Бензиновый двигатель с непосредственным впрыском топлива: устройство и особенности
Система непосредственного впрыска топлива в бензиновых двигателях на сегодняшний день представляет собой наиболее совершенное и современное решение. Главной особенностью непосредственного впрыска можно считать то, что горючее подается в цилиндры напрямую.
По этой причине данную систему также часто называют прямым впрыском топлива. В этой статье мы рассмотрим, как работает двигатель с непосредственным впрыском топлива, а также какие преимущества и недостатки имеет такая схема.
Читайте в этой статье
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.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.
Система непосредственного впрыска: конструктивные особенности
Итак, давайте в качестве примера возьмем двигатель FSI с его так называемым «послойным» впрыском. Система включает в себя следующие элементы:
- контур высокого давления;
- бензиновый ТНВД;
- регулятор давления;
- топливную рампу;
- датчик высокого давления;
- инжекторные форсунки;
Начнем с топливного насоса. Указанный насос создает высокое давление, под которым топливо подается к топливной рампе, а также на форсунки. Насос имеет плунжеры (плунжеров может быть как несколько, так и один в насосах роторного типа) и приводится в действие от распредвала впускных клапанов.
РДТ (регулятор давления топлива) интегрирован в насос и отвечает за дозированную подачу топлива, что соответствует впрыску форсунки. Топливная рейка (топливная рампа) нужна для того, чтобы распределить горючее на форсунки. Также наличие данного элемента позволяет избежать скачков давления (пульсации) горючего в контуре.
Кстати, в схеме используется специальный клапан-предохранитель, который стоит в рейке. Указанный клапан нужен для того, чтобы избежать слишком высокого давления топлива и тем самым защитить отдельные элементы системы. Рост давления может возникать по причине того, что горючее имеет свойство расширяться при нагреве.
Датчик высокого давления является устройством, которое измеряет давление в топливной рейке. Сигналы от датчика передаются на ЭБУ (электронный блок управления двигателем), который, в свою очередь, способен изменять давление в топливной рейке.
Что касается инжекторной форсунки, элемент обеспечивает своевременную подачу и распыл топлива в камере сгорания, чтобы создать необходимую топливно-воздушную смесь. Отметим, что описанные процессы протекают под управлением ЭСУД (электронная система управления двигателем). Система имеет группу различных датчиков, электронный блок управления, а также исполнительные устройства.Если же говорить о системе прямого впрыска, вместе с датчиком высокого давления топлива для ее работы задействованы: датчик коленчатого вала, ДПРВ, датчик положения дроссельной заслонки, воздухорасходомер, датчик температуры воздуха во впускном коллекторе, датчик температуры ОЖ и т.д.
Благодаря работе этих датчиков на ЭБУ поступает нужная информация, после чего блок посылает сигналы на исполнительные устройства. Это позволяет добиться слаженной и точной работы электромагнитных клапанов, форсунок, предохранительного клапана и ряда других элементов.
Как работает система непосредственного впрыска топлива
Главным плюсом непосредственного впрыска является возможность добиться различных типов смесеобразования. Другим словами, такая система питания способна гибко изменять состав рабочей топливно-воздушной смеси с учетом режима работы двигателя, его температуры, нагрузки на ДВС и т.д.
Следует выделить послойное смесеобразование, стехиометрическое, а также гомогенное. Именно такое смесеобразование позволяет в конечном итоге максимально эффективно расходовать топливо. Смесь всегда получается качественной независимо от режима работы ДВС, бензин сгорает полноценно, двигатель становится более мощным, при этом одновременно снижается токсичность выхлопа.
- Послойное смесеобразование задействуется тогда, когда нагрузки на двигатель низкие или средние, а обороты коленвала небольшие. Если просто, в таких режимах смесь несколько обедняется в целях экономии. Стехиометрическое смесеобразование предполагает приготовление такой смеси, которая легко воспламеняется, при этом не является слишком обогащенной.
- Гомогенное смесеобразование позволяет получить так называемую «мощностную» смесь, которая нужна при больших нагрузках на двигатель. На обедненной гомогенной смеси в целях дополнительной экономии силовой агрегат работает на переходных режимах.
- Когда задействован режим послойного смесеобразования, дроссельная заслонка широко открыта, при этом впускные заслонки находятся в закрытом состоянии. В камеру сгорания воздух подается с высокой скоростью, возникают завихрения воздушных потоков. Горючее впрыскивается ближе к концу такта сжатия, впрыск производится в область расположения свечи зажигания.
За короткое время до того, как на свече появится искра, образуется топливно-воздушная смесь, в которой коэффициент избыточного воздуха составляет 1.5-3. Далее смесь воспламеняется от искры, при этом вокруг зоны воспламенения сохраняется достаточно количество воздуха. Указанный воздух выполняет функцию температурного «изолятора».
Если же рассматривать гомогенное стехиометрическое смесеобразование, такой процесс происходит тогда, когда впускные заслонки открыты, при этом дроссельная заслонка также открыта на тот или иной угол (зависит от степени нажатия на педаль акселератора).
В этом случае горючее впрыскивается еще на такте впуска, в результате чего удается получить однородную смесь. Избыток воздуха имеет коэффициент, близкий к единице. Такая смесь легко воспламеняется и полноценно сгорает по всему объему камеры сгорания.
Обедненная гомогенная смесь создается тогда, когда дроссельная заслонка полностью открыта, а впускные заслонки закрыты. В этом случае воздух активно движется в цилиндре, а впрыск горючего приходится на такт впуска. ЭСУД поддерживает избыток воздуха на отметке 1.5.
Дополнительно к чистому воздуху могут быть добавлены отработавшие газы. Это происходит благодаря работе системы рециркуляции отработавших газов EGR. В результате выхлоп повторно «догорает» в цилиндрах без ущерба для мотора. При этом снижается уровень выброса вредных веществ в атмосферу.
Что в итоге
Как видно, прямой впрыск позволяет добиться не только экономии топлива, но и хорошей отдачи от двигателя как в режимах низких и средних, так и высоких нагрузок. Другими словами, наличие непосредственного впрыска означает, что оптимальный состав смеси будет поддерживаться на всех режимах работы ДВС.
Что касается недостатков, к минусам прямого впрыска можно отнести разве что повышенную сложность во время ремонта и цену запчастей, а также высокую чувствительность системы к качеству горючего и состоянию фильтров топлива и воздуха.
Читайте также
Как работает непосредственный (прямой) впрыск топлива и чем он лучше?
Если Вы читали статью о том, как работает двигатель, то знаете, что бензиновые двигатели работают, высасывая смесь бензина и воздуха в цилиндр, сжимая его поршнем, когда тот движется вверх, и поджигая его искрой от свечи зажигания; в результате взрыва происходит сильное увеличение давления в камере сгорания, что приводит к движению поршня вниз, производя энергию — в конечном счёте вращательную.
Традиционная (непрямая) система впрыска топлива предварительно смешивает бензин и воздух в камере в непосредственной близости от цилиндра — камера эта называется впускным коллектором. В системе непосредственного впрыска, однако, воздух и бензин не смешиваются предварительно. Воздух поступает в камеру сгорания через впускной коллектор, в то время как бензин впрыскивается непосредственно в цилиндр. Именно так работает непосредственный впрыск топлива и поэтому он так называется.
Топливо-воздушная смесь в камере сгорания, клапаны, форсунка прямого впрыска и свеча зажигания
Плюсы прямого впрыска топлива
В сочетании с ультраточным управлением с помощью компьютера прямой впрыск обеспечивает более точное управление дозировкой топлива (количество впрыскиваемого топлива) и воздуха. Расположение инжектора также способствует более оптимальному распылению, которое разрушает струю жидкого бензина на более мелкие капельки и превращая его, можно сказать, в пыль. В результате обеспечивается более полное сгорание бензина, что очень важно, когда для сгорания этого выделяется так мало времени на высоких оборотах. Проще говоря, при непосредственном впрыске топлива больше бензина сжигается, что приводит к большей мощности и уменьшению загрязнения в расчёте на каждую каплю бензина.
Минусы непосредственного впрыска топлива
Основными недостатками двигателей с прямым впрыском бензина являются сложность этой системы и, как следствие, её конечная стоимость. Системы прямого впрыска дороже производить, потому что их компоненты должны быть более прочными и точными — они обращаются с топливом при значительно более высоких давлениях, чем косвенные системы впрыска, и, кроме того, сами форсунки должны быть в состоянии выдержать высокую температуру сгорания и разрушительное давление в цилиндре.
Насколько лучше прямой впрыск, чем непрямой?
Для примера, General Motors для автомобилей Cadillac CTS производит два аналогичных двигателя с прямым и косвенным впрыскиванием — 3,6-литровый двигатель V6. Двигатель с непрямым впрыском производит 263 лошадиных силы, в то время как версия с непосредственным впрыском топлива развивает 304 лошадиные силы. Несмотря на увеличенную мощность, двигатель с непосредственным впрыском в то же время более экономичен — 18 миль на галлон против 17 миль на галлон бензина в условиях города и равный расход в условиях трассы. Ещё одно преимущество двигателей с непосредственным впрыском топлива — это то, что в силу особенности своей технологии они менее требовательны к октановому числу бензина.
Технология прямого впрыска далеко не новая — она известна ещё примерно с середины 20-го века. Однако, тогда всего несколько автопроизводителей приняли её для массового производства автомобилей. Тогда, из-за дороговизны производства и отсутствия должного ассистирования компьютера, механический карбюратор был доминирующим в системах подачи топлива — вплоть до 1980-х годов. Тем не менее, давние и непрекращающиеся циклические события, такие как резкий рост цен на топливо и ужесточения в законодательстве по экономии топлива и экологичности выбросов, привели многих автопроизводителей к началу разработки системы прямого впрыска топлива. Вы, скорее всего, будете видеть больше и больше автомобилей, использующих непосредственный впрыск топлива, в ближайшем будущем.
Более того, практически все дизельные двигатели используют прямой впрыск топлива. Впрочем, дизели используют немного другой процесс сжигания топлива: бензиновые двигатели сжимают смесь бензина и воздуха и поджигают его искрой, в то время как дизели сжимают воздух, и только затем распыляют топливо в камеру сгорания, которое воспламеняется от температуры сжатого воздуха и его давления.
Двигатель с системой непосредственного впрыска
Роман Барский
09 декабря 2019, 05:44
Система непосредственного впрыска топлива является самой современной. Ее работа основана на впрыске топлива непосредственно в камеру сгорания двигателя.
Впервые система непосредственного впрыска была применена на двигателе GDI (Gasoline Direct Injection – непосредственный впрыск бензина), устанавливаемом на автомобили компании Mitsubishi. В настоящее время система непосредственного впрыска используется в двигателях многих автопроизводителей. Передовики Audi (двигатели TFSI) и Volkswagen (двигатели FSI, TSI), которые практически полностью перешли на бензиновые двигатели с непосредственным впрыском.
Подача топлива осуществляется через форсунки, которые имеют каждая по 6 отверстий. Форсунки очень точно распределяют по камере сгорания сверхтонкие струи топлива. Где в свою очередь поток воздуха управляется заслонками движения заряда. Такая технология обеспечивает однородность топливовоздушной смеси и улучшенную эффективность процесса сгорания топлива.
Двигатели с непосредственным впрыском имеют в своем активе BMW (двигатели N54, N63), Infiniti (двигатели M56), Ford (двигатели EcoBoost), General Motors (двигатели Ecotec), Hyundai (двигатели Theta), Mazda (двигатели Skyactiv), Mercedes-Benz (двигатели CGI).
Применение системы непосредственного впрыска позволяет достичь до 15% экономии топлива, а также сокращения выброса вредных веществ с отработавшими газами.
Устройство системы непосредственного впрыска топлива
Конструкция системы непосредственного впрыска топлива рассмотрена на примере системы, устанавливаемой на двигатели FSI (Fuel Stratified Injection – послойный впрыск топлива). Система непосредственного впрыска составляет контур высокого давления топливной системы двигателя и включает топливный насос высокого давления, регулятор давления топлива, топливную рампу, предохранительный клапан, датчик высокого давления и форсунки впрыска.
Топливный насос высокого давления служит для подачи топлива к топливной рампе и далее к форсункам впрыска под высоким давлениям (3-11 МПА) в соответствии с потребностями двигателя. Основу конструкции насоса составляет один или несколько плунжеров. Насос приводится в действие от распределительного вала впускных клапанов.
Регулятор давления топлива обеспечивает дозированную подачу топлива насосом в соответствии с впрыском форсунки. Регулятор расположен в топливном насосе высокого давления. Топливная рампа служит для распределения топлива по форсункам впрыска и предотвращения пульсации топлива в контуре. Предохранительный клапан защищает элементы системы впрыска от предельных давлений, возникающих при температурном расширении топлива. Клапан устанавливается на топливной рампе.
Схема системы непосредственного впрыска на примере системы Motronic MED7. 1.топливный бак; 2. топливный насос; 3.топливный фильтр; 4. перепускной клапан; 5. регулятор давления топлива; 6. топливный насос высокого давления; 7. трубопровод высокого давления; 8. распределительный трубопровод; 9. датчик высокого давления; 10. предохранительный клапан; 11. форсунки впрыска; 12. адсорбер; 13. электромагнитный запорный клапан продувки адсорбера.
Датчик высокого давления предназначен для измерения давления в топливной рампе. В соответствии с сигналами датчика блок управления двигателем может изменять давление в топливной рампе. Форсунка впрыска обеспечивает распыление топлива в камере сгорания для образования топливно-воздушной смеси.
Согласованную работу системы обеспечивает электронная система управления двигателем, которая является дальнейшим развитием объединенной системы впрыска и зажигания. Традиционно система управления двигателем объединяет входные датчики, блок управления и исполнительные механизмы.
Помимо датчика высокого давления топлива в интересах системы непосредственного впрыска работают датчик частоты вращения коленчатого вала, датчик положения распределительного вала, датчик положения педали акселератора, расходомер воздуха, датчик температуры охлаждающей жидкости, датчик температуры воздуха на впуске.
В совокупности датчики обеспечивают необходимой информацией блок управления двигателем, на основании которой блок воздействует на исполнительные механизмы — электромагнитные клапаны форсунок, предохранительный и перепускной клапаны.
Принцип действия системы непосредственного впрыска
Система непосредственного впрыска в результате работы обеспечивает несколько видов смесеобразования:
- послойное ;
- стехиометрическое гомогенное ;
- гомогенное.
Многообразие в смесеобразовании определяет высокую эффективность использования топлива (экономия, качество образования смеси, ее полное сгорание, увеличение мощности, уменьшение вредных выбросов) на всех режимах работы двигателя.
Послойное смесеобразование используется при работе двигателя на малых и средних оборотах и нагрузках. Стехиометрическое (другое наименование – легковоспламеняемое) гомогенное (другое наименование – однородное) смесеобразование применяется при высоких оборотах двигателя и больших нагрузках. На бедной гомогенной смеси двигатель работает в промежуточных режимах.
При послойном смесеобразовании дроссельная заслонка почти полностью открыта, впускные заслонки закрыты. Воздух поступает в камеры сгорания с большой скоростью, с образованием воздушного вихря. Впрыск топлива производится в зону свечи зажигания в конце такта сжатия. За непродолжительное время до воспламенения в районе свечи зажигания образуется топливно-воздушная смесь с коэффициентом избытка воздуха от 1,5 до 3. При воспламенении смеси вокруг нее остается достаточно много чистого воздуха, выступающего в роли теплоизолятора.
Рабочий процесс поддерживается движением воздуха в цилиндрах. В зависимости от нагрузочного и скоростного режимов регулируется интенсивность движения воздуха, при этом, обеспечивается создание гомогенной или послойной смеси.
Гомогенное стехиометрическое смесеобразование происходит при открытых впускных заслонках, дроссельная заслонка при этом открывается в соответствии с положением педали газа. Впрыск топлива производится на такте впуска, что способствует образованию однородной смеси. Коэффициент избытка воздуха составляет 1. Смесь воспламеняется и эффективно сгорает во всем объеме камеры сгорания.
Бедная гомогенная смесь образуется при максимально открытой дроссельной заслонке и закрытыми впускными заслонками. При этом создается интенсивное движение воздуха в цилиндрах. Впрыск топлива производится на такте впуска. Коэффициент избытка воздуха поддерживается системой управления двигателем на уровне 1,5. При необходимости в состав смеси добавляются отработавшие газы из выпускной системы, содержание которых может доходить до 25%.
Принцип работы системы непосредственного впрыска топлива хорошо показан на примере двигателя автомобиля AUDI
Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.
Новости о науке, технике, вооружении и технологиях.
Подпишитесь и будете получать свежий дайджест лучших статей за неделю!
Email*
Подписаться
Прямой впрыск топлива — Журнал «4х4 Club»
Для дизельных двигателей уже давно любой впрыск – непосредственный, в то время как для бензиновых моторов на сегодняшний день это последнее слово техники…
КОМПОНЕНТЫ.
Три главные части систем непосредственного впрыска – насос высокого давления, общая рампа с форсунками и электронный блок управления впрыском. За кажущейся простотой многочисленные технические ноу-хау, но рядовому сервисмену и common rail, и бензиновые аналоги обслуживать легко
СЖЕЧЬ БЕЗ ОСТАТКА
Но просто доставить заряд топлива в цилиндр оказалось недостаточно. Для того чтобы сделать моторы более экономичными и снизить выбросы вредных веществ в выхлопных газах, инженерам пришлось научиться управлять еще и скоростью горения смеси, а также точно позиционировать зону начала горения, направление продвижения пламени при рабочем ходе и его температуру. Помимо оптимизации формы самой камеры сгорания, единственным способом столь точной «стрельбы» топливом по рабочему объему стало повышение давления впрыска, вследствие чего появились системы типа сommon rail. Это название мы привыкли употреблять для дизельных систем. Бензиновые аналоги именуются «прямой впрыск», и у каждого производителя называются по-своему (GD-I – у Mitsubishi, FSI – у группы Volkswagen-Audi и т. д.).
ОБЩАЯ РАМПА
Отличие аппаратуры common rail от обычных систем впрыска прежде всего в очень большом (от 200 до 2000 бар) рабочем давлении. Топливо под большим давлением аккумулируется в довольно толстой общей емкости вблизи форсунок – топливной рампе. Потому такой впрыск еще называют аккумуляторным. Большой объем рампы снижает пульсацию давления от работы форсунок, что особенно актуально для дизелей. Форсунки открываются электроимпульсом и могут быть как обычными электромагнитными, так и пьезоэлектрическими. Высокое давление нагнетает механический топливный насос.
Для чего оно нужно? Исключительно для того, чтобы за очень короткий промежуток (миллисекунды) можно было впрыснуть заряд смеси, а за весь рабочий ход одного цилиндра успеть сделать несколько таких «инъекций».
ХОЛОДНЫЙ ПУСК.
Чтобы дизель пускался в любой мороз, прямо в камере сгорания торчит раскаленный носик электрической свечи накаливания. После запуска свеча отключается
В дизельных моторах подобный цикл работы, помимо более полного сгорания, позволяет избавиться от характерного «металлического» стука. Именно поэтому современные директ-дизели так тихи и почти не дают вибраций. Кроме того, точное позиционирование огненного факела позволяет даже устроить вспышку в центре камеры, оставив воздушную прослойку у стенок. Это снижает теплонагруженность дизеля и повышает его КПД (больше тепла используется на работу, меньше без дела отдается в атмосферу). И, наконец, управляемое сгорание смеси снижает вредные выбросы.
В бензиновых моторах прямой впрыск тоже позволяет точно регулировать процессы работы и, кроме того, дает возможность получить послойное горение (именно так переводится «фольксвагеновское» Fuel Stratified Injection). Зачем это нужно? Для той же экономии топлива. Дело в том, что, как известно, для бензинового двигателя есть оптимальное соотношение бензина к воздуху, называемое стехиометрическим (примерно 1:17). Но на некоторых режимах мотор может отлично работать и при соотношении 1:40. Только такую бедную смесь уже не поджечь свечой. Послойный впрыск позволяет получить в камере сгорания слои смеси с разным соотношением в разных местах – богатым в небольшом объеме возле свечи и сверхбедным во всем остальном объеме. За счет этого помимо экономии топлива и выдающейся экологичности наблюдается снижение шумности и тепловых потерь.
СОВЕРШЕНСТВО.
Вот она, мечта двигателиста, – огненный вихрь в камере сгорания, равномерно охватывающий весь объем, не касающийся стенок и не оставляющий недогоревшей смеси. На сегодняшний день это лучший способ превратить химическую энергию топлива в механическую работу внутри теплового мотора
КОШМАРЫ ПРЯМОГО ВПРЫСКА
Как ни странно, компоненты common rail оказались даже дешевле, чем аналогичная дизельная аппаратура. Ничего удивительного в этом нет – вместо громоздкого и технически крайне сложного ТНВД обычного дизеля здесь лишь один насос. А все функции управления мотором, ранее возложенные на ТНВД, теперь отданы электронике, которая заведомо дешевеет с каждой минутой. К тому же, перепрограммировав, эти системы гораздо легче приспособить к изменению характеристик,. Бензиновые аналоги тоже не далеко ушли по хлопотности изготовления от обычного впрыска, хотя и имеют более точные детали.
Но нам с вами, разумеется, всегда хочется узнать и об обратной стороне любого новаторства. Неужели все так безоблачно у систем аккумуляторного впрыска? Чем common rail и его бензиновые аналоги могут расстроить владельца?
Если мы будем говорить о дизельных моторах, то одно обстоятельство, безусловно, есть. И связано оно напрямую с организацией процесса горения, вернее, со снижением теплопотерь. Помните про более высокий КПД? Та энергия, что раньше шла на разогрев мотора (и через систему охлаждения-отопления к нам с вами), теперь совершает полезную работу. В северных странах этот факт означает, что водителю и пассажирам достанется меньше тепла, особенно на холостых, когда любой дизель и так почти не «греет». Правда, тут хороший рецепт – автономный подогреватель, коими и оснащают многие автомобили с common rail прямо на заводе. Для дизелей с большим объемом и автомобилей класса выше среднего этот «довесок» почти незаметен ни в цене, ни по расходу топлива. Обладателям же авто поменьше здесь придется смириться с тем, что технологичность их двигателя явно превышает таковую у остальных систем автомобиля.
Для бензиновых моторов подобной проблемы нет, и все остальные тревоги владельцев прямого впрыска нужно рассматривать через призму аккуратного отношения к таким моментам, как качественное топливо, регулярное ТО и разумная эксплуатация.
В НОГУ СО ВРЕМЕНЕМ
Да, бензин плохого качества современные системы высокого давления переваривают с трудом. Правда, скорее всего больше пострадают не они сами, а топливные фильтры и катализаторы. Хватанув один раз паленого топлива на плохой заправке и увидев желтую лампочку «Джеки Чан», просто игнорируйте эту колонку в дальнейшем и при случае нанесите визит сервисменам. Фатальный исход при таком одноразовом событии очень маловероятен.
Хуже обстоит дело с директ-дизелями, чья топливная аппаратура совершенно не переваривает ни серу в дизтопливе, ни парафины в холодное время. Но от этого же топливного «мусора» аналогично страдают и обычные дизели, вернее, их чувствительные ТНВД. Да и топлива некачественного с каждым днем у нас все меньше. Во всяком случае, на шоссе, по которому передвигаются фуры, риск заправиться плохим дизтопливом минимален. Ведь на большинстве современных тягачей тоже дизели с common rail. Речь скорее о том, на какой из сетей солярка чуть чище и где зимой сильнее разбавляют зимний дизель летним.
Да, гонять современный мотор «в хвост и в гриву», кормя его чем попало, увы, не получится. И это мне представляется вполне адекватной платой за его показатели и за хотя бы умозрительную заботу о чистоте окружающего воздуха.
ТЕСНО. Четыре клапана, форсунка впрыска и свеча зажигания помещаются над поршнем с трудом. Миниатюрные свечи – следствие технической эволюции
Из моего почти десятилетнего опыта дальних путешествий на различных автомобилях, большая часть которых была оборудована системами впрыска высокого давления, ни разу не возникло фатальных проблем с мотором из-за топлива. Да, Check Engine вспыхивал пару-тройку раз. Однажды даже дизельный BMW 530 дал черного «медведя» после заправки под Смоленском, но не более того. Особо беспокоящимся дизелистам просто посоветую приобрести антигелевые и цетаноповышающие присадки и не пользоваться подозрительными бензоколонками, которые объезжают стороной дальнобойщики.
ТАМОЖНЯ ДАЕТ ДОБРО
Иностранные производители, хотя и отчаянно сопротивлялись первое время поставкам в Россию машин с прямым впрыском и сommon rail, тем не менее мало-помалу дали зеленый свет самым современным моторам. Как же иначе, если других двигателей с каждым днем все меньше?
Моторы с прямым впрыском высокого давления сегодня уже не редкость. Для инженеров-мотористов это даже не сегодняшний, а почти вчерашний этап двигателестроения. И хотим мы этого или нет, директ-моторы постепенно вытеснят все остальные типы. Примерно так, как когда-то на смену керосиновым, паровым, газогенераторным автомобилям и конным повозкам пришел бензиново-дизельный транспорт. Но и эти продвинутые моторы не панацея. На смену им уже спешат еще более требовательные к вниманию гибриды, электромобили, даже водородные машины дня завтрашнего. Но это уже тема другой статьи.
Устройство и принцип действия система непосредственного впрыска бензина Bosch Motronic MED 7
Первостепенной целью разработки новых двигателей является снижение расхода топлива и соответствующее ему уменьшение выброса вредных веществ. В трехкомпонентных нейтрализаторах удается преобразовать в безвредные вещества до 99%
выбрасываемых с отработавшими газами углеводородов, оксидов азота и оксида углерода. Выбросы образуемого при сгорании диоксида углерода (CO2), способствующего образованию парникового эффекта, могут быть снижены только в результате уменьшения
расхода топлива. Однако, у двигателей с внешним смесеобразованием (с впрыском бензина во впускной трубопровод) резервы снижения расхода топлива практически отсутствуют. Двигатели с непосредственным впрыском бензина в цилиндры, осуществляемым посредством системы Bosch Motronic MED 7 позволяют экономить до 15% топлива по сравнению с сопоставимым двигателем с впрыском бензина во впускной трубопровод.
Как осуществляется подача топлива?
Зачем нужен непосредственный впрыск бензина?
Первостепенной целью разработки новых двигателей является снижение расхода топлива и уменьшение выброса вредных веществ.
При этом должны быть получены следующие результаты:
- снижение благодаря экономии топлива затрат на эксплуатацию автомобиля и получение поощрительных налоговых льгот для автомобилей с низкими выбросами вредных веществ
- снижение загрязнения среды обитания вредными веществами
- экономия сырьевых ресурсов
- Электронное регулирование системы охлаждения, регулируемые фазы газораспределения и рециркуляция отработавших газов уже нашли применение на многих двигателях
- Ввиду необходимости сохранения достаточной равномерности вращения коленчатого вала отключение цилиндров имеет смысл применять только на многоцилиндровых двигателях. Для снижения вибраций четырехцилиндровых двигателей целесообразно применять уравновешивающие валы
- Переменная степень сжатия и изменяемые фазы газораспределения реализуются только посредством достаточно мощных
- механических приводов
- Дальнейшая разработка различных способов сжигания бедных смесей прекращена в ползу создания двигателей с непосредственным впрыском
- Непосредственный впрыск бензина принят как наиболее эффективное средство экономии топлива,
- обеспечивающее его снижение до 20%
Преимущества непосредственного впрыска бензина
Уменьшение дросселирования при работе двигателя на бедных послойной и гомогенной смесях.
При работе двигателя на этих смесях коэффициент избытка воздуха изменяется в пределах от 1,55 до 3. При этом дроссельная
заслонка открывается на больший угол, то есть впуск воздуха в цилиндры осуществляется с меньшим сопротивлением.
Работа двигателя на бедных смесях.
При применении послойного смесеобразования удается эффективно сжигать бедные смеси с коэффициентом избытка воздуха от 1,6 до 3, а при работе двигателя на гомогенной бедной смеси коэффициент избытка воздуха равен приблизительно 1,55.
Снижение потерь тепла в стенки.
Так как горение смеси происходит главным образом вблизи свечи зажигания, снижаются потери тепла в стенки цилиндра и
соответственно повышается термический коэффициент полезного действия.
Сжигание гомогенной смеси с высоким содержанием перепускаемых отработавших газов.
Благодаря высокой турбулизации заряда цилиндра двигателя удается эффективно сжигать гомогенные бедные смеси с содержанием отработавших газов до 25%. Чтобы впустить в цилиндры то же количество воздуха, какое поступает в них при перепуске
небольших доз отработавших газов, нужно открывать дроссельную заслонку на больший угол. При этом воздух засасывается в
цилиндры с меньшим сопротивлением, то есть снижаются насосные потери.
Степень сжатия
При непосредственном впрыске бензина затрачиваемое на его испарение тепло отбирается у поступившего в цилиндры
двигателя воздуха. В результате снижается вероятность детонационного сгорания и степень сжатия может быть повышена.
Повышение степени сжатия приводит к росту давления в конце сжатия и соответственно к увеличению термического коэффициента полезного действия.
Расширение диапазона принудительного холостого хода с выключенной подачей топлива.
Частота вращения холостого хода, на которой производится возобновление подачи топлива может быть снижена, так как впрыскиваемое топливо практически не осаждается на стенках цилиндра и большая его часть может быть немедленно использована. Поэтому двигатель работает устойчиво с пониженной частотой вращения.
Способы смесеобразования.
Помимо бедной послойной и стехиометрической гомогенной смесей в двигателе FSI используется смесь третьего вида, а именно, бедная гомогенная смесь. Этот вид смеси позволяет получить меньший расход топлива, чем смесь стехиометрического состава с добавкой перепускаемых отработавших газов. Выбор того или иного способа смесеобразования производится блоком управления двигателем в зависимости от крутящего момента и мощности двигателя с учетом требований к выбросу вредных
веществ и требований безопасности.
Работа двигателя при послойном смесеобразовании.
Послойное смесеобразование используется при работе двигателя при малых и средних нагрузках и частотах вращения.
Благодаря послойному распределению топлива в камере сгорания двигатель работает при общем коэффициенте избытка воздуха от 1,6 до 3.
- В средней части камеры сгорания, вблизи свечи зажигания, находится легко воспламеняемая рабочая смесь.
- Эта смесь окружена оболочкой, состоящей в идеальном случае из чистого воздуха и перепускаемых отработавших газов.
Работа двигателя на бедной гомогенной смеси.
На промежуточных режимах, расположенных между режимами работы двигателя на послойной смеси и гомогенной стехиометрической смеси, используются бедная гомогенная смесь. Коэффициент избытка воздуха бедной гомогенной, т. е. однородной во всем объеме камеры сгорания, смеси приблизительно равен 1,55.
Работа двигателя на гомогенной смеси стехиометрического состава.
Двигатель работает на гомогенной смеси стехиометрического состава при выходе на режимы больших нагрузок и высоких частот вращения. Коэффициент избытка воздуха этой смеси равен (согласно определению) единице.
Рабочий процесс.
Рабочий процесс определяется способом смесеобразования и процессами преобразования энергии в камере сгорания.
Работа двигателя на гомогенных смесях При работе двигателя на гомогенных смесях топливо впрыскивается в цилиндр на такте
впуска и равномерно распределяется по всей массе засасываемого воздуха.
Работа двигателя при послойном смесеобразовании.
Послойная смесь формируются около свечи зажигания с помощью поршня специальной формы и за счет вихревого движения воздуха. Форсунка расположена так, что впрыскиваемое ею топливо направляется на выемку в днище поршня и отклоняется ее
стенкой в направлении свечи зажигания. С помощью установленной во впускном канале заслонки и аэродинамической выемки в
поршне в цилиндре двигателя создается вихревое движение воздуха, которое поддерживает перенос топлива к свече зажигания. Таким образом горючая смесь образуется в процессе движения топлива и воздуха.
Работа двигателя при послойном смесеобразовании.
Переход двигателя на режим работы с использованием послойной смеси осуществляется при следующих условиях:
- нагрузка и частота вращения двигателя соответствуют режимам, на которых эффективно использование послойного смесеобразования;
- системой не зарегистрирована неисправность, из/за которой может повыситься выброс вредных веществ;
- температура охлаждающей жидкости выше 50 °C,
- датчик окислов азота исправен;
- температура накопительного нейтрализатора находится в пределах от 250°C до 500°C. Если эти предпосылки выполнены, можно перейти на послойное смесеобразование.
Процесс впуска
При работе на послойной смеси дроссельную заслонку открывают по возможности больше, чтобы до максимума снизить потери на дросселирование. При этом установленная во впускном канале вспомогательная заслонка (называемая в дальнейшем впускной заслонкой) перекрывает его нижнюю часть. В результате повышается скорость проходящего через верхнюю часть канала потока воздуха, который закручивается затем в цилиндре.
Движение воздуха в цилиндр двигателя.
Специальная форма выемки в днище поршня способствует образованию и усилению вихря в цилиндре двигателя.
Впрыск топлива.
Топливо впрыскивается в последней трети такта сжатия. Впрыск начинается приблизительно за 60° и заканчивается приблизительно за 45° до в. м. т. такта сжатия. Начало впрыска оказывает значительное влияние на расположение облачка смеси
относительно свечи зажигания.
Топливо впрыскивается в направлении топливной выемки в поршне. Желаемые размеры облачка смеси достигаются подбором геометрических параметров форсунки.
Специальная форма топливной выемки и движение поршня к в. м. т. способствуют отклонению движения капель топлива к свече
зажигания. Это движение топлива поддерживается вихревым движением воздуха. В процессе движения к свече зажигания
топливо смешивается с поступившим в цилиндр воздухом.
Процесс смесеобразования
Для образования послойной смеси предоставляется время, соответствующее повороту коленчатого вала на 40° / 50°. От
продолжительности этого процесса зависит способность смеси к воспламенению. Если время между впрыском и моментом подачи искры слишком мало, смесь оказывается не подготовленной к воспламенению. При слишком большом промежутке времени между этими процессами смесь распределяется по всему объему камеры сгорания. При выполнении указанных выше условий в центре камеры сгорания, т. е. вблизи свечи, образуется легко воспламеняемая смесь. Эта смесь окружена оболочкой, состоящей из свежего воздуха и перепущенных отработавших газов. Общий коэффициент избытка воздуха в камере сгорания может быть равен при этом от 1,6 до 3.
Процесс сгорания.
После поступления топливо/воздушной смеси к свече зажигания она поджигается искрой. При этом воспламеняется только облако смеси, в то время как остальные газы образуют его оболочку. Благодаря изолирующему действию этой оболочки снижаются потери тепла в стенки камеры сгорания и соответственно увеличивается термический к. п. д. двигателя.
Зажигание смеси должно производиться в конце такта сжатия в пределах достаточно узкого угла поворота коленчатого вала,
ограниченного моментом окончания впрыска топлива и промежутком времени, необходимого для образования смеси.
Работа двигателя на бедной гомогенной смеси.
Эта смесь используется на режимах, которые находятся в поле многопараметровой характеристики между режимами работы двигателя при послойном смесеобразовании и режимами его работы на гомогенной смеси стехиометрического состава. Коэффициент избытка воздуха этой смеси равен практически 1,55. Двигатель может эффективно работать на этой смеси при тех же условиях, которые предписаны для послойной смеси.
Процесс впуска.
Как при послойном смесеобразовании, работа двигателя на бедной гомогенной смеси осуществляется с максимально
открытой дроссельной заслонкой при закрытых впускных заслонках. При этом снижаются потери на дросселирование и
создается интенсивное движение воздуха в цилиндре двигателя.
Процесс впрыска топлива
Впрыск топлива осуществляется непосредственно в цилиндр в процессе впуска. Он начинается приблизительно за 300° до
в. м. т. такта сжатия. При этом блок управления двигателем регулирует подачу топлива таким образом, чтобы коэффициент избытка воздуха был равен приблизительно 1,55.
Процесс смесеобразования
Благодаря раннему моменту впрыска предоставляется достаточно большое время до момента зажигания для образования гомогенной смеси во всем объеме камеры сгорания.
Процесс сгорания
Как и при работе на любой гомогенной смеси момент зажигания не зависит от процесса смесеобразования. Смесь горит при этом во всем объеме камеры сгорания.
Работа двигателя на гомогенной смеси стехиометрического состава.
Работу двигателя на гомогенной смеси стехиометрического состава можно сравнить с работой двигателя с впрыском бензина во впускной трубопровод. Существенное различие заключается только в месте впрыска топлива, который производится в данном случае непосредственно в цилиндры двигателя. Крутящий момент двигателя может быть изменен как смещением угла опережения зажигания
(кратковременно), так и изменением поступающей в цилиндры массы воздуха (долговременно). При этом впрыскивается такое количество топлива, которое необходимо для образования стехиометрической смеси, коэффициент избытка воздуха которой (по определению) равен единице.
Процесс впуска
Дроссельная заслонка открывается соответственно перемещению педали акселератора. Впускная заслонка может быть открыта или
закрыта в зависимости от режима работы двигателя. При частичных нагрузках и в среднем диапазоне частот вращения эта заслонка закрыта, в результате чего входящий в цилиндр поток воздуха закручивается, улучшая смесеобразование. По мере увеличения нагрузки и частоты вращения поступление воздуха только через верхнюю часть впускного канала оказывается недостаточным. Поэтому заслонку
поворачивают, открывая нижнюю часть впускного канала.
Впрыск топлива
Впрыск топлива производится непосредственно в цилиндр на такте впуска приблизительно за 300° до в. м. т. такта сжатия.
Процесс смесеобразования
Так как впрыск топлива производится на такте впуска, на процесс смесеобразования отводится относительно много времени.
Благодаря этому впрыснутое в цилиндр топливо равномерно распределяется по всему объему поступившего в него воздуха.
Коэффициент избытка воздуха смеси в камере сгорания равен единице.
Процесс сгорания
Крутящий момент двигателя, расход топлива и выброс вредных веществ при работе на гомогенной смеси зависят от угла опережения зажигания.
Система впуска
У двигателей с непосредственным впрыском бензина система впуска была изменена в соответствии с их потребностями. Ее особенностью является целенаправленное воздействие на потоки воздуха в цилиндрах двигателя в зависимости от режимов его работы.
- Пленочный измеритель массового расхода воздуха с датчиком температуры воздуха на впуске для более точного определения нагрузки двигателя
- Датчик давления во впускном трубопроводе для расчета количества перепускаемых отработавших газов
- Система заслонок во впускных каналах для целенаправленного управления потоками воздуха на входе в цилиндры двигателя
- Электромагнитный клапан системы рециркуляции отработавших газов с увеличенными проходными сечениями для перепуска большего количества газов
- Датчик давления для регулирования разрежения в магистрали к вакуумному усилителю тормозного привода
- Блок управления дроссельной заслонкой
- Клапан продувки адсорбера
- Блок управления системой Motronic
Система впускных заслонок
Впускные заслонки и их привод расположены в нижней и верхней частях впускной системы. Заслонки служат для управления потоками воздуха, поступающего в цилиндры двигателя, в зависимости от режимов работы двигателя.
Работа двигателя с закрытыми впускными заслонками
При работе двигателя на послойных и бедных гомогенных смесях, а также на некоторых режимах с использованием гомогенных смесей стехиометрического состава заслонки перекрывают нижние части впускных каналов, расположенных в головке цилиндров. При этом воздух проходит в цилиндры только через верхние части впускных каналов. Форма верхней части впускного канала подобрана
таким образом, чтобы впускаемый в цилиндр воздух закручивался на входе в него. Помимо этого повышенная скорость проходящего через зауженный канал воздуха способствует смесеобразованию.
Реализуются два преимущества:
- При послойном смесеобразовании вихревое движение воздуха обеспечивает перенос топлива к свече зажигания. Образование смеси осуществляется в процессе этого движения.
- Вихревое движение воздуха создает условия для образования гомогенных бедной и стехиометрической смесей. Благодаря ему повышается воспламеняемость и достигается стабильное горение бедных смесей
Работа двигателя с открытыми впускными заслонками
При работе двигателя на режимах с высокой нагрузкой и при высоких частотах вращения воздушные заслонки открыта и воздух
проходит в цилиндры через обе части впускных каналов. Большое сечение впускного канала обеспечивает наполнение цилиндра,
необходимое для получения высокой мощности и крутящего момента
Определение количества перепускаемых отработавших газов
Блок управления двигателем определяет с помощью измерителя расхода поступающую в цилиндры массу воздуха и рассчитывает соответствующее ее величине давление во впускном трубопроводе. При рециркуляции отработавших газов их масса добавляется к массе свежего воздуха и соответственно повышается давление во впускном трубопроводе. Датчик давления во впускном трубопроводе реагирует на это изменением напряжения на его выходе, которое передается на вход блока управления двигателем. По величине этого сигнала определяется суммарное количество воздуха и отработавших газов, поступающих в цилиндры двигателя. Количество перепускаемых отработавших газов определяется вычитанием количества свежего воздуха из суммарной величины. Преимуществом такого метода определения количества перепускаемых отработавших газов является возможность увеличения их доли в рабочей смеси и приближения к границе воспламеняемости смеси.
Последствия при отсутствии сигнала датчика давления во впускном трубопроводе.
При выходе датчика давления во впускном трубопроводе из строя блок управления определяет количество перепускаемых газов
расчетным путем и снижает перепуск против значений, соответствующих многопараметровой характеристике.
Топливная система
Топливная система разделена на контуры высокого и низкого давления. Часть топлива подводится в цилиндры через систему улавливания паров бензина.
Контур низкого давления
Контур низкого давления охватывает часть топливной системы от расположенного в баке электронасоса до насоса высокого давления. Давление топлива в этом контуре обычно равно 3 бар и только при пуске горячего двигателя может быть повышено до 5,8 бар.
Контур высокого давления
Контур высокого давления начинается с топливного насоса высокого давления, который подает топливо в распределительный
трубопровод. На распределительном трубопроводе установлен датчик давления топлива, сигналы которого используются для
поддержания давления в диапазоне от 50 до 100 бар посредством клапана регулятора. Впрыск топлива в цилиндры осуществляется через форсунки высокого давления.
В контур низкого давления входят:
1. топливный бак
2. топливный электронасос
3. топливный фильтр
4. клапан перепуска топлива
5. регулятор давления топлива
В контур высокого давления входят:
6. топливный насос высокого давления
7. трубопровода высокого давления
8. распределительный трубопровод
9. датчик давления топлива
10. клапан регулятора давления
11. форсунки высокого давления
Форсунки высокого давления
Форсунки установлены в головке цилиндров. Через них топливо впрыскивается под высоким давлением непосредственно в цилиндры двигателя. Назначение Форсунки должны мелко распыливать топливо за возможно короткий промежуток времени. Способ подачи топлива зависит при этом от режима работы двигателя. При послойном смесеобразовании топливо должно направляться в зону свечи зажигания, а при работе двигателя на гомогенных смесях его необходимо равномерно распределять в объеме камеры сгорания.
Чтобы получить наилучшее распределение топлива при послойном смесеобразовании, угол конуса факела топлива принят равным 70°, а ось конуса наклонена на 20°
Эта система должна обеспечивать выполнение законодательных норм выброса углеводородов. Эта система предотвращает попадание паров бензина из бака автомобиля
в окружающую среду. Пары топлива накапливаются в адсорбере с активированным углем и периодически отсасываются в двигатель, где они сгорают.
При работе двигателя на гомогенных смесях
При этом рабочая смесь равномерно распределяется по объему камеры сгорания. Поступающие из адсорбера пары бензина сгорают вместе с рабочей смесью во всем объеме камеры сгорания.
При послойном смесеобразовании
При послойном смесеобразовании способная к воспламенению рабочая смесь находится только в зоне свечи зажигания. Часть поступившего из адсорбера топлива оказывается при этом в зоне невоспламеняемой смеси. Это может привести к неполному сгоранию топлива и повышенному выбросу углеводородов с отработавшими газами. Поэтому переход на послойное смесеобразование производится только при небольшом содержании топлива в адсорбере.
Блок управления двигателем рассчитывает количество топлива, которое может быть отведено из адсорбера, и вырабатывает команды на открытие клапана его продувки, изменение дозы впрыскиваемого топлива и установку дроссельной заслонки. Для этого блоком управления используется следующая данные:
- нагрузка двигателя, определяемая по сигналам измерителя расхода воздуха с пленочным чувствительным элементом
- частота вращения коленчатого вала, определяемая по сигналам датчика
- температура воздуха на впуске, определяемая по сигналам датчика
- заряд адсорбера, определяемый по сигналам датчика кислорода
Система зажигания
Задачей системы зажигания является воспламенение рабочей смеси в нужный момент времени. Для этого блок управления двигателем должен определять для каждого режима работы двигателя угол опережения зажигания, энергию искры и длительность искрообразования. От угла опережения зажигания зависят крутящий момент, выброс вредных веществ и расход топлива двигателя.
При послойном смесеобразовании
момент зажигания может изменяться в узком диапазоне значений угла поворота коленчатого вала, которому соответствует
образование способной к воспламенению смеси.
При работе на гомогенных бедной и стехиометрической смесях.
Требования к зажиганию не отличаются от них у двигателей с впрыском бензина во впускные каналы. Ввиду одинакового распределения
смеси у двигателей с обеими системами впрыска оптимальные углы опережение зажигания практически не отличаются.
При расчете оптимальных углов опережения зажигания используются:
Основные исходные данные:
1. о нагрузке двигателя, определяемые по сигналам измерителя расхода воздуха и датчика температуры воздуха на впуске,
2. о частоте вращения коленчатого вала, измеряемой по сигналам датчика
Вспомогательные данные, определяемые по сигналам:
3. датчика температуры охлаждающей жидкости,
4. с блока управления дроссельной заслонкой,
5. датчика детонации,
6. датчиков положения педали акселератора,
7. датчика кислорода.
Система выпуска
Эта система была приспособлена к двигателю с непосредственным впрыском бензина. До настоящего времени система очистки
отработавших газов двигателей с непосредственном впрыском была проблематичной. Это связано с тем, что образующиеся при работе на бедных гомогенных и послойных смесях оксиды азота не могут быть восстановлены в обычных трехкомпонентных нейтрализаторах до уровня, допускаемого законодательством. Поэтому для двигателей с непосредственным впрыском бензина применяют накопительные нейтрализаторы, которые способны удерживать оксиды азота при работе на бедных смесях. При заполнении
нейтрализатора до предела производится перевод его на режим регенерации, в процессе которого накопленные в нем оксиды азота
выводятся и восстанавливаются до азота.
Охлаждение отработавших газов
Охлаждение отработавших газов применяется для того, чтобы поддерживать температуру в накопительном нейтрализаторе в диапазоне от 250 до 500 °C. Только в этом температурном диапазоне обеспечивается удерживание оксидов азота в накопительном нейтрализаторе. Накопительный нейтрализатор необходимо охлаждать также из-за снижения его аккумулирующей способности при перегреве до температур свыше 850 °C.
Охлаждение выпускного коллектора
В подкапотном пространстве предусмотрен воздуховод, который позволяет преднамеренно охлаждать выпускной коллектор направляемым на него потоком свежего воздуха и таким образом снижать температуру отработавших газов.
Раздвоенный выпускной трубопровод
Этот трубопровод расположен перед накопительным нейтрализатором. Его установка является вторым мероприятием по
снижению температуры отработавших газов и соответственно накопительного нейтрализатора. Температура газов снижается
за счет увеличения теплоотдачи через развитую поверхность трубопровода.
При одновременном использовании обоих мероприятий удается снижать температуру
отработавших газов на 30*100 °C в зависимости от скорости автомобиля.
Предварительный трехкомпонентный нейтрализатор.
Этот нейтрализатор встроен в выпускной коллектор. Благодаря близости к двигателю он быстро прогревается до рабочей температуры, при которой начинается очистка отработавших газов. Благодаря этому могут быть выполнены жесткие нормы на выбросы вредных веществ.
Назначение
Нейтрализатор служит для каталитического преобразования образующихся при сгорании вредных веществ в безвредные вещества.
Принцип действия
При работе двигателя на гомогенной стехиометрической смеси
Углеводороды (HC) и оксид углерода (CO) отнимают у оксидов азота (NOx) кислород (O), окисляясь до воды (h3O) и диоксида углерода (CO2). При этом оксиды азота восстанавливаются до азота (N2).
При работе двигателя на бедных смесях
Углеводороды и оксид углерода окисляются кислородом, содержащимся в избытке в отработавших газах. При этом кислород у
оксидов азота не отнимается. Поэтому при работе на бедных смесях трехкомпонентный нейтрализатор не может осстанавливать оксиды азота. Последние проходят через трехкомпонентный нейтрализатор и направляются в нейтрализатор накопительного типа.
Что такое непосредственный впрыск топлива, бензина
Система непосредственного впрыска топлива в бензиновых двигателях: принцип работы
Система непосредственного впрыска топлива в бензиновых двигателях на сегодняшний день представляет собой наиболее совершенное и современное решение. Главной особенностью непосредственного впрыска можно считать то, что горючее подается в цилиндры напрямую.
По этой причине данную систему также часто называют прямым впрыском топлива. В этой статье мы рассмотрим, как работает двигатель с непосредственным впрыском топлива, а также какие преимущества и недостатки имеет такая схема.
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.
Система непосредственного впрыска: конструктивные особенности
Итак, давайте в качестве примера возьмем двигатель FSI с его так называемым 
«послойным» впрыском. Система включает в себя следующие элементы:
- контур высокого давления;
- бензиновый ТНВД;
- регулятор давления;
- топливную рампу;
- датчик высокого давления;
- инжекторные форсунки;
Начнем с топливного насоса. Указанный насос создает высокое давление, под которым топливо подается к топливной рампе, а также на форсунки. Насос имеет плунжеры (плунжеров может быть как несколько, так и один в насосах роторного типа) и приводится в действие от распредвала впускных клапанов.
РДТ (регулятор давления топлива) интегрирован в насос и отвечает за дозированную подачу топлива, что соответствует впрыску форсунки. Топливная рейка (топливная рампа) нужна для того, чтобы распределить горючее на форсунки. Также наличие данного элемента позволяет избежать скачков давления (пульсации) горючего в контуре.
Кстати, в схеме используется специальный клапан-предохранитель, который стоит в рейке. Указанный клапан нужен для того, чтобы избежать слишком высокого давления топлива и тем самым защитить отдельные элементы системы. Рост давления может возникать по причине того, что горючее имеет свойство расширяться при нагреве.
Датчик высокого давления является устройством, которое измеряет давление в топливной рейке. Сигналы от датчика передаются на ЭБУ (электронный блок управления двигателем), который, в свою очередь, способен изменять давление в топливной рейке.
Что касается инжекторной форсунки, элемент обеспечивает своевременную подачу и распыл топлива в камере сгорания, чтобы создать необходимую топливно-воздушную смесь. Отметим, что описанные процессы протекают под управлением ЭСУД (электронная система управления двигателем). Система имеет группу различных датчиков, электронный блок управления, а также исполнительные устройства.
Если же говорить о системе прямого впрыска, вместе с датчиком высокого давления топлива для ее работы задействованы: датчик коленчатого вала, ДПРВ, датчик положения дроссельной заслонки, воздухорасходомер, датчик температуры воздуха во впускном коллекторе, датчик температуры ОЖ и т.д.
Благодаря работе этих датчиков на ЭБУ поступает нужная информация, после чего блок посылает сигналы на исполнительные устройства. Это позволяет добиться слаженной и точной работы электромагнитных клапанов, форсунок, предохранительного клапана и ряда других элементов.
Как работает система непосредственного впрыска топлива
Главным плюсом непосредственного впрыска является возможность добиться
различных типов смесеобразования. Другим словами, такая система питания способна гибко изменять состав рабочей топливно-воздушной смеси с учетом режима работы двигателя, его температуры, нагрузки на ДВС и т.д.
Следует выделить послойное смесеобразование, стехиометрическое, а также гомогенное. Именно такое смесеобразование позволяет в конечном итоге максимально эффективно расходовать топливо. Смесь всегда получается качественной независимо от режима работы ДВС, бензин сгорает полноценно, двигатель становится более мощным, при этом одновременно снижается токсичность выхлопа.
- Послойное смесеобразование задействуется тогда, когда нагрузки на двигатель низкие или средние, а обороты коленвала небольшие. Если просто, в таких режимах смесь несколько обедняется в целях экономии. Стехиометрическое смесеобразование предполагает приготовление такой смеси, которая легко воспламеняется, при этом не является слишком обогащенной.
- Гомогенное смесеобразование позволяет получить так называемую «мощностную» смесь, которая нужна при больших нагрузках на двигатель. На обедненной гомогенной смеси в целях дополнительной экономии силовой агрегат работает на переходных режимах.
- Когда задействован режим послойного смесеобразования, дроссельная заслонка широко открыта, при этом впускные заслонки находятся в закрытом состоянии. В камеру сгорания воздух подается с высокой скоростью, возникают завихрения воздушных потоков. Горючее впрыскивается ближе к концу такта сжатия, впрыск производится в область расположения свечи зажигания.
За короткое время до того, как на свече появится искра, образуется топливно-воздушная смесь, в которой коэффициент избыточного воздуха составляет 1.5-3. Далее смесь воспламеняется от искры, при этом вокруг зоны воспламенения сохраняется достаточно количество воздуха. Указанный воздух выполняет функцию температурного «изолятора».
Если же рассматривать гомогенное стехиометрическое смесеобразование, такой процесс происходит тогда, когда впускные заслонки открыты, при этом дроссельная заслонка также открыта на тот или иной угол (зависит от степени нажатия на педаль акселератора).
В этом случае горючее впрыскивается еще на такте впуска, в результате чего удается получить однородную смесь. Избыток воздуха имеет коэффициент, близкий к единице. Такая смесь легко воспламеняется и полноценно сгорает по всему объему камеры сгорания.
Обедненная гомогенная смесь создается тогда, когда дроссельная заслонка полностью открыта, а впускные заслонки закрыты. В этом случае воздух активно движется в цилиндре, а впрыск горючего приходится на такт впуска. ЭСУД поддерживает избыток воздуха на отметке 1.5.
Дополнительно к чистому воздуху могут быть добавлены отработавшие газы. Это происходит благодаря работе системы рециркуляции отработавших газов EGR. В результате выхлоп повторно «догорает» в цилиндрах без ущерба для мотора. При этом снижается уровень выброса вредных веществ в атмосферу.
Что в итоге
Как видно, прямой впрыск позволяет добиться не только экономии топлива, но и хорошей отдачи от двигателя как в режимах низких и средних, так и высоких нагрузок. Другими словами, наличие непосредственного впрыска означает, что оптимальный состав смеси будет поддерживаться на всех режимах работы ДВС.
Что касается недостатков, к минусам прямого впрыска можно отнести разве что повышенную сложность во время ремонта и цену запчастей, а также высокую чувствительность системы к качеству горючего и состоянию фильтров топлива и воздуха.
Не нашли интересующую Вас информацию? Задайте вопрос на нашем форуме.Если вы нашли ошибку, пожалуйста, выделите фрагмент текста и нажмите Ctrl+Enter.