыск») был изобретен шведским инженером Ёнасом Хессельманом в 1925 году. Его двигатель использовался на грузовых автомобилях в период 20-30х годов. В целом, это был стандартный двигатель с искровым зажиганием, который мог работать на различных видах горючего: бензине, масле, керосине, дизельном топливе. Из-за низкой степени сжатия топливо воспламенялось с помощью свечей. Работоспособность на различных видах топлива обуславливалась низкой степенью сжатия и температурным режимом.

Дальнейшее развитие двигатель Хессельмана получил в авиационных двигателях времен Великой Отечественной Войны. Первыми массовыми двигателями стали немецкие Daimler Benz 600-й серии (применялись на BF 109), BMW-801 С (FW 190А) и советские М(АШ)-82ФН (Ла-5ФН, ЛА-7, Ту-2, Ту- 2Д). Механическая система непосредственного впрыска показала своё превосходство над традиционными ДВС в условиях воздушного боя при выполнении фигур высшего пилотажа.

Впервые автомобильный ДВС с непосредственным впрыском был установлен в 1955 году на спортивный Mercedes Benz 300SL. Инжекторы в нем располагались в стенках цилиндра, а свечи были перенесены в головку блока цилиндров. Применение таких моторов в гражданских версиях автомобилей не имело успеха, поскольку электронное управление впрыском только зарождалось и имело низкую степень надёжности, малую ремонтопригодность и высокую стоимость. Именно это в 70-х послужило причиной закрытия проекта Ford Crown Victoria, оснащенного бензиновым двигателем с непосредственным впрыском бензина.

Свою современную историю непосредственный впрыск начал с 1996 года. С этого года компания Mitsubishi начала массовую установку двигателя 4G63 на свои серийные автомобили [1]. Особенностью двигателей данного типа является возможность работы на бедных смесях (до 40 кг воздуха на 1 кг топлива). Система непосредственного впрыска позволяет реализовать три вида смесеобразования: послойное — при работе двигателя на малых и средних оборотах и нагрузках; стехиометрическое гомогенное — при высоких оборотах и больших нагрузках; гомогенное — при работе ДВС в промежуточных режимах.

При послойном смесеобразовании дроссельная заслонка почти полностью открыта, впускные заслонки закрыты. Воздух поступает в камеры сгорания с большой скоростью, с образованием воздушного вихря. Впрыск топлива производится в зону свечи зажигания в конце такта сжатия. Таким образом, в районе свечи зажигания образуется топливовоздушная смесь (ТВС) с коэффициентом избытка воздуха от 1,5 до 3 и достаточное количество воздуха вокруг неё, выступающего в качестве теплоизолятора.

При гомогенном стехиометрическом смесеобразовании впускные заслонки открыты, дроссельная заслонка открывается в соответствии с положением педали акселератора. Впрыск топлива производится на такте впуска, что способствует образованию однородной ТВС. Коэффициент избытка воздуха равен 1. Смесь воспламеняется и эффективно сгорает во всём объеме камеры сгорания.

Бедная гомогенная смесь образуется при максимально открытой дроссельной заслонке и закрытыми впускными заслонками. Впрыск топлива производится на такте впуска. Коэффициент избытка воздуха поддерживается системой управления двигателем на уровне 1,5. При необходимости в состав смеси добавляется до 25 % отработавших газов из выпускной системы [2].

Современные ДВС, оснащенные непосредственным впрыском, как правило, используют фазированную (последовательную) схему подачи топлива.

На сегодняшний день непосредственный впрыск принят концерном VAG как наиболее эффективное средство экономии топлива.

Одной из основных проблем внедрения непосредственного впрыска в массовое производство является очистка отработавших газов. При работе ДВС на бедных смесях образуется большое количество оксидов азота, которые не могут быть полностью восстановлены до азота в традиционном трехкомпонентном нейтрализаторе. Для соответствия экологическим нормам применяют нейтрализаторы-накопители, аккумулирующие оксиды азота с последующей регенерацией [3].

Однако, применение накапливающих нейтрализаторов не решает проблему в полной мере, т.к. в процессе эксплуатации их аккумулирующие свойства значительно ухудшаются. На текущий момент является актуальной задача уменьшения пиковых выбросов углеводоровов и моноксида углерода в процессе регенерации нейтрализаторов-накопителей [4].

Следующей причиной задержки выхода ДВС, оснащенных непосредственным впрыском, на российский рынок стало высокое содержание серы в топливе [5]. Во-первых, вследствие химического подобия с оксидами азота, сера может улавливаться нейтрализатором-накопителем, что требует более частого проведения его регенерации. Это увеличивает расход топлива и ухудшает экологические показатели. Во-вторых, повышенное содержание серы в низкокачественном бензине не дает показывать такие же высокие результаты в процессе эксплуатации, как в лабораторных условиях. Также сера оказывает негативное воздействие на топливную аппаратуру ДВС с непосредственным впрыском бензина при содержании в нем некоторого количества воды, которая попадает в него, например, при несоблюдении условий загрузки, транспортировки и отгрузки [6]. Негативное влияние обусловлено тем, что при взаимодействии с водой сера образует серную кислоту, которая является химически-активной для большинства металлов, в том числе используемых при изготовлении ТНВД.

Учитывая, что относительно дизельного топлива бензин обладает меньшими смазывающими свойствами, это значительно сокращает ресурс ТНВД, а в определенных типах конструкций может повлечь серьезный ремонт двигателя ввиду попадания большого количества бензина в моторное масло [7].

Перспектива применения непосредственного впрыска газа в ДВС. Альтернативными источниками энергии для двигателей внутреннего сгорания с непосредственным впрыском легкого топлива являются [8, с. 15]: бензин с измененным составом; сжатый природный газ; метанол и этанол, сжиженный нефтяной газ, сжиженный природный газ, синтезированные методом Фишера- Тропша углеводороды, водород и электричество.

Постоянное повышение требований экологической безопасности окружающей среды и высокая стоимость бензина стимулируют развитие альтернативных видов топлива, наиболее популярным из которых является газ [12-16].

Кроме того, Распоряжением Правительства РФ от 13 мая 2013 г. №767-р «О регулировании отношений в сфере использования газового моторного топлива, в том числе природного газа в качестве моторного топлива» предусматриваются требования по переводу общественного транспорта и транспорта дорожно-коммунальных служб в городах на газовое моторное топливо. В крупных городах не менее 50 % соответствующего транспорта должно быть переведено на газовое топливо. Сегодня широкое применение получило газобаллонное оборудование с применением редуктора-испарителя и распределенного впрыска топлива в газовой фазе.

Существует два принципиально разных подхода к переоборудованию двигателей с непосредственным впрыском для работы на газовом топливе.

Подача газового топлива в паровой фазе во впускной коллектор.

Данная система построена на принципе синхронизированного распределенного впрыска газа при параллельной подаче бензинового топлива для охлаждения бензиновых форсунок и защиты их от закоксовывания.

Система аналогична традиционной системе впрыска газа 4-го поколения. Газ в паровой фазе поступает во впускной коллектор, где смешивается с воздухом и попадает в камеру сгорания уже в виде ТВ С. Существенным отличием является необходимость подачи некоторого количества бензина для охлаждения бензиновых форсунок, так как они расположены непосредственно в камере сгорания. Рекомендованным соотношением бензина и газа является 1:9 соответственно [9].

Достоинством данного типа газобаллонного оборудования (ГБО) является низкая стоимость системы. К недостаткам можно отнести необходимость расходования бензина, что исключает возможность работы ДВС в монотопливном режиме.

Непосредственный впрыск газового топлива в жидкой фазе. Системы данного типа существенно отличаются по принципу работы от традиционных видов ГБО. Они исключают необходимость установки редуктора-испарителя и газовых дозаторов во впускной коллектор.

Рассмотрим принцип работы ГБО VIALLE LPdi. Газовый насос под некоторым давлением подает газ в так называемый модуль смешивания топлива (FSU), откуда газ подается в штатный ТНВД автомобиля, а уже оттуда в жидкой фазе под высоким давлением подается через бензиновые форсунки в цилиндры камеры сгорания. Таким образом, бензиновые форсунки охлаждаются проходящим через них газом. Данная конструкция позволяет эксплуатировать автомобиль в монотопливном режиме. Двигатель можно запускать на газе в любую температуру, поскольку нет необходимости в подогреве редуктора- испарителя [10].

Такой впрыск газового топлива позволяет в полной мере реализовать потенциал ДВС, оснащенных непосредственным впрыском, так как основой их высоких показателей является работа на бедных смесях и точном фазировании впрыска.

Непосредственный впрыск топлива в паровой фазе сложно реализуем ввиду следующих причин.

Во-первых, создать послойное смесеобразование на жидких топливах проще, чем на газообразных, так как впрыскиваемые капельки жидкого топлива можно направить в зону электродов свечи и получить в этом месте стехиометрическую смесь для лучшего воспламенения.

Во-вторых, непосредственный впрыск газообразного топлива осложнен необходимостью за короткий промежуток времени (менее 5мс) подавать в камеру сгорания большой объем топлива.

В-третьих, непосредственный впрыск газа в такте впуска снизит наполнение цилиндров воздухом, что, в свою очередь, не позволит достичь требуемого крутящего момента и мощности ДВС [11].

К недостаткам систем впрыска газового топлива в жидкой фазе можно отнести их высокую стоимость и неразвитую инфраструктуру обслуживания на территории Российской Федерации.

Подводя итог, можно с уверенностью сказать, что развитие ДВС с применением непосредственного впрыска является перспективной сферой научной деятельности, так как усовершенствование конструкции позволит перейти на новый уровень защиты окружающей среды, а применение альтернативных видов топлива - снизить экономические затраты на эксплуатацию, что, ввиду роста доли автомобильных перевозок, благотворно повлияет на экономику в целом.

Библиографический список

  • 1. GDI.su — Всё о прямом впрыске топлива. История создания GDI [Электронный ресурс]. Дата обращения: 3.03.2016. — Режим доступа: http://www.gdi.Su/t-0.php#scr. — Загл. с экрана.
  • 2. Systemsauto.ru — системы современного автомобиля. Система непосредственного

впрыска [Электронный ресурс]. Дата обращения 3.03.2016. — Режим доступа:

http://systemsauto.ru/feeding/motronic_med.html. — Загл. с экрана.

3. GDI.su — Всё о прямом впрыске топлива. Прямой впрыск Audi&Volkswagen [Электронный ресурс]. Дата обращения: 3.03.2016. — Режим доступа:

http://www.gdi.su/audi_vw.php. — Загл. с экрана.

4. Способ регенерации каталитиеских нейтрализаторов-накопителей оксидов азота

[Электронный ресурс]. Дата обращения: 3.03.2016. — Режим доступа:

http://www.fmdpatent.ru/patent/240/2402684.html. — Загл. с экрана.

  • 5. Тарасова, Е. В. Оценка экологической безопасности автотранспортных средств [Электронный ресурс] / Е.В. Тарасова, С.В. Дорохин // Альтернативные источники энергии в транспортно-технологическом комплексе: проблемы и перспективы рационального использования. — 2014. — № 1. — Режим доступа: http://elibrary.ru/item.asp?id=23015191.
  • 6. Бензин. Дебаты о качестве [Электронный ресурс]. Дата обращения: 3.03.2016. — Режим доступа: http://www.auto-sib.com/news/detail/3753.html. — Загл. с экрана.
  • 7. Ужасы непосредственного впрыска. Энциклопедия японских машин [Электронный ресурс]. Дата обращения: 3.03.2016. — Режим доступа: http://enc.drom.ru/3585/. — Загл. с экрана.
  • 8. MacLean H.L., Lave L.B. Evaluating automobile fuel/propulsion system technologies //Progress in Energy and Combustion Science. 2003. Vol. 29, Iss. 1. P. 1-69. DOI: 10.1016/S0360- 1285(02)00032-1
  • 9. Установка ГБО на FSI и TSI моторы [Электронный ресурс]. Дата обращения: 3.03.2016. — Режим доступа: http://www.motor-gas.ua/clients/gbo-na-fsi/. — Загл. с экрана.
  • 10. VIALLE LPdi — ГБО для двигателей с непосредственным впрыском [Электронный ресурс]. Дата обращения: 3.03.2016. — Режим доступа: http://www.propan96.ru/gbo-5/47- vialle-lpdi-gbo-dlya-motorov-s-neposredstvennym-vpryskom.html. — Загл. с экрана.
  • 11. Шишков В.А. Непосредственный впрыск газового топлива в камеру сгорания ДВС с искровым зажиганием // Транспорт на альтернативном топливе. 2010. № 6. С.51-57.
  • 12. Латышев С.В., Голубенко Н.В. Об эффективности эксплуатации пассажирского транспорта, работающего на газовом топливе, на примере муниципального унитарного предприятия города Белгорода «Городской пассажирский транспорт» // Альтернативные источники энергии в транспортно-технологическом комплексе: проблемы и перспективы рационального использования. 2014. № 1. С. 46-49.
  • 13. Новиков А.И., Дорохин С.В., Новикова Т.П., Каширских А.Г. К вопросу развития системы энергообразования двигателей внутреннего сгорания // Альтернативные источники энергии на автомобильном транспорте: проблемы и перспективы рационального использования: сборник научных трудов по материалам Международной научно-практической конференции; под общей редакцией А.И. Новикова. 2014. С. 272-274.
  • 14. Новиков А.И. О дилемме повышения эффективности и экологической безопасности автомобильных энергетических установок // Научно-технический вестник Поволжья. 2015. №5. С. 246-248.
  • 15. Новиков А.И. Перспективы развития альтернативных источников энергии, способных обеспечить экологическую безопасность и ресурсосбережение в автотранспортном комплексе // Известия Тульского государственного университета. Технические науки. 2015. №5-1. С. 189-194.
  • 16. Новиков А.И. Опыт применения альтернативных источников энергии в транспортно-технологическом комплексе // Альтернативные источники энергии в транспортнотехнологическом комплексе: проблемы и перспективы рационального использования. 2014. № 1.С. 62-65.

© Никулин М.А., Новиков А.И., 2016

УДК 629.33+621.333

DOI 10.12737/17974

Попов И.В.

магистрант 1 курса кафедры «Автомобили и автомобильное хозяйство» Тульского государственного университета, Тула, РФ Толмачев П.В. магистрант 1 курса кафедры «Автомобили и автомобильное хозяйство» Тульского государственного университета, Тула, РФ Хмелев Р.Н.

д-р техн. наук, профессор кафедры «Автомобили и автомобильное хозяйство» Тульского государственного университета, Тула, РФ

Popov I.V.

1 st year master department of «Automobiles and automobile economy», Tula State University, Tula, Russian Federation

Tolmachev P.V.

1 st year master department of «Automobiles and automobile economy», Tula State University, Tula, Russian Federation

Khmelev R.N.

Doctor of technical sciences, Professor department of «Automobiles and automobile economy», Tula State University, Tula, Russian Federation

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >