Д.Соснін

Починаємо публікацію статей по сучасних систем уприскування палива для бензинових двигунів внутрішнього згоряння легкових автомобілів.

1. Попередні зауваження

Паливне харчування бензинових двигунів на сучасних легкових автомобілях реалізується із застосуванням систем уприскування. Ці системи за принципом дії прийнято поділяти на п'ять основних груп (рис. 1): K, Mono, L, M, D.

2. Переваги систем уприскування

Паливноповітряна суміш (ТВ-суміш) подається від карбюратора до циліндрів двигуна внутрішнього згоряння (ДВЗ) по довгих трубах впускного колектора. Довжина цих труб до різних циліндрах двигуна неоднакова, а в самому колекторі має місце нерівномірність нагріву стінок, навіть на повністю прогрітому двигуні (рис. 2).

Це призводить до того, що з однорідної ТВ-суміші, створеної в карбюраторі, в різних циліндрах ДВС утворюються неоднакові паливо-повітряної заряди. Як наслідок, двигун не віддає розрахункову потужність, втрачається рівномірність крутного моменту, витрата палива і кількість шкідливих речовин у вихлопних газах збільшуються.

Боротися з цим явищем в карбюраторних двигунах дуже складно. Слід також зазначити, що сучасний карбюратор працює на принципі пульверизації, при якій розпорошення бензину відбувається в струмені всмоктується в циліндри повітря. При цьому утворюються досить великі краплі палива (рис. 3, а),

Що не забезпечує якісного перемішування бензину і повітря. Погане перемішування і великі краплі полегшують осідання бензину на стінках впускного колектора і на стінках циліндрів під час всмоктування ТВ-суміші. Але при примусовому розпиленні бензину під тиском через калібрований сопло форсунки частки палива можуть мати значно менші розміри в порівнянні з розпиленням бензину при пульверизації (рис. 3, б). Особливо ефективно бензин розпорошується вузьким пучком під високим тиском (рис. 3, в).

Встановлено, що під час розпилювання бензину на частинки діаметром менше 15 ... 20 мкм його перемішування з киснем повітря відбувається не як зважування частинок, а на молекулярному рівні. Це робить ТВ- суміш більш стійкою до впливу перепадів температури і тиску в циліндрі і довгих трубах впускного колектора, що сприяє більш повному її згорянню.

Так народилася ідея замінити пульверизації жиклери механічного інерційного карбюратора на центральну безінерційну форсунку упорскування (ЦФВ), що відкривається на заданий час по електроімпульсної сигналу управління від блоку електронної автоматики. При цьому, крім якісного розпилення і ефективного перемішування бензину з повітрям, легко отримувати більш високу точність їх дозування в ТВ-суміші на всіх можливих режимах роботи ДВС.

Таким чином, за рахунок застосування системи паливного харчування з уприскуванням бензину двигуни сучасних легкових автомобілів не мають вищевказаних недоліків, властивих карбюраторних двигунів, тобто вони більш економічні, мають більш високою питомою потужністю, підтримують сталість крутного моменту в широкому інтервалі частот обертання, а викид шкідливих речовин в атмосферу з відпрацьованими газами мінімальний.

3. Система вприскування бензину "Mono-Jetronic"

Вперше система центрального одноточечного імпульсного вприскування палива для бензинових двигунів легкових автомобілів була розроблена фірмою BOSCH в 1975 році. Ця система отримала назву "Mono-Jetronic" (Monojet - одиночна струмінь) і була встановлена \u200b\u200bна автомобілі "Volkswagen".

На рис. 4 показаний центральний впорскує вузол системи "Mono-Jetronic". З малюнка видно, що центральна форсунка упорскування (ЦФВ) встановлюється на стандартному впускному колекторі замість звичайного карбюратора.

Але на відміну від карбюратора, в якому автоматика сумішоутворення реалізується механічним керуванням, в моносистемами уприскування застосовується чисто електронне управління.

На рис. 5 показана спрощена функціональна схема системи "Mono-Jetronic".

Електронний блок управління (ЕБУ) працює від вхідних датчиків 1-7, які фіксують поточний стан і режим роботи двигуна. За сукупністю сигналів від цих датчиків і з використанням інформації з тривимірною характеристики вприскування в ЕБУ обчислюються початок і тривалість відкритого стану центральної форсунки 15.

На підставі розрахункових даних в ЕБУ формується електроімпульсної сигнал S управління для ЦФВ. Цей сигнал впливає на обмотку 8 магнітного соленоїда форсунки, запірний клапан 11 якої відкривається, і через розпилювальне сопло 12 бензин примусово під тиском 1,1 бар в топливоподающей магістралі 19 розпорошується у впускний колектор через відкриту дросельну заслінку 14.

При заданих розмірах діафрагми дросельної заслінки і каліброваного перетину розпилювального сопла масове кількість пропущеного в циліндри повітря визначається ступенем відкриття дросельної заслінки, а масове кількість уприснуло в повітряний потік бензину - тривалістю відкритого стану форсунки і підпірною (робочим) тиском в топливоподающей магістралі 19.

Для того щоб бензин згорав повністю і найбільш ефективно, маси бензину і повітря в ТВ-суміші повинні знаходитися в строго певному співвідношенні, рівному 1 / 14,7 (для високооктанових сортів бензину). Таке співвідношення називається стехиометрическим, і йому відповідає коефіцієнт а надлишку повітря, що дорівнює одиниці. Коефіцієнт а \u003d Мд / М0, де М0 - кількість маси повітря, теоретично необхідної для повного згоряння даної порції бензину, а МД маса фактично вигорілого повітря.

Звідси ясно, що в будь-якій системі уприскування палива обов'язково повинен бути вимірник маси повітря, впущених в циліндри двигуна при всмоктуванні.

В системі "Mono-Jetronic" маса повітря розраховується в ЕБУ за показаннями двох датчиків (див. Рис. 4): температури всмоктуваного повітря (ДТВ) і положення дросельної заслінки (ДПД). Пер вий розташований безпосередньо на шляху повітряного потоку у верхній частині центральної форсунки уприскування і являє собою мініатюрний напівпровідниковий термистор, а другий є резистивним потенціометром, движок якого насаджений на поворотну вісь (ПДЗ) дросельної заслінки.

Так як конкретному кутовому положенню дросельної заслінки відповідає строго певне об'ємне кількість пропущеного повітря, то дросельний потенціометр виконує функцію витратоміра повітря. В системі "Mono-Jetronic" він є також датчиком навантаження двигуна.

Але маса всмоктуваного повітря в значній мірі залежить від температури. Холодне повітря більш щільний, а значить більш важкий. У міру підвищення температури щільність повітря і його маса зменшуються. Вплив температури враховується датчиком ДТВ.

Датчик ДТВ температури всмоктуваного повітря, як полупровод ників термистор з негативним температурним коефіцієнтом опору, змінює величину резистивности від 10 до 2,5 кОм при зміні температури від -30 до + 20 ° С. Сигнал датчика ДТВ використовується тільки в такому температурному діапазоні. При цьому базова тривалість уприскування бензину коригується за допомогою ЕБУ в інтервалі 20 ... 0%. Якщо температура всмоктуваного повітря вище + 20 ° С, то сигнал датчика ДТВ блокується в ЕБУ і датчик не використовується.

Сигнали від датчиків положення дросельної заслінки (ДПД) та температури всмоктуваного повітря (ДТВ) у випадках їх відмов дублюються в ЕБУ сигналами датчиків частоти обертання (ДОД) і температури охолоджуючої рідини (ДТД) двигуна.

За розрахованим в ЕБУ обсягом повітря, а також за сигналом про частоту обертання двигуна, який надходить від датчика числа оборотів системи запалювання, визначається необхідна (базова) тривалість відкритого стану центральної форсунки уприскування.

Так як підпірна тиск Рт в топливоподающей магістралі (ПБМ) постійно (для "Mono-Jetronic" Рт \u003d 1 ... 1,1 бар), а пропускна здатність форсунки задана сумарним перетином отворів розпилювального сопла, то час відкритого стану форсунки однозначно визначає кількість уприснуло бензину. Момент уприскування (на рис. 5 сигнал від датчика ДМВ) зазвичай задається одночасно з сигналом на займання ТВ-суміші від системи запалювання (через 180 ° повороту коленвала ДВС).

Таким чином, при електронному управлінні процесом сумішоутворення забезпечення високої точності дозування бензину, що впорскується в виміряний кількість маси повітря є легко розв'язуваної завданням і, в кінцевому рахунку, точність дозування визначається не електронною автоматикою, а точністю виготовлення і функцио нальної надійністю вхідних датчиків і форсунки уприскування.

На рис. 6 показана головна деталь системи "Mono-Jetronic" - центральна форсунка упорскування (ЦФВ).

Центральна форсунка упорскування є бензоклапана, який відкривається електричним імпульсом, що надходять від електронного блоку управління. Для цього в форсунки є електромагнітний соленоїд 8 з рухомим магнітним керном 14. Основною проблемою при створенні клапанів для імпульсного вприскування є необхідність забезпечення високої швидкості спрацьовування запірного пристрою 9 клапана як на відкривання, так і на закриття. Рішення проблеми досягається полегшенням магнітного керна соленоїда, збільшенням струму в імпульсному сигналі управління, підбором пружності поворотної пружини 13, а також формою притертих поверхонь для розпилювального сопла 10.

Сопло форсунки (рис. 6, а) виконано у вигляді розтруба капілярних канальців, число яких зазвичай не менше шести. Кутом при вершині розтруба задається розкривши струменя уприскування, яка має форму воронки. При такій формі струмінь бензину не потрапляє на дросельну заслінку навіть при малому її відкритті, а пролітає в два тонких півмісяця відкрилася щілини.

Центральна форсунка системи "Mono-Jetronic" надійно забезпечує мінімальну тривалість відкритого стану розпилювач ного сопла 11 протягом 1 ± 0,1 мс. За такий час і при робочому тиску в 1 бар через розпилювальне сопло площею в 0,08 мм 2 впорскується близько одного міліграма бензину. Цьому відповідає витрата палива 4 л / год на мінімальних холостих обертах (600 об / хв) прогрітого двигуна. При пуску й прогрівання холодного двигуна форсунка відкривається на більш тривалий час (до 5 ... 7 мс). Але з іншого боку максимальна тривалість уприскування на прогрітому двигуні (час відкритого стану форсунки) обмежується граничною частотою обертання коленвала ДВС (6500 ... 7000 хв-1) в режимі повного дроселя і не може бути більше 4 мс. При цьому тактова частота спрацьовування запірного пристрою форсунки на холостому ходу не менше 20 Гц, а при повному навантаженні - не більше 200 ... 230 Гц.

З особливою ретельністю виготовляється датчик ДПД положення дросельної заслінки (дросельний потенціометр), показаний на рис. 7. Його чутливість до повороту движка має відповідати вимозі ± 0,5 кутових градусів повороту осі 13 дроселя. За суворим кутовому положенню осі дроселя визначаються початку двох режимів роботи двигуна: режиму холостого ходу (3 ± 0,5 °) і режиму повного навантаження (72,5 ± 0,5 °).

Для забезпечення високої точності і надійності резистивні доріжки потенціометра, яких чотири, включені за схемою, показаної на рис. 7, б, а вісь движка потенціометра (движок двоконтактний) посаджена в безлюфтовий тефлоновий підшипник ковзання.

Потенціометр і ЕБУ з'єднані між собою чотирьох провідних кабелем через контактний роз'єм. Для підвищення надійності з'єднань контакти в роз'ємі і в фішці потенціометра позолочені. Контакти 1 і 5 призначені для подачі опорного напруги 5 ± 0,01 В. Контакти 1 і 2 - для зняття сигнального напруги при повороті дросельної заслінки на кут від 0 до 24 ° (0 ... 30 - режим холостого ходу; 3 .. .24 ° - режим малих навантажень двигуна). Контакти 1 і 4 - для зняття сигнального напруги при повороті дросельної заслінки на кут від 18 до 90 ° (18 ... 72,5 ° - режим середніх навантажень, 72,5 ... 90 ° - режим повного навантаження двигуна).

Сигнальне напруга з дросельного потенціометра додатково використовується:
для збагачення ТВ-суміші при розгоні автомобіля (реєструється швидкість зміни сигналу від потенціометра);
для збагачення ТВ-суміші в режимі повного навантаження (реєструється значення сигналу з потенціометра після 72,5 ° повороту дросельної заслінки в бік збільшення);
для припинення впорскування палива в режимі примусового холостого ходу (реєструється сигнал потенціометра, якщо кут відкритого стану дросельної заслінки менше 3 °. Одночасно контролюється частота W обертання двигуна: якщо W\u003e 2100 хв-1, то подача палива припиняється і відновлюється знову при W
Цікавою особливістю системи упорскування "Mono-Jetronic" є наявність в її складі підсистеми стабілізації оборотів холостого ходу за допомогою електросервоприводом, який впливає на вісь дросельної заслінки (рис. 8). Електросервоприводом забезпечений реверсним електродвигуном 11 постійного струму.

Сервопривод включається в роботу в режимі холостого ходу і спільно зі схемою відключення вакуумного регулятора кута випередження запалювання (стабілізації холостого ходу - рис. 2) забезпечує стабілізацію частоти обертання двигуна в цьому режимі.

Така підсистема стабілізації холостого ходу працює наступним чином.

Коли кут відкритого стану дросельної заслінки менше 3 °, сигнал К (див. Рис. 9)

Є для ЕБУ сигналом режиму холостого ходу (замикається кінцевий вимикач ВК штоком сервоприводу). За цим сигналом запірний пневмоклапан ЗПК спрацьовує і канал розрідження від задроссельним зони впускного колектора до вакуумного регулятора ВР перекривається. Вакуумний регулятор з цього моменту не працює і кут випередження запалювання стає рівним значенню установочного кута (6 ° до ВМТ). При цьому двигун на холостих обертах працює стійко. Якщо в цей час включається кондиціонер або інший потужний споживач енергії двигуна (наприклад, фари дальнього світла опосередковано через генератор), то його обороти починають падати. Двигун може стихнути. Щоб цього не відбувалося, по команді від електронної схеми управління холостим ходом (ЕСХХ) в контролері включається електросервоприводом, який кілька відкриває дросельну заслінку. Обороти збільшуються до номінального значення для даної температури двигуна. Ясно, що при знятті навантаження з двигуна його звороти зменшуються до норми тим же електросервоприводом.

У ЕБУ системи "Mono-Jetronic" є мікропроцесор МКП (див. Рис. 5) з постійною і оперативною пам'яттю (блок ЗУ). У постійну пам'ять "зашита" еталонна тривимірна характеристика упорскування (ТХВ). Ця характеристика в якійсь мірі подібна тривимірної характеристиці запалювання, але відрізняється тим, що її вихідним параметром є не кут випередження запалювання, а час (тривалість) відкритого стану центральної форсунки уприскування. Вхідними координатами характеристики ТХВ є частота обертання двигуна (сигнал надходить від контролера системи запалювання) і обсяг всмоктуваного повітря (розраховується мікропроцесором в ЕБУ уприскування). Еталонна характеристика ТХВ несе в собі опорну (базову) інформацію про стехиометрическом співвідношенні бензину і повітря в ТВ-суміші при всіх можливих режимах і умовах роботи двигуна. Ця інформація вибирається з пам'яті ЗУ в мик ропроцессор ЕБУ по вхідним координатам характеристики ТХВ (за сигналами датчиків ДОД, ДПД, ДТВ) і коригується за сигналами від датчика температури охолоджуючої рідини (ДТД) і кисневого датчика (КД).

Про кисневому датчику треба сказати окремо. Наявність його в системі уприскування дозволяє утримувати склад ТВ-суміші постійно в стехиометрическом співвідношенні (а \u003d 1). Це досягається тим, що датчик КД працює в ланцюзі глибокої адаптивної зворотного зв'язку від системи випуску відпрацьованих газів до системи паливного харчування (до системи упорскування).

Він реагує на різницю концентрації кисню в атмосфері і в вихлопних газах. По суті справи датчик КД є хімічним джерелом струму першого роду (гальванічним елементом) з твердим електролітом (спеціальна стільниковий металокераміка) і з високою (не нижче 300 ° С) робочою температурою. ЕРС такого датчика майже по ступінчастому закону залежить від різниці концентрації кисню на його елект пологах (платино-Радієвий плівкове покриття з різних сторін пористої кераміки). Найбільша крутизна (перепад) сходинки ЕРС доводиться на значення а \u003d 1.

Датчик КД вворачивается в трубу випускного каналу (наприклад, у вихлопній колектор) і його чутлива поверхня (позитивний електрод) виявляється в потоці вихлопних газів. Над кріпильної різьбленням датчика є щілини, через які зовнішній негативний електрод повідомляється з атмосферним повітрям. На автомобілях з каталітичним газонейтралізатором кисневий датчик встановлюється перед нейтралізатором і має спіраль електропідігріву, так як температура випускних газів перед нейтралізатором може бути нижче 300 ° С. Крім того, електропідігрів кисневого датчика прискорює його підготовку до роботи.

Сигнальними проводами датчик з'єднаний з ЕБУ уприскування. Коли в цилинд ри надходить бідна суміш (а\u003e 1), то концентрація кисню у вихлопних газах трохи вище штатної (при а \u003d 1). Датчик КД видає низька напруга (близько 0,1 В) і ЕБУ по цьому сигналу коригує час тривалості упорскування бензину в бік його збільшення. Коефіцієнт а знову наближається до одиниці. При роботі двигуна на багатій суміші кисневий датчик видає напругу близько 0,9 В і працює в зворотному порядку.

Цікаво відзначити, що кисневий датчик бере участь в процесі сумішоутворення тільки на режимах роботи двигуна, при яких збагачення ТВ-суміші обмежена значенням а\u003e 0,9. Це такі режими як навантаження на низьких і середніх оборотах і холостий хід на прогрітому двигуні. В іншому випадку датчик КД відключається (блокується) в ЕБУ і корекція складу ТВ-суміші по концентрації кисню у відпрацьованих газах не провадиться. Це має місце, наприклад, в режимах пуску і прогріву холодного двигуна і на його форсованих режимах (розгону і повного навантаження). У цих режимах потрібно значне збагачення ТВ-суміші і тому спрацьовування кисневого датчика ( "притискає" коефіцієнт а до одиниці) тут неприпустимо.

На рис. 10 приведена функціональна схема системи упорскування "Mono-Jetronic" з усіма складовими її компонентами.

Будь-яка система уприскування в своїй топливоподающей підсистемі обов'язково містить замкнутий топ зливи кільце, яке починається від бензобака і закінчується там же. Сюди входять: бензобак ББ, електробензонасос ЕБН, фільтр тонкого очищення палива ФТОТ, розподільник палива РТ (в системі "Mono-Jetronic" - це центральна форсунка упорскування) і регулятор тиску РД, що працює за принципом стравлювати клапана при перевищенні заданого робочого тиску в замкнутому кільці (для системи "Mono-Jetronic" 1 ... 1,1 бар).

Замкнутий паливне кільце виконує три функції:

За допомогою регулятора тиску підтримує необхідну постійне робоче тиск для розподільника палива;

За допомогою подпружиненной діафрагми в регуляторі тиску зберігає деяке залишкове тиск (0,5 бар) після вимкнення двигуна, завдяки чому не допускається утворення парових і повітряних пробок в паливних магістралях при охолодженні двигуна;

Забезпечує охолодження системи упорскування за рахунок постійної циркуляції бензину по замкнутому контуру. На закінчення слід зазначити, що система "Mono-Jetronic" використовується тільки на легкових автомобілях середнього споживчого класу, наприклад таких як західно-німецькі автомобілі: "Volkswagen-Passat", "Volkswagen-Polo", "Audi-80".
РЕМОНТ & СЕРВІС-2 «2000

Зараз одним з основних завдань перед конструкторськими бюро автовиробників є створення силових установок, що споживають якомога менше палива і викидають в атмосферу знижена кількість шкідливих речовин. При цьому всього цього необхідно домогтися з умовою того, що вплив на робочі параметри (потужність, крутний момент) буде мінімальним. Тобто, необхідно зробити мотор економічним, і в той же час потужним і тяговітим.

Для досягнення результату переробкам і доопрацюванням піддаються практично всі вузли і системи силового агрегату. Особливо це стосується системи харчування, адже саме вона відповідає за надходження палива в циліндри. Останньою розробкою в даному напрямку вважається безпосереднє уприскування палива в камери згоряння силової установки, що функціонує на бензині.

Суть цієї системи зводиться до роздільної подачі компонентів горючої суміші - бензину і повітря в циліндри. Тобто принцип її функціонування дуже схожий на роботу дизельних установок, де смесеобразование виконується в камерах згоряння. Але у бензинового агрегату, на якому встановлена \u200b\u200bсистема безпосереднього уприскування, є ряд особливостей процесу закачування складових паливної суміші, його змішування і згоряння.

Трохи історії

Пряме впорскування - ідея не нова, в історії є ряд прикладів, де така система використовувалася. Перше масове використання такого типу харчування мотора було в авіації в середині минулого століття. Використовувати її намагалися і на автотранспорті, проте широкого поширення вона не отримала. Систему тих років можна розглядати як якийсь прототип, оскільки вона була повністю механічною.

«Друге життя» система безпосереднього уприскування отримала в середині 90-х років 20 століття. Першими свої авто з установками, що мають пряме упорскування, оснастили японці. Розроблений в Mitsubishi агрегат отримав позначення GDI, яке є абревіатурою «Gasoline Direct Injection», що позначається як безпосереднє уприскування палива. Трохи пізніше Toyota створила свій мотор - D4.

Пряме впорскування палива

Згодом мотори, в яких використовується пряме упорскування, з'явилися і в інших виробників:

• Концерн VAG - TSI, FSI, TFSI;
• Mercedes-Benz - CGI;
• Ford - EcoBoost;
• GM - EcoTech;

Безпосередній впорскування не є окремим, абсолютно новим типом, і відноситься він до інжекторним системам подачі палива. Але на відміну від попередників, паливо у нього впорскується під тиском відразу в циліндри, а не як раніше - у впускний колектор, де бензин перемішувався з повітрям перед подачею в камери згоряння.

Конструктивні особливості та принцип роботи

Пряме впорскування бензину за принципом дуже схожий з дизелем. У конструкції такої системи харчування є додатковий насос, після якого бензин вже під тиском надходить на форсунки, встановлені в ГБЦ з розпилювачами, що знаходяться в камері згоряння. У необхідний момент форсунка подає паливо в циліндр, куди через впускний колектор вже закачано повітря.

Конструкція даної системи харчування включає:

• бак з встановленим в ньому топливоподкачивающим насосом;
• магістралі низького тиску;
• фільтруючі елементи очистки палива;
• насос, який створює підвищений тиск з встановленим регулятором (ТНВД);
• магістралі високого тиску;
• рампа з форсунками;
• перепускний і запобіжний клапани.

Схема паливної системи з безпосередній уприскуванням

Призначення частини елементів, такі як бак з насосом і фільтра описані в інших статтях. Тому розглянемо призначення ряду вузлів, що використовуються тільки в системі прямого впорскування.

Одним з основних елементів в даній системі є насос високого тиску. Він забезпечує надходження палива під значним тиском в паливну рампу. Конструкція його у різних виробників відрізняється - одне або многоплунжерние. Привід же здійснюється від розподільних валів.

Також в систему включені клапана, які запобігають перевищення тиску палива в системі вище критичних значень. В цілому ж регулювання тиску виконується в декількох місцях - на виході з насоса високого тиску регулятором, який входить в конструкцію ТНВД. Є перепускний клапан, який контролює тиск на вході в насос. Запобіжний же клапан стежить за тиском в рампі.

Працює все так: топливоподкачивающий насос з бака по магістралі низького тиску подає бензин на ТНВД, при цьому бензин проходить через фільтр тонкого очищення палива, де видаляються великі домішки.

Плунжерні пари насоса створюють тиск палива, яке при різних режимах роботи двигуна варіюється від 3 до 11 МПа. Уже під тиском паливо по магістралях високого тиску надходить в рампу, яка розподіляється по його форсунок.

Робота форсунок контролюється електронним блоком управління. При цьому він ґрунтується на свідченнях безлічі датчиків двигуна, після аналізу даних, він виробляє управління форсунками - моменту уприскування, кількості палива і способу розпилу.

Якщо на ТНВД подається кількість палива більше необхідного, то спрацьовує перепускний клапан, який частина палива повертає в бак. Також частина палива скидається в бак в разі перевищення тиску в рампі, але робиться це вже запобіжним клапаном.

пряме впорскування

типи сумішоутворення

Використовуючи безпосереднє уприскування палива, інженерам вдалося знизити витрату бензину. І все досягнуто можливістю використання декількох типів сумішоутворення. Тобто під певні умови роботи силової установки подається свій тип суміші. Причому система контролює і управляє не тільки подачею палива, для забезпечення того чи іншого типу сумішоутворення встановлюється ще й певний режим подачі повітря в циліндри.

Всього ж прямий впорскування здатний забезпечити два основних типи суміші в циліндрах:

• пошарова;
• Стехіометрична гомогенна;

Це дозволяє підібрати суміш, яка при певній роботі мотора, забезпечить найбільшу ККД.

Пошарове сумішоутворення дозволяє двигуну функціонувати на дуже бідної суміші, в якій масова частка повітря більше паливної частини в більш ніж 40 раз. Тобто в циліндри подається дуже велика кількість повітря, а потім в неї додається трохи палива.

У нормальних умовах така суміш від іскри не світиться. Щоб займання сталося, конструктори додали днищу поршня особливу форму, що забезпечує завихрення.

При такому сумішоутворення в камеру згоряння повітря, спрямований заслінкою, надходить на великій швидкості. В кінці такту стиснення форсунка впорскує паливо, яке досягаючи днища поршня, за рахунок завихрення піднімається вгору до свічки запалювання. В результаті в зоні електродів суміш є збагаченої і легковоспламенімой, в той час як навколо цієї суміші знаходиться повітря практично без частинок палива. Тому таке смесеобразование і отримало назву пошарового - всередині є шар з збагаченої сумішшю, поверх якого знаходиться ще один шар, практично без палива.

Дане смесеобразование забезпечує мінімальне споживання бензину, але і готує таку суміш система лише при рівномірному русі, без різких прискорень.

Стехіометричне смесеобразование - це виготовлення паливної суміші в оптимальних пропорціях (14,7 частини повітря на 1 частина бензину), що забезпечує максимальний вихід потужності. Така суміш вже запалюється легко, тому потреби у створенні збагаченого шару біля свічки не потрібно, навпаки, для ефективного згоряння необхідно, щоб бензин рівномірно розподілився в повітрі.

Тому паливо впорскується форсунками на також стиснення, і до займання воно встигає добре переміщатися з повітрям.

Таке смесеобразование забезпечується в циліндрах під час прискорень, коли необхідний максимальний вихід потужності, а не економічність.

Конструкторам довелося також вирішувати питання з переходом двигуна з бідної суміші на збагачену під час різких прискорень. Щоб не сталося детонаційного згоряння, під час переходу використовується подвійний уприскування.

Перша закачування палива виконується на такті впуску, при цьому паливо виступає в якості охолоджувача стінок камери згоряння, що виключає детонацію. Друга порція бензину подається вже на кінці такту стиснення.

Система безпосереднього впорскування палива завдяки застосуванню відразу декількох типів сумішоутворення, дозволяє непогано заощаджувати паливо без особливого впливу на показники потужності.

Під час прискорень двигун працює на звичайній суміші, а після набору швидкості, коли режим руху розмірений і без різких перепадів, силова установка переходить на дуже обедненную суміш, тим самим заощаджуючи паливо.

В цьому і криється основна перевага такої системи харчування. Але є у неї і важливий недолік. У паливному насосі високого тиску, а також в форсунках використовуються прецизійні пари з високим ступенем обробки. Саме вони і є слабким місцем, оскільки ці пари дуже чутливі до якості бензину. Наявність сторонніх домішок, сірки і води здатне вивести ТНВД і форсунки з ладу. Додатково, бензин має дуже слабкими змащувальні властивості. Тому знос прецизійних пар вище, ніж у того ж дизельного мотора.

До того ж сама система безпосередньої подачі палива конструктивно більш складна і дорога, ніж та ж система розподіленого вприскування.

нові розробки

Конструктори ж на досягнутому не зупиняються. Своєрідну доопрацювання прямого вприскування зробили в концерні VAG в силовому агрегаті TFSI. У нього систему харчування об'єднали з турбокомпресором.

Цікаве рішення запропонувала компанія Orbital. Вони розробили особливу форсунку, яка крім палива впорскує в циліндри ще й стиснене повітря, що подається від додаткового компресора. Така топливовоздушная суміш має відмінну воспламеняемостью і добре згоряє. Але це поки тільки розробка і чи знайде вона застосування на авто, поки невідомо.

В цілому ж, безпосереднє уприскування зараз є найкращою системою харчування в плані економічності та екологічності, хоч і є у неї свої недоліки.

Концептуально двигуни внутрішнього згоряння - бензинові і дизельні практично ідентичні, але існує між ними ряд відмінних рис. Однією з основних є різний перебіг процесів горіння в циліндрах. У дизеля паливо спалахує від впливу високих температур і тиску. Але для цього необхідно, щоб дизпаливо подавалося безпосередньо в камери згоряння не тільки в строго певний момент, але ще і під високим тиском. І це забезпечують системи упорскування дизельних двигунів.

Постійне посилення екологічних норм, спроби отримати більший вихід потужності при менших витратах палива забезпечують появу все нових конструктивних рішень в.

Принцип роботи у всіх існуючих видів уприскування дизеля ідентичний. Основними елементами живлення є паливний насос високого тиску (ТНВД) і форсунка. У завдання першої складової входить нагнітання дизпалива, завдяки чому тиск в системі значно підвищується. Форсунка ж забезпечує подачу палива (в стислому стані) в камери згоряння, при цьому розпорошуючи його для забезпечення кращого сумішоутворення.

Варто відзначити, що тиск палива безпосередньо впливає на якість згоряння суміші. Чим воно вище, тим дизпаливо краще згорає, забезпечуючи більший вихід потужності і менший вміст забруднюючих речовин у відпрацьованих газах. І для отримання більш високих показників тиску використовували найрізноманітніші конструктивні рішення, що і призвело до появи різних видів систем харчування дизеля. Причому всі зміни стосувалися виключно зазначених двох елементів - ТНВД і форсунок. Решта ж складові - бак, топлівопроводи, фільтруючі елементи, по суті, ідентичні у всіх наявних видах.

Типи дизельних систем харчування

Дизельні силові установки можуть бути оснащені системою впорскування:

• з рядним насосом високого тиску;
• з насосами розподільного типу;
• акумуляторного типу (Common Rail).

З рядним насосом

Рядний ТНВД на 8 форсунок

Спочатку ця система була повністю механічною, але після в її конструкції почали використовуватися електромеханічні елементи (стосується регуляторів зміни циклової подачі дизпалива).

Основна особливість цієї системи полягає в насосі. У ньому плунжерні пари (прецизійні елементи, що створюють тиск) обслуговували кожен свою форсунку (кількість їх відповідала кількості форсунок). Причому ці пари розміщувалися в ряд, звідси і назва.

До переваг системи з рядним насосом можна віднести:

• Надійність конструкції. Насос мав систему змащення, що забезпечувало вузлу великий ресурс;
• Невисока чутливість до чистоти палива;
• Порівняльна простота і висока ремонтопридатність;
• Великий ресурс насоса;
• Можливість роботи мотора при відмові однієї секції або форсунки.

Але недоліки у такої системи більш істотні, що і призвело до поступової відмови від неї і віддання переваги більш сучасним. Негативними сторонами такого вприскування вважаються:

• Невисокі швидкодію і точність дозування палива. Механічна конструкція просто не здатна це забезпечити;
• Порівняно невисока створюваний тиск;
• У завдання ТНВД входить не тільки створення тиску палива, але ще і регулювання циклової подачі і момент уприскування;
• Створюваний тиск безпосередньо залежить від оборотів колінчастого вала;
• Великі габарити і маса насоса.

Ці недоліки, і в першу чергу - невисока створюваний тиск, призвело до відмови від цієї системи, оскільки вона просто перестала вписуватися в стандарти по екологічності.

З насосом розподіленого типу

ТНВД розподіленого уприскування стала наступним етапом у розвитку систем харчування дизельних агрегатів.

Спочатку така система була теж механічної і відрізнялася від описаної вище лише конструкцією насоса. Але з часом в її пристрій додали систему електронного управління, яка покращила процес регулювання уприскування, що позитивно позначилося на показниках економічності мотора. Певний період така система вписувалася в стандарти екологічності.

Особливість цього типу уприскування зводилася до того, що конструктори відмовилися від використання багатосекційній конструкції насоса. У ТНВД почала використовуватися лише одна плунжерні пара, яка обслуговує всі наявні форсунки, кількість яких варіюється від 2 до 6. Для забезпечення подачі палива на всі форсунки, плунжер робить не тільки поступальні рухи, але ще і обертальні, які і забезпечують розподіл дизпалива.

ТНВД з насосом розподіленого типу

До позитивних якостей таких систем ставилися:

• Малі габаритні розміри і маса насоса;
• Кращі показники по паливній економічності;
• Використання електронного управління підвищило показники системи.

До недоліків же системи з насосом розподіленого типу відносяться:

• Невеликий ресурс плунжерній пари;
• Мастило складових елементів здійснюється паливом;
• Багатофункціональність насоса (крім створення тиску він ще управляється подачею і моментом упорскування);
• При відмові насоса система припиняла працювати;
• Чутливість до завоздушіванію;
• Залежність тиску від оборотів двигуна.

Широке поширення такий тип впорскування отримав на легкових авто і невеликому комерційному транспорті.

Насос-форсунки

Особливість цієї системи полягає в тому, що форсунка і плунжерні пара об'єднані в єдину конструкцію. Привід секції цього паливного вузла здійснюється від розподільного вала.

Примітно, що така система може бути як повністю механічною (управління уприскуванням здійснюється рейкою і регуляторами), так і електронної (використовуються електромагнітні клапани).

Насос-форсунка

Якоїсь різновидом цього типу уприскування є використання індивідуальних насосів. Тобто для кожної форсунки передбачається своя секція, що приводиться в дію від розподільного валу. Секція може розташовуватися безпосередньо в ГБЦ або бути винесеною в окремий корпус. У такій конструкції використовуються звичайні гідравлічні форсунки (тобто, система механічна). На відміну від уприскування з ТНВД, магістралі високого тиску - дуже короткі, що дозволило значно збільшити тиск. Але така конструкція особливого поширення не отримала.

До позитивних якостей насос-форсунок харчування можна віднести:

• Значні показники створюваного тиску (найвищі серед всіх використовуваних типів упорскування);
• Невелика металоємність конструкції;
• Точність дозування і реалізації багаторазового впорскування (в форсунках з електромагнітними клапанами);
• Можливість роботи двигуна при відмові однієї з форсунок;
• Заміна пошкодженого елемента не складна.

Але є в такому типі уприскування і недоліки, серед яких:

• Неремонтоздатність насос-форсунок (при поломці потрібно їх заміна);
• Висока чутливість до якості палива;
• Створюваний тиск залежить від оборотів двигуна.

Насос-форсунки набули широкого поширення на комерційному та вантажному транспорті, а також цю технологію використовували деякі виробники легкових авто. Зараз вона не дуже часто використовується через високу вартість обслуговування.

Common Rail

Поки є найдосконалішою в плані економічності. Також вона повністю вписується в останні стандарти екологічності. До додаткових «плюсів» можна віднести її застосовність на будь-яких дизельних двигунах, починаючи від легкових авто і закінчуючи морськими судами.

Система вприскування Common Rail

Особливість її полягає в тому, що багатофункціональність ТНВД не потрібно, і в його завдання входить лише нагнітання тиску, причому не для кожної форсунки окремо, а загальну магістраль (паливну рампу), а вже від неї дизпаливо подається на форсунки.

При цьому паливні трубопроводи, між насосом, рампою і форсунками мають порівняно невелику довжину, що дозволило підвищити створюваний тиск.

Управління роботою в цій системі здійснюється електронним блоком, що значно збільшило точність дозування і швидкість роботи системи.

Позитивні якості Common Rail:

• Висока точність дозування і використання багаторежимного вприскування;
• Надійність ТНВД;
• Немає залежності значення тиску від оборотів мотора.

Негативні ж якості у цій системи такі:

• Чутливість до якості палива;
• Складна конструкція форсунок;
• Відмова системи при найменших втратах тиску через розгерметизацію;
• Складність конструкції через наявність ряду додаткових елементів.

Незважаючи на ці недоліки автовиробники все більше віддають перевагу Common Rail перед іншими видами систем уприскування.

Матеріал з Енциклопедія журналу "За кермом"

Схема двигуна Volkswagen FSI з безпосереднім уприскуванням бензину

Перші системи упорскування бензину безпосередньо в циліндри двигуна з'явилися ще в першій половині ХХ ст. і використовувалися на авіаційних двигунах. Спроби застосування безпосереднього уприскування в бензинових двигунах автомобілів були припинені в 40-ті роки ХХ ст., Тому що такі двигуни виходили дорогими, неекономічними і сильно диміли на режимах великої потужності. Впорскування бензину безпосередньо в циліндри пов'язано з певними труднощами. Форсунки для безпосереднього вприскування бензину працюють в більш складних умовах, ніж ті, що встановлені у впускному трубопроводі. Головка блоку, в яку повинні встановлюватися такі форсунки, виходить більш складною і дорогою. Час, відведений на процес сумішоутворення при безпосередньому уприскуванні, істотно зменшується, а значить, для хорошого сумішоутворення необхідно подавати бензин під великим тиском.
З усіма цими труднощами вдалося впоратися фахівцям компанії Mitsubishi, яка вперше застосувала систему безпосереднього вприскування бензину на автомобільних двигунах. Перший серійний автомобіль Mitsubishi Galant з двигуном 1,8 GDI (Gasoline Direct Injection - безпосереднє уприскування бензину) з'явився в 1996 р
Переваги системи безпосереднього вприскування полягають в основному в поліпшенні паливної економічності, а також і деякого підвищення потужності. Перше пояснюється здатністю двигуна з системою безпосереднього вприскування працювати на дуже бідних сумішах. Підвищення потужності обумовлено в основному тим, що організація процесу подачі палива в циліндри двигуна дозволяє підвищити ступінь стиснення до 12,5 (в звичайних двигунах, що працюють на бензині, рідко вдається встановити ступінь стиснення понад 10 через настання детонації).

Форсунка двигуна GDI може працювати в двох режимах, забезпечуючи потужний (а) або компактний (б) факел розпорошеного бензину

У двигуні GDI паливний насос забезпечує тиск 5 МПа. Електромагнітна форсунка, встановлена \u200b\u200bв головці блоку циліндрів, впорскує бензин безпосередньо в циліндр двигуна і може працювати в двох режимах. Залежно від подаваного електричного сигналу вона може вводити паливо або потужним конічним факелом, або компактної струменем.

Поршень двигуна з безпосереднім уприскуванням бензину має спеціальну форму (процес згоряння над поршнем)

Днище поршня має спеціальну форму у вигляді сферичної виїмки. Така форма дозволяє закрутити вступник повітря, направити впорскується паливо до свічки запалювання, встановленої по центру камери згоряння. Впускний трубопровід розташований не збоку, а вертикально зверху. Він не має різких вигинів, і тому повітря надходить з високою швидкістю.

В роботі двигуна з системою безпосереднього вприскування можна виділити три різних режиму:
1) режим роботи на надбідних сумішах;
2) режим роботи на стехиометрической суміші;
3) режим різких прискорень з малих оборотів;
Перший режим використовується в тому випадку, коли автомобіль рухається без різких прискорень зі швидкістю близько 100-120 км / ч. На цьому режимі використовується дуже бідна горюча суміш з коефіцієнтом надлишку повітря більше 2,7. У звичайних умовах така суміш не може спалахнути від іскри, тому форсунка впорскує паливо компактним факелом в кінці такту стиснення (як в дизелі). Сферична виїмка в поршні направляє струмінь палива до електродів свічки запалювання, де висока концентрація парів бензину забезпечує можливість займання суміші.
Другий режим використовується при русі автомобіля з високою швидкістю і при різких прискореннях, коли необхідно отримати високу потужність. Такий режим руху вимагає стехіометричного складу суміші. Суміш такого складу легко запалюється, але у двигуна GDI підвищена ступінь стиснення, і для того щоб не наступала детонація, форсунка впорскує паливо потужним факелом. Дрібно розпорошену паливо заповнює циліндр і, випаровуючись, охолоджує поверхні циліндра, знижуючи ймовірність появи детонації.
Третій режим необхідний для отримання великого крутного моменту при різкому натисканні педалі «газу», коли двигун працює на малих обертах. Цей режим роботи двигуна відрізняється тим, що протягом одного циклу форсунка спрацьовує два рази. Під час такту впуску в циліндр для його охолодження потужним факелом впорскується надбідних суміш (α \u003d 4,1). В кінці такту стиснення форсунка ще раз впорскує паливо, але компактним факелом. При цьому суміш в циліндрі збагачується і детонація не настає.
У порівнянні зі звичайним двигуном з системою харчування з розподіленим уприскуванням бензину, двигун з системою GDI приблизно на 10% економічніше і викидає в атмосферу на 20% менше вуглекислого газу. Підвищення потужності двигуна доходить до 10%. Однак, як показала експлуатація автомобілів з двигунами такого типу, вони дуже чутливі до вмісту сірки в бензині. Оригінальний процес безпосереднього вприскування бензину розробила компанія Orbital. У цьому процесі в циліндри двигуна впорскується бензин, заздалегідь змішаний з повітрям за допомогою спеціальної форсунки. Форсунка компанії Orbital складається з двох жиклерів, паливного і повітряного.

Робота форсунки Orbital

Повітря до повітряних жиклерів поступає в стислому вигляді від спеціального компресора при тиску 0,65 МПа. Тиск палива складає 0,8 МПа. Спочатку спрацьовує паливний жиклер, а потім в потрібний момент і повітряний, тому в циліндр, потужним факелом впорскується паливно-повітряна суміш у вигляді аерозолю.
Форсунка, встановлена \u200b\u200bв головці циліндра поруч зі свічкою запалення, впорскує паливно-повітряну струмінь безпосередньо на електроди свічки запалювання, що забезпечує її гарне займання.

Конструктивні особливості двигуна з безпосереднім уприскуванням бензину Audi 2.0 FSI

Сучасні автомобілі оснащують різними системами з уприскуванням палива. У двигунах, що працюють на бензині, суміш палива та повітря примусово займається за допомогою іскри.

Система з уприскуванням палива є невід'ємним елементом. Форсунка є головним робочим елементом будь-якої системи упорскування.

Бензинові двигуна оснащуються системами з уприскуванням, які розрізняються між собою способом утворення суміші палива з повітрям:

• системи з центральним уприскуванням;
• системи з розподіленим уприскуванням;
• системи з безпосереднім уприскуванням.

Центральний уприскування, або інакше його називають моновприск (Monojetronic), здійснюється однією центральною електромагнітної форсункою, яка впорскує паливо у впускний колектор. Це чимось нагадує карбюратор. Зараз автомобілі з такою системою впорскування не виробляються, тому що у автомобіля з такою системою спостерігається і невисокі екологічні властивості автомобіля.

Система розподіленого уприскування постійно з роками удосконалювалася. Початок поклала система K-jetronic. Впорскування був механічним, що давало йому хорошу надійність, але витрата палива був вельми високим. Паливо додавайте НЕ імпульсно, а постійно. На зміну даної системи прийшла система KE-jetronic.

Вона нічим принципово не відрізнялася від K-jetronic, Але з'явився електронний блок управління (ЕБУ), який дозволив незначно скоротити витрату палива. Але і ця система не принесла очікуваних результатів. з'явилася система L-jetronic.

В якій ЕБУ сприймав сигнали від датчиків і направляв електромагнітний імпульс на кожну форсунку. Система мала хорошими економічними та екологічними показниками, але конструктора не стали на цьому зупинятися, і розробили абсолютно нову систему Motronic.

Блок управління став управляти і уприскуванням палива, і системою запалювання. Паливо стало краще згоряти в циліндрі, збільшилася потужність двигуна, зменшився витрата і шкідливі викиди автомобіля. У всіх цих системах представлених вище впорскування здійснюється окремої форсункою на кожен циліндр у впускний колектор, де і відбувається утворення суміші палива з повітрям, яка потрапляє в циліндр.

Найбільш перспективною системою на сьогоднішній день є система з безпосереднім уприскуванням.

Суть даної системи полягає в тому, що паливо впорскується відразу в камеру згоряння кожного циліндра, і вже там змішується з повітрям. Система визначає і подає оптимальний склад суміші в циліндр, що забезпечує хорошу потужність на різних режимах роботи двигуна, хорошу економічність і високі екологічні властивості двигуна.

Але з іншого боку, двигуна з даною системою впорскування володіють вищою ціною в порівнянні зі своїми попередниками, через складність своєї конструкції. Так само дана система дуже вимоглива до якості палива.