Впрыск топлива в двигатель: Системы впрыска бензиновых двигателей

Система впрыска

На современных автомобилях используются различные системы впрыска топлива. Система впрыска (другое наименование — инжекторная система, от injection – впрыск) как следует из названия, обеспечивает впрыск топлива.

Система впрыска используется как на бензиновых, так и дизельных двигателях. Вместе с тем, конструкции и работа систем впрыска бензиновых и дизельных двигателей существенным образом различаются.

В бензиновых двигателях с помощью впрыска образуется однородная топливно-воздушная смесь, которая принудительно воспламеняется от искры. В дизельных двигателях впрыск топлива производится под высоким давлением, порция топлива смешивается со сжатым (горячим) воздухом и почти мгновенно воспламеняется. Давление впрыска определяет величину порции впрыскиваемого топлива и соответственно мощность двигателя. Поэтому, чем больше давление, тем выше мощность двигателя.

Система впрыска топлива является составной частью топливной системы автомобиля. Основным рабочим органом любой системы впрыска является форсунка (инжектор).

Системы впрыска бензиновых двигателей

В зависимости от способа образования топливно-воздушной смеси различают следующие системы центрального впрыска, распределенного впрыска и непосредственного впрыска. Системы центрального и распределенного впрыска являются системами предварительного впрыска, т.е. впрыск в них производится не доходя до камеры сгорания — во впускном коллекторе.

Центральный впрыск (моновпрыск) осуществляется одной форсункой, устанавливаемой во впускном коллекторе. По сути это карбюратор с форсункой. В настоящее время системы центрального впрыска не производятся, но все еще встречаются на легковых автомобилях. Преимуществами данной системы являются простота и надежность, а недостатками — повышенный расход топлива, низкие экологические показатели.

Система распределенного впрыска (многоточечная система впрыска) предполагает подачу топлива на каждый цилиндр отдельной форсункой. Образование топливно-воздушной смеси происходит во впускном коллекторе. Является самой распространенной системой впрыска бензиновых двигателей. Ее отличает умеренное потребление топлива, низкий уровень вредных выбросов, невысокие требования к качеству топлива.

Перспективной является система непосредственного впрыска. Впрыск топлива осуществляется непосредственно в камеру сгорания каждого цилиндра. Система позволяет создавать оптимальный состав топливно-воздушной смеси на всех режимах работы двигателя, повысить степень сжатия, тем самым обеспечивает полное сгорание смеси, экономию топлива, повышение мощности двигателя, снижение вредных выбросов. С другой стороны ее отличает сложность конструкции, высокие эксплуатационные требования (очень чувствительна к качеству топлива, особенно к содержанию в нем серы).

Для снижения выбросов твердых частиц в атмосферу с отработавшими газами применяется комбинированная система впрыска, объединяющая систему непосредственного впрыска и систему распределенного впрыска на одном двигателе внутреннего сгорания.

Системы впрыска бензиновых двигателей могут иметь механическое или электронное управление. Наиболее совершенным является электронное управление впрыском, обеспечивающее значительную экономию топлива и сокращение вредных выбросов.

Впрыск топлива в системе может осуществляться непрерывно или импульсно (дискретно). Перспективным с точки зрения экономичности является импульсный впрыск топлива, который используют все современные системы.

В двигателе система впрыска обычно объединена с системой зажигания и образует объединенную систему впрыска и зажигания (например, системы Motronic, Fenix). Согласованную работу систем обеспечивает система управления двигателем.

Системы впрыска дизельных двигателей

Впрыск топлива в дизельных двигателях может производиться двумя способами: в предварительную камеру или непосредственно в камеру сгорания.

Двигатели с впрыском в предварительную камеру отличает низкий уровень шума и плавность работы. Но в настоящее время предпочтение отдается системам непосредственного впрыска. Несмотря на повышенный уровень шума, такие системы имеют высокую топливную экономичность.

Определяющим конструктивным элементом системы впрыска дизельного двигателя является топливный насос высокого давления (ТНВД).

На легковые автомобили с дизельным двигателем устанавливаются различные конструкции систем впрыска: с рядным ТНВД, с распределительным ТНВД, насос-форсунками, Сommon Rail. Прогрессивные системы впрыска — насос-форсунки и система Сommon Rail.

В системе впрыска насос-форсунками функции создания высокого давления и впрыска топлива объединены в одном устройстве – насос-форсунке. Насос-форсунка имеет постоянный (неотключаемый) привод от распределительного вала двигателя, поэтому подвержена интенсивному износу. Это качество насос-форсунки направляет предпочтения автопроизводителей в сторону системы Сommon Rail.

Работа системы впрыска Common Rail основана на подаче топлива к форсункам от общего аккумулятора высокого давления – топливной рампы (в переводе common rail — общая рампа). Другое название системы — аккумуляторная система впрыска. Для снижения уровня шума, улучшения самовоспламенения и снижения вредных выбросов в системе реализован многократный впрыск топлива — предварительный, основной и дополнительный.

Системы впрыска дизельных двигателей могут иметь механическое или электронное управление. В механических системах регулирование давления, объема и момента подачи топлива производится механическим способом. Электроника образует систему управления дизелем.

 

 

Система впрыска топлива | Диагностика двигателя

Существует несколько методов впрыска топлива:
непрерывный впрыск топлива, точечный впрыск топлива, распределённый
впрыск топлива и непосредственный впрыск топлива. Непрерывный впрыск
топлива осуществлялся механическими и электромеханическими системами
впрыска топлива. Остальные электронные системы впрыска топлива подают
топливо строго дозированными порциями.

 

Системы непрерывного впрыска топлива

Наиболее распространёнными примерами непрерывного
впрыска топлива являются механическая система впрыска топлива BOSCH
K-Jetronic и электромеханическая система впрыска топлива BOSCH
KE-Jetronic. Здесь топливо впрыскивается непрерывным потоком при помощи
механических форсунок, распыляющих топливо пред впускными клапанами
каждого цилиндра. Количество топлива регулируется путём изменения

интенсивности потока впрыскиваемого топлива. Данные системы применялись
на ранних системах питания двигателя, и были вытеснены более надёжными и
точными электронными системами подачи топлива.

Системы точечного впрыска топлива

Системы точечного впрыска топлива оснащены одной
электромагнитной форсункой (иногда двумя форсунками работающими в паре,
на двигателях с раздельными группами цилиндров), впрыскивающей топливо
во впускной тракт перед дроссельной заслонкой. Как и в случае
карбюраторного питания, во время работы двигателя оборудованного
точечным впрыском, впускной коллектор двигателя весь заполняется готовой
топливовоздушной смесью.
Впрыск топлива здесь осуществляется не
непрерывной струёй, а подаётся порциями. Количество подаваемого топлива
регулируется путём изменения продолжительности открытого состояния форсунки.

Форсунка точечной системы впрыска топлива за два оборота коленчатого
вала двигателя (один полный цикл работы четырёхтактного двигателя)
впрыскивает топливо четыре раза. Недостатки такой системы приготовления
топливовоздушной смеси схожи с карбюраторными системами, связанные с
задержкой и неравномерностью подачи топливовоздушной смеси для разных
цилиндров, не столь хорошей приемистостью двигателя, оседание топлива на
стенках впускного коллектора, особенно во время холодного запуска
двигателя. Хотя для такой системы впрыска не предъявляются высокие
требования к качеству распыла топлива, так как отводится достаточно
времени на испарение и смешивание топлива с поступившим в впускной
коллектор воздухом.
 

Осциллограммы напряжения сигналов системы
управления двигателем BOSCHMONO-Motronic, демонстрирующие схему впрыска
топлива данной системы.
1 Осциллограмма
напряжения выходного сигнала датчика Холла, встроенного в корпус
механического распределителя зажигания. Датчик генерирует четыре
импульса за два оборота коленчатого вала двигателя.
2 Осциллограмма
напряжения управляющих импульсов топливной форсункой. За один полный
цикл работы двигателя форсунка осуществляет четыре впрыска топлива.
3 Импульс синхронизации с моментом зажигания в первом цилиндре.
 

Обмотка топливной форсунки точечной системы
впрыска, имеет низкое электрическое сопротивление — единицы Ома
(топливные форсунки с низким электрическим сопротивлением встречаются и в
других систем впрыска топлива). За счёт уменьшения сопротивления
обмотки увеличивается быстродействие форсунки, что позволяет впрыскивать
небольшие порции топлива. Для уменьшения нагрева обмотки форсунки,

применяются меры, ограничивающие величину протекающего через обмотку
форсунки тока.
 
В некоторых системах с этой целью используется
мощный токоограничивающий резистор, включённый последовательно в цепь
питания форсунки.
 

Осциллограммы напряжения питания и
управляющего импульса на выводах обмотки низкоомной форсунки (система
точечного впрыска топлива BOSCH MONO Jetronic).
1 Осциллограмма напряжения на управляющем выводе обмотки форсунки.
2 Осциллограмма напряжения на питающем выводе обмотки форсунки (после токоограничивающего резистора).
 

Как видно по приведённым осциллограммам, за счёт
возникновения падения напряжения на токоограничивающем резисторе,
напряжение питания обмотки форсунки автоматически снижается.
В некоторых системах, применяются более сложные

алгоритмы управления форсункой. В таких случаях, импульс управления
форсункой имеет более сложную форму и делится уже на две фазы: фаза
открывания клапана топливной форсунки и фаза удержания клапана топливной
форсунки в открытом состоянии.
 

Осциллограмма напряжения управляющего
импульса низкоомной форсункой системы управления двигателем с точечным
впрыском топлива Multec IEFI автомобиля производства OPEL.
A: Значение напряжения в
момент времени указанный маркером. В данном случае соответствует
напряжению питания обмотки форсунки и равно 14,6 V.
1 Момент
открытия управляющего форсункой силового транзистора. С этого момента
на обмотку форсунки действует напряжение величиной около 14 V.

2 Фаза открывания клапана топливной форсунки.
3 Момент переключения управляющего форсункой силового транзистора в режим ограничения тока в цепи форсунки.
4 Фаза
удержания клапана топливной форсунки в открытом состоянии Управляющий
форсункой силовой транзистор работает в режиме ограничения тока в цепи
форсунки, обеспечивая подвод к обмотке форсунки пониженного напряжения.
A-B: Значение разницы
напряжений между указанными маркерами моментами времени. В данном случае
соответствует величине воздействующего на обмотку форсунки напряжения
во время фазы удержания клапана топливной форсунки в открытом состоянии и
равно ~1,7 V
5 Момент закрытия управляющего форсункой силового транзистора.

 
Как можно видеть по приведённой выше
осциллограмме, в первоначальный момент времени на низкоомную обмотку
форсунки кратковременно подаётся напряжение, близкое к напряжению на
клеммах аккумуляторной батареи, что обеспечивает ускорение процесса
открытия клапана топливной форсунки. Продолжительность фазы открывания
клапана 
топливной форсунки здесь составляет около 1 mS.
Теперь, когда клапан форсунки открыт, для удержания клапана в открытом
состоянии достаточно уже меньшего тока. Величина протекающего через
обмотку тока ограничивается путём уменьшения величины воздействующего на
обмотку напряжения. В данном случае, уменьшение воздействующего на
обмотку форсунки напряжения достигается путём «призакрытия» управляющего
силового транзистора. Тем самым уменьшается чрезмерный нагрев обмотки
форсунки (дополнительное охлаждение форсунки обеспечивается за счёт
омывающего форсунку топлива). Продолжительность фазы удержания клапана
топливной форсунки в открытом состоянии может изменяться и зависит от
того, какую порцию топлива в данный момент требуется впрыснуть.

В некоторых системах, ограничение протекающего
через обмотку форсунки тока во время фазы удержания клапана в открытом
состоянии реализовано другим способом.
 

Осциллограмма напряжения управляющего
импульса низкоомной форсункой системы управления двигателем BDZ с
точечным впрыском топлива, устанавливаемого на автомобили Peugeot 405.
 

Здесь во время фазы удержания, управляющий
обмоткой форсунки силовой транзистор переключается в режим
Широтно-Импульсной Модуляции (ШИМ). Благодаря этому, обмотка форсунки
многократно подключается к источнику напряжения и отключается от него,

после чего процесс повторяется. Частота процесса подключения /
отключения обмотки настолько высока, что механическая система форсунки
(клапан) «не успевает» закрываться в моменты, когда питающее напряжение
отключено.
 

Системы распределённого впрыска топлива

Каждый цилиндр системы распределённого впрыска
топлива обслуживается собственной электромагнитной форсункой. Каждая
форсунка такой системы впрыскивает топливо во впускной коллектор пред
впускными клапанами каждого цилиндра. Таким образом, только часть
внутреннего объёма впускного коллектора работающего двигателя
заполняется подготовленной топливной смесью. Как и в системе точечного
впрыска топлива, здесь впрыск осуществляется не непрерывной струёй
топлива, а подаётся порциями. Количество подаваемого топлива
регулируется путём изменения продолжительности открытого состояния
форсунки.

Электромагнитные топливные форсунки имеют
некоторую инерционность. Проявляется эта инерционность как задержка
открытия и задержка закрытия клапана форсунки относительно управляющего
напряжения. Задержка открытия клапана форсунки может составлять около
1,5 mS, кроме того, она может изменяться с изменением величины
напряжения на аккумуляторной батарее. Задержка закрытия клапана форсунки
может составлять около 1,0 mS. Когда двигатель работает под нагрузкой,
длительность впрыска топлива может составлять несколько единиц или даже
десятки миллисекунд, то есть -длительность впрыска топлива при этом
значительно превышает время задержки срабатывания клапана форсунки, и за
счёт этого инерционность форсунки сказывается мало заметно.

Когда двигатель работает при малых нагрузках или
на холостом ходу, длительность впрыска значительно уменьшается, и
становится сравнимой с временем задержки срабатывания клапана форсунки.

Из-за этого, инерционность форсунки может сказываться значительно
сильнее и точность дозирования количества впрыскиваемого топлива может
сильно снизиться. Поэтому, для таких форсунок не используют управляющие
импульсы продолжительностью менее 1,5 mS. Кроме того, инерционность
форсунок, обслуживающих разные цилиндры одного и того же двигателя со
значительным пробегом может заметно различаться, что вносит
дополнительную погрешность дозирования малых порций топлива.

Классификация систем распределённого впрыска топлива

Распределённые системы впрыска топлива
различаются по схеме работы впрыска топлива: параллельный впрыск,
попарно-параллельный, фазированный (последовательный).

Параллельный впрыск топлива

Топливные форсунки многих ранних распределённых
систем впрыска топлива соединены параллельно. При такой схеме,
управление форсунками двигателя происходит одновременно — все форсунки
такой системы работают синхронно.
 

Осциллограммы напряжения сигналов системы
управления 4-х цилиндрового 4-х тактного двигателя, осуществляющей
параллельный впрыск топлива, демонстрирующие схему впрыска топлива
данной системы.
1 Осциллограмма напряжения управляющих импульсов топливной форсункой 1-го цилиндра.
2 Осциллограмма напряжения управляющих импульсов топливной форсункой 2-го цилиндра.
3 Осциллограмма напряжения управляющих импульсов топливной форсункой 3-го цилиндра.
4 Осциллограмма напряжения управляющих импульсов топливной форсункой 4-го цилиндра.
7 Импульс синхронизации с моментом зажигания в первом цилиндре.
 
В системах параллельного впрыска, за один полный
цикл работы двигателя (за два оборота коленчатого вала 4-х тактного
двигателя), каждая форсунка впрыскивает топливо дважды. То есть, каждая
порция топлива, попадающего впоследствии в цилиндр во время 
такта впуска, впрыскивается «за два приёма».
Из-за того, что подача каждой порции топлива осуществляется за два
впрыска, в сравнении с точечным впрыском, точность дозирования
получается несколько лучшей; но в сравнении с фазированным впрыском,
точность дозирования получается несколько хуже, особенно на переходных
режимах работы двигателя.
Блок управления параллельной системы впрыска
топлива должен учитывать инерционность открытия клапана форсунки,
которая сильно зависит от величины напряжения в бортовой сети
автомобиля. При больших порциях впрыскиваемого топлива, к примеру, во
время ускорения автомобиля или во время холодного пуска, часть топлива
оседает на стенках впускного коллектора и попадает в цилиндр с некоторой
задержкой, что сказывается на приемистости двигателя. Но к качеству
распыла топлива здесь предъявляются немного меньшие требования, так как
отводится достаточно времени на испарение топлива и смешивание его с
воздухом.
Недостаток параллельного впрыска заключается в
неодинаковом для всех цилиндров времени от начала впрыскивания топлива
форсункой до момента открытия впускного клапана цилиндра. При
одновременном впрыске топлива порядок работы цилиндров не учитывается,
соответственно время подготовки топливовоздушной смеси (время испарения
топлива) для каждого цилиндра получается разным.

 

Попарно-параллельный впрыск топлива

Для уменьшения зависимости качества подготовки
топливовоздушной смеси от момента впрыска топлива, а так же для
улучшения точности дозирования топлива на переходных режимах работы
двигателя, топливные форсунки были разделены на группы согласно порядку
работы цилиндров и соединены попарно-параллельно — половина форсунок
соединена параллельно и управляется своим выходным силовым транзистором
блока управления двигателем, другая половина форсунок так же соединена
параллельно и управляется своим, вторым выходным силовым транзистором
блока управления двигателем.
Управление форсунками одной группы происходит
одновременно — все форсунки одной группы работают синхронно. Когда
форсунки первой группы впрыскивают топливо, форсунки второй группы
закрыты, и наоборот. При этом, первая и вторая группы форсунок, так же
как и в системе параллельного впрыска топлива, впрыскивают топливо
дважды за один цикл работы 4-х тактного двигателя (за два оборота
коленвала).
 

Осциллограммы напряжения сигналов системы
управления 4-х цилиндрового 4-х тактного двигателя, осуществляющей
попарно-параллельный впрыск топлива, демонстрирующие схему впрыска
топлива данной системы. Порядок работы цилиндров 1 — 3 — 4 — 2. В данном
случае в первую пару объединены форсунки, обслуживающие цилиндры №1 и
№4, а во вторую пару объединены форсунки, обслуживающие цилиндры №2 и
№3. Но встречаются системы, где при таком же порядке работы цилиндров
двигателя, форсунки объединены в пары по-другому.
напряжения управляющих импульсов топливной
напряжения управляющих импульсов топливной
напряжения управляющих импульсов топливной
напряжения управляющих импульсов топливной
форсункой форсункой форсункой форсункой
1 Осциллограмма 1-го цилиндра.
2 Осциллограмма 2-го цилиндра.
3 Осциллограмма 3-го цилиндра.
4 Осциллограмма 4-го цилиндра.
5 Осциллограмма
напряжения выходного сигнала датчика положения / частоты вращения
коленчатого вала. За один полный оборот коленвала датчик генерирует 58
импульсов и один пропуск, продолжительность которого соответствует
продолжительности двух импульсов. Соответственно, за один полный цикл
работы 4-х тактного двигателя (за два оборота коленвала) датчик
генерирует такие пропуски дважды.
7 Импульс синхронизации с моментом зажигания в первом цилиндре.
 
Следует заметить, что в момент пуска двигателя
блок управления двигателем переключается на параллельную схему впрыска
топлива, то есть, включает и выключает все топливные форсунки
одновременно.

Фазированный впрыск топлива

Для дальнейшего повышения точности дозирования
впрыскиваемого топлива при малых длительностях впрыска путём уменьшения
негативного влияния инерционности электромагнитных топливных форсунок,
каждую форсунку стали обслуживать собственным выходным транзистором
блока управления двигателем. Такая схема впрыска называется фазированным
впрыском или последовательным впрыском топлива. За счёт уменьшения
частоты срабатывания форсунки по сравнению с параллельным и
попарно-параллельным впрыском в два раза, потребовалось уже более
продолжительное открытие форсунки для обеспечения подачи того же
количества топлива. То есть, схема управления форсунками была
модернизирована так, что вместо двух коротких впрысков топлива
осуществляется один более продолжительный впрыск. Таким образом, замена
параллельной схемы впрыска топлива на фазированную позволила заметно
повысить точность дозирования впрыскиваемого топлива при малых
длительностях впрыска.
 

Осциллограммы
напряжения сигналов системы управления 4-х цилиндрового 4-х двигателя,
осуществляющей фазированный впрыск топлива, демонстрирующие схему
впрыска топлива данной системы.
1 Осциллограмма напряжения управляющих импульсов топливной 1-го цилиндра.
2 Осциллограмма напряжения управляющих импульсов топливной 2-го цилиндра.
3 Осциллограмма напряжения управляющих импульсов топливной 3-го цилиндра.
4 Осциллограмма напряжения управляющих импульсов топливной 4-го цилиндра.
5 Осциллограмма напряжения
выходного сигнала датчика положения / частоты вращения коленчатого
вала. За один полный оборот коленвала датчик генерирует 58 импульсов и
один пропуск, продолжительность которого соответствует продолжительности
двух импульсов. Соответственно, за один полный цикл работы 4-х тактного
двигателя (за два оборота коленвала) датчик генерирует такие пропуски
дважды.
6 Осциллограмма
напряжения выходного сигнала датчика положения распределительного вала
(датчика фаз). За два полных оборота коленвала датчик генерирует один
импульс.
7 Импульс синхронизации с моментом зажигания в первом цилиндре.
 
Здесь, впрыск топлива осуществляется тогда, когда
обслуживаемый данной форсункой цилиндр находится на такте выпуска
отработавших газов, то есть, незадолго до такта впуска. За два полных
оборота коленчатого вала двигателя соответствующих одному полному циклу
работы четырёхтактного двигателя, каждая форсунка впрыскивает топливо
только один раз. То есть, по сравнению с параллельным и
попарно-параллельным впрыском, здесь частота срабатывания форсунки
уменьшена в два раза. За счёт этого, для обеспечения подачи заданного
количества топлива потребовалось более продолжительное открытие
форсунки, а за счёт увеличения продолжительности открытого состояния
форсунки уменьшилось негативное влияние инерционности электромагнитных
топливных форсунок на точность дозирования топлива. Таким образом,
замена попарно-параллельной схемы впрыска топлива на фазированную
позволила ещё больше повысить точность дозирования впрыскиваемого
топлива при малых длительностях впрыска.
Для реализации фазированной схемы впрыска топлива
потребовались заметные доработки системы управления двигателем,
обеспечивающие привязку алгоритма управления форсунками к фазам рабочего
цикла цилиндров. По этому, двигатели, оборудованные фазированным
впрыском топлива, дополнительно оснащены датчиком положения
распределительного вала (датчиком фаз). Кроме того, блок управления
такого двигателя потребовалось дооснастить ещё несколькими силовыми
транзисторами, для управления каждой форсункой индивидуально. Кроме
внесения изменений в блок управления двигателем, потребовалось
применение форсунок с более тонким распылом топлива, так как уменьшилась
продолжительность процесса испарения топлива и смешивания его с
воздухом. На некоторых двигателях, дополнительно, это позволило
использовать режим работы при более бедной смеси (дополнительно
потребовалось изменение конструкции впускного коллектора и применение
заслонок завихрителей, для формирования вертикальных потоков воздуха в
цилиндре).

Следует заметить, что в момент пуска двигателя
блок управления двигателем переключается на параллельную схему впрыска
топлива, то есть, включает и выключает все топливные форсунки
одновременно до тех пор, пока не распознает сигнал от датчика положения
распределительного вала.

Дополнительно применяется асинхронный режим
впрыска. В момент, когда водитель очень резко нажимает на педаль
акселератора, некоторые блоки управления могут осуществлять впрыскивание
дополнительного количества топлива несколькими малыми порциями в
цилиндры, которые в данный момент находятся перед или вначале такта
впуска.
 

Осциллограммы напряжения сигнала управления
форсункой и сигнала от датчика положения дроссельной заслонки системы
фазированного впрыска топлива в момент резкой перегазовки.
4 Осциллограмма напряжения выходного сигнала датчика положения дроссельной заслонки.
6 Осциллограмма напряжения управляющих импульсов топливной форсункой одного из цилиндров.

Как видно из приведённым выше осциллограммам, на
переходных режимах работы двигателя, в данном примере в момент резкого
открытия дроссельной заслонки, система фазированного впрыска топлива
может осуществлять дополнительные циклы впрыска топлива, дополнительно
обогащая таким образом состав приготовляемой топливовоздушной смеси.
Благодаря этому снижается вероятность возникновения пропусков
воспламенения топливовоздушной смеси в цилиндрах при работе двигателя на
переходных режимах.

В системах точечного впрыска топлива подавляющего
большинства двигателей современных автомобилей реализован именно
фазированный впрыск топлива.
 

Системы непосредственного впрыска топлива

Наиболее современными системами управления
двигателем являются системы с непосредственным впрыскиванием топлива.
Здесь топливная форсунка впрыскивает топливо непосредственно в камеру
сгорания, то есть, во внутренний объём цилиндра. Благодаря этому, при
работе двигателя с низкой нагрузкой (холостой ход, равномерное движение
автомобиля с небольшой скоростью…) удалось достичь приготовления
внутри цилиндра топливовоздушной смеси с неоднородным соотношением
воздух-топливо. Вблизи электродов свечи зажигания образуется нормальная
или немного обогащённая смесь, за счёт чего происходит устойчивое
воспламенение этой смеси от искрового разряда между электродами свечи
зажигания. В остальном объёме цилиндра образуются бедные и сверхбедные
смеси, которые сгорают от пламени горения нормальной по составу смеси
вблизи электродов свечи зажигания. За счёт послойного приготовления
топливовоздушной смеси (состав смеси в объёме камеры сгорания
неоднороден), усреднённый состав приготовляемой и сжигаемой таким
образом топливовоздушной смеси оказывается сверхбедным — соотношение
воздух-топливо при работе двигателя в таком режиме может достигать
значений 30:1…40:1. Для сравнения, на бензиновом двигателе с подачей
топлива во впускной коллектор и оборудованном специальными завихрителями
потока воздуха (для создания послойной смеси в камере сгорания) не
удаётся достичь обеднения топливовоздушной смеси с соотношением
воздух-топливо более 25:1. А, как известно, обеднение топливовоздушной
смеси позволяет заметно снизить количество расходуемого двигателем
топлива.

Системы управления двигателем с непосредственным
впрыскиванием топлива, да и сами двигатели, обслуживаемые подобными
системами, имеют ряд отличий от обычных систем с точечным впрыскиванием
топлива. Это: вертикальные каналы ввода потока воздуха в цилиндры,
поршни с закругленной выборкой для направления топливной смеси в сторону
свечи зажигания, вихревые инжекторы высокого давления, топливный насос
высокого давления. Кроме того, при работе двигателя на сверхбедных
смесях, впрыскивание топлива в камеру сгорания происходит в конце такта
сжатия. Из-за высокого давления в камере сгорания в момент впрыска
топлива, а так же для обеспечения направленного перемещения впрыснутого
топлива к свече зажигания, давление топлива в топливной рейке здесь
существенно увеличено, соответственно изменена и конструкция топливной
форсунки. С целью повышения давления в топливной рейке, кроме
электрического топливного насоса, размещённого внутри бака, здесь
дополнительно применён механический топливный насос высокого давления,
приводимый от распределительного вала двигателя. Механический топливный
насос высокого давления обеспечивает поддержание давления в топливной
рейке на уровне нескольких десятков Bar.

Для обеспечения правильного послойного
образования топливовоздушной смеси, движение воздушного потока внутри
цилиндра было оптимизировано за счёт изменения конструкции двигателя —
изменены форма и направление впускного воздушного канала для создания в
камере сгорания вертикально направленных воздушных потоков. Так же здесь
применена специальная форма днища поршня. За счёт изменённой формы
днища поршня, струя впрыскиваемого форсункой топлива «отражается» от
наклонного углубления в днище поршня и направляется к свече зажигания,
где образуется область с достаточно богатым содержанием топлива.

В связи с повышением давления топлива в топливной
рейке, потребовалось значительно сократить длительность открытия
топливной форсунки, измеряемое здесь в единицах десятых долей милли
Секунды. Для уменьшения инерционности топливных форсунок, величина
управляющего форсунками напряжения была значительно увеличена и
достигает нескольких десятков Вольт. Для управления топливными
форсунками многих систем непосредственного впрыска топлива применяется
специальный модуль, преобразующий низковольтные импульсы от блока
управления двигателем в высоковольтные импульсы для управления
топливными форсунками.
 

Осциллограммы напряжений сигналов управления топливной форсункой системы непосредственного впрыска топлива.
1 Осциллограмма напряжения на одном из выводов топливной форсунки системы непосредственного впрыска топлива.
2 Осциллограмма напряжения на втором из выводов топливной форсунки системы непосредственного впрыска топлива.
3 Осциллограмма напряжения, воздействующего на обмотку топливной форсунки системы непосредственного впрыска топлива.
 

Следует отметить, что при работе двигателя на
холостом ходу, для поддержания необходимой температуры нейтрализатора
выхлопных газов приготовление сверхбедной топливовоздушной смеси
периодически чередуется с приготовлением обычный однородной смеси
(послойное смесеобразование чередуется с гомогенным смесеобразованием).
При гомогенном смесеобразовании впрыск топлива в камеру сгорания
происходит не во время такта сжатия, а на такте впуска. Переключения
между послойным и гомогенным смесеобразованием заметны по
незначительному изменению частоты вращения двигателя на холостом ходу.
На определенных режимах работы двигателя возможен
комбинированный режим приготовления смеси, когда топливо впрыскивается
форсунками на такте впуска и дополнительно в конце такта сжатия.

Из-за низкого качества топлива, повышается
степень износа деталей некоторых узлов системы непосредственного
впрыскивания топлива. Высокое содержание серы и нерегламентированных
присадок в бензине фактически сводит на нет экономические, экологические
и мощностные показатели данных двигателей. Поэтому, не многие
производители автомобилей одобряют эксплуатацию таких двигателей в
странах СНГ.

Песня о воздухе и топливе: истоки впрыска топлива

Образ жизни 07. 09. 2018

Чтение на 6 мин.

В предыдущих выпусках нашей серии о приготовлении топливных смесей для двигателей внутреннего сгорания мы рассмотрели «первую эпоху» — карбюраторы. Это элегантное и (в большинстве случаев) чисто механическое устройство, наконец, достигло своего предела в конце 1980-х и начале 1990-х годов. Пришло время уступить место новой системе – впрыску топлива. Но так ли все было ново?
 
На самом деле, хотя впрыск топлива стал обычным явлением в бензиновых двигателях относительно недавно, эта идея существует уже более века. Даже более современная система непосредственного впрыска скоро отметит свое 100-летие. Эволюция впрыска топлива настолько интересна, а ее преимущества настолько важны, что мы должны рассмотреть ее поближе.
 
В предыдущих частях мы сказали, что не будем обсуждать воспламенение от сжатия или дизельные двигатели. Те, в принципе, требуют какого-то впрыска топлива, но – опять же из-за их особенностей – в автоспорте они почти не используются. Однако в нашем путешествии по истории впрыска топлива мы должны хотя бы кратко взглянуть на них. И не все двигатели с воспламенением от сжатия являются дизелями!

Первая система впрыска топлива, хоть сколько-нибудь похожая на современные, была изобретена британским инженером и моторостроителем Гербертом Акройдом Стюартом. Он был достаточно «ловок», чтобы вылить фляжку с керосином в котел, полный расплавленного олова в 1885 году. Последовавший за этим пожар привел к полезному открытию, что, хотя жидкий керосин неохотно воспламеняется, горячие пары керосина действительно воспламеняются очень охотно. Хорошо знать.

Инцидент с пожаром в лаборатории в конечном итоге привел к созданию двигателя с горячим термометром, который был запущен в производство по лицензии в 189 г.1. Это означает, что Акройд Стюарт был на самом деле быстрее, чем Рудольф Дизель, чей прототип был впервые запущен в 1894 году. сельское хозяйство и судоходство с этого момента. Обычно это были одноцилиндровые двигатели с двухтактным циклом и низкой степенью сжатия от 3:1 до 9:1 (типичный дизельный двигатель имеет степень сжатия где-то между 15:1 и 23:1). Это был не типичный дизель, но он был похож в принципе на двигатель с воспламенением от сжатия, хотя для воспламенения в нем использовался внешний источник тепла, а не сжатие.

Первый двигатель с впрыском топлива и воспламенением от сжатия был сконструирован в 1902 году и запущен в производство в 1906 году. Как будто это не было достаточно большим прорывом, это был также первый серийный двигатель V8 в истории. Вы можете подумать, что этот двигатель родом из США, земли обетованной восьмицилиндрового двигателя, но вы ошибаетесь. Рассматриваемый двигатель был французским. Он назывался Antoinette 8V и был разработан не кем иным, как знаменитым изобретателем и пионером авиации Леоном Левавассером. Двигатель V8 с воздушным охлаждением и рабочим объемом восемь литров выдавал 50 лошадиных сил, что для того времени было солидным показателем. Благодаря продуманной конструкции он также весил всего 95 кг. Левавассер также разработал первый двигатель V16.

Авиационный двигатель Antoinette V8

Еще одним интересным примером в истории впрыска топлива является двигатель Хессельмана. По сути, это гибрид бензинового и дизельного двигателя. Свеча зажигания используется для воспламенения топливно-воздушной смеси, как и в двигателе с искровым зажиганием, но она предназначена для сжигания более тяжелых видов топлива, таких как дизельное топливо, керосин или даже мазут. Он зажигается на бензине, который сжигает до тех пор, пока не прогреется, а затем переключается на тяжелое топливо. Перед выключением необходимо снова дать ему поработать некоторое время на бензине, чтобы очистить систему от тяжелых топливных отложений.
 
Этот двигатель был изобретен шведским инженером Йонасом Хессельманом и впервые представлен в 1925 году. Он использовался в автобусах и грузовиках с конца 1920-х до начала 1940-х годов такими производителями, как Volvo и Scania. Двигатель Hesselman был первым двигателем с воспламенением от сжатия с прямым впрыском, когда-либо использовавшимся в дорожных транспортных средствах, хотя и не был настоящим дизельным двигателем. Его конструкция была больше похожа на бензиновый двигатель.
 
Основными преимуществами двигателя Хессельмана были его способность сжигать низкокачественное, более дешевое топливо и более высокая топливная экономичность по сравнению с бензиновыми двигателями аналогичной производительности того времени. С другой стороны, поскольку ему не приходилось выдерживать такое высокое давление, как дизельному двигателю, ему было довольно сложно достичь рабочей температуры. Топливо не всегда сгорало идеально, и тогда свечи зажигания становились грязными, а выхлоп выпускал клубы ядовитого дыма, которые заставили бы сегодняшних защитников окружающей среды съежиться.

Как и во многих других подобных областях, разработки в области впрыска бензинового топлива получили широкое распространение во время Второй мировой войны. Деньги и ресурсы вкладывались в изучение нововведений, даже самых причудливых, в надежде, что любое техническое усовершенствование приведет к ценному преимуществу над противником. Вероятно, самый известный пример этого произошел в небе над Великобританией. В остальном чрезвычайно продвинутые истребители Supermarine Spitfire и Hawker Hurricane Королевских ВВС столкнулись с проблемами в воздушных боях с Messerschmitt Bf 109.с немецкого люфтваффе. Двигатели Rolls-Royce Merlin на британских истребителях питались от карбюраторов, что приводило к прерыванию подачи топлива при маневрах с отрицательной перегрузкой, но двигатели Daimler-Benz 601 V12 на немецких самолетах не страдали от этой проблемы.
 
Было много других немецких авиационных двигателей, которые использовали впрыск топлива, например, 42-литровый радиальный 14-цилиндровый двигатель BMW 801 с воздушным охлаждением, который приводил в действие страшные истребители Focke-Wulf Fw 190, а также бомбардировщики Junkers Ju 88. Junkers Jumo 210 в пикирующем бомбардировщике Ju 87 Stuka, Jumo 211 в Heinkel He 111 и другие использовали системы впрыска топлива. Знаменитые Мерлины сохранили карбюраторы, хотя и были модернизированы и с решенной проблемой отрицательной перегрузки, но первые экземпляры с впрыском топлива также начали появляться по другую сторону Атлантики. Типичным примером был дуплексный циклон Wright R-3350. Советы придумали Швецов Аш-82, свой вариант «Циклона». Технология впрыска топлива также достигла Японии, где в конце войны были представлены два варианта двигателей Mitsubishi с впрыском топлива.

Практически в каждой стране, внедрившей впрыск топлива в военных самолетах, кто-то адаптировал его и для автомобильной промышленности — за исключением СССР. Там централизованная экономика, вероятно, была одной из главных причин, почему последние карбюраторные автомобили ВАЗ все еще производились там в начале этого века.
 
В следующем выпуске серии мы рассмотрим появление системы впрыска топлива в автомобилях и то, как она достигла своего нынешнего крайне сложного состояния.

Песня о воздухе и топливе: как впрыск топлива попал в автомобили

Образ жизни 20. 09. 2018

Чтение через 5 мин.

В предыдущих частях этой серии мы рассказали вам историю изобретения впрыска топлива, начиная с первых промышленных двигателей и заканчивая его первым крупным применением в самолетах времен Второй мировой войны. Теперь пришло время взглянуть на то, как он оказался под капотом вашего автомобиля — или почти любого другого автомобиля в мире.
 
Первые экземпляры начали появляться в 1950-е годы. К 1970-м годам инжекторный впрыск топлива появился в обычных автомобилях. С середины 1990-х купить новый автомобиль без впрыска топлива в Европе было невозможно (с 1992 года все новые двигатели должны были быть инжекторными). Немецкие компании Bosch и Mercedes-Benz доминировали в начале эры впрыска топлива в автомобилях, за исключением короткого эпизода, когда Alfa Romeo экспериментировала с впрыском топлива в шоссейной гонке Mille Miglia 1940 года, выставив открытый гоночный автомобиль 6C с шестью электронно-управляемыми Caproni-Fuscaldo. топливные форсунки, установленные на его 2,5-литровом двигателе.

Первый впрыск топлива для бензиновых двигателей, представляющий собой переработанную дизельную систему, появился на практически неизвестном Goliath GP700 в 1952 году. непосредственный впрыск, полученный из системы, использовавшейся в истребителе Messerschmitt Bf 109 времен Второй мировой войны. Помимо механического впрыска топлива, 2,5-литровый рядный восьмицилиндровый двигатель также использовал десмодромный клапанный механизм и выдавал 257 л.с. без наддува — ошеломляющая цифра для того времени. Mercedes-Benz также экспериментировал с изменяемой длиной впуска и даже размышлял о полном приводе.
 
Во многом благодаря преимуществам, обеспечиваемым системой впрыска топлива, Хуан Мануэль Фанхио и Стирлинг Мосс настолько опередили остальных, что выиграли чемпионат и в 1954, и в 1955 году. 300 SLR с 3,0-литровым двигателем с непосредственным впрыском и мощностью 310 л.с. Именно Стирлинг Мосс снова использовал его для достижения большого успеха в своей знаменитой победе на Mille Miglia в 1955 году. Что еще печальнее, Пьер Лево разбил подобную машину в Ле-Мане в том же году. В результате трагической аварии погиб не только водитель, но и 83 зрителя, еще почти 180 человек получили ранения, а Mercedes-Benz ушел из автоспорта почти на 30 лет.

Марка по-прежнему хорошо использовала систему впрыска топлива, используя ее для создания первого в мире серийного спортивного автомобиля с впрыском топлива в виде 300 SL 1954 года, получившего прозвище «Крыло чайки» за его распашные двери. , который был оснащен рядной шестеркой с непосредственным впрыском.
 
Премьера непрямого впрыска топлива состоялась в США, где Chevrolet представила свой двигатель V8 Small Block объемом 283 кубических дюйма (4,6 литра), который был оснащен топливными форсунками Rochester рядом с впускными клапанами. В том же году британская компания Lucas разработала собственный вариант впрыска топлива, который сразу же был установлен на гоночных автомобилях Jaguar, в результате чего D-type выиграл гонку в Ле-Мане. Позже эта передовая система была модифицирована для использования в Формуле-1, и такие команды, как Cooper, BRM, Lotus, Matra, Brabham и Tyrell, использовали ее, чтобы выиграть чемпионат несколько раз между 19 и 19 годами.59 и 1973. Для серийных автомобилей Лукас изобрел и модернизировал систему управления впрыском до вакуума, и модифицированная система устанавливалась на различные модели Jaguar, Aston Martin, Triumph и Maserati до середины 1970-х годов.

Другой широко популярной системой механического впрыска была Bosch Jetronic первого поколения, которую использовали Porsche, VW, Audi, Volvo, BMW и многие другие европейские производители. Выдающаяся, но очень сложная система Kugelfischer также использовалась, в частности, BMW, Peugeot и Lancia. Все эти механические системы были очень сложными. Даже с такой сложностью им было трудно справляться с изменениями температуры и контролировать подачу топлива в разных режимах двигателя, например, разницу между холостым ходом и полным ходом. Значительные улучшения как в эффективности, так и в удобстве использования произошли только с появлением электронного впрыска топлива (EFI).
 
Первой коммерчески доступной системой EFI был Bendix Electrojector, который дебютировал в нескольких моделях американских брендов AMC и Rambler. В 1958 году он также появился в автомобилях Chrysler, DeSoto, Dodge и Plymouth. Однако система была полна проблем, и в итоге она была установлена ​​​​только на нескольких десятках автомобилей, большинство из которых позже были преобразованы их владельцами обратно в четырехцилиндровые карбюраторы. Патентные права на систему были куплены компанией Bosch, которая на долгие годы стала де-факто гегемоном электронного впрыска топлива.

Первая электронная система впрыска топлива от Bosch под названием D-Jetronic была впервые представлена ​​на VW 1600 TL в 1967 году, но вскоре она появилась и на многих других автомобилях различных марок, таких как Mercedes-Benz, Porsche, Citroën, Saab. или Volvo, а Лукас построил слегка модифицированную версию для Jaguar по лицензии. В 1974 году Bosch представила новые системы K-Jetronic и L-Jetronic, которые использовались до середины 1990-х годов. Почти все серийно выпускаемые системы впрыска топлива, независимо от фактической марки, так или иначе связаны с патентами Bosch. Когда Motorola представила первый электронный блок управления, пригодный для использования, EEC-III, разработка систем подачи воздуха и топлива находилась на пути к нынешнему состоянию.
 
Все современные автомобили оснащены системой впрыска топлива с электронным управлением, которая работает с использованием широкого массива данных, поступающих в блок управления от различных датчиков – либо системы непрямого впрыска топлива, которые имеют ряд преимуществ, особенно для небольших двигателей (например, 1,0 MPI в ŠKODA CITIGO и FABIA) или системы непосредственного впрыска (во всех двигателях TSI).