Direktno Ubrizgavanje BenzinaBenzina

(Unutrašnje formiranje smeše)

Direktno ubrizgavanje benzina*

Funkcionalna šema direktnog ubrizgavanja benzina*

Homogeno i slojevito punjenje kod direktnog ubrizgavanja

• Homogeno punjenje (homogeneous charge)

Puni se ceo cilindar ubrizgavanjem goriva u cilindar tokom usisavanja.

Za veće momente i snage (brojeve obrtaja).

λ = 1: Redukcija emisije, bez azotnih oksida

• Slojevito punjenje (stratified charge)

Puni se deo cilindara ubrizgavanjem goriva u cilindar tokom sabijanja.

Za manje momente i snage (brojeve obrtaja).

λ > 1: Ekonomičnost potrošnje goriva

U zavisnosti od uslova rada – zahteva za obrtnim momentom i brojem obrtaja (snagom),..., motor vozila prelazi sa jednog načina punjenja na drugi.

Homogeno i slojevito punjenje

Dodavanje goriva, takt: Usisavanje, λ≤1 Dodavanje goriva, takt: Sabijanje, λ>1

Homogeno punjenje(princip)

Gorivo se ubrizgava u cilindar za vreme usisavanja (G DI)

• Sastav smeše je stehiometrijski, λλλλ=1, ili blago bogat, λλλλ<1• Vreme za homogenizaciju smeše i ravnomeran raspored s meše po

cilundru je dovoljno• Niska toksi čnost sagorevanja

Bez viška kiseonika ne stvaraju se azotni oksidi.Dovoljan je trostepeni katalitički konvertor. Nije potreban dodatni konvertor za redukciju azotnih oksida.

• Primena za srednja i velika opterećenja i snage (brzine motora)• Primena za srednja i velika opterećenja i snage (brzine motora)

Homogen rad kod direktnog ubrizgavanja benzina je vrlo sličan načinu rada kod indirektnog ubrizgavanja – ubrizgavanja u usisini vod: Puni se ceo cilindar.

Razlika u formiranju smeše:Kod direktnog ubrizgavanja koristi se kinetička energija mlaza za

raspršivanje goriva u cilindru. Mešanje goriva sa vazduhom, isparavanje i homogenizacija odvija se samo u cilindru.

Kod indirektnog ubrizgavanja raspršivanje goriva odvija se u usisnim vodovima. Mešanje goriva sa vazduhom i isparavanje počinje u usisnom vodu, a nastavlja se u cilindru uz homogenizaciju. Koristi se toplota zidova usisnih vodova za isparavanje goriva.

Slojevito punjenje (princip)• Vazduh (sa recirkulisanim izduvnim gasovima) ulazi kroz usisni ventil u cilindar za vreme

takta usisavanja• Gorivo se ubrizgava direktno u cilindar neposredno pre upaljenja (kraj sabijanja)

• Smeša se formira samo sa delom vazduha u radnom prostoru cilindra. Oko smeše je čist vazduh ili vazduh i izduvni gasovi (EGR).Gorivi sloj se nalazi u definisanoj oblasti u prostoru, oko svećice, zbog paljenja. Izolacioni sloj oko gorivog sloja zajedno čine vazduh i izduvni gasovi. Izol. sloj fizi čki odvaja gorivi sloj od zidova prostora za sagorevanje i gub itaka toplote kroz zidove – toplotna izolacija. Time se potrošnja goriva smanjuje – ekonomičnost raste.

• Višak kiseonika i visoka temperatura sagorevanja st varaju azotne okside.Na granici gorivog sloja i okružujućeg vazduha smeša je vrlo siromašna, pa raste količina azotnih oksida. Za smanjenje količine NOx u izduvnim gasovima koristi se intenzivna recirkulacija izduvnih gasova. U cilindar ulaze zajedno vazduh i izduvni gasovi, koji su inertni i snižavaju temperaturu sagorevanja. (Više toplote za grejanje inertne smeše snižava vršnu recirkulacija izduvnih gasova. U cilindar ulaze zajedno vazduh i izduvni gasovi, koji su inertni i snižavaju temperaturu sagorevanja. (Više toplote za grejanje inertne smeše snižava vršnu temperaturu – menja se cv smeše).

• Leptir je potpuno otvoren (WOT) jer se ne usisava smeša, koja bi povećavala punjenje (GDI), nego samo vazduh (+EGR). Otvoren leptir daje minimalno prigušenje i time smanjuje pumpne gubitke. Kompresija odgovara konstruktivnom stepenu kompresije, jer nema razređivanja vazduha.

• Prekid rada motora sa slojevitim punjenjemZa povećanje opterećenja zahteva se više toplote. Dodaje se više goriva pa smeša u gorivom sloju postaje bogatija. Raste temperatura sagorevanja, a gorivom sloju nedostaje kiseonik. Gorivo se cepa (cracking) i počinje stvaranje čestica ugljenika. Tada sledi prelazak na rad sa homogenom smešom. (Punjenje celog cilindra smešom).

Motori sa direktnim ubrizgavanjem benzina uopšteno se smatraju hibridnim zbog ubrizgavanja u radni prostor (kao dizel motori), i paljenja smeše stranim izvorom energije (kao oto motori).

Nastanak čestica i azotnih oksida, Čestice: U gorivom sloju (gde nema dovoljno O 2 + Temperatura ). Azotni oksidi: Na granici dva sloja (gde ima dovoljno O 2 +Temperatura )

Slojevito punjenje (postupak)Gorivo se ubrizgava za vreme sabijanja

• Gorivo se ubrizgava pod visokim pritiskom (150-200* bar) – mlazom vrlo sitnih kapljica velike brzine.

• Vazduh u cilindru je topao jer je sabijen (takt kompresije).• Smeša gorivog sloja

Trenje kapljica o zagrejan i gust vazduh (sabijen) pri kretanju mlaza razvija toplotu i intenzivira isparavanje goriva.

• Gorivi sloj je lokalan oblak isparenog goriva u delu radnog prostora oko svećice. Oblak je okružen čistim vazduhom. (+EGR).Oblak je okružen čistim vazduhom. (+EGR).Samo sloj sa smešom – gorivi sloj, može da sagori. U prostoru izvan gorivog sloja nema smeše/goriva. (Granična površina između dva sloja nije potpuno “oštra”)

• Smeša cilindra je vrlo siromašna, posmatrajući gorivi i izolacioni sloj – oba sloja “prosečno” u cilindru. (λ>1, do λ≈10)

• Prenošenje gorivog sloja ka sve ćici i paljenjePrenošenje do elektroda i držanje gorivog sloja oko elektroda vrši se usmerenim kretanjem vazduha (+EGR), a sloj se pali varnicom. Za usmeravanje gorivog sloja kod ubrizgavanja moguće je koristiti i zid – gornju površinu klipa. U neposrednoj blizini elektroda svećice može se upaliti i vrlo siromašna smeša, sa čak λ≤ 1.7

• Leptir je otvoren (unthrottled, WOT).• Izduvni gasovi se intenzivno recirkulišu (EGR)

Potreban je dodatni konvertor za redukciju azotnih oksida koji nastaju na granici između gorivog i negorivog sloja, gde je smeša siromašna zbog viška vazduha.

Način stvaranja i dovođenja sloja sa smešom u blizinu svećice:Zidom/Vazduhom

Gornja površina klipa – zida prostora za sagorevanje , je oblikovana tako da kretanjem vazduha čuva sloj sa smešom od širenja po okolnom prostoru

• Vođenje gorivog sloja zidomUdubljenje u klipu oblikovano je kao usmerivač goriva – deflektor mlaza goriva.Mlaz goriva se ubrizgava ka deflektoru, od kog se odbija i usmerava prema svećici.Osa vrtloga vazduha u cilindru je paralelna sa osom cilindra (swirl). Usmeravanje usisnim vodom je takvo da vazduh struji oko ose cilindra, t.j. kružno pored zidova cilindra. Kretanje klipa ka SMT daje dodatnu energiju mlazu goriva za kretanje prema svećici. (Zapremina radnog prostora se smanjuje u taktu kompresije). Klip hladi gorivo koje usmerava i može da se stvara film* goriva na klipu što je nepovoljno za sagorevanje (sastav izduvnih gasova). Ideja je u osnovi u suprotnosti sa koncepcijom termo-izolaciononog sloja i vodi u pogoršanu emisiju toksičnih gasova.

• Vođenje gorivog sloja vazduhomIdeja: Smanjenje emisije toksičnih gasova prekidom kontakta goriva sa klipom.Ideja: Smanjenje emisije toksičnih gasova prekidom kontakta goriva sa klipom.Udubljenje u klipu oblikovano je za stvaranje vrtloženja vazduha, usmerenog prema svećici.Osa vrtloga je paralelna sa gornjom površinom klipa (tumble). Mlaz goriva se ubrizgava ka vrtlogu, koji podiže gorivo svojim kretanjem prema svećici. Vrtlog vazduha čini vazdušni “jastuk” koji sprečava kontakt smeše i klipa. Kretanje klipa ka SMTpodiže vrtlog i daje dodatnu energiju vrtlogu za podizanje mlaza goriva prema svećici. (Kao i kod vođenja zidom).

Vođenje sloja zidom i vazduhom nema oštrih granica. Uvek je prisutno vođenje i zidom i vazduhom. Zavisno od ugla brizgaljki i količine ubrizganog goriva:

Na malim brojevima obrtaja uglavnom se gorivi sloj (oblak) nalazi iznad klipa.Na većim brojevima obrtaja gorivi sloj dohvata klip, i kad je proces zasnovan na vođenju

vazduhom (inercija gorivog sloja).

Položaj brizgaljki i sve ćica kod vo đenja sloja zidom i vazduhom : Brizgaljke su smeštene izme đu usisinih ventila, a sve ćice centralno na komori za

sagorevanje.

Nedostaci koncepcije vođenja gorivog sloja zidom/vazduhom

• Ideja slojevitog punjenja je uvedena zbog nedostataka “idealnog sagorevanja”, λ=1, koji, iako stehiometrijski, ima nedostatak (pored nikad idealne homogenizacije) u hlađenju i kondenzaciji smeše koja se nalazi u blizini zidova prostora za sagorevanje.

Toplota hla đenja i kondenzacije smeše na zidupredaje se zidu - greje zidove prostora za sagorevanje i odvodi se sa zidova u sistem za hlađenje motora. (Toplotni gubici). (Smeša je na višoj temperaturi od klipa, pa je prenos toplote od smeše na (Smeša je na višoj temperaturi od klipa, pa je prenos toplote od smeše na klip, smeša gubi toplotu i gorivo se kondenzuje).Emisija toksi čnih gasova:Kada plamen dođe do zidova, mora prvo da ugreje smešu (u kompresiji ispari tečna faza, ali je smeša hladna), zbog čega se toplota gubi, a sagorevanje je sporije (razvučeno, otklon u p,V dijagramu).

• Termo-izolacioni sloj treba da spre či kontakt smeše sa zidovima prostora za sagorevanje , tako da se ni smeša ne hladi.Film goriva na deflektoru klipa jeste ohlađena smeša prevedena u tečnu fazu.

Način stvaranja i dovođenja sloja sa smešom u blizinu svećice:Mlazom

Gornja površina klipa – zida prostora za sagorevanje je oblikovana tako da kretanjem vazduha čuva sloj sa smešom od širenja po okolnom prostoru i kontakta sa klipom

• Vođenje gorivog sloja mlazomGorivi sloj se stvara ubrizgavanjem goriva u neposrednu blizinu svećice.Mlaz goriva ima oblik konusa ili koničnog omotača (šupljeg konusa) i ubrizgava se ciljajući omotačem konusa elektrode svećice.Prednost u odnosu na vođenje zidom/vazduhom: Direktnim vođenjem goriva ka svećici (bez pomoći vazduha) izbegava se kontakt gorivog sloja sa klipom.

Uslovi za formiranje sloja:Vreme je skraćeno u odnosu na vođenje zidom i vazduhom jer klip mora prići bliže svećici (SMT) da se gorivi sloj ne bi raširio po celom prostoru za sagorevanje. Za skraćeno vreme ubrizg. potrebni su veći pritisci nego kod vođenja zidom i vazduhom.skraćeno vreme ubrizg. potrebni su veći pritisci nego kod vođenja zidom i vazduhom.

Veći pritisci daju mlaz koji ima veću kinetičku energiju, pa su kapljice sposobne da dublje prodiru kroz vazduh (penetriraju) pre nego što ispare. Povećava se mogućnost da kapljice dohvate klip. To je nepoželjno zbog stvaranja filma goriva na klipu.Zahtev za povećanjem brzine kapljica je oprečan sa smanjenjem prodornosti mlaza. Stoga je potrebno smanjiti prečnik kapljica da bi se smanjila inercija kapljica (kinetička energija) i vreme potrebno za isparavanje trenjem o vazduh pri kretanju.Smanjenje kapljica i povećanje njihove brzine nalaže manje otvore na brizgaljki i veće pritiske ubrizgavanja u odnosu na vođenje zidom/vazduhom. Manje kapljice imju relativno veću površinu isparavanja s ozirom na zapreminu, a broj kapljica u itj količini goriva je veći.

Položaj brizgaljki i sve ćica :Brizgaljke su smeštene na vrhu komore za sagorevanj e, svećica sa strane, na

pravcu mlaza goriva.

Slojevito ubrizgavanje:Formiranje i vođenje gorivog sloja

sa vođenjem zidom, vazduhom i mlazom

Uporedne karakteristike za sva tri načina vođenja gorivog sloja:

• Oblik prostora za sagorevanje – gornje površine klipa• Pravac/Ugao ubrizgavanja (mlaz je pun na slikama)• Položaj brizgaljki i svećica međusobno u prostoru za sagorevanje

(Na slikama klip je na putu ka SMT, prostor za sagorevanje još nije formiran).

Slojevito ubrizgavanje benzina:Formiranje i paljenje gorivog sloja

vođenim zidom i mlazom

• Kod vođenja gorivog sloja zidom koristi se vihorenje vazduha.Brizgaljka je sa strane, tako da vihor zahvata mlaz, a svećica centralno u cilindru

• Kod vođenja gorivog sloja mlazom i ravne gornje površine klipa mlaz je oblika šupljeg konusa.Brizgaljka je centralno je oblika šupljeg konusa.Brizgaljka je centralno postavljena, svećica sa strane u cilindru

Od oblika prostora za sagorevanje zavisi i oblik mlaza.

Levo: UbrizgavanjeDesno: Sagorevanje

Direktno ubrizgavanje benzina*vođenje mlazom, otvoren presek

• Centralna brizgaljka, svećica sa strane

• Gornja površina klipa– na levoj strani udubljenja za

ventile u fazi preklapanja**– na desnoj strani deflektori za

prevrtanje vazduha, (motor ne prevrtanje vazduha, (motor ne radi samo sa slojevitim punjenjem)

– u sredini centralno udubljenje za formiranje oblika prostora za sagorevanje koje sprečava širenje gorivog sloja pri radu sa slojevitim punjenjem.

Direktno ubrizgavanje benzina*vođenje mlazom, otvoren presek

• Štapičasta bobina• Svećica sa tri elektrode prema

masi• Brizgaljka za gorivo centralna,

pod malim uglom u odnosu na osu cilindra, usmerena tako da omotač konusa gorivog sloja omotač konusa gorivog sloja ravnomerno popuni prostor za sagorevanje, kada je klip u SMT.(Može se proceniti ugao kunusa ubrizgavanja goriva s obzirom da omotač konusa treba da dohvati elektrode svećice).

Uporedne osobine sistema direktnog ubrizgavanja benzi na sa vo đenjem zidom/vazduhom i mlazom

Kod vo đenja mlazom:• Putanja ubrizgavanja i vo đenja gorivog sloja

– Kraća i direktna prema svećici, bez kruženja kao kod vođenja klipom/vazduhom.• Vreme za pripremu smeše i pritisak za ubrizgavanje

– Kraće, nego kod vođenja klipom/vazduhom. Potreban je veći pritisak, oko 200 bar, u odnosu na 150 bar kod vođenja klipom/vazduhom*. (Ipak, oko 10 puta manji pritisci u odnosu na dizel CR. Benzin ima manju gustinu od dizel goriva i lakše isparava).

• Toplotno naprezanje sve ćice– Promene temperature svećice su veće, jer se hladno gorivo brizga direktno u pravcu

vruće svećice i hladi svećicu. Kontakt goriva i svećice je neposredniji nego kod vođenja zidom/vazduhom, gde se smeša u podizanju ka svećici greje.

• Tačnost u konstrukciji i izradi (cena)– Svećica i brizgaljka zahtevaju veću tačnost po međusobnom položaju i orijentaciji u – Svećica i brizgaljka zahtevaju veću tačnost po međusobnom položaju i orijentaciji u

prostoru nego kod vođenja vazduhom. Mlaz/zid = Ciljanje elektroda svećice površinom omotača koničnog mlaza / / prinošenje (celog) gorivog sloja elektrodama. Vođenje zidom ne zahteva veliku tačnost. Za vođenje mlazom potrebno je i tačnije održavanje pritiska u akumulatoru goriva. Od tačnosti pritiska zavisi da li će mlaz doći samo do svećice, ne i do klipa, što treba izbeći zbog stvaranja filma goriva. (Prigušivanje klapnom menja pritisak u cilindru).

• Potrošnja goriva– Kod vođenja mlazom potrošnja goriva je manja. Isparavanje goriva je efikasnije zbog

veće brzine mlaza (veći pritisak ubrizgavanja) i kasnijeg ubrizgavanja, kada je temperatura vazduha u prostoru za sagorevanje viša. Ubrizgano gorivo nema kontakt sa klipom, pa se ne stvara film, koji je osnovni razlog za lošije sagorevanje kod vođenja zidom/vazduhom. Kada plamen dođe do filma goriva na klipu, toplota plamena odlazi na isparavanje goriva u filmu (disipacija toplote) pa se plamen smanjuje i gasi. Gorivo iz filma ne sagoreva potpuno. Stvaranje filma goriva na klipu je kondenzacija i predaja dela toplote smeše klipu, koja je izgubljena za mehanički rad.

Poreklo zahteva za većim pritiscima ubrizgavanja dizel motora u odnosu na oto motore

• Gorivo – uporedne osobine

Viskoznost* i gustina** dizel goriva su veće nego kod benzina, pa su veći otpori strujanju kroz otvore brizgaljke (unutrašnje trenje fluida)Isparljivost dizel goriva je manja od isparljivosti benzina, potrebne su sitnije kapljiceSmeša – vreme i na čin formiranjaVreme za formiranje smeše je kraće, samo u taktu sabijanja, potreban veći pritisak ubrizgavanja. (Kod oto motora smeša se formira u taktu usisavanja za homogen –najčešći način rada motora, vezan za srednja i veika opterećenja. Način formiranja smeše kod savremenih dizel konstrukcija zasniva se na povećanju relativne brzine mlaza u odnosu na vazduh (trenje kapljica o vazduh) i smanjenju veličine kapljica (atomizacija) zbog povećanja ukupne površine isparavanja kapljica iz mlaza uz smanjenje njihovog dometa (penetracija) zbog manje mase, potreban veći pritisak ubrizgavanja (kod oto vrtloženje vazduha). Pritisak u cilindru na kraju takta pritisak ubrizgavanja (kod oto vrtloženje vazduha). Pritisak u cilindru na kraju takta kompresije je oko 2 puta veći kod dizel motora nego kod oto, gustina vazduha u koji se gorivo ubrizgava je veća kod dizela.

Osobine goriva, vreme na raspolaganju za spravljanj e smeše i na čin spravljanja smeše (raspršivanje – pritisak, isparavanje – kineti čka energija kapljica goriva i sitne kapljice te homogenizacija – ubrizgavanje po c elom prostoru sa više otvora brizgaljke 9/6) uslovljavaju desetak puta ve će pritiske ubrizgavanja kod dizel motora u odnosu na oto motore.

Temperatura paljenja:

Dizel gorivo se pali na ~350 °C, benzin na ~500 °C. (Detonacija, benzin dobija aditive)Dizel gorivo nije primenljivo za oto motore.

Trajanje i pritisci ubrizgavanja benzina, pore đenje direktnog sa indirektnim ubrizgavanjem (oto)

• Ugao direktnog ubrizgavanja u cilindar obhvata samo dva takta, usisavanje i sabijanje, što čini 2 x 90 = 180 stepeni ugla okretanja kolenastog vratila.

• Ugao indirektnog ubrizgavanja u usisini vod ima na raspolaganju sva četiri takta, 720 stepeni, (4x više po uglu). Krupnije kapljice manjih brzina, manji pritisci ubrizgavanja jer je usisni vod na visoj t od cilindra, a vreme za isparavanje duže.

• Vreme za formiranje smeše kod direktnog ubrizgavanja u cilindar pri slojevitom punjenju je bitno manje u odnosu na vreme kod ubrizgavanja u usisini vod, oko 1/5. Na praznom hodu vreme je manje od 0.5ms.

• Brzina mlaza direktnog ubrizgavanja mora biti velika, jer se isparavanje vrši (i) trenjem kapljica goriva iz mlaza o vazduh tokom ubrizgavanja, a raspoloživo vreme je kratko.

• Veličina kapljica direktnog ubrizgavanja mora biti manja u odnosu na • Veličina kapljica direktnog ubrizgavanja mora biti manja u odnosu na ubrizgavanje u usisini vod, oko 1/5 (površina isparavanja). Kapljice su prosečne veličine 20µm.

Velika brzina mlaza i mala veli čina kapljica zahtevaju velike pritiske ubrizgavanja, jer manji otvori na brizgaljkama daju v eće otpore protoku goriva kroz otvor brizgaljke.

Kod slojevitog ubrizgavanja na zid/vazduh pritisci ubrizgavanja za dobro formiranje smeše u raspoloživom vremenu iznose oko 150 bar.

Kod slojevitog ubrizgavanja mlazom raspoloživo vreme za pravaljenje smeše je još kraće. Pritisci ubrizgavanja mlazom su veći i iznose 200 bar.

Pritisak kod direktnog ubrizgavanja varira u zavisnosti od načina rada motora 50-150 bar. (Štednja energije utrošene na stvaranje samo potrebnog pritiska i protoka u pumpi visokog pritiska isporukom goriva prema zahtevu – načinu rada motora.) Samo najveće snage motra zahtevaju i najveće snage pumpe za gorivo.

Načini rada motora kod direktnog ubrizgavanja benzina

Način rada motora zavisi od opterećenja i uslova rada, a određuje ga računar (EM*).

• Motor zagrejan na radnu temperaturu Takt ubrizgav.

– Homogen (konvencion.) λ=1 ili λ<1 : Usisavanje– Slojevit (gor.sloj+izol.sloj) λ=1+(vazduh+EGR) : Sabijanje– Homogen siromašan λ>1 : Usisavanje– Homogen siromašan λ>1 : Usisavanje– Homogen slojevit (dva ubrizgav.) λ>2 (siromašan) : Usisavanje

λ<1 (bogat) : Sabijanje– Homogen sa zaštitom od detonacije (sa dva ubrizg: usisav. + sabijanje)

(ograničene mogućnosti na male snage)

• Motor hladan i u zagrevanju Takt ubrizgavanja– Hladan Start

• Slojevit Sabijanje– Zagrevanje

• Homogen deljen Usisavanje + Sabijanje• Slojevit (dva ubrizgavanja) Sabijanje + Širenje• Homogen (konvencionalan) Usisavanje

Ubrizgavanje goriva i trenutak (ugao) paljenja smeše za razne načine rada motora*

Zagrejan motor• Homogen• Slojevit• Homogen siromašan• Homogen slojevit• Homogen sa zaštitom od detonacije

Hladan start• SlojevitHladan start i zagrevanje motora i

katalizatorakatalizatora• Homogen deljen• Slojevit, dva ubrizgavanja• Homogen konvencionalan

Razlika između homogenog slojevitog i homogenog sa zaštitom od detonacije je u količini ubrizganog goriva

Homogen deljen (zagrevanje) ubrizgava najveću količinu goriva i ima najkasnije paljenje,15-30°iza SMT

(Širina intervala označava ugao ubrizgavanja, ne označava količinu ubrizganog goriva)

Oblasti primene pojedinih na čina rada motora kod direktnog ubrizgavanja benzina*