Системы впрыска топлива бензиновых двигателей

Рассмотрим, как устроены системы впрыска бензиновых двигателей, как они работают, каковы их виды, в чём особенности центрального, коллекторного и непосредственного впрыска.

Системы впрыска топлива бензиновых двигателей – это системы для дозированной подачи бензина в ДВС. Тип устройства, характеристика системы влияет на ряд важных показателей. Это экологический класс двигателя, его мощность, топливная эффективность.

Устройство системы впрыска бензинового двигателя может иметь различные конструктивные решения и модификации. О них мы расскажем, останавливаясь на конкретных видах систем впрыска.

Варианты топливных систем бензиновых двигателей

Впрыск топлива в воздушный поток может происходить как за счёт разрежения, так и за счёт избыточного давления. Например, в карбюраторе впрыскивание происходит за счёт разрежения, а в большинстве современных систем — за счёт избыточного давления.

• центральным (например, наддроссельный впрыск),
• распределённый или коллекторный (осуществляется отдельной форсункой в предкамеру, расположенную перед впускным клапаном каждого цилиндра двигателя),
• непосредственный (осуществляется напрямую в камеры сгорания, отдельными форсунками), встречается в разных вариациях, характерен для современных автомобилей..

Варианты топливных систем бензиновых двигателей (R R. Bosch)

Конструктивное решение с карбюраторами

Дольше всего человечество знакомо с подачей топлива посредством карбюратора. И не потому, что такие решения лучшие, а потому что они – первые. И через множество лет это были единственно доступные системы. Карбюратор был неотъемлемой частью топливной системы на протяжении сотни лет. Нельзя сказать, что сейчас карбюраторы полностью исчезли из жизни, но на легковой и коммерческий транспорт карбюраторы ставить перестали. Их можно увидеть только на средствах малой механизации, которые применяются для садовых, строительных работ.

Автопром же перестал выпускать машины с карбюраторной системой еще в 90-е годы прошлого века.
Принцип их действия основан на всасывании топлива в поток воздуха, проходящего через сужение карбюратора. увеличение скорости движения воздуха в месте сужения воздушного канала формирует разрежение воздуха.

Объём воздуха, который проходит через сужение воздушного канала, пропорционален объёму топлива, поступающего через распылитель карбюратора. Благодаря этому несложно в автоматическом режиме поддерживать требуемое отношение топлива к воздуху.
.

Как работает устройство?

1. Топливо из бака выбирает насос (управляемый механически или электрически – в зависимости от модели).
2. ДВС запускается, и поток воздуха, проходящий через сужение воздушного канала карбюратора, создает разрежение.
3. В смесительную камеру карбюратора поступает топливо.
4. Жиклер (калиброванное отверстие) дозирует топливо.

С точки зрения работы всё достаточно просто. Так почему же карбюраторы уходят в историю?

Здесь достаточно много причин:

• Низкая экономичность, а соответственно, и низкий уровень топливной эффективности.
• Проблемы при переменных режимах работы, снижающие динамические качества- автомобиля.
• Прямая зависимость от расположения двигателя в автомобиле.
• Выброс в окружающую среду большого количества вредных веществ (несоответствие нормативам эмиссии газообразных вредных выбросов в атмосферу).

Моновпрыск

На смену карбюратору пришла система так называемого «над дроссельного впрыска» топлива. Она также известна как моновпрыск или система центрального впрыска.

Принцип базируется на впрыске топлива одной форсункой, установленной на впускном коллекторе двигателя.

Самыми популярными конструкциями системы центрального впрыска являются решения Mono-Jetronic от R. R. Bosch и Opel-Multec (как нетрудно догадаться из названия, это решение корпорации Opel).

Появление моновпрыска приходится на середину 70-х годов 20-го века. В то время системой Mono-Jetronic стали оснащать автомобили Volkswagen и Audi.

Главной задачей при разработке моновпрыска стало нахождение альтернативы карбюраторной системе впрыска. Важно было найти более эффективную систему топливоподачи, которая смогла бы удовлетворить возросшим экологическим требованиям.

Mono-Jetronic: конструктивные элементы

• Регулятор давления. Способен поддержать на стабильном уровне рабочее давление в системе впрыска, а после выключения ДВС сохранить остаточное давление в системе . Это важно для облегчения пуска, создание барьеров против образования паровых пробок.
• Электромагнитный клапан (форсунка). Обеспечивает импульсный впрыск топлива. Управление клапаном осуществляется посредством электросигнала. Он идёт от блока управления.
• Дроссельная заслонка. Регулятор объема поступающего воздуха.
• Привод. Он ответственный за работу дроссельной заслонки.
• Электронный блок управления. «Мозг», синхронизатор.

Входные датчики (момента впрыска, положения дроссельной заслонки, оборотов двигателя, концентрации кислорода и т.д.).

Распределённый впрыск

В 70-е годы появились и системы распределительного впрыска, основанные на подаче топлива отдельной форсункой в предкамеру, расположенную перед впускным клапаном каждого цилиндра двигателя. Впрыск может быть при этом может быть как импульсным, так и непрерывным.

Мы остановимся на решении K-Jetronic производителя Robert R. Bosch с непрерывным впрыском. K-Jetroniс активно присутствовала на рынке с 1973-го по 1995 годы. Сначала K-Jetroniс выпускалась с механической системой дозирования. С 1982 года — с электронной начинкой и электронным управлением дозирования. Начиная с версий (модификаций) с электронным управлением система стала называться KE-Jetroniс.

Экономические характеристики автомобилей, их уровень топливной эффективности был существенно улучшен, уровень выбросов вредных веществ в выхлопе также снизился.

В системах K/KE-Jetronic впрыск топлива осуществлялся непрерывно в смесительную камеру перед впускным клапаном. При этом количественное дозирование топлива, поступающего в поток воздуха, производилось за счет взаимосвязанных узлов «расходомер – дозатор».

Помимо дозатора-распределителя обязательный элемент решения – дроссельная заслонка, расположенная за дозатором, у первых версий были вакуумно-механические клапаны коррекции топлива(запуск клапанов в работу возможен как от терморегуляторов, так от разряжения воздуха во впускном коллекторе), в поздних модификациях появились электрические клапаны коррекции топлива. Кроме того, системы стали оснащать кислородным датчиком (лямбда-зондом). Огромным плюсом схемотехнического решения стало то, что система впрыска могла быть оснащена катализаторам-, но к уровню надёжности были существенные вопросы.

Дискретный впрыск топлива

Новой эрой стал дискретный впрыск топлива. Первой здесь стала электронная система распределенного впрыска топлива L-Jetronic – опять-таки от R. R. Bosch. С появлением этого решения стало возможным говорить о качественной управляемости, безотказности, надёжности. Да, сразу же стало ясно, что это средний и высокий ценовой сегмент. Поэтому долгое время системы дискретного впрыска топлива сосуществовали с системами непрерывного распределительного впрыска типа K/KE-Jetronic.

Но постепенно L-Jetronic обрела массовость. Её стал активно использовать практически весь европейский автопром. Явные плюсы оценили и водители, и персонал автосервиса: повысилась топливная экономичность авто. Для обслуживания перестали быть нужны сложные навыки (в первую очередь, это стало возможным за счёт того, что отпала надобность выполнять механические настройки).

L-Jetronic несколько раз модернизировалась и уверенно держалась на рынке до появления стандарта Евро-3. После чего более актуальными стали решения на основе термоанемометрических датчиков массметра (массового расхода воздуха). В частности, популярность приобрела модификация LH-Jetronic .

У новой разработки стала доступна индивидуальная регулировка подачи топлива в каждый из цилиндров
Объединяющая черта систем Mono-Jetronic, L-Jetronic, LH-Jetronic состоит в том, это все эти решения управляют только впрыском топлива, при этом для воспламенения топлива задействована система зажигания с модулем электронного управления.

Устройства, в которых система и зажигания и впрыск были синхронизированы и объединены, корпорация R.R. Bosch начала выпускать с 1979 года.

Ярким примером решения с объединёнными системами впрыска и зажигания – стала система Motronic от R.R. Bosch.
Она существовала в нескольких модификациях, появившихся в 90-е годы 20-го века. В эти годы в их конструкции входили механические расходомеры воздуха. Но вскоре вместо них стали использоваться термоанемометрические датчики-расходомеры, расширились возможности для самодиагностики.

Правда, полностью удовлетворить запросам диагноста системы не могли, поскольку протокол выявления неисправностей не обладал высокой результативностью. В последующих модификациях эта проблема была успешно решена.

Но самым революционным решением Motronic стало появление датчика абсолютного давления во впускном коллекторе (MAP-sensor).

Использование MAP-сенсора в системе управления двигателем позволило готовить качественную топливовоздушную смесь, состав которой близок к желаемому, и, главное, не сложно соблюсти европейские требования к выхлопам автомобилей.

Но для выхода на американский рынок даже этого было недостаточно. По стандартам США в топливной системе должна быть обязательная система контроля утечек паров топлива из бака. Так появилось инновационное решение Motronic M5. С ним появились все условия для того, чтобы исключить эксплуатацию автомобиля с потерявшей герметичность пробкой заливной горловины или неисправной системой вентиляции топливного бака.

Кроме того, эта система соответствует требованиям самого строгого протокола самодиагностики OBD-II/CARB.

А благодаря электроуправлению дроссельной заслонкой отлажено взаимодействие между системой управления двигателем и системой торможения.

Системы непосредственного впрыска

Особое место среди систем впрыска бензиновых двигателей получили системы непосредственного впрыска.
Их принцип действия основан на том, что топливо посредством инжектора распыляется прямо в цилиндр двигателя.

• Это важно для достижения топливной экономичности.
• Плунжерный насос. Подаёт топливо в рампу, соединённую с форсунками.
• Регулятор давления топлива. Поддерживает стабильное рабочее давление в топливной рампе. Топливная рампа. Здесь непосредственно происходит процесс распределения топлива по форсункам.
• Предохранительный клапан на рампе. Защищает рампу от предельных давлений.
• Датчик высокого давления. Замеряет давление в рампе, подаёт сигнал блоку управлением двигателя на коррекцию давления.

Согласование взаимодействия узлов осуществляется посредством электронной системы управления двигателем. От блока электронного управления поступают команды на исполнительные механизмы.

Интересная деталь! Если среди дизельных систем впрыска такие топливные системы были популярны давно, то среди бензиновых распространение получили не сразу. Причина элементарно проста: бензин в отличие от дизельного топлива является плохой смазкой, что вызывало быстрый износ» топливного насоса.

Но с развитием технологий уплотнений разработчики снова смогли заняться бензиновыми системами с прямым впрыском топлива. Система непосредственного впрыска может обеспечивать несколько видов смесеобразования: послойное, однородное (гомогенное), и стехиометрическое. Послойное смесеообразование актуально при малых и средних оборотах, стехиометрическое и гомогенное – при сверхвысоких оборотах, а также при средних и высоких нагрузках.

Самые популярные решения – с послойным смесеобразованием. Их хорошо знают по названию FSI и TFSI (у Volkswagen и у Ауди). Буква “T” в названии свидетельствуют о наличии турбокомпрессора, то есть двигатель, как именуется в просторечии — “турбирован”.

В цилиндр таких бензиновых систем впрыска поступает небольшое количество топлива. Тщательная организация потока воздуха в цилиндре (его траектория движения, подобная «кувырку) и удачно подобранное время впрыска топлива в цилиндр создают все условия, чтобы это небольшое количество топлива было подано к электродам свечи зажигания, и произошло воспламенение этой порции горючей смеси.

Почему на эту бензиновую систему впрыска не переходят повсеместно. К сожалению, актуальна такая проблема, как «турбоямы» при резком нажатии на педаль газа.

Этот недостаток полностью устранен при наличии наддувочного агрегата с электроприводом. Такие системы недёшевы. Но оперативно выйти на режим максимальной мощности, избежать «турбоям» при резком нажатии педали на газ с ними – не проблема. Прямой впрыск SC-E актуален, например, для ряда спортивных автомобилей.

Очень высокий интерес – и к битопливным (бинарным) система с газотурбинным наддувом. При работе на бензине можно достичь очень хорошего крутящего момента.

Параметры применяемого топлива прописываются в постоянной памяти. Если нужно заменить бензин на альтернативное топливо, изменяется программа смесеобразования. Это очень удобно.

Какой впрыск лучше?

Очень часто спорят: какой впрыск лучше. Дешевле всего обойдутся решения, ориентированные на распределённый впрыск. Подкупает и то, что они не требовательны к качеству топлива.

Если вам важно, чтобы была высокая топливная эффективность при минимальных значениях вредных выбросов, однозначно стоит выбирать непосредственный впрыск. Да, эти решения дороже. Но лучше заплатить больше единожды, чем постоянно “съедать” лишнее топливо.

Кстати, дороговизна решения связана, главным образом, с тем, что производителям пришлось внести кардинальные изменения в конструкцию головок цилиндров, однако в ремонте эти двигатели значительно дороже простых и надёжных двигателей с распределённым предкамерным впрыском топлива.

Не просто изучить топливные системы, а попрактиковаться работать в поиске различных неисправностей в них вам поможет специализированный тренажёр на платформе ELECTUDE. Отличное подспорье для автомобильных механиков и диагностов.

Tопливная аппаратура дизелей нового поколения

За последние пять лет ушедшего столетия автомобильные дизели совершили рывок в своем развитии. Некогда маломощный, шумный мотор теперь вовсю конкурирует с бензиновыми собратьями, по-прежнему опережая их в экономичности. «Хорошим тоном» ныне считается использование новейших открытых камер сгорания, регулирование фаз газораспределения и длины впускных каналов. Обязателен наддув с промежуточным охлаждением, причем регулируют его не простым перепуском газов мимо турбины, а поворотом направляющих лопаток компрессора или турбины, подкруткой турбокомпрессора электродвигателем и т.п. Непременная черта современных дизелей — топливные системы нового поколения.

ЭКОЛОГИЧЕСКОЕ ДАВЛЕНИЕ

Качественный скачок дизелестроения простимулирован экологическими нормами. Например, в Европе выбросы окислов азота и твердых частиц дизелями снизились за 10 лет в 10 раз (!). В борьбе за чистоту выхлопа конструкторы столкнулись с серьезной проблемой: большинство изменений рабочего процесса дизеля снижает выбросы лишь одного из двух компонентов. Например, увеличение опережения впрыска уменьшает эмиссию частиц, но увеличивает выбросы NOx. Разрубить гордиев узел позволили высокое давление впрыска и электронное управление. Благодаря повышению давления улучшается распыление топлива, что способствует более быстрому и полному сгоранию. Это поясняет, почему почти 60 лет (с 1927 по 1985) максимальное давление впрыска составляло 20-50 МПа, а в последние 10 лет возросло до 200 МПа (рис. 1).

Электронное управление позволяет на всех режимах работы дизеля гибко изменять характеристику, величину подачи, давление и опережение впрыска. В итоге снижаются вредные выбросы, шумность, расход топлива, улучшается пуск дизеля. Автомобиль становится более скоростным и динамичным.

Топливные системы с механическими регуляторами постепенно снимают с производства. Переход на новый уровень давления и электронное управление потребовал пересмотра традиционных конструкций. Отказались от рядных насосов высокого давления (ТНВД) с регулировочным люком, ведущих родословную от насоса серии А фирмы «Бош» 1927 года. Ближайшие его родственники теперь имеют жесткий глухой корпус, толстый вал с вогнутыми кулачками, высокие моновтулки плунжеров, могут снабжаться второй рейкой, управляющей опережением впрыска.

В ряду распределительных насосов высокого давления самая популярная в мире модель «Бош-VE», ведущая историю с 1976 года, вытесняется более современными электроуправляемыми ТНВД фирм «Бош», «Лукас», «Зексель», «Станадайн».

ГЕНИАЛЬНОЕ — ПРОСТО

Чуть подробнее — о двух наиболее современных и перспективных конструкциях. Первая — насос-форсунка с быстродействующим электроуправляемым клапаном (рис. 2). Именно с насос-форсунки «Детройт Дизель» для карьерных самосвалов началось их шествие по миру. Такие системы прижились на двигателях грузовых и легковых автомобилей. Они перешагнули уровень давлений впрыска 200МПа, позволяют осуществить двухфазный впрыск, снизив шумность работы и выбросы NOx.

При всей простоте система на сегодня наиболее эффективна и пока только она позволяет выполнить перспективные требования Eврo IV.

Из-за особенностей компоновки сложно расположить насос-форсунку соосно цилиндру, ее обслуживание затруднено. Однако высокое качество впрыска (тонкий распыл) и возможности электронного управления обеспечивают, помимо высоких экологических свойств, очень низкий расход топлива. Автомобиль «Фольксваген-Лупо» с такой системой питания расходует в городском цикле 3,0 л/100 км (ЗР, 2001, № 5).

Фирмами «Бош» и «Лукас» освоены ТНВД с быстродействующим клапаном управления сливом. Индивидуальные насосы, придя на смену блочным, позволили сделать короткий нагнетательный трубопровод. Это приблизило их по свойствам к насос-форсункам — например, по давлению впрыска (150МПа и выше). Насосы приводятся распределительным валом, располагаются вблизи «своего» цилиндра и работают с обычными форсунками. Сохраняются привычная простота головки цилиндров, удобство обслуживания, применимость имеющихся топливных стендов, а необходимость в механической регулировке насоса отпадает.

В таких ТНВД отсутствуют выточки на плунжерах, механизмы поворота плунжеров, автоматические регуляторы. Их появление на рынке — приговор «двухреечным» насосам и, по всей видимости, традиционным рядным ТНВД. Единственный сложный элемент — клапан управления. Он должен срабатывать за 0,1 мс, не испытывать влияния гидравлических сил при огромных давлениях, иметь легкий и мощный электропривод.

COMMON RAIL —ХОРОШО ЗАБЫТОЕ СТАРОЕ

Аккумуляторные топливные системы с успехом применялись в 50-е годы на двигателях морских судов. На новом техническом уровне, с применением электронного управления они появились на серийных автомобилях в 1997 году. О таких системах, названных «коммон рейл» (в осмысленном переводе — «общий аккумулятор»), журнал уже писал (ЗР, 1997, №8). Именно они, помимо регулирования величины и опережения подачи, умеют управлять характеристикой и давлением впрыска.

На рис. 4 — схема системы «коммон рейл». Наиболее сложные, дорогие и нетрадиционные ее элементы — ТНВД и электрогидравлическая форсунка. Радиально-плунжерный насос с помощью эксцентрикового вала приводит в движение три плунжера. В нем размещают также регулятор производительности и подкачивающий шестеренчатый насос. Принцип действия электрогидравлической форсунки сложнее. В отличие от бензиновых электромеханических форсунок, здесь электромагнит при давлении 135 МПа не в состоянии поднять запорную иглу, поэтому используется принцип гидроусиления.

Сегодня «коммон рейл» реализует не только двухфазный впрыск для снижения шумности или выбросов NOx, но и трех-пятифазный. Готовятся системы с 15 короткими импульсами впрыска — так формируется наиболее желательная для каждого режима дизеля характеристика впрыска.

КАЖДОМУ ЦИЛИНДРУ — СВОЮ ДИЕТУ

Уже сейчас ведущие производители заменили механические регуляторы Уатта электронными. Их характеризует гибкость управления, самодиагностика, использование резервных программ. Появились и собственные опции: питание каждого цилиндра в соответствии с его техническим состоянием и особенностями изготовления, отключение цилиндров, управление параметрами впрыска и др.

Крупнейшие мировые производители выпускают весь спектр топливных систем. Какие из ныне распространенных не приживутся, а какие станут популярными? Рядные насосы уже покинули класс легковых автомобилей и вытесняются с грузовиков. Распределительные ТНВД пока остаются наиболее массовыми, но из-за большей сложности и дороговизны их роль и тем более перспективы стремительно сужаются. Самых новых и современных роторных насосов это коснулось даже в большей степени. Фирма «Бош» планирует уже к 2006 году сократить долю распределительных насосов до 15%; ранее не выпускавшиеся электроуправляемые насос-форсунки и индивидуальные ТНВД завоюют 19% всего объема, а 62% объема выпуска будет приходиться на «коммон рейл».

Будущее отечественных дизелей не столь предсказуемо. На дизель ГАЗ-560 взамен «механической» чешской насос-форсунки просится новая, с электронным управлением: она даст возможность изменять опережение впрыска. Для всех транспортных дизелей применима и желательна «коммон рейл». На опытном ЗМЗ-514 она уже работает. Но зарубежные комплектующие сильно поднимут цену отечественных двигателей, а собственных готовых изделий и технологической базы нет. К сожалению, слишком медленно внедряются самые подходящие для России ТНВД с быстродействующими клапанами слива. Одно из объяснений этого в том, что потребитель не заинтересован в современных двигателях. С учетом стоимости он однозначно выбирает устаревшие. Ситуацию могли бы исправить только государственные меры по стимулированию разработки, производства и, главное, приобретения новой техники.

ЛЕОНИД ГРЕХОВ, Д. Т. Н.

ZR.RU За рулем 2002/10

Уважаемый посетитель! Мы не можем ответить лично каждому, но тем не менее никому не отказываем в консультации.
Для того, чтобы Вы могли самостоятельно (или с помощью ближайшего автосервиса) устранить неисправности дизеля, мы разработали ОнлайнДиагностику. Это интерактивное руководство, которое содержит все известные причины неисправностей дизельных двигателей и указывает пути достижения правильной работы конкретного двигателя.

Приглашаем вас воспользоваться ОнлайнДиагностикой прямо сейчас!

https://pro-sensys.com/info/articles/obzornye-stati/sistemy-vpryska-topliva-benzinovykh-dvigateley/
https://kovsh.com/library/news/engines_world_news/topliv_appara_dize_novo_pokole