Виды и особенности работы систем впрыска бензиновых двигателей

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 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.

Устройство систем питания бензиновых двигателей с впрыском топлива

Проверка номеров и всех необ- ходимых документов приобре- таемого автомобиля.

Выезд к автомобилю продавца, проведение диагностических замеров и процедур

Поиск необходимого автомобиля согласно требованиям заказчика. Анализ рынка.

Система питания бензинового двигателя

В карбюраторном двигателе в качестве топлива применяется бензин. Бензин представляет собой легковоспламеняющуюся жидкость, которая получается из нефти путем прямой перегонки, или крекинга. Бензин является одним из главных компонентов горючей смеси. При нормальных условиях сгорания рабочей смеси происходит постепенное увеличение давления в цилиндрах двигателя. При применении топлива более низкого качества, чем этого требуют технические параметры автомобильного двигателя, скорость сгорания рабочей смеси может увеличиться в 100 раз и составлять 2000 м/с, такое быстрое сгорание смеси называют детонацией. Склонность бензина к детонации условно характеризуется октановым числом, чем выше октановое число бензина, тем менее он склонен к детонации. Бензин с более высоким октановым числом применяют в автомобильных двигателях с более высокой степенью сжатия. Для снижения детонации в бензин добавляют этиловую жидкость.

В цилиндрах автомобильного двигателя рабочий процесс протекает достаточно быстро. Например, если коленчатый вал вращается со скоростью 2000 об./мин., то каждый такт совершается за 0,015 с. Для этого необходимо, чтобы скорость сгорания топлива составляла 25-30 м/с. Однако горение топлива в камере сгорания происходит медленнее. Для того чтобы повысить скорость сгорания, топливо размельчается на мельчайшие частицы и смешивается с воздухом. Установлено, что для нормального сгорания 1 кг топлива необходимо 15 кг воздуха, смесь с таким соотношением (1:15) называется нормальной. Однако при таком соотношении не происходит полного сгорания топлива. Для полного сгорания топлива необходимо больше воздуха и соотношение топлива к воздуху должно быть 1:18. Такая смесь называется обедненной. При увеличении соотношения скорость сгорания резко снижается, и при соотношении 1:20 воспламенения не происходит вообще. Но наибольшая мощность двигателя достигается при соотношении 1:13, в этом случае скорость сгорания близка к оптимальной. Такая смесь называется обогащенной. При таком составе смеси не происходит полного сгорания топлива, поэтому с увеличением мощности увеличивается расход топлива.

При работе двигателя выделяют следующие режимы:
1) пуск холодного двигателя;
2) работа на малой частоте вращения коленчатого вала (режим холостого хода);
3) работа при частичных (средних) нагрузках;
4) работа при полных нагрузках;
5) работа при резком увеличении нагрузки или частоты вращения коленчатого вала (разгон).

При каждом отдельном режиме состав горючей смеси должен быть разным.
Система питания двигателя предназначена Для приготовления и подачи в камеры сгорания горючей смеси, кроме этого система питания регулирует количество и состав рабочей смеси.

Система питания карбюраторного двигателя включает в себя следующие элементы:
1) топливный бак;
2) топливопроводы;
3) топливные фильтры;
4) топливный насос;
5) карбюратор;
6) воздушный фильтр;
7) выпускной коллектор:
8) впускной коллектор;
9) глушитель шума выпуска отработанных газов.

На современных автомобилях вместо карбюраторных систем питания все чаще применяют инжекторные системы впрыска топлива. На двигателях легковых автомобилей может быть установлена система распределительного впрыска топлива или система центрального одноточечного впрыска топлива.

Инжекторные системы впрыска топлива имеют ряд преимуществ перед карбюраторными системами питания:
1) отсутствие добавочного сопротивления потоку воздуха в виде диффузора карбюратора, что способствует лучшему наполнению камер сгорания цилиндров и получению более высокой мощности;
2) улучшение продувки цилиндров за счет использования возможности более длительного периода перекрытия клапанов (при одновременно открытых впускных и выпускных клапанах);
3) улучшение качества приготовления рабочей смеси за счет продувки камер сгорания чистым воздухом без примеси паров топлива;
4) более точное распределение топлива по цилиндрам, что дает возможность использования бензина с более низким октановым числом;
5) более точный подбор состава рабочей смеси на всех стадиях работы двигателя с учетом его технического состояния.

Кроме достоинств инжекторная система имеет один существенный недостаток. Инжекторная система впрыска топлива имеет более высокую степень сложности изготовления деталей, а также эта система включает в себя множество электронных компонентов, что приводит к удорожанию автомобиля и к сложности его обслуживания.

Система распределительного впрыска топлива является наиболее современной и совершенной. Основным функциональным элементом этой системы является электронный блок управления (ЭБУ). ЭБУ по существу представляет собой бортовой компьютер автомобиля. ЭБУ осуществляет оптимальное управление механизмами и системами двигателя, обеспечивает наиболее экономичную и эффективную работу двигателя с максимальной защитой окружающей среды на всех режимах.

Система распределительного впрыска топлива состоит из:
1) подсистемы подачи воздуха с дроссельной заслонкой;
2) подсистемы подачи топлива с форсунками по одной на каждый цилиндр;
3) системы дожигания доработанных газов;
4) системы улавливания и сжижения паров бензина.

Кроме управляющих функций ЭБУ имеет функции самообучения, функции диагностики и самодиагностики, а также он закладывает в память предыдущие параметры и характеристики работы двигателя, изменение его технического состояния.

Система центрального одноточечного впрыска топлива отличается от системы распределительного впрыска тем, что в ней отсутствует отдельный для каждого цилиндра (распределительный) впрыск бензина. Подача топлива в этой системе осуществляется при помощи центрального модуля впрыска с одной электромагнитной форсункой. Регулировка подачи топливовоздушной смеси осуществляется дроссельной заслонкой. Распределение рабочей смеси по цилиндрам осуществляется, как и в карбюраторной системе питания. Остальные элементы и функции данной системы питания такие же, как и в системе распределительного впрыска.

Строение и принцип работы системы впрыска топлива

Главный недостаток транспортных средств, укомплектованных бензиновыми двигателями с карбюратором — топливо в них сгорает не полностью. Так как по эксплуатационным характеристикам топливоподачи определяется экологичность, мощность, экономичность машины, возникает необходимость в устройствах, регулирующих этот процесс, ориентируясь на режим функционирования.

Подобные узлы называются инжекторными системами. В инжекторных двигателях топливо подается в заранее определенное время в заданной дозировке. Разработаны системы для впрыска топлива различной конструкции для бензиновых и дизельных моторов.

Классификация и устройство систем впрыска

Различия инжекторных механизмов определяются способом, применяемым для изготовления смеси бензина с воздухом.

Классификация в основном проводится по типу впрыска:

• центральным впрыском;
• распределительным;
• непосредственным;
• комбинированным.

Центральный впрыск (моновпрыск)

Эта система заменяет карбюратор, работает на одной форсунке. Моновпрыск почти не используется из-за несоответствия требованиям экологическим стандартам, встречается на очень старых машинах. Но эти механизмы простые и надежные благодаря расположению форсунки на месте с хорошим воздухообменом, в пускном коллекторе.

Элементы моносистемы:

• регулятор давления — предотвращает образование воздушных пробок, обеспечивает неизменное давление 0,1 Мпа;
• форсунка – обеспечивает подачу бензина в коллектор;
• дроссельная заслонка (механическая, электрическая) – регулирует подачу воздуха;
• блок управления (память, микропроцессор) — содержит информацию, необходимую для инжекции;
• датчики температуры, состояние коленвала, дроссельной заслонки.

Распределенный впрыск

Этот тип более современный и экологичный. Хотя, отличительной особенностью является лишь то, что в этой системе уже на каждый цилиндр приходится своя форсунка. Только монтируется она тоже в впускном коллекторе, только каждая в своем отдельном патрубке. Электронные системы контролируют дозировку топлива. Самые прогрессивные форсунки в этом плане принадлежат компании Bosch.

Непосредственный впрыск

Бензин одновременно с воздухом подается прямо в камеры сгорания. Преимущество системы с непосредственным впрыском — точный расчет составляющих для топливосмеси. Процент экологически опасных выбросов снижается благодаря почти стопроцентному сгоранию топливосмеси.

Устройство механизма с непосредственной инжекцией:

• насос, подающий бензин;
• устройство, регулирующее давление;
• рампа, оснащенная предохранительным клапаном;
• датчик, отображающий параметры давления;
• форсунки.

Недостатки:

• высокие требования к качественному составу топлива;
• сложная для производителей конструкция;
• необходимость в давлении от 5 МПа.

Зато инжекторные системы этого типа самые современные, перспективные.

Комбинированный впрыск

Чтобы снизить количество выбросов и выполнить требования Евро-6, в Volkswagen была разработана комбинированная система инжекции, объединившая распределительную с непосредственной. Системы блоком управления активируются по очереди, ориентируясь на режим работы. Эта система питания самая перспективная с точки зрения экологической безопасности.

Комбинированное устройство состоит из:

• насоса, подающего топливо;
• деталей непосредственного механизма (форсунок, установленных в камеры сгорания, рампы, поддерживающей давление 20 Мпа);
• элементов распределительной системы (форсунок, установленных в каналы коллектора, рампы низкого давления).

Принцип работы

Агрегаты инжекторного двигателя с единственной форсункой функционируют по схеме:

1. запускается мотор;
2. датчики считывают и передают информацию на блок управления;
3. реальные данные сравниваются с эталонными, рассчитывается момент открытия форсунки;
4. передается сигнал электромагнитной катушке;
5. в коллектор подается бензин для смешивания с воздухом;
6. в цилиндры подается топливная смесь.

Функционирование узла с распределенным впрыском:

1. мотору подается воздух;
2. датчики определяют объем, температуру, показатели коленвала, положение заслонки;
3. объем топлива для поданного воздуха рассчитывает блок управления;
4. форсункам подается сигнал;
5. они открываются в запрограммированное время.
6. смешивание бензина с воздухом происходит в коллекторе, смесь подается в цилиндры.

Учебное видео принципа работы распределенного впрыска

Принцип работы непосредственной инжекции зависит от способа смешивания бензина с воздухом:

Послойное смешивание используется на средних оборотах, скорость подачи воздуха высокая, бензин подается в цилиндр через форсунку, загорается после смешивания с воздухом.

При смешивании стехиометрического типа, процесс запускается в момент нажатия на газ. Открывается дроссельная заслонка, бензин и воздух подаются в одно время, сгорают полностью.

При смешивании гомогенного типа, сначала создается движение воздуха в цилиндрах, затем впрыскивается бензин.

Видео-пояснение по принципу работы инжектора с непосредственным впрыском

Работа комбинированной системы полностью зависит от нагрузки на мотор:

1. непосредственная инжекция запускается во время запуска, прогрева, максимальной нагрузки, количество впрысков зависит от режима;
2. распределенная инжекция запускается во время движения на средней скорости с частыми остановками.

При распределенной инжекции периодически открываются форсунки непосредственной. Это предотвращает их засорения.

Системами впрыска комплектуются не только бензиновые, но и дизельные двигатели. Первые можно назвать искровыми двигателями, так как смесь бензина и воздуха воспламеняется от искры.

Основные неисправности

Чаще всего сбои инжекции проявляются несколькими неисправностями:

• не заводится мотор (неисправно главное реле, не работает насос, на форсунках нет напряжения);
• неустойчиво работает холодный двигатель (неисправен температурный датчик);
• мотор плохо работает на переходах (неисправен насос или форсунка);
• мотор глохнет (вышла из строя топливная система, разгерметизировался впуск воздуха).

Достоинства и недостатки

Здесь, как и в любой системе есть свои достоинства и недостатки.

Плюсы инжекторов (если сравнивать с карбюратором):

1. снижение потребления топлива в 2 раза;
2. увеличение мощности;
3. упрощенный (автоматизированный) запуск;
4. легкое управление;
5. снижение выброса токсинов в несколько раз;
6. самонастройка, упрощающая техобслуживание;
7. ремонт сводится к замене деталей;
8. снижение высоты капота за счет размещения элементов инжекции по бокам мотора;
9. независимость от давления атмосферы, положения авто (работа карбюраторов нарушается при кренах).

Минусы инжекторных систем:

1. сравнительно высокая цена производства;
2. высокие требования к качеству бензина;
3. необходимость в специально оборудовании для диагностики;
4. зависимость от электроэнергии;
5. повышение вероятности пожара при ДТП из-за подачи бензина под давлением.

Последний недостаток частично компенсируется установкой контроллера, отключающего подачу при ударе.

Несколько разновидностей систем впрыска позволило укомплектовать ими большинство легковых автомобилей, выпущенных позже восьмидесятых. Управление механическое или электронное, топливо может подаваться непрерывно или импульсами.

Независимо от строения и принципа работы системы впрыска топлива, она дольше прослужит без ремонта, если отказаться от манипуляций с питанием, не отключать без необходимости массу, не осуществлять запуск при помощи буксировки. Инжекторные системы не переносят влагу, если вода проникает в них зимой, велика вероятность выхода из строя форсунок. Топливо должно быть чистое, особое внимание следует уделить состоянию фильтра, установленного перед насосом. При наличии в топливе примесей насос и система управления очень скоро выходят из строя.