Система непосредственного впрыска топлива в бензиновых двигателях на сегодняшний день представляет собой наиболее совершенное и современное решение. Главной особенностью непосредственного впрыска можно считать то, что горючее подается в цилиндры напрямую.
По этой причине данную систему также часто называют прямым впрыском топлива. В этой статье мы рассмотрим, как работает двигатель с непосредственным впрыском топлива, а также какие преимущества и недостатки имеет такая схема.
Читайте в этой статье
Прямой впрыск топлива: устройство системы непосредственного впрыска
Как уже было сказано выше, горючее в подобных подается непосредственно в камеру сгорания двигателя. Это значит, что форсунки распыляют бензин не во , после чего топливно-воздушная смесь поступает через в цилиндр, а впрыскивают топливо в камеру сгорания напрямую.
Первыми бензиновыми двигателями с непосредственным впрыском стали . В дальнейшем схема получила широкое распространение, в результате чего сегодня с такой системой подачи топлива можно встретить в линейке многих известных автопроизводителей.
Например, концерн VAG представил ряд моделей Audi и Volkswagen с атмосферными и турбированными , 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.
Система непосредственного впрыска: конструктивные особенности
Итак, давайте в качестве примера возьмем двигатель FSI с его так называемым «послойным» впрыском. Система включает в себя следующие элементы:
- контур высокого давления;
- бензиновый ;
- 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.
РДТ (регулятор давления топлива) интегрирован в насос и отвечает за дозированную подачу топлива, что соответствует впрыску форсунки. Топливная рейка (топливная рампа) нужна для того, чтобы распределить горючее на форсунки. Также наличие данного элемента позволяет избежать скачков давления (пульсации) горючего в контуре.
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 , который, в свою очередь, способен изменять давление в топливной рейке.
Что касается инжекторной форсунки, элемент обеспечивает своевременную подачу и распыл топлива в камере сгорания, чтобы создать необходимую топливно-воздушную смесь. Отметим, что описанные процессы протекают под управлением . Система имеет группу различных датчиков, электронный блок управления, а также исполнительные устройства.
Если же говорить о системе прямого впрыска, вместе с датчиком высокого давления топлива для ее работы задействованы: , ДПРВ, 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.
Следует выделить послойное смесеобразование, стехиометрическое, а также гомогенное. Именно такое смесеобразование позволяет в конечном итоге максимально эффективно расходовать топливо. Смесь всегда получается качественной независимо от режима работы ДВС, бензин сгорает полноценно, двигатель становится более мощным, при этом одновременно снижается токсичность выхлопа.
- 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.
За короткое время до того, как на свече появится искра, образуется топливно-воздушная смесь, в которой коэффициент избыточного воздуха составляет 1.5-3. Далее смесь воспламеняется от искры, при этом вокруг зоны воспламенения сохраняется достаточно количество воздуха. Указанный воздух выполняет функцию температурного «изолятора».
Если же рассматривать гомогенное стехиометрическое смесеобразование, такой процесс происходит тогда, когда впускные заслонки открыты, при этом дроссельная заслонка также открыта на тот или иной угол (зависит от степени нажатия на педаль акселератора).
В этом случае горючее впрыскивается еще на такте впуска, в результате чего удается получить однородную смесь. Избыток воздуха имеет коэффициент, близкий к единице. Такая смесь легко воспламеняется и полноценно сгорает по всему объему камеры сгорания.
Обедненная гомогенная смесь создается тогда, когда дроссельная заслонка полностью открыта, а впускные заслонки закрыты. В этом случае воздух активно движется в цилиндре, а впрыск горючего приходится на такт впуска. ЭСУД поддерживает избыток воздуха на отметке 1.5.
Дополнительно к чистому воздуху могут быть добавлены отработавшие газы. Это происходит благодаря работе . В результате выхлоп повторно «догорает» в цилиндрах без ущерба для мотора. При этом снижается уровень выброса вредных веществ в атмосферу.
Что в итоге
Как видно, прямой впрыск позволяет добиться не только экономии топлива, но и хорошей отдачи от двигателя как в режимах низких и средних, так и высоких нагрузок. Другими словами, наличие непосредственного впрыска означает, что оптимальный состав смеси будет поддерживаться на всех режимах работы ДВС.
Что касается недостатков, к минусам прямого впрыска можно отнести разве что повышенную сложность во время ремонта и цену запчастей, а также высокую чувствительность системы к качеству горючего и состоянию фильтров топлива и воздуха.
Читайте также
Устройство и схема работы инжектора. Плюсы и минусы инжектора по сравнению с карбюратором. Часты неисправности инжекторных систем питания. Полезные советы.
На сегодняшний день системы впрыска активно применяются на бензиновых и дизельных ДВС. Стоит отметить, что для каждой вариации мотора подобная система будет в существенной мере отличаться. Об этом далее в статье.
Система впрыска, назначение, чем отличается система впрыска бензинового двигателя от системы впрыска дизеля
Основное назначение системы впрыска (другое название — инжекторная система) — обеспечение своевременной подачи горючего в рабочие цилиндры мотора.
В бензиновых моторах процесс впрыска поддерживает образование воздушнотопливной смеси, после чего осуществляется ее воспламенение с помощью искры. В дизельных моторах подача горючего производится под высоким давлением — одна часть горючей смеси соединяется со сжатым воздухом и практически мгновенно самовоспламеняется.
Система впрыска бензина, устройство систем впрыска топлива бензиновых двигателей
Система впрыска топлива — составная часть топливной системы ТС. Основной рабочий орган любой системы впрыска — форсунка. Зависимо от метода образования воздушнотопливной смеси существуют системы непосредственного впрыска, распределенного впрыска и центрального впрыска. Системы распределенного и центрального впрыска — системы предварительного впрыска, то есть впрыск в них осуществляется во впускном коллекторе, не доходя до камеры сгорания.
Системы впрыска бензиновых моторов могут иметь электронное либо механическое управление. Самым совершенным считается электронное управление впрыском, которое обеспечивает существенную экономию горючего и снижение вредных выбросов в атмосферу.
Впрыск горючего в системе осуществляется импульсно (дискретно) или непрерывно. С точки зрения экономии перспективным считается импульсный впрыск горючего, используемый всеми современными системами.
В моторе система впрыска, как правило, соединена с системой зажигания и создает объединенную систему зажигания и впрыска (к примеру, системы Fenix, Motronic). Система управления мотором обеспечивает согласованную работу систем.
Системы впрыска бензиновых двигателей, типы систем впрыска топлива, достоинства и недостатки каждого вида систем впрыска бензиновых двигателей
На бензиновых моторах применяются такие системы подачи горючего — непосредственный впрыск, комбинированный впрыск, распределенный впрыск (многоточечный), центральный впрыск (моновпрыск).
Центральный впрыск. Подача горючего в данной системе производится посредством топливной форсунки, расположенной во впускном коллекторе. А так как форсунка всего одна, эту систему называют еще моновпрыском.
На сегодняшний день системы центрального впрыска утратили свою актуальность, поэтому они и не предусмотрены в новых моделях авто, однако в некоторых старых ТС их все же можно встретить.
Преимущества моновпрыска — надежность и простота применения. К минусам данной системы можно отнести высокий расход горючего и низкий уровень экологичности мотора. Распределенный впрыск. В системе многоточечного впрыска предусмотрена отдельная подача топлива на каждый цилиндр, который оборудован индивидуальной топливной форсункой. ТВС, при этом, возникает лишь во впускном коллекторе.
На сегодняшний день большинство бензиновых моторов оборудовано системой распределенной подачи горючего. Преимущества подобной системы — оптимальный расход горючего, высокая экологичность, оптимальные потребности к качеству потребляемого горючего.
Непосредственный впрыск. Одна из самых прогрессивных и совершенных систем впрыска. Принцип действия данной системы основывается на прямой (непосредственной) подаче горючего в камеру сгорания.
Система непосредственной подачи горючего дает возможность получать качественный состав топлива на всех этапах эксплуатации мотора, чтобы улучшить процесс сгорания ТВС, увеличить рабочую мощность мотора и снизить уровень отработанных газов.
Недостатки данной системы впрыска — довольно сложная конструкция и большие требования к качеству горючего.
Комбинированный впрыск. В системе данного типа объединяются две системы — распределенный и непосредственный впрыск. Как правило, она применяется, чтобы уменьшить выбросы токсичных компонентов и отработанных газов, с помощью чего можно достигнуть высоких показателей экологичности мотора.
Системы впрыска дизельных двигателей, виды систем, достоинства и недостатки каждого вида систем впрыска дизельного топлива
На современных дизельных моторах используются следующие системы впрыска — система Common Rail, система насос-форсунки, система с распределительным или рядным топливным насосом высокого давления (ТНВД).
Самыми востребованными и прогрессивными считаются насос-форсунки и Common Rail. ТНВД — центральный компонент любой топливной системы дизельного мотора.
Подача топливной смеси в дизельных моторах может производиться в предварительную камеру или прямо в камеру сгорания.
В настоящее время отдается предпочтение системе непосредственного впрыска, отличающейся повышенным уровнем шума и менее плавной работой мотора в сравнении с подачей в предварительную камеру, однако при этом обеспечивается более важный показатель — экономичность.
Система насос-форсунки. Данная система используется для подачи, а также впрыска горючей смеси под большим давлением насос-форсунками. Ключевая особенность данной системы — в одном устройстве объединены две функции — впрыск и создание давления.
Конструктивный недостаток данной системы — насос оборудован постоянным приводом от распределительного вала мотора (не отключаемый), который способен привести к быстрому износу системы. В результате этого изготовители все чаще отдают предпочтение системам Common Rail.
Аккумуляторный впрыск (Common Rail). Более совершенная конструкция подачи горючей смеси для множества дизельных моторов. В такой системе горючее подается от рампы к топливным форсункам, которая еще называется аккумулятором высокого давления, в результате чего у системы образовалось еще одно название — аккумуляторный впрыск.
Система Common Rail предусматривает проведение следующих этапов впрыска — предварительного, главного и дополнительного. Это дает возможность уменьшить вибрации и шум мотора, сделать процедуру самовоспламенения горючего более эффективной, уменьшить вредные выбросы.
Выводы
Чтобы управлять системами впрыска на дизелях предусматривается наличие электронных и механических устройств. Механические системы дают возможность контролировать рабочее давление, момент и объем впрыска горючего. В электронных системах предусмотрено более эффективное управление дизельными моторами в целом.
Работоспособность любого транспортного средства, в первую очередь, обеспечивается исправной работой его «сердца» - двигателя. В свою очередь, составляющей частью стабильной деятельности этого «органа» есть слаженная работа системы впрыска, с помощь которой подается необходимое для работы топливо. На сегодняшний день, благодаря множеству преимуществ, она полностью вытеснила карбюраторную систему. Главным положительным моментом ее использования является наличие «умной электроники», обеспечивающей точную дозировку топливовоздушной смеси, что повышает мощность транспортного средства и существенно увеличивает топливную экономичность. К тому же, электронная система впрыска в значительно большей степени помогает придерживаться строгих экологических норм, вопрос соблюдения которых, в последнее время, приобретает все большей актуальности. Учитывая вышесказанное, выбор темы данной статьи более чем уместен, так, что давайте рассмотрим принцип работы этой системы более детально.
1. Принцип работы электронного впрыска топлива
Электронная (или более известный вариант названия «инжекторная») система подачи топлива может устанавливаться на автомобили как с бензиновыми, так и с Однако, конструкция механизма в каждом из этих случаев, будет иметь существенные различия. Все топливные системы можно разделить за такими классификационными признаками:
- за способом подачи топлива выделяют прерывистую и непрерывную подачу;
За типом дозирующих систем различают распределители, форсунки, регуляторы давления, плунжерные насосы;
За способом управления количеством подаваемой горючей смеси – механические, пневматические и электронные;
За основными параметрами регулировки состава смеси – разряжение во впускной системе, при угле поворота дроссельной заслонки и расходе воздуха.
Система впрыска топлива современных бензиновых двигателей имеет либо электронное, либо механическое управление. Естественно, более совершенным вариантом является электронная система, так как она в значительно лучшей степени может обеспечить экономию топлива, сокращение уровня выброса вредных токсичных веществ, увеличение мощности мотора, улучшение общей динамики машины и облегчение «холодного пуска».
Первой, полностью электронной системой, стал продукт, выпущенный американской компанией Bendix в 1950 году. Спустя 17 лет, аналогичное устройство создала и компания Bosch, после чего оно было установлено на одну из моделей Volkswagen. Именно это событие положило начало массовому распространению системы электронного управления впрыском топлива (EFI - Electronic Fuel Injection), при чем не только на спортивных автомобилях, но и на транспортных средствах класса «люкс».
Полностью электронная система использует для своей работы (топливные форсунки), вся деятельность которых базируется на электромагнитном действии. В определенные моменты рабочего цикла двигателя, они открываются и остаются в таком положении на протяжении всего времени, необходимого для подачи того или иного количества топлива. Тоесть, время открытого состояния – прямо пропорционально требуемому количеству бензина.
Среди полностью электронных систем впрыска топлива, выделяют следующие два типы, отличающиеся в основном только способом измерения воздушного потока: систему с непрямым измерением воздушного давления и с прямым измерением воздушного потока. Такие системы, для определения уровня разрежения в коллекторе, используют соответствующий датчик (MAP - manifold absolute pressure). Его сигналы направляются на электронный модуль (блок) управления, где учитывая аналогичные сигналы поступающие с других датчиков, перерабатываются и перенаправляются на электромагнитную форсунку (инжектор), что и вызывает ее открытие на нужное для поступление воздуха время.
Хорошим представителем системы с датчиком давления есть система Bosch D-Jetronic
(литера «D» - давление).
Работа системы впрыска с электронным управлением базируется на некоторых особенностях. Сейчас мы опишем отдельные из них, характерные для стандартного типа такой системы (EFI). Начнем с того, что она может быть подразделена на три подсистемы: первая -отвечает за подачу топлива, вторая - за всасывание воздуха, ну а третья является электронной системой управления.
Структурными частями системы подачи топлива есть топливной бак, топливный насос, подающий топливопровод (направляющий от распределителя для топлива), топливную форсунку, регулятор давления топлива и обратный топливопровод. Принцип действия системы следующий: с помощью электрического топливного насоса (размещается внутри или рядом с топливным баком), бензин выходит из бака и подается в форсунку, а все загрязнения отфильтровываются с помощью мощного встроенного топливного фильтра. Та часть топлива, которая не была направлена через форсунку во всасывающий трубопровод, возвращается в бак через обратный топливопривод. Поддержание постоянного давления топлива обеспечивает специальный регулятор, отвечающий за стабильность этого процесса.
Система всасывания воздуха состоит из дроссельного клапана, всасывающего коллектора, очистителя воздуха, впускного клапана и воздухозаборной камеры. Принцип ее действия такой: при открытом дроссельном клапане, воздушные потоки проходят через очиститель, затем через расходометр воздуха (им оборудуются системы типа L), дроссельный клапан и качественно настроенный впускной патрубок, после чего попадают во впускной клапан. Функция направления воздуха в двигатель требует наличия привода. По ходу открытия клапана дросселя, в цилиндры мотора попадает значительно большее количество воздуха.
В некоторых силовых агрегатах применяются два разных способа измерения объема входящих воздушных потоков. Так, например, при использовании системы EFI (тип D), воздушный поток измеряют при помощи проведения мониторинга давления во всасывающем коллекторе, тоесть косвенно, в то время как аналогичная система, но уже типа L делает это напрямую, используя специальное устройство – расходометр воздуха.
В состав электронной системы управления входят следующие виды датчиков: двигателя, электронного управляющего блока (ECU), устройства топливной форсунки и соответствующей проводки. С помощью указанного блока, путем мониторинга датчиков силового агрегата определяется точное количество подаваемого форсунке топлива. Что бы подавать в мотор воздух/топливо в соответствующих пропорциях, блок управления запускает работу форсунок на конкретный период времени, которые именуют «шириной импульса впрыска» или «продолжительностью впрыска». Если описывать основной режим работы системы электронного впрыска топлива, с учетом уже названных подсистем, то он будет иметь следующий вид.
Попадая в силовой агрегат через систему всасывания воздуха, воздушные потоки измеряются с помощью расходометра. Когда воздух оказывается в цилиндре, происходит его смешивание с топливом, в чем не последнюю роль играет работа топливных форсунок (расположенных за каждым впускным клапаном всасывающего коллектора). Эти детали являются своеобразными электроклапанами, которые управляются электронным блоком (ECU). Он посылает на форсунку определенные импульсы, используя для этого включение и выключение цепи ее заземления. Когда она включена, происходит открытие и топливо распыляется на заднюю часть стенки впускного клапана. При попадании в подающийся снаружи воздух, оно смешивается с ним и испаряется благодаря низкому давлению всасывающего коллектора.
Сигналы, посылаемые электронным блоком управления, обеспечивают такой уровень подачи топлива, который будет достаточным для достижения идеального соотношения пропорций воздух/топливо (14,7:1), называемого еще стехиометрией.
Именно ECU, исходя из измеренного объема воздуха и оборотов мотора, определяет основной объем впрыска. В зависимости от условий эксплуатации двигателя, этот показатель может изменяться. Блок управления отслеживает такие сменные величины как скорость двигателя, температура тосола (охлаждающей жидкости),содержания кислорода в выхлопных газах и угол расположения дросселя, в соответствии с чем производит корректировку впрыска, определяющую окончательный объем впрыскиваемого топлива.
Безусловно, система питания с электронным дозированием топлива, превосходит карбюраторное питание бензиновых двигателей, поэтому нет ничего удивительного в ее широкой популярности. Системы впрыска бензина, из-за наличия огромного числа электронных и подвижных прецизионных элементов, являются более сложными механизмами, поэтому, требуют высокого уровня ответственности в подходе к вопросу обслуживания.
Существование системы впрыска дает возможность более точно распределить топливо по цилиндрам мотора. Это стало возможным, благодаря отсутствию дополнительного сопротивления воздушному потоку, которое на впуске создавали карбюратор и дифузоры. Соответственно, повышения коэффициента наполнения цилиндров напрямую влияет на увеличения уровня мощности двигателя. Давайте же сейчас рассмотрим более детально все положительные моменты использования системы электронного впрыска топлива.
2. Плюсы и минусы электронного впрыска топлива
К положительным моментам стоит отнести:
Возможность более равномерного распределения топливо-воздушной смеси. Каждый цилиндр имеет собственную форсунку, подающую топливо непосредственно на впускной клапан, что позволяет избежать необходимости подачи через всасывающий коллектор. Это способствует улучшению его распределения между цилиндрами.
Высокоточность контролирования пропорций воздуха и топлива, в независимости от эксплуатационных условий двигателя.
С помощью стандартной электронной системы, в двигатель поступает точная пропорция топлива и воздуха, что значительно улучшает дорожные качества транспортного средства, топливную экономичность и контроль за выхлопными газами.
Улучшение работоспособности дросселя. Благодаря подачи топлива непосредственно на заднюю стенку впускного клапана, можно оптимизировать работу всасывающего коллектора, повысив тем самым скорость движения воздушного потока через впускной клапан. За счет таких действий улучшается крутящий момент и рабочая эффективность дросселя.
Повышение топливной экономичности и улучшение контроля токсичности выхлопных газов. В двигателях, оснащенных системой EFI, обогащение топливной смеси при холодном запуске и широко открытой дроссельной заслонке, поддается сокращению, так как смешивание топлива не является проблематичным действием. За счет этого, появляется возможность экономии топлива и улучшения контроля за выхлопными газами.
Улучшение эксплуатационных качеств холодного двигателя (в том числе и пусковых). Возможность впрыска топлива сразу на впускной клапан, в сочетании с улучшенной формулой распыления, соответственно повышает пусковые и эксплуатационные возможност холодного мотора. Упрощение механики и снижение чувствительности к регулировке. При холодном старте или измерении топлива, система EFI не зависит от регулировки обогащения топливной смеси. А поскольку, с механической точки зрения, она отличается простотой, то и требования к ее техническому обслуживанию снижены.
Однако, ни один механизм не может обладать исключительно положительными качествами, поэтому, в сравнении с теми же карбюраторными двигателями, моторы с электронной системой впрыска топлива имеют некоторые недостатки. К основным из них относят: высокую стоимость; практически полную невозможность ремонтных действий; высокие требования к составу топлива; сильную зависимость от источников электропитания и необходимость постоянного наличия напряжения (более современный вариант, который контролируется электроникой). Также, в случае поломки, не получится обойтись без специализированного оборудования и высококвалифицированного персонала, что выражается в слишком дорогостоящем обслуживании.
3. Диагностика причин неисправностей системы электронного впрыска топлива
Возникновение неполадок в системе впрыска – не такое уж и редкое явление. Особенно актуальным этот вопрос есть для владельцев старых моделей автомобилей, которым не раз приходилось сталкиваться как с обычным засорением форсунок, так и с более серьезными проблемами по части электроники. Причин неисправностей, часто возникающих в данной системе, может быть очень много, однако наиболее распространенными среди них есть следующие:
- дефекты («брак») конструктивных элементов;
Граничный срок службы деталей;
Систематическое нарушение правил эксплуатации автомобиля (использование низкокачественного топлива, загрязнения системы и т.д.);
Внешние отрицательные воздействия на конструктивные элементы (попадание влаги, механические повреждения, окисление контактов и др.)
Наиболее надежным способом их определения является компьютерная диагностика. Этот вид диагностической процедуры основывается на автоматическом фиксировании отклонений параметров системы от установленных значений нормы (режим самодиагностики). Обнаруженные ошибки (несоответствия) остаются в памяти электронного блока управления в виде так называемых «кодов неисправностей». Для проведения этого метода исследования, к диагностическому разъему блока подключают специальное устройство (персональный компьютер с программой и кабелем или сканер), задача которого считать все имеющиеся коды неисправностей. Однако, учтите – кроме специального оборудования, точность результатов проведенной компьютерной диагностики, будет зависеть от знаний и навыков человека который ее проводил.
Поэтому, доверять процедуру следует только квалифицированным сотрудникам специальных сервисных центров.
В компьютерную проверку электронных составляющих системы впрыска входи т:
- диагностика топливного давления;
Проверка всех механизмов и узлов системы зажигания (модуля, высоковольтных проводов, свечей);
Проверка герметичности впускного коллектора;
Состава топливной смеси; оценка токсичности отработанных газов по шкалах СН и СО);
Диагностика сигналов каждого датчика (используется метод эталонных осцилограмм);
Проверка цилиндрической компрессии; контроль отметок положения ремня ГРМ и много других функций, которые зависят от модели машины и возможностей самого диагностического аппарата.
Проведение указанной процедуры необходимо если Вы хотите узнать имеются ли неисправности в системе электронной подачи (впрыска) топлива и если есть, то какие. Электронный блок EFI (компьютер) «помнит» все неисправности лишь пока система подключена к аккумуляторной батареи, если клемму отсоединить – вся информация исчезнет. Так будет, ровно до того момента, пока водитель вновь не включит зажигание и компьютер наново не проверит работоспособность всей системы.
На некоторых автомобилях, оборудованных системой электронной подачи топлива (EFI), под капотом имеется коробочка, на крышке которой Вы сможете заметить надпись "DIAGNOSIS"
. К ней еще подведен довольно толстый жгут разных проводов. Если коробочку открыть, то с внутренней стороны крышки будет видна маркировка выводов. Возьмите любой провод и с его помощью замкните выводы "Е1"
и "ТЕ1"
, после чего сядьте за руль, включите зажигание и наблюдайте за реакцией лампочки "CHECK" (на ней изображен двигатель).
Обратите внимание!
Кондиционер обязательно должен быть в выключенном состоянии.
Как только Вы повернете ключ в замке зажигания, указанная лампочка начнет мигать. Если она «моргнет» 11 раз (или больше), через равный промежуток времени, это будет значить, что в памяти бортового компьютера нет информации и с поездкой на полную диагностику системы (в частности и электронного впрыска топлива) можно повременить. Если вспышки будут хоть как-то отличаться – значит стоит обратиться к специалистам.
Такой способ «домашней» мини-диагностики доступен не всем владельцам транспортным средств (в основном только иномарок), но тем у кого есть такой разъем, в этом плане повезло.
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.
Первые системы впрыска были механическими (рис. 2.61), а не электронными, и некоторые из них (например, высокоэффективная система BOSCH) были чрезвычайно остроумными и хорошо работали. Впервые же система механического впрыска топлива была разработа на компанией Daimler Benz, а первый серийный автомобиль с впрыском бензина был выпу щен еще в 1954 г. Основными преимуществами системы впрыска по сравнению с карбюра торными системами являются следующие:
Отсутствие дополнительного сопротивления потоку воздуха на впуске, имеющему место в карбюраторе, что обеспечивает повышение наполнения цилиндров и литровой мощно сти двигателя;
Более точное распределение топлива по отдельным цилиндрам;
Значительно более высокая степень оптимизации состава горючей смеси на всех режи мах работы двигателя с учетом его состояния, что приводит к улучшению топливной эко номичности и снижению токсичности отработавших газов.
Хотя в конце концов оказалось, что лучше для этой цели использовать электронику, которая дает возможность сделать систему компактнее, надежнее и более адаптируемой к требовани ям различных двигателей. Некоторые из первых систем электронного впрыска представляли собой карбюратор, из которого удаляли все «пассивные» топливные системы и устанавливали одну или две форсунки. Такие системы получили название «центральный (одноточечный) впрыск» (рис. 2.62 и 2.64).
Рис. 2.62. Агрегат центрального (одноточечного) впрыска
Рис. 2.64. Схема системы центрального впрыска топлива: 1 - подача топлива;
Рис. 2.63. Электронный блок управления 2 - поступление воздуха; 3 - дроссельная четырехцилиндровым двигателем заслонка; 4 - впускной трубопровод; Valvetronic BMW 5 - форсунка; 6 - двигатель
В настоящее время наибольшее распространение получили системы распределенного (многоточечного) электронного впрыска. На изучении этих систем питания необходимо оста новиться более подробно.
СИСТЕМА ПИТАНИЯ С ЭЛЕКТРОННЫМ РАСПРЕДЕЛЕННЫМ ВПРЫСКОМ БЕНЗИНА (ТИПА MOTRONIC)
В системе центрального впрыска подача смеси и ее распределение по цилиндрам осущест вляются внутри впускного коллектора (рис. 2.64).
Наиболее современная система распределенного впрыска топлива отличается тем, что во впускном тракте каждого цилиндра устанавливается отдельная форсунка, которая в опре деленный момент впрыскивает дозированную порцию бензина на впускной клапан соответ ствующего цилиндра. Бензин, поступивший
в цилиндр, испаряется и перемешивается с воздухом, образуя горючую смесь. Двига тели с такими системами питания обладают лучшей топливной экономичностью и пони женным содержанием вредных веществ в отработавших газах по сравнению с кар бюраторными двигателями.
Работой форсунок управляет электрон ный блок управления (ЭБУ) (рис. 2.63), пред ставляющий собой специальный компью тер, который получает и обрабатывает элект рические сигналы от системы датчиков, сравнивает их показания со значениями,
хранящимися в памяти компьютера, и выда ет управляющие электрические сигналы на электромагнитные клапаны форсунок и другие исполнительные устройства. Кроме того, ЭБУ постоянно проводит диагностику
Рис. 2.65. Схема системы распределенного впрыска топлива Motronic: 1 - подача топ лива; 2 - поступление воздуха; 3 - дрос сельная заслонка; 4 - впускной трубопро вод; 5 - форсунки; 6 - двигатель
Системы впрыска топлива и при возникно вении неполадок в работе предупреждает водителя с помощью контрольной лампы, установленной в щитке приборов. Серьез ные неполадки записываются в памяти бло ка управления и могут быть считаны при проведении диагностики.
Система питания с распределенным впрыском имеет следующие составные части:
Система подачи и очистки топлива;
Система подачи и очистки воздуха;
Система улавливания и сжигания паров бензина;
Электронная часть с набором датчиков;
Система выпуска и дожигания отработав ших газов.
Система подачи топлива состоит из топ ливного бака, электрического бензонасоса, топливного фильтра, трубопроводов и топ ливной рампы, на которой установлены форсунки и регулятор давления топлива.
Рис. 2.66. Погружной электрический топливный насос; а - топливозаборник с насо сом; б - внешний вид насоса и насосная секция роторного типа топливного насоса с электрическим приводом; в - шестеренчатая; г - роликовая; д - пластинчатая; е - схема работы насосной секции роторного типа: 1 - корпус; 2 - зона всасывания; 3 - ротор; 4 - зона нагнетания; 5 - направление вращения
Рис. 2.67. Топливная рампа пятицилиндрового двигателя с установленными на ней форсунками, регулятором давления и штуцером для контроля давления
Электробензонасос (обычно роликовый) может устанавливаться как внутри бензобака (рис. 2.66), так и снаружи. Бензонасос включается с помощью электромагнитного реле. Бен зин засасывается насосом из бака и одновременно омывает и охлаждает электродвигатель насоса. На выходе из насоса имеется обратный клапан, который не позволяет топливу выте кать из напорной магистрали при выключенном бензонасосе. Для ограничения давления служит предохранительный клапан.
Поступающее от бензонасоса топливо, под давлением не менее 280 кПа проходит через топливный фильтр тонкой очистки и поступает к топливной рампе. Фильтр имеет металлический корпус, заполненный бумажным фильтрующим элементом.
Рампа (рис.2.67) представляет собой полую конструкцию, к которой крепятся форсунки и регулятор давления. Рампа крепится болтами к впускному трубопроводу двигателя. На рампе также устанавливается штуцер, который служит для контроля давления топлива. Штуцер закрыт резьбовой пробкой для предохранения от загрязнения.
Форсунка
(рис. 2.68) имеет металличес кий корпус, внутри которого расположен электромагнитный клапан, состоящий из электрической обмотки, стального сер дечника, пружины и запорной иглы. В верхней части форсунки расположен не большой сетчатый фильтр, предохраняю щий распылитель форсунки (имеющий очень маленькие отверстия) от загрязне ния. Резиновые кольца обеспечивают не обходимое уплотнение между рампой, форсункой и посадочным местом во впуск ном трубопроводе. Фиксация форсунки
на рампе осуществляется с помощью спе циального зажима. На корпусе форсунки имеются электрические контакты для под-
Рис. 2.68. Электромагнитные форсунки бензинового двигателя: слева - GM, справа - Bosch
Рис. 2.69. Регулятор давления топлива: 1 - корпус; 2 - крышка; 3 - патрубок для вакуумного шланга; 4 - мембрана; 5 - кла пан; А - топливная полость; Б - вакуумная полость
Рис. 2.70. Пластмассовый впускной тру бопровод с ресивером и дроссельным патрубком
ключения электрического разъема. Регулирование количества топлива, впрыскиваемого форсункой, осуществляется изменением длины электрического импульса, подаваемого на контакты форсунки.
Регулятор давления топлива (рис. 2.69) служит для изменения давления в рампе, в за висимости от разрежения во впускном трубопроводе. В стальном корпусе регулятора распо ложен подпружиненный игольчатый клапан, соединенный с диафрагмой. На диафрагму, с од ной стороны воздействует давление топлива в рампе, а с другой разрежение во впускном трубопроводе. При увеличении разрежения, во время прикрытия дроссельной заслонки, клапан открывается, излишки топлива сливаются по сливному трубопроводу обратно в бак, а давление в рампе уменьшается.
В последнее время появились системы впрыска, в которых отсутствует регулятор давле ния топлива. Например, на рампе двигателя V8 автомобиля New Range Rover нет регулятора давления, и состав горючей смеси обеспечивается только работой форсунок, получающих сигналы от электронного блока.
Система подачи и очистки воздуха состоит из воздушного фильтра со сменным фильт рующим элементом, дроссельного патрубка с заслонкой и регулятором холостого хода, реси вера и выпускного трубопровода (рис. 2.70).
Ресивер должен иметь достаточно большой объем, для того чтобы сглаживались пульса ции поступающего в цилиндры двигателя воздуха.
Дроссельный патрубок закреплен на ресивере и служит для изменения количества воз духа, поступающего в цилиндры двигателя. Изменение количества воздуха осуществляется с помощью дроссельной заслонки, поворачиваемой в корпусе с помощью тросового приво да от педали «газа». На дроссельном патрубке установлены датчик положения дроссельной заслонки и регулятор холостого хода. В дроссельном патрубке имеются отверстия для забо ра разрежения, которое используется системой улавливания паров бензина.
В последнее время конструкторы систем впрыска начинают применять электропривод управления, когда между педалью «газа» и дроссельной заслонкой нет механической связи (рис. 2.71). В таких конструкциях на педали «газа» устанавливаются датчики ее положения, а дроссельная заслонка поворачивается шаговым электродвигателем с редуктором. Элект родвигатель поворачивает заслонку по сигналам компьютера, управляющего работой дви гателя. В таких конструкциях не только обеспечивается четкое выполнение команд водителя, но и имеется возможность влиять на работу двигателя, исправляя ошибки водителя, дейст вием электронных систем поддержания устойчивости автомобиля и других современных электронных систем обеспечения безопасности.
Рис. 2.71. Дроссельная заслонка с элект- Рис. 2.72. Индуктивные датчики положе- рическим приводом обеспечивает воз- ния коленчатого и распределительного можность управления двигателем по про- валов
Водам
Датчик положения дроссельной заслонки представляет собой потенциометр, ползунок которого соединен с осью дроссельной заслонки. При повороте дросселя, изменяется электри ческое сопротивление датчика и напряжение его питания, которое является выходным сигна лом для ЭБУ. В системах электропривода управления дроссельной заслонкой используется не меньше двух датчиков, чтобы компьютер мог определять направления перемещения заслонки.
Регулятор холостого хода служит для регулировки оборотов коленчатого вала двигателя на холостом ходу путем изменения количества воздуха, проходящего в обход закрытой дроссель ной заслонки. Регулятор состоит из шагового электродвигателя, управляемого ЭБУ, и конусного клапана. В современных системах, имеющих более мощные компьютеры управления работой двигателя, обходятся без регуляторов холостого хода. Компьютер, анализируя сигналы от много численных датчиков, управляет длительностью поступающих к форсункам импульсов электри ческого тока и работой двигателя на всех режимах, в том числе и на холостом ходу.
Между воздушным фильтром и патрубком впускного трубопровода устанавливается дат чик массового расхода топлива. Датчик изменяет частоту электрического сигнала, посту пающего к ЭБУ, в зависимости от количества воздуха, проходящего через патрубок. От этого датчика поступает к ЭБУ и электрический сигнал, соответствующий температуре поступаю щего воздуха. В первых системах электронного впрыска использовались датчики, оценива ющие объем поступающего воздуха. Во впускном патрубке устанавливалась заслонка, которая отклонялась на разную величину в зависимости от напора поступающего воздуха. С заслон кой был связан потенциометр, который изменял сопротивление в зависимости от величины поворота заслонки. Современные датчики массового расхода воздуха работают, используя принцип изменения электрического сопротивления нагретой проволоки или токопроводя- щей пленки при охлаждении ее поступающим потоком воздуха. Управляющий компьютер, получающий также сигналы от датчика температуры поступающего воздуха, может опреде лить массу поступившего в двигатель воздуха.
Для корректного управления работой системы распределенного впрыска электронному бло ку требуются сигналы и от других датчиков. К последним относятся: датчик температуры охлажда ющей жидкости, датчик положения и частоты вращения коленчатого вала, датчик скорости авто мобиля, датчик детонации, датчик концентрации кислорода (устанавливается в приемной трубе системы выпуска отработавших газов в варианте системы впрыска с обратной связью).
В качестве температурных датчиков в настоящее время в основном используются полупровод ники, изменяющие электрическое сопротивление при изменении температуры. Датчики положе ния и скорости вращения коленчатого вала обычно выполняются индуктивного типа (рис. 2.72). Они выдают импульсы электрического тока при вращении маховика с метками на нем.
Рис. 2.73. Схема работы адсорбера: 1 - всасываемый воздух; 2 - дроссельная заслонка; 3 - впускной коллектор двигателя; 4 - клапан продувки сосуда с активированным углем; 5 - сигнал от ECU; 6 - сосуд с активированным углем; 7 - окружающий воздух; 8 - топ ливные пары в топливном баке
Система питания с распределенным впрыском может быть последовательной или парал лельной. В параллельной системе впрыска, в зависимости от числа цилиндров двигателя, одновременно срабатывают несколько форсунок. В системе с последовательным впрыском в нужный момент времени срабатывает только одна, конкретная форсунка. Во втором слу чае ЭБУ должен получать информацию о моменте нахождения каждого поршня вблизи ВМТ в такте впуска. Для этого требуется не только датчик положения коленчатого вала, но и дат чик положения распределительного вала. На современных автомобилях, как правило, уста навливаются двигатели с последовательным впрыском.
Для улавливания паров бензина, который испаряется из топливного бака, во всех сис темах впрыска используются специальные адсорберы с активированным углем (рис. 2.73). Активированный уголь, находящийся в специальной емкости, соединенной трубопроводом с топливным баком, хорошо поглощает пары бензина. Для удаления бензина из адсорбера последний продувается воздухом и соединяется с впускным трубопроводом двигателя, Для того
чтобы работа двигателя при этом не нарушалась, продувка производится только на опреде ленных режимах работы двигателя, с помо щью специальных клапанов, которые откры ваются и закрываются по команде ЭБУ.
В системах впрыска с обратной связью ис пользуются датчики концентрации кислоро да в отработавших газах, которые устанавли ваются в выпускной системе с каталитиче ским нейтрализатором отработавших газов.
Каталитический нейтрализатор (рис. 2.74;
Рис. 2.74. Двухслойный трехкомпонент- ный каталитический нейтрализатор отра ботавших газов: 1 - датчик концентрации кислорода для замкнутого контура управления; 2 - монолитный блок-носитель; 3 - мон тажный элемент в виде проволочной сетки; 4 - двухоболочковая теплоизоляция нейт рализатора
2.75) устанавливается в выпускной системе для уменьшения содержания вредных веществ в отработавших газах. Нейтрали затор содержит один восстановительный (родий) и два окислительных (платина и пал ладий) катализатора. Окислительные ката лизаторы способствуют окислению несго- ревших углеводородов (СН) в водяной пар,
Рис. 2.75. Внешний вид нейтрализатора
а окиси углерода (СО) в углекислый газ. Вос становительный катализатор восстанавли вает вредные оксиды азота NOx в безвредный азот. Так как эти нейтрализаторы снижают в отработавших газах содержание трех вред ных веществ, они называются трехкомпо- нентными.
Работа автомобильного двигателя на этилированном бензине приводит к выходу из строя дорогостоящего каталитического нейтрализатора. Поэтому в большинстве стран использование этилированного бен зина запрещено.
Трехкомпонентный каталитический нейт рализатор работает наиболее эффективно, если в двигатель подается смесь стехиомет- рического состава, т. е. при соотношении воздуха и топлива как 14,7:1 или коэффици енте избытка воздуха, равном единице. Ес ли воздуха в смеси слишком мало (т. е. мало кислорода), тогда СН и СО не полностью окислятся (сгорят) до безопасного побочного продукта. Если же воздуха слишком много, то не может быть обеспечено разложение N0X на кислород и азот. Поэтому появилось новое поколение двигателей, в которых со став смеси регулировался постоянно для получения точного соответствия коэффици ента избытка воздуха сс=1 с помощью дат чика концентрации кислорода (лямбда-зон да) (рис. 2.77), встраиваемого в выпускную систему.
Рис. 2.76. Зависимость эффективности действия нейтрализатора от коэффици ента избытка воздуха
Рис. 2.77. Устройство датчика концентра ции кислорода: 1 - уплотнительное коль цо; 2 - металлический корпус с резьбой и шестигранником «под ключ»; 3 - керамичес кий изолятор; 4 - провода; 5 - уплотнитель- ная манжета проводов; 6 - токоподводя- щий контакт провода питания нагревателя; 7 - наружный защитный экран с отверсти ем для атмосферного воздуха; 8 - токо съемник электрического сигнала; 9 - элек трический нагреватель; 10 - керамический наконечник; 11 - защитный экран с отвер стием для отработавших газов
Этот датчик определяет количество кислорода в отработавших газах, а его электрический сигнал использует ЭБУ, который соответственно изменяет количество впрыскиваемого топ лива. Принцип действия датчика заключается в способности пропускать через себя ионы ки слорода. Если содержание кислорода на активных поверхностях датчика (одна из которой контактирует с атмосферой, а другая с отработавшими газами) значительно отличается, про исходит резкое изменение напряжения на выводах датчика. Иногда устанавливают два дат чика концентрации кислорода: один - до нейтрализатора, а другой - после.
Для того чтобы катализатор и датчик концентрации кислорода могли эффективно работать, они должны быть прогреты до определенной температуры. Минимальная температура, при ко торой задерживается 90 % вредных веществ, составляет порядка 300 «С. Необходимо также избегать перегрева нейтрализатора, поскольку это может привести к повреждению наполни теля и частично блокировать проход для газов. Если двигатель начинает работать с перебоя ми, то несгоревшее топливо догорает в катализаторе, резко увеличивая его температуру. Ино гда может быть достаточно нескольких минут работы двигателя с перебоями, чтобы полностью повредить нейтрализатор. Вот почему электронные системы современных двигателей должны выявлять пропуски в работе и предотвращать их, а также предупреждать водителя о серьезно сти этой проблемы. Иногда для ускорения прогрева каталитического нейтрализатора после пу ска холодного двигателя применяют электрические нагреватели. Датчики концентрации кисло рода, применяющиеся в настоящее время, практически все имеют нагревательные элементы. В современных двигателях, с целью ограничения выбросов вредных веществ в атмосфе
ру во время прогрева двигателя, предварительные каталитические найтрализаторы устана вливают максимально близко к выпускному коллектору (рис. 2.78), чтобы обеспечить быст рый прогрев нейтрализатора до рабочей температуры. Кислородные датчики установлены до и после нейтрализатора.
Для улучшения экологических показателей работы двигателя необходимо не только со вершенствовать нейтрализаторы отработавших газов, но и улучшать процессы, протекаю щие в двигателе. Содержание углеводородов стало возможным снизить за счет уменьшения
«щелевых объемов», таких как зазор между поршнем и стенкой цилиндра над верхним ком прессионным кольцом и полостей вокруг седел клапанов.
Тщательное исследование потоков горючей смеси внутри цилиндра с помощью компью терной техники дало возможность обеспечить более полное сгорание и низкий уровень СО. Уровень NOx был уменьшен с помощью системы рециркуляции отработавших газов путем за бора части газа из выпускной системы и подачи его в поток воздуха на впуске. Эти меры и быстрый, точный контроль за работой двигателя на переходных режимах могут свести вредные выбросы к минимуму еще до катализатора. Для ускорения прогрева каталитическо го нейтрализатора и выхода его на рабочий режим используется также способ вторичной по дачи воздуха в выпускной коллектор с помощью специального электроприводного насоса.
Другим эффективным и распростра ненным способом нейтрализации вредных продуктов в отработавших газах является пламенное дожигание, которое основано на способности горючих составляющих отработавших газов (СО, СН, альдегиды) окисляться при высоких температурах. Отработавшие газы поступают в камеру дожигателя, имеющую эжектор, через ко торый поступает нагретый воздух из теп лообменника. Горение происходит в камере,
Рис. 2.78. Выпускной коллектор двигателя а для воспламенения служит запальная
с предварительным нейтрализатором свеча.
НЕПОСРЕДСТВЕННЫЙ ВПРЫСК БЕНЗИНА
Первые системы впрыска бензина непосредственно в цилиндры двигателя появились еще в первой половине XX в. и использовались на авиационных двигателях. Попытки применения непосредственного впрыска в бензиновых двигателях автомобилей были прекращены в 40-е годы XIX в., потому что такие двигатели получались дорогостоящи ми, неэкономичными и сильно дымили на режимах большой мощности. Впрыскивание бензина непосредственно в цилиндры связано с определенными трудностями. Форсун ки для непосредственного впрыска бензина работают в более сложных условиях, чем те, что установлены во впускном трубопроводе. Головка блока, в которую должны уста навливаться такие форсунки, получается более сложной и дорогой. Время, отводимое на процесс смесеобразования при непосредственном впрыске, существенно уменьша ется, а значит, для хорошего смесеобразования необходимо подавать бензин под боль шим давлением.
Со всеми этими трудностями удалось справиться специалистам компании Mitsubishi, ко торая впервые применила систему непосредственного впрыска бензина на автомобильных двигателях. Первый серийный автомобиль Mitsubishi Galant с двигателем 1,8 GDI (Gasoline Direct Injection - непосредственный впрыск бензина) появился в 1996 г. (рис. 2.81). Сейчас двигатели с непосредственным впрыском бензина выпускают Peugeot-Citroen, Renault, Toyota, DaimlerChrysler и другие производители (рис. 2.79; 2.80; 2.84).
Преимущества системы непосредственного впрыска заключаются в основном в улуч шении топливной экономичности, а также и некоторого повышения мощности. Первое объясняется способностью двигателя с системой непосредственного впрыска работать
Рис. 2.79. Схема двигателя Volkswagen FSI с непосредственным впрыском бензина
Рис. 2.80. В 2000 г. компания PSA Peugeot-Citroen представила свой двухлитровый че тырехцилиндровый двигатель HPI с непосредственным впрыском бензина, который мог работать на бедных смесях
на очень бедных смесях. Повышение мощности обусловлено в основном тем, что орга низация процесса подачи топлива в цилиндры двигателя позволяет повысить степень сжатия до 12,5 (в обычных двигателях, работающих на бензине, редко удается устано вить степень сжатия свыше 10 из-за наступления детонации).
В двигателе GDI топливный насос обеспечивает давление 5 МПа. Электро магнитная форсунка, установленная в го ловке блока цилиндров,впрыскивает бен зин непосредственно в цилиндр двигателя и может работать в двух режимах. В зави симости от подаваемого электрического сигнала она может впрыскивать топливо или мощным коническим факелом, или компактной струей (рис. 2.82). Днище поршня имеет специальную форму в виде сферической выемки (рис. 2.83). Такая форма позволяет закрутить поступающий воздух, направить впрыскиваемое топли во к свече зажигания, установленной по центру камеры сгорания. Впускной трубо провод расположен не сбоку, а вертикаль
Рис. 2.81. Двигатель Mitsubishi GDI - пер вый серийный двигатель с системой не посредственного впрыска бензина
но сверху. Он не имеет резких изгибов, и поэтому воздух поступает с высокой ско ростью.
Рис. 2.82. Форсунка двигателя GDI может работать в двух режимах, обеспечивая мощ ный (а) или компактный (б) факел распыленного бензина
В работе двигателя с системой непосредственного впрыска можно выделить три различ ных режима:
1) режим работы на сверхбедных смесях;
2) режим работы на стехиометрической смеси;
3) режим резких ускорений с малых оборотов;
Первый режим используется в том случае, когда автомобиль движется без резких уско рений со скоростью порядка 100-120 км/ч. На этом режиме используется очень бедная горючая смесь с коэффициентом избытка воздуха более 2,7. В обычных условиях такая смесь не может воспламениться от искры, поэтому форсунка впрыскивает топливо ком пактным факелом в конце такта сжатия (как в дизеле). Сферическая выемка в поршне на правляет струю топлива к электродам свечи зажигания, где высокая концентрация паров бензина обеспечивает возможность воспламенения смеси.
Второй режим используется при движении автомобиля с высокой скоростью и при резких ускорениях, когда необходимо получить высокую мощность. Такой режим движе ния требует стехиометрического состава смеси. Смесь такого состава легко воспламеня ется, но у двигателя GDI повышена степень
сжатия, и для того чтобы не наступала де тонация, форсунка впрыскивает топливо мощным факелом. Мелко распыленное то пливо заполняет цилиндр и, испаряясь, ох лаждает поверхности цилиндра, снижая вероятность появления детонации.
Третий режим необходим для получения большого крутящего момента при резком нажатии педали «газа», когда двигатель ра
ботает на малых оборотах. Этот режим рабо ты двигателя отличается тем, что в течение одного цикла форсунка срабатывает два раза. Во время такта впуска в цилиндр для
Рис. 2.83. Поршень двигателя с непосред ственным впрыском бензина имеет спе циальную форму (процесс сгорания над поршнем)
4. Заказ № 1031.97
Рис. 2.84. Конструктивные особенности двигателя с непосредственным впрыском бен зина Audi 2.0 FSI
его охлаждения мощным факелом впрыскивается сверхбедная смесь (а=4,1). В конце такта сжатия форсунка еще раз впрыскивает топливо, но компактным факелом. При этом смесь в цилиндре обогащается и детонация не наступает.
По сравнению с обычным двигателем с системой питания с распределенным впры ском бензина, двигатель с системой GDI примерно на 10 % экономичнее и выбрасыва ет в атмосферу на 20 % меньше углекислого газа. Повышение мощности двигателя доходит до 10 %. Однако, как показала эксплуатация автомобилей с двигателями тако го типа, они очень чувствительны к содержанию серы в бензине.
Оригинальный процесс непосредственного впрыска бензина разработала компания Orbital. В этом процессе в цилиндры двигателя впрыскивается бензин, заранее смешанный с воздухом с помощью специальной форсунки. Форсунка компании Orbital состоит из двух жиклеров, топливного и воздушного.
Рис. 2.85. Работа форсунки Orbital
Воздух к воздушным жиклерам поступает в сжатом виде от специального компрессора при давлении 0,65 МПа. Давление топлива составляет 0,8 МПа. Сначала срабатывает топ ливный жиклер, а затем в нужный момент и воздушный, поэтому в цилиндр, мощным факе лом впрыскивается топливно-воздушная смесь в виде аэрозоля (рис. 2.85).
Форсунка, установленная в головке цилиндра рядом со свечой зажигания, впрыскивает топливно-воздушную струю непосредственно на электроды свечи зажигания, что обеспечи вает ее хорошее воспламенение.
