Система непосредственного впрыска топлива

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

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

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

Виды и причины неисправностей ТНВД

Эксплуатация дизельных автомобилей показывает, что их работа зависит от различных параметров. В числе этих показателей – износ составляющих топливного насоса. Необходимо знать признаки, указывающие на проблемы в ТНВД.

Основные симптомы неполадок с топливным насосом, указывающие на необходимость ремонта:

топливная система дала течь;
двигатель стал потреблять больше топлива;
ремень ГРМ соскочил с шестерни привода топливного насоса;
двигатель стал запускаться с трудом;
мотор начал перегреваться;
появились необычные шумы при работе мотора;
двигатель стал больше дымить при обычных условиях работы.

Если хоть один из этих признаков имеет место, нужно оперативно отдать авто на диагностику и ремонт в профессиональную СТО. Там проверят работу насоса и установят процент износа каждого элемента. В случае необходимости произведут ремонт ТНВД, после чего его характеристики вернутся к заводским.

Топливные насосы высокого давления чаще всего проявляют следующие неполадки:

Сбои в работе, вызванные загрязнением. В ТНВД неизбежно попадают пыль и грязь из окружающей среды, а также нагар с поршней и внутренней части цилиндров. Загрязнения забивают клапаны и каналы, затрудняя ход плунжера. В итоге возрастает нагрузка на металл, из которого изготовлены части насоса. Усталость металла приводит к значительному снижению жесткости и прочности конструкции. Проблемы с загрязнением устраняются в ходе профилактики и ремонта.
Неравномерность подачи и распределения горючего. Такая неисправность возникает, если поводки плунжеров, зубья втулки, рейки, плунжера и нагнетательные клапаны существенно изношены. Также проблемы с нагнетанием топлива появляются в случае загрязнения или разрушения форсунок.
Выработка ресурса плунжерной пары. С течением временем плунжерная пара изнашивается и появляются «плавающие» обороты при работе двигателя на холостых оборотах. Также увеличивается расход горючего. Так как при этом снижается компрессия, то герметичность всей системы тоже нарушается. В особо запущенных случаях повреждается поверхность плунжера, тянущая за собой нестабильную работу двигателя и перегрев подшипников.
Брак изготовления. Некоторым автовладельцам приходится решать проблему повредившегося алюминиевого корпуса ТНВД. При этом на поверхности появляются явно видимые трещины. Эти повреждения могут распространяться вплоть до подшипников. Производственным браком также считается заклинивание втулки плунжера. Все эти неисправности решаются только полной заменой топливного насоса.
Износ и поломки подшипников. В результате этих неполадок ТНВД ухудшает рабочие параметры вследствие увеличения силы трения в движущихся частях.
Заклинивание поршня. Встречается ситуация, когда плунжер насоса заклинивает во втулке. Последствиями могут быть поломка шестерни, зубчатой рейки, вала с кулачками, регулятора или шпоночных соединений. Часто поршень заклинивает из-за попадания воды.
Износ движущихся частей из-за уменьшения количества смазки.
Ржавчина в паре плунжер-втулка из-за высокого содержания влаги в горючем.
Перегрев насоса несмотря на исправность охлаждения. Основные причины явления – недолив антифриза или забивание каналов охлаждающей жидкости.
Изнашивание сальников и прокладок. Следствием являются масляные подтеки, нестабильность работы мотора на холостых и высокая дымность выхлопных газов.

Прямой впрыск топлива: устройство системы непосредственного впрыска

Как уже было сказано выше, горючее в подобных системах питания подается непосредственно в камеру сгорания двигателя. Это значит, что форсунки распыляют бензин не во впускном коллекторе, после чего топливно-воздушная смесь поступает через впускной клапан в цилиндр, а впрыскивают топливо в камеру сгорания напрямую.

Первыми бензиновыми двигателями с непосредственным впрыском стали моторы GDI на моделях японской компании Mitsubishi. В дальнейшем схема получила широкое распространение, в результате чего сегодня ДВС с такой системой подачи топлива можно встретить в линейке многих известных автопроизводителей.

Например, концерн VAG представил ряд моделей Audi и Volkswagen с атмосферными и турбированными бензиновыми двигателям TFSI, FSI и TSI, которые получили непосредственный впрыск топлива. Также двигатели с прямым впрыском производит компания BMW, Ford, GM, Mercedes и многие другие.

Такое широкое распространение непосредственный впрыск топлива получил благодаря высокой экономичности системы (около 10-15% по сравнению с распределенным впрыском), а также более полноценному сгоранию рабочей смеси в цилиндрах и снижению уровня токсичности отработавших газов.

Особенность системы, ее составные части

Если в целом посмотреть на устройство Common Rail, то можно обнаружить очень сильное сходство с инжекторными бензиновыми системами питания, особенно непосредственного впрыска. По сути, конструкторы просто позаимствовали все положительные качества, которыми обладает инжектор, и перенесли их на дизельную установку, но с учетом особенностей работы этого типа мотора.

Отличие дизельного двигателя от бензинового

Особенность этой системы, по отношению к классической механической, заключена в предварительном аккумулировании давления топлива перед подачей его в цилиндры. Отсюда и название – аккумуляторная топливная система.

Как и ранее на дизельных моторах, система питания делится на два контура – низкого и высокого давления. Дополнительно в конструкцию Common Rail добавили электронную часть, осуществляющей контроль и управление исполнительной частью.

Контур низкого давления

Эта составляющая конструктивно практически не изменилась. В его состав входят:

бак,
фильтрующие элементы (грубой и тонкой очистки);
насос подкачки топлива;
топливные трубопроводы.

Контур низкого давления

Дополнительно в этот контур включены еще некоторые детали – охладитель и подогреватель топлива, а также отсекатель. Об этих составных частях – ниже.

Контур высокого давления

А вот этот контур конструктивно значительно изменился, поскольку в него добавились новые составные элементы. Устройство этой части включает в себя:

ТНВД;
магистраль высокого давления;
центральный магистральный трубопровод (рампа);
форсунки;
датчик и клапан регулировки давления.

Контур высокого давления

Суть этой конструкции заключена в том, что насос высокого давления качает топливо не к каждой форсунке по отдельности, как это было в механической системе, а закачивает его в магистральный трубопровод (рампу). А уже из нее оно подается на форсунки.

Использование в конструкции рампы позволяет поддерживать давление дизтоплива перед подачей в требуемом значении, при этом обороты мотора не оказывают на него никакого влияния. Это свою очередь оказывает положительное влияние на процесс подачи топлива при разных режимах функционирования мотора.

Основными рабочими элементами в этом контуре, как и раннее, являются ТНВД и форсунки.

Насос имеет механический привод, а количество плунжерных пар, создающих давление, может варьироваться от 1 до 3. Примечательно, что в таком насосе, поскольку нет надобности качать для каждой форсунки, на некоторых режимах плунжерные пары могут отключаться.

А вот форсунки конструктивно изменились. В Common Rail применяются электрогидравлические форсунки, оснащенные электромагнитными или пьезоэлектрическими клапанами управления. Применение их позволило обеспечить многократный впрыск, повышающий эффективность работы силовой установки.

Электронная составляющая

Что касается электронной части, то она практически полностью идентична используемой на инжекторных моторах. То есть, состоит она из электронного блока управления и ряда датчиков:

давления в магистральном трубопроводе;
скорости вращения коленвала;
положения акселератора (педали газа);
расхода воздуха;
лямбда-зонда;
температуры дизтоплива и воздуха.

На некоторых моторах применяется еще ряд других датчиков. Назначение электронной части идентично бензиновому мотору. Датчики передают информацию о работе систем и механизмов силовой установки и ряд других параметров. Поступающие данные блок сравнивает с табличными, занесенными в память, и на основе этого подает импульс на срабатывание форсунок.

Носители системы

На данный момент[когда?] до 70 % всех выпускаемых дизельных двигателей оснащается системами common rail, и эта доля растёт. По прогнозам компании Robert Bosch GmbH доля системы CR на рынке к 2016 году достигнет 83 %, а в 2008 году их число составляло лишь 24 %. Таким образом, сегодня практически каждый производитель двигателей всех классов: от малых легковых и до крупных судовых, освоил применение аккумуляторных систем.

Среди производителей топливоподающей аппаратуры и систем common rail в частности, лидерами являются следующие компании: R. Bosch, Denso, Siemens VDO, Delphi, L’Orange, Scania.

Немного истории

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

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

Прямой впрыск топлива

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

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

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

Функционирование отдельных узлов и оборудования в целом

Бензин подаётся из бака под давлением расположенным там электрическим насосом. Электромотор и насосная часть работают в среде бензина, им же охлаждаются и смазываются. Пожарная безопасность обеспечивается недостатком необходимого для воспламенения кислорода, переобогащённая бензином смесь с воздухом электрической искрой не поджигается.

Пройдя двухступенчатую фильтрацию, бензин поступает в топливную рампу. Давление в ней поддерживается стабильным с помощью регулятора, встроенного в насос или рампу. Излишки сливаются обратно в бак.

В нужный момент на электромагниты форсунок, закреплённых между рампой и впускным коллектором, от драйверов ЭСУД поступает электрический сигнал на открытие. Топливо под давлением впрыскивается фактически на впускной клапан, одновременно распыляясь и испаряясь. Поскольку перепад давлений на форсунке поддерживается стабильным, то количество подаваемого бензина определяется временем открытия клапана форсунки. Изменение разрежения в коллекторе учитывается программой контроллера.

Время открытия форсунки является расчётной величиной, вычисляемой на основании данных, получаемых от датчиков:

массового расхода воздуха или абсолютного давления в коллекторе;
температуры всасываемого газа;
степени открытия дроссельной заслонки;
наличия признаков детонационного горения;
температуры двигателя;
частоты вращения и фаз положения коленчатого и распределительных валов;
наличия кислорода в выхлопных газах до и после каталитического нейтрализатора.

Кроме того, ЭСУД по шине данных принимает информацию от прочих систем автомобиля, обеспечивая реакцию двигателя в различных ситуациях. В программе блока непрерывно поддерживается моментная математическая модель двигателя. Все её константы записаны в многомерных картах режимов.

Помимо непосредственно управления впрыском, система обеспечивает работу иных устройств, катушек и свечей зажигания, вентиляции бака, стабилизации теплового режима и многих других функций. ЭСУД имеет оборудование и программное обеспечение для ведения самодиагностики и предоставления водителю информации о появлении ошибок и неисправностей.

В настоящее время используется только индивидуальный фазированный впрыск по каждому цилиндру. В прошлом форсунки работали одновременно или попарно, но это не оптимизировало процессы в двигателе. После введения датчиков положения распредвалов каждый цилиндр получил отдельное управление и даже диагностику.

Устройство, назначение и виды форсунок

Основная функция форсунки — своевременная подача топлива в камеру силового агрегата путём впрыска порции горючего в проходящий поток воздуха с образованием топливно-воздушной смеси (ТВС). Подача должна обязательно осуществляться под давлением

Особенно это важно для дизельного двигателя, где некоторая часть топлива самовоспламеняется ещё до попадания в камеру сгорания

Каждая форсунка оснащена клапаном, при открытии которого она набирает топливо, а затем выталкивает смесь под давлением. В инжекторе применяется не одна, а несколько форсунок, объединённых в систему управляемых элементов.

Работу форсунок можно представить следующим образом: по одному каналу подаётся топливо, по второму идёт поток воздуха, регулируемый дроссельной заслонкой. Попадая в форсунки, топливо распыляется для лучшего смешения с воздухом, и ТВС поступает в камеру воспламенения.

Топливные форсунки осуществляют впрыск топлива в камеру сгорания под давлением

Таким образом, процесс работы форсунок состоит из четырёх стадий.

Топливо поступает от топливного насоса высокого давления (ТНВД) к форсунке.
Попавшее в полость форсунки топливо оказывает воздействие на пружину.
Пружина через промежуточную шайбу давит на иглу.
Игла приподнимается, топливо попадает в отверстие распылителя и распыляется под высоким давлением.

По системе впрыска

По типу впрыска выделяют:

форсунки с центральным впрыском;
форсунки с распределённым впрыском;
форсунки с непосредственным впрыском.

Первые используются в системе моновпрыска и применяются на бензиновых силовых агрегатах. Работа их основана на впрыске топлива одной (а не четырьмя-шестью) форсункой, расположенной непосредственно на впускном коллекторе.

Наиболее популярными системами моновпрыска считаются «Моно-Джетроник», «Опель-Мультек» и др. Они используются на автомобилях «Ауди» и «Фольксваген».

Одной из самых популярных систем моновпрыска является «Моно-Джетроник»

Одним из значимых элементов системы моновпрыска, помимо форсунки, является регулятор давления. Он отвечает за постоянное поддерживание рабочего давления в пределах 0,1 МПа. Именно регулятор после остановки двигателя сохраняет остаточное давление, препятствующее проникновению в систему воздуха и облегчающее следующий пуск мотора.

Форсунки для распределённого впрыска используются в системе, предназначенной для подачи горючего за счёт электромагнитного управления иглой распылителя. Такой впрыск более современный, отличается тем, что в каждом цилиндре двигателя устанавливается своя форсунка, впрыскивающая дозированную порцию топливной жидкости в определённый момент.

Система с распределённым впрыском имеет несколько подсистем:

узел, отвечающий за подачу и очистку горючего;
часть системы, в которой происходит очистка и подача воздуха;
камера для улавливания и сжигания ТВС;
электронная подсистема с датчиками;
узел, где происходит выпуск и дожигание отработавших газов.

Форсунки непосредственного впрыска применяются в самой совершенной на сегодня системе впрыска бензиновых ДВС. Принцип функционирования основан на непосредственном впрыске бензина прямо в камеру сгорания.

Первая в мире система непосредственного впрыска была применена в моторах GDI, устанавливаемых на автомобили «Мицубиси». В настоящее время используется широко в автомобилях марки «Ауди» (моторы TFSI), «Фольксваген» (TSI), «БМВ» и др. Благодаря внедрению такой системы удалось достичь существенного снижения расхода горючего, сокращения вредных выбросов в атмосферу и др.

Схема непосредственного впрыска впервые была применена в моторах GDI

По конструкции

В зависимости от особенностей конструкции различают:

электрогидравлические форсунки;
электромагнитные форсунки;
пьезоэлектрические форсунки.

Первый тип форсунок нашёл применение в дизельных двигателях, в том числе и в системе Common Rail. Состоит такая форсунка из впускного и сливного дросселей, управляющей камеры и клапана.

Электрогидравлические форсунки используются в дизельных двигателях

Электромагнитная форсунка используется в бензиновых двигателях, укомплектованных системой непосредственного впрыска, и отличается несложным устройством. Основные элементы форсунки — клапан с иглой и сопло.

Электромагнитная форсунка используется в бензиновых двигателях

Наиболее прогрессивными в настоящее время являются пьезоэлектрические форсунки. Они устанавливаются на дизельные двигатели с системой Common Rail. Состоит такая форсунка из пьезоэлемента, переключателя, иглы и толкателя.

Пьезоэлектрические форсунки являются наиболее современными

Система управления двигателем

Системой управления двигателем называется электронная система управления, которая обеспечивает работу двух и более систем двигателя. Система является одним из основных электронных компонентов электрооборудования автомобиля.

Генератором развития систем управления двигателем в мире является немецкая фирма Bosch. Технический прогресс в области электроники, жесткие нормы экологической безопасности обусловливают неуклонный рост числа подконтрольных систем двигателя.

Свою историю система управления двигателем ведет от объединенной системы впрыска и зажигания. Современная система управления двигателем объединяет значительно больше систем и устройств. Помимо традиционных систем впрыска и зажигания под управлением электронной системы находятся: топливная система, система впуска, выпускная система, система охлаждения, система рециркуляции отработавших газов, система улавливания паров бензина, вакуумный усилитель тормозов.

Термином «система управления двигателем» обычно называют систему управления бензиновым двигателем. В дизельном двигателе аналогичная система называется система управления дизелем.

Система управления двигателем включает входные датчики, электронный блок управления и исполнительные устройства систем двигателя.

Входные датчики измеряют конкретные параметры работы двигателя и преобразуют их в электрические сигналы. Информация, получаемая от датчиков, является основой управления двигателем. Количество и номенклатура датчиков определяется видом и модификацией системы управления. Например, в системе управления двигателем Motronic-MED применяются следующие входные датчики: давления топлива в контуре низкого давления, давления топлива, частоты вращения коленчатого вала, Холла, положения педали акселератора, расходомер воздуха (при наличии), детонации, температуры охлаждающей жидкости, температуры масла, температуры воздуха на впуске, положения дроссельной заслонки, давления во впускном коллекторе, кислородные датчики и др. Каждый из датчиков используется в интересах одной или нескольких систем двигателя.

Электронный блок управления двигателем принимает информацию от датчиков и в соответствии с заложенным программным обеспечением формирует управляющие сигналы на исполнительные устройства систем двигателя. В своей работе электронный блок управления взаимодействует с блоками управления автоматической коробкой передач, системой ABS (ESP), электроусилителя руля, подушками безопасности и др.

Исполнительные устройства входят в состав конкретных систем двигателя и обеспечивают их работу. Исполнительными устройствами топливной системы являются электрический топливный насос и перепускной клапан. В системе впрыска управляемыми элементами являются форсунки и клапан регулирования давления. Работа системы впуска управляется с помощью привода дроссельной заслонки и привода впускных заслонок.

Катушки зажигания являются исполнительными устройствами системы зажигания. Система охлаждения современного автомобиля также имеет ряд компонентов, управляемых электроникой: термостат (на некоторых моделях двигателей), реле дополнительного насоса охлаждающей жидкости, блок управления вентилятора радиатора, реле охлаждения двигателя после остановки.

В выпускной системе осуществляется принудительный подогрев кислородных датчиков и датчика оксидов азота, необходимый для их эффективной работы. Исполнительными устройствами системы рециркуляции отработавших газов являются электромагнитный клапан управления подачей вторичного воздуха, а также электродвигатель насоса вторичного воздуха. Управление системой улавливания паров бензина производится с помощью электромагнитного клапан продувки адсорбера.

Принцип работы системы управления двигателем основан на комплексном управлении величиной крутящего момента двигателя. Другими словами, система управления двигателем приводит величину крутящего момента в соответствия с конкретным режимом работы двигателя. Система различает следующие режимы работы двигателя:

запуск;
прогрев;
холостой ход;
движение;
переключение передач;
торможение;
работа системы кондиционирования.

Изменение величины крутящего момента производиться двумя способами — путем регулирования наполнения цилиндров воздухом и регулированием угла опережения зажигания.

Источник

Сущность схемы непосредственного впрыска в камеру сгорания

Для человека, который не обладает техническим складом ума, разобраться в данном вопросе – задача чрезвычайно сложная. Но все же знание отличий данной модификации двигателя от инжекторной или карбюраторной необходимо. Впервые двигатели с непосредственным впрыском применялись в модели Mercedes-Benz 1954 года выпуска, но большую популярность данная модификация приобрела благодаря компании Mitsubishi под названием Gasoline Direct Injection.

И с тех пор данная конструкция применяется многими известными брендами, такими как:

BMW,
Infinity,
Ford,
General Motors,
Hyundai,
Mercedes-Benz,
Mazda.

При этом каждая из фирм использует свое название для рассматриваемой системы. Но принцип действия остается одним и тем же.

Росту популярности системы впрыска топлива способствуют показатели ее экономичности и экологичности, так как при ее использовании значительно сокращается выброс вредных веществ в атмосферу.

Устройство и принцип работы на примере электронной системы распределенного впрыска

Устройство системы впрыска

В современных впрысковых двигателях для каждого цилиндра предусмотрена индивидуальная форсунка. Все форсунки соединяются с топливной рампой, где топливо находится под давлением, которое создает электробензонасос. Количество впрыскиваемого топлива зависит от продолжительности открытия форсунки. Момент открытия регулирует электронный блок управления (контроллер) на основании обрабатываемых им данных от различных датчиков.

Датчик массового расхода воздуха служит для расчета циклового наполнения цилиндров. Измеряется массовый расход воздуха, который потом пересчитывается программой в цилиндровое цикловое наполнение. При аварии датчика его показания игнорируются, расчет идет по аварийным таблицам.

Датчик положения дроссельной заслонки служит для расчета фактора нагрузки на двигатель и его изменения в зависимости от угла открытия дроссельной заслонки, оборотов двигателя и циклового наполнения.

Датчик температуры охлаждающей жидкости служит для определения коррекции топливоподачи и зажигания по температуре и для управления электровентилятором. При аварии датчика его показания игнорируются, температура берется из таблицы в зависимости от времени работы двигателя.

Датчик положения коленвала служит для общей синхронизации системы, расчета оборотов двигателя и положения коленвала в определенные моменты времени. ДПКВ – полярный датчик. При неправильном включении двигатель заводится не будет. При аварии датчика работа системы невозможна. Это единственный “жизненно важный” в системе датчик, при котором движение автомобиля невозможно. Аварии всех остальных датчиков позволяют своим ходом добраться до автосервиса.

Датчик кислорода предназначен для определения концентрации кислорода в отработавших газах. Информация, которую выдает датчик, используется электронным блоком управления для корректировки количества подаваемого топлива. Датчик кислорода используется только в системах с каталитическим нейтрализатором под нормы токсичности Евро-2 и Евро-3 (в Евро-3 используется два датчика кислорода- до катализатора и после него).

Датчик детонации служит для контроля за детонацией. При обнаружении последней ЭБУ включает алгоритм гашения детонации, оперативно корректируя угол опережения зажигания.

Здесь перечислены только некоторые основные датчики, необходимые для работы системы. Комплектации датчиков на различных автомобилях зависят от системы впрыска, от норм токсичности и пр.

Про результатам опроса определенных в программе датчиков, программа ЭБУ осуществляет управление исполнительными механизмами, к которым относятся: форсунки, бензонасос, модуль зажигания, регулятор холостого хода, клапан адсорбера системы улавливания паров бензина, вентилятор системы охлаждения и др. (все опять же зависит от конкретной модели)

Из всего перечесленного, возможно, не все знают, что такое адсорбер. Адсорбер является элементом замкнутой цепи рециркуляции паров бензина. Нормами Евро-2 запрещен контакт вентиляции бензобака с атмосферой, пары бензина должны собираться (адсорбироваться) и при продувке посылаться в цилиндры на дожиг. На неработающем двигателе пары бензина попадают в адсорбер из бака и впускного коллектора, где происходит их поглощение. При запуске двигателя адсорбер по команде ЭБУ продувается потоком воздуха, всасываемого двигателем, пары увлекаются этим потоком и дожигаются в камере сгорания.