Система впрыска. – "Каким бывает впрыск топлива" Система впрыска автомобиля

13.07.2019

Система непосредственного впрыска топлива в бензиновых двигателях на сегодняшний день представляет собой наиболее совершенное и современное решение. Главной особенностью непосредственного впрыска можно считать то, что горючее подается в цилиндры напрямую.

По этой причине данную систему также часто называют прямым впрыском топлива. В этой статье мы рассмотрим, как работает двигатель с непосредственным впрыском топлива, а также какие преимущества и недостатки имеет такая схема.

Читайте в этой статье

Прямой впрыск топлива: устройство системы непосредственного впрыска

Как уже было сказано выше, горючее в подобных подается непосредственно в камеру сгорания двигателя. Это значит, что форсунки распыляют бензин не во , после чего топливно-воздушная смесь поступает через в цилиндр, а впрыскивают топливо в камеру сгорания напрямую.

Первыми бензиновыми двигателями с непосредственным впрыском стали . В дальнейшем схема получила широкое распространение, в результате чего сегодня с такой системой подачи топлива можно встретить в линейке многих известных автопроизводителей.

Например, концерн VAG представил ряд моделей Audi и Volkswagen с атмосферными и турбированными , которые получили непосредственный впрыск топлива. Также двигатели с прямым впрыском производит компания BMW, Ford, GM, Mercedes и многие другие.

Такое широкое распространение непосредственный впрыск топлива получил благодаря высокой экономичности системы (около 10-15% по сравнению с распределенным впрыском), а также более полноценному сгоранию рабочей смеси в цилиндрах и снижению уровня токсичности отработавших газов.

Система непосредственного впрыска: конструктивные особенности

Итак, давайте в качестве примера возьмем двигатель FSI с его так называемым «послойным» впрыском. Система включает в себя следующие элементы:

контур высокого давления;
бензиновый ;
регулятор давления;
топливную рампу;
датчик высокого давления;
инжекторные форсунки;

Начнем с топливного насоса. Указанный насос создает высокое давление, под которым топливо подается к топливной рампе, а также на форсунки. Насос имеет плунжеры (плунжеров может быть как несколько, так и один в насосах роторного типа) и приводится в действие от распредвала впускных клапанов.

РДТ (регулятор давления топлива) интегрирован в насос и отвечает за дозированную подачу топлива, что соответствует впрыску форсунки. Топливная рейка (топливная рампа) нужна для того, чтобы распределить горючее на форсунки. Также наличие данного элемента позволяет избежать скачков давления (пульсации) горючего в контуре.

Кстати, в схеме используется специальный клапан-предохранитель, который стоит в рейке. Указанный клапан нужен для того, чтобы избежать слишком высокого давления топлива и тем самым защитить отдельные элементы системы. Рост давления может возникать по причине того, что горючее имеет свойство расширяться при нагреве.

Датчик высокого давления является устройством, которое измеряет давление в топливной рейке. Сигналы от датчика передаются на , который, в свою очередь, способен изменять давление в топливной рейке.

Что касается инжекторной форсунки, элемент обеспечивает своевременную подачу и распыл топлива в камере сгорания, чтобы создать необходимую топливно-воздушную смесь. Отметим, что описанные процессы протекают под управлением . Система имеет группу различных датчиков, электронный блок управления, а также исполнительные устройства.

Если же говорить о системе прямого впрыска, вместе с датчиком высокого давления топлива для ее работы задействованы: , ДПРВ, датчик температуры воздуха во впускном коллекторе, датчик температуры ОЖ и т.д.

Благодаря работе этих датчиков на ЭБУ поступает нужная информация, после чего блок посылает сигналы на исполнительные устройства. Это позволяет добиться слаженной и точной работы электромагнитных клапанов, форсунок, предохранительного клапана и ряда других элементов.

Как работает система непосредственного впрыска топлива

Главным плюсом непосредственного впрыска является возможность добиться различных типов смесеобразования. Другим словами, такая система питания способна гибко изменять состав рабочей топливно-воздушной смеси с учетом режима работы двигателя, его температуры, нагрузки на ДВС и т.д.

Следует выделить послойное смесеобразование, стехиометрическое, а также гомогенное. Именно такое смесеобразование позволяет в конечном итоге максимально эффективно расходовать топливо. Смесь всегда получается качественной независимо от режима работы ДВС, бензин сгорает полноценно, двигатель становится более мощным, при этом одновременно снижается токсичность выхлопа.

Послойное смесеобразование задействуется тогда, когда нагрузки на двигатель низкие или средние, а обороты коленвала небольшие. Если просто, в таких режимах смесь несколько обедняется в целях экономии. Стехиометрическое смесеобразование предполагает приготовление такой смеси, которая легко воспламеняется, при этом не является слишком обогащенной.
Гомогенное смесеобразование позволяет получить так называемую «мощностную» смесь, которая нужна при больших нагрузках на двигатель. На обедненной гомогенной смеси в целях дополнительной экономии силовой агрегат работает на переходных режимах.
Когда задействован режим послойного смесеобразования, дроссельная заслонка широко открыта, при этом впускные заслонки находятся в закрытом состоянии. В камеру сгорания воздух подается с высокой скоростью, возникают завихрения воздушных потоков. Горючее впрыскивается ближе к концу такта сжатия, впрыск производится в область расположения свечи зажигания.

За короткое время до того, как на свече появится искра, образуется топливно-воздушная смесь, в которой коэффициент избыточного воздуха составляет 1.5-3. Далее смесь воспламеняется от искры, при этом вокруг зоны воспламенения сохраняется достаточно количество воздуха. Указанный воздух выполняет функцию температурного «изолятора».

Если же рассматривать гомогенное стехиометрическое смесеобразование, такой процесс происходит тогда, когда впускные заслонки открыты, при этом дроссельная заслонка также открыта на тот или иной угол (зависит от степени нажатия на педаль акселератора).

В этом случае горючее впрыскивается еще на такте впуска, в результате чего удается получить однородную смесь. Избыток воздуха имеет коэффициент, близкий к единице. Такая смесь легко воспламеняется и полноценно сгорает по всему объему камеры сгорания.

Обедненная гомогенная смесь создается тогда, когда дроссельная заслонка полностью открыта, а впускные заслонки закрыты. В этом случае воздух активно движется в цилиндре, а впрыск горючего приходится на такт впуска. ЭСУД поддерживает избыток воздуха на отметке 1.5.

Дополнительно к чистому воздуху могут быть добавлены отработавшие газы. Это происходит благодаря работе . В результате выхлоп повторно «догорает» в цилиндрах без ущерба для мотора. При этом снижается уровень выброса вредных веществ в атмосферу.

Что в итоге

Как видно, прямой впрыск позволяет добиться не только экономии топлива, но и хорошей отдачи от двигателя как в режимах низких и средних, так и высоких нагрузок. Другими словами, наличие непосредственного впрыска означает, что оптимальный состав смеси будет поддерживаться на всех режимах работы ДВС.

Что касается недостатков, к минусам прямого впрыска можно отнести разве что повышенную сложность во время ремонта и цену запчастей, а также высокую чувствительность системы к качеству горючего и состоянию фильтров топлива и воздуха.

Общие положения

Большинство современных двигателя топливом схожи. Отличие может заключаться только на этапе смесеобразования. В состав топливной системы входят следующие узлы:

Топливный бак - компактное изделие, имеющее насос и фильтр для очистки от механических частиц. Основное назначение - хранение топлива.
Топливопроводы образуют комплекс шланг и трубок для перемещения горючего от бака к системе смесеобразования.
Устройство смесеобразования. В нашем случае будет идти речь об инжекторе. Данный узел предназначен для получения эмульсии (воздушно-топливной смеси) и подачи ее в цилиндры в такт работы мотора.
Блок управление системой смесеобразования. Устанавливается только на инжекторных двигателях, что обусловлено необходимостью контроля датчиков, форсунок и клапанов.
Топливный насос. В большинстве случаев используется погружной вариант. Представляет собой электродвигатель небольшой мощности, который соединяется с жидкостным насосом. Смазка реализуется горючим, а длительное использование ТС с количеством топлива менее 5 литров может привести к выходу электродвигателя из строя.

Если говорить вкратце, то инжектор - это точечная подача горючего через форсунку. Электронный сигнал приходит с блока управления. Несмотря на то, что инжектор имеет ряд существенных преимуществ перед карбюратором, он долго не использовался. Это было обусловлено технической сложностью изделия, а также низкой ремонтопригодностью деталей, вышедших из строя. В настоящее время точечные системы впрыска практически заменили карбюратор. Давайте более подробно рассмотрим, чем же так хорош инжектор и каковы его особенности.

Особенности топливного оборудования

Автомобиль всегда являлся объектом внимания защитников экологии. Отработанные газы выпускаются непосредственно в атмосферу, что чревато ее загрязнением. Диагностика топливной системы показала, что количество выбросов при неверном смесеобразовании увеличивается в разы. По этой простой причине было принято решение устанавливать каталитический нейтрализатор. Однако это устройство показывало хорошие результаты только при качественной эмульсии, а в случае каких-либо отклонений его эффективность значительно падала. Было принято решение заменить карбюратор на более точную систему впрыска, которой являлся инжектор. Первые варианты включали в себя большое количество механических составляющих и, согласно исследованиям, такая система становилась все хуже по мере эксплуатации ТС. Это было вполне закономерно, так как важные узлы и рабочие органы загрязнялись и выходили из строя.

Для того чтобы система впрыска смогла сама себя корректировать, был создан электронный блок управления (ЭБУ). Наряду с вмонтированным лямба-зондом, который расположен перед каталитическим нейтрализатором, это давало хорошие показатели. Можно с уверенностью говорить о том, что цены на топливо сегодня довольно высокие, а инжектор хорош как раз тем, что позволяет экономить бензин или дизель. Помимо этого есть следующие плюсы:

Увеличение эксплуатационных характеристик мотора. В частности увеличенная мощность на 5-10%.
Улучшение динамических показателей транспортного средства. Инжектор более чувствителен к изменению нагрузок и сам корректирует состав эмульсии.
Оптимальная топливно-воздушная смесь уменьшает количество и токсичность отработанных газов.
Инжекторная система легко запускается независимо от погодных условий, что является существенным достоинством перед карбюраторными двигателями.

Инжекторная система подачи топлива и ее устройство

Прежде всего стоит отметить тот факт, что современные впрысковые двигатели оснащаются форсунками, количество которых равно количеству цилиндров. Между собой форсунки соединяются рампой. Там горючее содержится под небольшим давлением, а создает его электрический прибор - бензонасос. Количество впрыскиваемого горючего напрямую зависит от продолжительности открытия форсунки, что определяется блоком управления. Для этого снимаются показатели с различных датчиков, которые установлены по всему ТС. Сейчас мы рассмотрим основные из них:

Служит для определения наполненности цилиндров воздухом. В случае поломки показания игнорируются, а в качестве основных показателей берутся табличные данные.
Датчик положения отражает нагрузку на двигатель, которая обусловлена положением дросселя, циклового наполнения воздухом и оборотов ДВС.
Датчик температуры хладгена. При помощи данного контроллера реализуется управление электровентилятором и коррекция топливоподачи, а также зажигания. В случае неисправности мгновенная диагностика топливной системы необязательна. Температура берется в зависимости от длительности работы ДВС.
Датчик положения коленчатого вала (коленвала) нужен для синхронизации системы в целом. Контроллер рассчитывает не только обороты двигателя, но и его положение в определенный момент времени. Так как он является полярным датчиком, то при его неисправности дальнейшая эксплуатация ТС не является возможной.
Датчик кислорода нужен для определения % кислорода в выбрасываемых в атмосферу газах. Информация с этого контроллера передается на ЭБУ, который в зависимости от показаний корректирует эмульсию.

Стоит обратить внимание на то, что не все ТС с инжектором комплектуются датчиком кислорода. Их имеют только те авто, которые оснащаются каталитическим нейтрализатором с нормами токсичности «Евро-2» и «Евро-3».

Типы инжекторных систем: одноточечный впрыск

В настоящее время активно используются все системы. Они классифицируются в зависимости от количества форсунок и места подачи горючего. Всего есть три системы впрыска:

одноточечный (моновпрыск);
многоточечный (распределительный);
непосредственный.

Для начала давайте рассмотрим системы одноточечного впрыска. Они были созданы сразу после карбюраторных и считались более совершенными, однако в настоящее время постепенно теряют свою популярность ввиду многих причин. Есть несколько неоспоримых преимуществ таких систем. Основные заключаются в существенной экономии топлива. Учитывая, что цены на топливо сегодня немаленькие, такой инжектор является актуальным. Интересно то, что эта система содержит несколько меньше электроники, поэтому является более надежной и стабильной. Когда информация с датчиков передается на контрольный элемент, параметры впрыска тут же меняются. Весьма интересным является то, что практически любой можно переделать под одноточечный впрыск без существенных конструкционных изменений. Основной недостаток таких систем заключается в низкой приемистости ДВС, а также оседании существенного количества топлива на стенках коллектора, хотя данная проблема была присуща и карбюраторным моделям.

Так как форсунка в данном случае всего одна, то располагается она на впускном коллекторе на месте карбюратора. Так как форсунка стояла в хорошем месте и постоянно находилась под потоком холодного воздуха, то ее надежность была на высшем уровне, да и конструкция была предельно простой. Промывка топливной системы с одноточечным впрыском не занимала много времени, так как достаточно было продуть лишь одну форсунку, но повышенные экологические требования привели к тому, что начали разрабатывать другие, более современные системы.

Системы многоточечного впрыска

Распределенный впрыск считается более современным, сложным и менее надежным. В данном случае каждый цилиндр оснащается изолированной форсункой, которая располагается во впускном коллекторе в непосредственной близости от впускного клапана. Следовательно, подача эмульсии осуществляется отдельно. Как было отмечено выше, при таком впрыске мощность ДВС можно увеличить до 5-10%, что будет заметно при движении на дороге. Еще один интересный момент: данная инжекторная система подачи топлива хороша тем, что форсунка располагается очень близко к впускному клапану. Это минимизирует оседание горючего на стенках коллектора, благодаря чему можно добиться существенной экономии топлива.

Существует несколько типов многоточечного впрыска:

Одновременный - открытие всех форсунок происходит в одно время.
Попарно-параллельный - открытие форсунок парами. Одна форсунка открывается в такт впуска, а вторая перед тактом выпуска. В настоящее время такая система используется только в момент аварийного запуска ДВС в случае поломки положения коленвала).
Фазированный - каждая форсунка управляется отдельно, а открывается перед тактом впуска.

В данном случае система довольно сложная и полностью полагается на точность работы электроники. Например, промывка топливной системы будет требовать гораздо больше времени, так как нужно промыть каждую форсунку. А сейчас пойдем дальше и рассмотрим еще один популярный вид впрыска.

Непосредственный впрыск

Инжекторные автомобили с такими системами можно считать наиболее экологичными. Основная цель внедрения этого способа впрыска заключается в улучшении качества смеси горючего и незначительном увеличении КПД двигателя транспортного средства. Основные достоинства такого решения заключаются в следующем:

тщательное распыление эмульсии;
образование высококачественной смеси;
эффективное использование эмульсии на различных этапах работы ДВС.

Исходя из этих преимуществ, можно говорить о том, что такие системы экономят топливо. Особенно это заметно при спокойной езде в городских условиях. Если сравнивать два автомобиля с одинаковым объемом двигателя, но разными системами впрыска, например, непосредственный и многоточечный, то заметно лучшие динамические характеристики будут у непосредственной системы. Отработанные газы менее токсичны, а взятая литровая мощность будет несколько выше за счет охлаждения воздуха и того, что давление в топливной системе несколько увеличено.

Но стоит обратить внимание на чувствительность непосредственных систем впрыска к качеству горючего. Если брать во внимание стандарты России и Украины, то содержание серы должно быть не выше 500 мг на 1 литр горючего. В это же время европейские стандарты подразумевают содержание этого элемента 150, 50 и даже 10 мг на литр бензина или дизеля.

Если вкратце рассматривать данную систему, то она выглядит следующим образом: форсунки располагаются в Исходя из этого, впрыск осуществляется непосредственно в цилиндры. Стоит заметить, что данная инжекторная система подходит для многих бензиновых двигателей. Как было отмечено выше, используется высокое давление в топливной системе, под которым подается эмульсия непосредственно в камеру сгорания, минуя впускной коллектор.

Система впрыска топлива: езда на обедненной смеси

Немного выше мы с вами рассмотрели непосредственный впрыск, который впервые был использован на автомобилях марки «Митсубиси», которая имела аббревиатуру GDI. Давайте вкратце рассмотрим один из основных режимов - работу на обедненной смеси. Суть ее заключается в том, что транспортное средство в этом случае работает при небольших нагрузках и умеренных скоростях до 120 километров в час. Впрыск топлива осуществляется факелом в заключительном этапе сжатия. Отражаясь от поршня, горючее смешивается с воздухом и попадает в зону свечки зажигания. Получается так, что в камере смесь значительно обедняется, тем не менее ее заряд в районе свечи зажигания можно считать оптимальным. Этого хватает для его воспламенения, после этого загорается и остальная эмульсия. По сути, такая система впрыска топлива обеспечивает нормальную работу ДВС даже при соотношении воздух/топливо - 40:1.

Это весьма эффективный подход, позволяющий значительно экономить горючее. Но стоит обратить внимание, что остро встал вопрос нейтрализации отработанных газов. Дело в том, что катализатор неэффективен, так как образуется оксид азота. В этом случае используется рециркуляция отработанных газов. Специальная система ERG позволяет разбавить эмульсию отработанными газами. Это несколько снижает температуру горения и нейтрализует образование оксидов. Тем не менее такой подход не позволят увеличивать нагрузку на двигатель. Для частичного разрешения проблемы используется накопительный катализатор. Последний крайне чувствителен к горючему с высоким содержанием серы. По этой причине требуется периодическая проверка топливной системы.

Однородное смесеобразование и 2-стадийный режим

Мощностной режим (однородное смесеобразование) - идеальное решение для агрессивной езды в городских условиях, обгонов, а также движения по скоростным трассам и шоссе. В этом случае используется конический факел, он менее экономичный по сравнению с предыдущим вариантом. Впрыск осуществляется на такте впуска, а образованная эмульсия обычно имеет соотношение 14,7:1, то есть близкое к стехиометрическому. По сути, данная система автоматической подачи топлива точно такая же, как и распределительная.

Двухстадийный режим подразумевает впрыск топлива на такте сжатия, а также пуска. Основная задача - резкое повышение двигателя. Ярким примером эффективной работы такой системы является движение на малых оборотах и резкое нажатие на акселератор. В таком случае вероятность детонации значительно возрастает. По этой простой причине вместо одного этапа впрыск проходит в два.

На первом этапе впрыскивается небольшое количество горючего на такте впуска. Это позволяет несколько понизить температуру воздуха в цилиндре. Можно говорить о том, что в цилиндре будет находиться сверхбедная смесь в соотношении 60:1, следовательно, детонация невозможна как таковая. На заключительном этапе такта сжатия осуществляется впрыск струи горючего, которая доводит эмульсию до богатой в соотношении примерно 12:1. Сегодня можно говорить о том, что такая топливная система двигателя введена только для транспортных средств европейского рынка. Обусловлено это тем, что Японии не присущи большие скорости, следовательно, нет высоких нагрузок на двигатель. В Европе же большое количество скоростных шоссе и автобанов, поэтому водители привыкли ездить быстро, а это большая нагрузка на ДВС.

Еще кое-что интересное

Стоит обратить внимание на то, что, в отличие от карбюраторных систем, инжекторная требует того, чтобы была регулярная проверка топливной системы. Это обусловлено тем, что большое количество сложной электроники может дать сбой. В результате это приведет к нежелательным последствиям. К примеру, избыточный воздух в топливной системе приведет к нарушению составу эмульсии и неверному соотношению смеси. В дальнейшем это сказывается на двигателе, появляется нестабильная работа, выходят из строя контроллеры и т. п. По сути, инжектор - это сложная система, которая определяет, когда на цилиндры нужно подать искру, как доставить качественную смесь к блоку цилиндров или впускному коллектору, когда открывать форсунки и какое соотношение воздуха и бензина должно быть в эмульсии. Все эти факторы влияют на синхронизированную работу топливной системы. Интересно то, что без большинства контроллеров машина может исправно работать, при этом не будет существенных отклонений, так как имеются аварийные записи и таблицы, которые будут использоваться.

Экономичность работы ДВС в нашем случае определяется тем, насколько корректными будут полученные с контроллеров данные. Чем они точнее, тем менее возможны различные неисправности топливной системы. Важную роль играет и скорость срабатывания системы в целом. В отличие от карбюраторов тут не требуется ручная регулировка, а это исключает ошибки во время калибровочных работ. Следовательно, мы получим более полное сгорание смеси и лучшую с точки зрения экологии систему.

Заключение

В заключение стоит рассказать немного о недостатках, которые присущи инжекторным системам. Главный минус заключается в дороговизне ДВС. По большому счету, стоимость таких агрегатов будет выше примерно на 15%, что существенно. Но есть и другие минусы. К примеру, вышедший из строя клапан топливной системы в большинстве случаев не подлежит ремонту, что обусловлено нарушением герметичности, поэтому его нужно просто менять. Это касается и ремонтопригодности оборудования в целом. Некоторые узлы и детали гораздо проще купить новыми, нежели потратиться на их ремонт. Это качество не присуще карбюраторным ТС, где можно перебрать все важные узлы и восстановить их работоспособность без больших затрат времени и сил. Без всякого сомнения, электронная система подачи топлива ремонтируется большими силами и средствами. Сложная электроника вряд ли может быть восстановлена на первом попавшемся СТО.

Ну вот мы и поговорили с вами о том, что такое инжекторные системы. Как вы видите, это весьма интересная тема для разговора. Можно еще много рассказывать о том, чем хороши форсунки и возможность мгновенной корректировки работы двигателя. Но об основных моментах мы уже сказали. Помните о том, что должна регулярно осматриваться на возможные дефекты. К примеру, из-за низкого качества топлива, что собственно присуще нашей стране, часто забиваются форсунки. Из-за этого двигатель начинает работать с перебоями, падает мощность, смесь становится слишком обедненной или наоборот. Все это очень плохо сказывается на автомобиле в целом, поэтому нужен постоянный и регулярный контроль. Кроме того, старайтесь заправляться только тем бензином, который советует производитель вашего ТС.

Уважаемые читатели и подписчики, приятно, что вы продолжаете изучать устройство автомобилей! И сейчас вашему вниманию электронная система впрыска топлива, принцип действия которой я постараюсь рассказать в этой статье.

Да, именно о тех устройствах, которые вытеснили из под капотов машин проверенные временем питания, а также узнаем много ли общего у современных бензиновых и дизельных двигателей.

Возможно, мы бы с Вами и не обсуждали данную технологию, если бы пару десятилетий назад человечество всерьёз не озаботилось экологией, и одной из серьёзнейших проблем оказались токсичные выхлопные газы автомобилей.

Главной недоработкой машин с двигателями, оборудованными карбюраторами, стало неполное сгорание топлива, а чтобы решить эту проблему понадобились системы, способные регулировать количество подаваемого в цилиндры горючего в зависимости от режима работы мотора.

Так, на арене автомобилестроения появились системы впрыска или, как их ещё называют — инжекторные системы. Помимо повышения экологичности, эти технологии улучшили эффективность двигателей и их мощностные характеристики, став настоящей находкой для инженеров.

На сегодняшний день впрыск (инжекция) топлива используются не только на дизельных, но и на бензиновых агрегатах, что, несомненно, их объединяет.

Объединяет их и то, что главным рабочим элементом этих систем, какого бы типа они ни были, является форсунка. Но из-за различий метода сжигания горючего, конструкции инжекторных узлов у этих двух типов моторов, конечно же, отличаются. Поэтому рассмотрим их по очереди.

Инжекторные системы и бензин

Электронная система впрыска топлива. Начнём с бензиновых двигателей. В их случае, инжекция решает задачу создания воздушно-топливной смеси, которая затем воспламеняется в цилиндре от искры свечи зажигания.

В зависимости от того, как эта смесь и горючее подаётся к цилиндрам, инжекторные системы могут иметь несколько разновидностей. Впрыск бывает:

Центральный впрыск

Главная особенность технологии, расположенной первой в списке – одна единственная форсунка на весь двигатель, которая располагается во впускном коллекторе.Надо отметить, что этот вид инжекторной системы по своим характеристикам не сильно отличается от карбюраторной, поэтому на сегодняшний день считается устаревшим.

Распределенный впрыск

Более прогрессивным является распределённый впрыск. В этой системе топливная смесь так же образуется во впускном коллекторе, но, в отличие от предыдущей, каждый цилиндр здесь может похвастаться собственной форсункой.

Данная разновидность позволяет ощутить все преимущества инжекторной технологии, поэтому наиболее любима автопроизводителями, и активно используется в современных двигателях.

Но, как мы знаем, совершенству нет пределов, и в погоне за ещё более высокой эффективностью, инженерами была разработана электронная система впрыска топлива, а именно система непосредственного впрыска.

Её главной особенностью является расположение форсунок, которые, в данном случае, своими соплами выходят в камеры сгорания цилиндров.

Образование воздушно-топливной смеси, как уже можно догадаться, происходит прямо в цилиндрах, что благотворно отражается на эксплуатационных параметрах моторов, хотя этот вариант имеет не такую высокую, как у распределённого впрыска, экологичность. Ещё один ощутимый недостаток этой технологии – высокие требования к качеству бензина.

Комбинированный впрыск

Наиболее передовым с точки зрения уровня выбросов вредных веществ является комбинированная система. Это, по сути, симбиоз непосредственной и распределённой инжекции топлива.

А как дела у дизелей?

Перейдём к дизельным агрегатам. Перед их топливной системой стоит задача подачи горючего под очень высоким давлением, которое, смешиваясь в цилиндре со сжатым воздухом, воспламеняется само.

Вариантов решения этой задачи создано очень много – применяется и непосредственный впрыск в цилиндры, и с промежуточным звеном в виде предварительной камеры, помимо этого, существуют различные компоновки насосов высокого давления (ТНВД), что тоже придаёт разнообразия.

Тем не менее, современные мотористы отдают предпочтение двум типам систем, осуществляющих подачу солярки прямо в цилиндры:

с насос-форсунками;
впрыск Common Rail.

Насос-форсунка

Насос-форсунка говорит сама за себя – в нём форсунка, впрыскивающая топливо в цилиндр, и ТНВД конструктивно объединены в один узел. Главная проблема таких устройств заключается в повышенном износе, так как насос-форсунки соединены постоянным приводом с распредвалом и никогда не отключаются от него.

Материал из Энциклопедия журнала "За рулем"

Схема двигателя Volkswagen FSI с непосредственным впрыском бензина

Первые системы впрыска бензина непосредственно в цилиндры двигателя появились еще в первой половине ХХ в. и использовались на авиационных двигателях. Попытки применения непосредственного впрыска в бензиновых двигателях автомобилей были прекращены в 40-е годы ХХ в., потому что такие двигатели получались дорогостоящими, неэкономичными и сильно дымили на режимах большой мощности. Впрыскивание бензина непосредственно в цилиндры связано с определенными трудностями. Форсунки для непосредственного впрыска бензина работают в более сложных условиях, чем те, что установлены во впускном трубопроводе. Головка блока, в которую должны устанавливаться такие форсунки, получается более сложной и дорогой. Время, отводимое на процесс смесеобразования при непосредственном впрыске, существенно уменьшается, а значит, для хорошего смесеобразования необходимо подавать бензин под большим давлением.
Со всеми этими трудностями удалось справиться специалистам компании Mitsubishi , которая впервые применила систему непосредственного впрыска бензина на автомобильных двигателях. Первый серийный автомобиль Mitsubishi Galant с двигателем 1,8 GDI (Gasoline Direct Injection - непосредственный впрыск бензина) появился в 1996 г.
Преимущества системы непосредственного впрыска заключаются в основном в улучшении топливной экономичности, а также и некоторого повышения мощности. Первое объясняется способностью двигателя с системой непосредственного впрыска работать на очень бедных смесях. Повышение мощности обусловлено в основном тем, что организация процесса подачи топлива в цилиндры двигателя позволяет повысить степень сжатия до 12,5 (в обычных двигателях, работающих на бензине, редко удается установить степень сжатия свыше 10 из-за наступления детонации).

Форсунка двигателя GDI может работать в двух режимах, обеспечивая мощный (а) или компактный (б) факел распыленного бензина

В двигателе GDI топливный насос обеспечивает давление 5 МПа. Электромагнитная форсунка, установленная в головке блока цилиндров, впрыскивает бензин непосредственно в цилиндр двигателя и может работать в двух режимах. В зависимости от подаваемого электрического сигнала она может впрыскивать топливо или мощным коническим факелом, или компактной струей.

Поршень двигателя с непосредственным впрыском бензина имеет специальную форму (процесс сгорания над поршнем)

Днище поршня имеет специальную форму в виде сферической выемки. Такая форма позволяет закрутить поступающий воздух, направить впрыскиваемое топливо к свече зажигания, установленной по центру камеры сгорания. Впускной трубопровод расположен не сбоку, а вертикально сверху. Он не имеет резких изгибов, и поэтому воздух поступает с высокой скоростью.

В работе двигателя с системой непосредственного впрыска можно выделить три различных режима:
1) режим работы на сверхбедных смесях;
2) режим работы на стехиометрической смеси;
3) режим резких ускорений с малых оборотов;
Первый режим используется в том случае, когда автомобиль движется без резких ускорений со скоростью порядка 100–120 км/ч. На этом режиме используется очень бедная горючая смесь с коэффициентом избытка воздуха более 2,7. В обычных условиях такая смесь не может воспламениться от искры, поэтому форсунка впрыскивает топливо компактным факелом в конце такта сжатия (как в дизеле). Сферическая выемка в поршне направляет струю топлива к электродам свечи зажигания, где высокая концентрация паров бензина обеспечивает возможность воспламенения смеси.
Второй режим используется при движении автомобиля с высокой скоростью и при резких ускорениях, когда необходимо получить высокую мощность. Такой режим движения требует стехиометрического состава смеси. Смесь такого состава легко воспламеняется, но у двигателя GDI повышена степень сжатия, и для того чтобы не наступала детонация, форсунка впрыскивает топливо мощным факелом. Мелко распыленное топливо заполняет цилиндр и, испаряясь, охлаждает поверхности цилиндра, снижая вероятность появления детонации.
Третий режим необходим для получения большого крутящего момента при резком нажатии педали «газа», когда двигатель работает на малых оборотах. Этот режим работы двигателя отличается тем, что в течение одного цикла форсунка срабатывает два раза. Во время такта впуска в цилиндр для его охлаждения мощным факелом впрыскивается сверхбедная смесь (α=4,1). В конце такта сжатия форсунка еще раз впрыскивает топливо, но компактным факелом. При этом смесь в цилиндре обогащается и детонация не наступает.
По сравнению с обычным двигателем с системой питания с распределенным впрыском бензина, двигатель с системой GDI примерно на 10 % экономичнее и выбрасывает в атмосферу на 20 % меньше углекислого газа. Повышение мощности двигателя доходит до 10 %. Однако, как показала эксплуатация автомобилей с двигателями такого типа, они очень чувствительны к содержанию серы в бензине. Оригинальный процесс непосредственного впрыска бензина разработала компания Orbital. В этом процессе в цилиндры двигателя впрыскивается бензин, заранее смешанный с воздухом с помощью специальной форсунки. Форсунка компании Orbital состоит из двух жиклеров, топливного и воздушного.

Работа форсунки Orbital

Воздух к воздушным жиклерам поступает в сжатом виде от специального компрессора при давлении 0,65 МПа. Давление топлива составляет 0,8 МПа. Сначала срабатывает топливный жиклер, а затем в нужный момент и воздушный, поэтому в цилиндр, мощным факелом впрыскивается топливно-воздушная смесь в виде аэрозоля.
Форсунка, установленная в головке цилиндра рядом со свечой зажигания, впрыскивает топливно-воздушную струю непосредственно на электроды свечи зажигания, что обеспечивает ее хорошее воспламенение.

Конструктивные особенности двигателя с непосредственным впрыском бензина Audi 2.0 FSI

Внутреннего сгорания (ДВС) основан на сгорании небольшого количества топлива в ограниченном объеме. При этом высвобождающаяся энергия преобразуется за счет движения поршней в механическую энергию. Дозированное количество топлива обеспечивается карбюратором или специальным устройством – инжектором. Двигатели с такими устройствами называются инжекторными. Рабочий принцип инжекторного двигателя прост – подача в нужный момент времени нужного количества топлива в нужное место.

Как работает ДВС

Чтобы ясно понимать различие между двумя типами силовых устройств, необходимо предварительно коснуться того, как вообще работает ДВС. Существует несколько отличающихся типов, из которых самыми распространенными будут:

бензиновые;
дизельные;
газодизельные;
газовые;
роторные.

Принцип работы мотора лучше всего можно понять на примере бензинового двигателя. Самый популярный из них – четырехтактный. Это означает, что весь цикл преобразования энергии, образующейся при сгорании топлива, в механическую осуществляется за четыре такта.
Устройство двигателя таково, что последовательность выполнения тактов следующая:

впуск – заполнение цилиндров топливом:
сжатие – подготовка топлива к сгоранию;
рабочий ход – преобразование энергии сгорания в механическую;
выпуск – удаление продуктов сгорания топлива.

Для обеспечения работы двигателя у каждого из них своя задача. Во время первого такта поршень опускается из верхнего положения до крайнего нижнего, открывается клапан (впускной) и цилиндр начинает заполняться топливно-воздушной смесью . Во втором такте клапана закрыты, а движение поршня происходит от нижнего положения к верхнему, смесь в цилиндре сжимается. Когда он доходит до верхнего положения, на свече проскакивает искра и поджигается смесь.

При ее сгорании образуется повышенное давление, которое заставляет двигаться поршень от верхнего положения к нижнему. После его достижения под действием инерции вращения коленвала поршень начинает двигаться опять вверх, при этом срабатывает выпускной клапан, продукты сгорания топлива выводятся наружу из цилиндра. Когда поршень дойдет до верхнего положения, закрывается выпускной, но зато открывается впускной клапан и весь цикл работы повторяется.

Все описанное выше можно увидеть на видео

О карбюраторе, его достоинствах и недостатках

Здесь необходимо сделать небольшое дополнение. Раз мы рассматриваем бензиновый мотор, то в нем подача бензина в цилиндры двигателя возможна различными способами. Исторически первой была разработана подача и дозировка бензина при помощи карбюратора. Это специальное устройство, которое обеспечивает необходимое количество топливно-воздушной смеси (ТВС) в цилиндрах.

Топливно-воздушной называется смесь воздуха и паров бензина. Она приготавливается в карбюраторе, специальном устройстве, для их смешивания в нужной пропорции, зависящей от режима работы двигателя. Будучи достаточно простым по своему устройству, карбюратор длительное время успешно работал с бензиновым мотором.
Однако по мере развития автомобиля выявились недостатки, с которыми в сложившихся к тому времени условиях уже было трудно мириться разработчикам двигателя. В первую очередь это касалось:

топливной экономичности. Карбюратор не обеспечивал экономного расходования бензина при внезапном изменении режима движения машины;
экологической безопасности. Содержание в отработанных газах токсичных веществ было достаточно высоким;
недостаточной мощности двигателя из-за несоответствия ТВС режиму движения автомобиля и его текущему состоянию.

Чтобы избавиться от отмеченных недостатков был реализован иной принцип подачи топлива в мотор – с помощью инжектора.

Про инжекторные моторы

У них есть еще одно название – впрысковые двигатели что, в общем-то, никоим образом не изменяет сути происходящих явлений. По выполняемой работе впрыск напоминает принцип, реализуемый в работе дизеля. В двигатель в нужный момент через форсунки инжектора впрыскивается строго дозированное количество топлива, и оно поджигается искрой со свечи, хотя при работе дизеля свеча не используется.

Весь цикл четырехтактного ДВС, рассмотренный ранее, остается неизменным. Основное отличие в том, что карбюратор готовит ТВС за пределами двигателя, и она потом поступает в цилиндры, а у инжекторного двигателя последних моделей бензин впрыскивается непосредственно в цилиндр.

Как это происходит, можно в деталях увидеть на видео

Подобное устройство мотора позволяет решить те проблемы, которые возникают при работе карбюратора. Использование инжектора обеспечивает по сравнению с карбюраторным вариантом следующие преимущества мотору:

повышение мощности на 7-10%;
улучшение показателей топливной экономичности;
снижение уровня токсичных веществ в составе выхлопных газов;
обеспечение оптимального количества топлива, зависящее от режима движения автомашины.

Это только основные достоинства, которые позволяет получить инжекторный двигатель. Однако у каждого достоинства есть и свои недостатки. Если карбюраторный мотор чисто механический и его можно отремонтировать практически в любых условиях, то для управления инжекторным требуется сложная электроника и целая система датчиков, из-за чего работы (регламентные и ремонтные) необходимо проводить в условиях сервисного центра.

Устройство впрыска

Если посмотреть, как выглядит устройство ДВС с впрыском вместо карбюратора, то можно выделить:

контроллер впрыска – электронное устройство, содержащее программу для работы всех составных узлов системы;
форсунки. Их может быть как несколько, так и одна, в зависимости от используемой системы впрыска;
датчик расхода воздуха, определяющий наполнение цилиндров в зависимости от такта. Сначала определяется общее потребление, а потом программно пересчитывается необходимое количество для каждого цилиндра;
датчик дроссельной заслонки (ее положения), устанавливающий текущее состояние движения и нагрузку на двигатель;
датчик температуры, контролирующий степень нагрева охлаждающей жидкости, по его данным корректируется работа двигателя и при необходимости начинается работа вентилятора обдува;
датчик фактического нахождения коленчатого вала обеспечивающий синхронизацию работы всех составных узлов системы;
датчик кислорода, определяющий его содержание в выхлопных газах;
датчик детонации контролирующий возникновение последней, для ее устранения по его сигналам меняется значение опережения зажигания.

Вот примерно так выглядит в общих чертах система, обеспечивающая впрыск топлива, принцип работы должен быть вполне понятен из ее состава и назначения отдельных элементов.

Виды впрысковых систем

Несмотря на достаточно простое описание работы инжекторного мотора, приведенное ранее, существует несколько разновидностей, осуществляющий подобный принцип работы.

Одноточечный впрыск

Это самый простой вариант реализации принципа впрыска. Он практически совместим с любым карбюраторным двигателем, разница заключается в применении впрыска вместо карбюратора. Если карбюратор во впускной коллектор подает ТВС, то при одноточечном впрыске во впускной коллектор впрыскивается через форсунку бензин.

Как и в случае с карбюраторным мотором, при такте впуск двигатель всасывает готовую топливно-воздушную смесь, и его работа практически не отличается от работы обычного двигателя. Преимуществом такого мотора будет лучшая экономичность.

Многоточечный впрыск

Представляет дальнейший этап совершенствования инжекторных моторов. Топливо по сигналам от контроллера подается к каждому цилиндру, но тоже во впускной коллектор, т.е. ТВС готовится вне цилиндра и уже в готовом виде поступает в цилиндр.
В таком варианте реализации принципа инжекторного двигателя возможно обеспечить многие из преимуществ, присущие впрысковому двигателю и отмеченные ранее.

Непосредственный впрыск

Является следующим этапом развития инжекторных двигателей. Впрыск топлива выполняется прямо в камеру сгорания, чем обеспечивается наилучшая эффективность работы ДВС. Итогом такого подхода является получение максимальной мощности, минимального расхода топлива и наилучших показателей экологической безопасности.

Инжекторный ДВС является следующим этапом в развитии бензинового мотора, значительно улучшающий его показатели. В моторах, использующих систему впрыска топлива, возрастает мощность, а также экономическая эффективность их работы, они отличаются значительно меньшим отрицательным влиянием на окружающую среду.