Д.Соснін

Починаємо публікацію статей з сучасних систем упорскування палива для бензинових двигунів внутрішнього згоряння легкових автомобілів.

1. Попередні зауваження

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

2. Переваги систем упорскування

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

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

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

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

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

Так народилася ідея замінити пульверизаційні жиклери механічного інерційного карбюратора на центральну безінерційну форсунку впорскування (ЦФВ), що відкривається на заданий час електроімпульсним сигналом управління від блоку електронної автоматики. При цьому, окрім якісного розпилення та ефективного перемішування бензину з повітрям, легко отримувати більш високу точність їхнього дозування у ТБ-суміші на всіх можливих режимах роботи ДВЗ.

Таким чином, за рахунок застосування системи паливного живлення з упорскуванням бензину двигуни сучасних легкових автомобілів не мають зазначених недоліків, властивих карбюраторним двигунам, тобто. вони більш економічні, мають більш високу питому потужність, підтримують сталість крутного моменту в широкому інтервалі частот обертання, а викид шкідливих речовин в атмосферу з відпрацьованими газами мінімальний.

3. Система упорскування бензину "Mono-Jetronic"

Вперше система центрального одноточкового імпульсного упорскування палива для бензинових двигунів легкових автомобілів була розроблена фірмою BOSCH у 1975 році. Ця система отримала назву "Mono-Jetronic" (Monojet - одиночний струмінь) та була встановлена ​​на автомобілі "Volkswagen".

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

Але на відміну від карбюратора, в якому автоматика сумішоутворення реалізується механічним управлінням, в моносистемі впорскування застосовується суто електронне управління.

На рис. 5 показано спрощену функціональну схему системи "Mono-Jetronic".

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

На підставі розрахункових даних в ЕБУ формується електроімпульсний сигнал управління S 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 паливної магістралі 19 розпорошується у впускний колектор через відкриту дросельну заслінку 14.

При заданих розмірах діафрагми дросельної заслінки і каліброваного перерізу розпилювального сопла масова кількість пропущеного в циліндри повітря визначається ступенем відкриття дросельної заслінки, а масова кількість впорченого в повітряний потік бензину - тривалістю відкритого стану форсунки і підпірним (робочим) тиском палив.

Для того щоб бензин згоряв повністю і найбільш ефективно, маси бензину і повітря в ТБ-суміші повинні знаходитися в певному співвідношенні, рівному 1/14,7 (для високооктанових сортів бензину). Таке співвідношення називається стехіометричним, і йому відповідає коефіцієнт надлишку повітря, рівний одиниці. Коефіцієнт а = 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 упорскування палива обов'язково повинен бути вимірювач маси повітря, впущеного в циліндри двигуна при всмоктуванні.

У системі "Mono-Jetronic" маса повітря розраховується в ЕБУ за показаннями двох датчиків (див. рис. 4): температури повітря, що всмоктується (ДТВ) і положення дросельної заслінки (ДПД). Перший розташований безпосередньо на шляху повітряного потоку у верхній частині центральної форсунки впорскування і являє собою мініатюрний напівпровідниковий термістор, а другий є резистивним потенціометром, двигун якого насаджений на поворотну вісь (ПДЗ) дросельної заслінки.

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

Але маса повітря, що всмоктується, значною мірою залежить від температури. Холодне повітря більш щільне, а значить важче. У міру підвищення температури щільність повітря та його маса зменшуються. Вплив температури враховується датчиком ДТВ.

Датчик ДТВ температури повітря, що всмоктується, як напівпровідниковий термістор з негативним температурним коефіцієнтом опору, змінює величину резистивності від 10 до 2,5 кОм при зміні температури від -30 до +20°С. Сигнал датчика ДТВ використовується лише у такому температурному діапазоні. При цьому базова тривалість упорскування бензину коригується за допомогою ЕБУ в інтервалі 20...0%. Якщо температура повітря, що всмоктується, вище +20°С, то сигнал датчика ДТВ блокується в ЕБУ і датчик не використовується.

Сигнали від датчиків положення дросельної заслінки (ДПД) і температури повітря, що всмоктується (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 сигналом про частоту обертання двигуна, який надходить від датчика числа обертів системи запалювання, визначається необхідна (базова) тривалість відкритого стану центральної форсунки впорскування.

Так як підпірний тиск Рт в паливопадаючій магістралі (ПБМ) постійно (для "Mono-Jetronic" Рт = 1...1,1 бар), а пропускна здатність форсунки задана сумарним перетином отворів розпилювального сопла, то час відкритого стану форсунки однозначно визначає кількість упорсненого бензину. Момент упорскування (на рис. 5 сигнал від датчика ДМВ) зазвичай задається одночасно з сигналом на займання ТВ-суміші від системи запалення (через 180 ° повороту колінвала ДВС).

Таким чином, при електронному керуванні процесом сумішоутворення забезпечення високої точності дозування бензину, що впорскується, у виміряну кількість маси повітря є легко вирішуваним завданням і, в кінцевому рахунку, точність дозування визначається не електронною автоматикою, а точністю виготовлення і функціональною надійністю вхідних датчиків і форсунки впорскування.

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

Центральна форсунка упорскування є бензоклапан, який відкривається електричним імпульсом, що надходить від електронного блоку управління. Для цього у форсунці є електромагнітний соленоїд 8 з рухомим магнітним керном 14. Основною проблемою при створенні клапанів для імпульсного впорскування є необхідність забезпечення високої швидкості спрацьовування запірного пристрою клапана 9 як на відкривання, так і на закриття. Вирішення 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 струмені впорскування, що має форму воронки. При такій формі струмінь бензину не потрапляє на дросельну заслінку навіть при малому її відкритті, а пролітає в два тонкі півмісяці щілини.

Центральна форсунка системи "Mono-Jetronic" надійно забезпечує мінімальну тривалість відкритого стану розпилювального сопла 11 протягом 1±0,1 мс. За такий час і при робочому тиску один бар через розпилювальне сопло площею в 0,08 мм2 впорскується близько одного міліграма бензину. Цьому відповідає витрата палива 4 л/год. на мінімальних холостих оборотах (600 об/хв) прогрітого двигуна. При пуску та прогріві холодного двигуна форсунка відкривається більш тривалий час (до 5...7 мс). Але з іншого боку максимальна тривалість упорскування 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 більшим за 4 мс. При цьому тактова частота спрацьовування запірного пристрою форсунки на холостому ході 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 двигуна повинна відповідати вимогам ±0,5 кутових градусів повороту осі 13 дроселя. По строгому кутовому положенню осі дроселя визначаються початку двох режимів роботи двигуна: режиму холостого ходу (3±0,5°) та повного навантаження (72,5±0,5°).

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

Потенціометр та ЕБУ з'єднані між собою чотирипровідним кабелем через контактний роз'єм. Для підвищення надійності з'єднань контакти в роз'ємі та фішці потенціометра позолочені. Контакти 1 і 5 призначені для подачі опорної напруги 5±0,01 В. Контакти 1 і 2 - для зняття сигнальної 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 сигнальної напруги при повороті дросельної заслінки на кут від 18 до 90 ° (18 ... 72,5 ° - режим середніх навантажень, 72,5 ... 90 ° - режим повного навантаження двигуна).

Сигнальна 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 у бік збільшення);
для припинення упорскування палива в режимі примусового холостого ходу (реєструється сигнал потенціометра, якщо кут відкритого стану дросельної заслінки менше 3°. Одночасно контролюється частота обертання W двигуна: якщо W>2100 хв-1, то подача палива припиняється і відновлюється знову при W
Цікавою особливістю системи упорскування "Mono-Jetronic" є наявність у її складі підсистеми стабілізації оборотів холостого ходу за допомогою електросервоприводу, що впливає на вісь дросельної заслінки (рис. 8). Електросервопривід забезпечений реверсним електродвигуном 11 постійного струму.

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

Така підсистема стабілізації холостого ходу працює в такий спосіб.

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 задросельної зони впускного колектора до вакуумного регулятора ВР перекривається. Вакуумний регулятор з цього моменту не працює і кут випередження запалювання стає рівним значенню настановного кута (6° до ВМТ). При цьому двигун на неодружених оборотах працює стійко. Якщо в цей час включається кондиціонер або інший потужний споживач енергії двигуна (наприклад, фари далекого світла опосередковано через генератор), його оберти починають падати. Двигун може затихнути. Щоб цього не відбувалося, за командою від електронної схеми управління холостим ходом (ЕСХХ) в контролері включається електросервопривід, який дещо відкриває дросельну заслінку. Оберти збільшуються до номінального значення даної температури двигуна. Зрозуміло, що з знятті навантаження з двигуна його обороти зменшуються до норми тим самим электросервоприводом.

В ЕБУ системи "Mono-Jetronic" є мікропроцесор МКП (див. рис. 5) з постійною та оперативною пам'яттю (блок ЗУ). У постійну пам'ять "зашита" еталонна тривимірна характеристика упорскування (ТХВ). Ця характеристика певною мірою подібна до тривимірної характеристики запалювання, але відрізняється тим, що її вихідним параметром є не кут випередження запалення, а час (тривалість) відкритого стану центральної форсунки впорскування. Вхідними координатами характеристики ТХВ є частота обертання двигуна (сигнал надходить від контролера системи запалення) і об'єм повітря, що всмоктується (розраховується мікропроцесором в ЕБУ впорскування). Еталонна характеристика ТХВ несе в собі опорну (базову) інформацію про стехіометричне співвідношення бензину та повітря в ТБ-суміші за всіх можливих режимів та умов роботи двигуна. Ця інформація вибирається з пам'яті ЗУ в мікропроцесор ЕБУ за вхідними координатами характеристики ТХВ (за сигналами датчиків ДОД, ДПД, ДТВ) і коригується за сигналами від датчика температури охолоджувальної рідини (ДТД) та кисневого датчика (КД).

Про кисневий датчик треба сказати окремо. Наявність його в системі упорскування дозволяє утримувати склад ТБ-суміші постійно в стехіометричному співвідношенні (а=1). Це досягається тим, що датчик КД працює в ланцюгу глибокого адаптивного зворотного зв'язку від системи випуску газів, що відпрацювали, до системи паливного живлення (до системи впорскування).

Він реагує на різницю концентрації кисню в атмосфері та вихлопних газах. По суті датчик КД є хімічним джерелом струму першого роду (гальванічним елементом) з твердим електролітом (спеціальна стільникова металокераміка) та з високою (не нижче 300 ° С) робочою температурою. ЕРС такого датчика майже за ступінчастим законом залежить від різниці концентрації кисню на його електродах (платино-радієве плівкове покриття з різних сторін пористої кераміки). Найбільша крутість (перепад) сходинки ЕРС посідає значення а=1.

Датчик КД повертається в трубу випускного каналу (наприклад, вихлопний колектор) і його чутлива поверхня (позитивний електрод) виявляється в потоці вихлопних газів. Над кріпильним 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, оскільки температура випускних газів перед нейтралізатором може бути нижчою за 300°С. Крім того, електропідігрів кисневого датчика прискорює його підготовку до роботи.

Сигнальними проводами датчик з'єднаний з ЕБУ упорскування. Коли в циліндри надходить бідна суміш (а>1), то концентрація кисню у вихлопних газах трохи вище штатної (при а=1). Датчик КД видає низьку напругу (близько 0,1) і ЕБУ за цим сигналом коригує час тривалості впорскування бензину в бік його збільшення. Коефіцієнт знову наближається до одиниці. При роботі двигуна на багатої суміші кисневий датчик видає напругу близько 0,9 і працює у зворотному порядку.

Цікаво відзначити, що кисневий датчик бере участь у процесі сумішоутворення тільки на режимах роботи двигуна, при яких збагачення ТВ-суміші обмежене значенням а>0,9. Це такі режими як навантаження на низьких та середніх обертах та холостий хід на прогрітому двигуні. В іншому випадку датчик КД відключається (блокується) в ЕБУ і корекція складу ТБ-суміші по концентрації кисню у газах, що відпрацювали, не здійснюється. Це має місце, наприклад, у режимах пуску та прогріву холодного двигуна та на його форсованих режимах (розгону та 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 наведена функціональна схема системи упорскування "Mono-Jetronic" з усіма складовими її компонентами.

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

Замкнене паливне кільце виконує три функції:

За допомогою регулятора тиску підтримує необхідний постійний робочий тиск для розподільника палива;

За допомогою підпружиненої діафрагми в регуляторі тиску зберігає деякий залишковий тиск (0,5 бар) після вимикання двигуна, завдяки чому не допускається утворення парових та повітряних пробок у 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 із основних завдань перед конструкторськими бюро автовиробників є створення силових установок, які споживають якнайменше палива і викидають в атмосферу знижену кількість шкідливих речовин. При цьому всього цього необхідно досягти з умовою того, що вплив на робочі параметри (потужність, момент, що крутить) буде мінімальним. Тобто необхідно зробити мотор економічним, і в той же час потужним і тяговитим.

Для досягнення результату переробкам та доопрацюванням піддаються практично всі вузли та системи силового агрегату. Особливо це стосується системи живлення, адже саме вона відповідає за надходження палива до циліндрів. Останньою розробкою в цьому напрямку вважається безпосереднє впорскування палива в камери згоряння силової установки, що функціонує на бензині.

Суть цієї системи зводиться до роздільної подачі компонентів паливної суміші - бензину та повітря в циліндри. Тобто принцип її функціонування дуже схожий на роботу дизельних установок, де суміш утворення виконується в камерах згоряння. Але у бензинового агрегату, на якому встановлена ​​система безпосереднього впорскування, є ряд особливостей процесу закачування складових паливної суміші, його змішування та згоряння.

Трішки історії

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

"Друге життя" система безпосереднього впорскування 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 упорскування палива. Трохи згодом 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;

Безпосереднє упорскування не є окремим, зовсім новим типом, і відноситься він до інжекторних систем подачі палива. Але на відміну від попередників, паливо в нього впорскується під тиском одразу в циліндри, а не як раніше – у впускний колектор, де бензин перемішувався з повітрям перед подачею до камер згоряння.

Конструктивні особливості та принцип роботи

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

Конструкція даної системи живлення включає:

• бак із встановленим у ньому паливопідкачуючим насосом;
• магістралі низького тиску;
• фільтруючі елементи очищення палива;
• насос, що створює підвищений тиск із встановленим регулятором (ТНВД);
• магістралі високого тиску;
• рампа із форсунками;
• перепускний та запобіжний клапани.

Схема паливної системи з безпосереднім упорскуванням

Призначення частини елементів, такі як бак із насосом та фільтра описані в інших статтях. Тому розглянемо призначення низки вузлів, що використовуються лише у системі прямого упорскування.

Одним із основних елементів у цій системі є насос високого тиску. Він забезпечує надходження палива під значним тиском у паливну рампу. Конструкція його у різних виробників відрізняється – одна або багатоплунжерна. Привід здійснюється від розподільчих валів.

Також у систему включені клапани, які запобігають перевищенню тиску палива в системі вище критичних значень. Загалом 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 клапан стежить за тиском у рампі.

Працює все так: паливопідкачуючий насос із 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, який за різних режимів роботи двигуна варіюється від 3 до 11 МПа. Вже під тиском паливо магістралями високого тиску надходить у рампу, яка розподіляється по його форсунках.

Робота форсунок контролюється електронним блоком керування. При цьому він ґрунтується на показаннях безлічі датчиків двигуна, після аналізу даних, він робить управління форсунками – моменту упорскування, кількості палива та способу розпилу.

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

Пряме впорскування

Типи сумішоутворення

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

Усього ж пряме упорскування здатне забезпечити два основних типи суміші в циліндрах:

• Пошарова;
• Стехіометрична гомогенна;

Це дозволяє підібрати суміш, яка за певної роботи мотора, забезпечить найбільше ККД.

Пошарове сумішоутворення дозволяє двигуну функціонувати на дуже бідній суміші, в якій масова частина повітря більша за паливну частину в більш ніж 40 разів. Тобто в циліндри подається дуже велика кількість повітря, а потім до неї додається трохи палива.

У нормальних умовах така суміш від іскри не спалахує. Щоб спалах сталося, конструктори надали днищу поршня особливу форму, що забезпечує завихрення.

При такому сумішоутворенні в камеру згоряння повітря, направлене заслінкою, надходить на великій швидкості. Наприкінці такту стиснення форсунка впорскує паливо, що досягає днища поршня, за рахунок завихрення піднімається вгору до свічки запалювання. В результаті в зоні електродів суміш є збагаченою і легкозаймистою, тоді як навколо цієї суміші знаходиться повітря практично без частинок палива. Тому таке сумішоутворення і отримало назву пошарового – усередині є шар зі збагаченою сумішшю, поверх якого знаходиться ще один шар, практично без палива.

Дане сумішоутворення забезпечує мінімальне споживання бензину, але й готує таку суміш система лише за рівномірного руху, без різких прискорень.

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

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

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

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

Перше закачування палива виконується на такті впуску, при цьому паливо виступає як охолоджувач стінок камери згоряння, що виключає детонацію. Друга порція бензину подається вже наприкінці такту стиснення.

Система безпосереднього упорскування палива завдяки застосуванню відразу кількох типів сумішоутворення дозволяє непогано економити паливо без особливого впливу на потужнісні показники.

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 збіднену суміш, тим самим заощаджуючи паливо.

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

До того ж сама система безпосередньої подачі палива конструктивно складніша і дорога, ніж та сама система роздільного упорскування.

Нові розробки

Конструктори ж на досягнутому не зупиняються. Своєрідне доопрацювання прямого упорскування зробили в концерні VAG в силовому агрегаті TFSI. У нього систему харчування об'єднали із 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 паливоповітряна суміш має відмінну займистість і добре згоряє. Але це поки що тільки розробка і чи знайде вона застосування на авто, поки що 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 та дизельні практично ідентичні, але існує між ними низка відмінних рис. Однією з основних є різне перебіг процесів горіння в циліндрах. У дизеля паливо спалахує від впливу високих температур та тиску. Але для цього необхідно, щоб дизпаливо подавалося безпосередньо в камери згоряння не тільки в певний момент, але ще й 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 нових конструктивних рішень в .

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

Слід зазначити, що тиск палива впливає на якість згоряння суміші. Чим воно вище, тим дизпаливо краще згоряє, забезпечуючи більший вихід потужності та менший вміст забруднюючих речовин у відпрацьованих газах. І для отримання більш високих показників тиску використовували різні конструктивні рішення, що і призвело до появи різних видів систем живлення дизеля. Причому всі зміни стосувалися виключно зазначених двох елементів – ТНВС та форсунок. Інші складові – бак, паливопроводи, фільтруючі елементи, власне, ідентичні переважають у всіх наявних видах.

Типи дизельних систем живлення

Дизельні силові установки можуть бути оснащені системою впорскування:

• із рядним насосом високого тиску;
• із насосами розподільчого типу;
• акумуляторного типу (Common Rail)

З рядним насосом

Рядний ТНВД на 8 форсунок

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

Основна особливість цієї системи полягає у насосі. У ньому плунжерні пари (прецизійні елементи, що утворюють тиск) обслуговували кожен свою форсунку (кількість їх відповідала кількості форсунок). Причому ці пари розміщувалися до ряду, звідси й назва.

До переваг системи з рядним насосом можна віднести:

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

Але недоліки у такої системи більш суттєві, що й призвело до поступової відмови від неї та надання переваги більш сучасним. Негативними сторонами такого упорскування вважаються:

• Невисокі швидкодія та точність дозування палива. Механічна конструкція просто не здатна це забезпечити;
• Порівняно невисокий тиск, що створюється;
• У завдання ТНВД входить як створення тиску палива, а й регулювання циклової подачі і момент упорскування;
• Створюваний тиск безпосередньо залежить від оборотів колінчастого валу;
• Великі габарити та маса насоса.

Ці недоліки, і в першу чергу – невисокий тиск, що створювався, призвело до відмови від цієї системи, оскільки вона просто перестала вписуватися в стандарти по екологічності.

З насосом розподіленого типу

ТНВД розподіленого упорскування стала наступним етапом у розвитку систем живлення дизельних агрегатів.

Спочатку така система була теж механічною і відрізнялася від описаної вище конструкцією насоса. Але згодом у її пристрій додали систему електронного управління, яка покращила процес регулювання упорскування, що позитивно позначилося на показниках економічності двигуна. Певний період така система вписувалася до стандартів екологічності.

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

ТНВД із насосом розподіленого типу

До позитивних якостей таких систем належали:

• Малі габаритні розміри та маса насоса;
• Найкращі показники з паливної економічності;
• Використання електронного управління підвищило показники системи.

До недоліків системи з насосом розподіленого типу відносяться:

• Невеликий ресурс плунжерної пари;
• Мастило складових елементів здійснюється паливом;
• Багатофункціональність насоса (крім створення тиску він ще керується подачею та моментом упорскування);
• У разі відмови насоса система припиняла працювати;
• Чутливість до повітря;
• Залежність тиску від обертів двигуна.

Широке поширення такий тип упорскування отримав на легкових авто та невеликому комерційному транспорті.

Насос-форсунки

Особливість цієї системи полягає в тому, що форсунка та плунжерна пара об'єднані в єдину конструкцію. Привід секції паливного вузла здійснюється від розподільного валу.

Примітно, що така система може бути як повністю механічною (керування впорскуванням здійснюється рейкою та регуляторами), так і електронною (використовуються електромагнітні клапани).

Насос-форсунка

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

До позитивних якостей насос-форсунок живлення можна віднести:

• Значні показники тиску (найвищі серед усіх використовуваних типів упорскування);
• Невелика металомісткість конструкції;
• Точність дозування та реалізації багаторазового упорскування (у форсунках з електромагнітними клапанами);
• Можливість роботи двигуна при відмові однієї з форсунок;
• Заміна пошкодженого елемента не є складною.

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

• Неремонтопридатність насос-форсунок (при поломці потрібна їхня 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 що є найдосконалішою в плані економічності. Також вона повністю вписується в останні стандарти екологічності. До додаткових «плюсів» можна віднести її застосування на будь-яких дизельних двигунах, починаючи від легкових авто і закінчуючи морськими суднами.

Система упорскування Common Rail

Особливість її полягає в тому, що багатофункціональність ТНВД не потрібна, і в його завдання входить тільки нагнітання тиску, причому не для кожної форсунки окремо, а загальну магістраль (паливну рампу), а 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 у цій системі здійснюється електронним блоком, що значно збільшило точність дозування та швидкість роботи системи.

Позитивні якості Common Rail:

• Висока точність дозування та використання багаторежимного упорскування;
• Надійність ТНВС;
• Немає залежності значення тиску від оборотів двигуна.

Негативні якості у цієї системи такі:

• Чутливість до якості палива;
• Складна конструкція форсунок;
• Відмова системи за найменших втрат 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 упорскування.

Матеріал з Енциклопедія журналу "За кермом"

Схема двигуна Volkswagen FSI з безпосереднім упорскуванням бензину

Перші системи упорскування бензину безпосередньо в циліндри двигуна з'явилися ще в першій половині ХХ ст. та використовувалися на авіаційних двигунах. Спроби застосування безпосереднього упорскування 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. Упорскування бензину безпосередньо в циліндри пов'язане з певними труднощами. Форсунки для безпосереднього упорскування бензину працюють у складніших умовах, ніж ті, що встановлені у впускному трубопроводі. Головка блоку, в яку повинні встановлюватися такі форсунки, виходить складнішою і найдорожчою. Час, що відводиться на процес сумішоутворення при безпосередньому упорскуванні, суттєво зменшується, а отже, для гарного сумішоутворення необхідно подавати бензин під великим тиском.
З усіма цими труднощами вдалося впоратися фахівцям компанії Mitsubishi, яка вперше застосувала систему безпосереднього упорскування бензину на автомобільних двигунах. Перший серійний автомобіль Mitsubishi Galant з двигуном 1,8 GDI (Gasoline Direct Injection - безпосереднє упорскування бензину) з'явився в 1996 році.
Переваги системи безпосереднього впорскування полягають переважно у поліпшенні паливної економічності, і навіть деякого підвищення потужності. Перше пояснюється здатністю двигуна із системою безпосереднього упорскування працювати на дуже бідних сумішах. Підвищення потужності обумовлено переважно тим, що організація процесу подачі палива в циліндри двигуна дозволяє підвищити ступінь стиску до 12,5 (у звичайних двигунах, що працюють на бензині, рідко вдається встановити ступінь стиснення понад 10 через настання детонації).

Форсунка двигуна GDI може працювати у двох режимах, забезпечуючи потужний (а) або компактний (б) смолоскип розпиленого бензину

У двигуні GDI паливний насос забезпечує тиск 5 МПа. Електромагнітна форсунка, встановлена ​​в головці блоку циліндрів, впорскує бензин безпосередньо в циліндр двигуна і може працювати у двох режимах. Залежно від електричного сигналу, що подається, вона може впорскувати паливо або потужним конічним факелом, або компактним струменем.

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

Днище поршня має спеціальну форму у вигляді сферичного вилучення. Така форма дозволяє закрутити повітря, що надходить, направити паливо, що впорскується, 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 із високою швидкістю.

У роботі двигуна із системою безпосереднього впорскування можна виділити три різні режими:
1) режим роботи на надбідних сумішах;
2) режим роботи на стехіометричній суміші;
3) режим різких прискорень із малих оборотів;
Перший режим використовується у разі, коли автомобіль рухається без різких прискорень зі швидкістю близько 100–120 км/год. У цьому режимі використовується дуже бідна горюча суміш із коефіцієнтом надлишку повітря понад 2,7. У звичайних умовах така суміш не може спалахнути від іскри, тому форсунка впорскує паливо компактним смолоскипом наприкінці такту стиснення (як у дизелі). Сферична виїмка в поршні спрямовує струмінь палива до електродів свічки запалювання, де висока концентрація парів бензину забезпечує можливість займання суміші.
Другий режим використовується під час руху автомобіля з високою швидкістю та при різких прискореннях, коли необхідно отримати високу потужність. Такий режим руху потребує стехіометричного складу суміші. Суміш такого складу легко спалахує, але у двигуна GDI підвищений ступінь стиснення, і для того щоб не наступала детонація, форсунка впорскує паливо потужним факелом. Дрібно розпорошене паливо заповнює циліндр і, випаровуючись, охолоджує поверхні циліндра, знижуючи ймовірність появи детонації.
Третій режим необхідний для отримання великого моменту, що крутить, при різкому натисканні педалі «газу», коли двигун працює на малих оборотах. Цей режим роботи двигуна відрізняється тим, що протягом одного циклу форсунка спрацьовує двічі. Під час такту впуску в циліндр для його охолодження потужним смолоскипом впорскується надбідна суміш (α=4,1). Наприкінці такту стиснення форсунка ще раз упорскує паливо, але компактним смолоскипом. При цьому суміш у циліндрі збагачується і детонація не настає.
У порівнянні зі звичайним двигуном із системою живлення з розподіленим упорскуванням бензину, двигун із системою GDI приблизно на 10 % економічніший і викидає в атмосферу на 20 % менше вуглекислого газу. Підвищення потужності двигуна сягає 10 %. Однак, як показала експлуатація автомобілів із двигунами такого типу, вони дуже чутливі до вмісту сірки у бензині. Оригінальний процес безпосереднього упорскування бензину розробила компанія Orbital. У цьому процесі циліндри двигуна впорскується бензин, заздалегідь змішаний з повітрям за допомогою спеціальної форсунки. Форсунка компанії Orbital складається з двох жиклерів, паливного та повітряного.

Робота форсунки Orbital

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

Конструктивні особливості двигуна з безпосереднім упорскуванням бензину Audi 2.0 FSI

Сучасні автомобілі оснащують різними системами із упорскуванням палива. У двигунах, що працюють на бензині, суміш палива та повітря примусово загоряється за допомогою іскри.

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

Бензинові двигуни оснащуються системами з упорскуванням, які різняться між собою способом утворення суміші палива з повітрям:

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

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

Система розподіленого упорскування завжди з роками удосконалювалася. Початок поклала система K-Jetronic. Упорскування було механічним, що давало йому хорошу надійність, але витрата палива була дуже високою. Паливо додавали не імпульсно, а постійно. На зміну даної системи прийшла система KE-jetronic.

Вона ні чим принципово не відрізнялася від K-Jetronic, але з'явився електронний блок управління (ЕБУ), який дозволив трохи скоротити витрату палива. Але ця система не принесла очікуваних результатів. З'явилася система L-Jetronic.

В якій ЕБУ сприймав сигнали від датчиків та спрямовував електромагнітний імпульс на кожну форсунку. Система мала хороші економічні та екологічні показники, але конструктори не стали на цьому зупинятися, і розробили зовсім нову систему Motronic.

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

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

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

Але з іншого боку, двигуна з цією системою упорскування мають більш високу ціну в порівнянні зі своїми попередниками, через складність своєї конструкції. Також дана система дуже вимоглива до якості палива.