Основные параметры впрыска топлива бензинового двигателя. Главные плюсы и минусы двигателей с непосредственным впрыском топлива

Система впрыска топлива применяется для дозированной подачи топлива в двигатель внутреннего сгорания в строго определенный момент времени. От характеристик данной системы зависит мощность, экономичность и экологический класс двигателя автомобиля. Системы впрыска могут иметь различную конструкцию и варианты исполнения, что характеризует их эффективность и сферу применения.

Краткая история появления

Инжекторная система подачи топлива начала активно внедряться в 70-х годах, явившись реакцией на возросший уровень выбросов загрязняющих веществ в атмосферу. Она была заимствована в авиастроении и являлась экологически более безопасной альтернативой карбюраторному двигателю. Последний был оснащен механической системой подачи топлива, при которой топливо поступало в камеру сгорания за счет разницы давлений.

Первая система впрыска была практически полностью механической и отличалась малой эффективностью. Причиной этого был недостаточный уровень технического прогресса, который не мог полностью раскрыть ее потенциал. Ситуация изменилась в конце 90-х годов с развитием электронных систем управления работой двигателя. Электронный блок управления стал контролировать количество впрыскиваемого топлива в цилиндры и процентное соотношение компонентов топливовоздушной смеси.

Виды систем впрыска бензиновых двигателей

Существует несколько основных видов систем впрыска топлива, которые отличаются способом образования топливовоздушной смеси.

Моновпрыск, или центральный впрыск

Схема работы системы моновпрыска

Схема с центральным впрыском предусматривает наличие одной форсунки, которая расположена во впускном коллекторе. Такие системы впрыска можно найти только на старых легковых автомобилях. Она состоит из следующих элементов:

• Регулятор давления — обеспечивает постоянную величину рабочего давления 0,1 МПа и предотвращает появление воздушных пробок в топливной системе.
• Форсунка впрыска — осуществляет импульсную подачу бензина во впускной коллектор двигателя.
• Дроссельная заслонка — выполняет регулирование объема подаваемого воздуха. Может иметь механический или электрический привод.
• Блок управления — состоит из микропроцессора и блока памяти, который содержит эталонные данные характеристики впрыска топлива.
• Датчики положения коленчатого вала двигателя, положения дроссельной заслонки, температуры и т.д.

Системы впрыска бензина с одной форсункой работают по следующей схеме:

• Двигатель запущен.
• Датчики считывают и передают информацию о состоянии системы в блок управления.
• Полученные данные сравниваются с эталонной характеристикой, и, на основе этой информации, блок управления рассчитывает момент и длительность открытия форсунки.
• На электромагнитную катушку направляется сигнал об открытии форсунки, что приводит к подаче топлива во впускной коллектор, где он смешивается с воздухом.
• Смесь топлива и воздуха подается в цилиндры.

Распределенный впрыск (MPI)

Система с распределенным впрыском состоит из аналогичных элементов, но в такой конструкции предусмотрены отдельные форсунки для каждого цилиндра, которые могут открываться одновременно, попарно или по одной. Смешение воздуха и бензина происходит также во впускном коллекторе, но, в отличие от моновпрыска, подача топлива осуществляется только во впускные тракты соответствующих цилиндров.

Схема работы системы с распределенным впрыском

Управление осуществляется электроникой (KE-Jetronic, L-Jetronic). Это универсальные системы впрыска топлива Bosch, получившие широкое распространение.

Принцип действия распределенного впрыска:

• В двигатель подается воздух.
• При помощи ряда датчиков определяется объем воздуха, его температура, скорость вращения коленчатого вала, а также параметры положения дроссельной заслонки.
• На основе полученных данных электронный блок управления определяет объем топлива, оптимальный для поступившего количества воздуха.
• Подается сигнал, и соответствующие форсунки открываются на требуемый промежуток времени.

Непосредственный впрыск топлива (GDI)

Система предусматривает подачу бензина отдельными форсунками напрямую в камеры сгорания каждого цилиндра под высоким давлением, куда одновременно подается воздух. Эта система впрыска обеспечивает наиболее точную концентрацию топливовоздушной смеси, независимо от режима работы мотора. При этом смесь сгорает практически полностью, благодаря чему уменьшается объем вредных выбросов в атмосферу.

Схема работы системы непосредственного впрыска

Такая система впрыска имеет сложную конструкцию и восприимчива к качеству топлива, что делает ее дорогостоящей в производстве и эксплуатации. Поскольку форсунки работают в более агрессивных условиях, для корректной работы такой системы необходимо обеспечение высокого давления топлива, которое должно быть не менее 5 МПа.

Конструктивно система непосредственного впрыска включает в себя:

• Топливный насос высокого давления.
• Регулятор давления топлива.
• Топливная рампа.
• Предохранительный клапан (установлен на топливной рампе для защиты элементов системы от повышения давления больше допустимого уровня).
• Датчик высокого давления.
• Форсунки.

Электронная система впрыска такого типа от компании Bosch получила наименование MED-Motronic. Принцип ее действия зависит от вида смесеобразования:

• Послойное — реализуется на малых и средних оборотах двигателя. Воздух подается в камеру сгорания на большой скорости. Топливо впрыскивается по направлению к свече зажигания и, смешиваясь на этом пути с воздухом, воспламеняется.
• Стехиометрическое. При нажатии на педаль газа происходит открытие дроссельной заслонки и осуществляется впрыск топлива одновременно с подачей воздуха, после чего смесь воспламеняется и полностью сгорает.
• Гомогенное. В цилиндрах провоцируется интенсивное движение воздуха, при этом на такте впуска происходит впрыск бензина.

Непосредственный впрыск топлива в бензиновом двигателе — наиболее перспективное направление в эволюции систем впрыска. Впервые он был реализован в 1996 году на легковых автомобилях Mitsubishi Galant, и сегодня его устанавливают на свои автомобили большинство крупнейших автопроизводителей.

Сейчас одной из основных задач перед конструкторскими бюро автопроизводителей является создание силовых установок, потребляющими как можно меньше топлива и выбрасывающих в атмосферу сниженное количество вредных веществ. При этом всего этого необходимо добиться с условием того, что влияние на рабочие параметры (мощность, крутящий момент) будет минимальным. То есть, необходимо сделать мотор экономичным, и в то же время мощным и тяговитым.

Для достижения результата переделкам и доработкам подвергаются практически все узлы и системы силового агрегата. Особенно это касается системы питания, ведь именно она отвечает за поступление топлива в цилиндры. Последней разработкой в данном направлении считается непосредственный впрыск топлива в камеры сгорания силовой установки, функционирующего на бензине.

Суть этой системы сводится к раздельной подаче компонентов горючей смеси – бензина и воздуха в цилиндры. То есть принцип ее функционирования очень похож на работу дизельных установок, где смесеобразование выполняется в камерах сгорания. Но у бензинового агрегата, на котором установлена система непосредственного впрыска, имеется ряд особенностей процесса закачки составляющих топливной смеси, его смешивания и сгорания.

Немного истории

Прямой впрыск – идея не новая, в истории имеется ряд примеров, где такая система использовалась. Первое массовое использование такого типа питания мотора было в авиации в средине прошлого века. Использовать ее пытались и на автотранспорте, однако широкого распространения она не получила. Систему тех годов можно рассматривать как некий прототип, поскольку она была полностью механической.

«Вторую жизнь» система непосредственного впрыска получила в средине 90-х годов 20 века. Первыми свои авто с установками, имеющими прямой впрыск, оснастили японцы. Разработанный в Mitsubishi агрегат получил обозначение GDI, которое является аббревиатурой «Gasoline Direct Injection», что обозначается как непосредственный впрыск топлива. Чуть позже Toyota создала свой мотор – D4.

Прямой впрыск топлива

Со временем моторы, в которых используется прямой впрыск, появились и у других производителей:

• Концерн VAG – TSI, FSI, TFSI;
• Mercedes-Benz – CGI;
• Ford – EcoBoost;
• GM – EcoTech;

Непосредственный впрыск не является отдельным, совершенно новым типом, и относится он к инжекторным системам подачи топлива. Но в отличие от предшественников, топливо у него впрыскивается под давлением сразу в цилиндры, а не как раньше – во впускной коллектор, где бензин перемешивался с воздухом перед подачей в камеры сгорания.

Конструктивные особенности и принцип работы

Прямой впрыск бензина по принципу очень схож с дизелем. В конструкции такой системы питания имеется дополнительный насос, после которого бензин уже под давлением поступает на форсунки, установленные в ГБЦ с распылителями, находящимися в камере сгорания. В требуемый момент форсунка подает топливо в цилиндр, куда через впускной коллектор уже закачан воздух.

Конструкция данной системы питания включает:

• бак с установленным в нем топливоподкачивающим насосом;
• магистрали низкого давления;
• фильтрующие элементы очистки топлива;
• насос, создающий повышенное давление с установленным регулятором (ТНВД);
• магистрали высокого давления;
• рампа с форсунками;
• перепускной и предохранительный клапаны.

Схема топливной системы с непосредственный впрыском

Назначение части элементов, такие как бак с насосом и фильтра описаны в других статьях. Поэтому рассмотрим назначение ряда узлов, использующихся только в системе прямого впрыска.

Одним из основных элементов в данной системе является насос высокого давления. Он обеспечивает поступление топлива под значительным давлением в топливную рампу. Конструкция его у разных производителей отличается - одно или многоплунжерная. Привод же осуществляется от распределительных валов.

Также в систему включены клапана, которые предотвращают превышение давления топлива в системе выше критических значений. В целом же регулировка давления выполняется в нескольких местах – на выходе из насоса высокого давления регулятором, который входит в конструкцию ТНВД. Имеется перепускной клапан, контролирующий давление на входе в насос. Предохранительный же клапан следит за давлением в рампе.

Работает все так: топливоподкачивающий насос из бака по магистрали низкого давления подает бензин на ТНВД, при этом бензин проходит через фильтр тонкой очистки топлива, где удаляются крупные примеси.

Плунжерные пары насоса создают давление топлива, которое при разных режимах работы двигателя варьируется от 3 до 11 МПа. Уже под давлением топливо по магистралям высокого давления поступает в рампу, которая распределяется по его форсункам.

Работа форсунок контролируется электронным блоком управления. При этом он основывается на показаниях множества датчиков двигателя, после анализа данных, он производит управление форсунками – момента впрыска, количества топлива и способа распыла.

Если на ТНВД подается количество топлива больше необходимого, то срабатывает перепускной клапан, который часть топлива возвращает в бак. Также часть топлива сбрасывается в бак в случае превышения давления в рампе, но делается это уже предохранительным клапаном.

Прямой впрыск

Типы смесеобразования

Используя непосредственный впрыск топлива, инженерам удалось снизить расход бензина. И все достигнуто возможностью использования нескольких типов смесеобразования. То есть под определенные условия работы силовой установки подается свой тип смеси. Причем система контролирует и управляет не только подачей топлива, для обеспечения того или иного типа смесеобразования устанавливается еще и определенный режим подачи воздуха в цилиндры.

Всего же прямой впрыск способен обеспечить два основных типа смеси в цилиндрах:

• Послойная;
• Стехиометрическая гомогенная;

Это позволяет подобрать смесь, которая при определенной работе мотора, обеспечит наибольшее КПД.

Послойное смесеобразование позволяет двигателю функционировать на очень бедной смеси, в которой массовая часть воздуха больше топливной части в более чем 40 раз. То есть в цилиндры подается очень большое количество воздуха, а затем в нее добавляется немного топлива.

В нормальных условиях такая смесь от искры не загорается. Чтобы воспламенение произошло, конструкторы придали днищу поршня особую форму, обеспечивающую завихрение.

При таком смесеобразовании в камеру сгорания воздух, направленный заслонкой, поступает на большой скорости. В конце такта сжатия форсунка впрыскивает топливо, которое достигая днища поршня, за счет завихрения поднимается вверх к свече зажигания. В результате в зоне электродов смесь является обогащенной и легковоспламенимой, в то время как вокруг этой смеси находится воздух практически без частиц топлива. Поэтому такое смесеобразование и получило название послойного – внутри имеется слой с обогащенной смесью, поверх которого находится еще один слой, практически без топлива.

Данное смесеобразование обеспечивает минимальное потребление бензина, но и приготавливает такую смесь система лишь при равномерном движении, без резких ускорений.

Стехиометрическое смесеобразование – это изготовление топливной смеси в оптимальных пропорциях (14,7 части воздуха на 1 часть бензина), что обеспечивает максимальный выход мощности. Такая смесь уже воспламеняется легко, поэтому надобности в создании обогащенного слоя возле свечи не требуется, наоборот, для эффективного сгорания необходимо, чтобы бензин равномерно распределился в воздухе.

Поэтому топливо впрыскивается форсунками на также сжатия, и до воспламенения оно успевает хорошо перемещаться с воздухом.

Такое смесеобразование обеспечивается в цилиндрах во время ускорений, когда необходим максимальный выход мощности, а не экономичность.

Конструкторам пришлось также решать вопрос с переходом двигателя с бедной смеси на обогащенную во время резких ускорений. Чтобы не произошло детонационного сгорания, во время перехода используется двойной впрыск.

Первая закачка топлива выполняется на такте впуска, при этом топливо выступает в качестве охладителя стенок камеры сгорания, что исключает детонацию. Вторая порция бензина подается уже на конце такта сжатия.

Система непосредственного впрыска топлива благодаря применению сразу нескольких типов смесеобразования, позволяет неплохо экономить топливо без особого влияния на мощностные показатели.

Во время ускорений двигатель работает на обычной смеси, а после набора скорости, когда режим движения размеренный и без резких перепадов, силовая установка переходит на очень обедненную смесь, тем самым экономя топливо.

В этом и кроется основное достоинство такой системы питания. Но есть у нее и немаловажный недостаток. В топливном насосе высокого давления, а также в форсунках используются прецизионные пары с высокой степенью обработки. Именно они и являются слабым местом, поскольку эти пары очень чувствительны к качеству бензина. Наличие сторонних примесей, серы и воды способно вывести ТНВД и форсунки из строя. Дополнительно, бензин обладает очень слабыми смазывающими свойствами. Поэтому износ прецизионных пар выше, чем у того же дизельного мотора.

К тому же сама система непосредственной подачи топлива конструктивно более сложная и дорогостоящая, чем та же система раздельного впрыска.

Новые разработки

Конструкторы же на достигнутом не останавливаются. Своеобразную доработку прямого впрыска сделали в концерне VAG в силовом агрегате TFSI. У него систему питания объединили с турбокомпрессором.

Интересное решение предложила компания Orbital. Они разработали особую форсунку, которая помимо топлива впрыскивает в цилиндры еще и сжатый воздух, подающийся от дополнительного компрессора. Такая топливовоздушная смесь обладает отличной воспламеняемостью и хорошо сгорает. Но это пока только разработка и найдет ли она применение на авто, пока неизвестно.

В целом же, непосредственный впрыск сейчас является самой лучшей системой питания в плане экономичности и экологичности, хоть и имеются у нее свои недостатки.

Система подачи топлива нужна для поступления горючего из бензобака, его дальнейшей фильтрации, а также образования кислородно-топливной смеси с ее передачей в цилиндры двигателя. В настоящее время есть несколько видов топливных систем. Наиболее распространенной в 20-м веке была карбюраторная, но сегодня все большей популярностью пользуется инжекторная система. Существовала еще и третья - моновпрыск, которая была хороша лишь тем, что позволяла несколько сократить расход горючего. Давайте более подробно рассмотрим инжекторную систему и разберемся с ее принципом работы.

Общие положения

Большинство современных двигателя топливом схожи. Отличие может заключаться только на этапе смесеобразования. В состав топливной системы входят следующие узлы:

1. Топливный бак - компактное изделие, имеющее насос и фильтр для очистки от механических частиц. Основное назначение - хранение топлива.
2. Топливопроводы образуют комплекс шланг и трубок для перемещения горючего от бака к системе смесеобразования.
3. Устройство смесеобразования. В нашем случае будет идти речь об инжекторе. Данный узел предназначен для получения эмульсии (воздушно-топливной смеси) и подачи ее в цилиндры в такт работы мотора.
4. Блок управление системой смесеобразования. Устанавливается только на инжекторных двигателях, что обусловлено необходимостью контроля датчиков, форсунок и клапанов.
5. Топливный насос. В большинстве случаев используется погружной вариант. Представляет собой электродвигатель небольшой мощности, который соединяется с жидкостным насосом. Смазка реализуется горючим, а длительное использование ТС с количеством топлива менее 5 литров может привести к выходу электродвигателя из строя.

Если говорить вкратце, то инжектор - это точечная подача горючего через форсунку. Электронный сигнал приходит с блока управления. Несмотря на то, что инжектор имеет ряд существенных преимуществ перед карбюратором, он долго не использовался. Это было обусловлено технической сложностью изделия, а также низкой ремонтопригодностью деталей, вышедших из строя. В настоящее время точечные системы впрыска практически заменили карбюратор. Давайте более подробно рассмотрим, чем же так хорош инжектор и каковы его особенности.

Особенности топливного оборудования

Автомобиль всегда являлся объектом внимания защитников экологии. Отработанные газы выпускаются непосредственно в атмосферу, что чревато ее загрязнением. Диагностика топливной системы показала, что количество выбросов при неверном смесеобразовании увеличивается в разы. По этой простой причине было принято решение устанавливать каталитический нейтрализатор. Однако это устройство показывало хорошие результаты только при качественной эмульсии, а в случае каких-либо отклонений его эффективность значительно падала. Было принято решение заменить карбюратор на более точную систему впрыска, которой являлся инжектор. Первые варианты включали в себя большое количество механических составляющих и, согласно исследованиям, такая система становилась все хуже по мере эксплуатации ТС. Это было вполне закономерно, так как важные узлы и рабочие органы загрязнялись и выходили из строя.

Для того чтобы система впрыска смогла сама себя корректировать, был создан электронный блок управления (ЭБУ). Наряду с вмонтированным лямба-зондом, который расположен перед каталитическим нейтрализатором, это давало хорошие показатели. Можно с уверенностью говорить о том, что цены на топливо сегодня довольно высокие, а инжектор хорош как раз тем, что позволяет экономить бензин или дизель. Помимо этого есть следующие плюсы:

1. Увеличение эксплуатационных характеристик мотора. В частности увеличенная мощность на 5-10%.
2. Улучшение динамических показателей транспортного средства. Инжектор более чувствителен к изменению нагрузок и сам корректирует состав эмульсии.
3. Оптимальная топливно-воздушная смесь уменьшает количество и токсичность отработанных газов.
4. Инжекторная система легко запускается независимо от погодных условий, что является существенным достоинством перед карбюраторными двигателями.

Инжекторная система подачи топлива и ее устройство

Прежде всего стоит отметить тот факт, что современные впрысковые двигатели оснащаются форсунками, количество которых равно количеству цилиндров. Между собой форсунки соединяются рампой. Там горючее содержится под небольшим давлением, а создает его электрический прибор - бензонасос. Количество впрыскиваемого горючего напрямую зависит от продолжительности открытия форсунки, что определяется блоком управления. Для этого снимаются показатели с различных датчиков, которые установлены по всему ТС. Сейчас мы рассмотрим основные из них:

1. Служит для определения наполненности цилиндров воздухом. В случае поломки показания игнорируются, а в качестве основных показателей берутся табличные данные.
2. Датчик положения отражает нагрузку на двигатель, которая обусловлена положением дросселя, циклового наполнения воздухом и оборотов ДВС.
3. Датчик температуры хладгена. При помощи данного контроллера реализуется управление электровентилятором и коррекция топливоподачи, а также зажигания. В случае неисправности мгновенная диагностика топливной системы необязательна. Температура берется в зависимости от длительности работы ДВС.
4. Датчик положения коленчатого вала (коленвала) нужен для синхронизации системы в целом. Контроллер рассчитывает не только обороты двигателя, но и его положение в определенный момент времени. Так как он является полярным датчиком, то при его неисправности дальнейшая эксплуатация ТС не является возможной.
5. Датчик кислорода нужен для определения % кислорода в выбрасываемых в атмосферу газах. Информация с этого контроллера передается на ЭБУ, который в зависимости от показаний корректирует эмульсию.

Стоит обратить внимание на то, что не все ТС с инжектором комплектуются датчиком кислорода. Их имеют только те авто, которые оснащаются каталитическим нейтрализатором с нормами токсичности «Евро-2» и «Евро-3».

Типы инжекторных систем: одноточечный впрыск

В настоящее время активно используются все системы. Они классифицируются в зависимости от количества форсунок и места подачи горючего. Всего есть три системы впрыска:

• одноточечный (моновпрыск);
• многоточечный (распределительный);
• непосредственный.

Для начала давайте рассмотрим системы одноточечного впрыска. Они были созданы сразу после карбюраторных и считались более совершенными, однако в настоящее время постепенно теряют свою популярность ввиду многих причин. Есть несколько неоспоримых преимуществ таких систем. Основные заключаются в существенной экономии топлива. Учитывая, что цены на топливо сегодня немаленькие, такой инжектор является актуальным. Интересно то, что эта система содержит несколько меньше электроники, поэтому является более надежной и стабильной. Когда информация с датчиков передается на контрольный элемент, параметры впрыска тут же меняются. Весьма интересным является то, что практически любой можно переделать под одноточечный впрыск без существенных конструкционных изменений. Основной недостаток таких систем заключается в низкой приемистости ДВС, а также оседании существенного количества топлива на стенках коллектора, хотя данная проблема была присуща и карбюраторным моделям.

Так как форсунка в данном случае всего одна, то располагается она на впускном коллекторе на месте карбюратора. Так как форсунка стояла в хорошем месте и постоянно находилась под потоком холодного воздуха, то ее надежность была на высшем уровне, да и конструкция была предельно простой. Промывка топливной системы с одноточечным впрыском не занимала много времени, так как достаточно было продуть лишь одну форсунку, но повышенные экологические требования привели к тому, что начали разрабатывать другие, более современные системы.

Системы многоточечного впрыска

Распределенный впрыск считается более современным, сложным и менее надежным. В данном случае каждый цилиндр оснащается изолированной форсункой, которая располагается во впускном коллекторе в непосредственной близости от впускного клапана. Следовательно, подача эмульсии осуществляется отдельно. Как было отмечено выше, при таком впрыске мощность ДВС можно увеличить до 5-10%, что будет заметно при движении на дороге. Еще один интересный момент: данная инжекторная система подачи топлива хороша тем, что форсунка располагается очень близко к впускному клапану. Это минимизирует оседание горючего на стенках коллектора, благодаря чему можно добиться существенной экономии топлива.

Существует несколько типов многоточечного впрыска:

1. Одновременный - открытие всех форсунок происходит в одно время.
2. Попарно-параллельный - открытие форсунок парами. Одна форсунка открывается в такт впуска, а вторая перед тактом выпуска. В настоящее время такая система используется только в момент аварийного запуска ДВС в случае поломки положения коленвала).
3. Фазированный - каждая форсунка управляется отдельно, а открывается перед тактом впуска.

В данном случае система довольно сложная и полностью полагается на точность работы электроники. Например, промывка топливной системы будет требовать гораздо больше времени, так как нужно промыть каждую форсунку. А сейчас пойдем дальше и рассмотрим еще один популярный вид впрыска.

Непосредственный впрыск

Инжекторные автомобили с такими системами можно считать наиболее экологичными. Основная цель внедрения этого способа впрыска заключается в улучшении качества смеси горючего и незначительном увеличении КПД двигателя транспортного средства. Основные достоинства такого решения заключаются в следующем:

• тщательное распыление эмульсии;
• образование высококачественной смеси;
• эффективное использование эмульсии на различных этапах работы ДВС.

Исходя из этих преимуществ, можно говорить о том, что такие системы экономят топливо. Особенно это заметно при спокойной езде в городских условиях. Если сравнивать два автомобиля с одинаковым объемом двигателя, но разными системами впрыска, например, непосредственный и многоточечный, то заметно лучшие динамические характеристики будут у непосредственной системы. Отработанные газы менее токсичны, а взятая литровая мощность будет несколько выше за счет охлаждения воздуха и того, что давление в топливной системе несколько увеличено.

Но стоит обратить внимание на чувствительность непосредственных систем впрыска к качеству горючего. Если брать во внимание стандарты России и Украины, то содержание серы должно быть не выше 500 мг на 1 литр горючего. В это же время европейские стандарты подразумевают содержание этого элемента 150, 50 и даже 10 мг на литр бензина или дизеля.

Если вкратце рассматривать данную систему, то она выглядит следующим образом: форсунки располагаются в Исходя из этого, впрыск осуществляется непосредственно в цилиндры. Стоит заметить, что данная инжекторная система подходит для многих бензиновых двигателей. Как было отмечено выше, используется высокое давление в топливной системе, под которым подается эмульсия непосредственно в камеру сгорания, минуя впускной коллектор.

Система впрыска топлива: езда на обедненной смеси

Немного выше мы с вами рассмотрели непосредственный впрыск, который впервые был использован на автомобилях марки «Митсубиси», которая имела аббревиатуру GDI. Давайте вкратце рассмотрим один из основных режимов - работу на обедненной смеси. Суть ее заключается в том, что транспортное средство в этом случае работает при небольших нагрузках и умеренных скоростях до 120 километров в час. Впрыск топлива осуществляется факелом в заключительном этапе сжатия. Отражаясь от поршня, горючее смешивается с воздухом и попадает в зону свечки зажигания. Получается так, что в камере смесь значительно обедняется, тем не менее ее заряд в районе свечи зажигания можно считать оптимальным. Этого хватает для его воспламенения, после этого загорается и остальная эмульсия. По сути, такая система впрыска топлива обеспечивает нормальную работу ДВС даже при соотношении воздух/топливо - 40:1.

Это весьма эффективный подход, позволяющий значительно экономить горючее. Но стоит обратить внимание, что остро встал вопрос нейтрализации отработанных газов. Дело в том, что катализатор неэффективен, так как образуется оксид азота. В этом случае используется рециркуляция отработанных газов. Специальная система ERG позволяет разбавить эмульсию отработанными газами. Это несколько снижает температуру горения и нейтрализует образование оксидов. Тем не менее такой подход не позволят увеличивать нагрузку на двигатель. Для частичного разрешения проблемы используется накопительный катализатор. Последний крайне чувствителен к горючему с высоким содержанием серы. По этой причине требуется периодическая проверка топливной системы.

Однородное смесеобразование и 2-стадийный режим

Мощностной режим (однородное смесеобразование) - идеальное решение для агрессивной езды в городских условиях, обгонов, а также движения по скоростным трассам и шоссе. В этом случае используется конический факел, он менее экономичный по сравнению с предыдущим вариантом. Впрыск осуществляется на такте впуска, а образованная эмульсия обычно имеет соотношение 14,7:1, то есть близкое к стехиометрическому. По сути, данная система автоматической подачи топлива точно такая же, как и распределительная.

Двухстадийный режим подразумевает впрыск топлива на такте сжатия, а также пуска. Основная задача - резкое повышение двигателя. Ярким примером эффективной работы такой системы является движение на малых оборотах и резкое нажатие на акселератор. В таком случае вероятность детонации значительно возрастает. По этой простой причине вместо одного этапа впрыск проходит в два.

На первом этапе впрыскивается небольшое количество горючего на такте впуска. Это позволяет несколько понизить температуру воздуха в цилиндре. Можно говорить о том, что в цилиндре будет находиться сверхбедная смесь в соотношении 60:1, следовательно, детонация невозможна как таковая. На заключительном этапе такта сжатия осуществляется впрыск струи горючего, которая доводит эмульсию до богатой в соотношении примерно 12:1. Сегодня можно говорить о том, что такая топливная система двигателя введена только для транспортных средств европейского рынка. Обусловлено это тем, что Японии не присущи большие скорости, следовательно, нет высоких нагрузок на двигатель. В Европе же большое количество скоростных шоссе и автобанов, поэтому водители привыкли ездить быстро, а это большая нагрузка на ДВС.

Еще кое-что интересное

Стоит обратить внимание на то, что, в отличие от карбюраторных систем, инжекторная требует того, чтобы была регулярная проверка топливной системы. Это обусловлено тем, что большое количество сложной электроники может дать сбой. В результате это приведет к нежелательным последствиям. К примеру, избыточный воздух в топливной системе приведет к нарушению составу эмульсии и неверному соотношению смеси. В дальнейшем это сказывается на двигателе, появляется нестабильная работа, выходят из строя контроллеры и т. п. По сути, инжектор - это сложная система, которая определяет, когда на цилиндры нужно подать искру, как доставить качественную смесь к блоку цилиндров или впускному коллектору, когда открывать форсунки и какое соотношение воздуха и бензина должно быть в эмульсии. Все эти факторы влияют на синхронизированную работу топливной системы. Интересно то, что без большинства контроллеров машина может исправно работать, при этом не будет существенных отклонений, так как имеются аварийные записи и таблицы, которые будут использоваться.

Экономичность работы ДВС в нашем случае определяется тем, насколько корректными будут полученные с контроллеров данные. Чем они точнее, тем менее возможны различные неисправности топливной системы. Важную роль играет и скорость срабатывания системы в целом. В отличие от карбюраторов тут не требуется ручная регулировка, а это исключает ошибки во время калибровочных работ. Следовательно, мы получим более полное сгорание смеси и лучшую с точки зрения экологии систему.

Заключение

В заключение стоит рассказать немного о недостатках, которые присущи инжекторным системам. Главный минус заключается в дороговизне ДВС. По большому счету, стоимость таких агрегатов будет выше примерно на 15%, что существенно. Но есть и другие минусы. К примеру, вышедший из строя клапан топливной системы в большинстве случаев не подлежит ремонту, что обусловлено нарушением герметичности, поэтому его нужно просто менять. Это касается и ремонтопригодности оборудования в целом. Некоторые узлы и детали гораздо проще купить новыми, нежели потратиться на их ремонт. Это качество не присуще карбюраторным ТС, где можно перебрать все важные узлы и восстановить их работоспособность без больших затрат времени и сил. Без всякого сомнения, электронная система подачи топлива ремонтируется большими силами и средствами. Сложная электроника вряд ли может быть восстановлена на первом попавшемся СТО.

Ну вот мы и поговорили с вами о том, что такое инжекторные системы. Как вы видите, это весьма интересная тема для разговора. Можно еще много рассказывать о том, чем хороши форсунки и возможность мгновенной корректировки работы двигателя. Но об основных моментах мы уже сказали. Помните о том, что должна регулярно осматриваться на возможные дефекты. К примеру, из-за низкого качества топлива, что собственно присуще нашей стране, часто забиваются форсунки. Из-за этого двигатель начинает работать с перебоями, падает мощность, смесь становится слишком обедненной или наоборот. Все это очень плохо сказывается на автомобиле в целом, поэтому нужен постоянный и регулярный контроль. Кроме того, старайтесь заправляться только тем бензином, который советует производитель вашего ТС.

Современные автомобили оснащают разными системами с впрыском топлива. В двигателях, работающих на бензине, смесь топлива и воздуха принудительно возгорается с помощью искры.

Система с впрыском топлива является неотъемлемым элементом . Форсунка является главным рабочим элементом любой системы впрыска.

Бензиновые двигателя оснащаются системами с впрыском, которые различаются между собой способом образования смеси топлива с воздухом:

• системы с центральным впрыском;
• системы с распределенным впрыском;
• системы с непосредственным впрыском.

Центральный впрыск, или иначе его называют моновпрыск (Monojetronic), осуществляется одной центральной электромагнитной форсункой, которая впрыскивает топливо во впускной коллектор. Это чем-то напоминает карбюратор. Сейчас автомобили с такой системой впрыска не производятся, так как у автомобиля с такой системой наблюдается и невысокие экологические свойства автомобиля.

Система распределенного впрыска постоянно с годами совершенствовалась. Начало положила система K-jetronic . Впрыск был механическим, что давало ему хорошую надежность, но расход топлива был весьма высоким. Топливо додавалось не импульсно, а постоянно. На смену данной системы пришла система KE-jetronic .

Она ни чем принципиально не отличалась от K-jetronic , но появился электронный блок управления (ЭБУ), который позволил незначительно сократить расход топлива. Но и эта система не принесла ожидаемых результатов. Появилась система L-jetronic .

В которой ЭБУ воспринимал сигналы от датчиков и направлял электромагнитный импульс на каждую форсунку. Система обладала хорошими экономическими и экологическими показателями, но конструктора не стали на этом останавливаться, и разработали совершенно новую систему Motronic .

Блок управления стал управлять и впрыском топлива, и системой зажигания. Топливо стало лучше сгорать в цилиндре, увеличилась мощность двигателя, уменьшился расход и вредные выбросы автомобиля. Во всех этих системах представленных выше впрыск осуществляется отдельной форсункой на каждый цилиндр во впускной коллектор, где и происходит образование смеси топлива с воздухом, которая попадает в цилиндр.

Наиболее перспективной системой на сегодняшний день является система с непосредственным впрыском.

Суть данной системы заключается в том, что топливо впрыскивается сразу в камеру сгорания каждого цилиндра, и уже там смешивается с воздухом. Система определяет и подает оптимальный состав смеси в цилиндр, что обеспечивает хорошую мощность на различных режимах работы двигателя, хорошую экономичность и высокие экологические свойства двигателя.

Но с другой стороны, двигателя с данной системой впрыска обладают более высокой ценой по сравнению со своими предшественниками, из-за сложности своей конструкции. Так же данная система очень требовательна к качеству топлива.

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.