Как работает инжектор и система впрыска топлива?

Распределенный впрыск топлива: экономно и экологично

Не секрет, что распределённый впрыск топлива (инжекция)  – это современная технология, тесно связанная со сложной электроникой. Главной её «фишкой» является наличие индивидуальной форсунки у каждого цилиндра бензинового мотора.

Но, на самом деле, похожие системы, правда, имеющие механическое управление, появились ещё в конце ХIХ – начале ХХ веков. Использовались они в авиации, в гоночных машинах и иногда их интерпретации даже выходили на массовый автомобильный рынок.

Настоящий же бум распределенный впрыск пережил с появлением доступных микропроцессоров в конце 80-х годов и пользуется уважением у производителей транспортных средств и по сей день.

Перейдём к принципу работы и разновидностям системы распределенного впрыска (кстати, её ещё называют многоточечной системой).

Как мы уже упомянули, ключевой особенностью данной технологии являются топливные форсунки, которые устанавливаются по одной перед впускными клапанами каждого цилиндра двигателя.

Таким образом, в отличие от моновпрыска, удаётся добиться равномерного распределения топливно-воздушной смеси по цилиндрам, а также точной её дозировки.

В целом данная схема расположения форсунок позволила инженерам значительно повысить экологичность моторов, а также сделать их менее прожорливыми. Контролирует весь этот ансамбль электронный блок управления (ЭБУ).

Он при помощи многочисленных датчиков, передающих данные о температуре, положении педали газа, количестве поступающего воздуха и прочих параметрах, вычисляет оптимальный объём бензина для впрыска и в нужный для этого момент подаёт управляющий сигнал на открытие форсунок.

Система впрыска топлива бензиновых двигателей: слаженный симбиоз технологий

Итак, как мы уже сказали комбинированная система впрыска топлива бензиновых двигателей – это симбиоз распределённого и непосредственного впрыска, поэтому в её составе можно найти элементы от обеих технологий, а именно:

• топливную рампу высокого давления со своими форсунками;
• топливную рампу низкого давления с форсунками;
• топливный насос высокого давления (ТНВД);
• электронный блок управления (ЭБУ).

В общих чертах работает всё следующим образом. Как и всегда, руководит процессом подачи топлива и активации той или иной подсистемы форсунок электронный блок управления двигателем.

В его функции входит не только правильно определить момент смены режима работы силового агрегата, но и рассчитать дозировку топлива, подходящий состав смеси и время инжекции.

Делает выводы о происходящем ЭБУ на основе алгоритмов, заложенных в его память, а также анализируя информацию, поступающую от многочисленных датчиков.

Также стоит отметить, что ТНВД запитывает одновременно и контур форсунок непосредственного впрыска, которому требуется высокое давление вплоть до 20 МПа, и контур распределённого впрыска, где напор бензина в разы меньше.

Теперь о том, в каких случая включаются те или иные форсунки. Инженеры концерна Volkswagen решили, что оптимальные показатели экологичности и эффективности у элементов, работающих по технологии непосредственной инжекции, будут при запуске и прогреве мотора, а также в моменты максимальной нагрузки на двигатель — когда Вы нажали педаль «газа» в пол.

Причём и тут возможны различные варианты работы системы. Так, к примеру, при холодном агрегате обеспечивается один впрыск за цикл (два оборота коленвала) в каждый цилиндр и происходит это на такте впуска, а при полной мощности система делает уже два впрыска — один на впуске, второй на сжатии.

Когда мотор не сильно нагружен, а это, как правило, относится к неспешной езде в городе, лучше использовать распределённую систему.

В этом режиме форсунки в цилиндрах также периодически включаются, но исключительно в профилактических целях – чтобы их сопла не засорялись продуктами горения.

КАК РАБОТАЕТ ДВИГАТЕЛЬ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

В данном разделе рассматривается принцип работы двигателя внутреннего сгорания на примере одноцилиндрового бензинового мотора.

Главная часть двигателя внутреннего сгорания — это цилиндр с внутренней зеркальной поверхностью. Сверху на цилиндре установлена головка, которая является отдельной деталью и при необходимости снимается, например чтобы получить доступ к двигателю для проведения ремонтных работ (рис. 1.2).

Рис. 1.2. Двигатель со снятой головкой блока цилиндров.

Внутри цилиндра находится поршень. Внешне он напоминает обычный стакан, который перевернут вверх дном (именно дно поршня является его рабочей поверхностью). В процессе работы двигателя поршень внутри цилиндра перемещается вертикально вверх- вниз с высокой интенсивностью.

Снаружи по окружности поршня в отдельных канавках расположены поршневые кольца. Поршень прилегает к внутренней поверхности цилиндра неплотно. Поршневые кольца, во-первых, препятствуют попаданию вниз газа, образующегося при работе двигателя, во- вторых, не пропускают моторное масло в камеру сгорания, которая находится над поршнем и расположена над верхней мертвой точкой (о том, что это такое, рассказывается далее).

Поршень закреплен на шатуне с помощью специальной детали, которая называется поршневым пальцем. В свою очередь, шатун закреплен на коленчатом валу двигателя, а точнее — на кривошипе коленчатого вала (рис. 1.3). При сгорании рабочей смеси образующиеся газы оказывают сильное давление на поршень, который начинает двигаться вниз и через шатун передает свою энергию на коленчатый вал, что в результате вынуждает его вращаться.

Рис. 1.3. Поршень с шатуном.

На конце коленчатого вала имеется тяжелый металлический диск с зубьями, который называется маховиком. Основная его задача — обеспечить вращение коленчатого вала по инерции, что необходимо для подготовительных тактов рабочего цикла (о том, что такое «такты» и «рабочий цикл», будет рассказано далее).

Горючая смесь поступает в камеру сгорания через впускной клапан, а после сгорания продукты горения, которые представляют собой выхлопные газы, выходят из камеры сгорания через выпускной клапан. Оба клапана открываются в тот момент, когда их толкает соответствующий кулачок распределительного вала. Как только кулачок отходит назад (это происходит очень быстро, так как распределительный вал вращается с высокой скоростью), клапаны вновь плотно закрываются: их возвращают в исходное положение мощные пружины.

Примечание.

Распределительный вал двигателя приводится в действие коленчатым валом.

Свеча вкручивается непосредственно в головку блока цилиндров: для этого специально предназначено отверстие с резьбой. Свеча является источником искры, которая проскакивает между ее электродами, от нее в камере сгорания воспламеняется рабочая смесь. На каждый цилиндр двигателя приходится одна свеча (следовательно, у четырехцилиндрового двигателя имеется четыре свечи, у восьми-цилиндрового — восемь и т. д.).

При движении вверх-вниз поршень поочередно достигает двух крайних положений — верхнего и нижнего: в них он максимально удален от центральной оси коленчатого вала. Верхнее крайнее положение поршня называется верхней мертвой точкой, а нижнее — нижней мертвой точкой (соответственно ВМТ и НМТ). Расстояние между ВМТ и НМТ называется ходом поршня.

Пространство, которое остается над поршнем при его нахождении в ВМТ, называется камерой сгорания. Именно здесь воспламеняется и сгорает рабочая смесь. При этом возникает своеобразный «мини-взрыв», который сопровождается резким и сильным повышением давления, под воздействием которого поршень начинает двигаться вниз. Как раз в этот момент тепловая энергия превращается в механическую. При вертикальном движении вниз поршень через шатун толкает коленчатый вал, заставляя его вращаться. Образовавшийся крутящий момент передается на ведущие колеса автомобиля, которые и приводят машину в движение.

Объем в промежутке между ВМТ и НМТ называется рабочим объемом цилиндра. Если суммировать объем камеры сгорания (как указывалось, так называется пространство над ВМТ) и рабочий объем цилиндра, получится полный объем цилиндра. Сумма полных объемов всех цилиндров называется рабочим объемом двигателя.

По такому принципу работает двигатель внутреннего сгорания современного автомобиля. Далее рассмотрено, что представляет собой рабочий цикл двигателя внутреннего сгорания.

Обслуживание

В данную группу входит не только замена моторного масла, но и регулировка клапанов.

Первым делом стоит сказать про ВАЗ 2112 замена масла которого должна выполняться каждые 15 000 километров пробега. Конечно, если вы замените его чуть раньше или чуть позже, то ничего страшного. Главное, не забывать про это дело, чтобы двигатель 2112 не голодал и не выходил из строя.

Замена масла

Для замены потребуется немного инструментов и специальная емкость для старого масла.

Порядок действий при сливе старого масла:

Открутить специальную пробку, которая расположена под силовым агрегатом

Для этого можно использовать ключ на 17 или просто руки.
Сливать нужно очень осторожно, чтобы масло не попало на пол и вашу кожу, так как оно очень горячее. В случае неосторожности можно получить серьёзный ожог и другие неприятности.
После откручивания следует протереть поддон картера и сам 2112 двигатель

Это нужно для того, чтобы все было чисто. Заворачиваем пробку и идем дальше.
Отворачиваем масляный фильтр, расположенный под капотом автомобиля. Это действие следует проделывать при помощи специальной отвертки или съемника.
После этого можно промазать прокладку нового фильтра маслом и завернуть последний на штуцер. Нужно очень внимательно следить за прикладываемой силой, чтобы не повредить резьбу.

Порядок действий при заливке:

• Снимаем крышку с заливной горловины;
• Берем качественное масло и заливаем его в количестве 3,4 литра. Следует очень внимательно следить за уровнем, чтобы двигатель ВАЗ 21128 получил свое количество специальной жидкости;
• После всего этого можно завести силовой агрегат и дать ему поработать в течение нескольких минут. Это нужно для того, чтобы масло прошло по всем системам и создало защитную пленку. Далее заглушаем агрегат и проверяем уровень масла.
• Если необходимо долить, то доливаем;
• Также следует посмотреть на приборную панель. Если двигатель ВАЗ 21128 работает стабильно, то на ней не должно гореть лампочки check engine.

Регулировка клапанов

Теперь можно перейти к самому сложному и интересному. Дело в том, что регулирование 16 клапанного агрегата дело не самое простое, нужен специальный опыт.

Первым делом разберем технологию с применением прибора:

• Следует открыть крышку клапанного механизма и снять кожух с ремня газораспределительного механизма;
• Установить специальный прибор, предназначенный урегулировать 8 и 16 клапанный механизм;
• Выставить необходимые метки на коленвале и распредвале. Это нужно для того, чтобы правильно отрегулировать клапана. Проверяем натяжение ремня ГРМ. В случае необходимости затягиваем его и проворачиваем распределительный вал на несколько зубьев по часовой стрелке;
• Проверяем зазор при помощи щупа;
• Отворачиваем шайбу и смотрим, что на ней обозначено. Далее покупаем готовый комплект шайб и устанавливаем их вместо старой.

Без прибора:

• Первым делом необходимо снять крышку клапанов;
• Поднять одно из колес при помощи домкрата;
• Определяем, где находятся впускные и выпускные клапаны;
• Поворачиваем колесо до тех пор, пока одно из колен коленчатого вала не окажется сверху. Замеряем зазор первого клапана;
• Далее нужно просчитать, какая шайба понадобится в данном случае. Данное действие необходимо и тогда, когда будут делать тюнинг двигателя ВАЗ 2112.

Просчитывать толщину шайбы можно по специальной формуле:

• Н = В+(А–С), мм,
• где А – замеренный зазор;
• В – толщина снятой шайбы;
• С – номинальный зазор;
• Н – толщина новой шайбы.

Вот таблица, которая поможет в регулировке клапанов ВАЗ 2112 тюнинг двигателя:

УГОЛ, НА КОТОРЫЙ СЛЕДУЕТ ПОВОРАЧИВАТЬ КОЛЕНВАЛ	КУЛАЧКИ
	ВЫПУСКНОЙ	ВПУСКНОЙ
40-50	1	3
220-230	5	8
400-410	8	6
580-590	4	7

Все это позволяет избавиться от троения силового агрегата.

Устройство системы K-jetronic

• Традиционной дроссельной заслонкой;
• Воздушным расходомером;
• Топливным дозатором-распределителем;
• Регулятором, управляющим давлением;
• Пусковой форсункой;
• Впрыскивающими форсунками;
• Термическим реле;
• Клапаном добавочного воздуха.

Назначение дроссельной заслонки, которая управляется с помощью механического привода, связывающего ее с педалью акселератора (газа), заключается в регулировании подачи объема воздуха, идущего на образование рабочей топливной смеси.

При помощи воздушного расходомера осуществляется замер порций воздуха, отмеряемых за счет пропорционального смещения напорного диска, соединенного системой из двух рычагов с поршнем дозаторного распределителя.

После открывания заслонки дросселя во впускной коллектор поступает ограниченный объем воздуха, смещающий нагнетательный (напорный) диск, зафиксированный на рычаге. На этом же рычаге, через ось, закреплен упорный рычаг поршня распределения топлива, роликом опирающийся на поршень и имеющий на своем конце винт регулирования качества подготавливаемой к впрыску смеси.

Распределительный дозатор служит для реализации перераспределения полученной смеси топлива с воздухом по форсункам при разнообразных двигательных нагрузках. Поскольку снизу на поршень оказывается воздействие со стороны рычага напорного диска, а сверху – давление, создаваемое в регуляторе управляющего давления, согласующим результатом этих воздействий оказывается подготовка топливно-воздушной смеси в стехиометрическом соотношении (1 к 14.7), необходимом для качественной работы катализатора. Следствием использования такого конструкционного решения оказывается увеличенный срок его службы.

Вместе с тем регулятор, управляющий давлением, служит для сохранения в системе неизменного по своей величине давления топлива. Он создает необходимые условия для поддержания подпорного давления на верхушке плунжера, вследствие чего создаются предпосылки для формирования обогащенной, либо обедненной воздушно-топливной смеси. Что, в свою очередь, гарантирует безотказную работу двигателя в различных режимах, в частности:

• при его холодном запуске;
• при прогреве в режиме холостого хода;
• при пиковой нагрузке.

Чтобы добиться беспроблемного запуска двигателя в условиях пониженных наружных температур (менее 10 °C), система K-Jetronic содержит два конструкционных элемента: пусковую форсунку и клапан добавочного воздуха.

Благодаря наличию форсунки пуска, когда двигатель только запускается или работает в режиме прогрева на холостых оборотах, осуществляется подача дополнительной порции топлива во впускной коллектор двигателя. Работает эта форсунка в паре с термическим реле, которое исполняет ее управляющую роль.

Термореле монтируется на блоке цилиндров силового агрегата и служит для контроля температуры охлаждающей жидкости, циркулирующей по его рубашке. Как понятно из вышесказанного, при низкой температуре окружающего воздуха, реле подает сигнал на пусковую форсунку. При достижении запрограммированного уровня температуры охлаждающей жидкости форсунка прекращает свою работу.

Для того, чтобы обеспечить постоянную подачу топлива под давлением, используются индивидуальные для каждого цилиндра форсунки впрыска.

Клапан добавочного воздуха служит для подачи дополнительной воздушной порции, когда осуществляется запуск мотора без задействования дроссельной заслонки. При холодном двигателе клапан полностью открыт, как только мотор начинает прогреваться, клапан, под воздействием биметаллической пластины, связанной с клапанной диафрагмой, постепенно прикрывается вплоть до полного перекрытия подачи воздуха.

В качестве регулировочных инструментов холостого хода завод-производитель силовой установки использует специальные регулировочные винты:

• Первый из них используется для установки частоты вращения коленчатого вала при холостом ходе;
• Второй – для регулирования качественных характеристик смеси, влияющих на концентрацию в выхлопе угарного газа.

Устройство комбинированной системы впрыска

Комбинированная система впрыска состоит из следующих элементов:

• Система непосредственного впрыска (форсунки, топливная рампа высокого давления);
• Система распределенного впрыска (форсунки, топливная рампа низкого давления);
• Топливный насос высокого давления.

Такие элементы системы непосредственного впрыска, как форсунки, устанавливаются непосредственно в камерах сгорания цилиндров. Топливная рампа высокого давления поддерживает давление 20 МПа. Форсунки системы распределенного впрыска устанавливаются перед впускными клапанами в каналах впускного коллектора.

Материал изготовления блока цилиндров и гильз цилиндров

В зависимости от рабочего объёма и других технических и эксплуатационных характеристик, назначения, существует несколько вариантов компоновки (расположения цилиндров двигателя), а также несколько материалов для изготовления блока и цилиндра.

Так как в цилиндре возникают условия переменных давлений в надпоршневой полости, внутренняя поверхность стенок цилиндров соприкасается с пламенем и горячими газами (температура которых составляет от 1500—2500 °С), такая деталь должна изготавливаться из высокопрочных материалов с большой механической прочностью. Скорость скольжения поршневых колец по стенкам цилиндров достаточно большая от 12 до 15 м/сек, поэтому внутренние стенки цилиндра должны иметь повышенную жесткость. В этом случае увеличится срок службы цилиндра (гильзы цилиндра) и деталь будет более устойчива к разным видам износа (абразивным, коррозийным и эрозийным). Если поверхность блока цилиндров износилась выше допустимых пределов (что определется методом дефектации блока цилиндров), необходимо провести ремонт блока цилиндров. 

Если нет ограничений по массе двигателя, например тракторный двигатель, то блок цилиндров изготавливается из перлитного чугуна. 

На транспортных двигателях, где есть ограничения по массе, применяю более легкие алюминиевые и магниевые сплавы для изготовления блока цилиндров.

Преимущества блоков цилиндров из серого чугуна:

• низкая стоимость;
• высокая технологичность литья;
• стабильность свойств материала;
• возможность ремонта трещин блока (запайкой, заваркой, эпоксидным клеем);
• высокая твёрдость и жёсткость поверхностей, устойчивость к перегреву;

Недостатки чугунов

Главный недостаток чугуна большая масса (плотность выше в 2,7 раза), и меньшая теплопроводность.

Алюминиевые сплавы более дорогие, но алюминиевые блок цилиндров имеют гораздо меньшую массу. Алюминиевые сплавы имеют ряд особенностей, которые следует учитывать при изготовлении и эксплуатации блоков цилиндров.

История создания распределенного впрыска

Первое приспособление, напоминающее современную систему распределенного впрыска топлива, придумал для своих двигателей английский инженер и изобретатель Герберт Стюарт еще в конце XIX века. Первую российскую систему впрыска для бензиновых авиационных двигателей разработали в 1916 году конструкторы Микулин и Стечкин

В дальнейшем его идеи развили и усовершенствовали Роберт Бош и Клесси Камминс, и конструкция к уже в двадцатые годы нашла массовое применение в топливной системе дизельных двигателей. Первую российскую систему впрыска для бензиновых авиационных двигателей разработали в 1916 году конструкторы Микулин и Стечкин.

Впервые система распределенного впрыска бензина была применена на двигателе, изобретенном шведским инженером Йонасом Хессельманом в 1925 году. Согласно замыслу Хессельмана, топливо необходимо было впрыскивать в каждый цилиндр ближе к концу такта сжатия, чтобы воспламенение происходило уже непосредственно перед началом хода поршня вниз. Двигатель Хессельмана обычно запускался на бензине, а затем при работе использовался дизель или керосин.

Прямой впрыск топлива в каждый цилиндр использовался в авиационных двигателях времен Второй мировой производства Junkers, Daimler-Benz и BMW с целью обеспечить пилотам возможность выполнять фигуры высшего пилотажа без риска остановки мотора. На германских авиационных двигателях использовалась адаптированная система впрыска дизельного топлива фирмы Bosch. Устройства назывались карбюраторами, но топливо подавалось не самотеком, а при помощи насосов высокого давления.

Первые серийные системы управления распределенным впрыском были механическими, их производство в 1951 начала компания Bosch

Первую систему распределенного впрыска, управляемую электроникой, производства итальянской фирмы Caproni-Fuscaldo установила на гоночный автомобиль Alfa Romeo 6C2500 в 1940 году. Шестицилиндровый двигатель был снабжен индивидуальными форсунками.

Первые серийные системы управления распределенным впрыском были механическими. Их производство в 1951 начала компания Bosch. Одним из первых такой системой в 1954 оснастили легендарное купе Mercedes-Benz 300 SL «Крыло чайки». В дальнейшем механические системы начали устанавливать и на более массовые модели, к примеру, на автомобили Audi 100.

Топливная рейка с форсунками и регулятором давления.

Эпоха электронного управления системами впрыска бензина началась в восьмидесятые годы с появлением дешевых микропроцессоров. Первым серийным автомобилем с инжектором, управляемым электронным контроллером на основе микропроцессора, был Rambler Rebel 1957 года фирмы Nash — части американского автомобильного концерна AMC. Система впрыска называлась Electrojector, и ее применение позволило поднять мощность восьмицилиндрового двигателя «Бунтаря» на 60 л.с.