Стратифицированный заряд двигатель описывает определенный тип двигателя внутреннего сгорания, как правило, с искровым зажиганием (SI), двигатель, который может быть использован в грузовиках, автомобилях, портативное и стационарное оборудование. Термин «послойный заряд» относится к рабочим жидкостям и парам топлива, поступающим в цилиндр. Обычно топливо впрыскивается в цилиндр или входит в виде богатого топливом пара, где искра или другие средства используются для инициирования воспламенения, когда богатая топливом зона взаимодействует с воздухом, способствуя полному сгоранию. Послойный заряд может обеспечить несколько более высокую степень сжатия без « детонации » и более обедненное соотношение воздух / топливо, чем в обычных двигателях внутреннего сгорания.
Обычно четырехтактный (бензиновый или бензиновый) двигатель с циклом Отто работает за счет втягивания смеси воздуха и топлива в камеру сгорания во время такта впуска. В результате образуется однородный заряд: однородная смесь воздуха и топлива, которая воспламеняется свечой зажигания в заданный момент вблизи вершины такта сжатия.
В системе с гомогенным зарядом соотношение воздух / топливо поддерживается очень близким к стехиометрическому, что означает, что он содержит точное количество воздуха, необходимое для полного сгорания топлива. Это обеспечивает стабильное сгорание, но устанавливает верхний предел эффективности двигателя: любая попытка улучшить экономию топлива за счет использования гораздо более бедной смеси (меньше топлива или больше воздуха) с однородным зарядом приводит к более медленному сгоранию и более высокой температуре двигателя; это влияет на мощность и выбросы, особенно увеличивая количество оксидов азота или NO x.
Более высокая степень механического сжатия или коэффициент динамического сжатия с принудительной индукцией может использоваться для улучшения термодинамической эффективности. Поскольку топливо не впрыскивается в камеру сгорания до тех пор, пока не требуется начать сгорание, существует небольшой риск преждевременного зажигания или детонации двигателя.
Двигатель также может работать на гораздо более обедненном общем соотношении воздух / топливо, используя стратифицированный заряд, при котором сначала воспламеняется небольшой заряд богатой топливной смеси, который используется для улучшения сгорания большего заряда обедненной топливной смеси.
К недостаткам можно отнести:
Возгорание может быть проблематичным, если на свече зажигания присутствует обедненная смесь. Однако заправка бензинового двигателя напрямую позволяет направлять больше топлива к свече зажигания, чем где-либо еще в камере сгорания. Это приводит к расслоению заряда: в котором соотношение воздух / топливо неоднородно по всей камере сгорания, а изменяется контролируемым (и потенциально довольно сложным) образом по объему цилиндра.
Стратификация заряда также может быть достигнута там, где нет расслоения «в цилиндре»: входящая смесь может быть настолько бедной, что ее невозможно воспламенить за счет ограниченной энергии, обеспечиваемой обычной свечой зажигания. Эта исключительно бедная смесь, однако, может быть воспламенена при использовании обычной смеси с концентрацией 12-15: 1, в случае двигателя, работающего на бензине, подаваемой в небольшую камеру сгорания, смежную с основной обедненной смесью и соединенную с ней. камера смешения. Большой фронт пламени от этой горящей смеси достаточен для воспламенения заряда. Из этого метода расслоения заряда видно, что обедненный заряд «сгорает», и двигатель, использующий эту форму расслоения, больше не подвержен «детонации» или неконтролируемому сгоранию. Таким образом, топливо, сжигаемое в обедненной заправке, не ограничивается детонацией или октановым числом. Таким образом, в этом типе расслоения можно использовать самые разные виды топлива; удельный выход энергии зависит только от теплотворной способности топлива.
Относительно богатая топливно-воздушная смесь направляется к свече зажигания с помощью форсунок с несколькими отверстиями. Эта смесь зажигается, образуя сильный, равномерный и предсказуемый фронт пламени. Это, в свою очередь, приводит к качественному сгоранию гораздо более слабой смеси в другом месте цилиндра.
Стоит сравнить современные бензиновые двигатели с прямым впрыском топлива и дизельные двигатели с прямым впрыском. Бензин может гореть быстрее, чем дизельное топливо, что обеспечивает более высокие максимальные обороты двигателя и, следовательно, большую максимальную мощность спортивных двигателей. Дизельное топливо, с другой стороны, имеет более высокую плотность энергии и в сочетании с более высоким давлением сгорания может обеспечить очень высокий крутящий момент и высокую термодинамическую эффективность для более «обычных» дорожных транспортных средств.
Это сравнение показателей «сжигания» - довольно упрощенное представление. Хотя бензиновый и дизельный двигатели кажутся похожими в работе, эти два типа работают на совершенно разных принципах. В выпускаемых ранее модификациях внешние характеристики были очевидны. Большинство бензиновых двигателей были карбюраторными, всасывая топливно-воздушную смесь в двигатель, в то время как дизель всасывал только воздух, а топливо непосредственно впрыскивалось под высоким давлением в цилиндр. В обычном четырехтактном бензиновом двигателе свеча зажигания начинает воспламенять смесь в цилиндре под углом до сорока градусов перед верхней мертвой точкой, в то время как поршень все еще движется вверх по отверстию. Во время этого движения поршня вверх по каналу происходит контролируемое сгорание смеси, и максимальное давление возникает сразу после верхней мертвой точки, при этом давление уменьшается по мере движения поршня по каналу. т.е. объем цилиндра по отношению к созданию давления в цилиндре-времени остается практически постоянным в течение цикла сгорания. С другой стороны, при работе дизельного двигателя воздух вдыхается и сжимается только за счет движения поршня, перемещающегося в верхнюю мертвую точку. На этом этапе достигнуто максимальное давление в баллоне. Теперь топливо впрыскивается в цилиндр, и в этот момент начинается «сгорание» или расширение топлива из-за высокой температуры уже сжатого воздуха. Когда топливо сгорает, оно расширяется, оказывая давление на поршень, который, в свою очередь, развивает крутящий момент на коленчатом валу. Видно, что дизель работает при постоянном давлении. По мере расширения газа поршень также движется вниз по цилиндру. Благодаря этому процессу поршень, а затем кривошип испытывают больший крутящий момент, который также проявляется в течение более длительного промежутка времени, чем его бензиновый эквивалент.
Принцип впрыска топлива непосредственно в камеру сгорания в момент, когда необходимо начать сгорание, был впервые изобретен Джорджем Брайтоном в 1887 году, но долгое время он успешно применялся в бензиновых двигателях. Брайтон описывает свое изобретение следующим образом: «Я обнаружил, что тяжелая нефть может быть механически преобразована в тонкодисперсное состояние в рабочей части цилиндра или в сообщающейся камере горения». Другая часть гласит: «Я впервые, насколько мне известно, отрегулировал скорость, регулируя прямой выпуск жидкого топлива в камеру сгорания или цилиндр в мелкодисперсное состояние, очень благоприятное для немедленного сгорания». Это был первый двигатель, в котором использовалась система сжигания обедненной смеси для регулирования частоты вращения / мощности. Таким образом, двигатель запускался на каждом рабочем такте, а скорость / мощность регулировались исключительно количеством впрыскиваемого топлива.
Гарри Рикардо впервые начал работать с идеей двигателя с расслоенным зарядом на обедненной смеси в начале 1900-х годов. В 1920-х годах он улучшил свои ранние разработки.
Ранним примером прямого впрыска бензина был двигатель Хессельмана, изобретенный шведским инженером Йонасом Хессельманом в 1925 году. В двигателях Хессельмана использовался принцип сверхбедного сжигания топлива, в котором топливо впрыскивалось в конце такта сжатия, а затем зажигалось свечой зажигания. часто заводился на бензине, а затем переходил на дизельное топливо или керосин. Система контролируемого горения Texaco (TCCS) была многотопливной системой, разработанной в 1950-х годах, которая очень напоминала конструкцию Хессельмана. TCCS был протестирован на фургонах для доставки UPS, и было обнаружено, что общий рост экономии составил около 35%.
Honda «s CVCC двигатель, выпущенный в начале 1970 - х годов модели Civic, а затем Accord и City в конце десятилетия, является формой стратифицированной заряда двигателя, который имел широкое признание на рынке для значительного времени. Система CVCC имела обычные впускной и выпускной клапаны и третий, дополнительный, впускной клапан, который заряжал область вокруг свечи зажигания. Свеча зажигания и вход CVCC были изолированы от главного цилиндра перфорированной металлической пластиной. При воспламенении серия фронтов пламени попадает в очень обедненный основной заряд через перфорационные отверстия, обеспечивая полное возгорание. В Honda City Turbo такие двигатели обеспечивали высокую удельную мощность при оборотах от 7000 об / мин и выше.
В 1980-х годах компания Jaguar Cars разработала двигатель Jaguar V12, версию HE (так называемую высокоэффективную), который подходил для моделей Jaguar XJ 12 и Jaguar XJS, и использовала конструкцию расслоенного заряда, названную «May Fireball», чтобы снизить очень высокую мощность двигателя. расход тяжелого топлива..
Vespa самоката ET2 имел 50 куб.см двухтактный двигатель, в котором воздух поступает через проходное отверстие и богатой топливной смеси вводили в цилиндр вблизи свечи зажигания непосредственно перед зажиганием. Система впрыска была чисто механической, с использованием цилиндра с синхронизацией по времени и обратного клапана.
При движении вниз он сжимает богатую смесь до примерно 70 фунтов на квадратный дюйм, при этом повышающееся давление поднимает подпружиненный тарельчатый клапан с его седла, и заряд впрыскивается в цилиндр. Там он направляется в область свечи зажигания и воспламеняется. Давление сгорания немедленно закрывает подпружиненный тарельчатый клапан и с этим моментом его ( так в оригинале) только «регулярный» процесс зажигания стратифицированного заряда с фронтом пламени, воспламеняя эти области постной смеси в цилиндре.
В настоящее время Volkswagen использует стратифицированный наддув на своих бензиновых двигателях 1,2, 1,4, 1,5, 1,8 и 2,0 литра TFSI ( турбо-расслоенный впрыск топлива ) в сочетании с турбонаддувом.
Mercedes Benz использует двигатели со стратифицированным наддувом со своей системой Blue DIRECT.
При использовании стратифицированного заряда в 3,0-литровом двигателе V-6 будет по-прежнему использоваться прямой впрыск топлива, но форсунки были переработаны для распыления под более высоким давлением позже во время такта впуска, непосредственно перед сжатием, и топливо имеет форму, чтобы поступать определенные области внутри цилиндра для оптимизации сгорания. Эта стратегия обеспечивает гораздо более обедненную воздушно-топливную смесь внутри камеры, чем при использовании традиционной системы гомогенного заряда, которая более равномерно заполняет камеру перед сгоранием.
SAE International опубликовала статьи об экспериментальной работе с двигателями со стратифицированным зарядом.
Послойный впрыск топлива с турбонаддувом ( TFSI) является торговой маркой Volkswagen Group для типа двигателя с наддувом (« турбо »), в котором топливо впрыскивается под давлением прямо в камеру сгорания таким образом, чтобы создать расслоенный заряд. Технология прямого впрыска FSI увеличивает крутящий момент и мощность двигателей с искровым зажиганием, делает их на 15% более экономичными и снижает выбросы выхлопных газов.
Некоторые преимущества двигателей TFSI: