Система впрыска топлива - принцип действия

Как работает система распределенной подачи ТС

Работа основных элементов системы – форсунок напрямую зависит от центра управления – управляющего блока, состоящего из бортового компьютера. Основной функцией управляющего блока является прием электрических сигналов, поступающих от входных датчиков, с последующей обработкой и преобразованием в управляющие сигналы, которые передаются на электромагнитные клапаны топливных форсунок и механизмы исполнения.

Помимо основных функций, блок управления выполняет и дополнительные задачи – проводит своевременную диагностику топливной системы на предмет выявления любых неполадок или поломок в ее работе.

При обнаружении неполадок блок управления сообщает о них водителю через контрольные лампы на приборной панели — Check engine, Check. Информация о более сложных поломках заносится в блок памяти для дальнейшего использования при повторной диагностике.

Расчет нужного количества топлива, происходит на основании данных полученных от температурных датчиков (температуры двигателя и поступающего воздуха), расхода воздуха, подсчета скорости вращения коленвала, угла открытия заслонки и т.д.

Произведя необходимые расчеты на основании полученных данных, бортовой компьютер посылает сигналы в виде электрических импульсов на форсунки для их открытия. Принимая сигналы, форсунки открывают клапаны, через которые топливо под высоким давлением поступает в топливный коллектор.

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

Работа при послойном образовании топливной смеси

Из-за особенностей строения коллектора (наличия заслонок, которые закрывают низы) перекрывается доступ к низу. На такте впуска воздух поступает в верхнюю часть цилиндра, после некоторого вращения коленчатого вала на такте сжатия происходит впрыск топлива, который и требует большого давления насоса. Далее полученная смесь сносится при помощи воздушного вихря на свечу. В момент подачи искры бензин уже будет хорошо перемешан с воздухом, что способствует качественному сгоранию. При этом воздушная прослойка создает своеобразную оболочку, которая снижает потери и повышает коэффициент полезного действия, тем самым уменьшая расход топлива.

Следует отметить, что работа при послойном впрыске топлива является наиболее перспективным направлением, так как в этом режиме можно достичь наиболее оптимального сгорания топлива.

Однородное образование топливной смеси

В данном случае происходящие процессы понять еще легче. Топливо и необходимый для сгорания воздух почти одновременно попадают в цилиндр двигателя на такте впуска. Еще до достижения поршнем верхней мертвой точки топливовоздушная смесь находится в смешанном состоянии. Образование высококачественной смеси происходит благодаря высокому давлению впрыска. Система переключается с одного режима работы на другой благодаря анализу поступающих данных. Это в результате и приводит к повышению экономичности двигателя.

Что собой представляет и как функционирует система непосредственного впрыска

Система центрального впрыска Mono Jetronic Непосредственный впрыск считается одним из самых современных типов транспортировки топлива на бензиновых двигателях. Система непосредственной подачи считается инжекторной схемой для передачи горючего для бензиновых двигателей внутреннего сгорания с непосредственным впрыскиванием, у которого форсунки располагаются в головке блока цилиндров, а транспортировка при этом прямая. То есть бензин подается под неким давлением в камеру сгорания каждого цилиндра в противоположность стандартной схеме распределенного впрыскивания, где впрыскивание проходит во впускной коллектор.

Представленная идея разработчиков поспособствовала появлению прямой системы впрыскивания горючего, которая стала новым поколением. Как правило, прямой впрыск горючего применяется в самых современных двухконтактных и четырехконтактных двигателях внутреннего сгорания.

Непосредственный впрыск топлива имеет такое основное преимущество как уменьшение затрат топлива, при помощи функционирования мотора на достаточно бедных по составу горючих смесях. До сегодняшнего дня транспортировка горючего не была так распространена, и это обуславливалось такими причинами:

Большее количество времени уделялось на образование топлива;
Общепринятая на сегодня схема транспортировки в впускной трубопровод значительно упрощает устройство самой форсунки;
Значительно упрощается устройство головки блока.

Функционирование схемы как “непосредственный впрыск топлива” основывается на транспортировке топлива непосредственно в камеру сгорания двигателя. Прежде чем разбираться с принципом работы непосредственной системы подачи горючего необходимо разобраться с её элементами. Устройство прямой схемы подачи горючего включает насос высокого давления (ТНВД), топливную рампу, форсунки, регулятор давления горючего, предохраняющий клапан и датчик высокого давления.

Основной функцией ТНВД является подача горючего к рампе, а после к форсункам под высоки давлением, соответствуя потребностям двигателя. В основе конструкции ТНВД лежит несколько плунжеров. Сам насос высокого давления начинает функционировать при помощи распределительного валика впускных клапанов. Регулятор давления обеспечивает дозированную подачу топлива ТНВД, при соответствии с форсунками. Располагается регулятор в ТНВД. Основной функцией топлива является распределение смеси по форсункам и предотвращение пульсации жидкостей в контуре. Предохраняющий клапан выполняет защитную функцию элементов системы впрыскивания от предельных давлений, которые возникают во время температурного расширения смеси.

ТНВД

Благодаря сигналам, исходящим от датчика высокого давления блок руководства двигателем может регулировать давление рампы.

Основные режимы функционирования непосредственного впрыскивания топлива

Режим обеднённой транспортировки применяется в том случае, когда нагрузка на двигатель находится на минимальном уровне, во время движения на снижающей или постоянной скорости. Стандартное или стехиометрическое соотношение бензина и воздуха в камере сгорания, которое необходимо для нормального зажигания и сгорания бензина считается таким – 14/7/1. Хотя если обороты двигателя постепенно или быстро снижаются, то его можно абсолютно безвредно поменять для уменьшения количества горючего. То есть в данном режиме доли воздуха могут достигать 65 градусов.

Стандартный режим применяется во время равномерного движения автомобиля с постоянной нагрузкой на двигатель транспортного средства. В представленном режиме горючое смешивается с воздухом в идеальных пропорциях, а это будет способствовать полному его сгоранию. Во время функционирования на форсированном режиме содержания уровень топливной смеси немного превышается. Благодаря этому развивается максимальная мощность, а это довольно целесообразно, например, для перегруженного транспортного средства, который движется в гору.

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.

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).

Высокое давление впрыска топлива

Прямой впрыск требует высоких рабочих давлений (25-150 бар), по сравнению с обычными системами впрыска топлива, где требуется только от 3 до 5 бар. Прямой впрыск требует большее давление подачи, чтобы преодолеть давление сжатия в цилиндре и подать больший объем топлива в более короткий период времени.

Некоторые двигатели с непосредственным впрыском не имеют дроссельной заслонки, потому что дроссельная заслонка не используется для управления скоростью вращения двигателя и мощностью. Блок управления двигателя делает это путем изменения времени впрыска и количества топлива, которое вводится в каждый цилиндр. Отсутствие дросселя означает, что нет никаких препятствий на пути всасываемого воздуха Когда поршень идет вверх во время такта сжатия, топливо можно впрыскивать в цилиндр в любой точке до зажигания. Время впрыска будет зависеть от скорости вращения, нагрузки и условий эксплуатации. Дополнительные импульсы также могут быть поданы после того, как исходная смесь воспламеняется, чтобы увеличить процесс горение смеси во время рабочего хода.

Параллельный впрыск топлива

Топливные форсунки многих ранних распределённыхсистем впрыска топлива соединены параллельно. При такой схеме,управление форсунками двигателя происходит одновременно — все форсункитакой системы работают синхронно.Осциллограммы напряжения сигналов системыуправления 4-х цилиндрового 4-х тактного двигателя, осуществляющейпараллельный впрыск топлива, демонстрирующие схему впрыска топливаданной системы.1Осциллограмма напряжения управляющих импульсов топливной форсункой 1-го цилиндра.2Осциллограмма напряжения управляющих импульсов топливной форсункой 2-го цилиндра.3Осциллограмма напряжения управляющих импульсов топливной форсункой 3-го цилиндра.4Осциллограмма напряжения управляющих импульсов топливной форсункой 4-го цилиндра.7 Импульс синхронизации с моментом зажигания в первом цилиндре.В системах параллельного впрыска, за один полныйцикл работы двигателя (за два оборота коленчатого вала 4-х тактногодвигателя), каждая форсунка впрыскивает топливо дважды. То есть, каждаяпорция топлива, попадающего впоследствии в цилиндр во время такта впуска, впрыскивается «за два приёма».Из-за того, что подача каждой порции топлива осуществляется за двавпрыска, в сравнении с точечным впрыском, точность дозированияполучается несколько лучшей; но в сравнении с фазированным впрыском,точность дозирования получается несколько хуже, особенно на переходныхрежимах работы двигателя.Блок управления параллельной системы впрыскатоплива должен учитывать инерционность открытия клапана форсунки,которая сильно зависит от величины напряжения в бортовой сетиавтомобиля. При больших порциях впрыскиваемого топлива, к примеру, вовремя ускорения автомобиля или во время холодного пуска, часть топливаоседает на стенках впускного коллектора и попадает в цилиндр с некоторойзадержкой, что сказывается на приемистости двигателя. Но к качествураспыла топлива здесь предъявляются немного меньшие требования, так какотводится достаточно времени на испарение топлива и смешивание его своздухом.Недостаток параллельного впрыска заключается внеодинаковом для всех цилиндров времени от начала впрыскивания топливафорсункой до момента открытия впускного клапана цилиндра. Приодновременном впрыске топлива порядок работы цилиндров не учитывается,соответственно время подготовки топливовоздушной смеси (время испарениятоплива) для каждого цилиндра получается разным.

Фундаментальное рассмотрение

Идеальная система впрыска топлива может точно обеспечить точное количество топлива при любых условиях работы двигателя. Обычно это означает точное управление соотношением воздух-топливо (лямбда), которое, например, позволяет: легкую работу двигателя даже при низких температурах двигателя (холодный запуск), хорошую адаптацию к широкому диапазону высот и температур окружающей среды, точно регулируемую частоту вращения двигателя. (включая холостые обороты и обороты красной линии), хорошая топливная эффективность и минимально достижимые выбросы выхлопных газов (поскольку это позволяет устройствам контроля выбросов, таким как трехкомпонентный катализатор, работать должным образом).

На практике идеальной системы впрыска топлива не существует, но существует огромное количество различных систем впрыска топлива с определенными преимуществами и недостатками. Большинство этих систем устарели из-за системы прямого впрыска Common-Rail , которая в настоящее время (2020 г.) используется во многих легковых автомобилях. Система впрыска Common Rail позволяет осуществлять прямой впрыск бензина и даже лучше подходит для непосредственного впрыска топлива дизельных двигателей . Однако система впрыска Common Rail является относительно сложной системой, поэтому в некоторых легковых автомобилях, в которых не используются дизельные двигатели, вместо используется система .

При проектировании системы впрыска топлива необходимо учитывать множество факторов, в том числе:

Стоимость системы
Характеристики двигателя и управляемость автомобиля (легкость запуска, плавность хода и т. Д.)
выхлопные выбросы
Возможности диагностики и простота обслуживания
Эффективность топлива
Надежность
Возможность работать на различных видах топлива

Датчики системы впрыска топлива

Помимо ключевых элементов топливной системы (дроссель, блок питания, топливный насос и распылители) ее работа неразрывно связана с наличием разных датчиков. В зависимости от типа впрыска эти устройства устанавливаются для:

Определения количества кислорода в выхлопе. Для этого используется лямбда-зонд (о том, как он работает, можно прочитать здесь). В автомобилях может использоваться один или два датчика кислорода (устанавливаются либо до, либо до и после катализатора);
Определения фаз газораспределения (что это такое, узнайте из другого обзора), чтобы блок управления смог подать сигнал на открытие распылителя именно в момент перед тактом впуска. Датчик фаз устанавливается на распределительный вал, и используется в системах фазированных распределительных систем впрыска. Поломка этого сенсора переводит блок управления на попарно-параллельный режим впрыска;
Определения частоты оборотов коленчатого вала. От ДПКВ зависит работа момента зажигания, а также других систем авто. Это самый важный датчик в машине. Если он выйдет из строя, мотор невозможно будет запустить или он заглохнет;
Вычисления, в каком объеме двигатель расходует воздух. ДМРВ помогает блоку управления определить, по какому алгоритму высчитывать количество бензина (время открытия распылителя). В случае поломки датчика массового расхода воздуха ЭБУ имеет аварийный режим, который ориентируется на показатели других датчиков, например, ДПКВ или на аварийные калибровочные алгоритмы (производитель устанавливает средние параметры);
Определения температурного режима двигателя. Датчик температуры в системе охлаждения позволяет корректировать топливоподачу, а также момент зажигания (чтобы избежать детонации из-за перегрева мотора);
Вычисления предполагаемой или реальной нагрузки на силовой агрегат. Для этого используется датчик дросселя. Он определяет, до какой степени водитель нажимает на педаль газа;
Предотвращения детонации в двигателе. Для этого используется датчик детонации. Когда это устройство фиксирует резкие и преждевременные толчки в цилиндрах, микропроцессор корректирует угол опережения зажигания;
Вычисления скорости движения машины. Когда микропроцессор фиксирует, что скорость машины превышает требуемый показатель оборотов мотора, «мозги» отключают подачу топлива в цилиндры. Такое происходит, например, когда водитель использует торможение двигателем. Данный режим позволяет сэкономить топливо на спусках или во время приближения к повороту;
Оценки количества вибраций, воздействующих на мотор. Такое происходит, когда транспорт движется по неровным дорогам. Вибрации могут приводить к пропускам воспламенения. Такие датчики используются в моторах, которые соответствуют стандартам Евро-3 и выше.

Ни один блок управления не работает исключительно на основании данных, поступающих от одного датчика. Чем больше этих сенсоров в системе, тем эффективней ЭБУ будет высчитывать топливные характеристики двигателя.

Поломка некоторых датчиков переводит ЭБУ в аварийный режим (на панели приборов загорается иконка мотора), но двигатель продолжает работать по заранее запрограммированным алгоритмам. Блок управления может опираться на показатели времени работы ДВС, его температуры, положения коленчатого вала и т. д. или просто по запрограммированной таблице с разными переменными.

Пару слов о типах бензиновых систем питания

Углубляясь в особенности ремонта бензиновых топливных систем, первочерёдно рассмотрим основные типы таковых и сущность их организации. Как ранее было отмечено, питание двигателя бензином осуществляет двумя известными всем способами:

Через карбюратор, который имеет механическую настройку и практически лишён электроники. В плане эксплуатации карбюраторные системы слегка надёжнее инжекторных, но сложность и маленькая вариативность их настройки заметно занижают ценз этого преимущества, поэтому в современных автомобилях преимущественно монтируют именно последние;
Через инжектор – узел, более функциональный и тонко настраиваемый, нежели карбюратор. Подобное преимущество инжекторных систем появилось благодаря внедрению в их работу электроники (блока управления), которая, основываясь на показаниях датчиков автомобиля, организует максимально эффективную подачу топлива в цилиндры двигателя. Из-за тонкой организации работы инжекторы слегка хуже в плане надёжности в отличие карбюраторов. Несмотря на это, многие автомобилисты уже научились эксплуатировать инжекторные агрегаты, поэтому этот недостаток не является столь существенным, чтобы отказаться от них и использовать карбюраторные машины.

Вне зависимости от типа ремонтируемой системы поломки могут быть либо следствием естественных, временных факторов, либо спровоцированы недостатками эксплуатации транспортного средства. Моментальное определение того, почему потребовался ремонт топливной системы, зачастую невозможно. Для качественной диагностики важен комплексный подход, включающий и проверку узлов на внутренние загрязнения, и анализ их механической работы. В любом случае, при знании некоторых нюансов определить причину неисправности и инжектора, и карбюратора не столь сложно, как может показаться на первый взгляд. Подробней именно о тонкостях ремонта пойдет речь далее.

Форсунка дизеля, виды форсунок дизельных двигателей, устройство и принцип действия

На дизельных моторах, а том числе и на тех, которые оснащены системой впрыска «Common Rail», применяют электрогидравлические форсунки. В конструкцию данного устройства входит — электромагнитный клапан, камера управления, а также сливная и впускная дроссели.

Принцип работы такого оборудования основывается на использовании давления топлива при впрыске, а также, после его прекращения. В исходном положении электромагнитный клапан полностью закрыт и обесточен, игла прибора прижата к седлу при помощи давления на поршень горючего в камере управления. Впрыск топлива в таком положении не производится. Стоит отметить, что давление горючего на иглу, в данной ситуации, меньше давления, которое производится на поршень, в результате разности площадей контакта.

После команды ЭБУ, срабатывает электромагнитный клапан и производится открытие сливной дроссели. Топливо, которое находится в камере управления, при этом, вытекает через дроссель в сливную магистраль. Впускной дроссель является препятствием, чтобы осуществилось быстрое выравнивание давлений во впускной магистрали и камере управления. Постепенно происходит уменьшение давления на поршень, однако давление горючего, осуществляемое на иглу, не изменяется, в результате чего осуществляется поднятие иглы и впрыск горючего.