Сейчас одной из основных задач перед конструкторскими бюро автопроизводителей является создание силовых установок, потребляющими как можно меньше топлива и выбрасывающих в атмосферу сниженное количество вредных веществ. При этом всего этого необходимо добиться с условием того, что влияние на рабочие параметры (мощность, крутящий момент) будет минимальным. То есть, необходимо сделать мотор экономичным, и в то же время мощным и тяговитым.
Для достижения результата переделкам и доработкам подвергаются практически все узлы и системы силового агрегата. Особенно это касается системы питания, ведь именно она отвечает за поступление топлива в цилиндры. Последней разработкой в данном направлении считается непосредственный впрыск топлива в камеры сгорания силовой установки, функционирующего на бензине.
Суть этой системы сводится к раздельной подаче компонентов горючей смеси – бензина и воздуха в цилиндры. То есть принцип ее функционирования очень похож на работу дизельных установок, где смесеобразование выполняется в камерах сгорания. Но у бензинового агрегата, на котором установлена система непосредственного впрыска, имеется ряд особенностей процесса закачки составляющих топливной смеси, его смешивания и сгорания.
Немного истории
Прямой впрыск – идея не новая, в истории имеется ряд примеров, где такая система использовалась. Первое массовое использование такого типа питания мотора было в авиации в средине прошлого века. Использовать ее пытались и на автотранспорте, однако широкого распространения она не получила. Систему тех годов можно рассматривать как некий прототип, поскольку она была полностью механической.
«Вторую жизнь» система непосредственного впрыска получила в средине 90-х годов 20 века. Первыми свои авто с установками, имеющими прямой впрыск, оснастили японцы. Разработанный в Mitsubishi агрегат получил обозначение GDI, которое является аббревиатурой «Gasoline Direct Injection», что обозначается как непосредственный впрыск топлива. Чуть позже Toyota создала свой мотор – D4.
Прямой впрыск топлива
Со временем моторы, в которых используется прямой впрыск, появились и у других производителей:
- Концерн VAG – TSI, FSI, TFSI;
- Mercedes-Benz – CGI;
- Ford – EcoBoost;
- GM – EcoTech;
Непосредственный впрыск не является отдельным, совершенно новым типом, и относится он к инжекторным системам подачи топлива. Но в отличие от предшественников, топливо у него впрыскивается под давлением сразу в цилиндры, а не как раньше – во впускной коллектор, где бензин перемешивался с воздухом перед подачей в камеры сгорания.
Конструктивные особенности и принцип работы
Прямой впрыск бензина по принципу очень схож с дизелем. В конструкции такой системы питания имеется дополнительный насос, после которого бензин уже под давлением поступает на форсунки, установленные в ГБЦ с распылителями, находящимися в камере сгорания. В требуемый момент форсунка подает топливо в цилиндр, куда через впускной коллектор уже закачан воздух.
Конструкция данной системы питания включает:
- бак с установленным в нем топливоподкачивающим насосом;
- магистрали низкого давления;
- фильтрующие элементы очистки топлива;
- насос, создающий повышенное давление с установленным регулятором (ТНВД);
- магистрали высокого давления;
- рампа с форсунками;
- перепускной и предохранительный клапаны.
Схема топливной системы с непосредственный впрыском
Назначение части элементов, такие как бак с насосом и фильтра описаны в других статьях. Поэтому рассмотрим назначение ряда узлов, использующихся только в системе прямого впрыска.
Одним из основных элементов в данной системе является насос высокого давления. Он обеспечивает поступление топлива под значительным давлением в топливную рампу. Конструкция его у разных производителей отличается - одно или многоплунжерная. Привод же осуществляется от распределительных валов.
Также в систему включены клапана, которые предотвращают превышение давления топлива в системе выше критических значений. В целом же регулировка давления выполняется в нескольких местах – на выходе из насоса высокого давления регулятором, который входит в конструкцию ТНВД. Имеется перепускной клапан, контролирующий давление на входе в насос. Предохранительный же клапан следит за давлением в рампе.
Работает все так: топливоподкачивающий насос из бака по магистрали низкого давления подает бензин на ТНВД, при этом бензин проходит через фильтр тонкой очистки топлива, где удаляются крупные примеси.
Плунжерные пары насоса создают давление топлива, которое при разных режимах работы двигателя варьируется от 3 до 11 МПа. Уже под давлением топливо по магистралям высокого давления поступает в рампу, которая распределяется по его форсункам.
Работа форсунок контролируется электронным блоком управления. При этом он основывается на показаниях множества датчиков двигателя, после анализа данных, он производит управление форсунками – момента впрыска, количества топлива и способа распыла.
Если на ТНВД подается количество топлива больше необходимого, то срабатывает перепускной клапан, который часть топлива возвращает в бак. Также часть топлива сбрасывается в бак в случае превышения давления в рампе, но делается это уже предохранительным клапаном.
Прямой впрыск
Типы смесеобразования
Используя непосредственный впрыск топлива, инженерам удалось снизить расход бензина. И все достигнуто возможностью использования нескольких типов смесеобразования. То есть под определенные условия работы силовой установки подается свой тип смеси. Причем система контролирует и управляет не только подачей топлива, для обеспечения того или иного типа смесеобразования устанавливается еще и определенный режим подачи воздуха в цилиндры.
Всего же прямой впрыск способен обеспечить два основных типа смеси в цилиндрах:
- Послойная;
- Стехиометрическая гомогенная;
Это позволяет подобрать смесь, которая при определенной работе мотора, обеспечит наибольшее КПД.
Послойное смесеобразование позволяет двигателю функционировать на очень бедной смеси, в которой массовая часть воздуха больше топливной части в более чем 40 раз. То есть в цилиндры подается очень большое количество воздуха, а затем в нее добавляется немного топлива.
В нормальных условиях такая смесь от искры не загорается. Чтобы воспламенение произошло, конструкторы придали днищу поршня особую форму, обеспечивающую завихрение.
При таком смесеобразовании в камеру сгорания воздух, направленный заслонкой, поступает на большой скорости. В конце такта сжатия форсунка впрыскивает топливо, которое достигая днища поршня, за счет завихрения поднимается вверх к свече зажигания. В результате в зоне электродов смесь является обогащенной и легковоспламенимой, в то время как вокруг этой смеси находится воздух практически без частиц топлива. Поэтому такое смесеобразование и получило название послойного – внутри имеется слой с обогащенной смесью, поверх которого находится еще один слой, практически без топлива.
Данное смесеобразование обеспечивает минимальное потребление бензина, но и приготавливает такую смесь система лишь при равномерном движении, без резких ускорений.
Стехиометрическое смесеобразование – это изготовление топливной смеси в оптимальных пропорциях (14,7 части воздуха на 1 часть бензина), что обеспечивает максимальный выход мощности. Такая смесь уже воспламеняется легко, поэтому надобности в создании обогащенного слоя возле свечи не требуется, наоборот, для эффективного сгорания необходимо, чтобы бензин равномерно распределился в воздухе.
Поэтому топливо впрыскивается форсунками на также сжатия, и до воспламенения оно успевает хорошо перемещаться с воздухом.
Такое смесеобразование обеспечивается в цилиндрах во время ускорений, когда необходим максимальный выход мощности, а не экономичность.
Конструкторам пришлось также решать вопрос с переходом двигателя с бедной смеси на обогащенную во время резких ускорений. Чтобы не произошло детонационного сгорания, во время перехода используется двойной впрыск.
Первая закачка топлива выполняется на такте впуска, при этом топливо выступает в качестве охладителя стенок камеры сгорания, что исключает детонацию. Вторая порция бензина подается уже на конце такта сжатия.
Система непосредственного впрыска топлива благодаря применению сразу нескольких типов смесеобразования, позволяет неплохо экономить топливо без особого влияния на мощностные показатели.
Во время ускорений двигатель работает на обычной смеси, а после набора скорости, когда режим движения размеренный и без резких перепадов, силовая установка переходит на очень обедненную смесь, тем самым экономя топливо.
В этом и кроется основное достоинство такой системы питания. Но есть у нее и немаловажный недостаток. В топливном насосе высокого давления, а также в форсунках используются прецизионные пары с высокой степенью обработки. Именно они и являются слабым местом, поскольку эти пары очень чувствительны к качеству бензина. Наличие сторонних примесей, серы и воды способно вывести ТНВД и форсунки из строя. Дополнительно, бензин обладает очень слабыми смазывающими свойствами. Поэтому износ прецизионных пар выше, чем у того же дизельного мотора.
К тому же сама система непосредственной подачи топлива конструктивно более сложная и дорогостоящая, чем та же система раздельного впрыска.
Новые разработки
Конструкторы же на достигнутом не останавливаются. Своеобразную доработку прямого впрыска сделали в концерне VAG в силовом агрегате TFSI. У него систему питания объединили с турбокомпрессором.
Интересное решение предложила компания Orbital. Они разработали особую форсунку, которая помимо топлива впрыскивает в цилиндры еще и сжатый воздух, подающийся от дополнительного компрессора. Такая топливовоздушная смесь обладает отличной воспламеняемостью и хорошо сгорает. Но это пока только разработка и найдет ли она применение на авто, пока неизвестно.
В целом же, непосредственный впрыск сейчас является самой лучшей системой питания в плане экономичности и экологичности, хоть и имеются у нее свои недостатки.
ВПРЫСК, который также иногда называют центральным, стал широко применяться на легковых автомобилях в 80-х годах прошлого века. Подобная система питания получила свое название из-за того, что топливо подавалось во впускной коллектор лишь в одной точке.
Многие системы того времени были чисто механическими, электронного управления у них не было. Частенько основой для такой системы питания был обычный карбюратор, из которого просто удаляли все “лишние” элементы и устанавливали в районе его диффузора одну или две форсунки (поэтому центральный впрыск стоил относительно недорого). К примеру, так была устроена система TBI (“Throttle Body Injection”) компании “General Motors”.
Но, несмотря на свою кажущуюся простоту, центральный впрыск обладает очень важным преимуществом по сравнению с карбюратором - он точнее дозирует горючую смесь на всех режимах работы двигателя. Это позволяет избежать провалов в работе мотора, а также увеличивает его мощность и экономичность.
Со временем появление электронных блоков управления позволило сделать центральный впрыск компактнее и надежнее. Его стало легче адаптировать к работе на различных двигателях.
Однако от карбюраторов одноточечный впрыск унаследовал и целый ряд недостатков. К примеру, высокое сопротивление поступающему во впускной коллектор воздуху и плохое распределение топливной смеси по отдельным цилиндрам. Как результат - двигатель с такой системой питания обладает не очень высокими показателями. Поэтому сегодня центральный впрыск практически не встречается.
Кстати, концерн “General Motors” также разработал интересную разновидность центрального впрыска - CPI (“Central Port Injection”). В такой системе одна форсунка распыляла топливо в специальные трубки, которые были выведены во впускной коллектор каждого цилиндра. Это был своего рода прообраз распределенного впрыска. Однако из-за невысокой надежности от использования CPI быстро отказались.
Распределенный
ИЛИ МНОГОТОЧЕЧНЫЙ впрыск топлива - сегодня самая распро¬страненная система питания двигателей на современных автомобилях. От предыдуще¬го типа она отличается прежде всего тем, что во впускном коллекторе каждого цилиндра стоит индивидуальная форсунка. В определенные моменты времени она впрыскивает необходимую порцию бензина прямо на впускные клапаны “своего” цилиндра.
Многоточечный впрыск бывает параллельным и последовательным. В первом случае в определенный момент времени срабатывают все форсунки, топливо перемешивается с воздухом, и получившаяся смесь ждет открытия впускных клапанов, чтобы попасть в цилиндр. Во втором случае период работы каждого инжектора рассчитывается индивидуально, чтобы бензин подавался за строго определенное время перед открытием клапана. Эффективность такого впрыска выше, поэтому большее распространение получили именно последовательные системы, несмотря на более сложную и дорогую электронную “начинку”. Хотя иногда встречаются и более дешевые комбинированные схемы (форсунки в этом случае срабатывают попарно).
Поначалу системы распределенного впрыска тоже управлялись механически. Но со временем электроника и здесь одержала верх. Ведь, получая и обрабатывая сигналы от множества датчиков, блок управления не только командует исполнительными механизмами, но и может сигнализировать водителю о неисправности. Причем даже в случае поломки электроника переходит на аварийный режим работы, позволяя автомобилю самостоятельно добраться до сервисной станции.
Распределенный впрыск обладает целым рядом достоинств. Помимо приготовления горючей смеси правильного состава для каждого режима работы двигателя такая система вдобавок точнее распределяет ее по цилиндрам и создает минимальное сопротивление проходящему по впускному коллектору воздуху. Это позволяет улучшить многие показатели мотора: мощность, экономичность, экологичность и т.д. Из недостатков многоточечного впрыска можно назвать, пожалуй, лишь только довольно высокую стоимость.
Непосредственный..
“Goliath GP700” стал первым серийным автомобилем, двигатель которого получил впрыск топлива.
ВПРЫСК (его еще иногда называют прямым) отличается от предыдущих типов систем питания тем, что в данном случае форсунки подают топливо прямо в цилиндры (минуя впус¬кной коллектор), как у дизельного двигателя.
В принципе такая схема системы питания не нова. Еще в первой половине прошлого века ее использовали на авиационных двигателях (например на советском истребителе “Ла-7”). На легковых машинах прямой впрыск появился чуть позже - в 50-х годах ХХ века сначала на автомобиле “Goliath GP700”, а затем на знаменитом “Mercedes-Benz 300SL”. Однако через некоторое время автопроизводители практически отказались от применения непосредственного впрыска, он остался лишь на гоночных автомобилях.
Дело в том, что головка блока цилиндров у двигателя с прямым впрыском получалась очень сложной и дорогой в производстве. Кроме того, конструкторам долгое время не удавалось добиться стабильной работы системы. Ведь для эффективного смесеобразования при прямом впрыске необходимо, чтобы топливо хорошо распылялось. То есть подавалось в цилиндры под большим давлением. А для этого требовались специальные насосы, способные его обеспечить.. В итоге на первых порах двигатели с такой системой питания получались дорогими и неэкономичными.
Однако с развитием технологий все эти проблемы удалось решить, и многие автопроизводители вернулись к давно забытой схеме. Первой была компания “Mitsubishi”, в 1996 году установившая двигатель с непосредственным впрыском топлива (фирменное обозначение - GDI) на модель “Galant”, затем подобные решения стали использовать и другие компании. В частности, “Volkswagen” и “Audi” (система FSI), “Peugeot-Citroёn” (HPA), “Alfa Romeo” (JTS) и другие.
Почему же такая система питания вдруг заинтересовала ведущих автопроизводителей? Все очень просто - моторы с прямым впрыском способны работать на очень бедной рабочей смеси (с малым количеством топлива и большим - воздуха), поэтому они отличаются хорошей экономичностью. Вдобавок подача бензина непосредственно в цилиндры позволяет поднять степень сжатия двигателя, а следовательно и его мощность.
Система питания с прямым впрыском может работать в разных режимах. Например, при равномерном движении автомобиля со скоростью 90-120 км/ч электроника подает в цилиндры очень мало топлива. В принципе такую сверхбедную рабочую смесь очень трудно поджечь. Поэтому в моторах с прямым впрыском используются поршни со специальной выемкой. Она направляет основную часть топлива ближе к свече зажигания, где условия для воспламенения смеси лучше.
При движении с высокой скоростью или при резких ускорениях в цилиндры подается значительно больше топлива. Соответственно из-за сильного нагрева частей двигателя возрастает риск возникновения детонации. Чтобы избежать этого, форсунка впрыскивает в цилиндр топливо широким факелом, ко¬торый заполняет весь объем камеры сгорания и охлаждает ее.
Если же водителю требуется резкое ускорение, то форсунка срабатывает два раза. Сначала в начале такта впуска распыляется небольшое количество топлива для охлаждения цилиндра, а затем в конце такта сжатия впрыскивается основной заряд бензина.
Но, несмотря на все свои преимущества, двигатели с непосредственным впрыском пока еще недостаточно распространены. Причина - высокая стоимость и требовательность к качеству топлива. Кроме того, мотор с такой системой питания работает громче обычного и сильнее вибрирует, поэтому конструкторам приходится дополнительно усиливать некоторые детали двигателя и улучшать шумоизоляцию моторного отсека.
Все современные двигатели полностью переведены со старой и изжившей себя карбюраторной системы питания на впрыск топлива в двигатель за счет инжектора. Сразу же после такой перемены в автожизни возникли противоречия применения различных инжекторных систем впрыска. Так, до сих пор между автопроизводителями ведутся споры, какая из них лучше, потому как каждая имеет свои как достоинства, так и недостатки.
Рассмотрим самые известные и повсеместно используемые системы впрыска топлива
Центральный впрыск топлива
Являясь альтернативой карбюраторной системе, впервые центральный впрыск стал применяться в 80 года XX века. Правда особой разницы между ней и карбюратором не отмечено. Здесь также имеется смешивание воздуха с топливом внутри впускного коллектора. Разница лишь в том, что на смену чувствительному и довольно сложному карбюратору пришла форсунка. Электроники здесь, конечно же, нет — все осуществляется посредством механики.
Но все же одноточечный впрыск позволял работать двигателю более мощно и, что более важно, менее затратно финансово.
Происходило это, потому что форсунка обеспечивала более точную и экономичную дозировку объема топлива. После чего возникала однородная смесь, которая могла менять свой состав мгновенно при различных условиях движения и режимах работы мотора.
Недостатки центрального впрыска
Однако, у этой системы были и свои весомые минусы. Так, например, отмечалось высокое сопротивление воздуха, который поступал в цилиндры. Потому как форсунку очень часто монтировали в корпус карбюратора, да и датчики тех времен были довольно громоздки, что затрудняло «дыхание» двигателя. В теории, такой «минус» можно было бы легко исправить — это да, но в реальной жизни тех лет устранение неравномерного поступления топливной смеси в цилиндры — было весьма проблематичной задачей. Смеси нужно было преодолеть длинный путь по трубопроводам, которые конструировались самой разнообразной длины и с разным сопротивлением. Все это привело к тому, что на данный момент центральный впрыск практически не используется. Слишком уж сложно было доработать центральную систему, легче начать заново и придумать что-нибудь новенькое.
Многоточечный или распределительный впрыск
Его основным отличием от предыдущей системы является наличие индивидуальной форсунки для каждого цилиндра во впускном патрубке. Смесь получается однородной по составу для всех цилиндров. Вначале она была исключительно механической, но эту систем постоянно совершенствовали.
Итак, в 90 годах XX века стали широко внедрять электронику. Это позволило усовершенствовать и систему питания двигателя, кроме того возникал возможность координации ее действий с остальными частями двигателя.
Потому-то современный автомобиль способен не просто сигнализировать водителю, что имеются неисправности, но и включить при необходимости аварийный режим.
В систему многоточечного впрыска были внедрены и дополнительные датчики, которые позволили переводить впрыск с параллельной на последовательную подачу топлива в двигатель. Такая схема позволила обеспечить индивидуальный расчет времени для каждого цилиндра, для того, чтобы топливо подавалось исключительно в нормированный промежуток перед тем, как откроется клапан. Несомненно, что плюсов такой схемы намного больше, она эффективнее и точнее, но и стоит намного дороже.
Прямой впрыск
При такой системе бензин попадает через форсунки непосредственно в цилиндры мотора. отмечено, что сначала такая система применялась только в авиационных моторах еще во времена Второй мировой войны. Первым автомобилем с прямым впрыском был Goliath GP700. Но в послевоенный период такой вид системы впрыска топлива не был популярен в силу дороговизны топливных насосов и уникальной для данной системы головки блока цилиндров. Тогда инженерам не удалось найти оптимального баланса, точной работы и приемлемой надежности такой схемы.
Непосредственный впрыск
Рост экологических мировых проблем привел к тому, что в 90-е года прошлого столетия о прямом впрыске топлива вспомнили вновь. Первым применил эту схему концерн Mitsubishi, выпустив в 96 году серию моторов GDI, после них и другими автопроизводителями был перенят успешный опыт японцев — Mercedes-Benz, Volkswagen, BMW, FIAT, Peugeot-Citroen и прочие.
Объясняется это тем, что такая схема подачи топлива позволяет двигателю функционировать и на смесях с высоким содержанием воздуха, такие смеси называются обедненными, и не случайно, ведь чем меньше нужно топлива, тем выше экономичность.
Также бензин, подаваясь в цилиндры, обеспечивает повышение степени сжатия двигателя, что в свою очередь увеличивает его мощность и эффективность.
В заключении
Непосредственный впрыск, пожалуй, оптимальное решение в питании автомобиля топливом, если бы не некоторые «НО». Моторы с такой схемой довольно капризны к качеству октановой смеси , работа их отличается повышенной жесткостью и шумностью, что приводит к усилению шумоизоляции салона авто. Кроме того, работая на обедненные смеси, выделяется высокое количество оксидов азота, а борьба с ними ведется посредством усложнения конструкции мотора. Но как ни крути инжектор гораздо лучше карбюратора — и это только говоря простым языком.
Удачи и будьте аккуратны!
В статье использовано изображение с сайта www.motorpage.ru» Система впрыска топлива — схемы и принцип действия
Разные системы и типы впрыска топлива.
Топливный инжектор — это не что иное, как автоматический контролируемый клапан. Топливные форсунки являются частью механической системы, которая впрыскивает топливо в камеры сгорания через определенный интервал. Топливные инжекторы способны открываться и закрываться много раз в течение одной секунды. В последние годы, использованные ранее для доставки топлива карбюраторы, были практически заменены инжекторами.
- Дроссельно-заслонный инжектор.
Корпус дроссельной заслонки является самым простым типом впрыска. Как и карбюраторы, дроссельно-заслонный инжектор расположен на верхней части двигателя. Такие инжекторы очень сильно напоминают карбюраторы, кроме их работы. Как и карбюраторы, они не имеют миску топлива или жиклеры. В том виде форсунки передают его непосредственно в камеры сгорания.
- Система непрерывного впрыска.
Как и предполагает название, существует непрерывный поток топлива из форсунок. Вход его в цилиндры или трубки контролируется с помощью впускных клапанов. Существует непрерывный поток топлива при переменной ставке в непрерывной инъекции.
- Центральный порт впрыска (ИПЦ).
Эта схема использует особый тип арматуры, так называемые ‘тарелки клапанов’. Тарелками клапанов являются клапаны, используемые для управления входа и выброса топлива к цилиндру. Это распыляет горючее на каждый прием с помощью трубки, прикрепленной к центральному инжектору.
- Мульти-порт или многоточечный впрыск топлива — схема работы.
Один из более продвинутых схем впрыска топлива в наше время называется ‘многоточечный или мульти-порт впрыска’. Это динамический тип впрыска, в котором содержится отдельная форсунка для каждого цилиндра. В мульти-порт системе впрыска топлива все форсунки распыляют его одновременно без каких-либо задержек. Одновременный многоточечный впрыск — это одна из самых продвинутых механических настроек, которая позволяет горючему в цилиндре мгновенно воспламеняться. Следовательно, с многоточечным впрыском топлива водитель получит быстрый отклик.
Современные схемы впрыска топлива являются довольно сложными компьютеризированными механическими системами, которые сводятся не только к топливным форсункам. Весь процесс контролируется с помощью компьютера. И различные детали реагируют в соответствии с данными инструкциями. Существует ряд датчиков, которые адаптируется с помощью посыла важной информации компьютером. Существуют различные датчики, которые контролируют расход топлива, уровень кислорода и другие.
Хотя эта схема топливной системы более сложная, но работа ее разных частей очень уточненная. Она помогает контролировать уровень кислорода и расход топлива, что поможет избежать ненужного расхода горючего в двигателе. Топливная форсунка дает вашему авто потенциал для выполнения задач с высокой степенью точности.
Для разных топливных систем зачастую приходит необходимость для промывки специальным оборудованием .
Сущность схемы непосредственного впрыска в камеру сгорания
Для человека, который не обладает техническим складом ума, разобраться в данном вопросе – задача чрезвычайно сложная. Но все же знание отличий данной модификации двигателя от инжекторной или карбюраторной необходимо. Впервые двигатели с непосредственным впрыском применялись в модели Mercedes-Benz 1954 года выпуска, но большую популярность данная модификация приобрела благодаря компании Mitsubishi под названием Gasoline Direct Injection.
И с тех пор данная конструкция применяется многими известными брендами, такими как:
- Infinity,
- Ford,
- General Motors,
- Hyundai,
- Mercedes-Benz,
- Mazda.
При этом каждая из фирм использует свое название для рассматриваемой системы. Но принцип действия остается одним и тем же.
Росту популярности системы впрыска топлива способствуют показатели ее экономичности и экологичности, так как при ее использовании значительно сокращается выброс вредных веществ в атмосферу.
Основные особенности системы впрыска топлива
Основной принцип работы данной системы состоит в том, что топливо непосредственно впрыскивается в цилиндры двигателя. Для работы системы обычно необходимо наличие двух топливных насосов:
- первый располагается в баке с бензином,
- второй – на двигателе.
Причем второй является насосом высокого давления, иногда выдающим более 100 бар. Это необходимое условие работы, так как топливо поступает в цилиндр на такте сжатия. Высокое давление является основной причиной особого строения форсунок, которые выполняются в виде уплотнительных тефлоновых колец.
Данная топливная система, в отличие от системы с обычным впрыском, является системой с внутренним смесеобразованием с послойным или однородным образованием топливовоздушной массы. Способ смесеобразования изменяется с изменением нагрузки двигателя. Разберемся в работе двигателя при послойном и однородном образовании топливовоздушной смеси.
Работа при послойном образовании топливной смеси
Из-за особенностей строения коллектора (наличия заслонок, которые закрывают низы) перекрывается доступ к низу. На такте впуска воздух поступает в верхнюю часть цилиндра, после некоторого вращения коленчатого вала на такте сжатия происходит впрыск топлива, который и требует большого давления насоса. Далее полученная смесь сносится при помощи воздушного вихря на свечу. В момент подачи искры бензин уже будет хорошо перемешан с воздухом, что способствует качественному сгоранию. При этом воздушная прослойка создает своеобразную оболочку, которая снижает потери и повышает коэффициент полезного действия, тем самым уменьшая расход топлива.
Следует отметить, что работа при послойном впрыске топлива является наиболее перспективным направлением, так как в этом режиме можно достичь наиболее оптимального сгорания топлива.
Однородное образование топливной смеси
В данном случае происходящие процессы понять еще легче. Топливо и необходимый для сгорания воздух почти одновременно попадают в цилиндр двигателя на такте впуска. Еще до достижения поршнем верхней мертвой точки топливовоздушная смесь находится в смешанном состоянии. Образование высококачественной смеси происходит благодаря высокому давлению впрыска. Система переключается с одного режима работы на другой благодаря анализу поступающих данных. Это в результате и приводит к повышению экономичности двигателя.
Основные недостатки впрыска топлива
Все преимущества системы с непосредственным впрыском топлива достигаются только при использовании бензина, качество которого соответствует определенным критериям. В них и следует разобраться. Требования к октановому числу у системы больших особенностей не имеют. Хорошее охлаждение топливовоздушной смеси достигается и при использовании бензинов, имеющих октановые числа от 92 до 95.
Наиболее жесткие требования выдвигаются именно к очистке бензина, его составу, содержанию свинца, серы и грязи. Серы быть вообще не должно, так как ее наличие приведет к скорому износу топливной аппаратуры и выходу из строя электроники. К числу недостатков также следует отнести увеличение стоимости системы. Это вызвано усложнением конструкции, которое в свою очередь приводит к увеличению себестоимости компонентов.
Итоги
Анализируя вышеприведенную информацию, можно с уверенностью сказать, что система с непосредственным впрыском топлива в камеру сгорания является более перспективной и современной, чем впрыск с распределением. Она позволяет существенно повышать экономичность двигателя за счет высокого качества топливовоздушной смеси. Основным недостатком системы является наличие высоких требований к качеству бензина, большая стоимость ремонта и обслуживания. А при использовании бензина низкого качества потребность в более частом ремонте и обслуживании сильно возрастает.
Где находится клапан ЕГР — чистка или как заглушить EGR
Роторный дизель — конструкция двигателя
Тормозная система автомобиля — ремонт или замена
Дизель не заводится, неисправности и причины
Система охлаждения двигателя автомобиля, принцип действия, неисправности
Д.Соснин
Начинаем публикацию статей по современным системам впрыска топлива для бензиновых двигателей внутреннего сгорания легковых автомобилей.
1. Предварительные замечания
Топливное питание бензиновых двигателей на современных легковых автомобилях реализуется с применением систем впрыска. Эти системы по принципу действия принято подразделять на пять основных групп (рис. 1): K, Mono, L, M, D.
2. Преимущества систем впрыска
Топливовоздушная смесь (ТВ-смесь) подается от карбюратора к цилиндрам двигателя внутреннего сгорания (ДВС) по длинным трубам впускного коллектора. Длина этих труб к различным цилиндрам двигателя неодинакова, а в самом коллекторе имеет место неравномерность нагрева стенок, даже на полностью прогретом двигателе (рис. 2).
Это приводит к тому, что из однородной ТВ-смеси, созданной в карбюраторе, в разных цилиндрах ДВС образуются неодинаковые топливовоздушные заряды. Как следствие, двигатель не отдает расчетную мощность, теряется равномерность крутящего момента, расход топлива и количество вредных веществ в выхлопных газах увеличиваются.
Бороться с этим явлением в карбюраторных двигателях очень сложно. Следует также отметить, что современный карбюратор работает на принципе пульверизации, при которой распыление бензина происходит в струе всасываемого в цилиндры воздуха. При этом образуются достаточно крупные капли топлива (рис. 3, а),
Что не обеспечивает качественного перемешивания бензина и воздуха. Плохое перемешивание и крупные капли облегчают оседание бензина на стенках впускного коллектора и на стенках цилиндров во время всасывания ТВ-смеси. Но при принудительном распылении бензина под давлением через калиброванное сопло форсунки частицы топлива могут иметь значительно меньшие размеры по сравнению с распылением бензина при пульверизации (рис. 3, б). Особенно эффективно бензин распыляется узким пучком под высоким давлением (рис. 3, в).
Установлено, что при распылении бензина на частицы диаметром менее 15...20 мкм его перемешивание с кислородом воздуха происходит не как взвешивание частиц, а на молекулярном уровне. Это делает ТВ- смесь более устойчивой к воздействию перепадов температуры и давления в цилиндре и длинных трубах впускного коллектора, что способствует более полному ее сгоранию.
Так родилась идея заменить пульверизационные жиклеры механического инерционного карбюратора на центральную безынерционную форсунку впрыска (ЦФВ), открывающуюся на заданное время по электроимпульсному сигналу управления от блока электронной автоматики. При этом, помимо качественного распыления и эффективного перемешивания бензина с воздухом, легко получать более высокую точность их дозирования в ТВ-смеси на всех возможных режимах работы ДВС.
Таким образом, за счет применения системы топливного питания с впрыском бензина двигатели современных легковых автомобилей не имеют вышеуказанных недостатков, присущих карбюраторным двигателям, т.е. они более экономичны, обладают более высокой удельной мощностью, поддерживают постоянство крутящего момента в широком интервале частот вращения, а выброс вредных веществ в атмосферу с отработавшими газами минимален.
3. Система впрыска бензина "Mono-Jetronic"
Впервые система центрального одноточечного импульсного впрыска топлива для бензиновых двигателей легковых автомобилей была разработана фирмой BOSCH в 1975 году. Эта система получила название "Mono-Jetronic" (Monojet - одиночная струя) и была установлена на автомобиле "Volkswagen".На рис. 4 показан центральный впрыскивающий узел системы "Mono-Jetronic". Из рисунка видно, что центральная форсунка впрыска (ЦФВ) устанавливается на стандартном впускном коллекторе вместо обычного карбюратора.
Но в отличие от карбюратора, в котором автоматика смесеобразования реализуется механическим управлением, в моносистеме впрыска применяется чисто электронное управление.
На рис. 5 показана упрощенная функциональная схема системы "Mono-Jetronic".
Электронный блок управления (ЭБУ) работает от входных датчиков 1-7, которые фиксируют текущее состояние и режим работы двигателя. По совокупности сигналов от этих датчиков и с использованием информации из трехмерной характеристики впрыска в ЭБУ вычисляются начало и продолжительность открытого состояния центральной форсунки 15.
На основании расчетных данных в ЭБУ формируется электроимпульсный сигнал S управления для ЦФВ. Этот сигнал воздействует на обмотку 8 магнитного соленоида форсунки, запорный клапан 11 которой открывается, и через распылительное сопло 12 бензин принудительно под давлением 1,1 бар в топливоподающей магистрали 19 распыляется во впускной коллектор через открытую дроссельную заслонку 14.
При заданных размерах диафрагмы дроссельной заслонки и калиброванного сечения распылительного сопла массовое количество пропущенного в цилиндры воздуха определяется степенью открытия дроссельной заслонки, а массовое количество впрыснутого в воздушный поток бензина - продолжительностью открытого состояния форсунки и подпорным (рабочим) давлением в топливоподающей магистрали 19.
Для того чтобы бензин сгорал полностью и наиболее эффективно, массы бензина и воздуха в ТВ-смеси должны находиться в строго определенном соотношении, равном 1/14,7 (для высокооктановых сортов бензина). Такое соотношение называется стехиометрическим, и ему соответствует коэффициент а избытка воздуха, равный единице. Коэффициент а = Мд/М0, где М0 - количество массы воздуха, теоретически необходимой для полного сгорания данной порции бензина, а Мд- масса фактически выгоревшего воздуха.
Отсюда ясно, что в любой системе впрыска топлива обязательно должен иметься измеритель массы воздуха, впущенного в цилиндры двигателя при всасывании.
В системе "Mono-Jetronic" масса воздуха рассчитывается в ЭБУ по показаниям двух датчиков (см. рис. 4): температуры всасываемого воздуха (ДТВ) и положения дроссельной заслонки (ДПД). Пер вый расположен непосредственно на пути воздушного потока в верхней части центральной форсунки впрыска и представляет собой миниатюрный полупроводниковый термистор, а второй является резистивным потенциометром, движок которого насажен на поворотную ось (ПДЗ) дроссельной заслонки.
Так как конкретному угловому положению дроссельной заслонки соответствует строго определенное объемное количество пропущенного воздуха, то дроссельный потенциометр выполняет функцию расходомера воздуха. В системе "Mono-Jetronic" он является также датчиком нагрузки двигателя.
Но масса всасываемого воздуха в значительной степени зависит от температуры. Холодный воздух более плотный, а значит более тяжелый. По мере повышения температуры плотность воздуха и его масса уменьшаются. Влияние температуры учитывается датчиком ДТВ.
Датчик ДТВ температуры всасываемого воздуха, как полупровод никовый термистор с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления, изменяет величину резистивности от 10 до 2,5 кОм при изменении температуры от -30 до +20°С. Сигнал датчика ДТВ используется только в таком температурном диапазоне. При этом базовая продолжительность впрыска бензина корректируется с помощью ЭБУ в интервале 20...0%. Если температура всасываемого воздуха выше +20°С, то сигнал датчика ДТВ блокируется в ЭБУ и датчик не используется.
Сигналы от датчиков положения дроссельной заслонки (ДПД) и температуры всасываемого воздуха (ДТВ) в случаях их отказов дублируются в ЭБУ сигналами датчиков частоты вращения (ДОД) и температуры охлаждающей жидкости (ДТД) двигателя.
По рассчитанному в ЭБУ объему воздуха, а также по сигналу о частоте вращения двигателя, который поступает от датчика числа оборотов системы зажигания, определяется требуемая (базовая) продолжительность открытого состояния центральной форсунки впрыска.
Так как подпорное давление Рт в топливоподающей магистрали (ПБМ) постоянно (для "Mono-Jetronic" Рт = 1...1,1 бар), а пропускная способность форсунки задана суммарным сечением отверстий распылительного сопла, то время открытого состояния форсунки однозначно определяет количество впрыснутого бензина. Момент впрыска (на рис. 5 сигнал от датчика ДМВ) обычно задается одновременно с сигналом на воспламенение ТВ-смеси от системы зажигания (через 180° поворота коленвала ДВС).
Таким образом, при электронном управлении процессом смесеобразования обеспечение высокой точности дозировки впрыскиваемого бензина в измеренное количество массы воздуха является легко решаемой задачей и, в конечном счете, точность дозирования определяется не электронной автоматикой, а точностью изготовления и функцио нальной надежностью входных датчиков и форсунки впрыска.
На рис. 6 показана главная деталь системы "Mono-Jetronic" - центральная форсунка впрыска (ЦФВ).
Центральная форсунка впрыска представляет собой бензоклапан, который открывается электрическим импульсом, поступающим от электронного блока управления. Для этого в форсунке имеется электромагнитный соленоид 8 с подвижным магнитным керном 14. Основной проблемой при создании клапанов для импульсного впрыска является необходимость обеспечения высокой скорости срабатывания запорного устройства 9 клапана как на открывание, так и на закрытие. Решение проблемы достигается облегчением магнитного керна соленоида, увеличением тока в импульсном сигнале управления, подбором упругости возвратной пружины 13, а также формой притертых поверхностей для распылительного сопла 10.
Сопло форсунки (рис. 6, а) выполнено в виде раструба капиллярных канальцев, число которых обычно не менее шести. Углом при вершине раструба задается раскрыв струи впрыска, которая имеет форму воронки. При такой форме струя бензина не попадает на дроссельную заслонку даже при малом ее открытии, а пролетает в два тонких полумесяца открывшейся щели.
Центральная форсунка системы "Mono-Jetronic" надежно обеспечивает минимальную продолжительность открытого состояния распылитель ного сопла 11 в течение 1±0,1 мс. За такое время и при рабочем давлении в 1 бар через распылительное сопло площадью в 0,08 мм2 впрыскивается около одного миллиграмма бензина. Этому соответствует расход топлива 4 л/ч на минимальных холостых оборотах (600 об/мин) прогретого двигателя. При пуске и прогреве холодного двигателя форсунка открывается на более продолжительное время (до 5...7 мс). Но с другой стороны максимальная продолжительность впрыска на прогретом двигателе (время открытого состояния форсунки) ограничивается предельной частотой вращения коленвала ДВС (6500...7000 мин-1) в режиме полного дросселя и не может быть более 4 мс. При этом тактовая частота срабатывания запорного устройства форсунки на холостом ходу не менее 20 Гц, а при полной нагрузке - не более 200...230 Гц.
С особой тщательностью изготавливается датчик ДПД положения дроссельной заслонки (дроссельный потенциометр), показанный на рис. 7. Его чувствительность к повороту движка должна отвечать требованию ±0,5 угловых градусов поворота оси 13 дросселя. По строгому угловому положению оси дросселя определяются начала двух режимов работы двигателя: режима холостого хода (3±0,5°) и режима полной нагрузки (72,5±0,5°).
Для обеспечения высокой точности и надежности резистивные дорожки потенциометра, которых четыре, включены по схеме, показанной на рис. 7, б, а ось движка потенциометра (движок двухконтактный) посажена в безлюфтовый тефлоновый подшипник скольжения.
Потенциометр и ЭБУ соединены между собой четырехпроводным кабелем через контактный разъем. Для повышения надежности соединений контакты в разъеме и в фишке потенциометра позолочены. Контакты 1 и 5 предназначены для подачи опорного напряжения 5±0,01 В. Контакты 1 и 2 - для снятия сигнального напряжения при повороте дроссельной заслонки на угол от 0 до 24° (0...30 - режим холостого хода; 3...24° - режим малых нагрузок двигателя). Контакты 1 и 4 - для снятия сигнального напряжения при повороте дроссельной заслонки на угол от 18 до 90° (18...72,5° - режим средних нагрузок, 72,5...90° - режим полной нагрузки двигателя).
Сигнальное напряжение с дроссельного потенциометра дополнительно используется:
для обогащения ТВ-смеси при разгоне автомобиля (регистрируется быстрота изменения сигнала от потенциометра);
для обогащения ТВ-смеси в режиме полной нагрузки (регистрируется значение сигнала с потенциометра после 72,5° поворота дроссельной заслонки в сторону увеличения);
для прекращения впрыска топлива в режиме принудительного холостого хода (регистрируется сигнал потенциометра, если угол открытого состояния дроссельной заслонки менее 3°. Одновременно контролируется частота W вращения двигателя: если W>2100 мин-1, то подача топлива прекращается и восстанавливается вновь при W
Интересной особенностью системы впрыска "Mono-Jetronic" является наличие в ее составе подсистемы стабилизации оборотов холостого хода с помощью электросервопривода, который воздействует на ось дроссельной заслонки (рис. 8). Электросервопривод снабжен реверсным электродвигателем 11 постоянного тока.
Сервопривод включается в работу в режиме холостого хода и совместно со схемой отключения вакуумного регулятора угла опережения зажигания (стабилизации холостого хода - рис. 2) обеспечивает стабилизацию частоты вращения двигателя в этом режиме.
Такая подсистема стабилизации холостого хода работает следующим образом.
Когда угол открытого состояния дроссельной заслонки менее 3°, сигнал К (см. рис. 9)
Является для ЭБУ сигналом режима холостого хода (замыкается концевой выключатель ВК штоком сервопривода). По этому сигналу запорный пневмоклапан ЗПК срабатывает и канал разрежения от задроссельной зоны впускного коллектора к вакуумному регулятору ВР перекрывается. Вакуумный регулятор с этого момента не работает и угол опережения зажигания становится равным значению установочного угла (6° до ВМТ). При этом двигатель на холостых оборотах работает устойчиво. Если в это время включается кондиционер или другой мощный потребитель энергии двигателя (например, фары дальнего света опосредствованно через генератор), то его обороты начинают падать. Двигатель может заглохнуть. Чтобы этого не происходило, по команде от электронной схемы управления холостым ходом (ЭСХХ) в контроллере включается электросервопривод, который несколько приоткрывает дроссельную заслонку. Обороты увеличиваются до номинального значения для данной температуры двигателя. Ясно, что при снятии нагрузки с двигателя его обороты уменьшаются до нормы тем же электросервоприводом.
В ЭБУ системы "Mono-Jetronic" имеется микропроцессор МКП (см. рис. 5) с постоянной и оперативной памятью (блок ЗУ). В постоянную память "зашита" эталонная трехмерная характеристика впрыска (ТХВ). Эта характеристика в какой-то мере подобна трехмерной характеристике зажигания, но отличается тем, что ее выходным параметром является не угол опережения зажигания, а время (продолжительность) открытого состояния центральной форсунки впрыска. Входными координатами характеристики ТХВ являются частота вращения двигателя (сигнал поступает от контроллера системы зажигания) и объем всасываемого воздуха (рассчитывается микропроцессором в ЭБУ впрыска). Эталонная характеристика ТХВ несет в себе опорную (базовую) информацию о стехиометрическом соотношении бензина и воздуха в ТВ-смеси при всех возможных режимах и условиях работы двигателя. Эта информация выбирается из памяти ЗУ в мик ропроцессор ЭБУ по входным координатам характеристики ТХВ (по сигналам датчиков ДОД, ДПД, ДТВ) и корректируется по сигналам от датчика температуры охлаждающей жидкости (ДТД) и кислородного датчика (КД).
О кислородном датчике надо сказать отдельно. Наличие его в системе впрыска позволяет удерживать состав ТВ-смеси постоянно в стехиометрическом соотношении (а=1). Это достигается тем, что датчик КД работает в цепи глубокой адаптивной обратной связи от системы выпуска отработавших газов к системе топливного питания (к системе впрыска).
Он реагирует на разность концентрации кислорода в атмосфере и в выхлопных газах. По сути дела датчик КД является химическим источником тока первого рода (гальваническим элементом) с твердым электролитом (специальная сотовая металлокерамика) и с высокой (не ниже 300°С) рабочей температурой. ЭДС такого датчика почти по ступенчатому закону зависит от разности концентрации кислорода на его элект родах (платино-радиевое пленочное покрытие с разных сторон пористой керамики). Наибольшая крутизна (перепад) ступеньки ЭДС приходится на значение а=1.
Датчик КД вворачивается в трубу выпускного канала (например, в выхлопной коллектор) и его чувствительная поверхность (положительный электрод) оказывается в потоке выхлопных газов. Над крепежной резьбой датчика имеются щели, через которые наружный отрицательный электрод сообщается с атмосферным воздухом. На автомобилях с каталитическим газонейтрализатором кислородный датчик устанавливается перед нейтрализатором и имеет спираль электроподогрева, так как температура выпускных газов перед нейтрализатором может быть ниже 300°С. Кроме того, электроподогрев кислородного датчика ускоряет его подготовку к работе.
Сигнальными проводами датчик соединен с ЭБУ впрыска. Когда в цилинд ры поступает бедная смесь (а>1), то концентрация кислорода в выхлопных газах чуть выше штатной (при а=1). Датчик КД выдает низкое напряжение (около 0,1 В) и ЭБУ по этому сигналу корректирует время продолжительности впрыска бензина в сторону его увеличения. Коэффициент а снова приближается к единице. При работе двигателя на богатой смеси кислородный датчик выдает напряжение около 0,9 В и работает в обратном порядке.
Интересно отметить, что кислородный датчик участвует в процессе смесеобразования только на режимах работы двигателя, при которых обогащение ТВ-смеси ограничено значением а>0,9. Это такие режимы как нагрузка на низких и средних оборотах и холостой ход на прогретом двигателе. В противном случае датчик КД отключается (блокируется) в ЭБУ и коррекция состава ТВ-смеси по концентрации кислорода в отработавших газах не осуществляется. Это имеет место, например, в режимах пуска и прогрева холодного двигателя и на его форсированных режимах (разгона и полной нагрузки). В этих режимах требуется значительное обогащение ТВ-смеси и поэтому срабатывание кислородного датчика ("прижимающего" коэффициент а к единице) здесь недопустимо.
На рис. 10 приведена функциональная схема системы впрыска "Mono-Jetronic" со всеми составными ее компонентами.
Любая система впрыска в своей топливоподающей подсистеме обязательно содержит замкнутое топ ливное кольцо, которое начинается от бензобака и заканчивается там же. Сюда входят: бензобак ББ, электробензонасос ЭБН, фильтр тонкой очистки топлива ФТОТ, распределитель топлива РТ (в системе "Mono-Jetronic" - это центральная форсунка впрыска) и регулятор давления РД, работающий по принципу стравливающего клапана при превышении заданного рабочего давления в замкнутом кольце (для системы "Mono-Jetronic" 1...1,1 бар).
Замкнутое топливное кольцо выполняет три функции:
С помощью регулятора давления поддерживает требуемое постоянное рабочее давление для распределителя топлива;
С помощью подпружиненной диафрагмы в регуляторе давления сохраняет некоторое остаточное давление (0,5 бар) после выключения двигателя, благодаря чему не допускается образование паровых и воздушных пробок в топливных магистралях при остывании двигателя;
Обеспечивает охлаждение системы впрыска за счет постоянной циркуляции бензина по замкнутому контуру.
В заключение следует отметить, что система "Mono-Jetronic" используется только на легковых автомобилях среднего потребительского класса, например таких как западно-германские автомобили: "Volkswagen-Passat", "Volkswagen-Polo", "Audi-80".
РЕМОНТ&СЕРВИС-2"2000
