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.

2.6.2. Система питания двигателя с впрыском бензина

Системы с впрыском бензина интенсивно вытесняют традиционные карбюратор­ные системы.

Основными преимущества систем впрыска перед карбюраторными являются: раз­дельное дозирование топлива и воздуха; коррекция дозиро­вания по многим фак­торам (в зависимости от нагрузки и скоростного ре­жима, темпе­ратуры воздуха и охлаждаю­щей жидкости, атмосферного дав­ления); возможность точного дозирования смеси, тре­буе­мого для нейт­ра­лизации отработавших газов в системах с λ-зондом; улучшение мощно­ст­ных и экономических показателей двигате­ля; встроенная диагностика.

В то же время системы впрыска уступают карбюраторным по стои­мости, сложно­сти устройства и обслуживания.

Наибольшее распространение в четырехтактных двигателях полу­чили системы с электронным управлением с впрыском во впускной трубо­провод двигателя, в которых подача бензина регулируется путем измене­ния длительности впрыска. Впрыск бензина непосредственно в цилиндры широкого применения не находит из-за неблагоприятных условий работы форсунки, трудности размещения ее в камере сгорания, а также из-за вы­сокого давления впрыска.

Топливо из бака 1 всасывается электрическим бензонасосом 2, а за­тем через фильтр тонкой очистки 3 нагне­тается в магистраль 6, в кото­рой ре­дукционным клапа­ном 7 под­держива­ется постоянный перепад давления на входе и выходе топлива из фор­сунок 5. Избыток топлива от клапана 7 возвра­щается обратно в бак. Из нагнетатель­ной магистрали топливо под­водится к индивиду­аль­ным электромагнитным форсункам 5, подающих его в зону впускных клапанов.

Воздух поступает в цилиндры через измеритель расхода 10 и впуск­ной трубопро­вод 8. Количество воздуха регулиру­ется дрос­сельной заслон­кой.

Электронная система управления дозированием топлива пита­ется от аккумуля­торной батареи 15 и включается в цепь при замыкании замка за­жигания 16.

Сигналы измерителя расхода воздуха 10 и распределителя зажигания 13 (сигнал частоты вращения вала) обрабатываются электронным блоком управления 4, который в соответствии с заложенной в него программой выдает импульсы, управляющие откры­тием клапанов форсунок и имею­щие определенную про­должительность на каждом ре­жиме работы двига­теля.

Так как редукционный клапан 7 поддерживает постоянное избыточ­ное давление топлива относительно давления воздуха во впускном трубо­проводе, то цикловая подача топлива форсункой 5 однозначно зависит от времени, в течение которого открыт ее кла­пан.

Длительность впрыскивания корректируется блоком управ­ления в зависимости от температуры охлаждающей жидкости (датчик 12); эконо­майзерный эффект и обогаще­ние смеси на режимах разгона обеспечива­ются по сигналам датчика 9, соединен­ного механически с осью дроссель­ной заслонки.

Чтобы обеспечить устойчивую работу двигателя на холостом ходу с заданной частотой вращения, предусмотрено автоматическое регулирова­ние количества посту­пающего в двигатель воздуха в зависимости от тем­пературы охлаждающей жидкости. На холостом ходу непрогретого двига­теля дроссельная заслонка закрыта, и воздух по­ступает через верхний и нижний обводные каналы. По мере прогрева двигателя, начиная с опреде­ленной температуры охлаждающей жидкости, регулятор дополнительного воз­духа 14 прекращает подачу до­полнительного воздуха. После этого воз­дух поступает только через верхний обвод, сечение которого можно изме­нить винтом регулировки частоты вращения на холостом ходу.

Система может работать по сигналам λ-зонда 11, обеспечивая под­держание со­става смеси α 1,0, что необходимо при установке в систему выпуска нейтрализатора отработавших газов.

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.