Как отличить двигатель hpi от обычного

Peugeot-Citroen Club Belarus

Непосредственный впрыск. Принципы и применение на бензиновых двигателях PSA

Итак, непосредственный впрыск — это способ подачи жидкого топлива в камеру сгорания двигателя внутреннего сгорания с внутренним смесеобразованием. При этом топливо, поступая в камеру сгорания с высокой скоростью, определенным образом распыляется.

Сама идея подавать бензин напрямую в камеру сгорания достаточно стара, но ее реализация всегда тормозилась несовершенством технологий. Первым разработчиком систем непосредственного впрыска бензина в двигателях с искровым зажиганием и с механическим управлением стала германская компания «Robert Bosch», еще до Второй мировой войны. Сама эта идея проходила в своем развитии несколько этапов.

На первом этапе единственной областью применения непосредственного впрыска была авиация. К первым серийным и массовым двигателям с непосредственным впрыском относят моторы Daimler Benz 600-й серии, Jumo211, BMW-801C, ставившиеся на известные марки самолетов Мессершмитт, Фоке-Вульф. Следует отметить, что и «отечественный производитель» в то время не «спал в тряпочку». В этом плане следует отметить авиационный опять же двигатель М(АШ)-82ФН, устанавливавшийся на истребителях Ла-5ФН, Ла-7 и их модификациях.

На втором этапе, несмотря на неактуальность дальнейшего развития систем непосредственного впрыска в авиации в связи с переходом на реактивные двигатели, в 1951 году опять же в Германии все-таки появился первый серийный легковой автомобиль с непосредственным впрыском. Его выпустила компания Goliath — Borgward. Это был двухтактный двигатель с объемом всего 688 см3 с системой впрыска Bosch. Но, в конце концов, механическое управление впрыском свело на нет все начинания.

Третий этап развития непосредственного впрыска был предпринят на волне нефтяного кризиса 70-ых годов компанией Ford, но успехом опять же не увенчался.

Четвертый этап охарактеризовался бурным развитием электроники и ее применением в системах управления двигателями. И тут пальму первенства сорвали японские автомобилепроизводители, а именно Mitsubishi Motors Corp. cо своим двигателем GDi (Gasoline Direct Injection).

Двигатели HPi с непосредственным впрыском концерна PSA Peugeot- Citroen.

Выкупив у Mitsubishi Motors Corp. в 1998 году патенты на идеи GDi, французы, в 2000 году создали свой бензиновый двигатель с непосредственным впрыском.

Первым двигателем с системой HPi (High Pressure Injection) у концерна PSA стал двигатель EW10 HPi 16 объемом 2 литра. Благодаря этому, по заявлениям производителя, удалось добиться снижения расхода топлива на 19% по сравнению с предыдущим поколением двигателей (XU) и на 10 — по сравнению с ранним обычным двигателем EW. Несколько возрос крутящий момент на низких оборотах, улучшилась динамика, а экологические показатели в целом вошли в соответствие стандартам Euro IV. При этом французские моторостроители использовали систему VVT (изменения фаз газораспределения) и увеличили до 11,4 степень сжатия.

Сравнительные характеристики двигателей HPi и норм Евро 3 и Евро 4 показаны в таблице.

Оксиды азота (NOx) (г/км)

Принципы функционирования.

Двигатель может работать в режиме сгорания сверхобедненной топливовоздушной смеси: соотношение воздуха и топлива по массе (коэффициент a) 30:1. Максимально возможный для традиционных инжекторных двигателей с распределенным впрыском коэффициент a равен 20-24, а оптимальный стехиометрический состав — 14,7:1. Если избыток воздуха будет больше, переобедненная смесь просто не воспламенится.

Кроме того, для снижения насосных потерь и уменьшения выбросов оксидов азота (NOx) в атмосферу существенная роль в двигателе отведена системе рециркуляции отработавших газов (EGR) — при небольшом открытии дроссельной заслонки на впуск подается до 30% объема отработанных газов.

Читайте также:  Двигатель d4ea хендай туссан характеристики

На двигателе НРi распыленное в ограниченном объеме топливо находится в районе свечи зажигания в виде облака. Поэтому, хотя в целом смесь переобедненная, у свечи зажигания она близка к стехиометрическому составу и легко воспламеняется. В то же время, обедненная смесь в остальном объеме имеет намного меньшую склонность к детонации, чем стехиометрическая. Последнее обстоятельство позволяет повысить степень сжатия, а значит увеличить и мощность, и крутящий момент двигателя.

Основные конструктивные отличия HPi от обычного впрыска состоят в следующем.

Во-первых, в двигателе присутствует механический топливный насос высокого давления (ТНВД). Этот насос (подобно ТНВД дизельного двигателя) развивает давление в 50 бар (у инжекторного двигателя электронасос в баке создает в магистрали давление около 3-3,5 бар).

Во-вторых, наличие форсунок для впрыска топлива в камеру сгорания цилиндр. При этом вихревые распылители создают различную форму топливного факела в зависимости от режима работы двигателя (конический, узкий). Посредством «хитрого» построения поршня факел направляется к свече зажигания. В остальном объеме камеры сгорания, особенно у стенок, смесь остается сверхобедненной. Направление факела выбрано так, чтобы жидкая фаза бензина не попадала на стенки цилиндра или головку поршня.

В-третьих, поршень имеет днище особой формы. В нем сделана выемка, при помощи которой топливо-воздушная смесь направляется в район свечи зажигания.

В-четвертых, впускные каналы направлены вертикально, что обеспечивает формирование в цилиндре так называемого «обратного вихря», направляя топливовоздушную смесь к свече и улучшая наполнение цилиндров воздухом (у обычного двигателя вихрь в цилиндре закручен в противоположную сторону).

В-пятых, для управления впрыском применяется дроссельная заслонка с электронным управлением. Водитель, нажимая на педаль акселератора, не осуществляет непосредственно управление заслонкой, а лишь воздействует на датчик положения педали. Далее, в зависимости от положения датчика, электронный блок управления сам приводит в движение дроссельную заслонку с помощью электродвигателя в зависимости от степени нажатия педали и условий работы двигателя.

Двигатель HPi может работать в следующих основных режимах:

Мощностной (обогащенная смесь) — для достижения наибольшего крутящего момента при резком ускорении или максимальной скорости. Впрыскиваемое на такте впуска топливо охлаждает воздух и образует сверхбедную смесь с a

60, а при подаче основного заряда топлива смесь около свечи зажигания обогащается до a

12, воспламеняется и поджигает остальную часть заряда;

1. Поршень движется вниз на такте впуска 2. Топливо впрыскивается на такте впуска 3. Поршень движется вверх 4. Искра поджигает смесь

Режим однородного смесеобразования (ОСО), который реализуется при движении на высокой скорости и при ускорении. Топливо впрыскивается на такте впуска, перемешиваясь с воздухом и образуя однородную смесь, как в обычном двигателе с распределенным впрыском. Состав смеси близок к стехиометрическому (a

15) и одинаков по всему объему камеры сгорания;

1. Поршень движется вниз на такте впуска 2. Топливо впрыскивается на такте впуска 3. Поршень движется вверх 4. Искра поджигает смесь

Режим режимом послойного смесеобразования (ПСО), который реализуется при движении с постоянной скоростью (до 120 км/ч). Топливо впрыскивается в конце такта сжатия в направлении поршня, отражается от него, активно диспергируется и испаряется, направляясь в зону свечи зажигания. Хотя в основном объеме камеры сгорания смесь чрезвычайно обеднена (a=30-40), но заряд в районе свечи достаточно обогащен, чтобы воспламениться от искры и поджечь остальную смесь.

Читайте также:  Гольф 2 как отличить двигатель

1. Поршень движется вниз на такте впуска 2. Поршень достигает НМТ, начинается такт сжатия 3. Топливо впрыскивается в конце такта сжатия 4. Искра поджигает смесь

Характеристики этих режимов приведены на рисунке.

Система управления для двигателей HPi изготавливает фирмой Siemens, а ТНВД является результатом совместной разработки Siemens с PSA Peugeot-Citroen.

Топливный насос высокого давления — «аксиально-поршневой» (3-х плунжерный), с приводом от распределительного вала двигателя (ведущая пластина установлена на гидростатическом подшипнике). Особенностью насоса является то, что во время работы он находится в двух стадиях: первая — собственно подача, распределение топлива и отвод излишков, вторая — стадия смазки (что позволяет смазывать движущиеся механические части, причем без смешивания масла и бензина).

Форсунки установлены так, что их ось не пересекается с осью цилиндра. При этом обеспечивается угол распыления факела — до 70°, а давление впрыска составляет 30-100 бар. Давление впрыска и его длительность изменяются блоком управления, так, на холостом ходу давление составляет 70 бар, при полной нагрузке — 100 бар. Работа в режиме обедненных смесей осуществляется при частоте вращения до 3500 об/мин и нагрузке ниже средней.

В системе зажигания также имеются новшества. В частности, предусмотрены три уровня мощности искры:

высокий (100 МДж) в режиме послойного смесеобразования;

средний (70 МДж) в переходных режимах;

низкий (50 МДж) для режима полной нагрузки.

Для привода дроссельной заслонки также используется электродвигатель. В режиме ПСО заслонка частично приоткрывается, чтобы обеспечить достаточный избыток воздуха для создания сверхобедненной смеси. На холостом ходу заслонка открыта уже на 20°, тогда как у обычных двигателей — на 8-10°. При переходе с режима ПСО на ОСО, во время ускорения или режима очистки катализатора, заслонка управляется блоком управления по адаптивному алгоритму (в зависимости от манеры вождения).

Система снижения токсичности

Одной из проблем, с которыми сталкиваются производители двигателей с непосредственным впрыском, являются повышенные выбросы NOx (оксидов азота), непосредственно связанные с переизбытком воздуха в смеси. Для борьбы с ними в конструкцию автомобилей были внедрены катализаторы (каталитические нейтрализаторы) накопительного типа (NO-катализаторы), дополняющие традиционные трехкомпонентные катализаторы (TWC — Two-Stage Combustion (двухстадийное сгорание)).

Суть их работы состоит в следующем. После пуска двигатель переходит в режим ПСО, при этом сгорание происходит в самом конце такта сжатия и в начале такта расширения. Для реализации двухстадийного сгорания в конце такта расширения впрыскивается дополнительное количество топлива, которое воспламеняется и сгорает (используя избыток воздуха в при переобедненной смеси), дополнительно нагревая отработавшие газы. В результате их температура доходит до 800°С, что позволяет прогреть катализатор до требуемой температуры вдвое быстрее (обычно — 1,5-2 минуты). Выпускной коллектор специально предназначен для догорания образовавшейся смеси и нагрева отработавших газов, еще уменьшая время прогрева — до менее чем полуминуты.

В значительной степени снизить содержание NOx схема HPi позволяет, благодаря работе системы EGR (Exhaust Gas Recirculation), перепускающей обратно на впуск намного большее количество отработавших газов, чем в обычном двигателе. Однако обеспечить полную и стабильную нейтрализацию NOx только за счет EGR невозможно, так как при увеличении нагрузки на двигатель количество перепускаемых газов должно быть уменьшено. Поэтому схема выпуска, разработанная PSA, включает в себя обычный катализатор около впускного коллектора для нейтрализации CO и CH (объем 0,8 л) и дополнительный катализатор (объем 3 л), расположенный под днищем и совмещающий функции накопительного NO-катализатора и TWC. Одним из активных элементов в нем является основное покрытие из солей бария (щелочно-земельный металл, близкий по свойствам к кальцию и стронцию), также присутствует покрытие из платины, палладия и родия.

Читайте также:  Митсубиси чем отличается двигателя gdi

При работе на бедной смеси все оксиды азота окисляются до диоксида NO2 при помощи платинового катализатора, а затем взаимодействуют с покрытием основы и удерживаются на ней в виде нитрата бария.

Периодически оксиды азота выводятся из накопителя при помощи обогащения смеси. Обычно это происходит раз в минуту в течении 3 секунд. В этот момент в отработавших газах увеличивается содержание CO и СН, которые взаимодействуют с NO2 — на родиевом покрытии происходят окислительно-восстановительные реакции, в которых нитрат восстанавливается до чистого азота (N2), а CO и CH окисляются до CO2 и H2O (углекислого газа и воды).

Контроль за работой катализатора осуществляет непосредственно электронный блок управления. При работе в режиме ПСО он оценивает степень наполнения катализатора и при необходимости активирует обогащение смеси, а при изменении содержания кислорода, определяет момент полного разложения оксидов азота, и вновь возвращает двигатель на режим ПСО, а катализатор — в режим накопления.

Нейтрализация оксидов азота зависит от температуры отработавших газов, т.к. после 500°С эффективность накопительного катализатора значительно падает. Поэтому он расположен в зоне, где температура обычно составляет 300-450° С (в городском режиме езды). При езде по трасе температура газов превышает 500°С, и блок управления обогащает смесь до того уровня, когда газы смогут быть нейтрализованы в TWC.

Еще одно немаловажное замечание. Большую угрозу для NO-катализатора представляет высокое содержание серы в топливе. Сера в процессе сгорания окисляется до диоксида (SO2), который также взаимодействует с солями бария, как и NO2, и образует сульфат бария, который химически более стабилен, чем нитрат. При этом постепенно снижается емкость и эффективность катализатора, вплоть до его полного выхода из строя.

Для борьбы с этим явлением используется режим очистки от серы, в котором блок управления периодически заметно увеличивает температуру отработавших газов и содержание в них CO и CH. В результате — растет расход топлива, который таким образом, напрямую зависит от содержания серы в топливе.

Так вот — заявленная экономичность двигателя обеспечивается при содержании серы в топливе в количестве не более 150 ppm (Европа). К слову, нынешнее содержание серы в бензине для Японии — 10 ppm. А вот по ГОСТу (для России) доля серы в бензине составляет 0,05%, что эквивалентно 500 ppm. О показателях в этом плане белорусского бензина остается только догадываться, хотя думается, что они не далеко ушли от показателей российского.

Это не смертельно в принципе, но это приводит к тому, что производители автомобилей дорабатывают покрытие катализаторов с помощью различных добавок (цеолит, кварц), в том числе и дорогостоящих (титан), что естественно увеличивает их стоимость, никак не продлевая срок службы.

Источник

Adblock
detector