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.

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 сегодняшний день инжекторный (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 систем впрыска топлива

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.

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

Всего предусмотрено три режима работы двигателя:

• Режим сгорания сверхбедной смеси (впрыск топлива на такте сжатия).
• Мощностной режим (впрыск на такте впуска).
• Двухстадийный режим (впрыск на тактах впуска и сжатия) (применяется на евромодификациях).

Режим сгорания сверхбедной смеси (впрыск топлива на такте сжатия). Этот режим используется при малых нагрузках: при спокойной городской езде и при движении за городом с постоянной скоростью (до 120 км/ч). Топливо впрыскивается компактным факелом в конце такта сжатия в направлении поршня, отражается от него, смешивается с воздухом и испаряется, направляясь в зону свечи зажигания. Хотя в основном объеме камеры сгорания смесь чрезвычайно обеднена, заряд в районе свечи достаточно обогащен, чтобы воспламениться от искры и поджечь остальную смесь. В результате двигатель устойчиво работает даже при общем соотношении воздуха и топлива в цилиндре 40:1.

Работа двигателя на сильнообедненной смеси поставила новую проблему – нейтрализацию отработавших газов. Дело в том, что при этом режиме основную их долю составляют оксиды азота, и поэтому обычный каталитический нейтрализатор становится малоэффективным. Для решения этой задачи была применена рециркуляция отработавших газов (EGR-Exhaust Gas Recirculation), которая резко снижает количество образующихся оксидов азота и установлен дополнительный NO-катализатор.

Система EGR “разбавляя” топливо-воздушную смесь отработавшими газами, снижает температуру горения в камере сгорания, тем самым “приглушая” активное образование вредных оксидов, в том числе NOx. Однако обеспечить полную и стабильную нейтрализацию NOx только за счет EGR невозможно, так как при увеличении нагрузки на двигатель количество перепускаемых ОГ должно быть уменьшено. Поэтому на двигатель с непосредственным впрыском был внедрен NO-катализатор.

Существует две разновидности катализаторов для уменьшения выбросов NOx – селективные (Selective Reduction Type) и
накопительного типа (NOx Trap Type). Катализаторы накопительного типа более эффективны, но чрезвычайно чувствительны к высокосернистым топливам, чему менее подвержены селективные. В соответствии с этим, накопительные катализаторы устнавливаются на модели для стран с низким содержанием серы в бензине, и селективные – для остальных.

Мощностной режим (впрыск на такте впуска). Так называемый “режим однородного смесеобразования” используется при интенсивной городской езде, высокоскоростном загородном движении и обгонах. Топливо впрыскивается на такте впуска коническим факелом, перемешиваясь с воздухом и образуя однородную смесь, как в обычном двигателе с распределенным впрыском. Состав смеси – близок к стехиометрическому (14,7:1)

Двухстадийный режим (впрыск на тактах впуска и сжатия). Этот режим позволяет повысить момент двигателя в том случае, когда водитель, двигаясь на малых оборотах, резко нажимает педаль акселератора. Когда двигатель работает на малых оборотах, а в него вдруг подается обогащенная смесь, вероятность детонации возрастает. Поэтому впрыск осуществляется в два этапа. Небольшое количество топлива впрыскивается в цилиндр на такте впуска и охлаждает воздух в цилиндре. При этом цилиндр заполняется сверхбедной смесью (примерно 60:1), в которой детонационные процессы не происходят. Затем, в конце такта
сжатия, подается компактная струя топлива, которая доводит соотношение воздуха и топлива в цилиндре до “богатого” 12:1.

Почему этот режим введен только для автомобилей для европейского рынка? Да потому что для Японии присущи невысокие скорости движения и постоянные пробки, а Европа- это протяженные автобаны и высокие скорости (а следовательно, высокие нагрузки на двигатель).

Компания Mitsubishi стала пионером в применении непосредственного впрыска топлива. На сегодняшний день аналогичную технологию используют Mercedes (CGI), BMW (HPI), Volkswagen (FSI, TFSI, TSI) и Toyota (JIS). Главный принцип работы этих систем питания аналогичен– подача бензина не во впускной тракт, а непосредственно в камеру сгорания и формирование послойного либо однородного смесеобразования в различных режимах работы мотора. Но подобные топливные системы имеют и различия, причем иногда довольно существенные. Основные из них – рабочее давление в топливной системе, расположение форсунок и их конструкция.

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. Это был своего рода прообраз распределенного впрыска. Однако из-за невысокой надежности от использования CPI быстро отказались.

Распределенный

ИЛИ МНОГОТОЧЕЧНЫЙ впрыск топлива - сегодня самая распро¬страненная система питания двигателей на современных автомобилях. От предыдуще¬го типа она отличается прежде всего тем, что во впускном коллекторе каждого цилиндра стоит индивидуальная форсунка. В определенные моменты времени она впрыскивает необходимую порцию бензина прямо на впускные клапаны “своего” цилиндра.

Многоточечный впрыск бывает параллельным и последовательным. В первом случае в определенный момент времени срабатывают все форсунки, топливо перемешивается с воздухом, и получившаяся смесь ждет открытия впускных клапанов, чтобы попасть в цилиндр. Во втором случае период работы каждого инжектора рассчитывается индивидуально, чтобы бензин подавался за строго определенное время перед открытием клапана. Эффективность такого впрыска выше, поэтому большее распространение получили именно последовательные системы, несмотря на более сложную и дорогую электронную “начинку”. Хотя иногда встречаются и более дешевые комбинированные схемы (форсунки в этом случае срабатывают попарно).

Поначалу системы распределенного впрыска тоже управлялись механически. Но со временем электроника и здесь одержала верх. Ведь, получая и обрабатывая сигналы от множества датчиков, блок управления не только командует исполнительными механизмами, но и может сигнализировать водителю о неисправности. Причем даже в случае поломки электроника переходит на аварийный режим работы, позволяя автомобилю самостоятельно добраться до сервисной станции.

Распределенный впрыск обладает целым рядом достоинств. Помимо приготовления горючей смеси правильного состава для каждого режима работы двигателя такая система вдобавок точнее распределяет ее по цилиндрам и создает минимальное сопротивление проходящему по впускному коллектору воздуху. Это позволяет улучшить многие показатели мотора: мощность, экономичность, экологичность и т.д. Из недостатков многоточечного впрыска можно назвать, пожалуй, лишь только довольно высокую стоимость.

Непосредственный..

“Goliath GP700” стал первым серийным автомобилем, двигатель которого получил впрыск топлива.

ВПРЫСК (его еще иногда называют прямым) отличается от предыдущих типов систем питания тем, что в данном случае форсунки подают топливо прямо в цилиндры (минуя впус¬кной коллектор), как у дизельного двигателя.

В принципе такая схема системы питания не нова. Еще в первой половине прошлого века ее использовали на авиационных двигателях (например на советском истребителе “Ла-7”). На легковых машинах прямой впрыск появился чуть позже - в 50-х годах ХХ века сначала на автомобиле “Goliath GP700”, а затем на знаменитом “Mercedes-Benz 300SL”. Однако через некоторое время автопроизводители практически отказались от применения непосредственного впрыска, он остался лишь на гоночных автомобилях.

Дело в том, что головка блока цилиндров у двигателя с прямым впрыском получалась очень сложной и дорогой в производстве. Кроме того, конструкторам долгое время не удавалось добиться стабильной работы системы. Ведь для эффективного смесеобразования при прямом впрыске необходимо, чтобы топливо хорошо распылялось. То есть подавалось в цилиндры под большим давлением. А для этого требовались специальные насосы, способные его обеспечить.. В итоге на первых порах двигатели с такой системой питания получались дорогими и неэкономичными.

Однако с развитием технологий все эти проблемы удалось решить, и многие автопроизводители вернулись к давно забытой схеме. Первой была компания “Mitsubishi”, в 1996 году установившая двигатель с непосредственным впрыском топлива (фирменное обозначение - GDI) на модель “Galant”, затем подобные решения стали использовать и другие компании. В частности, “Volkswagen” и “Audi” (система FSI), “Peugeot-Citroёn” (HPA), “Alfa Romeo” (JTS) и другие.

Почему же такая система питания вдруг заинтересовала ведущих автопроизводителей? Все очень просто - моторы с прямым впрыском способны работать на очень бедной рабочей смеси (с малым количеством топлива и большим - воздуха), поэтому они отличаются хорошей экономичностью. Вдобавок подача бензина непосредственно в цилиндры позволяет поднять степень сжатия двигателя, а следовательно и его мощность.

Система питания с прямым впрыском может работать в разных режимах. Например, при равномерном движении автомобиля со скоростью 90-120 км/ч электроника подает в цилиндры очень мало топлива. В принципе такую сверхбедную рабочую смесь очень трудно поджечь. Поэтому в моторах с прямым впрыском используются поршни со специальной выемкой. Она направляет основную часть топлива ближе к свече зажигания, где условия для воспламенения смеси лучше.

При движении с высокой скоростью или при резких ускорениях в цилиндры подается значительно больше топлива. Соответственно из-за сильного нагрева частей двигателя возрастает риск возникновения детонации. Чтобы избежать этого, форсунка впрыскивает в цилиндр топливо широким факелом, ко¬торый заполняет весь объем камеры сгорания и охлаждает ее.

Если же водителю требуется резкое ускорение, то форсунка срабатывает два раза. Сначала в начале такта впуска распыляется небольшое количество топлива для охлаждения цилиндра, а затем в конце такта сжатия впрыскивается основной заряд бензина.

Но, несмотря на все свои преимущества, двигатели с непосредственным впрыском пока еще недостаточно распространены. Причина - высокая стоимость и требовательность к качеству топлива. Кроме того, мотор с такой системой питания работает громче обычного и сильнее вибрирует, поэтому конструкторам приходится дополнительно усиливать некоторые детали двигателя и улучшать шумоизоляцию моторного отсека.

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.

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.

Несколько отличается от бензиновых аналогов. Главным отличием можно считать воспламенение топливно-воздушной смеси, которое происходит не от внешнего источника (искры зажигания), а от сильного сжатия и нагрева.

Другими словами, в дизельном двигателе происходит самовоспламенение топлива. При этом горючее должно подаваться под крайне высоким давлением, так как необходимо максимально эффективно распылить горючее в цилиндрах дизельного мотора. В этой статье мы поговорим о том, какие системы впрыска дизельных двигателей сегодня активно используются, а также рассмотрим их устройство и принцип работы.

Читайте в этой статье

Как работает топливная система дизельного двигателя

Как уже было сказано выше, в дизельном двигателе происходит самовоспламенение рабочей смеси топлива и воздуха. При этом сначала в цилиндр подается только воздух, затем этот воздух сильно сжимается и нагревается от сжатия. Чтобы произошло возгорание, нужно подать ближе к концу такта сжатия.

С учетом того, что воздух сильно сжимается, горючее также необходимо впрыснуть под высоким давлением и эффективно распылить. В различных дизельных давление впрыска может отличаться, начиная, в среднем, с отметки в 100 атмосфер и заканчивая впечатляющим показателем более 2 тыс. атмосфер.

Для наиболее эффективной подачи топлива и обеспечения оптимальных условий для самовоспламенения заряда с последующим полноценным сгоранием смеси топливный впрыск реализован через дизельную форсунку.

Получается, независимо от того, какой тип системы питания используется, в дизельных двигателях всегда присутствуют два основных элемента:

• устройство для создания высокого давления топлива;

Другими словами, на многих дизелях давление создает (топливный насос высокого давления), а подача дизтоплива в цилиндры происходит через форсунки. Что касается отличий, в разных системах топливоподачи насос может иметь ту или иную конструкцию, также по своему устройству отличаются и сами дизельные форсунки.

Еще системы питания могут отличаться по расположению тех или иных составных элементов, имеют разные схемы управления и т.д. Давайте рассмотрим системы впрыска дизельных двигателей более подробно.

Системы питания дизельных двигателей: обзор

Если разделить системы питания дизельных моторов, которые получили наибольшее распространение, можно выделить следующие решения:

• Система питания, в основе которой лежит ТНВД рядного типа (рядный ТНВД);
• Система топливоподачи, которая имеет ТНВД распределительного типа;
• Решения с насос-форсунками;
• Топливный впрыск Common Rail (аккумулятор высокого давления в общей магистрали).

Указанные системы также имеют большое количество подвидов, при этом в каждом случае тот или иной тип является основным.

• Итак, начнем с самой простой схемы, которая предполагает наличие рядного топливного насоса. Рядный ТНВД представляет собой давно известное и проверенное решение, которое используется на дизелях не один десяток лет. Такой насос активно используется на спецтехнике, грузовиках, автобусах и т.д. Если сравнивать его с другими системами, насос достаточно большой по своим габаритам и весу.

В двух словах, в основе рядного ТНВД лежат . Их количество равняется количеству цилиндров двигателя. Плунжерная пара представляет собой цилиндр, который движется в «стакане» (гильзе). При движении вверх происходит сжатие топлива. Затем, когда давление достигает необходимого показателя, происходит открытие специального клапана.

В результате предварительно сжатое топливо поступает на форсунку, после чего происходит впрыск. После того, как плунжер начнет двигаться обратно вниз, открывается канал для впуска топлива. Через канал горючее заполняет пространство над плунжером, далее цикл повторяется. Чтобы солярка попадала в плунжерные пары, дополнительно в системе имеется отдельный подкачивающий насос.

Сами плунжеры работают благодаря тому, что в устройстве насоса имеется кулачковый вал. Этот вал работает подобно , где кулачки «толкают» клапана. Сам вал насоса приводится от двигателя, так как ТНВД соединен с мотором при помощи муфты опережения впрыска. Указанная муфта позволяет корректировать работу и подстраивать ТНВД в процессе эксплуатации двигателя.

• Система питания с распределительным насосом не сильно отличается от схемы с рядным ТНВД. Распределительный ТНВД похож на рядный по конструкции, при этом в нем уменьшено количество плунжерных пар.

Другими словами, если в рядном насосе пары необходимы на каждый цилиндр, то в распределительном достаточно 1 или 2 плунжерных пар. Дело в том, что одной пары в этом случае достаточно для подачи горючего в 2, 3 или даже 6 цилиндров.

Это стало возможным благодаря тому, что плунжер получил возможность не только двигаться вверх (сжатие) и вниз (впуск), но также вращаться вокруг оси. Такое вращение позволило реализовать поочередное открытие выпускных отверстий, через которые дизтопливо под высоким давлением подается на форсунки.

Дальнейшее развитие этой схемы привело к появлению более современного роторного ТНВД. В таком насосе применен ротор, в котором установлены плунжеры. Указанные плунжеры движутся навстречу по отношению друг к другу, а ротор осуществляет вращение. Так происходит сжатие и распределение солярки по цилиндрам мотора.

Главным плюсом распределительного насоса и его разновидностей является сниженный вес и компактность. При этом настраивать данное устройство сложнее. По этой причине дополнительно используются схемы электронного управления и регулировки.

• Система питания типа «насос-форсунка» представляет собой схему, где изначально отсутствует отдельный ТНВД. Если точнее, форсунка и насосная секция были объединены в одном корпусе. В основе лежит уже знакомая плунжерная пара.

Решение имеет ряд преимуществ по сравнению с системами, в которых использован ТНВД. Прежде всего, можно легко отрегулировать подачу топлива в отдельные цилиндры. Также в случае выхода одной форсунки из строя, остальные будут работать.

Также использование насос-форсунок позволяет избавиться от отдельного привода ТНВД. Плунжеры в насос-форсунке приводятся в действие от распредвала ГРМ, который установлен в . Такие особенности позволили дизельным моторам с насос-форсунками получить широкое распространение не только на грузовиках, но и на крупных легковых автомобилях (например, дизельные внедорожники).

• Система Сommon Rail является одной из самых современных решений в области топливного впрыска. Также данная схема питания позволяет добиться максимальной экономичности одновременно с высоким . Параллельно снижается и токсичность отработавших газов.

Система была разработана немецкой фирмой Bosch в 90-х годах. С учетом очевидных преимуществ за короткое время подавляющее большинство дизельных ДВС на легковых и грузовых авто стали оснащать исключительно Сommon Rail.

Общая схема устройства основана на так называемом аккумуляторе высокого давления. Если просто, горючее находится под постоянным давлением, после чего подается к форсункам. Что касается аккумулятора давления, данный аккумулятор фактически является топливной магистралью, куда горючее нагнетается при помощи отдельного ТНВД.

Система Сommon Rail частично напоминает бензиновый инжекторный двигатель, который имеет топливную рампу с форсунками. Бензин в рампу (топливную рейку) нагнетается под небольшим давлением бензонасосом из бака. В дизеле давление намного выше, горючее нагнетает ТНВД.

Благодаря тому, что давление в аккумуляторе постоянное, стало возможным реализовать быстрый и «многослойный» впрыск топлива через форсунки. Современные системы в двигателях Common Rail позволяют форсункам сделать до 9 дозированных впрысков.

В результате дизельный двигатель с такой системой питания экономичный, производительный, работает мягко, тихо и эластично. Также использование аккумулятора давления позволило сделать конструкцию ТНВД на дизельных моторах более простой.

Добавим, что высокоточный впрыск на двигателях Common Rail является полностью электронным, так как за работой системы следит отдельный блок управления. В системе используется группа датчиков, которые позволяют контроллеру точно определить, сколько дизтоплива нужно подать в цилиндры и в какой момент.

Подведем итоги

Как видно, каждая из рассмотренных систем питания дизельного двигателя имеет свои преимущества и недостатки. Если говорить о простейших решениях с рядным ТНВД, их главным плюсом можно считать возможность ремонта и доступность обслуживания.

В схемах с насос-форсунками нужно помнить о том, что данные элементы чувствительны к качеству топлива и его чистоте. Попадание даже мельчайших частиц может вывести из строя насос-форсунку, в результате чего дорогостоящий элемент потребует замены.

Что касается систем Common Rail, главным недостатком является не только высокая начальная стоимость таких решений, но и сложность и дороговизна последующего ремонта и обслуживания. По этой причине за качеством топлива и состоянием топливных фильтров нужно постоянно следить, а также своевременно проводить плановое обслуживание.

Читайте также

Виды дизельных форсунок в разных системах подачи топлива под высоким давлением. Принцип работы, способы управления форсунками, конструктивные особенности.

В случае с системой впрыска топлива Ваш двигатель все ещё ​сосёт, но вместо того, чтобы полагаться только на всасываемое количество топлива, система впрыска топлива стреляет точно правильное количество топлива в камеру сгорания. Системы впрыска топлива прошли уже несколько ступеней эволюции, в них была добавлена электроника - это, пожалуй, было самым большим шагом в развитии этой системы. Но идея таких систем осталась та же: электрически активируемый клапан (инжектор) распыляет отмеренное количество топлива в двигатель. На самом деле основное различие между карбюратором и инжектором именно в электронном управлении ЭБУ - именно бортовой компьютер подаёт точно нужное количество топлива в камеру сгорания двигателя.

Давайте посмотрим, как работает система впрыска топлива и инжектор в частности.

Так выглядит система впрыска топлива

Если сердце автомобиля - это его двигатель, то его мозг - это блок управления двигателем (ЭБУ). Он оптимизирует работу двигателя с помощью датчиков, чтобы решить, как управлять некоторыми приводами в двигателе. Прежде всего, компьютер отвечает за 4 основные задачи:

1. управляет топливной смесью,
2. контролирует обороты холостого хода ,
3. несёт ответственность за угол опережения зажигания,
4. управляет фазами газораспределения.

Прежде чем мы поговорим о том, как ЭБУ осуществляет свои задачи, давайте о самом главном - проследим путь бензина от бензобака до двигателя - это и есть работа системы впрыска топлива. Первоначально после того, как капля бензина покидает стенки бензобака, она всасывается с помощью электрического топливного насоса в двигатель. Электрический топливный насос, как правило, состоит из непосредственно насоса, а также фильтра и передающего устройства.

Регулятор давления топлива в конце топливной направляющей с вакуумным питанием гарантирует, что давление топлива будет постоянным по отношению к давлению всасывания. Для бензинового двигателя давление топлива, как правило, составляет порядка 2-3,5 атмосферы (200-350 кПа, 35-50 PSI (фунтов на квадратный дюйм)). Топливные форсунки инжектора подключены к двигателю, но их клапаны остаются закрытыми до тех пор, пока ЭБУ не разрешит отправить топливо в цилиндры.

Но что же происходит, когда двигателю требуется топливо? Здесь в работу вступает инжектор . Обычно инжекторы имеют два контакта: один вывод подключен к аккумулятору через реле зажигания, а другой контакт проходит в ЭБУ. ЭБУ посылает пульсирующие сигналы в инжектор. За счёт магнита, на который и подаются такие пульсирующие сигналы, открывается клапан инжектора, и в его сопло подаётся некоторое количество топлива. Поскольку в инжекторе очень высокое давление (значение приведено выше), открывшийся клапан направляет топливо с высокой скоростью в сопло распылителя инжектора. Продолжительность, с которой открыт клапан инжектора, влияет на то, какое количество топлива подаётся в цилиндр, а продолжительность эта, соответственно зависит от ширины импульса (т.е. от того, сколько времени ЭБУ посылает сигнал к инжектору).

Когда клапан открывается, топливная форсунка передаёт топливо через распылительный наконечник, который, распыляя, превращает жидкое топливо в туман, непосредственно в цилиндр. Такая система называется системой с непосредственным впрыском . Но распылённое топливо может подаваться не сразу в цилиндры, а сначала в впускные коллекторы.

Как работает инжектор

Но как ЭБУ определяет, сколько на данный момент топлива нужно подать в двигатель? Когда водитель нажимает педаль акселератора, то на самом деле он открывает дроссельную заслонку на величину нажима педали, через которую в двигатель подаётся воздух. Таким образом, мы с уверенностью можем назвать педаль газа "регулятором подачи воздуха" в двигатель. Так вот, компьютер автомобиля руководствуется в том числе величиной открытия дроссельной заслонки, но не ограничивается этим показателем - он считывает информацию с множества датчиков, и давайте узнаем о них всех!

Датчик массового расхода воздуха

Перво-наперво датчик массового расхода воздуха (MAF) определяет, сколько воздуха входит в корпус дроссельной заслонки и посылает эту информацию в ЭБУ. ЭБУ использует эту информацию, чтобы решить, сколько топлива впрыснуть в цилиндры, чтобы держать смесь в идеальных пропорциях.

Датчик положения дроссельной заслонки

Компьютер постоянно использует этот датчик, чтобы проверить положение дроссельной заслонки и узнать таким образом, сколько воздуха проходит через воздухозаборник для того, чтобы регулировать импульс, отправленный к форсункам, гарантируя, что соответствующее воздуху количество топлива входит в систему.

Кислородный датчик

Кроме того, ЭБУ использует датчик O2, чтобы выяснить, сколько кислорода содержится в выхлопных газах автомобиля. Содержание кислорода в выхлопных газах обеспечивает индикацию того, насколько хорошо топливо сгорает. Используя связанные данные от двух датчиков: кислородного и массового расхода воздуха, ЭБУ также контролирует насыщенность топливо-воздушной смеси, подаваемой в камеру сгорания цилиндров двигателя.

Датчик положения коленвала

Это, пожалуй, главный датчик системы впрыска топлива - именно от него ЭБУ узнаёт о количестве оборотов двигателя в данный момент времени и корректирует количество подаваемого топлива в зависимости от числа оборотов и, конечно же, положения педали газа.

Это три основных датчика, которые прямо и динамически влияют на количество подаваемого в инжектор и в последующем в двигатель топлива. Но есть ещё ряд датчиков:

• Датчик напряжения в электрической сети машины - нужен для того, чтобы ЭБУ понимал, насколько разряжен аккумулятор и требуется ли повысить обороты, чтобы зарядить его.
• Датчик температуры охлаждающей жидкости - ЭБУ повышает количество оборотов, если двигатель холодный и наоборот, если двигатель прогрелся.