Система непосредственного впрыска топлива в бензиновых двигателях: принцип работы. Системы впрыска топлива бензиновых двигателей Впрыскивание топлива

Основным назначением системы впрыска (иное название - инжекторная система) является обеспечение своевременной подачи топлива в рабочие цилиндры ДВС.

В настоящее время подобная система активно используется на дизельных и бензиновых двигателях внутреннего сгорания. Важно понимать, что для каждого типа двигателя система впрыска будет в значительной мере отличаться.

Фото: rsbp (flickr.com/photos/rsbp/)

Так в бензиновых ДВС процесс впрыска способствует образованию топливовоздушной смеси, после чего происходит ее принудительное воспламенение от искры.

В дизельных же ДВС подача топлива осуществляется под высоким давлением, когда одна часть топливной смеси соединяется с горячим сжатым воздухом и почти моментально самовоспламеняется.

Система впрыска остается ключевой составной частью общей топливной системы любого автомобиля. Центральным рабочим элементом подобной системы является топливная форсунка (инжектор).

Как уже было сказано ранее в бензиновых двигателях и дизелях применяются различные виды систем впрыска, которые мы и рассмотрим обзорно в этой статье, а детально разберем в последующих публикациях.

Виды систем впрыска на бензиновых ДВС

На бензиновых двигателях используются следующие системы подачи топлива - центральный впрыск (моно впрыск), распределенный впрыск (многоточечный), комбинированный впрыск и непосредственный впрыск.

Центральный впрыск

Подача топлива в системе центрального впрыска происходит за счет топливной форсунки, которая расположена во впускном коллекторе. Поскольку форсунка всего одна, то эту систему впрыска называют еще - моновпрыск.

Системы этого вида на сегодняшний день утратили свою актуальность, поэтому в новых моделях автомобилей они не предусмотрены, впрочем, в некоторых старых моделях некоторых автомобильных марок их можно встретить.

К преимуществам моно впрыска можно отнести надежность и простоту использования. Недостатками подобной системы являются низкий уровень экологичности двигателя и высокий расход топлива .

Распределенный впрыск

Система многоточечного впрыска предусматривает подачу горючего отдельно на каждый цилиндр, оснащенный собственной топливной форсункой. При этом ТВС образуется только во впускном коллекторе.

В настоящее время большинство бензиновых двигателей оснащено системой распределенной подачи топлива. Преимуществами подобной системы являются высокая экологичность, оптимальный расход топлива, умеренные требования к качеству потребляемого топлива.

Непосредственный впрыск

Одна из наиболее совершенных и прогрессивных систем впрыска. Принцип работы подобной системы заключается в прямой подаче (впрыске) топлива в камеру сгорания цилиндров.

Система непосредственной подачи топлива позволяет получать качественный состав ТВС на всех этапах работы ДВС с целью улучшения процесса сгорания горючей смеси, увеличения рабочей мощности двигателя, снижения уровня отработанных газов.

К недостаткам данной системы впрыска можно отнести сложную конструкцию и высокие требования к качеству топлива .

Комбинированный впрыск

Система данного типа объединила в себе две системы - непосредственный и распределенный впрыск. Зачастую она применяется для уменьшения выбросов токсичных элементов и отработанных газов, благодаря чему достигается высокие показатели экологичности двигателя.

Все системы подачи топлива, пнименяемые на бензиновых ДВС могут быть оснащены механическими или электронными устройствами управления, из которых последняя наиболее совершенна, поскольку обеспечивает наилучшие показатели экономичности и экологичности двигателя.

Подача топлива в подобных системах может осуществляться непрерывно или дискретно (импульсно). По мнению специалистов, импульсная подача топлива является наиболее целесообразной и эффективной и на сегодняшний день применяется во всех современных двигателях.

Виды систем впрыска дизельных ДВС

На современных дизельных двигателях применяются такие системы впрыска, как система насос-форсунки, система Сommon Rail, система с рядным или распределительным ТНВД (топливным насосом высокого давления).

Наиболее востребованные и считаются наиболее прогрессивными из них системы: Сommon Rail и насос-форсунки, о которых ниже поговорим чуть подробнее.

ТНВД является центральным элементом любой топливной системы дизельного двигателя.

В дизелях подача горючей смеси может осуществляться как в предварительную камеру, так и напрямую в камеру сгорания (непосредственный впрыск).

На сегодняшний день предпочтение отдается системе непосредственного впрыска, которую отличает повышенный уровень шума и менее плавная работа двигателя, по сравнению с впрыском в предварительную камеру, но при этом обеспечивается гораздо более важный показатель - экономичность.

Система впрыска насос-форсунки

Подобная система применяется для подачи и впрыска топливной смеси под высоким давлением центральным устройством - насос-форсунками.

По названию можно догадаться, что ключевой особенностью данной системы является то, что в единственном устройстве (насос-форсунке) объединены сразу две функции: создание давления и впрыск.

Конструктивным недостатком данной системы является то, что насос оснащен приводом постоянного типа от распредвала двигателя (не отключаемый), который приводит к быстрому износу конструкции. Из-за этого производители все чаще делают выбор в пользу системы впрыска Сommon Rail.

Система впрыска Сommon Rail (аккумуляторный впрыск)

Это более совершенная система подачи ТС для большинства дизельных двигателей. Ее название пошло от основного конструктивного элемента - топливной рампы, общей для всех форсунок. Сommon Rail в переводе с английского как раз и означает - общая рампа.

В такой системе топливо подается к топливным форсункам от рампы, которую еще называют аккумулятором высокого давления, из-за чего у системы появилось и второе название - аккумуляторная система впрыска.

В системе Сommon Rail предусмотрено проведение трех этапов впрыска - предварительного, основного и дополнительного. Это позволяет уменьшить шум и вибрации двигателя, сделать более эффективными процесс самовоспламенения топлива, уменьшить количество вредных выбросов в атмосферу.

Для управления системами впрыска на дизелях предусмотрено наличие механических и электронных устройств. Системы на механике позволяют контролировать рабочее давление, объем и момент впрыска топлива. Электронные системы предусматривают более эффективное управление дизельными ДВС в целом.

Первые системы впрыска были механическими (рис. 2.61), а не электронными, и некоторые из них (например, высокоэффективная система BOSCH) были чрезвычайно остроумными и хорошо работали. Впервые же система механического впрыска топлива была разработа на компанией Daimler Benz, а первый серийный автомобиль с впрыском бензина был выпу щен еще в 1954 г. Основными преимуществами системы впрыска по сравнению с карбюра торными системами являются следующие:

Отсутствие дополнительного сопротивления потоку воздуха на впуске, имеющему место в карбюраторе, что обеспечивает повышение наполнения цилиндров и литровой мощно сти двигателя;

Более точное распределение топлива по отдельным цилиндрам;

Значительно более высокая степень оптимизации состава горючей смеси на всех режи мах работы двигателя с учетом его состояния, что приводит к улучшению топливной эко номичности и снижению токсичности отработавших газов.

Хотя в конце концов оказалось, что лучше для этой цели использовать электронику, которая дает возможность сделать систему компактнее, надежнее и более адаптируемой к требовани ям различных двигателей. Некоторые из первых систем электронного впрыска представляли собой карбюратор, из которого удаляли все «пассивные» топливные системы и устанавливали одну или две форсунки. Такие системы получили название «центральный (одноточечный) впрыск» (рис. 2.62 и 2.64).

Рис. 2.62. Агрегат центрального (одноточечного) впрыска

Рис. 2.64. Схема системы центрального впрыска топлива: 1 - подача топлива;

Рис. 2.63. Электронный блок управления 2 - поступление воздуха; 3 - дроссельная четырехцилиндровым двигателем заслонка; 4 - впускной трубопровод; Valvetronic BMW 5 - форсунка; 6 - двигатель

В настоящее время наибольшее распространение получили системы распределенного (многоточечного) электронного впрыска. На изучении этих систем питания необходимо оста новиться более подробно.

СИСТЕМА ПИТАНИЯ С ЭЛЕКТРОННЫМ РАСПРЕДЕЛЕННЫМ ВПРЫСКОМ БЕНЗИНА (ТИПА MOTRONIC)

В системе центрального впрыска подача смеси и ее распределение по цилиндрам осущест вляются внутри впускного коллектора (рис. 2.64).

Наиболее современная система распределенного впрыска топлива отличается тем, что во впускном тракте каждого цилиндра устанавливается отдельная форсунка, которая в опре деленный момент впрыскивает дозированную порцию бензина на впускной клапан соответ ствующего цилиндра. Бензин, поступивший

в цилиндр, испаряется и перемешивается с воздухом, образуя горючую смесь. Двига тели с такими системами питания обладают лучшей топливной экономичностью и пони женным содержанием вредных веществ в отработавших газах по сравнению с кар бюраторными двигателями.

Работой форсунок управляет электрон ный блок управления (ЭБУ) (рис. 2.63), пред ставляющий собой специальный компью тер, который получает и обрабатывает элект рические сигналы от системы датчиков, сравнивает их показания со значениями,

хранящимися в памяти компьютера, и выда ет управляющие электрические сигналы на электромагнитные клапаны форсунок и другие исполнительные устройства. Кроме того, ЭБУ постоянно проводит диагностику

Рис. 2.65. Схема системы распределенного впрыска топлива Motronic: 1 - подача топ лива; 2 - поступление воздуха; 3 - дрос сельная заслонка; 4 - впускной трубопро вод; 5 - форсунки; 6 - двигатель

Системы впрыска топлива и при возникно вении неполадок в работе предупреждает водителя с помощью контрольной лампы, установленной в щитке приборов. Серьез ные неполадки записываются в памяти бло ка управления и могут быть считаны при проведении диагностики.

Система питания с распределенным впрыском имеет следующие составные части:

Система подачи и очистки топлива;

Система подачи и очистки воздуха;

Система улавливания и сжигания паров бензина;

Электронная часть с набором датчиков;

Система выпуска и дожигания отработав ших газов.

Система подачи топлива состоит из топ ливного бака, электрического бензонасоса, топливного фильтра, трубопроводов и топ ливной рампы, на которой установлены форсунки и регулятор давления топлива.

Рис. 2.66. Погружной электрический топливный насос; а - топливозаборник с насо сом; б - внешний вид насоса и насосная секция роторного типа топливного насоса с электрическим приводом; в - шестеренчатая; г - роликовая; д - пластинчатая; е - схема работы насосной секции роторного типа: 1 - корпус; 2 - зона всасывания; 3 - ротор; 4 - зона нагнетания; 5 - направление вращения

Рис. 2.67. Топливная рампа пятицилиндрового двигателя с установленными на ней форсунками, регулятором давления и штуцером для контроля давления

Электробензонасос (обычно роликовый) может устанавливаться как внутри бензобака (рис. 2.66), так и снаружи. Бензонасос включается с помощью электромагнитного реле. Бен зин засасывается насосом из бака и одновременно омывает и охлаждает электродвигатель насоса. На выходе из насоса имеется обратный клапан, который не позволяет топливу выте кать из напорной магистрали при выключенном бензонасосе. Для ограничения давления служит предохранительный клапан.

Поступающее от бензонасоса топливо, под давлением не менее 280 кПа проходит через топливный фильтр тонкой очистки и поступает к топливной рампе. Фильтр имеет металлический корпус, заполненный бумажным фильтрующим элементом.

Рампа (рис.2.67) представляет собой полую конструкцию, к которой крепятся форсунки и регулятор давления. Рампа крепится болтами к впускному трубопроводу двигателя. На рампе также устанавливается штуцер, который служит для контроля давления топлива. Штуцер закрыт резьбовой пробкой для предохранения от загрязнения.

Форсунка (рис. 2.68) имеет металличес кий корпус, внутри которого расположен электромагнитный клапан, состоящий из электрической обмотки, стального сер дечника, пружины и запорной иглы. В верхней части форсунки расположен не большой сетчатый фильтр, предохраняю щий распылитель форсунки (имеющий очень маленькие отверстия) от загрязне ния. Резиновые кольца обеспечивают не обходимое уплотнение между рампой, форсункой и посадочным местом во впуск ном трубопроводе. Фиксация форсунки

на рампе осуществляется с помощью спе циального зажима. На корпусе форсунки имеются электрические контакты для под-

Рис. 2.68. Электромагнитные форсунки бензинового двигателя: слева - GM, справа - Bosch

Рис. 2.69. Регулятор давления топлива: 1 - корпус; 2 - крышка; 3 - патрубок для вакуумного шланга; 4 - мембрана; 5 - кла пан; А - топливная полость; Б - вакуумная полость

Рис. 2.70. Пластмассовый впускной тру бопровод с ресивером и дроссельным патрубком

ключения электрического разъема. Регулирование количества топлива, впрыскиваемого форсункой, осуществляется изменением длины электрического импульса, подаваемого на контакты форсунки.

Регулятор давления топлива (рис. 2.69) служит для изменения давления в рампе, в за висимости от разрежения во впускном трубопроводе. В стальном корпусе регулятора распо ложен подпружиненный игольчатый клапан, соединенный с диафрагмой. На диафрагму, с од ной стороны воздействует давление топлива в рампе, а с другой разрежение во впускном трубопроводе. При увеличении разрежения, во время прикрытия дроссельной заслонки, клапан открывается, излишки топлива сливаются по сливному трубопроводу обратно в бак, а давление в рампе уменьшается.

В последнее время появились системы впрыска, в которых отсутствует регулятор давле ния топлива. Например, на рампе двигателя V8 автомобиля New Range Rover нет регулятора давления, и состав горючей смеси обеспечивается только работой форсунок, получающих сигналы от электронного блока.

Система подачи и очистки воздуха состоит из воздушного фильтра со сменным фильт рующим элементом, дроссельного патрубка с заслонкой и регулятором холостого хода, реси вера и выпускного трубопровода (рис. 2.70).

Ресивер должен иметь достаточно большой объем, для того чтобы сглаживались пульса ции поступающего в цилиндры двигателя воздуха.

Дроссельный патрубок закреплен на ресивере и служит для изменения количества воз духа, поступающего в цилиндры двигателя. Изменение количества воздуха осуществляется с помощью дроссельной заслонки, поворачиваемой в корпусе с помощью тросового приво да от педали «газа». На дроссельном патрубке установлены датчик положения дроссельной заслонки и регулятор холостого хода. В дроссельном патрубке имеются отверстия для забо ра разрежения, которое используется системой улавливания паров бензина.

В последнее время конструкторы систем впрыска начинают применять электропривод управления, когда между педалью «газа» и дроссельной заслонкой нет механической связи (рис. 2.71). В таких конструкциях на педали «газа» устанавливаются датчики ее положения, а дроссельная заслонка поворачивается шаговым электродвигателем с редуктором. Элект родвигатель поворачивает заслонку по сигналам компьютера, управляющего работой дви гателя. В таких конструкциях не только обеспечивается четкое выполнение команд водителя, но и имеется возможность влиять на работу двигателя, исправляя ошибки водителя, дейст вием электронных систем поддержания устойчивости автомобиля и других современных электронных систем обеспечения безопасности.

Рис. 2.71. Дроссельная заслонка с элект- Рис. 2.72. Индуктивные датчики положе- рическим приводом обеспечивает воз- ния коленчатого и распределительного можность управления двигателем по про- валов

Водам

Датчик положения дроссельной заслонки представляет собой потенциометр, ползунок которого соединен с осью дроссельной заслонки. При повороте дросселя, изменяется электри ческое сопротивление датчика и напряжение его питания, которое является выходным сигна лом для ЭБУ. В системах электропривода управления дроссельной заслонкой используется не меньше двух датчиков, чтобы компьютер мог определять направления перемещения заслонки.

Регулятор холостого хода служит для регулировки оборотов коленчатого вала двигателя на холостом ходу путем изменения количества воздуха, проходящего в обход закрытой дроссель ной заслонки. Регулятор состоит из шагового электродвигателя, управляемого ЭБУ, и конусного клапана. В современных системах, имеющих более мощные компьютеры управления работой двигателя, обходятся без регуляторов холостого хода. Компьютер, анализируя сигналы от много численных датчиков, управляет длительностью поступающих к форсункам импульсов электри ческого тока и работой двигателя на всех режимах, в том числе и на холостом ходу.

Между воздушным фильтром и патрубком впускного трубопровода устанавливается дат чик массового расхода топлива. Датчик изменяет частоту электрического сигнала, посту пающего к ЭБУ, в зависимости от количества воздуха, проходящего через патрубок. От этого датчика поступает к ЭБУ и электрический сигнал, соответствующий температуре поступаю щего воздуха. В первых системах электронного впрыска использовались датчики, оценива ющие объем поступающего воздуха. Во впускном патрубке устанавливалась заслонка, которая отклонялась на разную величину в зависимости от напора поступающего воздуха. С заслон кой был связан потенциометр, который изменял сопротивление в зависимости от величины поворота заслонки. Современные датчики массового расхода воздуха работают, используя принцип изменения электрического сопротивления нагретой проволоки или токопроводя- щей пленки при охлаждении ее поступающим потоком воздуха. Управляющий компьютер, получающий также сигналы от датчика температуры поступающего воздуха, может опреде лить массу поступившего в двигатель воздуха.

Для корректного управления работой системы распределенного впрыска электронному бло ку требуются сигналы и от других датчиков. К последним относятся: датчик температуры охлажда ющей жидкости, датчик положения и частоты вращения коленчатого вала, датчик скорости авто мобиля, датчик детонации, датчик концентрации кислорода (устанавливается в приемной трубе системы выпуска отработавших газов в варианте системы впрыска с обратной связью).

В качестве температурных датчиков в настоящее время в основном используются полупровод ники, изменяющие электрическое сопротивление при изменении температуры. Датчики положе ния и скорости вращения коленчатого вала обычно выполняются индуктивного типа (рис. 2.72). Они выдают импульсы электрического тока при вращении маховика с метками на нем.

Рис. 2.73. Схема работы адсорбера: 1 - всасываемый воздух; 2 - дроссельная заслонка; 3 - впускной коллектор двигателя; 4 - клапан продувки сосуда с активированным углем; 5 - сигнал от ECU; 6 - сосуд с активированным углем; 7 - окружающий воздух; 8 - топ ливные пары в топливном баке

Система питания с распределенным впрыском может быть последовательной или парал лельной. В параллельной системе впрыска, в зависимости от числа цилиндров двигателя, одновременно срабатывают несколько форсунок. В системе с последовательным впрыском в нужный момент времени срабатывает только одна, конкретная форсунка. Во втором слу чае ЭБУ должен получать информацию о моменте нахождения каждого поршня вблизи ВМТ в такте впуска. Для этого требуется не только датчик положения коленчатого вала, но и дат чик положения распределительного вала. На современных автомобилях, как правило, уста навливаются двигатели с последовательным впрыском.

Для улавливания паров бензина, который испаряется из топливного бака, во всех сис темах впрыска используются специальные адсорберы с активированным углем (рис. 2.73). Активированный уголь, находящийся в специальной емкости, соединенной трубопроводом с топливным баком, хорошо поглощает пары бензина. Для удаления бензина из адсорбера последний продувается воздухом и соединяется с впускным трубопроводом двигателя, Для того

чтобы работа двигателя при этом не нарушалась, продувка производится только на опреде ленных режимах работы двигателя, с помо щью специальных клапанов, которые откры ваются и закрываются по команде ЭБУ.

В системах впрыска с обратной связью ис пользуются датчики концентрации кислоро да в отработавших газах, которые устанавли ваются в выпускной системе с каталитиче ским нейтрализатором отработавших газов.

Каталитический нейтрализатор (рис. 2.74;

Рис. 2.74. Двухслойный трехкомпонент- ный каталитический нейтрализатор отра ботавших газов: 1 - датчик концентрации кислорода для замкнутого контура управления; 2 - монолитный блок-носитель; 3 - мон тажный элемент в виде проволочной сетки; 4 - двухоболочковая теплоизоляция нейт рализатора

2.75) устанавливается в выпускной системе для уменьшения содержания вредных веществ в отработавших газах. Нейтрали затор содержит один восстановительный (родий) и два окислительных (платина и пал ладий) катализатора. Окислительные ката лизаторы способствуют окислению несго- ревших углеводородов (СН) в водяной пар,

Рис. 2.75. Внешний вид нейтрализатора

а окиси углерода (СО) в углекислый газ. Вос становительный катализатор восстанавли вает вредные оксиды азота NOx в безвредный азот. Так как эти нейтрализаторы снижают в отработавших газах содержание трех вред ных веществ, они называются трехкомпо- нентными.

Работа автомобильного двигателя на этилированном бензине приводит к выходу из строя дорогостоящего каталитического нейтрализатора. Поэтому в большинстве стран использование этилированного бен зина запрещено.

Трехкомпонентный каталитический нейт рализатор работает наиболее эффективно, если в двигатель подается смесь стехиомет- рического состава, т. е. при соотношении воздуха и топлива как 14,7:1 или коэффици енте избытка воздуха, равном единице. Ес ли воздуха в смеси слишком мало (т. е. мало кислорода), тогда СН и СО не полностью окислятся (сгорят) до безопасного побочного продукта. Если же воздуха слишком много, то не может быть обеспечено разложение N0X на кислород и азот. Поэтому появилось новое поколение двигателей, в которых со став смеси регулировался постоянно для получения точного соответствия коэффици ента избытка воздуха сс=1 с помощью дат чика концентрации кислорода (лямбда-зон да) (рис. 2.77), встраиваемого в выпускную систему.

Рис. 2.76. Зависимость эффективности действия нейтрализатора от коэффици ента избытка воздуха

Рис. 2.77. Устройство датчика концентра ции кислорода: 1 - уплотнительное коль цо; 2 - металлический корпус с резьбой и шестигранником «под ключ»; 3 - керамичес кий изолятор; 4 - провода; 5 - уплотнитель- ная манжета проводов; 6 - токоподводя- щий контакт провода питания нагревателя; 7 - наружный защитный экран с отверсти ем для атмосферного воздуха; 8 - токо съемник электрического сигнала; 9 - элек трический нагреватель; 10 - керамический наконечник; 11 - защитный экран с отвер стием для отработавших газов

Этот датчик определяет количество кислорода в отработавших газах, а его электрический сигнал использует ЭБУ, который соответственно изменяет количество впрыскиваемого топ лива. Принцип действия датчика заключается в способности пропускать через себя ионы ки слорода. Если содержание кислорода на активных поверхностях датчика (одна из которой контактирует с атмосферой, а другая с отработавшими газами) значительно отличается, про исходит резкое изменение напряжения на выводах датчика. Иногда устанавливают два дат чика концентрации кислорода: один - до нейтрализатора, а другой - после.

Для того чтобы катализатор и датчик концентрации кислорода могли эффективно работать, они должны быть прогреты до определенной температуры. Минимальная температура, при ко торой задерживается 90 % вредных веществ, составляет порядка 300 «С. Необходимо также избегать перегрева нейтрализатора, поскольку это может привести к повреждению наполни теля и частично блокировать проход для газов. Если двигатель начинает работать с перебоя ми, то несгоревшее топливо догорает в катализаторе, резко увеличивая его температуру. Ино гда может быть достаточно нескольких минут работы двигателя с перебоями, чтобы полностью повредить нейтрализатор. Вот почему электронные системы современных двигателей должны выявлять пропуски в работе и предотвращать их, а также предупреждать водителя о серьезно сти этой проблемы. Иногда для ускорения прогрева каталитического нейтрализатора после пу ска холодного двигателя применяют электрические нагреватели. Датчики концентрации кисло рода, применяющиеся в настоящее время, практически все имеют нагревательные элементы. В современных двигателях, с целью ограничения выбросов вредных веществ в атмосфе

ру во время прогрева двигателя, предварительные каталитические найтрализаторы устана вливают максимально близко к выпускному коллектору (рис. 2.78), чтобы обеспечить быст рый прогрев нейтрализатора до рабочей температуры. Кислородные датчики установлены до и после нейтрализатора.

Для улучшения экологических показателей работы двигателя необходимо не только со вершенствовать нейтрализаторы отработавших газов, но и улучшать процессы, протекаю щие в двигателе. Содержание углеводородов стало возможным снизить за счет уменьшения

«щелевых объемов», таких как зазор между поршнем и стенкой цилиндра над верхним ком прессионным кольцом и полостей вокруг седел клапанов.

Тщательное исследование потоков горючей смеси внутри цилиндра с помощью компью терной техники дало возможность обеспечить более полное сгорание и низкий уровень СО. Уровень NOx был уменьшен с помощью системы рециркуляции отработавших газов путем за бора части газа из выпускной системы и подачи его в поток воздуха на впуске. Эти меры и быстрый, точный контроль за работой двигателя на переходных режимах могут свести вредные выбросы к минимуму еще до катализатора. Для ускорения прогрева каталитическо го нейтрализатора и выхода его на рабочий режим используется также способ вторичной по дачи воздуха в выпускной коллектор с помощью специального электроприводного насоса.

Другим эффективным и распростра ненным способом нейтрализации вредных продуктов в отработавших газах является пламенное дожигание, которое основано на способности горючих составляющих отработавших газов (СО, СН, альдегиды) окисляться при высоких температурах. Отработавшие газы поступают в камеру дожигателя, имеющую эжектор, через ко торый поступает нагретый воздух из теп лообменника. Горение происходит в камере,

Рис. 2.78. Выпускной коллектор двигателя а для воспламенения служит запальная

с предварительным нейтрализатором свеча.

НЕПОСРЕДСТВЕННЫЙ ВПРЫСК БЕНЗИНА

Первые системы впрыска бензина непосредственно в цилиндры двигателя появились еще в первой половине XX в. и использовались на авиационных двигателях. Попытки применения непосредственного впрыска в бензиновых двигателях автомобилей были прекращены в 40-е годы XIX в., потому что такие двигатели получались дорогостоящи ми, неэкономичными и сильно дымили на режимах большой мощности. Впрыскивание бензина непосредственно в цилиндры связано с определенными трудностями. Форсун ки для непосредственного впрыска бензина работают в более сложных условиях, чем те, что установлены во впускном трубопроводе. Головка блока, в которую должны уста навливаться такие форсунки, получается более сложной и дорогой. Время, отводимое на процесс смесеобразования при непосредственном впрыске, существенно уменьша ется, а значит, для хорошего смесеобразования необходимо подавать бензин под боль шим давлением.

Со всеми этими трудностями удалось справиться специалистам компании Mitsubishi, ко торая 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. (рис. 2.81). Сейчас двигатели с непосредственным впрыском бензина выпускают Peugeot-Citroen, Renault, Toyota, DaimlerChrysler и другие производители (рис. 2.79; 2.80; 2.84).

Преимущества системы непосредственного впрыска заключаются в основном в улуч шении топливной экономичности, а также и некоторого повышения мощности. Первое объясняется способностью двигателя с системой непосредственного впрыска работать

Рис. 2.79. Схема двигателя Volkswagen FSI с непосредственным впрыском бензина

Рис. 2.80. В 2000 г. компания PSA Peugeot-Citroen представила свой двухлитровый че тырехцилиндровый двигатель HPI с непосредственным впрыском бензина, который мог работать на бедных смесях

на очень бедных смесях. Повышение мощности обусловлено в основном тем, что орга низация процесса подачи топлива в цилиндры двигателя позволяет повысить степень сжатия до 12,5 (в обычных двигателях, работающих на бензине, редко удается устано вить степень сжатия свыше 10 из-за наступления детонации).

В двигателе GDI топливный насос обеспечивает давление 5 МПа. Электро магнитная форсунка, установленная в го ловке блока цилиндров,впрыскивает бен зин непосредственно в цилиндр двигателя и может работать в двух режимах. В зави симости от подаваемого электрического сигнала она может впрыскивать топливо или мощным коническим факелом, или компактной струей (рис. 2.82). Днище поршня имеет специальную форму в виде сферической выемки (рис. 2.83). Такая форма позволяет закрутить поступающий воздух, направить впрыскиваемое топли во к свече зажигания, установленной по центру камеры сгорания. Впускной трубо провод расположен не сбоку, а вертикаль

Рис. 2.81. Двигатель Mitsubishi GDI - пер вый серийный двигатель с системой не посредственного впрыска бензина

но сверху. Он не имеет резких изгибов, и поэтому воздух поступает с высокой ско ростью.

Рис. 2.82. Форсунка двигателя GDI может работать в двух режимах, обеспечивая мощ ный (а) или компактный (б) факел распыленного бензина

В работе двигателя с системой непосредственного впрыска можно выделить три различ ных 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 уско рений 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 ком пактным факелом в конце такта сжатия (как в дизеле). Сферическая выемка в поршне на правляет 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 движе ния требует стехиометрического состава смеси. Смесь такого состава легко воспламеня ется, но у двигателя GDI повышена степень

сжатия, и для того чтобы не наступала де тонация, форсунка впрыскивает топливо мощным факелом. Мелко распыленное то пливо заполняет цилиндр и, испаряясь, ох лаждает поверхности цилиндра, снижая вероятность появления детонации.

Третий режим необходим для получения большого крутящего момента при резком нажатии педали «газа», когда двигатель ра

ботает на малых оборотах. Этот режим рабо ты двигателя отличается тем, что в течение одного цикла форсунка срабатывает два раза. Во время такта впуска в цилиндр для

Рис. 2.83. Поршень двигателя с непосред ственным впрыском бензина имеет спе циальную форму (процесс сгорания над поршнем)

4. Заказ № 1031.97

Рис. 2.84. Конструктивные особенности двигателя с непосредственным впрыском бен зина Audi 2.0 FSI

его охлаждения мощным факелом впрыскивается сверхбедная смесь (а=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 впры ском бензина, двигатель с системой GDI примерно на 10 % экономичнее и выбрасыва ет в атмосферу на 20 % меньше углекислого газа. Повышение мощности двигателя доходит до 10 %. Однако, как показала эксплуатация автомобилей с двигателями тако го 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.

Рис. 2.85. 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 топ ливный жиклер, а затем в нужный момент и воздушный, поэтому в цилиндр, мощным факе лом впрыскивается топливно-воздушная смесь в виде аэрозоля (рис. 2.85).

Форсунка, установленная в головке цилиндра рядом со свечой зажигания, впрыскивает топливно-воздушную струю непосредственно на электроды свечи зажигания, что обеспечи вает ее хорошее воспламенение.

Двигатели с системами впрыска топлива, или инжекторные двигатели, почти вытеснили с рынка карбюраторные моторы. На сегодняшний день существует несколько типов систем впрыска, отличающихся устройством и принципом работы. О том, как устроены и работают различные типы и виды систем впрыска топлива, читайте в этой статье.

Устройство, принцип работы и типы систем впрыска топлива

Сегодня большинство новых легковых автомобилей оснащаются двигателям с системой впрыска топлива (инжекторными двигателями), которые обладают лучшими характеристиками и более надежны, чем традиционные карбюраторные моторы. Об инжекторных двигателях мы уже писали (статья «Инжекторный двигатель »), поэтому здесь рассмотрим лишь типы и разновидности систем впрыска топлива.

Существует два принципиально разных типа систем впрыска топлива:

Центральный впрыск (или моновпрыск);
- Распределенный впрыск (или многоточечный впрыск).

Эти системы отличаются количеством форсунок и режимами их работы, однако принцип работы у них одинаков. В инжекторном двигателе вместо карбюратора установлена одна или несколько топливных форсунок , которые распыляют бензин во впускной коллектор или непосредственно в цилиндры (воздух для образования топливно-воздушной смеси подается в коллектор с помощью дроссельного узла). Такое решение позволяет достичь однородности и высокого качества горючей смеси, а главное — несложной установки режима работы двигателя в зависимости от нагрузки и других условий.

Управление системой осуществляется специальным электронным блоком (микроконтроллером), который собирает информацию с нескольких датчиков и мгновенно изменяет режим работы двигателя. В ранних системах эту функцию выполняли механические устройства, однако сегодня двигатель полностью находится под контролем электроники.

Системы впрыска топлива отличаются по количеству, месту установки и режиму работы форсунок.

1 - цилиндры двигателя;
2 - впускной трубопровод;
3 - дроссельная заслонка;
4 - подача топлива;
5 - электрический провод, по которому к форсунке поступает управляющий сигнал;
6 - поток воздуха;
7 - электромагнитная форсунка;
8 - факел топлива;
9 - горючая смесь

Это решение было исторически первым и самым простым, поэтому в свое время получило довольно широкое распространение. Принципиально система очень проста: в ней используется одна форсунка, которая постоянно распыляет бензин в один на все цилиндры впускной коллектор. В коллектор же подается и воздух, поэтому здесь образуется топливно-воздушная смесь, которая через впускные клапаны поступает в цилиндры.

Преимущества моновпрыска очевидны: эта система очень проста, для изменения режима работы двигателя нужно управлять только одной форсункой, да и сам двигатель претерпевает незначительные изменения, ведь форсунка ставится на место карбюратора.

Однако моновпрыск имеет и недостатки, в первую очередь - эта система не может обеспечить все возрастающие требования по экологической безопасности. Кроме того, поломка одной форсунки фактически выводит двигатель из строя. Поэтому сегодня двигатели с центральным впрыском практически не выпускаются.

Распределенный впрыск

1 - цилиндры двигателя;
2 - факел топлива;
3 - электрический провод;
4 - подача топлива;
5 - впускной трубопровод;
6 - дроссельная заслонка;
7 - поток воздуха;
8 - топливная рампа;
9 - электромагнитная форсунка

В системах с распределенным впрыском используются форсунки по числу цилиндров, то есть у каждого цилиндра - своя форсунка, расположенная во впускном коллекторе. Все форсунки объединены топливной рампой, через которую в них подается топливо.

Существует несколько разновидностей систем с распределенным впрыском, которые отличаются режимом работы форсунок:

Одновременный впрыск;
- Попарно-параллельный впрыск;
- Фазированный спрыск.

Одновременный впрыск. Здесь все просто - форсунки, хоть и расположены во впускном коллекторе «своего» цилиндра, но открываются в одно время. Можно сказать, что это усовершенствованный вариант моновпрыска, так как здесь работает несколько форсунок, но электронный блок управляет ими, как одной. Однако одновременный впрыск дает возможность индивидуальной регулировки впрыска топлива для каждого цилиндра. В целом, системы с одновременным впрыском просты и надежны в работе, но по характеристикам уступают более современным системам.

Попарно-параллельный впрыск. Это усовершенствованный вариант одновременного впрыска, он отличается тем, что форсунки открываются по очереди парами. Обычно работа форсунок настроена таким образом, чтобы одна из них открывалась перед тактом впуска своего цилиндра, а вторая - перед тактом выпуска. На сегодняшний день этот тип системы впрыска практически не используется, однако на современных двигателях предусмотрена аварийная работа двигателя именно в этом режиме. Обычно такое решение используется при выходе из строя датчиков фаз (датчиков положения распредвала), при котором невозможен фазированный впрыск.

Фазированный впрыск. Это наиболее современный и обеспечивающий наилучшие характеристики тип системы впрыска. При фазированном впрыске число форсунок равно числу цилиндров, и все они открываются и закрываются в зависимости от такта. Обычно форсунка открывается непосредственно перед тактом впуска - так достигаются лучший режим работы двигателя и экономичность.

Также к распределенному впрыску относят системы с непосредственным впрыском, однако последний имеет кардинальные конструктивные отличия, поэтому его можно выделить в отдельный тип.

Системы с непосредственным впрыском наиболее сложные и дорогие, однако только они могут обеспечить наилучшие показатели по мощности и экономичности. Также непосредственный впрыск дает возможность быстро изменять режим работы двигателя, максимально точно регулировать подачу топлива в каждый цилиндр и т.д.

В системах с непосредственным впрыском топлива форсунки установлены непосредственно в головке, распыляя топливо сразу в цилиндр, избегая «посредников» в виде впускного коллектора и впускного клапана (или клапанов).

Такое решение довольно сложно в техническом плане, так как в головке цилиндра, где и так уже расположены клапаны и свеча, необходимо разместить еще и форсунку. Поэтому непосредственный впрыск можно использовать только в достаточно мощных, а поэтому больших по габаритам двигателях. Кроме того, такую систему невозможно установить на серийный двигатель - его приходится модернизировать, что связано с большими затратами. Поэтому непосредственный впрыск сегодня используется только на дорогих автомобилях.

Системы с непосредственным впрыском требовательны к качеству топлива и нуждаются в более частом техническом обслуживании, однако они дают существенную экономию топлива и обеспечивают более надежную и качественную работу двигателя. Сейчас наблюдается тенденция снижения цены машин с такими двигателями, поэтому в будущем они могут серьезно потеснить автомобили с инжекторными двигателями других систем.

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.