С центральным впрыском распределенным впрыском непосредственным впрыском

Прямой впрыск топлива: устройство системы непосредственного впрыска

В инжекторной системе подачи впрыск топлива в воздушный поток осуществляется специальными форсунками — инжекторами.

Классификация

По точке установки и количеству форсунок:

• Моновпрыск, центральный впрыск, или одноточечный впрыск^[1] — одна форсунка на все цилиндры, расположенная, как правило, на месте карбюратора (на впускном коллекторе). В настоящее время непопулярна ввиду возросших экологических требований: начиная с Евро-3 экологический стандарт требует индивидуальной дозировки топлива для каждого из цилиндров. Моновпрыски отличались простотой и очень высокой надежностью, прежде всего из-за того, что форсунка находится в относительно комфортном месте, в потоке холодного воздуха.
• Распределённый впрыск, или многоточечный впрыск^[1] — каждый цилиндр обслуживается отдельной изолированной форсункой во впускном коллекторе вблизи впускного клапана. В то же время различают несколько типов распределённого впрыска:

• Одновременный — все форсунки открываются одновременно.
• Попарно-параллельный — форсунки открываются парами, причём одна форсунка открывается непосредственно перед тактом впуска, а вторая перед тактом выпуска. В связи с тем, что за попадание топливо-воздушной смеси в цилиндры отвечают клапаны, это не оказывает сильного влияния. В современных моторах используется фазированный впрыск, попарно-параллельный используется только в момент запуска двигателя и в аварийном режиме при поломке датчика положения распределительного вала (так называемой фазы).
• Фазированный впрыск — каждая форсунка управляется отдельно и открывается непосредственно перед тактом впуска.
• Непосредственный впрыск^[2] — впрыск топлива происходит прямо в камеру сгорания.

Управление системой подачи топлива

В настоящее время системами подачи топлива управляют специальные микроконтроллеры, этот вид управления называется электронным. Принцип работы такой системы основан на том, что решение о моменте и длительности открытия форсунок принимает микроконтроллер, основываясь на данных, поступающих от датчиков. На ранних моделях системы подачи топлива, в роли контроллера выступали специальные механические устройства.

Принцип работы

В контроллер при работе системы поступает со специальных датчиков информация о следующих параметрах:

• положении и частоте вращения коленчатого вала;
• массовом расходе воздуха двигателем;
• температуре охлаждающей жидкости;
• положении дроссельной заслонки;
• содержании кислорода в отработавших газах (в системе с обратной связью);
• наличии детонации в двигателе;
• напряжении в бортовой сети автомобиля;
• скорости автомобиля;
• положении распределительного вала (в системе с последовательным распределенным впрыском топлива);
• запросе на включение кондиционера (если он установлен на автомобиле);
• неровной дороге (датчик неровной дороги);
• температуре входящего воздуха.

На основе полученной информации контроллер управляет следующими системами и приборами:

• топливоподачей (форсунками и электробензонасосом),
• системой зажигания,
• регулятором холостого хода,
• адсорбером системы улавливания паров бензина (если эта система есть на автомобиле),
• вентилятором системы охлаждения двигателя,
• муфтой компрессора кондиционера (если он есть на автомобиле),
• системой диагностики.

Изменение параметров электронного впрыска может происходить буквально «на лету», так как управление осуществляется программно, и может учитывать большое число программных функций и данных с датчиков. Также, современные системы электронного впрыска способны адаптировать программу работы под конкретный экземпляр мотора, под стиль вождения и многие другие характеристики и спецификации. Ранее использовалась механическая система управления впрыском.

Для оперативного выявления неисправностей инжектора используется компьютерная диагностика инжекторной системы подачи топлива[3].

Как уже было сказано выше, горючее в подобных системах питания подается непосредственно в камеру сгорания двигателя. Это значит, что форсунки распыляют бензин не во впускном коллекторе, после чего топливно-воздушная смесь поступает через впускной клапан в цилиндр, а впрыскивают топливо в камеру сгорания напрямую.

Например, концерн VAG представил ряд моделей Audi и Volkswagen с атмосферными и турбированными бензиновыми двигателям TFSI, FSI и TSI, которые получили непосредственный впрыск топлива. Также двигатели с прямым впрыском производит компания BMW, Ford, GM, Mercedes и многие другие.

Такое широкое распространение непосредственный впрыск топлива получил благодаря высокой экономичности системы (около 10-15% по сравнению с распределенным впрыском), а также более полноценному сгоранию рабочей смеси в цилиндрах и снижению уровня токсичности отработавших газов.

Одноточечный..

ВПРЫСК, который также иногда называют центральным, стал широко применяться на легковых автомобилях в 80-х годах прошлого века. Подобная система питания получила свое название из-за того, что топливо подавалось во впускной коллектор лишь в одной точке.

Многие системы того времени были чисто механическими, электронного управления у них не было. Частенько основой для такой системы питания был обычный карбюратор, из которого просто удаляли все “лишние” элементы и устанавливали в районе его диффузора одну или две форсунки (поэтому центральный впрыск стоил относительно недорого). К примеру, так была устроена система TBI (“Throttle Body Injection”) компании “General Motors”.

Но, несмотря на свою кажущуюся простоту, центральный впрыск обладает очень важным преимуществом по сравнению с карбюратором – он точнее дозирует горючую смесь на всех режимах работы двигателя. Это позволяет избежать провалов в работе мотора, а также увеличивает его мощность и экономичность.

Со временем появление электронных блоков управления позволило сделать центральный впрыск компактнее и надежнее. Его стало легче адаптировать к работе на различных двигателях.

Однако от карбюраторов одноточечный впрыск унаследовал и целый ряд недостатков. К примеру, высокое сопротивление поступающему во впускной коллектор воздуху и плохое распределение топливной смеси по отдельным цилиндрам. Как результат – двигатель с такой системой питания обладает не очень высокими показателями. Поэтому сегодня центральный впрыск практически не встречается.

Кстати, концерн “General Motors” также разработал интересную разновидность центрального впрыска – CPI (“Central Port Injection”). В такой системе одна форсунка распыляла топливо в специальные трубки, которые были выведены во впускной коллектор каждого цилиндра.

Достоинства

Преимущества по сравнению с двигателями, оборудованными карбюраторной системой подачи топлива (в контексте двигателей имеющих электронный блок управления):

• Существенное уменьшение расхода топлива даже на ранних системах (например у автомобиля «Нива» ВАЗ-21214, оснащенного инжекторной системой первых поколений, расход топлива в среднем на 30-40% меньше чем аналогичного автомобиля ВАЗ-21213 оснащенного карбюратором). Современные системы обеспечивают расход топлива примерно в 2 раза ниже чем у последних поколений карбюраторных автомобилей аналогичной массы и рабочего объема.
• Значительный прирост мощности двигателя, особенно в области низких оборотов.
• Упрощается и полностью автоматизируется запуск двигателя.
• Автоматическое поддержание требуемых оборотов холостого хода.
• Более широкие возможности управления двигателем (улучшаются динамические и мощностные характеристики двигателя).
• Не требует ручной регулировки системы впрыска, так как выполняет самостоятельную настройку на основе данных, передаваемых датчиками кислорода, а также на основе измерения неравномерности вращения коленвала.
• Поддерживает примерно стехиометрический состав рабочей смеси, что существенно уменьшает выброс несгоревших углеводородов и дает возможность использования окислительно-восстановительных каталитических нейтрализаторов. В результате выбросы токсичных продуктов сгорания снизились во много раз. Например, выбросы окиси углерода у последних поколений карбюраторных автомобилей составляли примерно 20-30 г/кВт*ч, у инжекторых автомобилей Евро-2 — уже 4 г/кВт*ч, а у автомобилей, выпущенных по нормам Евро-5 — всего 1,5 г/кВТ*ч.
• Широкие возможности для самодиагностики и самонастройки параметров, что упрощает процесс технического обслуживания автомобиля. Фактически инжекторные системы начиная с Евро-3 вообще не требуют никакого периодического обслуживания (требуется только замена вышедших из строя элементов).
• Лучшая защита автомобиля от угона. Не получив разрешение от иммобилайзера блок управления двигателем не производит подачу топлива в двигатель.
• Возможность уменьшения высоты капота, так как элементы системы впрыска расположены по бокам двигателя, а не над двигателем, как большинство автомобильных карбюраторов.
• В карбюраторных системах при неработающем двигателе или при работе на небольших оборотах за счет испарения бензина из карбюратора весь тракт начиная от воздушного фильтра и до впускного клапана наполнены горючей смесью, объем которой в многоцилиндровых двигателях достаточно велик. При неисправностях в работе системы зажигания или неправильно отрегулированных зазорах в клапанах возможен выброс пламени во впускной коллектор и воспламенения в нем горючей смеси, что вызывает громкие хлопки и может привести к пожару или повреждению приборов системы питания. В инжекторных системах бензин подается только в момент открытия впускного клапана соответствующего цилиндра и накопления горючей смеси во впускном тракте не происходит.
• Работа карбюратора зависит от его положения в пространстве. Например, большинство автомобильных карбюраторов работают с серьезными нарушениями при крене автомобиля уже в 15 градусов. У инжекторных систем такой зависимости нет.
• Работа карбюратора сильно зависит от атмосферного давления, что особенно критично при работе автомобильных двигателей в горах, а также для авиационных двигателей. У инжекторных систем такой зависимости нет.

Недостатки

Основные недостатки двигателей с блоком управления по сравнению с карбюраторными:

• Высокая стоимость узлов (было актуально примерно до 2005 года),
• Низкая ремонтопригодность элементов (утратило актуальность в связи с освоением их массового выпуска и повышением надежности),
• Высокие требования к фракционному составу топлива,
• Необходимость в специализированном персонале и оборудовании для диагностики, обслуживания и ремонта, высокая стоимость ремонта (утратило актуальность в связи с массовым распространением мобильных устройств и диагностических программ).
• Зависимость от электропитания и критически важное требование к постоянному наличию напряжения питания (у более современного варианта, контролируемого электроникой).
• Подача бензина под давлением, что в случае ДТП повышает вероятность пожара. Поэтому в ранних системах в цепи бензонасоса был автоматический выключатель, срабатывающий при ударе, а в современный системах отключение бензонасоса при аварийных ситуациях осуществляет контроллер.

Подобный тип системы топливной подачи имеет некоторые преимущества и недостатки. Наиболее значимые из них мы отдельно выделим.

Преимущества системы:

• долговечность и надежность;
• высокая экономичность использования топлива;
• низкая токсичность отработанных газов бензиновых ДВС;
• низкая вероятность появления сбоев в работе системы в условиях экстремального вождения (например, при преодолении крутых спусков и подъемов, при езде в дождь или гололед).

Недостатки системы:

• сложная и дорогостоящая конструкция, оснащенная чувствительной системой электронного управления;
• высокая стоимость ремонта и замены основных электронных элементов системы;
• особенность конструкции требует проведения ремонтных и профилактических работ только высококвалифицированными специалистами.

Прямой впрыск топлива: устройство системы непосредственного впрыска

Но не всё тут так радужно, и чтобы понять почему, давайте рассмотрим конструкцию системы непосредственного впрыска на примере фирменной технологии FSI от Volkswagen. Её ключевыми элементами являются такие:

• топливный бак;
• насос низкого давления (ТННД);
• фильтр;
• регулятор давления;
• насос высокого давления (ТНВД);
• топливная рампа;
• форсунки;
• датчики;
• электронный блок управления (ЭБУ).

Бак, вместе с ТННД (топливный насос низкого давления), фильтром и регулятором образуют так называемый контур низкого давления. В принципе он ничем не примечателен и аналогичен системам подачи горючего других бензиновых моторов. Особенности начинаются с ТНВД.

Как мы уже говорили, топливо, впрыскивающееся непосредственно в цилиндр, должно быть под высоким давлением (в FSI цифры колеблются от 3 до 11 МПа).

Нагнетённый насосом напор бензина распределяется при помощи топливной рампы по форсункам, которые, управляясь сигналами ЭБУ (электронный блок управления), впрыскивают горючее в цилиндры. Момент инжекции рассчитывается индивидуально для каждого цилиндра так, чтобы он произошёл перед тактом сжатия.

Непосредственный впрыск топлива имеет разнообразные варианты образования топливно-воздушной смеси.

Их три:

• гомогенный;
• стехиометрический гомогенный;
• послойный.

Отличаются они соотношением воздуха и бензина, а генерируются системой на основе информации о положении дроссельной заслонки и режима работы двигателя.

Гомогенный вид смесеобразования

Гомогенный (синоним — однородный). Это бедная гомогенная смесь, она образуется при открытой воздушной дроссельной заслонке и закрытой топливной дроссельной заслонке. Создается максимальное движение воздуха в цилиндры. Впрыск происходит на такте впуска.

Гомогенная стехиометрическая

Стехиометрическое  – легковоспламеняемое. Гомогенная стехиометрическая смесь происходит при открытых дроссельных заслонках. Впрыск происходит соответственно на такте впуска. Соотношение воздуха и топлива в камере сгорания составляет 1:1, то есть коэфф.избытка воздуха на уровне 1. Смесь сгорает всем максимальным объемом,отдавая максимальную мощностью.

Послойный вид смесеобразования

При послойном виде воздушная дроссельная заслонка почти совсем открыта, впускная топливная заслонка закрыты. Воздух вихрем влетает в камеру сгорания. Впрыск происходит прямо в зону свечи зажигания в такте сжатия. За короткое время до взрыва смеси, в районе свечи зажигания образуется смесь топлива с воздухом, коэффициент избытка воздуха там будет 1,5 — 3. При таком воспламенении вокруг  свечи остается много чистого воздуха, который выступает в роли теплоизолятора.

Система непосредственного впрыска, в отличии от карбюраторной системы, позволяет экономить до 15% топлива и конечно сокращает количество вредных выбросов.

Система впрыска фирмы «Bendix»

• Electrojector — первая коммерческая система электронного впрыска топлива, разработанная компанией Bendix. Патенты системы впрыска Electrojector впоследствии были проданы компании Bosch

Системы впрыска «Bosch»

• D-Jetronic (1967—1976) — аналоговый впрыск топлива. Изначально система называлась Jetronic, но позже была переименована в D-Jetronic
• K-Jetronic (1973—1994) — механический впрыск
• K-Jetronic (Lambda) — вариация K-Jetronic с лямбда-датчиком
• KE-Jetronic (1985—1993) — механическая система постоянного впрыска топлива, подобная системе «K-Jetronic», но с электронным блоком управления
• LE1-Jetronic, LE2-Jetronic, LE3-Jetronic (1981—1991)
• LU-Jetronic (1983—1991)
• LH-Jetronic (1982—1995)
• Mono-Jetronic (1988—1995) — система одноточечного впрыска топлива
• Motronic (1979)
• ME-Motronic (1995) — с электронным дросселем
• MED-Motronic (2000) — с непосредственным впрыском
• MEG-Motronic — интегрированная система управления коробкой передач
• MEV-Motronic — интегрированная система управления подъёмом клапанов

Системы впрыска «General Motors»

• GM Multec Central — система центрального впрыска топлива (Моновпрыск)
• MulTec-S (Multiple Technology) — система центрального впрыска топлива
• Multec-F 1996—2001
• Multec-H 1998—2003
• MulTec-М — система многоточечного впрыска
• Multec-U 1996—2001

Системы впрыска «VAG»

• Digifant — система распределенного впрыска топлива
• Digijet — система распределенного впрыска топлива

Современные системы распределенного типа подачи топлива разделены на несколько видов:

• По принципу работы – системы импульсной и непрерывной подачи ТС;
• По способу управления – системы на механическом и электронном типе управления;
• По времени открытия топливных форсунок – системы с попарно-параллельным впрыском (при подаче топлива попарно), одновременным впрыском (при одновременной подаче топлива во все форсунки), фазированным впрыском (при индивидуальной подаче топлива для каждой форсунки), прямым впрыском (подача топлива осуществляется в камеру сгорания цилиндра, минуя впускной коллектор).

Наиболее распространенными системами распределенной подачи ТС являются системы KE-Jetronic, K-Jetronic и L-Jetronic, разработанные компанией Bosch.

Система K-Jetronic относится к механическим топливным системам с непрерывной подачей ТС.

Система типа KE-Jetronic одна из разновидностей механической топливной системы непрерывного типа с электронным способом управления.

Система L-Jetronic представляет собой систему импульсной подачи топлива с электронным типом управления.

Система распределенной подачи ТС состоит из следующих подсистем и компонентов:

• систем подачи и очистки топлива и воздуха;
• системы сжигания бензиновых испарений;
• системы выпуска и сжигания отработанных газов;
• электронного блока управления с входными датчиками

Работа основных элементов системы – форсунок напрямую зависит от центра управления – управляющего блока, состоящего из бортового компьютера. Основной функцией управляющего блока является прием электрических сигналов, поступающих от входных датчиков, с последующей обработкой и преобразованием в управляющие сигналы, которые передаются на электромагнитные клапаны топливных форсунок и механизмы исполнения.

Помимо основных функций, блок управления выполняет и дополнительные задачи – проводит своевременную диагностику топливной системы на предмет выявления любых неполадок или поломок в ее работе.

При обнаружении неполадок блок управления сообщает о них водителю через контрольные лампы на приборной панели — Check engine, Check. Информация о более сложных поломках заносится в блок памяти для дальнейшего использования при повторной диагностике.

Расчет нужного количества топлива, происходит на основании данных полученных от температурных датчиков (температуры двигателя и поступающего воздуха), расхода воздуха, подсчета скорости вращения коленвала, угла открытия заслонки и т.д.

Произведя необходимые расчеты на основании полученных данных, бортовой компьютер посылает сигналы в виде электрических импульсов на форсунки для их открытия. Принимая сигналы, форсунки открывают клапаны, через которые топливо под высоким давлением поступает в топливный коллектор.

Итак, давайте в качестве примера возьмем двигатель FSI с его так называемым «послойным» впрыском. Система включает в себя следующие элементы:

• контур высокого давления;
• бензиновый ТНВД;
• регулятор давления;
• топливную рампу;
• датчик высокого давления;
• инжекторные форсунки;

Начнем с топливного насоса. Указанный насос создает высокое давление, под которым топливо подается к топливной рампе, а также на форсунки. Насос имеет плунжеры (плунжеров может быть как несколько, так и один в насосах роторного типа) и приводится в действие от распредвала впускных клапанов.

Кстати, в схеме используется специальный клапан-предохранитель, который стоит в рейке. Указанный клапан нужен для того, чтобы избежать слишком высокого давления топлива и тем самым защитить отдельные элементы системы. Рост давления может возникать по причине того, что горючее имеет свойство расширяться при нагреве.

Датчик высокого давления является устройством, которое измеряет давление в топливной рейке. Сигналы от датчика передаются на ЭБУ (электронный блок управления двигателем), который, в свою очередь, способен изменять давление в топливной рейке.

Если же говорить о системе прямого впрыска, вместе с датчиком высокого давления топлива для ее работы задействованы: датчик коленчатого вала, ДПРВ, датчик положения дроссельной заслонки, воздухорасходомер, датчик температуры воздуха во впускном коллекторе, датчик температуры ОЖ и т.д.

Благодаря работе этих датчиков на ЭБУ поступает нужная информация, после чего блок посылает сигналы на исполнительные устройства. Это позволяет добиться слаженной и точной работы электромагнитных клапанов, форсунок, предохранительного клапана и ряда других элементов.

 Как работает система непосредственного впрыска топлива

Главным плюсом непосредственного впрыска является возможность добиться различных типов смесеобразования. Другим словами, такая система питания способна гибко изменять состав рабочей топливно-воздушной смеси с учетом режима работы двигателя, его температуры, нагрузки на ДВС и т.д.

• Послойное смесеобразование задействуется тогда, когда нагрузки на двигатель низкие или средние, а обороты коленвала небольшие. Если просто, в таких режимах смесь несколько обедняется в целях экономии.  Стехиометрическое смесеобразование предполагает приготовление такой смеси, которая легко воспламеняется, при этом не является слишком обогащенной.
• Гомогенное смесеобразование позволяет получить так называемую «мощностную» смесь, которая нужна при больших нагрузках на двигатель. На обедненной гомогенной смеси в целях дополнительной экономии силовой агрегат работает на переходных режимах.
• Когда задействован режим послойного смесеобразования, дроссельная заслонка широко открыта, при этом впускные заслонки находятся в закрытом состоянии. В камеру сгорания воздух подается с высокой скоростью, возникают завихрения воздушных потоков. Горючее впрыскивается ближе к концу такта сжатия, впрыск производится в область расположения свечи зажигания.

История

Появление и применение систем впрыска в авиации

Карбюраторные системы для работы под углом к горизонту необходимо дополнять множеством устройств, либо применять специально спроектированные карбюраторы. Система непосредственного впрыска авиационных двигателей — удобная альтернатива карбюраторной, так как инжекционная система впрыска в силу конструкции работает в любом положении относительно направления силы тяжести.

Первый в России опытный мотор с системой впрыска был изготовлен в 1916 году Микулиным и Стечкиным.

К 1936 году на фирме Robert Bosch были готовы первые комплекты топливной аппаратуры для непосредственного впрыска бензина в цилиндры, которую через год стали серийно ставить на V-образный 12-цилиндровый двигатель Daimler-Benz DB 601. Именно этими моторами объёмом 33,9 л оснащались, в частности, основные истребители ЛюфтваффеMesserschmittBf 109.

И если карбюраторный двигатель DB 600 развивал на взлетном режиме 900 л. с., то DB 601 с впрыском позволял поднять мощность до 1100 л. c. и более. Позже в серию пошла девятицилиндровая «звезда» BMW 132 с подобной системой питания — лицензионный авиадвигатель Pratt