Двигатели с системами впрыска топлива, или инжекторные двигатели, почти вытеснили с рынка карбюраторные моторы. На сегодняшний день существует несколько типов систем впрыска, отличающихся устройством и принципом работы. О том, как устроены и работают различные типы и виды систем впрыска топлива, читайте в этой статье.
Устройство, принцип работы и типы систем впрыска топлива
Сегодня большинство новых легковых автомобилей оснащаются двигателям с системой впрыска топлива (инжекторными двигателями), которые обладают лучшими характеристиками и более надежны, чем традиционные карбюраторные моторы. Об инжекторных двигателях мы уже писали (статья «Инжекторный двигатель »), поэтому здесь рассмотрим лишь типы и разновидности систем впрыска топлива.
Существует два принципиально разных типа систем впрыска топлива:
Центральный впрыск (или моновпрыск);
- Распределенный впрыск (или многоточечный впрыск).
Эти системы отличаются количеством форсунок и режимами их работы, однако принцип работы у них одинаков. В инжекторном двигателе вместо карбюратора установлена одна или несколько топливных форсунок , которые распыляют бензин во впускной коллектор или непосредственно в цилиндры (воздух для образования топливно-воздушной смеси подается в коллектор с помощью дроссельного узла). Такое решение позволяет достичь однородности и высокого качества горючей смеси, а главное — несложной установки режима работы двигателя в зависимости от нагрузки и других условий.
Управление системой осуществляется специальным электронным блоком (микроконтроллером), который собирает информацию с нескольких датчиков и мгновенно изменяет режим работы двигателя. В ранних системах эту функцию выполняли механические устройства, однако сегодня двигатель полностью находится под контролем электроники.
Системы впрыска топлива отличаются по количеству, месту установки и режиму работы форсунок.
1 - цилиндры двигателя;
2 - впускной трубопровод;
3 - дроссельная заслонка;
4 - подача топлива;
5 - электрический провод, по которому к форсунке поступает управляющий сигнал;
6 - поток воздуха;
7 - электромагнитная форсунка;
8 - факел топлива;
9 - горючая смесь
Это решение было исторически первым и самым простым, поэтому в свое время получило довольно широкое распространение. Принципиально система очень проста: в ней используется одна форсунка, которая постоянно распыляет бензин в один на все цилиндры впускной коллектор. В коллектор же подается и воздух, поэтому здесь образуется топливно-воздушная смесь, которая через впускные клапаны поступает в цилиндры.
Преимущества моновпрыска очевидны: эта система очень проста, для изменения режима работы двигателя нужно управлять только одной форсункой, да и сам двигатель претерпевает незначительные изменения, ведь форсунка ставится на место карбюратора.
Однако моновпрыск имеет и недостатки, в первую очередь - эта система не может обеспечить все возрастающие требования по экологической безопасности. Кроме того, поломка одной форсунки фактически выводит двигатель из строя. Поэтому сегодня двигатели с центральным впрыском практически не выпускаются.
Распределенный впрыск
1 - цилиндры двигателя;
2 - факел топлива;
3 - электрический провод;
4 - подача топлива;
5 - впускной трубопровод;
6 - дроссельная заслонка;
7 - поток воздуха;
8 - топливная рампа;
9 - электромагнитная форсунка
В системах с распределенным впрыском используются форсунки по числу цилиндров, то есть у каждого цилиндра - своя форсунка, расположенная во впускном коллекторе. Все форсунки объединены топливной рампой, через которую в них подается топливо.
Существует несколько разновидностей систем с распределенным впрыском, которые отличаются режимом работы форсунок:
Одновременный впрыск;
- Попарно-параллельный впрыск;
- Фазированный спрыск.
Одновременный впрыск. Здесь все просто - форсунки, хоть и расположены во впускном коллекторе «своего» цилиндра, но открываются в одно время. Можно сказать, что это усовершенствованный вариант моновпрыска, так как здесь работает несколько форсунок, но электронный блок управляет ими, как одной. Однако одновременный впрыск дает возможность индивидуальной регулировки впрыска топлива для каждого цилиндра. В целом, системы с одновременным впрыском просты и надежны в работе, но по характеристикам уступают более современным системам.
Попарно-параллельный впрыск. Это усовершенствованный вариант одновременного впрыска, он отличается тем, что форсунки открываются по очереди парами. Обычно работа форсунок настроена таким образом, чтобы одна из них открывалась перед тактом впуска своего цилиндра, а вторая - перед тактом выпуска. На сегодняшний день этот тип системы впрыска практически не используется, однако на современных двигателях предусмотрена аварийная работа двигателя именно в этом режиме. Обычно такое решение используется при выходе из строя датчиков фаз (датчиков положения распредвала), при котором невозможен фазированный впрыск.
Фазированный впрыск. Это наиболее современный и обеспечивающий наилучшие характеристики тип системы впрыска. При фазированном впрыске число форсунок равно числу цилиндров, и все они открываются и закрываются в зависимости от такта. Обычно форсунка открывается непосредственно перед тактом впуска - так достигаются лучший режим работы двигателя и экономичность.
Также к распределенному впрыску относят системы с непосредственным впрыском, однако последний имеет кардинальные конструктивные отличия, поэтому его можно выделить в отдельный тип.
Системы с непосредственным впрыском наиболее сложные и дорогие, однако только они могут обеспечить наилучшие показатели по мощности и экономичности. Также непосредственный впрыск дает возможность быстро изменять режим работы двигателя, максимально точно регулировать подачу топлива в каждый цилиндр и т.д.
В системах с непосредственным впрыском топлива форсунки установлены непосредственно в головке, распыляя топливо сразу в цилиндр, избегая «посредников» в виде впускного коллектора и впускного клапана (или клапанов).
Такое решение довольно сложно в техническом плане, так как в головке цилиндра, где и так уже расположены клапаны и свеча, необходимо разместить еще и форсунку. Поэтому непосредственный впрыск можно использовать только в достаточно мощных, а поэтому больших по габаритам двигателях. Кроме того, такую систему невозможно установить на серийный двигатель - его приходится модернизировать, что связано с большими затратами. Поэтому непосредственный впрыск сегодня используется только на дорогих автомобилях.
Системы с непосредственным впрыском требовательны к качеству топлива и нуждаются в более частом техническом обслуживании, однако они дают существенную экономию топлива и обеспечивают более надежную и качественную работу двигателя. Сейчас наблюдается тенденция снижения цены машин с такими двигателями, поэтому в будущем они могут серьезно потеснить автомобили с инжекторными двигателями других систем.
Уважаемые читатели и подписчики, приятно, что вы продолжаете изучать устройство автомобилей! И сейчас вашему вниманию электронная система впрыска топлива, принцип действия которой я постараюсь рассказать в этой статье.
Да, именно о тех устройствах, которые вытеснили из под капотов машин проверенные временем питания, а также узнаем много ли общего у современных бензиновых и дизельных двигателей.
Возможно, мы бы с Вами и не обсуждали данную технологию, если бы пару десятилетий назад человечество всерьёз не озаботилось экологией, и одной из серьёзнейших проблем оказались токсичные выхлопные газы автомобилей.
Главной недоработкой машин с двигателями, оборудованными карбюраторами, стало неполное сгорание топлива, а чтобы решить эту проблему понадобились системы, способные регулировать количество подаваемого в цилиндры горючего в зависимости от режима работы мотора.
Так, на арене автомобилестроения появились системы впрыска или, как их ещё называют — инжекторные системы. Помимо повышения экологичности, эти технологии улучшили эффективность двигателей и их мощностные характеристики, став настоящей находкой для инженеров.
На сегодняшний день впрыск (инжекция) топлива используются не только на дизельных, но и на бензиновых агрегатах, что, несомненно, их объединяет.
Объединяет их и то, что главным рабочим элементом этих систем, какого бы типа они ни были, является форсунка. Но из-за различий метода сжигания горючего, конструкции инжекторных узлов у этих двух типов моторов, конечно же, отличаются. Поэтому рассмотрим их по очереди.
Инжекторные системы и бензин
Электронная система впрыска топлива. Начнём с бензиновых двигателей. В их случае, инжекция решает задачу создания воздушно-топливной смеси, которая затем воспламеняется в цилиндре от искры свечи зажигания.
В зависимости от того, как эта смесь и горючее подаётся к цилиндрам, инжекторные системы могут иметь несколько разновидностей. Впрыск бывает:
Центральный впрыск
Главная особенность технологии, расположенной первой в списке – одна единственная форсунка на весь двигатель, которая располагается во впускном коллекторе.Надо отметить, что этот вид инжекторной системы по своим характеристикам не сильно отличается от карбюраторной, поэтому на сегодняшний день считается устаревшим.
Распределенный впрыск
Более прогрессивным является распределённый впрыск. В этой системе топливная смесь так же образуется во впускном коллекторе, но, в отличие от предыдущей, каждый цилиндр здесь может похвастаться собственной форсункой.
Данная разновидность позволяет ощутить все преимущества инжекторной технологии, поэтому наиболее любима автопроизводителями, и активно используется в современных двигателях.
Но, как мы знаем, совершенству нет пределов, и в погоне за ещё более высокой эффективностью, инженерами была разработана электронная система впрыска топлива, а именно система непосредственного впрыска.
Её главной особенностью является расположение форсунок, которые, в данном случае, своими соплами выходят в камеры сгорания цилиндров.
Образование воздушно-топливной смеси, как уже можно догадаться, происходит прямо в цилиндрах, что благотворно отражается на эксплуатационных параметрах моторов, хотя этот вариант имеет не такую высокую, как у распределённого впрыска, экологичность. Ещё один ощутимый недостаток этой технологии – высокие требования к качеству бензина.
Комбинированный впрыск
Наиболее передовым с точки зрения уровня выбросов вредных веществ является комбинированная система. Это, по сути, симбиоз непосредственной и распределённой инжекции топлива.
А как дела у дизелей?
Перейдём к дизельным агрегатам. Перед их топливной системой стоит задача подачи горючего под очень высоким давлением, которое, смешиваясь в цилиндре со сжатым воздухом, воспламеняется само.
Вариантов решения этой задачи создано очень много – применяется и непосредственный впрыск в цилиндры, и с промежуточным звеном в виде предварительной камеры, помимо этого, существуют различные компоновки насосов высокого давления (ТНВД), что тоже придаёт разнообразия.
Тем не менее, современные мотористы отдают предпочтение двум типам систем, осуществляющих подачу солярки прямо в цилиндры:
- с насос-форсунками;
- впрыск Common Rail.
Насос-форсунка
Насос-форсунка говорит сама за себя – в нём форсунка, впрыскивающая топливо в цилиндр, и ТНВД конструктивно объединены в один узел. Главная проблема таких устройств заключается в повышенном износе, так как насос-форсунки соединены постоянным приводом с распредвалом и никогда не отключаются от него.
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.
Д.Соснин
Начинаем публикацию статей по современным системам впрыска топлива для бензиновых двигателей внутреннего сгорания легковых автомобилей.
1. Предварительные замечания
Топливное питание бензиновых двигателей на современных легковых автомобилях реализуется с применением систем впрыска. Эти системы по принципу действия принято подразделять на пять основных групп (рис. 1): K, Mono, L, M, D.
2. Преимущества систем впрыска
Топливовоздушная смесь (ТВ-смесь) подается от карбюратора к цилиндрам двигателя внутреннего сгорания (ДВС) по длинным трубам впускного коллектора. Длина этих труб к различным цилиндрам двигателя неодинакова, а в самом коллекторе имеет место неравномерность нагрева стенок, даже на полностью прогретом двигателе (рис. 2).
Это приводит к тому, что из однородной ТВ-смеси, созданной в карбюраторе, в разных цилиндрах ДВС образуются неодинаковые топливовоздушные заряды. Как следствие, двигатель не отдает расчетную мощность, теряется равномерность крутящего момента, расход топлива и количество вредных веществ в выхлопных газах увеличиваются.
Бороться с этим явлением в карбюраторных двигателях очень сложно. Следует также отметить, что современный карбюратор работает на принципе пульверизации, при которой распыление бензина происходит в струе всасываемого в цилиндры воздуха. При этом образуются достаточно крупные капли топлива (рис. 3, а),
Что не обеспечивает качественного перемешивания бензина и воздуха. Плохое перемешивание и крупные капли облегчают оседание бензина на стенках впускного коллектора и на стенках цилиндров во время всасывания ТВ-смеси. Но при принудительном распылении бензина под давлением через калиброванное сопло форсунки частицы топлива могут иметь значительно меньшие размеры по сравнению с распылением бензина при пульверизации (рис. 3, б). Особенно эффективно бензин распыляется узким пучком под высоким давлением (рис. 3, в).
Установлено, что при распылении бензина на частицы диаметром менее 15...20 мкм его перемешивание с кислородом воздуха происходит не как взвешивание частиц, а на молекулярном уровне. Это делает ТВ- смесь более устойчивой к воздействию перепадов температуры и давления в цилиндре и длинных трубах впускного коллектора, что способствует более полному ее сгоранию.
Так родилась идея заменить пульверизационные жиклеры механического инерционного карбюратора на центральную безынерционную форсунку впрыска (ЦФВ), открывающуюся на заданное время по электроимпульсному сигналу управления от блока электронной автоматики. При этом, помимо качественного распыления и эффективного перемешивания бензина с воздухом, легко получать более высокую точность их дозирования в ТВ-смеси на всех возможных режимах работы ДВС.
Таким образом, за счет применения системы топливного питания с впрыском бензина двигатели современных легковых автомобилей не имеют вышеуказанных недостатков, присущих карбюраторным двигателям, т.е. они более экономичны, обладают более высокой удельной мощностью, поддерживают постоянство крутящего момента в широком интервале частот вращения, а выброс вредных веществ в атмосферу с отработавшими газами минимален.
3. Система впрыска бензина "Mono-Jetronic"
Впервые система центрального одноточечного импульсного впрыска топлива для бензиновых двигателей легковых автомобилей была разработана фирмой BOSCH в 1975 году. Эта система получила название "Mono-Jetronic" (Monojet - одиночная струя) и была установлена на автомобиле "Volkswagen".На рис. 4 показан центральный впрыскивающий узел системы "Mono-Jetronic". Из рисунка видно, что центральная форсунка впрыска (ЦФВ) устанавливается на стандартном впускном коллекторе вместо обычного карбюратора.
Но в отличие от карбюратора, в котором автоматика смесеобразования реализуется механическим управлением, в моносистеме впрыска применяется чисто электронное управление.
На рис. 5 показана упрощенная функциональная схема системы "Mono-Jetronic".
Электронный блок управления (ЭБУ) работает от входных датчиков 1-7, которые фиксируют текущее состояние и режим работы двигателя. По совокупности сигналов от этих датчиков и с использованием информации из трехмерной характеристики впрыска в ЭБУ вычисляются начало и продолжительность открытого состояния центральной форсунки 15.
На основании расчетных данных в ЭБУ формируется электроимпульсный сигнал S управления для ЦФВ. Этот сигнал воздействует на обмотку 8 магнитного соленоида форсунки, запорный клапан 11 которой открывается, и через распылительное сопло 12 бензин принудительно под давлением 1,1 бар в топливоподающей магистрали 19 распыляется во впускной коллектор через открытую дроссельную заслонку 14.
При заданных размерах диафрагмы дроссельной заслонки и калиброванного сечения распылительного сопла массовое количество пропущенного в цилиндры воздуха определяется степенью открытия дроссельной заслонки, а массовое количество впрыснутого в воздушный поток бензина - продолжительностью открытого состояния форсунки и подпорным (рабочим) давлением в топливоподающей магистрали 19.
Для того чтобы бензин сгорал полностью и наиболее эффективно, массы бензина и воздуха в ТВ-смеси должны находиться в строго определенном соотношении, равном 1/14,7 (для высокооктановых сортов бензина). Такое соотношение называется стехиометрическим, и ему соответствует коэффициент а избытка воздуха, равный единице. Коэффициент а = Мд/М0, где М0 - количество массы воздуха, теоретически необходимой для полного сгорания данной порции бензина, а Мд- масса фактически выгоревшего воздуха.
Отсюда ясно, что в любой системе впрыска топлива обязательно должен иметься измеритель массы воздуха, впущенного в цилиндры двигателя при всасывании.
В системе "Mono-Jetronic" масса воздуха рассчитывается в ЭБУ по показаниям двух датчиков (см. рис. 4): температуры всасываемого воздуха (ДТВ) и положения дроссельной заслонки (ДПД). Пер вый расположен непосредственно на пути воздушного потока в верхней части центральной форсунки впрыска и представляет собой миниатюрный полупроводниковый термистор, а второй является резистивным потенциометром, движок которого насажен на поворотную ось (ПДЗ) дроссельной заслонки.
Так как конкретному угловому положению дроссельной заслонки соответствует строго определенное объемное количество пропущенного воздуха, то дроссельный потенциометр выполняет функцию расходомера воздуха. В системе "Mono-Jetronic" он является также датчиком нагрузки двигателя.
Но масса всасываемого воздуха в значительной степени зависит от температуры. Холодный воздух более плотный, а значит более тяжелый. По мере повышения температуры плотность воздуха и его масса уменьшаются. Влияние температуры учитывается датчиком ДТВ.
Датчик ДТВ температуры всасываемого воздуха, как полупровод никовый термистор с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления, изменяет величину резистивности от 10 до 2,5 кОм при изменении температуры от -30 до +20°С. Сигнал датчика ДТВ используется только в таком температурном диапазоне. При этом базовая продолжительность впрыска бензина корректируется с помощью ЭБУ в интервале 20...0%. Если температура всасываемого воздуха выше +20°С, то сигнал датчика ДТВ блокируется в ЭБУ и датчик не используется.
Сигналы от датчиков положения дроссельной заслонки (ДПД) и температуры всасываемого воздуха (ДТВ) в случаях их отказов дублируются в ЭБУ сигналами датчиков частоты вращения (ДОД) и температуры охлаждающей жидкости (ДТД) двигателя.
По рассчитанному в ЭБУ объему воздуха, а также по сигналу о частоте вращения двигателя, который поступает от датчика числа оборотов системы зажигания, определяется требуемая (базовая) продолжительность открытого состояния центральной форсунки впрыска.
Так как подпорное давление Рт в топливоподающей магистрали (ПБМ) постоянно (для "Mono-Jetronic" Рт = 1...1,1 бар), а пропускная способность форсунки задана суммарным сечением отверстий распылительного сопла, то время открытого состояния форсунки однозначно определяет количество впрыснутого бензина. Момент впрыска (на рис. 5 сигнал от датчика ДМВ) обычно задается одновременно с сигналом на воспламенение ТВ-смеси от системы зажигания (через 180° поворота коленвала ДВС).
Таким образом, при электронном управлении процессом смесеобразования обеспечение высокой точности дозировки впрыскиваемого бензина в измеренное количество массы воздуха является легко решаемой задачей и, в конечном счете, точность дозирования определяется не электронной автоматикой, а точностью изготовления и функцио нальной надежностью входных датчиков и форсунки впрыска.
На рис. 6 показана главная деталь системы "Mono-Jetronic" - центральная форсунка впрыска (ЦФВ).
Центральная форсунка впрыска представляет собой бензоклапан, который открывается электрическим импульсом, поступающим от электронного блока управления. Для этого в форсунке имеется электромагнитный соленоид 8 с подвижным магнитным керном 14. Основной проблемой при создании клапанов для импульсного впрыска является необходимость обеспечения высокой скорости срабатывания запорного устройства 9 клапана как на открывание, так и на закрытие. Решение проблемы достигается облегчением магнитного керна соленоида, увеличением тока в импульсном сигнале управления, подбором упругости возвратной пружины 13, а также формой притертых поверхностей для распылительного сопла 10.
Сопло форсунки (рис. 6, а) выполнено в виде раструба капиллярных канальцев, число которых обычно не менее шести. Углом при вершине раструба задается раскрыв струи впрыска, которая имеет форму воронки. При такой форме струя бензина не попадает на дроссельную заслонку даже при малом ее открытии, а пролетает в два тонких полумесяца открывшейся щели.
Центральная форсунка системы "Mono-Jetronic" надежно обеспечивает минимальную продолжительность открытого состояния распылитель ного сопла 11 в течение 1±0,1 мс. За такое время и при рабочем давлении в 1 бар через распылительное сопло площадью в 0,08 мм2 впрыскивается около одного миллиграмма бензина. Этому соответствует расход топлива 4 л/ч на минимальных холостых оборотах (600 об/мин) прогретого двигателя. При пуске и прогреве холодного двигателя форсунка открывается на более продолжительное время (до 5...7 мс). Но с другой стороны максимальная продолжительность впрыска на прогретом двигателе (время открытого состояния форсунки) ограничивается предельной частотой вращения коленвала ДВС (6500...7000 мин-1) в режиме полного дросселя и не может быть более 4 мс. При этом тактовая частота срабатывания запорного устройства форсунки на холостом ходу не менее 20 Гц, а при полной нагрузке - не более 200...230 Гц.
С особой тщательностью изготавливается датчик ДПД положения дроссельной заслонки (дроссельный потенциометр), показанный на рис. 7. Его чувствительность к повороту движка должна отвечать требованию ±0,5 угловых градусов поворота оси 13 дросселя. По строгому угловому положению оси дросселя определяются начала двух режимов работы двигателя: режима холостого хода (3±0,5°) и режима полной нагрузки (72,5±0,5°).
Для обеспечения высокой точности и надежности резистивные дорожки потенциометра, которых четыре, включены по схеме, показанной на рис. 7, б, а ось движка потенциометра (движок двухконтактный) посажена в безлюфтовый тефлоновый подшипник скольжения.
Потенциометр и ЭБУ соединены между собой четырехпроводным кабелем через контактный разъем. Для повышения надежности соединений контакты в разъеме и в фишке потенциометра позолочены. Контакты 1 и 5 предназначены для подачи опорного напряжения 5±0,01 В. Контакты 1 и 2 - для снятия сигнального напряжения при повороте дроссельной заслонки на угол от 0 до 24° (0...30 - режим холостого хода; 3...24° - режим малых нагрузок двигателя). Контакты 1 и 4 - для снятия сигнального напряжения при повороте дроссельной заслонки на угол от 18 до 90° (18...72,5° - режим средних нагрузок, 72,5...90° - режим полной нагрузки двигателя).
Сигнальное напряжение с дроссельного потенциометра дополнительно используется:
для обогащения ТВ-смеси при разгоне автомобиля (регистрируется быстрота изменения сигнала от потенциометра);
для обогащения ТВ-смеси в режиме полной нагрузки (регистрируется значение сигнала с потенциометра после 72,5° поворота дроссельной заслонки в сторону увеличения);
для прекращения впрыска топлива в режиме принудительного холостого хода (регистрируется сигнал потенциометра, если угол открытого состояния дроссельной заслонки менее 3°. Одновременно контролируется частота W вращения двигателя: если W>2100 мин-1, то подача топлива прекращается и восстанавливается вновь при W
Интересной особенностью системы впрыска "Mono-Jetronic" является наличие в ее составе подсистемы стабилизации оборотов холостого хода с помощью электросервопривода, который воздействует на ось дроссельной заслонки (рис. 8). Электросервопривод снабжен реверсным электродвигателем 11 постоянного тока.
Сервопривод включается в работу в режиме холостого хода и совместно со схемой отключения вакуумного регулятора угла опережения зажигания (стабилизации холостого хода - рис. 2) обеспечивает стабилизацию частоты вращения двигателя в этом режиме.
Такая подсистема стабилизации холостого хода работает следующим образом.
Когда угол открытого состояния дроссельной заслонки менее 3°, сигнал К (см. рис. 9)
Является для ЭБУ сигналом режима холостого хода (замыкается концевой выключатель ВК штоком сервопривода). По этому сигналу запорный пневмоклапан ЗПК срабатывает и канал разрежения от задроссельной зоны впускного коллектора к вакуумному регулятору ВР перекрывается. Вакуумный регулятор с этого момента не работает и угол опережения зажигания становится равным значению установочного угла (6° до ВМТ). При этом двигатель на холостых оборотах работает устойчиво. Если в это время включается кондиционер или другой мощный потребитель энергии двигателя (например, фары дальнего света опосредствованно через генератор), то его обороты начинают падать. Двигатель может заглохнуть. Чтобы этого не происходило, по команде от электронной схемы управления холостым ходом (ЭСХХ) в контроллере включается электросервопривод, который несколько приоткрывает дроссельную заслонку. Обороты увеличиваются до номинального значения для данной температуры двигателя. Ясно, что при снятии нагрузки с двигателя его обороты уменьшаются до нормы тем же электросервоприводом.
В ЭБУ системы "Mono-Jetronic" имеется микропроцессор МКП (см. рис. 5) с постоянной и оперативной памятью (блок ЗУ). В постоянную память "зашита" эталонная трехмерная характеристика впрыска (ТХВ). Эта характеристика в какой-то мере подобна трехмерной характеристике зажигания, но отличается тем, что ее выходным параметром является не угол опережения зажигания, а время (продолжительность) открытого состояния центральной форсунки впрыска. Входными координатами характеристики ТХВ являются частота вращения двигателя (сигнал поступает от контроллера системы зажигания) и объем всасываемого воздуха (рассчитывается микропроцессором в ЭБУ впрыска). Эталонная характеристика ТХВ несет в себе опорную (базовую) информацию о стехиометрическом соотношении бензина и воздуха в ТВ-смеси при всех возможных режимах и условиях работы двигателя. Эта информация выбирается из памяти ЗУ в мик ропроцессор ЭБУ по входным координатам характеристики ТХВ (по сигналам датчиков ДОД, ДПД, ДТВ) и корректируется по сигналам от датчика температуры охлаждающей жидкости (ДТД) и кислородного датчика (КД).
О кислородном датчике надо сказать отдельно. Наличие его в системе впрыска позволяет удерживать состав ТВ-смеси постоянно в стехиометрическом соотношении (а=1). Это достигается тем, что датчик КД работает в цепи глубокой адаптивной обратной связи от системы выпуска отработавших газов к системе топливного питания (к системе впрыска).
Он реагирует на разность концентрации кислорода в атмосфере и в выхлопных газах. По сути дела датчик КД является химическим источником тока первого рода (гальваническим элементом) с твердым электролитом (специальная сотовая металлокерамика) и с высокой (не ниже 300°С) рабочей температурой. ЭДС такого датчика почти по ступенчатому закону зависит от разности концентрации кислорода на его элект родах (платино-радиевое пленочное покрытие с разных сторон пористой керамики). Наибольшая крутизна (перепад) ступеньки ЭДС приходится на значение а=1.
Датчик КД вворачивается в трубу выпускного канала (например, в выхлопной коллектор) и его чувствительная поверхность (положительный электрод) оказывается в потоке выхлопных газов. Над крепежной резьбой датчика имеются щели, через которые наружный отрицательный электрод сообщается с атмосферным воздухом. На автомобилях с каталитическим газонейтрализатором кислородный датчик устанавливается перед нейтрализатором и имеет спираль электроподогрева, так как температура выпускных газов перед нейтрализатором может быть ниже 300°С. Кроме того, электроподогрев кислородного датчика ускоряет его подготовку к работе.
Сигнальными проводами датчик соединен с ЭБУ впрыска. Когда в цилинд ры поступает бедная смесь (а>1), то концентрация кислорода в выхлопных газах чуть выше штатной (при а=1). Датчик КД выдает низкое напряжение (около 0,1 В) и ЭБУ по этому сигналу корректирует время продолжительности впрыска бензина в сторону его увеличения. Коэффициент а снова приближается к единице. При работе двигателя на богатой смеси кислородный датчик выдает напряжение около 0,9 В и работает в обратном порядке.
Интересно отметить, что кислородный датчик участвует в процессе смесеобразования только на режимах работы двигателя, при которых обогащение ТВ-смеси ограничено значением а>0,9. Это такие режимы как нагрузка на низких и средних оборотах и холостой ход на прогретом двигателе. В противном случае датчик КД отключается (блокируется) в ЭБУ и коррекция состава ТВ-смеси по концентрации кислорода в отработавших газах не осуществляется. Это имеет место, например, в режимах пуска и прогрева холодного двигателя и на его форсированных режимах (разгона и полной нагрузки). В этих режимах требуется значительное обогащение ТВ-смеси и поэтому срабатывание кислородного датчика ("прижимающего" коэффициент а к единице) здесь недопустимо.
На рис. 10 приведена функциональная схема системы впрыска "Mono-Jetronic" со всеми составными ее компонентами.
Любая система впрыска в своей топливоподающей подсистеме обязательно содержит замкнутое топ ливное кольцо, которое начинается от бензобака и заканчивается там же. Сюда входят: бензобак ББ, электробензонасос ЭБН, фильтр тонкой очистки топлива ФТОТ, распределитель топлива РТ (в системе "Mono-Jetronic" - это центральная форсунка впрыска) и регулятор давления РД, работающий по принципу стравливающего клапана при превышении заданного рабочего давления в замкнутом кольце (для системы "Mono-Jetronic" 1...1,1 бар).
Замкнутое топливное кольцо выполняет три функции:
С помощью регулятора давления поддерживает требуемое постоянное рабочее давление для распределителя топлива;
С помощью подпружиненной диафрагмы в регуляторе давления сохраняет некоторое остаточное давление (0,5 бар) после выключения двигателя, благодаря чему не допускается образование паровых и воздушных пробок в топливных магистралях при остывании двигателя;
Обеспечивает охлаждение системы впрыска за счет постоянной циркуляции бензина по замкнутому контуру.
В заключение следует отметить, что система "Mono-Jetronic" используется только на легковых автомобилях среднего потребительского класса, например таких как западно-германские автомобили: "Volkswagen-Passat", "Volkswagen-Polo", "Audi-80".
РЕМОНТ&СЕРВИС-2"2000
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.
