Виды впрыска топлива

Системы впрыска бензиновых двигателей

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.

Центральный впрыск (моновпрыск)

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.

Непосредственный впрыск

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.

Solod90 › Блог › Системы впрыска топлива

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.
СИСТЕМЫ ВПРЫСКА ТОПЛИВА

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 сегоднящний день инжекторый (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

Читайте также:  Замена задних тормозных колодок на автомобиле VAZ (ВАЗ), FORD (Форд), Renault (Рено), Nissan (Ниссан), Toyota (Тойота), Daewoo (Дэу Ланос/Сенс).

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.

Непосредственный впрыск 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

Виды и особенности работы систем впрыска бензиновых двигателей

Система впрыска топлива применяется для дозированной подачи топлива в двигатель внутреннего сгорания в строго определенный момент времени. От характеристик данной системы зависит мощность, экономичность и экологический класс двигателя автомобиля. Системы впрыска могут иметь различную конструкцию и варианты исполнения, что характеризует их эффективность и сферу применения.

Краткая история появления

Инжекторная система подачи топлива начала активно внедряться в 70-х годах, явившись реакцией на возросший уровень выбросов загрязняющих веществ в атмосферу. Она была заимствована в авиастроении и являлась экологически более безопасной альтернативой карбюраторному двигателю. Последний был оснащен механической системой подачи топлива, при которой топливо поступало в камеру сгорания за счет разницы давлений.

Первая система впрыска была практически полностью механической и отличалась малой эффективностью. Причиной этого был недостаточный уровень технического прогресса, который не мог полностью раскрыть ее потенциал. Ситуация изменилась в конце 90-х годов с развитием электронных систем управления работой двигателя. Электронный блок управления стал контролировать количество впрыскиваемого топлива в цилиндры и процентное соотношение компонентов топливовоздушной смеси.

Виды систем впрыска бензиновых двигателей

Существует несколько основных видов систем впрыска топлива, которые отличаются способом образования топливовоздушной смеси.

Моновпрыск, или центральный впрыск

Схема с центральным впрыском предусматривает наличие одной форсунки, которая расположена во впускном коллекторе. Такие системы впрыска можно найти только на старых легковых автомобилях. Она состоит из следующих элементов:

  • Регулятор давления — обеспечивает постоянную величину рабочего давления 0,1 МПа и предотвращает появление воздушных пробок в топливной системе.
  • Форсунка впрыска — осуществляет импульсную подачу бензина во впускной коллектор двигателя.
  • Дроссельная заслонка — выполняет регулирование объема подаваемого воздуха. Может иметь механический или электрический привод.
  • Блок управления — состоит из микропроцессора и блока памяти, который содержит эталонные данные характеристики впрыска топлива.
  • Датчики положения коленчатого вала двигателя, положения дроссельной заслонки, температуры и т.д.

Системы впрыска бензина с одной форсункой работают по следующей схеме:

  • Двигатель запущен.
  • Датчики считывают и передают информацию о состоянии системы в блок управления.
  • Полученные данные сравниваются с эталонной характеристикой, и, на основе этой информации, блок управления рассчитывает момент и длительность открытия форсунки.
  • На электромагнитную катушку направляется сигнал об открытии форсунки, что приводит к подаче топлива во впускной коллектор, где он смешивается с воздухом.
  • Смесь топлива и воздуха подается в цилиндры.

Распределенный впрыск (MPI)

Система с распределенным впрыском состоит из аналогичных элементов, но в такой конструкции предусмотрены отдельные форсунки для каждого цилиндра, которые могут открываться одновременно, попарно или по одной. Смешение воздуха и бензина происходит также во впускном коллекторе, но, в отличие от моновпрыска, подача топлива осуществляется только во впускные тракты соответствующих цилиндров.

Схема работы системы с распределенным впрыском

Управление осуществляется электроникой (KE-Jetronic, L-Jetronic). Это универсальные системы впрыска топлива Bosch, получившие широкое распространение.

Принцип действия распределенного впрыска:

  • В двигатель подается воздух.
  • При помощи ряда датчиков определяется объем воздуха, его температура, скорость вращения коленчатого вала, а также параметры положения дроссельной заслонки.
  • На основе полученных данных электронный блок управления определяет объем топлива, оптимальный для поступившего количества воздуха.
  • Подается сигнал, и соответствующие форсунки открываются на требуемый промежуток времени.

Непосредственный впрыск топлива (GDI)

Система предусматривает подачу бензина отдельными форсунками напрямую в камеры сгорания каждого цилиндра под высоким давлением, куда одновременно подается воздух. Эта система впрыска обеспечивает наиболее точную концентрацию топливовоздушной смеси, независимо от режима работы мотора. При этом смесь сгорает практически полностью, благодаря чему уменьшается объем вредных выбросов в атмосферу.

Схема работы системы непосредственного впрыска

Такая система впрыска имеет сложную конструкцию и восприимчива к качеству топлива, что делает ее дорогостоящей в производстве и эксплуатации. Поскольку форсунки работают в более агрессивных условиях, для корректной работы такой системы необходимо обеспечение высокого давления топлива, которое должно быть не менее 5 МПа.

Конструктивно система непосредственного впрыска включает в себя:

  • Топливный насос высокого давления.
  • Регулятор давления топлива.
  • Топливная рампа.
  • Предохранительный клапан (установлен на топливной рампе для защиты элементов системы от повышения давления больше допустимого уровня).
  • Датчик высокого давления.
  • Форсунки.

Электронная система впрыска такого типа от компании Bosch получила наименование MED-Motronic. Принцип ее действия зависит от вида смесеобразования:

  • Послойное — реализуется на малых и средних оборотах двигателя. Воздух подается в камеру сгорания на большой скорости. Топливо впрыскивается по направлению к свече зажигания и, смешиваясь на этом пути с воздухом, воспламеняется.
  • Стехиометрическое. При нажатии на педаль газа происходит открытие дроссельной заслонки и осуществляется впрыск топлива одновременно с подачей воздуха, после чего смесь воспламеняется и полностью сгорает.
  • Гомогенное. В цилиндрах провоцируется интенсивное движение воздуха, при этом на такте впуска происходит впрыск бензина.
Читайте также:  Где продать быушный автомобиль

Непосредственный впрыск топлива в бензиновом двигателе — наиболее перспективное направление в эволюции систем впрыска. Впервые он был реализован в 1996 году на легковых автомобилях Mitsubishi Galant, и сегодня его устанавливают на свои автомобили большинство крупнейших автопроизводителей.

Автомобильный справочник

для настоящих автомобилистов

Системы впрыска топлива бензиновых двигателей

Системы впрыска топлива, стали массово устанавливаться на бензиновых двигателях, начиная с 80-х годов прошлого столетия. Здесь, в отличии карбюраторной системы, подача топлива осуществлялась посредством принудительного впрыска топлива с помощью форсунок во впускной коллектор или в цилиндр. Двигатели с такими системами подачи топлива еще называют инжекторными. Вот о том, какими бывают системы впрыска топлива на бензиновых двигателях, мы и поговорим в этой статье.

Система с впрыском топлива во впускной трубопровод

В системах впрыска топлива с внешним сме­сеобразованием приготовление топливно-воздушной смеси происходит вне камеры сго­рания двигателя (во впускном трубопроводе). Несмотря на то, что в карбюраторных системах также имеет место внешнее смесеобразование, они были практически полностью вытеснены топливными системами с впрыском топлива во впускной трубопровод, которые обеспечивают более точное дозирование и управление подачей топлива. Последние достижения представлены электронными системами с впрыском топлива во впускной трубопровод, в которых топливо впры­скивается прерывисто для каждого отдельного цилиндра, т.е. с впрыском топлива непосред­ственно перед впускными клапанами (см. рис. «Принцип действия системы с впрыском топлива во впускной трубопровод» ).

Системы, основанные на непрерывном впрыске топлива (K-Jetronic) или системы с центральным впрыском топлива перед дрос­сельной заслонкой (Mono-Jetronic) практически не находят применения в новых разработках.

В связи с высокими требованиями к плав­ности работы двигателя и снижению токсично­сти отработавших газов чрезвычайно большое значение имеет точное смесеобразование. При этом также крайне важно обеспечить точную синхронизацию впрыска топлива и точное дози­рование топлива. Для выполнения этих требо­ваний в электронных системах многоточечного (распределенного) впрыска топлива на каждый цилиндр двигателя приходится по электромаг­нитной форсунке, причем управление каждой форсункой осуществляется индивидуально. При этом перед блоком управления двигателем стоит задача вычисления как требуемой для каждого цилиндра массы топлива, так и мо­мента начала впрыска топлива в зависимости от текущих условий работы двигателя. Время, требующееся для впрыска вычисленной массы топлива, зависит от сечения канала форсунки и перепада давления между впускным трубопро­водом и системой подачи топлива.

В системах с впрыском топлива во впускной трубопровод топливо, подаваемое электроприводным топливным насосом, проходит через топливный фильтр и по топливопроводу по­ступает в топливную рампу, обеспечивающую его равномерное распределение по топливным форсункам. Для обеспечения надлежащего качества топливно-воздушной смеси чрезвы­чайно важным является то, каким образом про­исходит приготовление топлива форсунками. При этом важно обеспечить очень тонкое рас­пыление топлива. Форма и угол рассеивания струи топлива адаптированы к геометрической форме впускного трубопровода и головки ци­линдра (см. «Топливная форсунка»).

Если точно дозированную массу топлива впрыскивать непосредственно перед впуск­ным клапаном (клапанами) цилиндра, значи­тельная часть тонко распыленного топлива может испариться. Поэтому топливно-воздушная смесь может образовываться в нужный момент времени с использованием воздуха, проходящего через дроссельную заслонку (см. рис. «Механизмы и факторы, влияющие на смесеобразование при впрыске топлива во впускной трубопровод» ). Время, имеющееся в наличии для смесеобразования, может быть увеличено за счет впрыска топлива через пока что закрытые впускные клапаны.

Часть топлива осаждается на стенках ци­линдра вблизи впускных клапанов и образует пленку. Толщина этой пленки в основном за­висит от давления во впускном трубопроводе и, соответственно, от условий нагрузки двига­теля. В случае нестационарного(переходного) режима работы двигателя это осаждение топлива может привести к временному от­клонению коэффициента избытка воздуха от желаемого значения (λ = 1). Отсюда следует, что осаждение топлива на стенках цилиндра необходимо свести к минимуму. Также не следует пренебрегать эффектом осаждения топлива во впускном канале, особенно при пуске холодного двигателя. Поскольку в этих условиях топливо испаряется плохо, для соз­дания воспламеняемой топливно-воздушной смеси первоначально требуется большее количество топлива. Когда в дальнейшем давление топлива во впускном трубопро­воде снижается, часть ранее образовавшейся пленки топлива испаряется. Если каталити­ческий нейтрализатор не достиг нормальной рабочей температуры, это может вызывать увеличение выбросов углеводородов. К об­разованию пленки топлива на стенках камеры сгорания также могут привести нарушения впрыска топлива, что в свою очередь, может вызвать увеличение количества токсичных веществ в отработавших газах. Определение геометрического совмещения струи топлива («нацеливания струи») позволит выбрать со­ответствующие форсунки, при использова­нии которых конденсация топлива в областях впускного канала и впускных клапанов будет сведена к минимуму.

По сравнению с карбюраторными систе­мами и одноточечными системами впрыска топлива в многоточечных системах впрыска топлива конденсация топлива на стенках впускного трубопровода значительно сни­жена. В то же время впускные трубопроводы могут быть оптимально адаптированы, в со­ответствии с потоком воздуха, горению то­плива и получению необходимой динамики двигателя.

Системы прямого впрыска топлива для бензиновых двигателей

В системах прямого впрыска топлива, в отли­чие от систем с впрыском топлива во впуск­ной трубопровод, в камеру сгорания через впускные клапаны поступает чистый воздух. Только после этого топливо впрыскивается в камеру сгорания форсункой (топливная фор­сунка высокого давления), расположенной непосредственно в головке блока цилиндров (внутреннее смесеобразование, см. рис. «Принцип действия системы прямого впрыска топлива» ). При этом существуют два основных режима работы системы. В случае впрыска топлива во время такта впуска имеет место режим работы с однородной смесью, а при впрыске топлива во время такта сжатия — режим послойного распределения смеси. Существуют также раз­личные специальные режимы, представляю­щие собой комбинацию двух основных режи­мов или их небольшие вариации.

При работе в режиме послойного распреде­ления заряда количество воздуха не ограничи­вается; топливно-воздушная смесь — бедная. Избыточное количество воздуха в отработавших газах мешает преобразованию оксидов азота в трехкомпонентном каталитическом нейтрализа­торе. Поэтому для этих систем прямого впрыска топлива требуется очистка отработавших газов при помощи дополнительного каталитического нейтрализатора NOx аккумуляторного типа. По этой причине большинство систем прямого впрыска топлива, представленных в настоящее время на рынке, работают исключительно в ре­жиме образования однородной смеси.

Работа двигателя при наличии однородной смеси

При работе в режиме образования однородной смеси, процесс смесеобразования подобен про­цессу в системе с впрыском топлива во впускной трубопровод. Смесь имеет стехиометрический состав (λ = 1). Однако, в отношении смесеобра­зования имеются некоторые различия. В частно­сти, отсутствует поток в области расположения впускного клапана, способствующий смесео­бразованию, и для самого смесеобразования имеется значительно меньше времени. В то время как в случае системы с впрыском топлива во впускной трубопровод впрыск может произ­водиться в течение поворота коленчатого вала на 720° (синхронно с тактами впуска), в случае систем с прямым впрыском топлива имеется окно для впрыска, соответствующее углу пово­рота коленчатого вала всего лишь 180°. Впрыск топлива разрешен только во время такта впуска. Это обусловлено тем, что перед этим выпускные клапаны открыты, и в противном случае несго­ревшее топливо будет выходить в систему выпу­ска отработавших газов. Это вызвало бы высо­кое содержание углеводородов в отработавших газах и проблемы в работе каталитического нейтрализатора. Для обеспечения подачи до­статочного количества топлива в течение этого ограниченного периода времени необходимо увеличить поток топлива через форсунку. Это достигается в основном за счет увеличения дав­ления топлива. Увеличение давления дает до­полнительное преимущество, заключающееся в повышении уровня турбулентности в камере сгорания, что в свою очередь способствует процессу смесеобразования. Поэтому топливо и воздух могут быть полностью перемешаны, несмотря на короткий отпущенный для этого период времени.

Работа двигателя при послойном распределении смеси

Что касается работы с послойным распре­делением смеси, следует провести различия между разными способами сжигания топлива. Эти способы имеют одну общую черту, заклю­чающуюся в том, что все они направлены на создание послойного распределения смеси. Это означает, что вместо поддержания стехиомерического состава смеси за счет из­менения положения дроссельной заслонки в камеру сгорания поступает полный поток воздуха, но только часть его смешивается с топливом перед подачей смеси к свече зажи­гания. Остальная часть свежего воздуха окру­жает послойный заряд топлива. В дополнение к охлаждающему эффекту, снижающему склонность к детонации, отсутствие дроссе­лирования также предлагает значительный потенциал снижения расхода топлива.

Система с направлением струи топлива на днище поршня

В системе с направлением струи топлива на днище поршня топливо впрыскивается в ка­меру сгорания сбоку (см. рис. а, «Смесеобразование для систем прямого впрыска топлива» ). Выемка в днище поршня отклоняет струю топлива в на­правлении свечи зажигания. Смесеобразова­ние происходит на пути от форсунки к свече за­жигания поскольку время смесеобразования в этом случае еще меньше, давление топлива для этой системы должно быть еще выше, чем для работы с однородной смесью Повышение давления топлива сокращает время впрыска и улучшает условия смесеобразования за счет усиления отражения импульсов давления.

К недостаткам этой системы можно отнести конденсацию топлива на днище поршня, вызы­вающую увеличение содержания НС в отработавших газах. Поскольку время смесеобразова­ния невелико, при высоких нагрузках двигателя облако заряда смеси обычно содержит зоны богатой смеси, что увеличивает вероятность от­ложения нагара. При низких нагрузках импульс потока топлива, служащий в качестве средства транспортировки послойного заряда топлива к свече зажигания, имеет низкую энергию. Поэ­тому обычно поток в этом случае должен быть ограничен, чтобы количество топлива соответ­ствовало более низкой плотности воздуха.

Система с направлением струи топлива в поток завихрения воздуха

В основном, система с направлением струи топлива в поток завихрения воздуха анало­гична системе с направлением струи топлива на днище поршня. Основное различие состоит в том, что облако топлива не взаимодействует непосредственно с выемкой в днище поршня. Вместо этого оно перемещается в поток за­вихрения воздуха (см. рис. Ь, «Смесеобразование для систем прямого впрыска топлива» ). Это решает проблему конденсации топлива на выемке поршня. Однако система с направлением струи топлива в поток завихрения воздуха ме­нее стабильна по сравнению с системой с на­правлением струи на днище, в связи с тем, что обеспечить точную повторяемость распреде­ления потока воздуха весьма затруднительно.

Зачастую фактический процесс сгорания топлива, в зависимости от рабочей точки Двигателя, представляет собой некоторую комбинацию двух вышеописанных режимов.

Система с прямым направлением струи топлива

Система с прямым направлением струи топлива отличается от двух вышеописанных систем ме­стом установки форсунки. Форсунка установ­лена по центру вверху и впрыскивает топливо в камеру сгорания в вертикальном направлении (СМ. рис. с, «Смесеобразование для систем прямого впрыска топлива» ). Свеча зажигания находится ря­дом с форсункой. Струя топлива не отклоняется и поджигается сразу же после впрыска. В ре­зультате время смесеобразования очень непро­должительное. Это требует еще более высокого Давления топлива. Такой процесс сгорания то- слива позволяет устранить проблемы конденса­ции топлива на стенках впускного трубопровода, зависимости от потока воздуха и ограничения истока при низких нагрузках. Поэтому он несет в себе самый высокий потенциал снижения расхода топлива. В то же время большую проблему для систем впрыска топлива и зажигания пред­ставляет очень короткое время, доступное для смесеобразования.

Читайте также:  Двигатель расходует моторное масло, больше чем положено

Другие режимы работы

В дополнение к режимам работы с однородной смесью и с послойным распределением смеси могут иметь место определенные специальные режимы. К ним относятся «переключение режи­мов» (однородная смесь — послойное распреде­ление заряда), «прогрев каталитического ней­трализатора», «режим защиты от детонации» (режим разделения однородной смеси) и «ре­жим работы на обедненной однородной смеси.

Системы впрыска топлива современных двигателей внутреннего сгорания: бензиновые и дизельные системы

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

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

Фото: rsbp (flickr.com/photos/rsbp/)

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

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

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

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

Виды систем впрыска на бензиновых ДВС

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

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

Виды систем впрыска дизельных ДВС

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

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

ТНВД является центральным элементом любой топливной системы дизельного двигателя.

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

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

Система впрыска насос-форсунки

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

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

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

Система впрыска Сommon Rail (аккумуляторный впрыск)

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

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

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

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

Все обо всем. Каким бывает впрыск топлива?

Все современные двигатели полностью переведены со старой и изжившей себя карбюраторной системы питания на впрыск топлива в двигатель за счет инжектора. Сразу же после такой перемены в автожизни возникли противоречия применения различных инжекторных систем впрыска. Так, до сих пор между автопроизводителями ведутся споры, какая из них лучше, потому как каждая имеет свои как достоинства, так и недостатки.

Рассмотрим самые известные и повсеместно используемые системы впрыска топлива

Центральный впрыск топлива

Являясь альтернативой карбюраторной системе, впервые центральный впрыск стал применяться в 80 года XX века. Правда особой разницы между ней и карбюратором не отмечено. Здесь также имеется смешивание воздуха с топливом внутри впускного коллектора. Разница лишь в том, что на смену чувствительному и довольно сложному карбюратору пришла форсунка. Электроники здесь, конечно же, нет — все осуществляется посредством механики.

Но все же одноточечный впрыск позволял работать двигателю более мощно и, что более важно, менее затратно финансово.

Происходило это, потому что форсунка обеспечивала более точную и экономичную дозировку объема топлива. После чего возникала однородная смесь, которая могла менять свой состав мгновенно при различных условиях движения и режимах работы мотора.

Недостатки центрального впрыска

Однако, у этой системы были и свои весомые минусы. Так, например, отмечалось высокое сопротивление воздуха, который поступал в цилиндры. Потому как форсунку очень часто монтировали в корпус карбюратора, да и датчики тех времен были довольно громоздки, что затрудняло «дыхание» двигателя. В теории, такой «минус» можно было бы легко исправить — это да, но в реальной жизни тех лет устранение неравномерного поступления топливной смеси в цилиндры — было весьма проблематичной задачей. Смеси нужно было преодолеть длинный путь по трубопроводам, которые конструировались самой разнообразной длины и с разным сопротивлением. Все это привело к тому, что на данный момент центральный впрыск практически не используется. Слишком уж сложно было доработать центральную систему, легче начать заново и придумать что-нибудь новенькое.

Многоточечный или распределительный впрыск

Его основным отличием от предыдущей системы является наличие индивидуальной форсунки для каждого цилиндра во впускном патрубке. Смесь получается однородной по составу для всех цилиндров. Вначале она была исключительно механической, но эту систем постоянно совершенствовали.

Итак, в 90 годах XX века стали широко внедрять электронику. Это позволило усовершенствовать и систему питания двигателя, кроме того возникал возможность координации ее действий с остальными частями двигателя.

Потому-то современный автомобиль способен не просто сигнализировать водителю, что имеются неисправности, но и включить при необходимости аварийный режим.

В систему многоточечного впрыска были внедрены и дополнительные датчики, которые позволили переводить впрыск с параллельной на последовательную подачу топлива в двигатель. Такая схема позволила обеспечить индивидуальный расчет времени для каждого цилиндра, для того, чтобы топливо подавалось исключительно в нормированный промежуток перед тем, как откроется клапан. Несомненно, что плюсов такой схемы намного больше, она эффективнее и точнее, но и стоит намного дороже.

Прямой впрыск

При такой системе бензин попадает через форсунки непосредственно в цилиндры мотора. Историей отмечено, что сначала такая система применялась только в авиационных моторах еще во времена Второй мировой войны. Первым автомобилем с прямым впрыском был Goliath GP700. Но в послевоенный период такой вид системы впрыска топлива не был популярен в силу дороговизны топливных насосов и уникальной для данной системы головки блока цилиндров. Тогда инженерам не удалось найти оптимального баланса, точной работы и приемлемой надежности такой схемы.

Непосредственный впрыск

Рост экологических мировых проблем привел к тому, что в 90-е года прошлого столетия о прямом впрыске топлива вспомнили вновь. Первым применил эту схему концерн Mitsubishi, выпустив в 96 году серию моторов GDI, после них и другими автопроизводителями был перенят успешный опыт японцев — Mercedes-Benz, Volkswagen, BMW, FIAT, Peugeot-Citroen и прочие.

Объясняется это тем, что такая схема подачи топлива позволяет двигателю функционировать и на смесях с высоким содержанием воздуха, такие смеси называются обедненными, и не случайно, ведь чем меньше нужно топлива, тем выше экономичность.

Также бензин, подаваясь в цилиндры, обеспечивает повышение степени сжатия двигателя, что в свою очередь увеличивает его мощность и эффективность.

В заключении

Непосредственный впрыск, пожалуй, оптимальное решение в питании автомобиля топливом, если бы не некоторые «НО». Моторы с такой схемой довольно капризны к качеству октановой смеси, работа их отличается повышенной жесткостью и шумностью, что приводит к усилению шумоизоляции салона авто. Кроме того, работая на обедненные смеси, выделяется высокое количество оксидов азота, а борьба с ними ведется посредством усложнения конструкции мотора. Но как ни крути инжектор гораздо лучше карбюратора — и это только говоря простым языком.

Ссылка на основную публикацию