Новая технология впрыска топлива ducted fuel injection
Ducted fuel injection (сокращённо DFI) переводится как канальный впрыск топлива. Эта новая разработка поможет дизельным двигателям соблюдать современные нормы по выбросам в атмосферу вредных частиц с выхлопными газами. Заявлено, что система сможет понизить вредные выбросы в 10 раз, а то и свести их ближе к нулю, от норм Euro 6d-Temp, которые должны вступить в силу в 2020 году. Эта технология сможет сохранить дизельные двигателя на автомобилях и возможно превзойти бензиновые двигателя по снижению процента грязного выхлопа.
В основу данной технологии положен метод бунзеновской горелки (Горелка Бунзена), а также специальный узел канального впрыска, в котором топливо попадает в камеру сгорания благодаря миниатюрным каналам.
Что такое Горелка Бунзена, бунзеновская горелка, принцип работы
Первое упоминание об этой горелки появилось в 1857 году. Горелка представляет из себя металлическую трубку, расположенную вертикально. Сверху имеет антипригарный наконечник, снизу отверстия (боковая поверхность) для доступа атмосферного воздуха. Металлическая трубка закреплена на особой подставке, которая имеет сопло инжектора с боковой подачей газа. Также может быть оборудована заслонками для изменения сечения отверстий.
Принцип работы бунзеновской горелки
- Из сопла инжектора под давлением на большой скорости подаётся газ, который попадает в нижнюю часть металлической трубки.
- Газ создаёт в трубке разрежение.
- Благодаря созданному разрежению, через боковые отверстия трубки внутрь всасывается атмосферный воздух.
- Воздух движется вверх, и смешивается с газом, при этом образуется горючая смесь.
- Горючую смесь поджигают на выходе из трубки сверху.
- Процесс горения не прекращается, пока в трубку подаётся газ, а в атмосферном воздухе содержится кислород.
Канальный впрыск топлива DFI в чём особенность
Принцип работы дизельного двигателя, в отличии от бензинового и на газу в том, что воздух и дизельное топливо попадают в камеру сгорания раздельно. Сначала в камеру направляется воздух, который раскаляется в самом конце такта сжатия, и только потом в камеру направляется дизельное топливо (солярка), которая воспламеняется буквально сразу. При таком принципе работы сложно сделать так, чтобы всё топливо сгорело, поэтому в дизельном двигатели больше выброса вредных частиц, чем у бензинового.
Было предпринято много попыток уменьшить выбросы. Для этого разработали топливные системы с высоким давлением и многократным впрыском, а также систему Adblu, расщепляющую окислы азота. С системой DFI может отпасть необходимость дожига топлива.
Решение нашлось, как ни странно, в том процессе горения, который знаком всем школьникам, а именно на примере Горелки Бунзена. Разработана эта технология специалистами в лаборатории компании Sandia National Laboratories (США). Современные дизельные системы распыляют топливо под давлением примерно 2000 бар (200 МегаПаскаль), а это примерно половина от давления создаваемого водоструйным резаком. Капли топлива в камере сгорания движутся со скоростью примерно 600 метров в секунду. При такой скорости топливо распадается на частицы размера с бактерию. Как только топливо смешалось с воздухом, попавшим в камеру ранее, а поршень двигателя создал условия для сжатия, смесь самовоспламеняется. Во всём этом процессе топливо оставляет много сажи и окислов азота NOx.
Чтобы обойти этот процесс, необходимо более тщательней смешать топливо с воздухом, т.е. подготовить горючую смесь. Вот и вспомнили учёные про горелку, когда она горит в собранном виде, то пламя имеет голубоватый цвет, а стоит снять металлическую трубку, пламя меняет цвет на оранжевый. Оранжевый цвет — это частички сажи в пламени, которые не полностью сгорают в эпицентре и областях горения. Весь этот процесс основан на эффекте Вентури.
Именно этот эффект Вентури и был применён при создании канального впрыска топлива (DFI). Оснастив инжекторы дизельной топливной системы крошечными эквивалентами бунзеновской горелки (по простому — сделав дымоход), а именно установив металлические трубочки с миниатюрными отверстиями в непосредственной близости от отверстия распылителя, можно быстрее и лучше сделать обогащённую кислородом смесь для горения, при этом не увеличивая температуру горения.
По словам представителя лаборатории, который и запатентовал данное изобретение, можно добиться не только низкого уровня выбросов NOx, но и свести его практически к нулю. На конец 2019 года разработкой заинтересовались Ford и Caterpillar, которые уже подписали соглашение о сотрудничестве. Также недавно в Японии на конференции представители Toyota подали ряд документов, подтверждающих снижение сажи при этом методе.
Самое главное в разработке Ducted fuel injection в том, что нет необходимости выпускать новые двигателя, узел канального впрыска топлива может быть установлен на уже существующие двигателя.
Основные плюсы новой концепции канального впрыска топлива для двигателей с прямым впрыском, являются:
Для применения DFI нет нужды менять конструкцию мотора.
Технология DFI способствует снижению сажи и окиси азота в 10 и более раз.
Канальный впрыск увеличит степень предварительного смешивания топлива с воздухом перед воспламенением.
