T-SGDI – новый рабочий процесс ДВС
Специалистами компаний Ricardo и Petronas Research разработан рабочий процесс T-SGDI (Turbocharged Spray Gasoline Direct Injection), который позволяет использовать бензин в двигателе с искровым зажиганием так же эффективно, как в дизеле. Реализация этого процесса позволила снизить минимальный удельный расход топлива до 203 г/кВт'Ч.
Рабочий процесс T-SGDI обеспечивает устойчивое воспламенение и эффективное сжигание бедных смесей в двигателях с непосредственным впрыском топлива, послойным смесеобразованием и турбонаддувом. Непременным компонентом нового рабочего процесса является прерывистый впрыск топлива с возможностью изменения продолжительности пауз между подачами отдельных его доз. Процесс T-SGDI был реализован на разработанном компанией Ricardo 4-цилиндро-вом двигателе Volcano рабочим объемом 2 л. Диаметр цилиндра и ход поршня равны 86 мм при степени сжатия 10,7. Впрыск топлива осуществляется под давлением до 230 бар через многосопловые пьезоэлектрические форсунки фирмы Pectel+Driwen.
Форсунки могут открываться до 9 раз за цикл, но при данном исполнении двигателя подача топлива осуществляется не более 5 раз за цикл на рабочих режимах и до 8 раз при пуске двигателя и прогреве нейтрализатора ОГ. Двигатель Volcano оснащен четырьмя клапанами на цилиндр с регулируемыми впускными и выпускными фазами. Форсунка и свеча зажигания расположены вблизи оси цилиндра над чашеобразной камерой сгорания, выполненной в поршне. Наддув осуществляется турбокомпрессором Garrett с постоянной геометрией направляющего аппарата турбины.
Целью разработки было повышение экономичности бензиновых двигателей с наддувом и снижение выбросов вредных веществ с отработавшими газами путем расширения режимов эффективной работы на бедных смесях. При этом особое внимание уделялось организации послойного смесеобразования и прерывистому впрыску топлива. В результате стендовых испытаний и исследования рабочих процессов на одноцилиндровом двигателе с прозрачными стенками цилиндра удалось обеспечить устойчивое воспламенение и качественное сгорание бедных смесей при десятикратном (и более) избытке воздуха. При эффективном использовании бедных смесей отпадает необходимость в регулировании двигателя дросселированием на впуске. Последнее, как известно, является одной из причин ухудшения экономичности бензиновых двигателей при работе с частичными нагрузками. Теперь количественное регулирование нагрузки заменяется качественным, как в дизелях.
Следует отметить, что применяемые на современных автомобильных двигателях системы послойного смесеобразования обеспечивают устойчивое воспламенение и быстрое сгорание бедных смесей только на режимах малых нагрузок и низких частот вращения. При применении рабочего процесса T-SGDI удалось расширить диапазон эффективного сжигания бедных смесей при наддуве до среднего эффективного давления 15 бар. У двигателя Volcano минимум удельного расхода топлива соответствует среднему эффективному давлению 13 бар при 2250 об/ мин, т.е. режимам, на которых наиболее часто работает двигатель автомобиля, особенно при эксплуатации в городе. Сочетание послойного смесеобразования с прерывистым впрыском позволило снизить выброс оксидов азота в 5-10 раз по сравнению с выбросами бензиновых двигателей, работающих на стехиометрических смесях.
На графике представлена многопараметро-вая характеристика двигателя Volcano T-SGDI, где цветами обозначены области действия различных факторов, способствующих снижению расхода топлива и выбросов вредных веществ. При низкой частоте вращения и малых нагрузках (голубая область 1) двигатель работает практически без наддува. Экономичность двигателя при работе на этих режимах удалось повысить в результате эффективного сжигания бедных смесей и применения качественного регулирования вместо количественного.
Предполагается, что дальнейшее улучшение рабочего процесса в области этих режимов может быть достигнуто в результате снижения противодавления на впуске, создаваемого турбокомпрессором. В розовой области 2 двигатель работает с невысоким наддувом и без регулирующего дросселирования на впуске. Эффективное сжигание бедных смесей поддерживается при этом в результате прерывистого впрыска бензина системой RicardoMivis, а рециркуляция отработавших газов в количестве до 10% способствует снижению выбросов вредных веществ.
При применении нового рабочего процесса на двигателе с турбонаддувом удалось сдвинуть зону максимальной экономичности в сторону больших нагрузок (область 3). В обозначенной серым цветом области 4 двигатель работает на стехиометрической смеси, т.е. при подаче топлива в количестве, которое точно соответствует массе необходимого для его сжигания воздуха. Детонация предотвращается увеличением пауз между отдельными впрысками. В этой области может оказаться полезной рециркуляция охлажденных отработавших газов в количестве от 5 до 15%, особенно, если будут увеличены давление наддува или степень сжатия. В зеленой области 5 двигатель работает с наддувом, и необходимость в дросселировании воздуха на впуске отсутствует. Не требуется также рециркуляция отработавших газов, а система впрыска настраивается на максимальную экономичность. В синей области 6 двигатель работает практически без наддува, но и без дросселирования на впуске. При этом применяется рециркуляция отработавших газов в количестве от 10 до 30%. В результате доводки мощность двигателя Volcano T-SGDI была повышена до 197 кВт, а максимальный крутящий момент – до 391 Нм. Эти параметры достигаются при использовании бензина с октановым числом 95, но двигатель способен эффективно работать и на смесях бензина с различными спиртами.
Представленные выше характеристики двигателя Volcano T-SGDI позволяют рекомендовать его для установки на автомобили любого класса. Расчеты показали, что оснащенный этим двигателем легковой автомобиль массой 1800 кг будет расходовать в европейском цикле 6,1 л бензина на 100 км и выбрасывать углекислый газ в количестве 143 г/км, обеспечивая при этом выполнение норм выбросов вредных веществ Euro VI.
