Общая информация о системах впрыска

• Образование топливно-воздушной смеси в значительной степени влияет на расход топлива, состав отработавших газов и шум, создаваемый в дизельном двигателе в процессе сгорания топлива. В смесеобразовании и процессе сжигания топлива в камере сгорания двигателя принимают участие следующие параметры:

— Соотношение компонентов топливно-воздушной смеси

— Момент начала впрыска топлива

— Характеристики впрыска топлива

— Давление впрыска

— Направление впрыска

Характеристики топливно-воздушной смеси

• Эффективная мощность дизельного двигателя управляется за счет количества впрыскиваемого топлива. Поэтому дизельные двигатели, как правило, работают с избытком воздуха, то есть стехиометрическое отношение масс составляет приблизительно 14,5 : 1. Это значит, что для полного сжигания 1 килограмма топлива требуется около 14,5 килограммов воздуха. Коэффициент избытка воздуха А указывает на то, насколько фактическая воздушно-топливная смесь отличается от теоретического соотношения масс, необходимого для полного сжигания топлива:

А = реальная масса воздуха / теоретически необходимое количество воздуха

• На холостых оборотах дизельный двигатель работает со значительным избытком воздуха, составляющим более А ~ 3,4, поэтому в камере сгорания происходит чистое сгорание топлива. Концентрация таких компонентов отработавших газов, как СО (Carbon Monoxide = окись углерода) и сажа (РМ - Particulate Matter = твердые частицы) чрезвычайно мала. При увеличении количества впрыскиваемого топлива избыток воздуха в камере сгорания двигателя сокращается. Таким образом, при высокой нагрузке на двигатель он работает с незначительным избытком воздуха равным А ~ 1,4.

• При коэффициенте избытка воздуха равном А < 1,4 выбросы сажи, NO_x (Oxides of Nitrogen = оксиды азота) и окиси углерода (СО) значительно возрастают. Причина этого кроется во внутреннем смесеобразовании дизельного двигателя, то есть топливно-воздушная смесь в цилиндре не однородна, в особенности при высокой нагрузке на двигатель. При незначительном избытке воздуха необходимо ограничить выброс вредных веществ, то есть количество впрыскиваемого топлива должно быть очень точно адаптировано к имеющемуся количеству воздуха и дозировано в зависимости от частоты вращения двигателя. При низком атмосферном давлении (например, на большой высоте над уровнем моря) количество впрыскиваемого топлива необходимо адаптировать к меньшему количеству имеющегося воздуха.

X - Коэффициент избытка воздуха

Момент начала впрыска топлива

• Начало впрыска топлива представляет собой четко установленный момент (угол поворота коленчатого вала) в который открывается форсунка и происходит впрыск топлива в камеру сгорания. Фактическое положение плунжера воздействует на перемещение воздуха в камере сгорания, его плотность и температуру. Следовательно, скорость движения и качество топливно-воздушной смеси зависят от момента начала впрыска топлива.

• Момент начала впрыска топлива в значительной степени влияет на начало сжигания топливно-воздушной смеси. Поскольку впрыскиваемому топливу для распыления и смешивания с воздухом до начала самовоспламенения необходимо некоторое время, этот фактор следует учитывать при задании момента впрыска топлива. Промежуток между началом впрыска топлива и началом сжигания смеси называется задержкой самовоспламенения. На задержку самовоспламенения воздействуют следующие факторы:

— Воспламеняемость топлива (выражается цетановым числом)

— Степень сжатия

— Температура всасываемого воздуха

— Температура двигателя

— Температура топлива

— Распыление топлива (на распыление воздействуют, момент начала впрыска топлива, давление открытия форсунки и температура двигателя).

X - Угол поворота коленчатого вала Y - Давление в цилиндре 1. Начало впрыска топлива 2. Начало сжигания смеси 3. Задержка самовоспламенения 4. Нижняя мертвая точка 5. Верхняя мертвая точка

• Задержка самовоспламенения не зависит от частоты вращения двигателя и составляет приблизительно 1 мс. Вследствие этого, при увеличении частоты вращения двигателя угол поворота коленчатого вала между моментом начала впрыска топлива и началом сжигания топливной смеси увеличивается, и сжигание топливной смеси начинается не в нужный момент (при неизменном начале впрыска топлива). Следовательно, для компенсации задержки самовоспламенения, при увеличении частоты вращения двигателя начало впрыска топлива необходимо перенести вперед.

• При перенесении момента впрыска топлива вперед в камере сгорания создается давление, противодействующее перемещению плунжера вверх. В результате этого резко возрастает давление, что значительно повышает температуру сжигания топливной смеси, а, следовательно, выбросы оксидов азота (NO_x). Кроме того, такое сжигание топливной смеси становится причиной возникновения сильного шума при воспламенении, в особенности на холодном двигателе.

• Если начало впрыска топлива смещается назад, то вследствие задержки самовоспламенения процесс сжигания топлива протекает во время перемещения плунжера вниз. В результате этого уменьшается давление в цилиндре, что приводит к снижению температуры сжигания топлива, и повышению уровня выброса углеводородов НС (Hydro Carbon = углеводород) и сажи. Помимо этого, процесс сжигания топлива должен быть завершен до раскрытия выпускного клапана.

X - Угол поворота коленчатого вала 

Y - Выбросы отработавших газов

1. Раннее начало впрыска топлива впрыска топлива

2. Позднее начало впрыска топлива 

3. Оптимальный момент для начала

• Противоположно направленные кривые выбросов оксидов азота (NOX) с одной стороны и остаточных углеводородов (НС) с другой, требуют минимальных допусков для начала впрыска топлива, что позволит оптимизировать соответствующие значения.

Характеристики впрыска топлива

• Характеристики впрыска определяют способ впрыска заданного количества топлива в камеру сгорания в зависимости от угла поворота коленчатого вала. На начальном этапе впрыскивается небольшое количество топлива, тогда как на завершающем этапе количество впрыскиваемого топлива возрастает. Вследствие этого количество топлива, находящегося в камере сгорания при задержке самовоспламенения, незначительно, что вызывает медленное возрастание давления сгорания. Такие характеристики впрыска топлива обеспечивают его бесшумное сгорание.

• На завершающем этапе впрыска топлива форсунка должна закрываться максимально быстро и надежно. Особенно нежелателен впрыск дополнительного топлива в виде так называемой «утечки», причиной которой становится повторное раскрытие иглы форсунки после ее первоначального закрытия. Вследствие этого в камеру сгорания попадает плохо распыленное топливо, которое сгорает не полностью или не сгорает совсем, становясь причиной повышенных выбросов остаточных углеводородов (НС) и сажи.

• В двигателях, оборудованных системой впрыска топлива Common Rail, процесс создания давления и количества впрыскиваемого топлива разделены, то есть при впрыске топлива давление впрыска остается постоянным, в то время как количество впрыскиваемого топлива увеличивается. На начальном этапе впрыска топлива, его количество в камере сгорания ограничивается блоком управления двигателем, что позволяет разделить общее количество впрыскиваемого топлива на предварительный и основной впрыск.

• Предварительный впрыск топлива происходит до впрыска основного объема топлива, то есть на такте сжатия в камеру сгорания впрыскивается относительно небольшое количество топлива (от 1 до 4 мм³). Это уменьшает период задержки воспламенения основной фазы впрыска топлива и дает возможность получения более плавной кривой увеличения давления, что положительно влияет на шумность работы двигателя.

X  - Угол поворота коленчатого вала Y - Давление в цилиндре / Впрыск 1. Без предварительного впрыска 2. С предварительным впрыском 3. Резкое возрастание давления в цилиндре 4. Контролируемое возрастание давления в цилиндре

• Кроме того, большинство двигателей, оборудованных системой впрыска топлива Common Rail, работают с завершающим впрыском топлива. Завершающий впрыск топлива осуществляется после основного впрыска, то есть на такте выпуска впрыскивается четко дозированное количество топлива. Вследствие остаточного тепла, содержащегося в потоке отработавших газов, впрыскиваемое топливо испаряется, снижая выбросы оксидов азота (NO_x). Завершающий впрыск топлива также используется для регенерации сажевых фильтров дизельных двигателей. В этом случае он используется для повышения температуры отработавших газов, обеспечивая сжигание сажи, накопившейся в сажевом фильтре.

Давление впрыска

• Давление впрыска определяет скорость потока топлива, поступающего в камеру сгорания, то есть высокое давление впрыска задает высокую скорость потока топлива. Чем выше относительная скорость между топливом и воздухом, а также плотность воздуха в камере сгорания, тем тоньше распыление дизельного топлива.

• В двигателях с прямым впрыском топлива скорость воздуха в камере сгорания относительно невысока. Таким образом, при впрыске топлива в камеру сгорания под высоким давлением смесеобразование значительно улучшается. За счет высокого давления впрыска (до 200 МПа), в особенности при низкой частоте вращения двигателя, возможно значительное снижение выбросов сажи.

Направление впрыска

• Как правило, двигатели с прямым впрыском работают с 4-10 струями

впрыскиваемого топлива, направление впрыска которых очень точно адаптируется к соответствующей камере сгорания. Отклонения от оптимального направления впрыска, составляющие около 2°, становятся причиной измеримого увеличения выбросов сажи и расхода топлива.

Продукты сгорания дизельного топлива

• При сжигании дизельного топлива в двигателе образуются:

— Окись углерода (угарный газ) (СО)

— Остаточные углеводороды (НС)

— Оксиды азота (NO_x)

— Диоксид серы (S0₂)

— Серная кислота (H2S0₄)

— Частицы сажи (РМ)

• В дизельных двигателях при правильном смесеобразовании выбросы окиси углерода (СО) и несгоревших углеводородов (НС) снижаются за счет катализатора и преобразуются в воду Н₂0 и углекислый газ С0₂ (Carbon Dioxide = углекислый газ).

• Из-за избытка воздуха снижение уровня выброса оксидов азота (NO_x) в катализаторе окисления невозможно. Ввиду высоких температур сгорания топлива, оксиды азота образуются в первую очередь в дизельных двигателях с прямым впрыском топлива и наддувом. Их выброс следует снижать за счет четко согласованной рециркуляции отработавших газов. Дополнительным методом снижения выбросов оксидов азота являются системы селективной каталитической нейтрализации.

• Доля диоксида серы S0₂ (Sulphur Dioxide = диоксид серы) и серной кислоты H₂S0₄ (Sulphuric Acid = серная кислота) в отработавших газах в значительной степени зависит от качества топлива и содержащихся в нем присадок.

• Частицы сажи в первую очередь образуются при неполном сгорании. Наряду с изменениями, вносимыми в двигатель, снижению выбросов сажи способны эффективно содействовать системы фильтрации твердых частиц в выхлопе дизельного двигателя.

Выброс сажевых частиц

• При ускорении, холодном запуске двигателя или при высоких нагрузках на него, в дизельном двигателе происходит неполное сгорание топлива, что приводит

к образованию значительного количества сажевых частиц. Диаметр этих микроскопических частиц составляет приблизительно 0,05 мкм. Сажевые частицы или твердые частицы выхлопа дизельных двигателей также называются полициклическими ароматическими углеводородами РАН (Polycyclic Aromatic Hydrocarbons).

• Сама по себе сажа не оказывает вредного воздействия на организм человека. Однако углеводороды, содержащиеся в топливе и смазочных материалах, а также вода и сульфаты присоединяются к частицам сажи, увеличивая их диаметр до 0,09 мкм. Таким образом, образуются сажевые частицы, способные нанести вред человеческому организму.

• Нос и бронхи человека не в состоянии удерживать частицы, диаметр которых меньше 2,5 мкм (для сравнения: толщина человеческого волоса составляет около 70 мкм). Следовательно, такие частицы через дыхательные пути способны проникать в легкие человека, представляя собой опасность для его здоровья,

в особенности для детей и взрослых, страдающих определенными заболеваниями. Сажевые частицы предположительно способны вызывать некоторые аллергические реакции, и даже рак. В первую очередь это касается частиц, диаметр которых составляет от 0,1 до 1,0 мкм.

• Евросоюз вводит все более строгие нормы, которые призваны снизить загрязнение воздуха, вызываемое выбросом вредных веществ, содержащихся в отработавших газах автомобилей. В рамках этих законодательных норм, все новые легковые автомобили, оборудованные дизельным двигателем, подлежащие сертификации, начиная с 1 сентября 2009 года, должны соответствовать стандарту Euro 5. Кроме того, все автомобили, оборудованные дизельным двигателем и официально допущенные к эксплуатации после 1 января 2011 года, должны соответствовать стандарту Euro 5.

• В сравнении с автомобилями, соответствующими стандарту Euro 4 (0,025 г/км), предельное значение по выбросу сажевых частиц для автомобилей, отвечающих стандарту Euro 5 (0,005 г/км) было снижено на 80%. В целях соответствия строгим требованиям стандарта выбросов автомобили Mazda, оборудованные дизельными двигателями, были оснащены дизельными сажевыми фильтрами (Mazda3 (ВК), Mazda6 (GG/GY) Facelift и Mazda5 (CR) были первыми автомобилями с дизельным двигателем от компании Mazda, оборудованными дизельными сажевыми фильтрами в 2005 году).

• В настоящий момент дизельными сажевыми фильтрами оборудованы автомобили Mazda3 (BL) с двигателем Y6 (1,6 MZ-CD), Mazda3 (BL), Mazda5 (CR), Mazda6 (GH) с двигателем RF-T (2,0 MZR-CD) и Mazda6 (GH), Mazda3 (BL), а также CX-7 (ERH) с двигателем R2 (2,2 MZR-CD).

• Следующий пример призван подчеркнуть преимущества сажевого фильтра для дизельных двигателей: Современный дизельный двигатель, оборудованный системой впрыска топлива Common Rail без дизельного сажевого фильтра, на 80000 километров пробега выбрасывает в среднем около 3 килограммов сажи. При таком же пробеге дизельный двигатель, оборудованный дизельным сажевым фильтром, выбрасывает менее 100 граммов сажевых частиц, что соответствует снижению выброса на 95%.

Дизельный сажевый фильтр

• Фильтр DPF (Diesel Particulate Filter = фильтр твердых частиц) представляет собой монолит, изготовленный из карбидокремниевой керамики. Отдельные каналы фильтра имеют пористые перегородки и не имеют других выходов. В результате, отработавшие газы вынуждены проходить через перегородки, которые удерживают на себе твердые частицы, состоящие преимущественно из сажи, а также из остатков масла, топлива и присадок.

1. Очищенные отработавшие газы 2. Фильтр DPF 3. Отработавшие газы, поступающие от двигателя 4. Катализатор окисления

• Чтобы избежать засорения фильтра DPF частицами сажи, его нужно очищать с регулярными интервалами, т.е. выжигать осевшие в фильтре частицы сажи. Этот процесс называется регенерацией.

• Регенерация фильтра выполняется в зависимости от степени его загрязнения, длины пробега автомобиля и эксплуатационных условий.

• Для регенерации фильтра необходимо добиться температуры воспламенения сажевых частиц, которая в обычных условиях составляет около 600° С. Поскольку такая температура выхлопных газов практически никогда не достигается, а в обычных условиях, в особенности при езде на короткие расстояния, не превышает 250° С, регенерация фильтра должна сопровождаться дополнительными мерами.

• В зависимости от устройства фильтра принимаются меры, с одной стороны снижающие температуру, необходимую для выжигания сажевых частиц (за счет присадок или нанесения специального покрытия на фильтр), а с другой стороны, повышающие температуру выхлопных газов (дополнительный впрыск и повышение температуры сгорания). После достижения температуры воспламенения, сажевые частицы превращаются в углекислый газ.

• После регенерации остатки золы, которые образовались из моторного масла и дизельного топлива, остаются в фильтре и не могут преобразовываться дальше. Эти остатки уменьшают полезный объём фильтра, укорачивая интервалы между циклами регенерации. Поскольку поры фильтра засорены зольными остатками, то давление отработавших газов и, следовательно, расход топлива, увеличиваются.

• Сажевый фильтр необходимо заменять на определенных этапах техобслуживания или при преждевременном насыщении фильтра.

Выбросы NO_x

• Оксиды азота (NO_x) - это собирательный термин для всех соединений азота (N) и кислорода (О), в основном, соединение моноксида азота (N0) и диоксида азота (N0₂), вырабатываемых во время сгорания. N0_X является вредным веществом и вырабатывается, главным образом при высоких температурах. Поскольку современные высокоэффективные двигатели внутреннего сгорания, особенно, дизельные двигатели с турбонаддувом и прямым впрыском, имеют высокие температуры сгорания, это приводит к конфликту между выбросами N0_X и сокращением потребления топлива.

• Системы двигателей, такие как сложная и точно подогнанная рециркуляция выхлопных газов, оптимизированный наддув и прямой впрыск уже близки к своим пределам по снижению выбросов N0_X ,без влияния на эффективность, производительность или другие выбросы, подобные твёрдым частицам.

• Это приводит к необходимости внедрения системы дополнительной обработки выхлопных газов. Таковой является система селективной каталитической нейтрализации, эффективно снижающая содержания N0_X с целью соответствия всё более строгим стандартам по выбросам.

• После введения системы селективной каталитической нейтрализации для модернизированной модели СХ-7 компания Mazda стала первым японским производителем автомобилей, который вводит эту систему в автомобиль массового производства, достигая общего снижения выбросов N0_X примерно на 40 процентов.

Система селективной каталитической нейтрализации

• Система SCR (Selective Catalytic Reduction = селективная каталитическая нейтрализация) - это система дополнительной обработки выхлопных газов для снижения выбросов NO_x (Nitrogen Oxides = оксиды азота). Она преобразует NO_x при помощи катализатора с применением аммиака в качестве восстановителя, вырабатываемого из карбамида, который добавляется в отработавшие газы.

1. Бак для карбамида 2. Насос для карбамида 3. Модуль управления SCR 4. Форсунка для карбамида 5. Смеситель карбамида 6. Преобразователь SCR 7. Датчик NOx