Bezpośredni wtrysk

Różne kształty misek dla tłoków silników Diesla

Wtrysk bezpośredni to metoda wtrysku paliwa dla silników Diesla i silników benzynowych . Paliwo wtryskiwane jest bezpośrednio do cylindra lub komory spalania przez dyszę wtryskową .

Wtrysk bezpośredni w silnikach wysokoprężnych

Cechą charakterystyczną wtrysku bezpośredniego w silnikach wysokoprężnych jest niepodzielna komora spalania oraz mniejsza powierzchnia komory spalania w porównaniu do silnika z komorą wstępną i komorą wirową . Skutkuje to mniejszymi stratami ciepła i przepływu, a tym samym niższym jednostkowym zużyciem i wyższą sprawnością . Jednak ciśnienie wtrysku musi być wyższe, aby paliwo było wystarczająco dobrze rozprowadzone.

fabuła

Herbert Akroyd Stuart zaprojektował silnik na żarówkę w 1886 roku , w którym paliwo było wtryskiwane przez komorę cylindra do gorącej żarówki. W silnikach z gorącą głowicą wymagania dotyczące ciśnienia i czasu wtrysku są niskie. Rudolf Diesel spróbował wtrysku bezpośredniego, ale nie udało mu się zbudować pompy, która z jednej strony byłaby w stanie dostarczyć niezbędne wysokie ciśnienie, az drugiej byłaby wystarczająco precyzyjnie regulowana. Dlatego zastosował niskociśnieniową pompę dozującą i sprężarkę powietrza ( wtrysk powietrza ), aby precyzyjnie rozprowadzić paliwo w komorze spalania za pomocą sprężonego powietrza. Takie silniki sprawdziły się w napędach stacjonarnych, od 1903 w żegludze śródlądowej, a od 1910 na statkach oceanicznych.

Prosper L'Orange otrzymał patent ( DRP 230 517 ) 14 marca 1909 roku na proces przedkomorowy z igłową dyszą wtryskową i sterowaną pompą wtryskową . Ciężka i delikatna sprężarka powietrza została wyeliminowana, a po I wojnie światowej lżejsze silniki Diesla mogły być montowane w ciężarówkach.

W 1920 roku szwedzki inżynier Jonas Hesselman opatentował silnik wielopaliwowy, silnik Hesselman , z bezpośrednim wtryskiem i zewnętrznym zapłonem przy użyciu świec zapłonowych . Szwedzcy producenci Scania-Vabis, Tidaholms Bruk i Volvo budowali ciężarówki z silnikami Hesselmana. Silniki te były uruchamiane benzyną i po rozgrzaniu mogły być przestawiane na ropę naftową lub olej napędowy . Scania używała ich do 1936 r., Volvo do 1947 r. Zostały one zastąpione silnikami wysokoprężnymi.

W 1931 Harry Ricardo opracował proces komory wirowej, dzięki któremu silniki obracają się jeszcze szybciej i lżej.

W silnikach wysokoprężnych z przedsionkiem lub komorą wirową początek spalania kieruje mieszankę paliwowo-powietrzną przez wąski kanał spalania do cylindra, gdzie spala się dalej (mniejszy wzrost ciśnienia i dłuższy czas spalania, a tym samym niższa prędkość maksymalna i płynniejsza silnik pracuje).

Na początku lat 40. firma MAN opracowała silnik samochodowy D 0534 G z bezpośrednim wtryskiem w denko tłoka w mniej więcej kulistym wgłębieniu tłoka. Ten 4,5-litrowy silnik ma moc 51,5 kW i jednostkowe zużycie paliwa 218 g/kWh, co jest wyjątkowo niską wartością w latach 40. XX wieku. Początkowe obawy, że sferyczna misa tłoka wybrana do bezpośredniego wtrysku będzie sprzyjać sklejaniu się pierścieni dociskowych lub stopieniu materiału tłoka, okazały się nieuzasadnione.

W tych średniosferycznych silnikach firmy MAN część paliwa osadzała się na ściance prawie kulistego wgłębienia w tłoku, odparowywała tylko podczas spalania i była odprowadzana przez wir powietrza (wtrysk „wall-distributing”). Tylko niewielka część spłonęła nagle i w ten sposób zapaliła resztę w kontrolowany sposób.Wir powietrza był już generowany podczas zasysania przez odpowiednio zaprojektowane (spiralne) kanały wlotowe.

W nowoczesnych silnikach wysokoprężnych z wtryskiem bezpośrednim jest odwrotnie: paliwo jest wtryskiwane do środka wiru powietrza w płaskiej wnęce tłoka i spala się w drodze do jego krawędzi. Aby zminimalizować hałas, jest wstrzykiwany w różnym czasie. Ilość przed wtryskiem lub pilotem jest bardzo małą ilością na początku, aby zainicjować „delikatne” spalanie. Dopiero wtedy następuje główny wtrysk. Dzięki zoptymalizowaniu kształtu koryta (w porównaniu z silnikami samochodów ciężarowych) poziom hałasu można było jeszcze bardziej zredukować.

Silnik Saurera MH4 ma bezpośredni wtrysk i aluminiowy blok silnika, 1945

Po tym, jak w silnikach wysokoprężnych ciężkich samochodów ciężarowych dominował wtrysk bezpośredni, w 1984 r. Ford i Fiat położyły kamień węgielny pod wprowadzenie tak zwanych wysokoobrotowych silników wysokoprężnych z wtryskiem bezpośrednim. Modele Forda Transita i Fiata Ducato były najpierw oferowane w standardzie z wtryskiem bezpośrednim. Musisz liczyć się z tym, że są to pojazdy dostawcze lub lekkie ciężarówki. Było to jednak wprowadzenie bezpośredniego wtrysku oleju napędowego w tym segmencie pojazdów do produkcji na dużą skalę. Ważną rolę odgrywa tutaj to, że silniki są konkretnie silnikami samochodowymi. Prędkości znamionowe tych silników wynoszą ponad 4000 obr/min, czyli około dwa razy więcej niż w przypadku silników samochodów ciężarowych.

Silnik wysokoprężny z bezpośrednim wtryskiem Common Rail został pomyślnie przetestowany w 1985 r. w NRD na zmodyfikowanej ciężarówce W50 w ciągłym ruchu drogowym, ale jego rozwój przerwano w 1987 r. z powodu braku zdolności do uruchomienia produkcji. Prototyp silnika można dziś oglądać w Muzeum Przemysłu w Chemnitz .

Przed 1987 rokiem silniki wysokoprężne z bezpośrednim wtryskiem były dostępne tylko w pojazdach użytkowych lub jako duże silniki. Nie były one stosowane w samochodach, ponieważ ich trudna jazda („ przybijanie ”) była sprzeczna z wymogami komfortu, a ten ostatni był postrzegany jako ważniejszy niż niższe jednostkowe zużycie paliwa. Silniki Diesla z bezpośrednim wtryskiem nie zyskały akceptacji w samochodach osobowych aż do lat 90. XX wieku.

Bezpośrednie silnik wysokoprężny z wtryskiem po raz pierwszy w przemyśle samochodowym dużą skalę przez sprężynę 1987 w OF Fiat oferowane Fiat Croma TD id stosowane. Silnik został opracowany w centrum badawczym Fiata w Neapolu . Silnik znany z samochodu dostawczego Ducato został wyposażony w elektroniczne sterowanie wtryskiem, które poprawiło płynność pracy do poziomu odpowiedniego do warunków samochodowych. Fiat Croma była początkowo dostępna tylko na rynku włoskim od Fiat chciał trzymać nisko na rynkach zagranicznych z nowym rozwoju pokrewnych, ewentualne koszty naprawy.

Drugim samochodem tego typu był (Austin) Rover Montego z 1988 roku , którego silnik został opracowany przez firmę Rover we współpracy z Perkins Engines . Silniki te rozwijały wysoki moment obrotowy nawet przy niskich obrotach, dzięki czemu zapewniały zarówno dobre osiągi jezdne, jak i niższe zużycie paliwa.

W 1990 roku na rynku pojawiło się Audi 100 C3 2,5-litrowy TDI, pierwszy osobowy diesel niemieckiego producenta z bezpośrednim wtryskiem. Jako pięciocylindrowy działał płynniej niż czterocylindrowy. Silnik (1T) był również stosowany w Audi 100 C4 (które pojawiło się pod koniec 1990 roku i było produkowane do lipca 1994 roku).

Ford, Fiat, Austin/Perkins i Audi/VW dostarczyły pierwszą generację silników Diesla z bezpośrednim wtryskiem do samochodów osobowych. Pracowali z rozdzielaczową pompą wtryskową, co oznacza, że ​​jeden element pompy (tłok i cylinder) zasilał wszystkie cylindry. Ford Transit i Fiat Ducato nie były jeszcze doładowane, Fiat Croma, późniejsze Audi 100 i Audi 80 miały turbosprężarki i intercoolery . Pompa wtryskowa dystrybutor w Audi 100 nadal pracował pod ciśnieniem do 800 bar.

W 1997 roku grupa Fiata wprowadziła na rynek Alfa Romeo 156 JTD, pierwszy seryjny samochód z wtryskiem Common Rail . W systemie tym generowanie ciśnienia i proces wtrysku są przestrzennie rozdzielone. Pompa wysokociśnieniowa stale wytwarza prawie stałe ciśnienie i zasila linię wspólną dla wszystkich cylindrów (stąd common rail), w której magazynowane jest paliwo. Procesy wtrysku są uruchamiane przez elektronikę silnika. W tym celu uruchamia zawory przypisane do cylindrów. Istnieje również kilka generacji tej technologii. System Common Rail działa przy ciśnieniu do 2000 barów, a tymczasem do pięciu procesów wtrysku na proces spalania. W przypadku silników BMW i Mercedes-Benz zdarzały się sporadycznie poważne problemy produkcyjne z wtryskiwaczami zaworów systemów common rail. Czasami proces odcinania zaworu nie działał; Common Rail opróżnił się do cylindra przez uszkodzony zawór. Jednak od 2011 roku problemy te należą już do przeszłości.

W 1998 roku VW wprowadził do VW Passata B5 silniki wysokoprężne z doładowaniem z bezpośrednim wtryskiem i układem pompowo-dyszowym . Każdy cylinder ma własną jednostkę składającą się z pompy wtryskowej i dyszy w głowicy cylindra. Umożliwiło to ponowne zwiększenie ciśnień wtrysku; układ pompa-dysza pracuje przy ciśnieniu do 2500 bar. Jednak można tu zaimplementować maksymalnie trzy procesy wtrysku na spalanie, ponieważ sterowanie wtryskiem nie jest niezależne od wzrostu ciśnienia w systemie. Zespoły pompowo-dyszowe są sterowane za pomocą wałka rozrządu , który steruje również mechanizmem rozrządu zaworowego. Ten projekt był powszechny w większych silnikach wysokoprężnych od lat 30. XX wieku. Zaletą dysz pomp było początkowo wyższe możliwe ciśnienie, a tym samym mniejsze zużycie w porównaniu z pompami rozdzielaczowymi i wczesnymi systemami Common Rail. Wadą zawsze był rozwój hałasu i wysokie koszty budowy w głowicy cylindrów i elementach pompy-dyszy, którym towarzyszyły ujemne koszty. Wreszcie dwa wałki rozrządu sterowały czterema zaworami na cylinder i pompą. Wraz ze wzrostem ciśnień w układzie common rail, układ pompa-dysza stracił swoje zalety. Ponadto zwiększone wymagania w zakresie ochrony środowiska można było spełnić tylko dzięki jeszcze większej liczbie wtrysków częściowych - rozwój, za którym technologia pompowo-dyszowa nie mogła już nadążyć. W międzyczasie Audi i VW pod koniec 2007 roku odeszły od zasady pompy i dyszy i dostosowały swoje silniki wysokoprężne do systemu common rail, model po modelu.

Stan techniczny

Silniki tego typu produkowane są od 2010 roku o ciśnieniu wtrysku do 2500 bar. Technologia common rail ugruntowała swoją pozycję dzięki prostej konstrukcji, niższym kosztom i osiągnięciu normy Euro 5 .

Ważną zaletą metody common rail jest możliwość wtrysku wstępnego (lub pilotażowego). Po wtryśnięciu niewielkiej ilości paliwa dysza ponownie się zamyka, aby dać paliwo czas na zapalenie. Dopiero wtedy wstrzykuje się główną ilość. W momencie zapłonu w komorze spalania znajduje się tylko niewielka ilość paliwa, która nagle spala się. W ten sposób można w dużej mierze uniknąć chropowatej pracy typowej dla silników wysokoprężnych ze względu na opóźnienie zapłonu, a silniki czasami pracują prawie tak samo płynnie jak silniki benzynowe .

Dodatkowo wtrysk główny można podzielić na kilka procesów wtrysku w celu opóźnienia spalania (zwłaszcza przy niskich i średnich obrotach silnika) i tym samym zmniejszenia wzrostu ciśnienia i ciśnienia szczytowego. Zmniejsza to hałas i naprężenia mechaniczne silnika. Wtrysk końcowy może zwiększyć temperaturę końcową spalania, a tym samym temperaturę spalin; jest to konieczne do regeneracji filtra cząstek stałych , ale nawet bez filtra w silniku powstaje mniej sadzy.

dystrybucja

Silniki turbodoładowane z bezpośrednim wtryskiem są oferowane przez wielu producentów. Każdy ma swój własny skrót, w większości chroniony znakiem towarowym. Jednak ich oferty zazwyczaj nie są chronione i nie zawsze są konsekwentnie wykorzystywane:

  • CDI (wtrysk bezpośredni Common Rail): Daimler, Mercedes-Benz
  • CDTI (wtrysk Common Rail Diesel Turbo): Opel
  • CRD (bezpośredni wtrysk Common Rail): Jeep
  • CRDi (bezpośredni wtrysk Common Rail): Hyundai, Kia
  • d (Diesel) : BMW, Jaguar, Rover, Infiniti, Mercedes
  • D lub SD (Diesel lub SportDiesel): Mini, Subaru, Volvo
  • dCi (wtrysk Diesel Common-Rail): Dacia, Nissan, Renault
  • DDiS (system bezpośredniego wtrysku oleju napędowego): Suzuki (Common Rail)
  • DI-D (Diesel z bezpośrednim wtryskiem): Mitsubishi (Common Rail)
  • DiTD (Turbo Diesel z bezpośrednim wtryskiem) : Mazda
  • dTI (bezpośredni wtrysk turbo): Renault
  • DTI (bezpośredni wtrysk turbo): Opel
  • D-4D (bezpośredni wtrysk 4-suwowy Diesel): Toyota (Common-Rail)
  • EDYCJA (Ecotec z bezpośrednim wtryskiem Turbo): Opel
  • HDi (bezpośredni wtrysk wysokiego ciśnienia): Citroën, Peugeot, DS (Common Rail)
  • i-CTDi (inteligentny wtrysk Common Rail Turbo Diesel): Honda
  • i-DTEC (inteligentne elektroniczne sterowanie technologią diesla): Honda
  • JTD lub JTDM (Jet Turbo Diesel Multijet) lub tylko Multijet : Alfa-Romeo, Fiat, Lancia, Jeep (Common-Rail)
  • SD4 / TD4 / eD4 , TD6 / SDV6 / TDV6 , SDV8 : LandRover
  • SIDI (bezpośredni wtrysk zapłonu iskrowego): Opel
  • SKYACTIV-D : Mazda
  • TDCi (wtrysk turbodiesla Common Rail): Ford
  • TDDI (bezpośredni wtrysk turbodiesla ): Ford
  • TDI (Turbodiesel Direct Injection): Audi, Seat, Škoda, Volkswagen
  • XDi lub e-XDi : Ssangyong

Silniki z wtryskiem bezpośrednim są standardem w produkcji silników wysokoprężnych do samochodów osobowych od końca lat 90-tych.

I w imię oznacza angielskie słowo „wstrzyknięcia”. Wprowadzone D oznacza „Direct” i wskazuje, że wtrysk odbywa się bezpośrednio do cylindra bez przedsionka lub komory wirowej . Drugie D oznacza „Diesel”. Silniki Diesla bez doładowania są rzadko stosowane w samochodach osobowych, np. silniki SDI od Volkswagena. Każdy silnik wysokoprężny posiada pompę wtryskową , czy to pompę rozdzielczą, zespół pompowo-dyszowy, czy pompę wysokociśnieniową systemu common rail.

Wzrost ciśnienia, rozwój hałasu, zagrożenia dla zdrowia

Stare silniki wysokoprężne z bezpośrednim wtryskiem wydają głośny odgłos spalania, znany jako kołkowanie, ze względu na gwałtowny wzrost ciśnienia podczas zapłonu. Nowoczesne silniki wysokoprężne mają wtrysk pilotujący, który zapobiega wbijaniu gwoździ, dzięki czemu praktycznie nie występuje.

Rozróżnia się kształtowanie profilu wtrysku starszych wtrysków bezpośrednich z rozdzielaczową pompą wtryskową i odpowiednią dyszą wtryskową z przeciwstożkiem oraz rzeczywistym wtryskiem wstępnym, wtryskiem głównym i wtryskiem końcowym z wtryskiem common rail lub dyszą pompy . Dzięki temu wzrost ciśnienia jest łagodniejszy, silnik pracuje ciszej i mniej drgań. W razie potrzeby przeprowadzany dotrysk krótkotrwale podwyższa temperaturę końca spalania, a tym samym temperaturę spalin, przez co filtr cząstek stałych silnika wysokoprężnego jest regenerowany (kosztem wydajności ) .

Wtrysk bezpośredni w silnikach benzynowych

Przekrój silnika benzynowego z bezpośrednim wtryskiem

Silniki Otto z wtryskiem bezpośrednim mogą być eksploatowane jak konwencjonalne silniki Otto z mieszanką jednorodną, ​​ale także jak silniki Diesla z mieszanką niejednorodną, ​​w której mieszanka jest uwarstwiona . Dławienie mieszanki nie jest już konieczne lub jest konieczne tylko częściowo, moment obrotowy jest wtedy regulowany tylko poprzez wtryskiwaną ilość paliwa. Benzyna mogą być wprowadzone do wnęki ścianki tłoka (kierowanego), kieruje się w strumieniu powietrza (powietrze kierowane) lub określony wyłącznie przez ciśnienie wtrysku (strumień kierowanego). Ponieważ benzyna nie odparowuje w kolektorze dolotowym, ale w cylindrze, zasysane jest więcej powietrza i temperatura na końcu sprężania jest nieco niższa. Zmniejsza to skłonność do stukania, a benzyna nie zapala się w niekontrolowany sposób. Sprężenie można zwiększyć o około 1 do 2 jednostek; W porównaniu z silnikami gaźnikowymi i silnikami z wtryskiem kolektora poprawia się w ten sposób sprawność i moc, ale zwiększa się udział tlenków azotu w spalinach, zwłaszcza w trybie ładowania uwarstwionego.

Na początku I wojny światowej wtrysk bezpośredni został przetestowany po raz pierwszy w silnikach benzynowych i po raz pierwszy był masowo produkowany w latach 30. XX wieku do zastosowania w samolotach, w samochodach osobowych wtrysk bezpośredni w silnikach dwusuwowych i wysokowydajnych w latach pięćdziesiątych . Nie mogli zwyciężyć. Podczas gdy wtrysk do kolektora dolotowego był dominującym systemem tworzenia mieszanki od wczesnych lat 80. do lat 90., bezpośredni wtrysk benzyny jest ponownie stosowany w silnikach samochodów osobowych od 1995 roku. Pierwsze silniki z bezpośrednim wtryskiem benzyny posiadały mechaniczne pompy wtryskowe rzędowe, nowoczesne silniki zwykle mają wtrysk Common Rail. Podczas gdy jeszcze w latach 90. podejmowano próby eksploatacji silników benzynowych z mieszanką uwarstwioną, przejście na pracę homogeniczną nastąpiło na skutek detoksykacji spalin, zwłaszcza przy pełnym lub częściowym obciążeniu.

literatura

  • Van Basshuysen (red.): Silnik Otto z bezpośrednim wtryskiem. Książka ATZ / MTZ, Friedr. Vieweg & Sohn Verlag, Wiesbaden 2007, ISBN 978-3-8348-0202-6
  • Hütten, Helmut: Silniki – technika, praktyka, historia . Motorbuch Verlag, Stuttgart 1982, ISBN 3879433267

Zobacz też

Indywidualne dowody

  1. ↑ Patent DE230517 : Silnik spalinowy wewnętrznego spalania do paliw płynnych. Zarejestrowany 14 marca 1909 r. , zgłaszający: Benz & Cie, Rheinische Gasmotorenfabrik AG, wynalazca: Prosper L'Orange.
  2. ↑ Inżynier motoryzacyjny : Jonas Hesselman opracował bezpośredni wtrysk benzyny, aby pomóc ulepszyć swój silnik dwupaliwowy ( Memento z 5 lipca 2015 r. w archiwum internetowym ), 29 lipca 2011 r.
  3. ↑ H. Kremser: Budowa szybkoobrotowych silników spalinowych do pojazdów samochodowych i wagonów kolejowych . W: Hans List (red.): Silnik spalinowy . taśma 11 . Springer, Wiedeń 1942, ISBN 978-3-7091-5016-0 , s. 135–136 , doi : 10.1007 / 978-3-7091-5016-0 ( ograniczony podgląd w wyszukiwarce Google Book).
  4. ↑ Broszura dotycząca TDI z Volkswagena 1995
  5. ↑ Muzeum Przemysłu w Chemnitz: odrestaurowany testowy sześciocylindrowy silnik wysokoprężny z układem wtryskowym Common Rail z pojazdu testowego IFA W50 L/S. Pożyczka z Muzeum Augusta Horcha, Zwickau
  6. ↑ Fiat Croma TDi z 1987 roku  ( strona już niedostępna , szukaj w archiwach internetowych )  Info: Link został automatycznie oznaczony jako uszkodzony. Sprawdź link zgodnie z instrukcjami, a następnie usuń to powiadomienie.@1@2Szablon: Toter Link / www.fiat.de  
  7. ↑ Następne silniki patrz tutaj
  8. ^ Robert Bosch (red.): Zarządzanie silnikiem Diesla: Systemy i komponenty , wydanie 4, Springer, Wiesbaden, 2004, ISBN 9783528238735 , s. 33
  9. ↑ Richard van Basshuysen (red.): Silnik Otto z wtryskiem bezpośrednim i wtryskiem bezpośrednim: paliwa Otto, gaz ziemny, metan, wodór, wydanie 4, Springer, Wiesbaden, 2017. ISBN 9783658122157 , s. 178
  10. ↑ Richard van Basshuysen (red.): Silnik Otto z wtryskiem bezpośrednim - potencjał rozwoju systemów procesowych , wydanie 3, Springer Vieweg, Wiesbaden, 2013, ISBN 9783658014087

linki internetowe