Инжекторная система подачи топлива

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 сильно обедненной 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 топливом, чему менее подвержены селективные. В соответствии с этим, накопительные катализаторы устанавливаются 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.

Устройство системы непосредственного впрыска топлива

Конструкция системы непосредственного впрыска топлива рассмотрена на примере системы, устанавливаемой на двигатели FSI (Fuel Stratified Injection – послойный впрыск топлива). Система непосредственного впрыска составляет контур высокого давления топливной системы двигателя и включает топливный насос высокого давления, регулятор давления топлива, топливную рампу, предохранительный клапан, датчик высокого давления и форсунки впрыска.

Топливный насос высокого давления служит для подачи топлива к топливной рампе и далее к форсункам впрыска под высоким давлениям (3-11 МПА) в соответствии с потребностями двигателя. Основу конструкции насоса составляет один или несколько плунжеров. Насос приводится в действие от распределительного вала впускных клапанов.

Регулятор давления топлива обеспечивает дозированную подачу топлива насосом в соответствии с впрыском форсунки. Регулятор расположен в топливном насосе высокого давления. Топливная рампа служит для распределения топлива по форсункам впрыска и предотвращения пульсации топлива в контуре. Предохранительный клапан защищает элементы системы впрыска от предельных давлений, возникающих при температурном расширении топлива. Клапан устанавливается на топливной рампе.

Схема системы непосредственного впрыска на примере системы Motronic MED7. 1.топливный бак; 2. топливный насос; 3.топливный фильтр; 4. перепускной клапан; 5. регулятор давления топлива; 6. топливный насос высокого давления; 7. трубопровод высокого давления; 8. распределительный трубопровод; 9. датчик высокого давления; 10. предохранительный клапан; 11. форсунки впрыска; 12. адсорбер; 13. электромагнитный запорный клапан продувки адсорбера.

Датчик высокого давления предназначен для измерения давления в топливной рампе. В соответствии с сигналами датчика блок управления двигателем может изменять давление в топливной рампе. Форсунка впрыска обеспечивает распыление топлива в камере сгорания для образования топливно-воздушной смеси.

Согласованную работу системы обеспечивает электронная система управления двигателем, которая является дальнейшим развитием объединенной системы впрыска и зажигания. Традиционно система управления двигателем объединяет входные датчики, блок управления и исполнительные механизмы.

Помимо датчика высокого давления топлива в интересах системы непосредственного впрыска работают датчик частоты вращения коленчатого вала, датчик положения распределительного вала, датчик положения педали акселератора, расходомер воздуха, датчик температуры охлаждающей жидкости, датчик температуры воздуха на впуске.

В совокупности датчики обеспечивают необходимой информацией блок управления двигателем, на основании которой блок воздействует на исполнительные механизмы – электромагнитные клапаны форсунок, предохранительный и перепускной клапаны.

Принцип работы инжекторного двигателя

Итак, после того, как мы разобрались в основных узлах инжекторного двигателя, посмотрим, как же он работает. После того как стартер провернул коленчатый вал, ДПКВ сообщил блоку управления, какой цилиндр в каком положении находится. В свою очередь, датчик фаз сообщил о тактах. Блок управления принял эту информацию к сведению и открыл форсунку в том цилиндре, в котором начинается такт впуска. Но открыл ее не просто так, а на строго определенный промежуток времени, который по таблицам соответствует показаниям ДМРВ или ДАД. Так сформировалась рабочая смесь.

Видео: как работает бензиновый инжекторный двигатель внутреннего сгорания

//www.youtube.com/embed/a4amlYFodZs?rel=1&wmode=transparent

После того как здесь такт впуска закончился, начинается сжатие, в это время впуск происходит в другом цилиндре. Здесь же поршень доходит до верхней мертвой точки, о чем говорит ДПКВ и ДФ, соответственно, пора подавать напряжение на модуль зажигания, в нужный цилиндр. Для этого в блоке управления стоит два транзистора, которые берут на себя по два цилиндра.

Дальше, когда взрыв произошел, ЭБУ смотрит на показания датчик детонации и корректирует момент зажигания уже для следующего по ходу цилиндра. Но это еще не все. После этого, когда газы дошли до датчика кислорода, блок управления корректирует состав смеси, а именно, время открывания форсунки, что позволяет максимально эффективно использовать топливо и его сгорание. Если ЭБУ распознает недостаток кислорода, но при этом дроссельная заслонка остается открытой, то приоткрывается регулятор холостого хода.

Прогрев двигателя и датчик температуры двигателя

Этот момент стоит рассмотреть отдельно, скажем так, это небольшое уточнение. Итак, прогревочный режим двигателя никак не связан с показаниями некоторых датчиков, то есть, от них ничего не зависит. В частности, это ДМРВ и ДАД, а так же датчик детонации. В блоке, как уже говорилось, заложены определенные таблицы, их очень много, миллионы. Так вот, во время прогревочного режима ЭБУ работает строго по этим таблицам и никак иначе. Это значит, что если в него прописано соотношение воздуха к топливу 14,1:1, то так оно и будет. Эта цифра является общепринятой нормой для рабочей температуры. Так вот, пока температура двигателя не достигнет той, которая прописана в прошивке блока управления, то прогревочный режим не отключится. После ЭБУ начинает работать по датчикам.

Принцип работы инжектора

Бак является емкостью для бензина, где он хранится и подается в систему. Электробензонасос располагается в баке, то есть забор топлива производится непосредственно им, причем этот элемент обеспечивает подачу топлива под давлением.

Далее в систему установлен топливный фильтр, обеспечивающий очистку бензина от сторонних примесей. Поскольку бензин находится под давлением, то передвигается он по топливопроводу высокого давления.

Для предотвращения превышения давления, в систему входит регулятор давления. От фильтра, через него по топливопроводам бензин движется в топливную рампу, соединенной со всеми форсунками. Сами же форсунки устанавливаются во впускном коллекторе, недалеко от клапанных узлов цилиндров.

Раньше форсунки были полностью механическими, и срабатывали они от давления топлива. При достижении определенного значения давления топливо, преодолевая усилие пружины форсунки, открывало клапан подачи и впрыскивалось через распылитель.

Современная форсунка – электромагнитная. В ее основе лежит обычный соленоид, то есть проволочная обмотка и якорь. При подаче электрического импульса, который поступает от ЭБУ, в обмотке образуется магнитное поле, воздействующее на сердечник, заставляя его переместиться, преодолев усилие пружины, и открыть канал подачи. А поскольку бензин подается в форсунку под давлением, то через открывшийся канал и распылитель бензин поступает в коллектор.

С другой стороны через воздушный фильтр в систему засасывается воздух. В патрубке, по котором движется воздух, установлен дроссельный узел с заслонкой. Именно на эту заслонку и воздействует водитель, нажимая на педаль акселератора. При этом он просто регулирует количество воздуха, подаваемого в цилиндры, а вот на дозировку топлива водитель вообще никакого воздействия не имеет.

Электронная составляющая

Основным элементом электронной части инжекторной системы подачи топлива является электронный блок, состоящий из контролера и блока памяти. В конструкцию также входит большое количество датчиков, на основе показаний которых ЭБУ выполняет управление системой.

Для своей работы ЭБУ использует показания датчиков:

Лямбда-зонд . Это датчик, который определяет остатки несгоревшего воздуха в выхлопных газах. На основе показаний лямбда-зонда ЭБУ оценивает как соблюдается смесеобразование в необходимых пропорциях. Устанавливается в выпускной системе авто.
Датчик массового расхода воздуха (аббр. ДМРВ). Этим датчиком определяется количество проходящего через дроссельный узел воздуха при всасывании его цилиндрами. Расположен в корпусе воздушного фильтрующего элемента;
Датчик положения дроссельной заслонки (аббр. ДПДЗ). Этот датчик подает сигнал о положении педали акселератора. Установлен в дроссельном узле;
Датчик температуры силовой установки. На основе показаний этого элемента регулируется состав смеси в зависимости от температуры мотора. Располагается возле термостата;
Датчик положения коленчатого вала (аббр. ДПКВ). На основе показаний этого датчика определяется цилиндр, в который необходимо подать порцию топлива, время подачи бензина, и искрообразование. Установлен возле шкива коленчатого вала;
Датчик детонации. Необходим для выявления образования детонационного сгорания и принятия мер для его устранения. Расположен на блоке цилиндров;
Датчик скорости. Нужен для создания импульсов, по которым высчитывается скорость движения авто. На основе его показаний делается корректировка топливной смеси. Установлен на коробке передач;
Датчик фаз. Он предназначен для определения углового положения распредвала. На некоторых автомобилях может отсутствовать. При наличии этого датчика в двигателе выполняется фазированный впрыск, то есть, импульс на открытие поступает только для конкретной форсунки. Если этого датчика нет, то форсунки работают в парном режиме, когда сигнал на открытие подается сразу на две форсунки. Установлен в головке блока.

Устройство инжектора

Впервые инжектор был разработан в 1951 году компанией Bosch. Этой технологией был оснащен автомобиль Goliath 700 с двухтактным мотором. Через три года она была установлена в Мерседес 300 SL.

Так как данная топливная система была диковинкой и стоила очень дорого, производители автомобилей не решались ее внедрять в линейку силовых агрегатов. С ужесточением экологических норм после всемирного топливного кризиса все бренды были вынуждены рассмотреть возможность оснащать свои транспортные средства такой системой. Разработка оказалась настолько успешной, что на сегодняшний день инжектором оснащаются все авто по умолчанию.

Конструкция самой системы и принцип ее работы уже известны. Что же касается самого распылителя, то в его устройство входят такие элементы:

Резиновый уплотнитель, который не позволяет воздуху попадать в контур магистрали на месте подсоединения топливной ячейки;
Фильтр тонкой очистки предотвращает засорение отверстия распылителя;
Коннектор для подключения проводов;
Электромагнит – приводит в движение иглу;
Обмотка электромагнита активирует перемещение самого магнита;
Пружина, которая возвращает поднятую иглу на свое место;
Резиновый уплотнитель, который не дает возможности воздуху поступать между впускным коллектором и стенками форсунки;
Игла – выполняет функцию клапана, через который осуществляется впрыск топлива;
Модели, которые используются в системах непосредственного впрыска, имеют дополнительный защитный кожух. Он предотвращает перегрев корпуса при воспламенении ВТС.

Также форсунки между собой отличаются принципом распыления топлива. Вот их основные параметры.

Электромагнитная форсунка

Большинство бензиновых моторов оснащаются именно такими форсунками. В таких элементах имеется электомагнитный клапан с иглой и соплом. Во время работы устройства на обмотку магнита поступает напряжение.

Управление частотой импульсов производится блоком управления. Когда на обмотку поступает ток, в ней образуется магнитное поле соответствующей полярности, благодаря чему якорь клапана перемещается, а вместе с ним и поднимается игла. Как только напряжение в обмотке пропадает, пружина перемещает иглу на ее место. Благодаря большому давлению топлива возврат запорного механизма облегчается.

Электрогидравлическая форсунка

Такой тип распылителей используется в дизелях (в том числе в модификации топливной рейки Common Rail). В конструкции распылителя также имеется электромагнитный клапан, только форсунка имеет заслонки (впускную и сливную). При обесточенном электромагните игла стоит на своем месте и прижимается к седлу за счет давления топлива.

Когда эбу подает сигнал на сливной дроссель, в топливную магистраль поступает дизтопливо. Давление на поршень становится меньше, но на иглу оно не уменьшается. Благодаря такой разнице игла поднимается и через отверстие солярка поступает в цилиндр под большим напором.

Пьезоэлектрическая форсунка

Это самая последняя разработка в области инжекторных систем. В основном она используется в дизельных двигателях. Одно из достоинств такой модификации по сравнению с первой – она срабатывает в четыре раза быстрее. Помимо этого дозировка в таких устройствах обеспечивается более точная.

В устройство такой форсунки также входит клапан и игла, но еще и пьезоэлемент с толкателем. Работает распылитель по принципу разницы давления, как в случае с электрогидравлическим аналогом. Единственным отличием является пьезокристалл, который меняет свою длину под напряжением. Когда на него воздействует электрический импульс, его длина становится больше.

Кристалл воздействует на толкатель. Это перемещает клапан в открытое состояние. Топливо поступает в магистраль и образуется разница давления, благодаря чему игла открывает отверстие для распыления солярки.

Виды систем впрыска бензиновых двигателей

Впрыск может быть:

центральным (ДВС с карбюраторами, наддроссельный впрыск),
распределённый или коллекторный (осуществляется отдельной форсункой в каждый цилиндр двигателя),
непосредственный (осуществляется напрямую в камеры сгорания, отдельными форсунками), встречается в разных вариациях, характерен для современных автомобилей.

Варианты топливных систем бензиновых двигателей (R R. Bosch)

Решения с карбюраторами

Дольше всего человечество знакомо с подачей топлива посредством карбюратора. И не потому, что такие решения лучшие, а потому что они – первые. И множество лет – единственно доступные. Карбюратор был неотъемлемой частью топливной системы на около сотни лет. Нельзя сказать, что сейчас карбюраторы полностью исчезли из жизни, но на легковой и коммерческий транспорт карбюраторы ставить перестали. Их можно увидеть только на средствах механизации, которые применяются для садовых, строительных работ.
Автопром же перестал выпускать машины с карбюраторной системой еще в 90-е годы прошлого века.

Принцип их действия основан на принципе втягивания топлива в поток воздуха, проходящего через карбюратор. Всё это возможно за счет сужения воздушного канала и разрежения воздуха.

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

Как работает устройство?

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

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

Низкая экономичность, а соответственно, и низкий уровень топливной эффективности.
Проблемы при переменных режимах работы, обусловленные низкими динамическими качествами.
Прямая зависимость от положения двигателя.
Выброс в окружающую среду большого количества вредных веществ (несоответствие нормативам эмиссии газообразных вредных выбросов в атмосферу).

Особенности системы впрыска

Основным преимуществом системы впрыска считают точную дозировку топлива, необходимую для оптимальной работы двигателя в определенный момент и под определенной нагрузкой. Этого позволила добиться только электронная система управления. Старые инжекторные системы имели механическое управление и подавали бензин по средним потребностям мотора. Современный инжектор способен точно вычислить сколько топлива необходимо и в какой момент его нужно подать. Синхронизация системы питания с зажиганием позволяет оперативно менять как угол опережения подачи искры, так и момент подачи бензина, поэтому теоретически, инжекторные системы должны быть эффективнее и экономичнее карбюраторных.

Возможность установки системы на автомобиль

Автомобилистов интересует вопрос относительно возможности установки системы впрыска воды с метаном в двигатель своими руками. Возможность такая есть.

Существует множество самодельных схем по реализации водяной системы впрыска, где в ход идут такие приспособления как медицинские шприцы, капельницы и прочие фактически подручные средства. Их монтируют во впускной коллектор, располагая за заслонкой дросселя. Но самое интересное здесь то, что системы оказываются вполне рабочими и достаточно эффективными.

В итоге автовладелец получает некоторый прирост мощности и увеличение крутящего момента. Но за всеми этими преимуществами не стоит забывать о существовании одного весомого недостатка. Заключается он в том, что самодельные системы попросту заставляют заливать воду в больших объёмах внутрь коллектора. Жидкость при этом не распыляется. В итоге взвесь происходит неравномерное распределение по цилиндрам. То есть в одних цилиндрах будет смесь обеднённая, в других нормальная. А это прямой путь к неравномерной работе всего двигателя. Если количество воды превысит критические отметки, гидроудара будет практически не избежать.

Если вы готовы потратить на модернизацию больше денег, тогда есть смысл обратиться в специализированные тюнинг-ателье. Здесь продаются комплекты, куда входят:

бачок для смеси воды со спиртом;
насос высокого давления (выдаёт от 5 до 10 бар);
электронный блок управления, отвечающий за работу насоса;
форсунки для впрыска жидкости.

Наиболее дорогостоящие системы предусматривают использование регулирующего клапана. Он контролирует давление и следит за объёмами воды, которые поступают в мотор.

Такая система работает по достаточно простому принципу. Блок управления подключается к автомобильному датчику, который отвечает на расход воздуха силового агрегата. Блок считывает и анализирует полученные параметры, определяет оптимальное количество воды и подаёт её путём передачи соответствующей команды исполнительному устройству. В данном случае это насос высокого давления.

Хотя система кажется предельно простой, не стоит забывать о некоторых возникающих сложностях. Водяной впрыск будет осуществляться только в условиях определённого режима работы силовой установкой. Зачастую такие системы функционируют, когда обороты двигателя преодолевают отметку в 3000 оборотов в минуту. Также дополнительное оборудование практически не будет контролировать подачу смеси воды со спиртом. Она только даёт команды, чтобы насос высокого давления включался или выключался. Единственным ограничителем количества поступающей воды становится только форсунка. Потому к её выбору следует подходить предельно внимательно.

Есть ещё один немаловажный момент. Пока управляющий блок передаёт команду насосу за включение, пока насос запустится и начнёт перекачивать жидкость, наблюдается определённая задержка по времени между отправкой сигнала на впрыск и непосредственно самим впрыском. От этого страдает вся система, поскольку снижается эффективность её работы на двигателе.

В итоге мнения относительно форсировки путём использования водяной смеси с метаном расходятся. Но можно сказать, что в настоящее время это достаточно дорогостоящее удовольствие, которое выглядит необычно и многих автомобилистов попросту пугает даже одним своим названием. Люди не могут понять, как это вода может повышать мощность.

Как вы поняли из всего рассмотренного ранее, система действительно работает и приносит определённые плоды. Но предела совершенству нет. Пока подобное форсирование воспринимают как некую экзотику, имеющую множество подводных камней и вопросов, остающихся без ответа.

Удастся ли как-то повысить эффективность, сделать систему доступнее и массово внедрить её в автопроизводство, говорить сложно. При нынешних альтернативных способах форсировки и повышения отдачи двигателей водяной впрыск не выглядит самым предпочтительным. Но ситуация может меняться с течением времени.

Нельзя исключать, что через несколько лет кто-то снова вспомнит про водяной впрыск, придумает новый способ применения системы и реализует её на своих автомобилях. И тогда все скажут, что вода действительно работает, и все захотят себе установить подобное решение. Но пока ситуация складывается не в пользу водяного впрыска.