Cистема впрыска топлива — из чего она состоит?

Одной из важнейших рабочих систем практически любого автомобиля, является система впрыска топлива, ведь именно благодаря ей определяется объем топлива необходимый двигателю в конкретный момент времени. Сегодня мы рассмотрим принцип действия данной системы на примере некоторых ее видов, а также ознакомимся из существующими датчиками и исполнительными механизмами.

1. Особенности работы системы впрыска топлива

На выпускаемых сегодня двигателях, уже давно не применяется карбюраторная система, которая оказалась полностью вытесненной более новой и усовершенствованной системой впрыска топлива. Впрыском топлива принято называть систему дозированной подачи топливной жидкости в цилиндры мотора транспортного средства. Она может устанавливаться как на бензиновых, так и на дизельных двигателях, однако, понятно, что конструкция и принцип работы будут разные. При использовании на бензиновых двигателях, при впрыске, появляется однородная топливовоздушная смесь, которая принудительно воспламеняется под воздействием искры свечи зажигания.

Что касается дизельного типа двигателя, то здесь впрыск топлива осуществляется под очень высоким давлением, при чем, необходимая порция топлива смешивается с горячим воздухом и практически сразу воспламеняется. Величина порции впрыскиваемого топлива, а заодно и общая мощность двигателя, определяется давлением впрыска. Следовательно, чем больше давление, тем вышей становится мощность силового агрегата.

На сегодняшний день, существует довольно весомое количество видового разнообразия этой системы, а к основным видам относят: систему с непосредственным впрыском, с моно впрыском, механическую и распределенную система.

Принцип работы системы прямого (непосредственного) впрыска топлива заключается в том, что топливная жидкость, с помощью форсунок, подается прямо в цилиндры двигателя (например, как у дизельного мотора). Впервые такая схема использовалась в военной авиации времен Второй Мировой и на некоторых автомобилях послевоенного периода (первым был Goliath GP700). Однако, система прямого впрыска того времени, не смогла завоевать должной популярности, причиной чего стали требуемые для работы дорогие топливные насосы высокого давления и оригинальная головка блока цилиндров.

В итоге, инженерам так и не удалось добиться от системы рабочей точности и надежности. Лишь в начале 90-годов ХХ века, из-за ужесточения экологических норм, интерес к непосредственному впрыску опять начал возрастать. В числе первых компаний, запустивших производство таких двигателей, были Mitsubishi, Mercedes-Benz, Peugeot-Citroen, Volkswagen, BMW.

В целом, прямой впрыск можно было бы назвать пиком эволюции систем питания, если бы не одно но…Такие двигатели очень требовательны в плане качества топлива, а при использовании обедненных смесей, еще и сильно выделяют оксид азота, с чем приходится бороться путем усложнения конструкции мотора.

Одноточечный впрыск (еще называют «моновпрыском» или «центральным впрыском») — представляет из себя систему, которая в 80-х годах ХХ века начала применятся как альтернатива карбюратору, тем более что принципы их работы очень схожи: потоки воздуха смешиваются с топливной жидкостью во впускном коллекторе, вот только на смену сложному и чувствительному к настройкам карбюратору, пришла форсунка. Конечно, на начальной стадии развития системы, никакой электроники вообще не было, а подачей бензина управляли механические устройства. Однако, не смотря на некоторые недостатки, использование впрыска все равно обеспечивало двигателю куда более высокие показатели мощности и значительно большую топливную экономичность.

А все благодаря той же форсунке, которая позволила намного точнее дозировать топливную жидкость, распыляя ее на мелкие частицы. В результате смеси с воздухом, получалась однородная смесь, а при изменении условий движения автомобиля и режима работы мотора, практически мгновенно менялся и ее состав. Правда, без минусов тоже не обошлось. К примеру, так как, в большинстве случаев, форсунка устанавливалась в корпус бывшего карбюратора, а громоздкие датчики утрудняли «дыхание мотора», поступающий в цилиндр поток воздуха встречал серьезное сопротивление. С теоретической стороны, такой недостаток мог быть легко устранен, но вот с имеющимся плохим распределением топливной смеси, никто и ничего тогда сделать не смог. Наверное, поэтому, и в наше время, одноточечный впрыск так редко встречается.

Механическая система впрыска появилась еще в конце 30-х годов ХХ века, когда начала использоваться в системах топливного питания самолетов.

Она была представлена в виде системы впрыска бензина дизельного происхождения, используя для этого топливные насосы высокого давления и закрытые форсунки каждого отдельного цилиндра. Когда же их попытались установить на автомобиль, то оказалось, что они не выдерживают конкуренцию карбюраторных механизмов, а виной тому существенная сложность и высокая стоимость конструкции.

Впервые, система впрыска низкого давления была установлена на автомобиле компании MERSEDES в 1949 году и по эксплуатационным характеристикам сразу же превзошла топливную систему карбюраторного типа. Данный факт дал толчок дальнейшим разработкам идеи впрыска бензина для автомобилей, оборудованных двигателем внутреннего сгорания. С точки зрения ценовой политики и надежности в эксплуатации, наиболее удачной в этом плане, получилась механическая система «K-Jetronic» компании BOSCH. Ее серийной производство было налажено еще в 1951 году и она, практически сразу, получила широкое распространение почти на всех марках европейских автомобильных производителей.

Многоточечный (распределенный) вариант системы впрыска топлива, отличается от предыдущих наличием индивидуальной форсунки, которая устанавливалась во впускном патрубке каждого отдельного цилиндра. Ее задача – подавать топливо непосредственно на впускной клапан, что означает приготовление топливной смеси прямо перед подачей в камеру сгорания. Естественно, что в таких условиях, она будет иметь однородный состав и примерно одинаковое качество в каждом из цилиндров. Как результат, значительно повышается мощность мотора, его топливная экономичность, а также снижается уровень токсичности выхлопных газов.

На пути развития системы распределенного впрыска топлива иногда встречались определенные сложности, однако, она все равно продолжала совершенствоваться. На начальном этапе, она также, как предыдущий вариант, управлялась механическим путем, однако, стремительное развитие электроники, не только сделало ее более эффективной, но и дало шанс скоординировать действия с остальными компонентами конструкции мотора. Вот и получилось, что современный двигатель способен просигнализировать водителю о неисправности, в случае необходимости самостоятельно переключится на аварийный рабочий режим или заручившись поддержкой систем безопасности, исправить отдельные ошибки в управлении. Но все это, система выполняет с помощью определенных датчиков, которые призваны фиксировать малейшие изменения в деятельности той или иной ее части. Рассмотрим основные из них.

2. Датчики системы впрыска топлива

Датчики системы впрыска топлива предназначены для фиксации и передачи информации от исполнительных устройств к блоку управления работой двигателя и обратно. К ним относят следующие устройства:

Датчик кислорода. Его чувствительный элемент размещен в потоке выхлопных (отработанных) газов, а когда рабочая температура достигает значения 360 градусов по Цельсию, датчик начинает вырабатывать собственную ЭДС, которая прямо пропорциональна количеству кислорода в отработанных газах. С практической точки зрения, когда петля обратной связи замкнута, сигнал датчика кислорода являет собой быстро меняющееся напряжение, находящееся между 50 и 900 милливольтами. Возможность смены напряжения вызвана постоянным изменением состава смеси рядом с точкой стехиометрии, а сам датчик не приспособлен для генерации переменного напряжения.

В зависимости от подачи питания выделяют два вида датчиков: с импульсным и постоянным питанием нагревательного элемента. При импульсном варианте, подогрев датчика кислорода осуществляет электронный блок управления.

Если же его не прогреть, то он будет иметь высокое внутреннее сопротивление, что не позволит вырабатывать собственную ЭДС, а значит блок управления будет «видеть» только указанное стабильное опорное напряжение. В ходе прогрева датчика, происходит уменьшение его внутреннего сопротивления и начинается процесс генерации собственного напряжения, что сразу становится известным ЭБУ. Для блока управления это есть сигналом готовности к применению в целях регулировки состава смеси.

Датчик массового расхода воздуха используется для получения оценки количества воздуха, который поступает в двигатель машины. Он – часть электронной системы управления работой двигателя. Данное устройство может применятся вместе с некоторыми другими датчиками, такими как датчик температуры воздуха и датчик атмосферного давления, которые выполняют корректировку его показаний.

В состав датчика расхода воздухавходят две платиновые нити, нагреваемые электротоком. Одна нить пропускает через себя воздух (охлаждаясь таким способом), а вторая является контрольным элементом. С помощью первой платиновой нити, вычисляется количество воздуха попавшего в двигатель.

Основываясь на информации получаемой от датчика расхода воздуха, ЭБУ рассчитывает требуемый объем топлива, необходимый для поддержания стехиометрического соотношения воздуха и топлива в заданных рабочих режимах двигателя. Кроме того, электронный блок использует полученную информацию для определения режимной точки мотора. На сегодняшний день существует несколько различных видов датчиков, отвечающих за массовый расход воздуха: например, ультразвуковые, флюгерные (механические), термоанемометрические и т.д.

Датчик температуры охлаждающей жидкости (ДТОЖ). Имеет вид термистора, тоесть резистора, в котором электрическое сопротивление может изменяться в зависимости от температурных показателей. Термистор располагается внутри датчика и выражает отрицательный коэффициент сопротивления температурных показателей (с нагреванием сила сопротивления уменьшается).

Соответственно, при высокой температуре охлаждающей жидкости – наблюдается низкое сопротивление датчика (примерно 70 Ом при 130 градусах за Цельсием), а при низкой – высокое (примерно 100800 Ом при -40 градусах за Цельсием). Как и большинство других датчиков, данное устройство не гарантирует точные результаты, а значит говорить о зависимости сопротивления температурного датчика охлаждающей жидкости от температурных показателей можно только примерно. В общем, хоть описанное устройство и практически не ломается, но иногда серьезно «заблуждается».

Датчик положения дроссельной заслонки. Монтируется на дроссельный патрубок и связывается с осью самой заслонки. Он представлен в виде потенциометра, имеющего три конца: на один подается плюсовое питание (5В), а другой соединяется с массой. Третий вывод (от ползунка) передает выходной сигнал к контролеру. Когда при нажатии педали дроссельная заслонка поворачивается, выходное напряжение датчика меняется. Если дроссельная заслонка пребывает в закрытом состоянии, то, соответственно, оно ниже 0,7 В, а когда заслонка начинает открываться – напряжение растет и в полностью открытом положении должно быть больше 4 В. Следя за выходным напряжением датчика, контролер, в зависимости от угла открытия дроссельной заслонки, совершает коррекцию подачи топлива.

Учитывая, что контролер сам определяет минимальное напряжение устройства и принимает его за нулевое значение, данный механизм не нуждается в регулировке. По мнению, некоторых автолюбителей, датчик положения дросселя (если он отечественного производства) – это самый ненадежный элемент системы, требующий периодической замены (часто уже через 20 километров пробега). Все бы ничего, но и замену произвести не так то просто, особенно не имея при себе качественного инструмента. Все дело в креплении: нижний винт вряд ли получится открутить обычной отверткой, а если и получится, то сделать это довольно трудно.

Кроме того, при закручивании на заводе, винты «сажают» на герметик, который так из «припечатывает», что при откручивании часто срывается шляпка. В таком случае, рекомендуется полностью снять весь дроссельный узел, а в худшем случае – придется его выковыривать насильно, но только если Вы полностью уверены в его нерабочем состоянии.

Датчик положения коленчатого вала (ДПВК). Служит для передачи контролеру сигнала о частоте вращения и положении коленвала. Такой сигнал является серией повторяемых электроимпульсов напряжения, которые генерируются датчиком в ходе вращения коленчатого вала. Основываясь на полученных данных контролер может осуществлять управление форсунками и системой зажигания. Датчик положения коленвала устанавливается на крышке масляного насоса, на расстоянии одного миллиметра (+0,4мм) от шкива коленчатого вала (имеет 58 зубцов расположенных по кругу).

Что бы обеспечить возможность генерации «импульса синхронизации», два зуба шкива отсутствуют, тоесть фактически их 56. Когда коленвал вращается, зубцы диска меняют магнитное поле датчика, создавая тем самым, импульсное напряжение. Исходя из характера импульсного сигнала, поступающего от датчика, контролер может определить положение и частоту вращения коленвала, что позволяет рассчитать момент срабатывания модуля зажигания и форсунок.

Датчик положения коленчатого вала является самым главным из всех приведенных здесь и в случае появления неисправности механизма, двигатель автомобиля работать не будет. Датчик скорости. Принцип деятельности этого устройства основывается на эффекте Холла. Суть его работы заключается в передаче контролеру импульсов напряжения, с частотой прямо пропорциональной скорости вращения ведущих колес транспортного средства. Исходя из присоединительных разъемов колодки жгута, все датчики скорости могут иметь некоторые отличия. Так, например, разъем квадратной формы используется в системах «Бош», а круглый – соответствует системам Январь4 и GM.

На основе исходящих сигналов датчика скорости, система управления может определить пороги отключения подачи топлива, а также установить электронные скоростные ограничения автомобиля (доступно в новых системах).

Датчик положения распределительного вала (или как его еще называю «датчик фаз») – это устройство, предназначенное для определения угла распределительного вала и передачи соответствующей информации в электронный блок управления транспортного средства. После этого, на основе полученных данных, контролер может осуществить управление системой зажигания и подачей топлива на каждый отдельный цилиндр, что собственно, он и делает.

Датчик детонации применяется с целью поиска детонационных ударов в двигателе внутреннего сгорания. С конструктивной точки зрения, он является заключенной в корпусе пьезокерамической пластиной, располагающейся на блоке цилиндров. В наше время, существует два вида датчика детонации – резонансный и более современный широкополосный. В резонансных моделях, первичная фильтрация сигнального спектра, проводиться внутри самого устройства и напрямую зависит от его конструкции. Поэтому, на разных типах двигателя используются разные модели датчиков детонации, отличающиеся друг от друга резонансной частотой. Широкополосный вид датчиков обладает ровной характеристикой в диапазоне шумов детонации, а фильтрацию сигнала выполняет электронный блок управления. На сегодняшний день, резонансные датчики детонации уже не устанавливаются на серийных моделях автомобилей.

Датчик абсолютного давления. Обеспечивает отслеживание перемен в атмосферном давлении, которые случаются в результате изменения барометрического давления и/или изменения показателей высоты над уровнем море. Барометрическое давление можно измерить в ходе включения зажигания, до того как двигатель начнет прокручиваться. С помощью электронного блока управления, есть возможность «обновления» данных о барометрическом давлении при работающем моторе, когда, на малой частоте вращения двигателя, дроссельная заслонка практически полностью открыта.

Также, использовав датчик абсолютного давления, есть возможность измерить изменение давления во впускной трубе. К переменам в давлении приводят изменения нагрузок двигателя и частоты вращения коленвала. Датчик абсолютного давления трансформирует их в выходной сигнал, имеющий определенное напряжение. Когда дроссель находится в закрытом положении, получается, что выходной сигнал абсолютного давления дает сравнительно низкое напряжение, в то время как полностью открытая дроссельная заслонка — соответствует сигналу высокого напряжения. Появление высокого выходного напряжения объясняется соответствием атмосферного давления и давления внутри впускной трубы при полном открытой дроссельной заслонки. Показатели внутреннего давления трубы рассчитываются электронным блоком управления, основываясь на сигнале датчика. Если оказалось, что оно высокое, значит требуется повышенная подача топливной жидкости, а если давление низкое, то наоборот – пониженная.

Электронный блок управления (ЭБУ). Хоть это и не датчик, но учитывая, что он имеет непосредственное отношение к работе описанных устройств, мы посчитали за нужное внести и его в данный список. ЭБУ – «мозговой центр» системы впрыска топлива, который постоянно обрабатывает информационные данные получаемые от разных датчиков и на основе этого совершает управление выходными цепями (системы электронного зажигания, форсунок, регулятором холостого хода, разными реле). Блок управления оборудован встроенной диагностической системой, способной распознавать сбои в работе системы и, с помощью контрольной лампы «CHECK ENGINE», предупреждать о них водителя. Более того, в его памяти хранятся диагностические коды, которые указывают конкретные области неисправности, что значительно облегчает проведение ремонтных работ.

В состав ЭБУ входит три вида памяти: постоянное запоминающее устройство с возможностью программирования (RAM и ППЗУ), оперативное запоминающее устройство (RAM или ОЗУ) и запоминающее устройство подлежащее электрическому программированию (ЭПЗУ или EEPROM). ОЗУ используется микропроцессором блока для временного хранения результатов измерений, расчетов и промежуточных данных. Данный вид памяти зависит от энергического обеспечения, а значит требует для сохранения информации, постоянной и стабильной подачи питания. В случае перерыва подачи электропитания, все имеющиеся в ОЗУ коды диагностики неполадок и расчетная информация сразу стираются.

ППЗУ хранит общую рабочую программу, которая содержит последовательность необходимых команд и разную калибровочную информацию. В отличие от предыдущего варианта, данный вид памяти не есть энергозависимым. ЭПЗУ применяется для временного сохранения кодов-паролей иммобилайзера (противоугонной автомобильной системы). После того, как контролер принял эти коды от блока управления иммобилайзера (если такой имеется), они сравниваются с уже сохраненными в ЭПЗУ, а затем, принимается решение о разрешении или запрещении запуска мотора.

3. Исполнительные механизмы системы впрыска

Исполнительные механизмы системы впрыска топлива представлены в виде форсунки, бензонасоса, модуля зажигания, регулятора холостого хода, вентилятора системы охлаждения, сигнала расхода топлива и адсорбера. Рассмотрим каждый из них более подробно. Форсунка. Выполняет роль электромагнитного клапана с нормированной производительностью. Используется для впрыска определенного количества топлива, рассчитанного для конкретного рабочего режима.

Бензонасос. Применяется для перемещения топлива в топливную рампу, давление в которой поддерживается с помощью вакуумно-механического регулятора давления. В некоторых вариантах системы, он может быть совмещен с бензонасосом.

Модуль зажигания являет собой электронные устройство, предназначенное для управления процессом искрообразования. Состоит из двух независимых каналов для поджога смеси в цилиндрах мотора. В последних, модифицированных вариантах устройства, его низковольтные элементы определены в ЭБУ, а что бы получить высокое напряжение используется либо двухканальная выносная катушка зажигания, либо те катушки, которые находятся непосредственно на самой свече.

Регулятор холостого хода. Его задачей есть поддержание заданных оборотов в режиме холостого хода. Регулятор представлен в виде шагового двигателя, управляющего в корпусе дроссельной заслонки обводным каналом воздуха. Это обеспечивает мотор необходимым для работы воздушным потоком, особенно когда дроссельная заслонка закрыта. Вентилятор охладительной системы, как и следует из названия, не допускает перегрева деталей. Управляется ЭБУ, который реагирует на сигналы датчика температуры охлаждающей жидкости. Как правило, разница между положениями включения и выключения составляет 4-5°С.

Сигнал расхода топлива – поступает на маршрутный компьютер в соотношении 16000 импульсов на 1 расчетный литр использованного топлива. Конечно, это только приблизительные данные, ведь они рассчитываются на основе суммарного времени, потраченного на открытие форсунок. К тому же, учитывается некий эмпирический коэффициент, который нужен, что бы компенсировать допущение в измерении погрешности. Неточности в расчетах, вызваны работой форсунок в нелинейном участке диапазона, несинхронной топливоотдачей и некоторыми другими факторами.

Адсорбер. Существует в качестве элемента замкнутой цепи в ходе рециркуляции бензиновых паров. Стандарты Евро-2 исключают возможность контакта вентиляции бензобака с атмосферой, а бензиновые пары должны адсорбироваться и в ходе продувки отправляться на дожег.

Подписывайтесь на наши ленты в таких социальных сетях как, Facebook, Вконтакте, Instagram, Pinterest, Yandex Zen, Twitter и Telegram: все самые интересные автомобильные события собранные в одном месте.

auto.today

Системы впрыска топлива бензиновых двигателей

 

Системы впрыска топлива, стали массово устанавливаться на бензиновых двигателях, начиная с 80-х годов прошлого столетия. Здесь, в отличии карбюраторной системы, подача топлива осуществлялась посредством принудительного впрыска топлива с помощью форсунок во впускной коллектор или в цилиндр. Двигатели с такими системами подачи топлива еще называют инжекторными. Вот о том, какими бывают системы впрыска топлива на бензиновых двигателях, мы и поговорим в этой статье.

 

 

 

Система с впрыском топлива во впускной трубопровод

 

В системах впрыска топлива с внешним сме­сеобразованием приготовление топливно-воздушной смеси происходит вне камеры сго­рания двигателя (во впускном трубопроводе). Несмотря на то, что в карбюраторных системах также имеет место внешнее смесеобразование, они были практически полностью вытеснены топливными системами с впрыском топлива во впускной трубопровод, которые обеспечивают более точное дозирование и управление подачей топлива. Последние достижения представлены электронными системами с впрыском топлива во впускной трубопровод, в которых топливо впры­скивается прерывисто для каждого отдельного цилиндра, т.е. с впрыском топлива непосред­ственно перед впускными клапанами (см. рис. «Принцип действия системы с впрыском топлива во впускной трубопровод» ).

 

 

Системы, основанные на непрерывном впрыске топлива (K-Jetronic) или системы с центральным впрыском топлива перед дрос­сельной заслонкой (Mono-Jetronic) практически не находят применения в новых разработках.

В связи с высокими требованиями к плав­ности работы двигателя и снижению токсично­сти отработавших газов чрезвычайно большое значение имеет точное смесеобразование. При этом также крайне важно обеспечить точную синхронизацию впрыска топлива и точное дози­рование топлива. Для выполнения этих требо­ваний в электронных системах многоточечного (распределенного) впрыска топлива на каждый цилиндр двигателя приходится по электромаг­нитной форсунке, причем управление каждой форсункой осуществляется индивидуально. При этом перед блоком управления двигателем стоит задача вычисления как требуемой для каждого цилиндра массы топлива, так и мо­мента начала впрыска топлива в зависимости от текущих условий работы двигателя. Время, требующееся для впрыска вычисленной массы топлива, зависит от сечения канала форсунки и перепада давления между впускным трубопро­водом и системой подачи топлива.

В системах с впрыском топлива во впускной трубопровод топливо, подаваемое электроприводным топливным насосом, проходит через топливный фильтр и по топливопроводу по­ступает в топливную рампу, обеспечивающую его равномерное распределение по топливным форсункам. Для обеспечения надлежащего качества топливно-воздушной смеси чрезвы­чайно важным является то, каким образом про­исходит приготовление топлива форсунками. При этом важно обеспечить очень тонкое рас­пыление топлива. Форма и угол рассеивания струи топлива адаптированы к геометрической форме впускного трубопровода и головки ци­линдра (см. «Топливная форсунка»).

Если точно дозированную массу топлива впрыскивать непосредственно перед впуск­ным клапаном (клапанами) цилиндра, значи­тельная часть тонко распыленного топлива может испариться. Поэтому топливно-воздушная смесь может образовываться в нужный момент времени с использованием воздуха, проходящего через дроссельную заслонку (см. рис. «Механизмы и факторы, влияющие на смесеобразование при впрыске топлива во впускной трубопровод» ). Время, имеющееся в наличии для смесеобразования, может быть увеличено за счет впрыска топлива через пока что закрытые впускные клапаны.

 

 

Часть топлива осаждается на стенках ци­линдра вблизи впускных клапанов и образует пленку. Толщина этой пленки в основном за­висит от давления во впускном трубопроводе и, соответственно, от условий нагрузки двига­теля. В случае нестационарного(переходного) режима работы двигателя это осаждение топлива может привести к временному от­клонению коэффициента избытка воздуха от желаемого значения (λ = 1). Отсюда следует, что осаждение топлива на стенках цилиндра необходимо свести к минимуму. Также не следует пренебрегать эффектом осаждения топлива во впускном канале, особенно при пуске холодного двигателя. Поскольку в этих условиях топливо испаряется плохо, для соз­дания воспламеняемой топливно-воздушной смеси первоначально требуется большее количество топлива. Когда в дальнейшем давление топлива во впускном трубопро­воде снижается, часть ранее образовавшейся пленки топлива испаряется. Если каталити­ческий нейтрализатор не достиг нормальной рабочей температуры, это может вызывать увеличение выбросов углеводородов. К об­разованию пленки топлива на стенках камеры сгорания также могут привести нарушения впрыска топлива, что в свою очередь, может вызвать увеличение количества токсичных веществ в отработавших газах. Определение геометрического совмещения струи топлива («нацеливания струи») позволит выбрать со­ответствующие форсунки, при использова­нии которых конденсация топлива в областях впускного канала и впускных клапанов будет сведена к минимуму.

По сравнению с карбюраторными систе­мами и одноточечными системами впрыска топлива в многоточечных системах впрыска топлива конденсация топлива на стенках впускного трубопровода значительно сни­жена. В то же время впускные трубопроводы могут быть оптимально адаптированы, в со­ответствии с потоком воздуха, горению то­плива и получению необходимой динамики двигателя.

 

 

Системы прямого впрыска топлива для бензиновых двигателей

 

В системах прямого впрыска топлива, в отли­чие от систем с впрыском топлива во впуск­ной трубопровод, в камеру сгорания через впускные клапаны поступает чистый воздух. Только после этого топливо впрыскивается в камеру сгорания форсункой (топливная фор­сунка высокого давления), расположенной непосредственно в головке блока цилиндров (внутреннее смесеобразование, см. рис. «Принцип действия системы прямого впрыска топлива» ). При этом существуют два основных режима работы системы. В случае впрыска топлива во время такта впуска имеет место режим работы с однородной смесью, а при впрыске топлива во время такта сжатия — режим послойного распределения смеси. Существуют также раз­личные специальные режимы, представляю­щие собой комбинацию двух основных режи­мов или их небольшие вариации.

 

 

При работе в режиме послойного распреде­ления заряда количество воздуха не ограничи­вается; топливно-воздушная смесь — бедная. Избыточное количество воздуха в отработавших газах мешает преобразованию оксидов азота в трехкомпонентном каталитическом нейтрализа­торе. Поэтому для этих систем прямого впрыска топлива требуется очистка отработавших газов при помощи дополнительного каталитического нейтрализатора NO_x аккумуляторного типа. По этой причине большинство систем прямого впрыска топлива, представленных в настоящее время на рынке, работают исключительно в ре­жиме образования однородной смеси.

 

 

Работа двигателя при наличии однородной смеси

 

При работе в режиме образования однородной смеси, процесс смесеобразования подобен про­цессу в системе с впрыском топлива во впускной трубопровод. Смесь имеет стехиометрический состав (λ = 1). Однако, в отношении смесеобра­зования имеются некоторые различия. В частно­сти, отсутствует поток в области расположения впускного клапана, способствующий смесео­бразованию, и для самого смесеобразования имеется значительно меньше времени. В то время как в случае системы с впрыском топлива во впускной трубопровод впрыск может произ­водиться в течение поворота коленчатого вала на 720° (синхронно с тактами впуска), в случае систем с прямым впрыском топлива имеется окно для впрыска, соответствующее углу пово­рота коленчатого вала всего лишь 180°. Впрыск топлива разрешен только во время такта впуска. Это обусловлено тем, что перед этим выпускные клапаны открыты, и в противном случае несго­ревшее топливо будет выходить в систему выпу­ска отработавших газов. Это вызвало бы высо­кое содержание углеводородов в отработавших газах и проблемы в работе каталитического нейтрализатора. Для обеспечения подачи до­статочного количества топлива в течение этого ограниченного периода времени необходимо увеличить поток топлива через форсунку. Это достигается в основном за счет увеличения дав­ления топлива. Увеличение давления дает до­полнительное преимущество, заключающееся в повышении уровня турбулентности в камере сгорания, что в свою очередь способствует процессу смесеобразования. Поэтому топливо и воздух могут быть полностью перемешаны, несмотря на короткий отпущенный для этого период времени.

Работа двигателя при послойном распределении смеси

 

Что касается работы с послойным распре­делением смеси, следует провести различия между разными способами сжигания топлива. Эти способы имеют одну общую черту, заклю­чающуюся в том, что все они направлены на создание послойного распределения смеси. Это означает, что вместо поддержания стехиомерического состава смеси за счет из­менения положения дроссельной заслонки в камеру сгорания поступает полный поток воздуха, но только часть его смешивается с топливом перед подачей смеси к свече зажи­гания. Остальная часть свежего воздуха окру­жает послойный заряд топлива. В дополнение к охлаждающему эффекту, снижающему склонность к детонации, отсутствие дроссе­лирования также предлагает значительный потенциал снижения расхода топлива.

Система с направлением струи топлива на днище поршня

 

В системе с направлением струи топлива на днище поршня топливо впрыскивается в ка­меру сгорания сбоку (см. рис. а, «Смесеобразование для систем прямого впрыска топлива» ). Выемка в днище поршня отклоняет струю топлива в на­правлении свечи зажигания. Смесеобразова­ние происходит на пути от форсунки к свече за­жигания поскольку время смесеобразования в этом случае еще меньше, давление топлива для этой системы должно быть еще выше, чем для работы с однородной смесью Повышение давления топлива сокращает время впрыска и улучшает условия смесеобразования за счет усиления отражения импульсов давления.

К недостаткам этой системы можно отнести конденсацию топлива на днище поршня, вызы­вающую увеличение содержания НС в отработавших газах. Поскольку время смесеобразова­ния невелико, при высоких нагрузках двигателя облако заряда смеси обычно содержит зоны богатой смеси, что увеличивает вероятность от­ложения нагара. При низких нагрузках импульс потока топлива, служащий в качестве средства транспортировки послойного заряда топлива к свече зажигания, имеет низкую энергию. Поэ­тому обычно поток в этом случае должен быть ограничен, чтобы количество топлива соответ­ствовало более низкой плотности воздуха.

Система с направлением струи топлива в поток завихрения воздуха

 

В основном, система с направлением струи топлива в поток завихрения воздуха анало­гична системе с направлением струи топлива на днище поршня. Основное различие состоит в том, что облако топлива не взаимодействует непосредственно с выемкой в днище поршня. Вместо этого оно перемещается в поток за­вихрения воздуха (см. рис. Ь, «Смесеобразование для систем прямого впрыска топлива» ). Это решает проблему конденсации топлива на выемке поршня. Однако система с направлением струи топлива в поток завихрения воздуха ме­нее стабильна по сравнению с системой с на­правлением струи на днище, в связи с тем, что обеспечить точную повторяемость распреде­ления потока воздуха весьма затруднительно.

Зачастую фактический процесс сгорания топлива, в зависимости от рабочей точки Двигателя, представляет собой некоторую комбинацию двух вышеописанных режимов.

 

 

Система с прямым направлением струи топлива

 

Система с прямым направлением струи топлива отличается от двух вышеописанных систем ме­стом установки форсунки. Форсунка установ­лена по центру вверху и впрыскивает топливо в камеру сгорания в вертикальном направлении (СМ. рис. с, «Смесеобразование для систем прямого впрыска топлива» ). Свеча зажигания находится ря­дом с форсункой. Струя топлива не отклоняется ^и поджигается сразу же после впрыска. В ре­зультате время смесеобразования очень непро­должительное. Это требует еще более высокого Давления топлива. Такой процесс сгорания то- слива позволяет устранить проблемы конденса­ции топлива на стенках впускного трубопровода, зависимости от потока воздуха и ограничения истока при низких нагрузках. Поэтому он несет в себе самый высокий потенциал снижения расхода топлива. В то же время большую проблему для систем впрыска топлива и зажигания пред­ставляет очень короткое время, доступное для смесеобразования.

Другие режимы работы

 

В дополнение к режимам работы с однородной смесью и с послойным распределением смеси могут иметь место определенные специальные режимы. К ним относятся «переключение режи­мов» (однородная смесь — послойное распреде­ление заряда), «прогрев каталитического ней­трализатора», «режим защиты от детонации» (режим разделения однородной смеси) и «ре­жим работы на обедненной однородной смеси.

В следующей статье я расскажу о компонентах системы смесеобразования в бензиновом двигателе.

 

Рекомендую еще почитать:

press.ocenin.ru

Система питания с непосредственным впрыском топлива.

Системы питания инжекторных двигателей



Непосредственный впрыск топлива

Система непосредственного впрыска инжекторных двигателей аналогична по конструкции системе питания дизельных двигателей Common Rail, предложенной в конце 60-х годов прошлого столетия швейцарским инженером Робертом Хубером, и завоевавшей в настоящее время широкую популярность, активно вытесняя классическую систему питания дизелей благодаря существенным достоинствам.

Слабым местом всех систем непосредственного впрыска топлива в цилиндры двигателя является низкая эффективность смесеобразования – для того, чтобы топливо достаточно быстро сгорало, необходимо его тщательно перемешать с воздухом. По понятным причинам, системы с внешним смесеобразованием в этом плане имеют существенное преимущество, поскольку топливо и воздух перемешиваются еще до подачи в цилиндры двигателя и горение протекает интенсивнее.

Поэтому конструкторам, разрабатывающим дизельные двигатели и бензиновые двигатели с непосредственным впрыском топлива, приходится решать достаточно сложную задачу – как в сотые доли секунды получить внутри цилиндра равномерно распределенную по камере сгорания топливовоздушную смесь требуемого состава и качества.

Одним из путей решения проблемы является повышение давления топлива, впрыскиваемого форсункой в цилиндр двигателя. Топливо, вырывающееся под большим давлением из сопла распылителя форсунки, распыляется более интенсивно, широким фронтом, распространяясь при этом по камере сгорания и активно смешиваясь с воздухом.
Второй путь интенсификации смесеобразования, над которым работают конструкторы – создание формы камеры сгорания и головки поршня, способствующей завихрению воздуха при сжатии, что тоже способствует перемешиванию бензина и воздуха в цилиндре.

Для инжекторных двигателей с системой питания, использующей непосредственный впрыск, повышение давления впрыска достигается применением топливного насоса высокого давления, необходимость в котором для систем центрального и распределенного впрыска отсутствует.
Конечно же, топливная аппаратура высокого давления ложится определенным бременем на стоимости всей системы питания, что является одним из недостатков системы непосредственного впрыска, тем не менее, достоинства такой системы тоже очевидны. Двигатель, использующий непосредственный впрыск бензина, экономичнее и экологичнее аналогичных двигателей с внешним впрыском, кроме того, он меньше склонен к детонационным явлениям во время работы.

Итак, для того чтобы обеспечить качественное смесеобразование внутри цилиндра, необходимо повысить давление впрыска. Поэтому в системе непосредственного впрыска топлива насос низкого давления подает топливо через фильтр к насосу высокого давления, который создает в аккумуляторе (накопитель, где топливо находится под высоким давлением) давление 5…13 МПа.
При превышении давления специальный регулятор перепустит избыточное топливо на вход насоса высокого давления. Значение давления в аккумуляторе (накопителе) регистрируется датчиком давления и подается на электронный блок управления (ЭБУ). Топливо из аккумулятора подается к электромагнитным форсункам, которые включаются по команде от микропроцессора.



Благодаря впрыску топлива сразу после подачи искры в цилиндре обеспечивается воспламенение топливовоздушной смеси нормального состава, который поддерживает ЭБУ. При этом в удаленных от электродов зонах состав горючей смеси остается обедненным и даже бедным (в самых крайних зонах). Таким образом, при непосредственном впрыске образуется неравномерный состав топливовоздушной смеси по всему объему камеры сгорания.

Из возникшего у электродов свечи зажигания очага горения фронт пламени распространяется в периферийные зоны, где воспламеняет бедные составы смеси с коэффициентом избытка воздуха α≥2.
В результате существенно повышается топливная экономичность двигателя и снижается вероятность возникновения детонации.

По сравнению с системой распределенного впрыска система непосредственного впрыска обладает следующими недостатками:

• более высокая стоимость из-за наличия аппаратуры высокого давления;
• сложные температурные условия работы форсунки, распылитель которой расположен в камере сгорания;
• сложная форма камеры сгорания, необходимая для лучшего перемешивания воздуха и бензина;
• повышенные требования к бензину (ограничение содержания серы) и качеству его очистки.

Кроме того, использование насосов высокого давления или насос-форсунок традиционных конструкций осложняется отсутствием у бензина смазывающих свойств.

Тем не менее, благодаря описанным выше преимуществам, в первую очередь – высокой экономичности, система непосредственного впрыска все шире применяется производителями автомобилей и завоевывает популярность у автомобилистов. Можно предположить, что с развитием и совершенствованием технологий изготовления точных деталей системы с непосредственным впрыском займут лидирующие позиции в конструкциях бензиновых автомобильных двигателей.

***

Механическая система впрыска K-Jetronic



k-a-t.ru