Половина парка новых автомобилей и грузовиков в США в настоящее время оснащена системой непосредственного впрыска бензина (также известной как GDI), что означает, что топливо впрыскивается прямо в камеру сгорания. Возникает вопрос: какая следующая инновация в области двигателей вот-вот покинет лабораторию?
Ответ заключается в том, чтобы подливать масла в огонь двумя разными путями, и некоторые производители уже оснащают свои двигатели как портовым, так и непосредственным впрыском. Toyota представила эту технологию, которую она назвала впрыском D-4S, на V-6 более десяти лет назад, а теперь использует порт и непосредственный впрыск на своих 2.0-литровых оппозитных четырехцилиндровых двигателях (производимых Subaru), 3.5-литровых V-образных двигателях. -6 и 5.0-литровый V-8. Audi имеет его на своих 3.0-литровых двигателях V-6 и 5.2-литровых двигателях V-10.
Самый интересный двигатель года
Ford в настоящее время является доминирующим игроком с тем, что он называет двухтопливным, прямым впрыском высокого давления (DI) и впрыском через порт низкого давления (PI). Применяются бензиновые двигатели V-6 и V-8 с турбонаддувом и без наддува (всего четыре двигателя) объемом от 2.7 до 5.0 литров. Летающий пикап F-2017 Raptor 150 года и суперкар GT оснащены новыми 3.5-литровыми двигателями EcoBoost V-6. Наземные F-150 также в значительной степени полагаются на эту технологию с двухтопливным базовым 3.3-литровым двигателем V-6 и дополнительными 2.7- и 3.5-литровыми двигателями EcoBoost V-6. На данный момент самым последним анонсированным приложением Ford является новый 5.0-литровый двигатель V-8, который будет установлен на Mustang GT 2018 года.
Основы
Прежде чем углубляться в тонкости объединения PI с DI, необходимо краткое введение. Вопреки голливудским изображениям автомобилей, падающих со скал, не существует такого понятия, как самовозгорание. Поскольку жидкий бензин не горит, подготовка топлива, взятого из бака, к сгоранию внутри двигателя представляет собой двухэтапный процесс.
Шаг первый – распыление жидкости до мелких капель, что достигается за счет подачи бензина под давлением насоса через крошечные отверстия форсунки. Исследование, проведенное инженерами Hitachi, показало, что топливо, находящееся под давлением до 1000 фунтов на квадратный дюйм и впрыскиваемое через отверстия диаметром от 0.006 до 0.011 дюйма, дает аэрозоль капель диаметром всего 135 дюйма со скоростью 0.000003 миль в час. Это нормально.
Испарение следует за распылением. Здесь мелкие капли топлива претерпевают фазовый переход из жидкости в газ, превращаясь в пар, который можно смешать с воздухом и воспламенить от свечи зажигания.
Поскольку при этом фазовом переходе поглощается тепло, возникает охлаждающий эффект, который можно использовать для повышения эффективности работы двигателя. С PI воздух, проходящий через впускной коллектор, охлаждается до того, как он достигнет камеры сгорания. При DI преимущество охлаждения происходит внутри самой камеры.
У каждой стратегии есть плюсы и минусы. PI удобен для безнаддувных двигателей, поскольку охлаждение поступающего воздуха увеличивает его плотность и мощность. Значительно проще расположить форсунки во впускных каналах, подальше от клапанов и свечей зажигания. Это расположение выше по течению обеспечивает достаточно времени для полного испарения. Одним из недостатков является то, что капли топлива иногда оседают на стенках впускного отверстия, нарушая предполагаемое соотношение топлива и воздуха.
Физика двигателя
При DI вероятность детонации – преждевременного воспламенения топливно-воздушной смеси – уменьшается, поскольку эффект охлаждения с фазовым переходом имеет место во время такта сжатия непосредственно перед воспламенением. Снижение температуры поверхности камеры сгорания обеспечивает более высокую степень сжатия и повышенную эффективность независимо от того, является ли двигатель безнаддувным или наддувным. Ford увеличил максимальный крутящий момент на 30 фунт-футов в своем новом 3.5-литровом V-6, объединив новую стратегию двойного впрыска с более высоким давлением наддува.
У ДИ есть минусы. Система DI дороже, потому что давление, необходимое для впрыска топлива в камеру сгорания, в 50–100 раз выше, чем в системе PI, а насос более высокого давления вызывает паразитные потери. Прямые форсунки имеют тенденцию быть шумными. Угарные отложения — как на задней стороне впускных клапанов, так и на выхлопных трубах — являются проблемой обслуживания для некоторых пользователей DI. Поскольку для испарения требуется меньше времени, часть топлива выходит из камеры сгорания и каталитического нейтрализатора в виде твердых частиц или сажи. Эти частицы углерода похожи на те, что выбрасываются дизельными двигателями, но меньше по размеру.
Комбинация
Окончательная стратегия заключается в объединении преимуществ PI и DI, используя каждое из них для уменьшения недостатков другого. Toyota, например, запускает обе форсунки при низких и средних нагрузках и оборотах, другими словами, при нормальном вождении. Это повышает плотность поступающего заряда без наддува и смывает нагар с впускных клапанов. При высоких нагрузках и оборотах, когда требуется максимальное охлаждение камеры сгорания из-за высокой вероятности детонации, система прямого впрыска берет на себя всю подачу топлива.
Каждый производитель использует свою стратегию в отношении того, когда использовать портовые, прямые или оба инжектора. Здесь показана одна из карт Toyota по отношению крутящего момента к оборотам в зависимости от использования форсунок.
Питер Даудинг, главный инженер Ford по бензиновым системам силовых агрегатов, предложил другую стратегию. Ford использует только PI на холостом ходу и на низких оборотах для плавной, тихой и эффективной работы двигателя. По мере увеличения оборотов и нагрузки подача топлива становится запрограммированной смесью PI и DI. В отличие от методологии Toyota, PI Ford всегда работает, отвечая за подачу топлива как минимум от 5 до 10 процентов.
Даудинг и его коллега-инженер из Ford Стивен Расс подчеркивают, что отложения углерода на выхлопных трубах и впускных клапанах никогда не были проблемой в их двигателях с прямым впрыском. Даудинг добавляет: «Теперь, когда электродвигателям отводится все больше роли в движении, наша задача — повысить эффективность двигателя, когда это возможно. Двухтопливная технология Ford уже зарекомендовала себя как ценная и рентабельная стратегия в этом направлении».
Проектирование и разработка современных двигателей — это акт жонглирования, который пытается сбалансировать мощность, выбросы, пробег, долговечность, управляемость и другие проблемы. Стратегия двойного топлива дает инженерам дополнительный ключ, который нужно повернуть, поскольку они стремятся получить больше энергии от каждой капли газа. По мере извлечения уроков и снижения стоимости компонентов ожидайте, что все больше производителей примут этот подход к раздуванию своего огня.
Этот контент импортируется из OpenWeb. Вы можете найти тот же контент в другом формате или найти дополнительную информацию на их веб-сайте.
