Регистрация Войти
Вопрос

Почему при впрыске не используется весь ход поршня на впуске?

Насколько мне известно, электронные топливные форсунки могут находиться только в двух дискретных состояниях: включено или выключено. При небольшой нагрузке (т. е. при низких оборотах и закрытой дроссельной заслонке) форсунке не нужно подавать много топлива. Поэтому, естественно, время впрыска сокращается, чтобы подать меньше топлива, поскольку расход топлива всегда одинаков. Это приводит к тому, что впрыск происходит только во время части такта впуска.



Таким образом, в цилиндре вы получаете переобогащённую часть смеси, смешанную с воздухом. Они всё равно должны смешаться/гомогенизироваться в цилиндре, чтобы обеспечить хорошее сгорание. Этот процесс требует времени и, возможно, не обеспечивает наилучшую производительность. Так почему же не существует форсунок, которые могли бы регулировать подачу топлива? Электронный блок управления может определить продолжительность такта впуска по частоте вращения коленчатого вала и, соответственно, использовать всё это время для подачи топлива форсункой в течение всего такта впуска. Таким образом, смесь, поступающая в цилиндр, уже почти полностью гомогенизирована.



Что вы об этом думаете? Глупая или умная идея, или она уже существует?
Я понимаю, что разработка новых форсунок, которые могут это делать (если их ещё нет), требует денег, но в бесконечной борьбе с нормами выбросов постоянно требуются новые инновации.

Любой вклад приветствуется.
Авто и транспорт

Перевод вопроса с Mechanics Stack Exchange
Лицензия: CC BY-SA (2.5–4.0)
Оригинальный вопрос: https://mechanics.stackexchange.com/questions/38141/why-isnt-injection-managed-to-use-the-entire-intake-stroke
1
+ Читать

31 Комментарий

  1. Не забывайте, что при стехиометрических условиях (к которым стремятся все производители двигателей) соотношение воздуха и топлива довольно высокое (14:1). Форсунки обычно подбираются с учётом этого. На самом деле для достаточно мощного взрыва, приводящего в движение поршень, требуется совсем немного топлива.

    Интересным аспектом является то, что старые системы впрыска топлива на самом деле использовали большую часть такта впуска и такта выпуска для подачи нужного количества топлива. В двигателе 5M-GE моей старой Supra 1985 года выпуска используется такая система: все 6 форсунок срабатывают одновременно, один раз за оборот двигателя. Во время одного впрыска впускные клапаны открыты, и всасываемый воздух подхватывает топливо, поступающее во впускной коллектор. Во время следующего такта клапан закрывается, но не более чем на миллисекунды (на холостом ходу, а на более высоких оборотах — ещё меньше). Топливо попадает дальше в коллектор, но это, вероятно, обеспечивает хорошее смешивание, когда клапан снова открывается и в цилиндр поступает следующая порция воздуха. Это похоже на засев нижней половины воздушного потока, а затем верхней половины для каждого цилиндра. А поскольку форсунки расположены как можно ближе к впускным отверстиям, у топлива очень мало времени, чтобы выпасть из воздушного потока до того, как оно попадёт в цилиндр.

    Существуют новые конструкции двигателей с непосредственным впрыском топлива, которые могут выполнять несколько впрысков за такт сгорания. Если двигатель работает на малой нагрузке в режиме обедненной смеси и водитель нажимает на педаль газа, то вместо увеличения объема следующей порции топлива ЭБУ может подать топливо непосредственно в горящую смесь для мгновенного увеличения мощности. Такая конструкция позволяет двигателю расходовать очень мало топлива, когда в этом нет необходимости, но при этом сохранять отзывчивость. Если мне не изменяет память, такая возможность есть у линейки Ford EcoBoost.

  1. Да, они называются карбюраторами. Однако при условии, что топливо и воздух правильно смешаны в момент воспламенения свечи зажигания, всё остальное не имеет значения.
  1. Я не совсем уверен, но я считаю, что двигатели с экономичным сжиганием топлива по-прежнему работают довольно экономно (т. Е. > 14,7), когда требуется мощность. Они никогда не достигают стойкости. Ответ @SteveRacer, похоже, подтверждает это, поскольку он хотел пойти на вебинар "доктор. Стехиометрический мертв". Я думаю, этого достаточно! :) Полагаю, причина в том, что так проще контролировать и регулировать выбросы обедненной смеси. Я слышал, что сейчас для снижения уровня NOx используют мочевину. Действительно интересная технология.
  1. @Bart, похоже, я ослышался, ты прав, это 14,7, а не 40. Я исправил свой ответ. Кроме того, хотя обедненная смесь желательна при низкой нагрузке, когда двигатель развивает мощность, желательна стоичная смесь, вот что я имел в виду. Но ты прав.
  1. Это тоже не совсем верно. Карбюратор с постоянным вакуумом довольно близок к этому, но у карбюратора с непостоянным вакуумом соотношение воздух-топливо зависит, например, от эффекта ускорительного насоса.
  1. Но карбюратор обеспечивает постоянный поток смеси топлива и воздуха в нужной пропорции.
  1. Вопрос касается систем впрыска топлива. Углеводы не рассматриваются
  1. Углеводы — это совсем другое дело. Далее, вопрос заключается именно в том, что я сомневаюсь в надлежащем смешивании смеси во время воспламенения.
  1. Я полностью осознаю и знаю об этих феноменах, но мой вопрос всё же отличается от них. Но я не думаю, что смогу объяснить это лучше, поэтому оставлю вопрос без ответа. Ещё раз спасибо за ваши усилия и вклад.

  1. Таким образом, в цилиндре вы получаете переобогащённую часть смеси, содержащую только воздух. Они всё равно должны смешаться/гомогенизироваться в цилиндре, чтобы обеспечить хорошее сгорание.




    Это уже реализовано в обоих вариантах импульсного впрыска топлива:




    • Впрыск в порт



      Топливо и воздух смешиваются перед тем, как попасть во впускной клапан, поэтому поступающая смесь уже достаточно однородна.


    • При непосредственном впрыске



      При однородном режиме работы топливо впрыскивается во время такта впуска, а остальную работу выполняют колебания и вихревое движение в цилиндре.




    Как отмечает @SteveRacer в своём ответе, это проблема для систем впрыска через порты, когда двигатель холодный, потому что топливо плохо распыляется. Традиционное «решение» — немного увеличить подачу топлива в расчёте на то, что не всё топливо сгорит из-за плохого распыления.




    Так почему же не существует форсунок, которые могли бы регулировать подачу топлива?




    Скорее всего, это сделано для упрощения системы управления. Сравните эти два сценария:




    1. Регулируйте количество впрыскиваемого топлива с помощью длительности импульса (времени) форсунки, поддерживая постоянное давление в топливной рампе и характеристики распыления форсунки


    2. Управляйте количеством впрыскиваемого топлива с помощью длительности импульса форсунки и изменения давления в топливной рампе/характеристик распыления форсунки




    Оба подхода приведут вас к одному и тому же результату, но для второго гораздо сложнее реализовать систему управления (не говоря уже о необходимости в более сложном оборудовании).



    Кстати, есть производители форсунок, которые утверждают, что могут регулировать скорость подачи топлива с помощью нескольких сопел (на ум приходит компания Injector Dynamics). Однако я не могу подтвердить достоверность их заявлений.




    Электронный блок управления может определить продолжительность такта впуска по частоте вращения коленчатого вала и, соответственно, использовать всё это время для того, чтобы форсунка подавала топливо в течение всего такта впуска. Таким образом, смесь, поступающая в цилиндр, уже почти полностью гомогенизирована.




    Система управления подачей топлива уже делает это неявно, получая данные от датчика положения коленчатого вала (обороты в минуту) и сопоставляя их с информацией о нагрузке на двигатель.



    Однако обратите внимание, что если целью является контроль AFR, одних оборотов недостаточно, чтобы определить, сколько топлива необходимо впрыснуть. Автомобиль с ручным управлением при 2500 об / мин на 3-й передаче будет сжигать топливо с другой скоростью, чем при работе на 2-й передаче при тех же оборотах двигателя.
  1. @Bart, если вы ещё этого не сделали, я предлагаю вам прочитать раздел вопросов и ответов, на который я дал ссылку, о гомогенных и стратифицированных режимах работы GDI. Я не вижу принципиальных различий между предложенным вами подходом и возможностями GDI
  1. Извините, @Bart, я вас не понял. Чем ваше предложение отличается от существующего дизайна GDI? Если ничем, то, думаю, я неправильно понял ваш вопрос
  1. Допустим, впускной такт длится 30 мс и требуется 10 мкл топлива. Форсунка обычно подает 20 мкл за 30 мс, но если открыть ее на 50 %, она будет подавать 10 мкл за 30 мс. Именно то, что вам нужно. Таким образом, вы заставляете форсунку впрыскивать необходимое количество топлива в течение всего впускного такта, что обеспечивает более равномерное наполнение цилиндра. Такова была моя гипотеза.
  1. @Bart Я не спорю с вами в том, что возможна дальнейшая гомогенизация, но как здесь поможет переход на измерение продолжительности такта впуска? Это уже неявно учитывается системой управления подачей топлива, когда она считывает обороты с датчика положения коленчатого вала

  1. Имейте в виду, что при высоких нагрузках /WOT форсунка может быть открыта почти постоянно - в течение всех четырех тактов. (Рабочий цикл форсунки >90%)



    На самом деле многие системы переключаются с последовательного режима на параллельный, а затем на непрерывный режим (все форсунки срабатывают одновременно), когда требуется большое количество топлива.



    Сложность заключается в том, чтобы сбалансировать потребности в водоснабжении и холостом ходу при использовании только одного инжектора. Большие сопла и отверстия форсунок обеспечивают больший расход, но при этом увеличивают массу и время срабатывания. Кроме того, на эффективность распыления сильно влияет размер критического отверстия, а не перепад давления. Пожарный шланг отлично подходит для тушения пожаров, но не так полезен, когда нужно добавить каплю воды в скотч.



    Я не знаю о "переменном" инжекторе, который был бы экономически эффективным во всех режимах. Однако новая технология GDI устраняет многие из этих проблем, а также имеет то преимущество, что не впрыскивается в холодный клапан и не разрушает капельки небольшого размера. В этом также есть прелесть, заключающаяся в том, что не нужно заботиться о положении клапана / лепестка кулачка. Вы можете впрыснуть очень слабый заряд, а затем небольшое количество стохиметрической смеси непосредственно перед (и, возможно, даже во время!) зажиганием.



    Итак, мой квазиответ заключается в том, что я могу добиться гораздо большего с помощью непосредственного впрыска бензина, и хотя ваша идея заслуживает внимания, я думаю, что разработчики интегральных схем уже далеко продвинулись в этом направлении. На самом деле они только начинают. Меня пригласили на вебинар под названием «Доктор Стехиометрический мертв». Я не смог себе этого позволить, но я уверен, что в ближайшие пять лет эффективность интегральных схем значительно повысится. Нужно просто справиться с жарой и оксидами азота... Lean — это новый тренд!



    При редактировании:



    Чтобы внести ясность, скажу, что я имею в виду только то, что форсунка с режимом включения/выключения, оптимизированная для холостого хода, может не обеспечивать достаточный максимальный расход для режима работы на холостом ходу. Хотя режим работы на холостом ходу встречается редко (ну, у некоторых... не буду уточнять, к какой категории я отношусь), проблема в том, что вы просто не сможете сильно обеднять топливо без ужасных последствий.



    Хорошим компромиссом может стать форсунка с малым отверстием для холостого хода в сочетании с другой форсункой: моим пресловутым «пожарным шлангом» для выстрелов в цель. Конечно, это будет проблематично с точки зрения проектирования и производственных затрат.



    Вот почему я так ратую за систему GDI, которая обеспечивает огромную гибкость в настройке графика впрыска независимо от положения клапана или такта, в котором вы находитесь.



    Идея топливной рампы с переменным давлением достойна похвалы, если бы она работала. Как я уже упоминал, при оптимизации распыления на основе «критического» отверстия возникает ряд странных физических явлений. Размер отверстия имеет значение, а перепад давления становится практически фиксированным. Если отверстие «критическое», то повышение давления подачи не даёт того линейного эффекта, на который можно было бы рассчитывать. (Не считая впрыска дизельного топлива, но это совсем другая история...) Кроме того, я не готов признать (как будто я что-то понимаю!) что впрыск в течение всего такта впуска приводит к образованию более однородной смеси (после сжатия), чем просто кратковременное распыление.



    Выбросы на холостом ходу находятся на рекордно низком уровне. В Лос-Анджелесе выбросы из выхлопной трубы на холостом ходу содержат меньше оксидов азота, чем воздух на впуске.



    Обратитесь к GDI и какой-нибудь безумной технологии передачи энергии, чтобы изменить правила. Запустите свой микроконтроллер в оптимальном диапазоне крутящего момента, на минимальной мощности, и обеспечьте плавную передачу энергии с низкими потерями для распределения крутящего момента. Приберегите стохиометрию для светофоров и для тех случаев, когда я пытаюсь произвести впечатление на девушку...



    (Нет, я не буду покупать Nissan... На мой взгляд, ими практически невозможно управлять, и они слишком сложны для понимания...)


  1. Umm stoich в соотношении 40:1?... насколько мне известно, оно составляет 14,7 к 1. Кроме того, stoich сам по себе не является целью производителей. Как вы сами упомянули, двигатели с обедненной смесью становятся все более распространенными. И да, системы непосредственного впрыска, если вы имеете в виду именно их, не впрыскивают топливо с одинаковой скоростью, но я думаю, что это не совсем то же самое, что переменный впрыск. Однако ваш ответ позволил мне взглянуть на ситуацию под другим углом, так что спасибо.
  1. Прошу прощения и я, но мне сложно понятно объяснить свою идею на английском. Если распределить впрыск по всему такту впуска, а не впрыскивать всё сразу в начале такта впуска и ожидать, что топливо полностью перемешается в цилиндре, то, думаю, гомогенизация будет лучше. Для этого нужно частично открыть инжектор. Думаю, в двигателях с непосредственным впрыском всё по-другому. Может быть, я просто слишком много думаю об этом и мне нужно остановиться. Обсуждение не продвинется, если я не смогу объяснить всё чётко.
  1. Да, действительно, время впрыска (или необходимое топливо) зависит от частоты вращения и MAP или MAF. Продолжительность такта всасывания может определяться частотой вращения и характеристиками кулачка. Если вы знаете эти два варианта, вы можете распределить инъекцию на время ингаляционного удара. Примерно то же самое делается с контрольным впрыском в дизелях DI, но это другое и используется для обогрева камеры сгорания. Но я надеюсь, вы поняли мою мысль.
  1. @Bart, значит, ваша цель — обеспечить впрыск топлива в течение всего такта впуска в цилиндре. В последнем абзаце я попытался объяснить, почему это неэффективно. В зависимости от давления во впускном коллекторе в цилиндр может поступать разное количество воздуха в течение одного и того же такта впуска (30 мс в вашем примере). Впрыск топлива в течение тех же 30 мс приведет к разным значениям коэффициента избытка воздуха при разном давлении в коллекторе, а это значит, что коэффициент избытка воздуха не будет поддерживаться на одном уровне.
  1. Кстати, переменный впрыск может осуществляться за счёт переменного давления в рампе, а также за счёт переменного открытия/диаметра отверстия форсунки. Можно реализовать режимы ECO и Power, в которых давление топлива будет ниже или выше, а также использовать форсунку, которая может открываться полностью или частично. Какой бы метод ни был более (экономически) эффективным.
  1. Спасибо за чёткий и понятный ответ. Вы говорите, что «входящий заряд уже достаточно гомогенизирован», и это наводит на мысль, что дальнейшая гомогенизация возможна (и полезна), верно? Кроме того, я понимаю, что форсунки с переменным расходом менее просты и более дороги, но постоянно ужесточающиеся нормы выбросов в любом случае требуют более совершенных (и более дорогих) технологий. Возможно, это и есть решение. Технологии, которые используются сегодня, в 90-е годы были экономически неэффективными и слишком сложными. Теперь у нас есть деактивация цилиндров, которая раньше была немыслимо сложной.
  1. Вполне вероятно, что «они» пока не внедряют определённые инновации, чтобы иметь возможность внедрить их напрямую, без дополнительной подготовки, когда требования к выбросам станут более строгими. Я думаю, что вся суть управления выбросами в автомобильных компаниях заключается в том, чтобы максимально замедлить ужесточение требований к выбросам, соблюдая их без существенного запаса прочности.
  1. GDI звучит впечатляюще во многих отношениях, но единственный его недостаток — накопление углерода
  1. @SteveMatthews, это хорошая мысль, и это также может привести к локальному топливному буферированию. (по крайней мере, я знаю, как это называется) Так что снижение давления в рампе не вариант. Однако у форсунок с переменным отверстием/диаметром не будет этой проблемы, и они всё ещё могут быть вариантом.
  1. То, как вы описываете GDI, на мой взгляд, похоже на комбинацию стратифицированного и пилотного впрыска, при котором вокруг свечи зажигания создается относительно богатая смесь, чтобы легко воспламенить более бедную базовую смесь в остальной части цилиндра. Отличаются ли эти два метода по своей природе? Я не совсем понимаю, что вы имеете в виду под WOT — ситуацией, которая возникает не так часто. Я бы сказал, что расход топлива и выбросы в этот момент меньше, чем при увеличении мощности. По мнению ИМО, именно условия малой нагрузки должны быть оптимизированы с точки зрения выбросов и расхода топлива.
  1. Я полагаю, что топливо впрыскивается под давлением, а не «капает», потому что это способствует распылению топлива. Если снизить давление, топливо, скорее всего, «выпадет в осадок» и скопится на дне камеры сгорания.
  1. @Zaid Я имел в виду (много)точечный впрыск, но то же самое можно сказать и о непосредственном впрыске. Вы говорите, что они хорошо перемешиваются до того, как попадают за впускной клапан, но в этом-то и заключается моё сомнение. Я предполагаю, что им всё равно нужно какое-то время, чтобы завершить процесс гомогенизации в цилиндре, потому что смешивание во впускном коллекторе не было на 100 % полным. Я исхожу из того, что они также используют усовершенствованную форму поверхности поршня для усиления завихрения и гомогенизации. Это означало бы, что дальнейшая гомогенизация действительно выгодна, иначе они бы этого не делали.
  1. Когда вы задавали этот вопрос, имели ли вы в виду систему впрыска во впускной коллектор или систему непосредственного впрыска? В случае системы впрыска во впускной коллектор воздух и топливо смешиваются до того, как попадают во впускной клапан. Системы непосредственного впрыска вполне способны работать в гомогенном режиме, поэтому я бы сказал, что проблема плохого смешивания, о которой вы спрашиваете, решается в обоих случаях.
  1. Я почти уверен, что ваше предложение и то, что существует сейчас, приведут к одному и тому же результату. Я полагаю, что инжектор с переменным шагом плунжера будет немного сложнее и потребует более крупного корпуса и т. д.
  1. @Pᴀᴜʟsᴛᴇʀ2 на холостом ходу (~700 об/мин) примерно за 30 мс до возникновения искры. То есть, как мне кажется, в самом начале такта впуска. Искра будет гореть около 3 мс, если топливная коррекция в норме.
  1. Я не совсем уверен, в какой момент во время такта впуска срабатывает форсунка, но готов поспорить, что это происходит в начале такта. Я бы сказал, что это обеспечивает наилучшую однородность смеси. @Zaid, возможно, сможет дать вам точный ответ.
Вы уже ответили на этот вопрос