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.

На сегодняшний день системы впрыска активно применяются на бензиновых и дизельных ДВС. Стоит отметить, что для каждой вариации мотора подобная система будет в существенной мере отличаться. Об этом далее в статье.

Система впрыска, назначение, чем отличается система впрыска бензинового двигателя от системы впрыска дизеля

Основное назначение системы впрыска (другое название — инжекторная система) — обеспечение своевременной подачи горючего в рабочие цилиндры мотора.

В бензиновых моторах процесс впрыска поддерживает образование воздушнотопливной смеси, после чего осуществляется ее воспламенение с помощью искры. В дизельных моторах подача горючего производится под высоким давлением — одна часть горючей смеси соединяется со сжатым воздухом и практически мгновенно самовоспламеняется.

Система впрыска бензина, устройство систем впрыска топлива бензиновых двигателей

Система впрыска топлива — составная часть топливной системы ТС. Основной рабочий орган любой системы впрыска — форсунка. Зависимо от метода образования воздушнотопливной смеси существуют системы непосредственного впрыска, распределенного впрыска и центрального впрыска. Системы распределенного и центрального впрыска — системы предварительного впрыска, то есть впрыск в них осуществляется во впускном коллекторе, не доходя до камеры сгорания.

Системы впрыска бензиновых моторов могут иметь электронное либо механическое управление. Самым совершенным считается электронное управление впрыском, которое обеспечивает существенную экономию горючего и снижение вредных выбросов в атмосферу.

Впрыск горючего в системе осуществляется импульсно (дискретно) или непрерывно. С точки зрения экономии перспективным считается импульсный впрыск горючего, используемый всеми современными системами.

В моторе система впрыска, как правило, соединена с системой зажигания и создает объединенную систему зажигания и впрыска (к примеру, системы Fenix, Motronic). Система управления мотором обеспечивает согласованную работу систем.

Системы впрыска бензиновых двигателей, типы систем впрыска топлива, достоинства и недостатки каждого вида систем впрыска бензиновых двигателей

На бензиновых моторах применяются такие системы подачи горючего — непосредственный впрыск, комбинированный впрыск, распределенный впрыск (многоточечный), центральный впрыск (моновпрыск).

Центральный впрыск. Подача горючего в данной системе производится посредством топливной форсунки, расположенной во впускном коллекторе. А так как форсунка всего одна, эту систему называют еще моновпрыском.

На сегодняшний день системы центрального впрыска утратили свою актуальность, поэтому они и не предусмотрены в новых моделях авто, однако в некоторых старых ТС их все же можно встретить.

Преимущества моновпрыска — надежность и простота применения. К минусам данной системы можно отнести высокий расход горючего и низкий уровень экологичности мотора. Распределенный впрыск. В системе многоточечного впрыска предусмотрена отдельная подача топлива на каждый цилиндр, который оборудован индивидуальной топливной форсункой. ТВС, при этом, возникает лишь во впускном коллекторе.

На сегодняшний день большинство бензиновых моторов оборудовано системой распределенной подачи горючего. Преимущества подобной системы — оптимальный расход горючего, высокая экологичность, оптимальные потребности к качеству потребляемого горючего.

Непосредственный впрыск. Одна из самых прогрессивных и совершенных систем впрыска. Принцип действия данной системы основывается на прямой (непосредственной) подаче горючего в камеру сгорания.

Система непосредственной подачи горючего дает возможность получать качественный состав топлива на всех этапах эксплуатации мотора, чтобы улучшить процесс сгорания ТВС, увеличить рабочую мощность мотора и снизить уровень отработанных газов.

Недостатки данной системы впрыска — довольно сложная конструкция и большие требования к качеству горючего.

Комбинированный впрыск. В системе данного типа объединяются две системы — распределенный и непосредственный впрыск. Как правило, она применяется, чтобы уменьшить выбросы токсичных компонентов и отработанных газов, с помощью чего можно достигнуть высоких показателей экологичности мотора.

Системы впрыска дизельных двигателей, виды систем, достоинства и недостатки каждого вида систем впрыска дизельного топлива

На современных дизельных моторах используются следующие системы впрыска — система Common Rail, система насос-форсунки, система с распределительным или рядным топливным насосом высокого давления (ТНВД).

Самыми востребованными и прогрессивными считаются насос-форсунки и Common Rail. ТНВД — центральный компонент любой топливной системы дизельного мотора.
Подача топливной смеси в дизельных моторах может производиться в предварительную камеру или прямо в камеру сгорания.

В настоящее время отдается предпочтение системе непосредственного впрыска, отличающейся повышенным уровнем шума и менее плавной работой мотора в сравнении с подачей в предварительную камеру, однако при этом обеспечивается более важный показатель — экономичность.

Система насос-форсунки. Данная система используется для подачи, а также впрыска горючей смеси под большим давлением насос-форсунками. Ключевая особенность данной системы — в одном устройстве объединены две функции — впрыск и создание давления.

Конструктивный недостаток данной системы — насос оборудован постоянным приводом от распределительного вала мотора (не отключаемый), который способен привести к быстрому износу системы. В результате этого изготовители все чаще отдают предпочтение системам Common Rail.

Аккумуляторный впрыск (Common Rail). Более совершенная конструкция подачи горючей смеси для множества дизельных моторов. В такой системе горючее подается от рампы к топливным форсункам, которая еще называется аккумулятором высокого давления, в результате чего у системы образовалось еще одно название — аккумуляторный впрыск.

Система Common Rail предусматривает проведение следующих этапов впрыска — предварительного, главного и дополнительного. Это дает возможность уменьшить вибрации и шум мотора, сделать процедуру самовоспламенения горючего более эффективной, уменьшить вредные выбросы.

Выводы

Чтобы управлять системами впрыска на дизелях предусматривается наличие электронных и механических устройств. Механические системы дают возможность контролировать рабочее давление, момент и объем впрыска горючего. В электронных системах предусмотрено более эффективное управление дизельными моторами в целом.

В конце 60х-начале 70х годов ХХ века остро встала проблема загрязнения окружающей среды промышленными отходами, среди которых значительную часть составляли выхлопные газы автомобилей. До этого времени состав продуктов сгорания двигателей внутреннего сгорания никого не интересовал. В целях максимального использования воздуха в процессе сгорания и достижения максимально возможной мощности двигателя состав смеси регулировался с таким расчетом, чтобы в ней был избыток бензина.

В результате в продуктах сгорания совершенно отсутствовал кислород, однако оставалось несгоревшее топливо, а вредные для здоровья вещества образуются главным образом при неполном сгорании. В стремлении повышать мощность конструкторы устанавливали на карбюраторы ускорительные насосы, впрыскивающие топливо во впускной коллектор при каждом резком нажатии на педаль акселератора, т.е. когда требуется резкий разгон автомобиля. В цилиндры при этом попадает чрезмерное количество топлива, не соответствующее количеству воздуха.

В условиях городского движения ускорительный насос срабатывает практически на всех перекрестках со светофорами, где автомобили должны то останавливаться, то быстро трогаться с места. Неполное сгорание имеет место также при работе двигателя на холостых оборотах, а особенно при торможении двигателем. При закрытом дросселе воздух проходит через каналы холостого хода карбюратора с большой скоростью, всасывая слишком много топлива.

Из-за значительного разрежения во впускном трубопроводе в цилиндры засасывается мало воздуха, давление в камере сгорания остается к концу такта сжатия сравнительно низким, процесс сгорания чрезмерно богатой смеси проходит медленно, и в выхлопных газах остается много несгоревшего топлива. Описанные режимы работы двигателя резко повышают содержание токсических соединения в продуктах сгорания.

Стало очевидно, что для понижения вредных для жизнедеятельности человека выбросов в атмосферу надо кардинально менять подход к конструированию топливной аппаратуры.

Для снижения вредных выбросов в систему выпуска было предложено устанавливать каталитический нейтрализатор отработавших газов. Но катализатор эффективно работает только при сжигании в двигателе так называемой нормальной топливо-воздушной смеси (весовое соотношение воздух/бензин 14,7:1). Любое отклонение состава смеси от указанного приводило к падению эффективности его работы и ускоренному выходу из строя. Для стабильного поддержания такого соотношения рабочей смеси карбюраторные системы уже не подходили. Альтернативой могли стать только системы впрыска.

Первые системы были чисто механическими с незначительным использованием электронных компонентов. Но практика использования этих систем показала, что параметры смеси, на стабильность которых рассчитывали разработчики, изменяются по мере эксплуатации автомобиля. Этот результат вполне закономерен, учитывая износ и загрязнение элементов системы и самого двигателя внутреннего сгорания в процессе его службы. Встал вопрос о системе, которая смогла бы сама себя корректировать в процессе работы, гибко сдвигая условия приготовления рабочей смеси в зависимости от внешних условий.

Выход был найден следующий. В систему впрыска ввели обратную связь – в выпускную систему, непосредственно перед катализатором, поставили датчик содержания кислорода в выхлопных газах, так называемый лямбда-зонд. Данная система разрабатывалась уже с учетом наличия такого основополагающего для всех последующих систем элемента, как электронный блок управления (ЭБУ). По сигналам датчика кислорода ЭБУ корректирует подачу топлива в двигатель, точно выдерживая нужный состав смеси.

На сегодняшний день инжекторный (или, говоря по-русски, впрысковый) двигатель практически полностью заменил устаревшую
карбюраторную систему. Инжекторный двигатель существенно улучшает эксплуатационные и мощностные показатели автомобиля
(динамика разгона, экологические характеристики, расход топлива).

Инжекторные системы подачи топлива имеют перед карбюраторными следующие основные преимущества:

• точное дозирование топлива и, следовательно, более экономный его расход.
• снижение токсичности выхлопных газов. Достигается за счет оптимальности топливно-воздушной смеси и применения датчиков параметров выхлопных газов.
• увеличение мощности двигателя примерно на 7-10%. Происходит за счет улучшения наполнения цилиндров, оптимальной установки угла опережения зажигания, соответствующего рабочему режиму двигателя.
• улучшение динамических свойств автомобиля. Система впрыска незамедлительно реагирует на любые изменения нагрузки, корректируя параметры топливно-воздушной смеси.
• легкость пуска независимо от погодных условий.

Устройство и принцип работы (на примере электронной системы распределенного впрыска)

В современных впрысковых двигателях для каждого цилиндра предусмотрена индивидуальная форсунка. Все форсунки соединяются с топливной рампой, где топливо находится под давлением, которое создает электробензонасос. Количество впрыскиваемого топлива зависит от продолжительности открытия форсунки. Момент открытия регулирует электронный блок управления (контроллер) на основании обрабатываемых им данных от различных датчиков.

Датчик массового расхода воздуха служит для расчета циклового наполнения цилиндров. Измеряется массовый расход воздуха, который потом пересчитывается программой в цилиндровое цикловое наполнение. При аварии датчика его показания игнорируются, расчет идет по аварийным таблицам.

Датчик положения дроссельной заслонки служит для расчета фактора нагрузки на двигатель и его изменения в зависимости от угла открытия дроссельной заслонки, оборотов двигателя и циклового наполнения.

Датчик температуры охлаждающей жидкости служит для определения коррекции топливоподачи и зажигания по температуре и для управления электровентилятором. При аварии датчика его показания игнорируются, температура берется из таблицы в зависимости от времени работы двигателя.

Датчик положения коленвала служит для общей синхронизации системы, расчета оборотов двигателя и положения коленвала в определенные моменты времени. ДПКВ – полярный датчик. При неправильном включении двигатель заводится не будет. При аварии датчика работа системы невозможна. Это единственный “жизненно важный” в системе датчик, при котором движение автомобиля невозможно. Аварии всех остальных датчиков позволяют своим ходом добраться до автосервиса.

Датчик кислорода предназначен для определения концентрации кислорода в отработавших газах. Информация, которую выдает датчик, используется электронным блоком управления для корректировки количества подаваемого топлива. Датчик кислорода используется только в системах с каталитическим нейтрализатором под нормы токсичности Евро-2 и Евро-3 (в Евро-3 используется два датчика кислорода- до катализатора и после него).

Датчик детонации служит для контроля за детонацией. При обнаружении последней ЭБУ включает алгоритм гашения детонации, оперативно корректируя угол опережения зажигания.

Здесь перечислены только некоторые основные датчики, необходимые для работы системы. Комплектации датчиков на различных автомобилях зависят от системы впрыска, от норм токсичности и пр.

Про результатам опроса определенных в программе датчиков, программа ЭБУ осуществляет управление исполнительными механизмами, к которым относятся: форсунки, бензонасос, модуль зажигания, регулятор холостого хода, клапан адсорбера системы улавливания паров бензина, вентилятор системы охлаждения и др. (все опять же зависит от конкретной модели)

Из всего перечесленного, возможно, не все знают, что такое адсорбер. Адсорбер является элементом замкнутой цепи рециркуляции паров бензина. Нормами Евро-2 запрещен контакт вентиляции бензобака с атмосферой, пары бензина должны собираться (адсорбироваться) и при продувке посылаться в цилиндры на дожиг. На неработающем двигателе пары бензина попадают в адсорбер из бака и впускного коллектора, где происходит их поглощение. При запуске двигателя адсорбер по команде ЭБУ продувается потоком воздуха, всасываемого двигателем, пары увлекаются этим потоком и дожигаются в камере сгорания.

Типы систем впрыска топлива

В зависимости от количества форсунок и места подачи топлива, системы впрыска подразделяются на три типа: одноточечный или моновпрыск (одна форсунка во впускном коллекторе на все цилиндры), многоточечный или распределенный (у каждого цилиндра своя форсунка, которая подает топливо в коллектор) и непосредственный (топливо подается форсунками непосредственно в цилиндры, как у дизелей).

Одноточечный впрыск проще, он менее начинен управляющей электроникой, но и менее эффективен. Управляющая электроника позволяет снимать информацию с датчиков и сразу же менять параметры впрыска. Немаловажно и то, что под моновпрыск легко адаптируются карбюраторные двигатели почти без конструктивных переделок или технологических изменений в производстве. У одноточечного впрыска преимущество перед карбюратором состоит в экономии топлива, экологической чистоте и относительной стабильности и надежности параметров. А вот в приёмистости двигателя одноточечный впрыск проигрывает. Еще один недостаток: при использовании одноточечного впрыска, как и при использовании карбюратора до 30% бензина оседает на стенках коллектора.

Системы одноточечного впрыска, безусловно, являлись шагом вперед по сравнению с карбюраторными системами питания, но уже не удовлетворяют современным требованиям.

Более совершенными являются системы многоточечного впрыска , в которых подача топлива к каждому цилиндру осуществляется индивидуально. Распределенный впрыск мощнее, экономичнее и сложнее. Применение такого впрыска увеличивает мощность двигателя примерно на 7-10 процентов. Основные преимущества распределенного впрыска:

• возможность автоматической настройки на разных оборотах и соответственно улучшение наполнения цилиндров, в итоге при той же максимальной мощности автомобиль разгоняется гораздо быстрее;
• бензин впрыскивается вблизи впускного клапана, что существенно снижает потери на оседание во впускном коллекторе и позволяет осуществлять более точную регулировку подачи топлива.

Как очередное и эффективное средство в деле оптимизации сгорания смеси и повышения КПД бензинового двигателя реализует простые
принципы. А именно: более тщательно распыляет топливо, лучше перемешивает с воздухом и грамотней распоряжается готовой смесью на разных режимах работы двигателя. В итоге двигатели с непосредственным впрыском потребляют меньше топлива, чем обычные «впрысковые» моторы (в особенности при спокойной езде на невысокой скорости); при одинаковом рабочем объеме они обеспечивают более интенсивное ускорение автомобиля; у них чище выхлоп; они гарантируют более высокую литровую мощность за счет большей степени сжатия и эффекта охлаждения воздуха при испарении топлива в цилиндрах. В то же время они нуждаются в качественном бензине с низким содержанием серы и механических примесей, чтобы обеспечить нормальную работу топливной аппаратуры.

А как раз главное несоответствие между ГОСТами, ныне действующими в России и Украине, и евростандартами- повышенное содержание серы, ароматических углеводородов и бензола. Например, российско-украинский стандарт допускает наличие 500 мг серы в 1 кг топлива, тогда как “Евро-3”- 150 мг, «Евро-4»- лишь 50 мг, а «Евро-5»- всего 10 мг. Сера и вода способны активизировать коррозионные процессы на поверхности деталей, а мусор является источником абразивного износа калиброванных отверстий форсунок и плунжерных пар насосов. В результате износа снижается рабочее давление насоса и ухудшается качество распыления бензина. Все это отражается на характеристиках двигателей и равномерности их работы.

Первой применила двигатель с непосредственным впрыском на серийном автомобиле компания Mitsubishi. Поэтому рассмотрим устройство и принципы действия непосредственного впрыска на примере двигателя GDI (Gasoline Direct Injection). Двигатель GDI может работать в режиме сгорания сверхобедненной топливовоздушной смеси: соотношение воздуха и топлива по массе до 30-40:1.

Максимально возможное для традиционных инжекторных двигателей с распределенным впрыском соотношение равно 20-24:1 (стоит напомнить, что оптимальный, так называемый стехиометрический, состав – 14,7:1) – если избыток воздуха будет больше, переобедненная смесь просто не воспламенится. На двигателе GDI распыленное топливо находится в цилиндре в виде облака, сосредоточенного в районе свечи зажигания.

Поэтому, хотя в целом смесь переобедненная, у свечи зажигания она близка к стехиометрическому составу и легко воспламеняется. В то же время, обедненная смесь в остальном объеме имеет намного меньшую склонность к детонации, чем стехиометрическая. Последнее обстоятельство позволяет повысить степень сжатия, а значит увеличить и мощность, и крутящий момент. За счет того, что при впрыскивании и испарении в цилиндр топлива, воздушный заряд охлаждается – несколько улучшается наполнение цилиндров, а также снова снижается вероятность возникновения детонации.

Основные конструктивные отличия GDI от обычного впрыска:

Топливный насос высокого давления (ТНВД). Механический насос (подобный ТНВД дизельного двигателя) развивает давление в 50 бар (у инжекторного двигателя электронасос в баке создает в магистрали давление около 3-3,5 бар).

• Форсунки высокого давления с вихревыми распылителями создают форму топливного факела, в соответствии с режимом работы двигателя. На мощностном режиме работы впрыск происходит на режиме впуска и образуется конический топливовоздушный факел. На режиме работы на сверхбедных смесях впрыск происходит в конце такта сжатия и формируется компактный топливовоздушный
  факел, который вогнутое днище поршня направляет прямо к свече зажигания.
• Поршень. В днище особой формы сделана выемка, при помощи которой топливо-воздушная смесь направляется в район свечи зажигания.
• Впускные каналы. На двигателе GDI применены вертикальные впускные каналы, которые обеспечивают формирование в цилиндре т.н. “обратного вихря”, направляя топливовоздушную смесь к свече и улучшая наполнение цилиндров воздухом (у обычного двигателя вихрь в цилиндре закручен в противоположную сторону).

Режимы работы двигателя GDI

Всего предусмотрено три режима работы двигателя:

• Режим сгорания сверхбедной смеси (впрыск топлива на такте сжатия).
• Мощностной режим (впрыск на такте впуска).
• Двухстадийный режим (впрыск на тактах впуска и сжатия) (применяется на евромодификациях).

Режим сгорания сверхбедной смеси (впрыск топлива на такте сжатия). Этот режим используется при малых нагрузках: при спокойной городской езде и при движении за городом с постоянной скоростью (до 120 км/ч). Топливо впрыскивается компактным факелом в конце такта сжатия в направлении поршня, отражается от него, смешивается с воздухом и испаряется, направляясь в зону свечи зажигания. Хотя в основном объеме камеры сгорания смесь чрезвычайно обеднена, заряд в районе свечи достаточно обогащен, чтобы воспламениться от искры и поджечь остальную смесь. В результате двигатель устойчиво работает даже при общем соотношении воздуха и топлива в цилиндре 40:1.

Работа двигателя на сильнообедненной смеси поставила новую проблему – нейтрализацию отработавших газов. Дело в том, что при этом режиме основную их долю составляют оксиды азота, и поэтому обычный каталитический нейтрализатор становится малоэффективным. Для решения этой задачи была применена рециркуляция отработавших газов (EGR-Exhaust Gas Recirculation), которая резко снижает количество образующихся оксидов азота и установлен дополнительный NO-катализатор.

Система EGR “разбавляя” топливо-воздушную смесь отработавшими газами, снижает температуру горения в камере сгорания, тем самым “приглушая” активное образование вредных оксидов, в том числе NOx. Однако обеспечить полную и стабильную нейтрализацию NOx только за счет EGR невозможно, так как при увеличении нагрузки на двигатель количество перепускаемых ОГ должно быть уменьшено. Поэтому на двигатель с непосредственным впрыском был внедрен NO-катализатор.

Существует две разновидности катализаторов для уменьшения выбросов NOx – селективные (Selective Reduction Type) и
накопительного типа (NOx Trap Type). Катализаторы накопительного типа более эффективны, но чрезвычайно чувствительны к высокосернистым топливам, чему менее подвержены селективные. В соответствии с этим, накопительные катализаторы устнавливаются на модели для стран с низким содержанием серы в бензине, и селективные – для остальных.

Мощностной режим (впрыск на такте впуска). Так называемый “режим однородного смесеобразования” используется при интенсивной городской езде, высокоскоростном загородном движении и обгонах. Топливо впрыскивается на такте впуска коническим факелом, перемешиваясь с воздухом и образуя однородную смесь, как в обычном двигателе с распределенным впрыском. Состав смеси – близок к стехиометрическому (14,7:1)

Двухстадийный режим (впрыск на тактах впуска и сжатия). Этот режим позволяет повысить момент двигателя в том случае, когда водитель, двигаясь на малых оборотах, резко нажимает педаль акселератора. Когда двигатель работает на малых оборотах, а в него вдруг подается обогащенная смесь, вероятность детонации возрастает. Поэтому впрыск осуществляется в два этапа. Небольшое количество топлива впрыскивается в цилиндр на такте впуска и охлаждает воздух в цилиндре. При этом цилиндр заполняется сверхбедной смесью (примерно 60:1), в которой детонационные процессы не происходят. Затем, в конце такта
сжатия, подается компактная струя топлива, которая доводит соотношение воздуха и топлива в цилиндре до “богатого” 12:1.

Почему этот режим введен только для автомобилей для европейского рынка? Да потому что для Японии присущи невысокие скорости движения и постоянные пробки, а Европа- это протяженные автобаны и высокие скорости (а следовательно, высокие нагрузки на двигатель).

Компания Mitsubishi стала пионером в применении непосредственного впрыска топлива. На сегодняшний день аналогичную технологию используют Mercedes (CGI), BMW (HPI), Volkswagen (FSI, TFSI, TSI) и Toyota (JIS). Главный принцип работы этих систем питания аналогичен– подача бензина не во впускной тракт, а непосредственно в камеру сгорания и формирование послойного либо однородного смесеобразования в различных режимах работы мотора. Но подобные топливные системы имеют и различия, причем иногда довольно существенные. Основные из них – рабочее давление в топливной системе, расположение форсунок и их конструкция.

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.

Несколько отличается от бензиновых аналогов. Главным отличием можно считать воспламенение топливно-воздушной смеси, которое происходит не от внешнего источника (искры зажигания), а от сильного сжатия и нагрева.

Другими словами, в дизельном двигателе происходит самовоспламенение топлива. При этом горючее должно подаваться под крайне высоким давлением, так как необходимо максимально эффективно распылить горючее в цилиндрах дизельного мотора. В этой статье мы поговорим о том, какие системы впрыска дизельных двигателей сегодня активно используются, а также рассмотрим их устройство и принцип работы.

Читайте в этой статье

Как работает топливная система дизельного двигателя

Как уже было сказано выше, в дизельном двигателе происходит самовоспламенение рабочей смеси топлива и воздуха. При этом сначала в цилиндр подается только воздух, затем этот воздух сильно сжимается и нагревается от сжатия. Чтобы произошло возгорание, нужно подать ближе к концу такта сжатия.

С учетом того, что воздух сильно сжимается, горючее также необходимо впрыснуть под высоким давлением и эффективно распылить. В различных дизельных давление впрыска может отличаться, начиная, в среднем, с отметки в 100 атмосфер и заканчивая впечатляющим показателем более 2 тыс. атмосфер.

Для наиболее эффективной подачи топлива и обеспечения оптимальных условий для самовоспламенения заряда с последующим полноценным сгоранием смеси топливный впрыск реализован через дизельную форсунку.

Получается, независимо от того, какой тип системы питания используется, в дизельных двигателях всегда присутствуют два основных элемента:

• устройство для создания высокого давления топлива;

Другими словами, на многих дизелях давление создает (топливный насос высокого давления), а подача дизтоплива в цилиндры происходит через форсунки. Что касается отличий, в разных системах топливоподачи насос может иметь ту или иную конструкцию, также по своему устройству отличаются и сами дизельные форсунки.

Еще системы питания могут отличаться по расположению тех или иных составных элементов, имеют разные схемы управления и т.д. Давайте рассмотрим системы впрыска дизельных двигателей более подробно.

Системы питания дизельных двигателей: обзор

Если разделить системы питания дизельных моторов, которые получили наибольшее распространение, можно выделить следующие решения:

• Система питания, в основе которой лежит ТНВД рядного типа (рядный ТНВД);
• Система топливоподачи, которая имеет ТНВД распределительного типа;
• Решения с насос-форсунками;
• Топливный впрыск Common Rail (аккумулятор высокого давления в общей магистрали).

Указанные системы также имеют большое количество подвидов, при этом в каждом случае тот или иной тип является основным.

• Итак, начнем с самой простой схемы, которая предполагает наличие рядного топливного насоса. Рядный ТНВД представляет собой давно известное и проверенное решение, которое используется на дизелях не один десяток лет. Такой насос активно используется на спецтехнике, грузовиках, автобусах и т.д. Если сравнивать его с другими системами, насос достаточно большой по своим габаритам и весу.

В двух словах, в основе рядного ТНВД лежат . Их количество равняется количеству цилиндров двигателя. Плунжерная пара представляет собой цилиндр, который движется в «стакане» (гильзе). При движении вверх происходит сжатие топлива. Затем, когда давление достигает необходимого показателя, происходит открытие специального клапана.

В результате предварительно сжатое топливо поступает на форсунку, после чего происходит впрыск. После того, как плунжер начнет двигаться обратно вниз, открывается канал для впуска топлива. Через канал горючее заполняет пространство над плунжером, далее цикл повторяется. Чтобы солярка попадала в плунжерные пары, дополнительно в системе имеется отдельный подкачивающий насос.

Сами плунжеры работают благодаря тому, что в устройстве насоса имеется кулачковый вал. Этот вал работает подобно , где кулачки «толкают» клапана. Сам вал насоса приводится от двигателя, так как ТНВД соединен с мотором при помощи муфты опережения впрыска. Указанная муфта позволяет корректировать работу и подстраивать ТНВД в процессе эксплуатации двигателя.

• Система питания с распределительным насосом не сильно отличается от схемы с рядным ТНВД. Распределительный ТНВД похож на рядный по конструкции, при этом в нем уменьшено количество плунжерных пар.

Другими словами, если в рядном насосе пары необходимы на каждый цилиндр, то в распределительном достаточно 1 или 2 плунжерных пар. Дело в том, что одной пары в этом случае достаточно для подачи горючего в 2, 3 или даже 6 цилиндров.

Это стало возможным благодаря тому, что плунжер получил возможность не только двигаться вверх (сжатие) и вниз (впуск), но также вращаться вокруг оси. Такое вращение позволило реализовать поочередное открытие выпускных отверстий, через которые дизтопливо под высоким давлением подается на форсунки.

Дальнейшее развитие этой схемы привело к появлению более современного роторного ТНВД. В таком насосе применен ротор, в котором установлены плунжеры. Указанные плунжеры движутся навстречу по отношению друг к другу, а ротор осуществляет вращение. Так происходит сжатие и распределение солярки по цилиндрам мотора.

Главным плюсом распределительного насоса и его разновидностей является сниженный вес и компактность. При этом настраивать данное устройство сложнее. По этой причине дополнительно используются схемы электронного управления и регулировки.

• Система питания типа «насос-форсунка» представляет собой схему, где изначально отсутствует отдельный ТНВД. Если точнее, форсунка и насосная секция были объединены в одном корпусе. В основе лежит уже знакомая плунжерная пара.

Решение имеет ряд преимуществ по сравнению с системами, в которых использован ТНВД. Прежде всего, можно легко отрегулировать подачу топлива в отдельные цилиндры. Также в случае выхода одной форсунки из строя, остальные будут работать.

Также использование насос-форсунок позволяет избавиться от отдельного привода ТНВД. Плунжеры в насос-форсунке приводятся в действие от распредвала ГРМ, который установлен в . Такие особенности позволили дизельным моторам с насос-форсунками получить широкое распространение не только на грузовиках, но и на крупных легковых автомобилях (например, дизельные внедорожники).

• Система Сommon Rail является одной из самых современных решений в области топливного впрыска. Также данная схема питания позволяет добиться максимальной экономичности одновременно с высоким . Параллельно снижается и токсичность отработавших газов.

Система была разработана немецкой фирмой Bosch в 90-х годах. С учетом очевидных преимуществ за короткое время подавляющее большинство дизельных ДВС на легковых и грузовых авто стали оснащать исключительно Сommon Rail.

Общая схема устройства основана на так называемом аккумуляторе высокого давления. Если просто, горючее находится под постоянным давлением, после чего подается к форсункам. Что касается аккумулятора давления, данный аккумулятор фактически является топливной магистралью, куда горючее нагнетается при помощи отдельного ТНВД.

Система Сommon Rail частично напоминает бензиновый инжекторный двигатель, который имеет топливную рампу с форсунками. Бензин в рампу (топливную рейку) нагнетается под небольшим давлением бензонасосом из бака. В дизеле давление намного выше, горючее нагнетает ТНВД.

Благодаря тому, что давление в аккумуляторе постоянное, стало возможным реализовать быстрый и «многослойный» впрыск топлива через форсунки. Современные системы в двигателях Common Rail позволяют форсункам сделать до 9 дозированных впрысков.

В результате дизельный двигатель с такой системой питания экономичный, производительный, работает мягко, тихо и эластично. Также использование аккумулятора давления позволило сделать конструкцию ТНВД на дизельных моторах более простой.

Добавим, что высокоточный впрыск на двигателях Common Rail является полностью электронным, так как за работой системы следит отдельный блок управления. В системе используется группа датчиков, которые позволяют контроллеру точно определить, сколько дизтоплива нужно подать в цилиндры и в какой момент.

Подведем итоги

Как видно, каждая из рассмотренных систем питания дизельного двигателя имеет свои преимущества и недостатки. Если говорить о простейших решениях с рядным ТНВД, их главным плюсом можно считать возможность ремонта и доступность обслуживания.

В схемах с насос-форсунками нужно помнить о том, что данные элементы чувствительны к качеству топлива и его чистоте. Попадание даже мельчайших частиц может вывести из строя насос-форсунку, в результате чего дорогостоящий элемент потребует замены.

Что касается систем Common Rail, главным недостатком является не только высокая начальная стоимость таких решений, но и сложность и дороговизна последующего ремонта и обслуживания. По этой причине за качеством топлива и состоянием топливных фильтров нужно постоянно следить, а также своевременно проводить плановое обслуживание.

Читайте также

Виды дизельных форсунок в разных системах подачи топлива под высоким давлением. Принцип работы, способы управления форсунками, конструктивные особенности.

Устройство и схема работы системы питания дизельного двигателя. Особенности топлива и его подачи, основные компоненты системы питания, турбодизельный ДВС.