GDI:особенности построения поршня

Если мы посмотрим на поршень двигателя системы GDI, то увидим, что он  достаточно  оригинальной формы: в поршне есть так называемая «выемка» : 

 

                                                   

 

Этим он кардинально отличается от поршня «обычного» двигателя.

Давайте попробуем разобраться, для чего нужна такая  «выемка» и какую роль она играет или может играть.

Какой принцип работы работы «обычного и массового" двигателя ?

Топливо впрыскивается во впускной коллектор и там, непосредственно перед клапанами  начинает перемешиваться с поступившим  через дроссельную заслонку свежим воздухом и после открытия соответствующего клапана смесь воздуха и топлива поступает в цилиндр.
Состав смеси, в конечном итоге, получается гомогенным и стехиометрическим.
Двигатель системы GDI работает (может работать) совсем по-другому, он имеет несколько режимов работы и составы смеси при этом могут быть совершенно разными, "лямбда" может быть равна еденице, больше ее или меньше.
 

Здесь мы должны коснуться такого понятия, как «Коэффициент избытка воздуха».

 

«Коэффициент избытка воздуха» в английской  технической литературе обозначается буквой l  - «лямбда», в отечественной буквой «a» - «альфа», но так как «родителями» массового производства систем электронного впрыска топлива считаются и есть зарубежные производители, то не только для удобства, но и правильнее будет говорить и обозначать коэффициент избытка воздуха буквой l (лямбда) - см. Примечание1

Теоретическим и экспериментальным путем было выяснено, что для полного сгорания рабочей смеси требуется определенное и точное соотношение компонентов этой смеси – воздуха и топлива.

Они должны находиться между собой в стехиометрическом соотношении, когда для полного и качественного сгорания 1 кг  топлива требуется 14.7 кг воздуха.

Коэффициент избытка воздуха – l (лямбда) показывает, насколько реально имеющееся количество воздуха в камере сгорания отличается от теоретически необходимого, то есть:

 

             Реально имеющаяся в камере сгорания масса воздуха

l =   -------------------------------------------------------------------------------------------

                   Теоретически необходимая масса воздуха

 

 

 

 

Когда состав топливо - воздушной смеси (в дальнейшем ТВС), находится в стехиометрической пропорции, тогда:

 

                                                    l = 1   

 

 

                                  (лямбда равняется еденице)

 

 

При нарушении пропорций стехиометрического состава ТВС коэффициент l  также меняется:

Богатая смесь: «много топлива, мало воздуха» –    l< 1

Бедная смесь:  «мало топлива, много воздуха» –    l >1

 

Двигатель системы GDI ( в дальнейшем: «Двигатель GDI»), вследствии своих конструктивных особенностей и применения новых технологий может работать на ТВС при  таких соотношениях:

l <1

l >1

l = 1

 

Двигатель системы GDI при своей работе может использовать три вида впрыска топлива:

Ultra Lean Combustion Mode – впрыск топлива на такте сжатия
Superior Output Mode – врыск топлива на такте впуска
Two- stage nixing – впрыск топлива на такте впуска и такте сжатия - см. Примечание 2

Все эти три вида впрыска топлива придуманы и используются для того, что бы:

- уменьшить выбросы вредных веществ сгорания в атмосферу

- повысить мощность двигателя

- добиться экономии топлива

 

Для полного понимания процесса  под названием «работа камеры сгорания по смешиванию топливо-воздушной смеси»,  надо вспомнить работы О.Рейнольдса, который всю свою жизнь посвятил изучению понятия , которое до сих пор не имеет своего точного определения и  конкретного исчисления и называется «турбулентность» - см. Примечание 3

 

Когда жидкость или газ движутся в каком-то объеме с относительно небольшой скоростью, то это перемещение происходит послойно, один слой «плывет» около другого и слои не смешиваются.

Такое перемещение называется ламинарным.

 

Но в двигателе внутреннего сгорания, внутри камеры сгорания скорость движения газо-воздушного потока весьма большая и перемешивание топливо-воздушной смеси происходит за счет явления, которое называетсятурбулентность.

 

Турбулентность  в камере сгорания -  это такое пограничное состояние топливо-воздушной смеси, когда в зависимости от:

 

- давления в камере сгорания

- температуры в камере сгорания

- скорости и направления движения впускаемых воздуха и топлива

- плотности воздуха и топлива

 

,- происходит хаотическое и мгновенное изменение (колебание) неких средних первоначальных значений топливо-воздушной смеси за счет мгновенных возникновений, взаимодействий между собой и исчезновений  неопределенно-множественного

«n»  числа вихревых движений.

Все это можно определить коротким словом: «хаос».

 

Изучением этого понятия – «турбулентность», занимался ученый О.Рейнольдс, который установил, что  переход от ламинарного движения к турбулентному происходит в том случае, когда  некое безразмерное соотношение скорости жидкости ( читай: «топливо-воздушная смесь»), ее вязкости, температуры и давления внутри или около того места, где происходит это движение, достигает одного и того же значения, что можно выразить относительной формулой:

Re = uL/n

, где 
u - характерная скорость движения жидкости, 
L - характерные размеры течения, а 
n - кинематическая вязкость жидкости.

 

Число Re называется «числом Рейнольдса» и его численное значение определяет характер движения жидкости или газа.

 

Небольшое число Re будет означать, что движение ламинарное.

Большое число Re будет означать турбулентное движение.

 

Когда число Re находится в пределах от 1 до 15, то движение еще ламинарное.

Если больше 20 и растет, то начинается переход от ламинарного к турбулентному.

Когда мы визуально можем определить, что движение уже хаотично и невозможно проследить  движение струй, то тогда число Re приближается к 1.000.

Итак, из своих теоретических рассуждений мы узнали, что перемешивание топливо-воздушной смеси в камере сгорания происходит за счет турбулентности.

В камере сгорания, за счет повышенного давления, температуры и других факторов число Re будет составлять несколько тысяч.

То есть, это не что иное, как «развитая турбулентность».

Но ранее мы говорили, что «турбулентность – это Хаос».
Если ничего не менять в камере сгорания, не изменять условий впрыска топлива, не изменять «геометрию» камеры сгорания, то мы получим все тот же «обычный» двигатель внутреннего сгорания и никогда не сможем добиться того, что бы l (лямбда)   была меньше или больше еденицы и при этом двигатель работал не только «нормально», но еще мог «выдавать" хороший крутящий момент и  экономить топливо.

После многолетних исследований и математического моделирования, инженеры фирмы Mitsubishi пришли к выводу, что для выполнения заявленных требований  по экономичности, повышения мощностной отдачи, сохранения и улучшения норм экологической безопасности им нужно:

- изменить форму камеры сгорания
- повысить давление впрыска
- повысить давление в камере сгорания
- изменить направление входящих потоков воздуха в камеру сгорания
- изменить направление движения впрыскиваемого топлива

Что и было сделано.

Но самой основной и трудной была задача под названием «Упорядочить Хаос».

Вспомним что такое «турбулентность».

«Хаотическое движение…».

С одной стороны  именно турбулентность нужна в камере сгорания для того, что бы максимально «перемешать» топливо-воздушную смесь, то есть – «гомогенезировать» ее.

Тогда и «поджигание» ее и сгорание будут намного стабильнее и эффективнее.

Но с другой стороны, нельзя было «отпускать» турбулентность, надо было «приручить»  ее, выполнить на первый взгляд невыполнимое:

«заставить турубулентность играть по предложенным правилам».

 

Это удалось инженерам фирмы Mitsubishi.

***

 

Рассмотрим работу двигателя в режиме

Ultra – Lean Combustion Mode

Это режим работы двигателя на сверх-обедненной ТВС.

В этом случае "лямбда" больше еденицы ("мало топлива, много воздуха").

Этот режим используется при движении автомобиля с постоянной скоростью и неизменностью нагрузки. Но надо обязательно отметить, что "этот режим применяется при скорости движения до 120 км\час" - см. Примечание 4

 

 

Этап 1

- поршень начинает свое движение вниз

- открывается впускной клапан и в камеру сгорания поступает воздух.

 

 - на фото: 1 - заряд воздуха, 2 - выемка в поршне для "отражения" потока воздуха

 

- так как геометрия впускного коллектора изменена, то протекающий через него воздух к началу поступления в камеру сгорания уже достаточно турубулизирован и  имеет число Re около 1,000

- благодаря все той же измененной геометрии впускного коллектора, турбулизированный заряд воздуха имеет еще и свое направление. Он не просто «поступил» в камеру сгорания. Он «ворвался» в нее с такой силой, что достиг достиг поверхности поршня и начал от нее "отражаться".

 

 - "закручивание и отражение" заряда воздуха

 Тем самым число Re стало быстро увеличиваться.

 

Этап 2

- впускной клапан закрылся и поршень начинает свое движение вверх.

- турбулизация воздушного заряда (  число Re) продолжает увеличиваться вследствии увеличения давления и температуры внутри камеры сгорания

 

 

Этап 3

- в конце такта сжатия в камеру сгорания впрыскивается заряд топлива:

 

 - стрелка на фото: поступившее в камеру сгорания топливо, которое (что хорошо заметно), так же "закручено".

 

 

А теперь посмотрим другую кинограмму, где разберем этом вопрос более детальнее:

 

Этап 1: "Заряд топлива поступает в камеру сгорания"

 

 

 

В этот момент в камере сгорания имеется:

- высокое давление

- высокая температура

- максимально возможное на данный момент число Re (максимальная турбулентность воздушного заряда)

 

 

Этап 2:   "Топливо «ударяется» о поверхность пошня"

 

 

 

Если бы  впрыск топлива происходил при «обычном» давлении, как на «обычном» двигателе, то перемешивание (гомогенизация) топливо-воздушной смеси была бы неполной.
Давление предопределяет скорость.

Как мы знаем, впрыск топлива в двигателе системы GDI происходит при высоком давлении, около 50 Бар (около 50 кг\см2).

Именно такое первоначальное давление + особая форма форсунки (см. статью в этом же разделе) когда топливо после нее становится «закрученным», позволило добиться того, что заряд топлива до удара о поршень остался практически неизменной формы и состава.

 

 

 

Этап 3:  «Изгибание струи топлива»

 

 

 

 

Топливо – это та же «жидкость», только обладающая специфическими свойствами.

Кроме того, она имеет еще и «вязкость».

Поступившее в камеру сгорания топливо состоит из «слоев».

Попадая на поршень, один из слоев (нижний, по отношению к поршню)  «прилипает» к  поверхности поршня (на атомном уровне).

Между слоями возникают силы вязкого трения.

Около поверхности поршня формируется пограничный слой, скорость течения в котором меньше, чем в набегающем потоке топлива, а непосредственно на границе «поршень-топливо» равна нулю.

Так как скорость движения топлива в первом, прилегающем к поршню потоке намного меньше, чем в другом, расположенном «выше», то вследствии сил «вязкостного трения» происходит «отрыв» основного потока топлива от «пограничного» слоя.

Основной поток как бы «скользит» по пограничному слою и, следуя по нему, «повторяет» его форму и «загибается» вверх.

 

 

Этап 4:  «Топливо отрывается» от поршня»

 

 

 

 

 

Надо отметить, что непосредственно внутри «выемки» число Re намного меньше, чем в остальном объеме камеры сгорания.

Это обусловлено особой формой «выемки» и созданными условиями (температура, давление).

Именно по этой причине «выстреленное в выемку» топливо может относительно полно следовать физическим законам и не терять своих «закрученных» свойств до того момента, как оно «оторвется» от поверхности поршня.

 

Кроме того,  при отрыве основного потока топлива от поверхности тела, возрастает его скорость и оно начинает обладать «вращающим моментом».

Вспомним, что заряд топлива, который поступил в камеру сгорания, тоже был «закручен» благодаря особой конструкции самой форсунки.

По тем же законам физики, после «отрыва» основного потока топлива от поверности поршня, даже несмотря на его «закрученность», происходит «дробление» потока: более мелкие, обладающие невысокой скоростью и массой струи «отрываются» от основного потока и начинают «расходиться» по сторонам.

 

Вот здесь возникает самый интересный вопрос: " Почему же такая сверх-обедненная смесь может воспламеняться от свечи зажигания" - ?
Смотрим на следующее фото:

 

 

 

 

На этом фото из кинограммы работы двигателя (кинограмма снимается на специально созданном двигателе, где стенки поршня и сам поршень - прозрачные, изготовлены из специального материала и все процессы, происходящие внутри камеры сгорания можно хорошо видеть),- на этом фото видно, что внутри камеры сгорания образовалось несколько зон:

1 – зона обедненной топливо-воздушной  смеси

2 – зона  стехиометрического состава смеси

Все остальное пространство занято инертными газами и остатками ОГ.

 

Именно в зоне №2 состав топливо-воздушной смеси является стехиометрическим, где "лямбда" приблизительно равняется еденице, то есть, именно в этой зоне есть все условия для нормального воспламенения смеси.
Говоря немного по-другому, "Зона №2 является следствием того, что удалось хоть немного, но "приручить турбулентность".

 

 Далее все развивается таким образом:

 

Искровой заряд свечи зажигания «поджигает» топливо-воздушную смесь, которая начинает гореть послойно – «layer-by-layer» ( позиции 1-2-3-4-5 на нижних рисунках):

 

 

 

 

Примечание 1:    Действительно, сколько раз приходилось "запутывать голову", пытаясь с первого раза расшифровать написанные аббревиатуры: "ДМРВ", "ДВ", ДПКВ" и так далее.
Хотя проще всего (и правильнее, наверное?) сказать просто и понятно: "MAF-sensor", "MAP-sensor" и так далее. Не мы, не наша страна Россия, к сожалению, стала первой в массовом производстве систем управления двигателем и не нам внедрять и переламывать сознание и память тех Диагностов, которые были "взрощены" в начале 90-х годов прошлого века на крохах информации на английском языке.

 

Примечание 2:    В предыдущей статье мы уже говорили, но немного повторимся и расширимся насчет "полноты информации", которую нам предоставляет Производитель.
Как уже было сказано, двигатель системы GDI может иметь три режима работы:
Ultra Lean Combustion Mode – впрыск топлива на такте сжатия
Superior Output Mode – врыск топлива на такте впуска
Two- stage nixing – впрыск топлива на такте впуска и такте сжатия
И все. И больше никакой информации. Но так ли все это на самом деле?
Мы не знаем, но можем предположить, что двигатель GDI  "может иметь" еще и другие режимы работы, точнее сказать - "подрежимы", когда впрыск топлива происходит, например, после возгорания смеси и поршень "идет" вниз.

 

Примечание 3:   "...работы Рейнольдса, теорема Рейнольдса...". Увы, пока ничего не доказано и, надо полагать, доказано еще будет не скоро. Это приблизительно тоже самое, как и попытки измерения скорости света. Здесь все принимается на веру, но...так надо, потому что, что бы двигаться далее в своем развитии, надо всегда на что-то опираться. И пока не сказано или не доказано другое, отличное от теоремы Рейнольдса - будем "опираться" на нее?
Для бОльшего понимания.

 

Примечание 4:   " Рассмотрим работу двигателя в режиме Ultra – Lean Combustion Mode.

Это режим работы двигателя на сверх-обедненной ТВС.

В этом случае "лямбда" больше еденицы ("мало топлива, много воздуха").

Этот режим используется при движении автомобиля с постоянной скоростью и неизменностью нагрузки. "Но надо обязательно отметить, что этот режим применяется при скорости движения до 120 км\час"
Это примечание, где написано, что данный режим применяется до скорости 120 км.час - оно из книг, из Интернета.
Я его специально сюда вставил...
Но нигде не сказано - "почему" - ???
А мы скажем, мы постараемся разобраться и кое-что опровергнуть.
"Слукавили наши уважаемые узкоглазые господа".
При запуске двигателя инициализируется один режим работы: "много топлива, мало воздуха или воздуха достаточное количество" - для компенсации ухудшенных свойств испаряемости топлива и прогрева двигателя.
Ни один водитель, за исключением запрограмированного робота не сможет "поднимать" скорость до 120 км.час "плавно и осторожно" - всегда будет какое-то ускорение.
А это уже изменение режима работы, он может стать в какой-то момент и на какой-то период "мощностным", когда опять-таки, для ускорения потребуется "много топлива".
Это может быть режим Two-stage mixing или какой-то другой, с каким-то другим видом "подвпрыска", о котором "забыли" упомянуть наши узкоглазые товарищи.
Потому что "вам это не надо".
"Вы должны знать столько, сколько мы вам разрешим знать".
То есть, тем самым производители "придерживают" информацию, что бы не раскрывать всех своих секретов и не "плодить" конкурентов.
С одной стороны, может быть, это и правильно...
Но с другой стороны - ?
Вы знаете, многим это действительно достаточно!
Просто удивительно...
Удивительно, что многим достаточно только то, что им дается "прямо в руки", они совершенно не приспособлены Думать, Теоретезировать, Прогнозировать.
В школе так учили?
"От сих и до сих".
Фирмам не нужны "шибко умные", потому что такими людьми трудно управлять.
Впрочем, это уже тема для другой статьи - о дилерах и полу-дилерах.
Эта статья будет о том, как Россию пытаются "нагнуть"... 

Владимир Петрович Кучер