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

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.

Концептуально двигатели внутреннего сгорания – бензиновые и дизельные практически идентичны, но существует между ними ряд отличительных особенностей. Одной из основных является разное протекание процессов горения в цилиндрах. У дизеля топливо загорается от воздействия высоких температур и давления. Но для этого необходимо, чтобы дизтопливо подавалось непосредственно в камеры сгорания не только в строго определенный момент, но еще и под высоким давлением. И это обеспечивают системы впрыска дизельных двигателей.

Постоянное ужесточение экологических норм, попытки получить больший выход мощности при меньших затратах топлива обеспечивают появление все новых конструктивных решений в .

Принцип работы у всех существующих видов впрыска дизеля идентичен. Основными элементами питания являются топливный насос высокого давления (ТНВД) и форсунка. В задачу первой составляющей входит нагнетание дизтоплива, благодаря чему давление в системе значительно повышается. Форсунка же обеспечивает подачу топлива (в сжатом состоянии) в камеры сгорания, при этом распыляя его для обеспечения лучшего смесеобразования.

Стоит отметить, что давление топлива напрямую влияет на качество сгорания смеси. Чем оно выше, тем дизтопливо лучше сгорает, обеспечивая больший выход мощности и меньшее содержание загрязняющих веществ в отработанных газах. И для получения более высоких показателей давления использовали самые разные конструктивные решения, что и привело к появлению разных видов систем питания дизеля. Причем все изменения касались исключительно указанных двух элементов – ТНВД и форсунок. Остальные же составляющие – бак, топливопроводы, фильтрующие элементы, по сути, идентичны во всех имеющихся видах.

Типы дизельных систем питания

Дизельные силовые установки могут быть оснащены системой впрыска:

• с рядным насосом высокого давления;
• с насосами распределительного типа;
• аккумуляторного типа (Common Rail).

С рядным насосом

Рядный ТНВД на 8 форсунок

Изначально эта система была полностью механической, но после в ее конструкции начали использоваться электромеханические элементы (касается регуляторов изменения цикловой подачи дизтоплива).

Основная особенность этой системы заключена в насосе. В нем плунжерные пары (прецизионные элементы, создающие давление) обслуживали каждый свою форсунку (количество их соответствовало количеству форсунок). Причем эти пары размещались в ряд, отсюда и название.

К достоинствам системы с рядным насосом можно отнести:

• Надежность конструкции. Насос имел систему смазки, что обеспечивало узлу большой ресурс;
• Невысокая чувствительность к чистоте топлива;
• Сравнительная простота и высокая ремонтопригодность;
• Большой ресурс насоса;
• Возможность работы мотора при отказе одной секции или форсунки.

Но недостатки у такой системы более существенны, что и привело к постепенному отказу от нее и отданию предпочтения более современным. Негативными сторонами такого впрыска считаются:

• Невысокие быстродействие и точность дозировки топлива. Механическая конструкция просто не способна это обеспечить;
• Сравнительно невысокое создаваемое давление;
• В задачу ТНВД входит не только создание давления топлива, но еще и регулировка цикловой подачи и момент впрыска;
• Создаваемое давление напрямую зависит от оборотов коленчатого вала;
• Большие габариты и масса насоса.

Эти недостатки, и в первую очередь – невысокое создаваемое давление, привело к отказу от этой системы, поскольку она просто перестала вписываться в стандарты по экологичности.

С насосом распределенного типа

ТНВД распределенного впрыска стала следующим этапом в развитии систем питания дизельных агрегатов.

Изначально такая система была тоже механической и отличалась от описанной выше лишь конструкцией насоса. Но со временем в ее устройство добавили систему электронного управления, которая улучшила процесс регулировки впрыска, что позитивно сказалось на показателях экономичности мотора. Определенный период такая система вписывалась в стандарты экологичности.

Особенность этого типа впрыска сводилась к тому, что конструкторы отказались от использования многосекционной конструкции насоса. В ТНВД начала использоваться всего одна плунжерная пара, обслуживающая все имеющиеся форсунки, количество которых варьируется от 2 до 6. Для обеспечения подачи топлива на все форсунки, плунжер совершает не только поступательные движения, но еще и вращательные, которые и обеспечивают распределение дизтоплива.

ТНВД с насосом распределенного типа

К положительным качествам таких систем относились:

• Малые габаритные размеры и масса насоса;
• Лучшие показатели по топливной экономичности;
• Использование электронного управления повысило показатели системы.

К недостаткам же системы с насосом распределенного типа относятся:

• Небольшой ресурс плунжерной пары;
• Смазка составных элементов осуществляется топливом;
• Многофункциональность насоса (помимо создания давления он еще управляется подачей и моментом впрыска);
• При отказе насоса система прекращала работать;
• Чувствительность к завоздушиванию;
• Зависимость давления от оборотов двигателя.

Широкое распространение такой тип впрыска получил на легковых авто и небольшом коммерческом транспорте.

Насос-форсунки

Особенность этой системы заключена в том, что форсунка и плунжерная пара объединены в единую конструкцию. Привод секции этого топливного узла осуществляется от распределительного вала.

Примечательно, что такая система может быть как полностью механической (управление впрыском осуществляется рейкой и регуляторами), так и электронной (используются электромагнитные клапаны).

Насос-форсунка

Некой разновидностью этого типа впрыска является использование индивидуальных насосов. То есть для каждой форсунки предусматривается своя секция, приводимая в действие от распределительного вала. Секция может располагаться непосредственно в ГБЦ или быть вынесенной в отдельный корпус. В такой конструкции используются обычные гидравлические форсунки (то есть, система механическая). В отличие от впрыска с ТНВД, магистрали высокого давления – очень короткие, что позволило значительно увеличить давление. Но такая конструкция особого распространения не получила.

К положительным качествам насос-форсунок питания можно отнести:

• Значительные показатели создаваемого давления (самые высокие среди всех используемых типов впрыска);
• Небольшая металлоемкость конструкции;
• Точность дозировки и реализации многократного впрыска (в форсунках с электромагнитными клапанами);
• Возможность работы двигателя при отказе одной из форсунок;
• Замена поврежденного элемента не сложная.

Но имеются в таком типе впрыска и недостатки, среди которых:

• Неремонтопригодность насос-форсунок (при поломке требуется их замена);
• Высокая чувствительность к качеству топлива;
• Создаваемое давление зависит от оборотов двигателя.

Насос-форсунки получили широкое распространение на коммерческом и грузовом транспорте, а также эту технологию использовали некоторые производители легковых авто. Сейчас она не очень часто используется из-за высокой стоимости обслуживания.

Common Rail

Пока является самой совершенной в плане экономичности. Также она полностью вписывается в последние стандарты экологичности. К дополнительным «плюсам» можно отнести ее применяемость на любых дизельных двигателях, начиная от легковых авто и заканчивая морскими судами.

Система впрыска Common Rail

Особенность ее заключена в том, что многофункциональность ТНВД не требуется, и в его задачу входит только нагнетание давления, причем не для каждой форсунки отдельно, а общую магистраль (топливную рампу), а уже от нее дизтопливо подается на форсунки.

При этом топливные трубопроводы, между насосом, рампой и форсунками имеют сравнительно небольшую длину, что позволило повысить создаваемое давление.

Управление работой в этой системе осуществляется электронным блоком, что значительно увеличило точность дозировки и скорость работы системы.

Положительные качества Common Rail:

• Высокая точность дозировки и использование многорежимного впрыска;
• Надежность ТНВД;
• Нет зависимости значения давления от оборотов мотора.

Негативные же качества у этой системы такие:

• Чувствительность к качеству топлива;
• Сложная конструкция форсунок;
• Отказ системы при малейших потерях давления из-за разгерметизации;
• Сложность конструкции из-за наличия ряда дополнительных элементов.

Несмотря на эти недостатки автопроизводители все больше отдают предпочтение Common Rail перед другими видами систем впрыска.

Материал из Энциклопедия журнала "За рулем"

Схема двигателя Volkswagen FSI с непосредственным впрыском бензина

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

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

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

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

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

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

Работа форсунки Orbital

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

Конструктивные особенности двигателя с непосредственным впрыском бензина Audi 2.0 FSI

Современные автомобили оснащают разными системами с впрыском топлива. В двигателях, работающих на бензине, смесь топлива и воздуха принудительно возгорается с помощью искры.

Система с впрыском топлива является неотъемлемым элементом . Форсунка является главным рабочим элементом любой системы впрыска.

Бензиновые двигателя оснащаются системами с впрыском, которые различаются между собой способом образования смеси топлива с воздухом:

• системы с центральным впрыском;
• системы с распределенным впрыском;
• системы с непосредственным впрыском.

Центральный впрыск, или иначе его называют моновпрыск (Monojetronic), осуществляется одной центральной электромагнитной форсункой, которая впрыскивает топливо во впускной коллектор. Это чем-то напоминает карбюратор. Сейчас автомобили с такой системой впрыска не производятся, так как у автомобиля с такой системой наблюдается и невысокие экологические свойства автомобиля.

Система распределенного впрыска постоянно с годами совершенствовалась. Начало положила система K-jetronic . Впрыск был механическим, что давало ему хорошую надежность, но расход топлива был весьма высоким. Топливо додавалось не импульсно, а постоянно. На смену данной системы пришла система KE-jetronic .

Она ни чем принципиально не отличалась от K-jetronic , но появился электронный блок управления (ЭБУ), который позволил незначительно сократить расход топлива. Но и эта система не принесла ожидаемых результатов. Появилась система L-jetronic .

В которой ЭБУ воспринимал сигналы от датчиков и направлял электромагнитный импульс на каждую форсунку. Система обладала хорошими экономическими и экологическими показателями, но конструктора не стали на этом останавливаться, и разработали совершенно новую систему Motronic .

Блок управления стал управлять и впрыском топлива, и системой зажигания. Топливо стало лучше сгорать в цилиндре, увеличилась мощность двигателя, уменьшился расход и вредные выбросы автомобиля. Во всех этих системах представленных выше впрыск осуществляется отдельной форсункой на каждый цилиндр во впускной коллектор, где и происходит образование смеси топлива с воздухом, которая попадает в цилиндр.

Наиболее перспективной системой на сегодняшний день является система с непосредственным впрыском.

Суть данной системы заключается в том, что топливо впрыскивается сразу в камеру сгорания каждого цилиндра, и уже там смешивается с воздухом. Система определяет и подает оптимальный состав смеси в цилиндр, что обеспечивает хорошую мощность на различных режимах работы двигателя, хорошую экономичность и высокие экологические свойства двигателя.

Но с другой стороны, двигателя с данной системой впрыска обладают более высокой ценой по сравнению со своими предшественниками, из-за сложности своей конструкции. Так же данная система очень требовательна к качеству топлива.