Работоспособность любого транспортного средства, в первую очередь, обеспечивается исправной работой его «сердца» - двигателя. В свою очередь, составляющей частью стабильной деятельности этого «органа» есть слаженная работа системы впрыска, с помощь которой подается необходимое для работы топливо. На сегодняшний день, благодаря множеству преимуществ, она полностью вытеснила карбюраторную систему. Главным положительным моментом ее использования является наличие «умной электроники», обеспечивающей точную дозировку топливовоздушной смеси, что повышает мощность транспортного средства и существенно увеличивает топливную экономичность. К тому же, электронная система впрыска в значительно большей степени помогает придерживаться строгих экологических норм, вопрос соблюдения которых, в последнее время, приобретает все большей актуальности. Учитывая вышесказанное, выбор темы данной статьи более чем уместен, так, что давайте рассмотрим принцип работы этой системы более детально.

1. Принцип работы электронного впрыска топлива

Электронная (или более известный вариант названия «инжекторная») система подачи топлива может устанавливаться на автомобили как с бензиновыми, так и с Однако, конструкция механизма в каждом из этих случаев, будет иметь существенные различия. Все топливные системы можно разделить за такими классификационными признаками:

- за способом подачи топлива выделяют прерывистую и непрерывную подачу;

За типом дозирующих систем различают распределители, форсунки, регуляторы давления, плунжерные насосы;

За способом управления количеством подаваемой горючей смеси – механические, пневматические и электронные;

За основными параметрами регулировки состава смеси – разряжение во впускной системе, при угле поворота дроссельной заслонки и расходе воздуха.

Система впрыска топлива современных бензиновых двигателей имеет либо электронное, либо механическое управление. Естественно, более совершенным вариантом является электронная система, так как она в значительно лучшей степени может обеспечить экономию топлива, сокращение уровня выброса вредных токсичных веществ, увеличение мощности мотора, улучшение общей динамики машины и облегчение «холодного пуска».

Первой, полностью электронной системой, стал продукт, выпущенный американской компанией Bendix в 1950 году. Спустя 17 лет, аналогичное устройство создала и компания Bosch, после чего оно было установлено на одну из моделей Volkswagen. Именно это событие положило начало массовому распространению системы электронного управления впрыском топлива (EFI - Electronic Fuel Injection), при чем не только на спортивных автомобилях, но и на транспортных средствах класса «люкс».

Полностью электронная система использует для своей работы (топливные форсунки), вся деятельность которых базируется на электромагнитном действии. В определенные моменты рабочего цикла двигателя, они открываются и остаются в таком положении на протяжении всего времени, необходимого для подачи того или иного количества топлива. Тоесть, время открытого состояния – прямо пропорционально требуемому количеству бензина.

Среди полностью электронных систем впрыска топлива, выделяют следующие два типы, отличающиеся в основном только способом измерения воздушного потока: систему с непрямым измерением воздушного давления и с прямым измерением воздушного потока. Такие системы, для определения уровня разрежения в коллекторе, используют соответствующий датчик (MAP - manifold absolute pressure). Его сигналы направляются на электронный модуль (блок) управления, где учитывая аналогичные сигналы поступающие с других датчиков, перерабатываются и перенаправляются на электромагнитную форсунку (инжектор), что и вызывает ее открытие на нужное для поступление воздуха время.

Хорошим представителем системы с датчиком давления есть система Bosch D-Jetronic (литера «D» - давление). Работа системы впрыска с электронным управлением базируется на некоторых особенностях. Сейчас мы опишем отдельные из них, характерные для стандартного типа такой системы (EFI). Начнем с того, что она может быть подразделена на три подсистемы: первая -отвечает за подачу топлива, вторая - за всасывание воздуха, ну а третья является электронной системой управления.

Структурными частями системы подачи топлива есть топливной бак, топливный насос, подающий топливопровод (направляющий от распределителя для топлива), топливную форсунку, регулятор давления топлива и обратный топливопровод. Принцип действия системы следующий: с помощью электрического топливного насоса (размещается внутри или рядом с топливным баком), бензин выходит из бака и подается в форсунку, а все загрязнения отфильтровываются с помощью мощного встроенного топливного фильтра. Та часть топлива, которая не была направлена через форсунку во всасывающий трубопровод, возвращается в бак через обратный топливопривод. Поддержание постоянного давления топлива обеспечивает специальный регулятор, отвечающий за стабильность этого процесса.

Система всасывания воздуха состоит из дроссельного клапана, всасывающего коллектора, очистителя воздуха, впускного клапана и воздухозаборной камеры. Принцип ее действия такой: при открытом дроссельном клапане, воздушные потоки проходят через очиститель, затем через расходометр воздуха (им оборудуются системы типа L), дроссельный клапан и качественно настроенный впускной патрубок, после чего попадают во впускной клапан. Функция направления воздуха в двигатель требует наличия привода. По ходу открытия клапана дросселя, в цилиндры мотора попадает значительно большее количество воздуха.

В некоторых силовых агрегатах применяются два разных способа измерения объема входящих воздушных потоков. Так, например, при использовании системы EFI (тип D), воздушный поток измеряют при помощи проведения мониторинга давления во всасывающем коллекторе, тоесть косвенно, в то время как аналогичная система, но уже типа L делает это напрямую, используя специальное устройство – расходометр воздуха.

В состав электронной системы управления входят следующие виды датчиков: двигателя, электронного управляющего блока (ECU), устройства топливной форсунки и соответствующей проводки. С помощью указанного блока, путем мониторинга датчиков силового агрегата определяется точное количество подаваемого форсунке топлива. Что бы подавать в мотор воздух/топливо в соответствующих пропорциях, блок управления запускает работу форсунок на конкретный период времени, которые именуют «шириной импульса впрыска» или «продолжительностью впрыска». Если описывать основной режим работы системы электронного впрыска топлива, с учетом уже названных подсистем, то он будет иметь следующий вид.

Попадая в силовой агрегат через систему всасывания воздуха, воздушные потоки измеряются с помощью расходометра. Когда воздух оказывается в цилиндре, происходит его смешивание с топливом, в чем не последнюю роль играет работа топливных форсунок (расположенных за каждым впускным клапаном всасывающего коллектора). Эти детали являются своеобразными электроклапанами, которые управляются электронным блоком (ECU). Он посылает на форсунку определенные импульсы, используя для этого включение и выключение цепи ее заземления. Когда она включена, происходит открытие и топливо распыляется на заднюю часть стенки впускного клапана. При попадании в подающийся снаружи воздух, оно смешивается с ним и испаряется благодаря низкому давлению всасывающего коллектора.

Сигналы, посылаемые электронным блоком управления, обеспечивают такой уровень подачи топлива, который будет достаточным для достижения идеального соотношения пропорций воздух/топливо (14,7:1), называемого еще стехиометрией. Именно ECU, исходя из измеренного объема воздуха и оборотов мотора, определяет основной объем впрыска. В зависимости от условий эксплуатации двигателя, этот показатель может изменяться. Блок управления отслеживает такие сменные величины как скорость двигателя, температура тосола (охлаждающей жидкости),содержания кислорода в выхлопных газах и угол расположения дросселя, в соответствии с чем производит корректировку впрыска, определяющую окончательный объем впрыскиваемого топлива.

Безусловно, система питания с электронным дозированием топлива, превосходит карбюраторное питание бензиновых двигателей, поэтому нет ничего удивительного в ее широкой популярности. Системы впрыска бензина, из-за наличия огромного числа электронных и подвижных прецизионных элементов, являются более сложными механизмами, поэтому, требуют высокого уровня ответственности в подходе к вопросу обслуживания.

Существование системы впрыска дает возможность более точно распределить топливо по цилиндрам мотора. Это стало возможным, благодаря отсутствию дополнительного сопротивления воздушному потоку, которое на впуске создавали карбюратор и дифузоры. Соответственно, повышения коэффициента наполнения цилиндров напрямую влияет на увеличения уровня мощности двигателя. Давайте же сейчас рассмотрим более детально все положительные моменты использования системы электронного впрыска топлива.

2. Плюсы и минусы электронного впрыска топлива

К положительным моментам стоит отнести:

Возможность более равномерного распределения топливо-воздушной смеси. Каждый цилиндр имеет собственную форсунку, подающую топливо непосредственно на впускной клапан, что позволяет избежать необходимости подачи через всасывающий коллектор. Это способствует улучшению его распределения между цилиндрами.

Высокоточность контролирования пропорций воздуха и топлива, в независимости от эксплуатационных условий двигателя. С помощью стандартной электронной системы, в двигатель поступает точная пропорция топлива и воздуха, что значительно улучшает дорожные качества транспортного средства, топливную экономичность и контроль за выхлопными газами. Улучшение работоспособности дросселя. Благодаря подачи топлива непосредственно на заднюю стенку впускного клапана, можно оптимизировать работу всасывающего коллектора, повысив тем самым скорость движения воздушного потока через впускной клапан. За счет таких действий улучшается крутящий момент и рабочая эффективность дросселя.

Повышение топливной экономичности и улучшение контроля токсичности выхлопных газов. В двигателях, оснащенных системой EFI, обогащение топливной смеси при холодном запуске и широко открытой дроссельной заслонке, поддается сокращению, так как смешивание топлива не является проблематичным действием. За счет этого, появляется возможность экономии топлива и улучшения контроля за выхлопными газами.

Улучшение эксплуатационных качеств холодного двигателя (в том числе и пусковых). Возможность впрыска топлива сразу на впускной клапан, в сочетании с улучшенной формулой распыления, соответственно повышает пусковые и эксплуатационные возможност холодного мотора. Упрощение механики и снижение чувствительности к регулировке. При холодном старте или измерении топлива, система EFI не зависит от регулировки обогащения топливной смеси. А поскольку, с механической точки зрения, она отличается простотой, то и требования к ее техническому обслуживанию снижены.

Однако, ни один механизм не может обладать исключительно положительными качествами, поэтому, в сравнении с теми же карбюраторными двигателями, моторы с электронной системой впрыска топлива имеют некоторые недостатки. К основным из них относят: высокую стоимость; практически полную невозможность ремонтных действий; высокие требования к составу топлива; сильную зависимость от источников электропитания и необходимость постоянного наличия напряжения (более современный вариант, который контролируется электроникой). Также, в случае поломки, не получится обойтись без специализированного оборудования и высококвалифицированного персонала, что выражается в слишком дорогостоящем обслуживании.

3. Диагностика причин неисправностей системы электронного впрыска топлива

Возникновение неполадок в системе впрыска – не такое уж и редкое явление. Особенно актуальным этот вопрос есть для владельцев старых моделей автомобилей, которым не раз приходилось сталкиваться как с обычным засорением форсунок, так и с более серьезными проблемами по части электроники. Причин неисправностей, часто возникающих в данной системе, может быть очень много, однако наиболее распространенными среди них есть следующие:

- дефекты («брак») конструктивных элементов;

Граничный срок службы деталей;

Систематическое нарушение правил эксплуатации автомобиля (использование низкокачественного топлива, загрязнения системы и т.д.);

Внешние отрицательные воздействия на конструктивные элементы (попадание влаги, механические повреждения, окисление контактов и др.)

Наиболее надежным способом их определения является компьютерная диагностика. Этот вид диагностической процедуры основывается на автоматическом фиксировании отклонений параметров системы от установленных значений нормы (режим самодиагностики). Обнаруженные ошибки (несоответствия) остаются в памяти электронного блока управления в виде так называемых «кодов неисправностей». Для проведения этого метода исследования, к диагностическому разъему блока подключают специальное устройство (персональный компьютер с программой и кабелем или сканер), задача которого считать все имеющиеся коды неисправностей. Однако, учтите – кроме специального оборудования, точность результатов проведенной компьютерной диагностики, будет зависеть от знаний и навыков человека который ее проводил. Поэтому, доверять процедуру следует только квалифицированным сотрудникам специальных сервисных центров.

В компьютерную проверку электронных составляющих системы впрыска входи т:

- диагностика топливного давления;

Проверка всех механизмов и узлов системы зажигания (модуля, высоковольтных проводов, свечей);

Проверка герметичности впускного коллектора;

Состава топливной смеси; оценка токсичности отработанных газов по шкалах СН и СО);

Диагностика сигналов каждого датчика (используется метод эталонных осцилограмм);

Проверка цилиндрической компрессии; контроль отметок положения ремня ГРМ и много других функций, которые зависят от модели машины и возможностей самого диагностического аппарата.

Проведение указанной процедуры необходимо если Вы хотите узнать имеются ли неисправности в системе электронной подачи (впрыска) топлива и если есть, то какие. Электронный блок EFI (компьютер) «помнит» все неисправности лишь пока система подключена к аккумуляторной батареи, если клемму отсоединить – вся информация исчезнет. Так будет, ровно до того момента, пока водитель вновь не включит зажигание и компьютер наново не проверит работоспособность всей системы.

На некоторых автомобилях, оборудованных системой электронной подачи топлива (EFI), под капотом имеется коробочка, на крышке которой Вы сможете заметить надпись "DIAGNOSIS" . К ней еще подведен довольно толстый жгут разных проводов. Если коробочку открыть, то с внутренней стороны крышки будет видна маркировка выводов. Возьмите любой провод и с его помощью замкните выводы "Е1" и "ТЕ1" , после чего сядьте за руль, включите зажигание и наблюдайте за реакцией лампочки "CHECK" (на ней изображен двигатель). Обратите внимание! Кондиционер обязательно должен быть в выключенном состоянии.

Как только Вы повернете ключ в замке зажигания, указанная лампочка начнет мигать. Если она «моргнет» 11 раз (или больше), через равный промежуток времени, это будет значить, что в памяти бортового компьютера нет информации и с поездкой на полную диагностику системы (в частности и электронного впрыска топлива) можно повременить. Если вспышки будут хоть как-то отличаться – значит стоит обратиться к специалистам.

Такой способ «домашней» мини-диагностики доступен не всем владельцам транспортным средств (в основном только иномарок), но тем у кого есть такой разъем, в этом плане повезло.

ВПРЫСК, который также иногда называют центральным, стал широко применяться на легковых автомобилях в 80-х годах прошлого века. Подобная система питания получила свое название из-за того, что топливо подавалось во впускной коллектор лишь в одной точке.

Многие системы того времени были чисто механическими, электронного управления у них не было. Частенько основой для такой системы питания был обычный карбюратор, из которого просто удаляли все “лишние” элементы и устанавливали в районе его диффузора одну или две форсунки (поэтому центральный впрыск стоил относительно недорого). К примеру, так была устроена система TBI (“Throttle Body Injection”) компании “General Motors”.

Но, несмотря на свою кажущуюся простоту, центральный впрыск обладает очень важным преимуществом по сравнению с карбюратором - он точнее дозирует горючую смесь на всех режимах работы двигателя. Это позволяет избежать провалов в работе мотора, а также увеличивает его мощность и экономичность.

Со временем появление электронных блоков управления позволило сделать центральный впрыск компактнее и надежнее. Его стало легче адаптировать к работе на различных двигателях.

Однако от карбюраторов одноточечный впрыск унаследовал и целый ряд недостатков. К примеру, высокое сопротивление поступающему во впускной коллектор воздуху и плохое распределение топливной смеси по отдельным цилиндрам. Как результат - двигатель с такой системой питания обладает не очень высокими показателями. Поэтому сегодня центральный впрыск практически не встречается.

Кстати, концерн “General Motors” также разработал интересную разновидность центрального впрыска - CPI (“Central Port Injection”). В такой системе одна форсунка распыляла топливо в специальные трубки, которые были выведены во впускной коллектор каждого цилиндра. Это был своего рода прообраз распределенного впрыска. Однако из-за невысокой надежности от использования CPI быстро отказались.

Распределенный

ИЛИ МНОГОТОЧЕЧНЫЙ впрыск топлива - сегодня самая распро¬страненная система питания двигателей на современных автомобилях. От предыдуще¬го типа она отличается прежде всего тем, что во впускном коллекторе каждого цилиндра стоит индивидуальная форсунка. В определенные моменты времени она впрыскивает необходимую порцию бензина прямо на впускные клапаны “своего” цилиндра.

Многоточечный впрыск бывает параллельным и последовательным. В первом случае в определенный момент времени срабатывают все форсунки, топливо перемешивается с воздухом, и получившаяся смесь ждет открытия впускных клапанов, чтобы попасть в цилиндр. Во втором случае период работы каждого инжектора рассчитывается индивидуально, чтобы бензин подавался за строго определенное время перед открытием клапана. Эффективность такого впрыска выше, поэтому большее распространение получили именно последовательные системы, несмотря на более сложную и дорогую электронную “начинку”. Хотя иногда встречаются и более дешевые комбинированные схемы (форсунки в этом случае срабатывают попарно).

Поначалу системы распределенного впрыска тоже управлялись механически. Но со временем электроника и здесь одержала верх. Ведь, получая и обрабатывая сигналы от множества датчиков, блок управления не только командует исполнительными механизмами, но и может сигнализировать водителю о неисправности. Причем даже в случае поломки электроника переходит на аварийный режим работы, позволяя автомобилю самостоятельно добраться до сервисной станции.

Распределенный впрыск обладает целым рядом достоинств. Помимо приготовления горючей смеси правильного состава для каждого режима работы двигателя такая система вдобавок точнее распределяет ее по цилиндрам и создает минимальное сопротивление проходящему по впускному коллектору воздуху. Это позволяет улучшить многие показатели мотора: мощность, экономичность, экологичность и т.д. Из недостатков многоточечного впрыска можно назвать, пожалуй, лишь только довольно высокую стоимость.

Непосредственный..

“Goliath GP700” стал первым серийным автомобилем, двигатель которого получил впрыск топлива.

ВПРЫСК (его еще иногда называют прямым) отличается от предыдущих типов систем питания тем, что в данном случае форсунки подают топливо прямо в цилиндры (минуя впус¬кной коллектор), как у дизельного двигателя.

В принципе такая схема системы питания не нова. Еще в первой половине прошлого века ее использовали на авиационных двигателях (например на советском истребителе “Ла-7”). На легковых машинах прямой впрыск появился чуть позже - в 50-х годах ХХ века сначала на автомобиле “Goliath GP700”, а затем на знаменитом “Mercedes-Benz 300SL”. Однако через некоторое время автопроизводители практически отказались от применения непосредственного впрыска, он остался лишь на гоночных автомобилях.

Дело в том, что головка блока цилиндров у двигателя с прямым впрыском получалась очень сложной и дорогой в производстве. Кроме того, конструкторам долгое время не удавалось добиться стабильной работы системы. Ведь для эффективного смесеобразования при прямом впрыске необходимо, чтобы топливо хорошо распылялось. То есть подавалось в цилиндры под большим давлением. А для этого требовались специальные насосы, способные его обеспечить.. В итоге на первых порах двигатели с такой системой питания получались дорогими и неэкономичными.

Однако с развитием технологий все эти проблемы удалось решить, и многие автопроизводители вернулись к давно забытой схеме. Первой была компания “Mitsubishi”, в 1996 году установившая двигатель с непосредственным впрыском топлива (фирменное обозначение - GDI) на модель “Galant”, затем подобные решения стали использовать и другие компании. В частности, “Volkswagen” и “Audi” (система FSI), “Peugeot-Citroёn” (HPA), “Alfa Romeo” (JTS) и другие.

Почему же такая система питания вдруг заинтересовала ведущих автопроизводителей? Все очень просто - моторы с прямым впрыском способны работать на очень бедной рабочей смеси (с малым количеством топлива и большим - воздуха), поэтому они отличаются хорошей экономичностью. Вдобавок подача бензина непосредственно в цилиндры позволяет поднять степень сжатия двигателя, а следовательно и его мощность.

Система питания с прямым впрыском может работать в разных режимах. Например, при равномерном движении автомобиля со скоростью 90-120 км/ч электроника подает в цилиндры очень мало топлива. В принципе такую сверхбедную рабочую смесь очень трудно поджечь. Поэтому в моторах с прямым впрыском используются поршни со специальной выемкой. Она направляет основную часть топлива ближе к свече зажигания, где условия для воспламенения смеси лучше.

При движении с высокой скоростью или при резких ускорениях в цилиндры подается значительно больше топлива. Соответственно из-за сильного нагрева частей двигателя возрастает риск возникновения детонации. Чтобы избежать этого, форсунка впрыскивает в цилиндр топливо широким факелом, ко¬торый заполняет весь объем камеры сгорания и охлаждает ее.

Если же водителю требуется резкое ускорение, то форсунка срабатывает два раза. Сначала в начале такта впуска распыляется небольшое количество топлива для охлаждения цилиндра, а затем в конце такта сжатия впрыскивается основной заряд бензина.

Но, несмотря на все свои преимущества, двигатели с непосредственным впрыском пока еще недостаточно распространены. Причина - высокая стоимость и требовательность к качеству топлива. Кроме того, мотор с такой системой питания работает громче обычного и сильнее вибрирует, поэтому конструкторам приходится дополнительно усиливать некоторые детали двигателя и улучшать шумоизоляцию моторного отсека.

Автор Издание Клаксон №4 2008 год Фото фото из архива “Клаксона”

Основным назначением системы впрыска (иное название - инжекторная система) является обеспечение своевременной подачи топлива в рабочие цилиндры ДВС.

В настоящее время подобная система активно используется на дизельных и бензиновых двигателях внутреннего сгорания. Важно понимать, что для каждого типа двигателя система впрыска будет в значительной мере отличаться.

Фото: rsbp (flickr.com/photos/rsbp/)

Так в бензиновых ДВС процесс впрыска способствует образованию топливовоздушной смеси, после чего происходит ее принудительное воспламенение от искры.

В дизельных же ДВС подача топлива осуществляется под высоким давлением, когда одна часть топливной смеси соединяется с горячим сжатым воздухом и почти моментально самовоспламеняется.

Система впрыска остается ключевой составной частью общей топливной системы любого автомобиля. Центральным рабочим элементом подобной системы является топливная форсунка (инжектор).

Как уже было сказано ранее в бензиновых двигателях и дизелях применяются различные виды систем впрыска, которые мы и рассмотрим обзорно в этой статье, а детально разберем в последующих публикациях.

Виды систем впрыска на бензиновых ДВС

На бензиновых двигателях используются следующие системы подачи топлива - центральный впрыск (моно впрыск), распределенный впрыск (многоточечный), комбинированный впрыск и непосредственный впрыск.

Центральный впрыск

Подача топлива в системе центрального впрыска происходит за счет топливной форсунки, которая расположена во впускном коллекторе. Поскольку форсунка всего одна, то эту систему впрыска называют еще - моновпрыск.

Системы этого вида на сегодняшний день утратили свою актуальность, поэтому в новых моделях автомобилей они не предусмотрены, впрочем, в некоторых старых моделях некоторых автомобильных марок их можно встретить.

К преимуществам моно впрыска можно отнести надежность и простоту использования. Недостатками подобной системы являются низкий уровень экологичности двигателя и высокий расход топлива .

Распределенный впрыск

Система многоточечного впрыска предусматривает подачу горючего отдельно на каждый цилиндр, оснащенный собственной топливной форсункой. При этом ТВС образуется только во впускном коллекторе.

В настоящее время большинство бензиновых двигателей оснащено системой распределенной подачи топлива. Преимуществами подобной системы являются высокая экологичность, оптимальный расход топлива, умеренные требования к качеству потребляемого топлива.

Непосредственный впрыск

Одна из наиболее совершенных и прогрессивных систем впрыска. Принцип работы подобной системы заключается в прямой подаче (впрыске) топлива в камеру сгорания цилиндров.

Система непосредственной подачи топлива позволяет получать качественный состав ТВС на всех этапах работы ДВС с целью улучшения процесса сгорания горючей смеси, увеличения рабочей мощности двигателя, снижения уровня отработанных газов.

К недостаткам данной системы впрыска можно отнести сложную конструкцию и высокие требования к качеству топлива .

Комбинированный впрыск

Система данного типа объединила в себе две системы - непосредственный и распределенный впрыск. Зачастую она применяется для уменьшения выбросов токсичных элементов и отработанных газов, благодаря чему достигается высокие показатели экологичности двигателя.

Все системы подачи топлива, пнименяемые на бензиновых ДВС могут быть оснащены механическими или электронными устройствами управления, из которых последняя наиболее совершенна, поскольку обеспечивает наилучшие показатели экономичности и экологичности двигателя.

Подача топлива в подобных системах может осуществляться непрерывно или дискретно (импульсно). По мнению специалистов, импульсная подача топлива является наиболее целесообразной и эффективной и на сегодняшний день применяется во всех современных двигателях.

Виды систем впрыска дизельных ДВС

На современных дизельных двигателях применяются такие системы впрыска, как система насос-форсунки, система Сommon Rail, система с рядным или распределительным ТНВД (топливным насосом высокого давления).

Наиболее востребованные и считаются наиболее прогрессивными из них системы: Сommon Rail и насос-форсунки, о которых ниже поговорим чуть подробнее.

ТНВД является центральным элементом любой топливной системы дизельного двигателя.

В дизелях подача горючей смеси может осуществляться как в предварительную камеру, так и напрямую в камеру сгорания (непосредственный впрыск).

На сегодняшний день предпочтение отдается системе непосредственного впрыска, которую отличает повышенный уровень шума и менее плавная работа двигателя, по сравнению с впрыском в предварительную камеру, но при этом обеспечивается гораздо более важный показатель - экономичность.

Система впрыска насос-форсунки

Подобная система применяется для подачи и впрыска топливной смеси под высоким давлением центральным устройством - насос-форсунками.

По названию можно догадаться, что ключевой особенностью данной системы является то, что в единственном устройстве (насос-форсунке) объединены сразу две функции: создание давления и впрыск.

Конструктивным недостатком данной системы является то, что насос оснащен приводом постоянного типа от распредвала двигателя (не отключаемый), который приводит к быстрому износу конструкции. Из-за этого производители все чаще делают выбор в пользу системы впрыска Сommon Rail.

Система впрыска Сommon Rail (аккумуляторный впрыск)

Это более совершенная система подачи ТС для большинства дизельных двигателей. Ее название пошло от основного конструктивного элемента - топливной рампы, общей для всех форсунок. Сommon Rail в переводе с английского как раз и означает - общая рампа.

В такой системе топливо подается к топливным форсункам от рампы, которую еще называют аккумулятором высокого давления, из-за чего у системы появилось и второе название - аккумуляторная система впрыска.

В системе Сommon Rail предусмотрено проведение трех этапов впрыска - предварительного, основного и дополнительного. Это позволяет уменьшить шум и вибрации двигателя, сделать более эффективными процесс самовоспламенения топлива, уменьшить количество вредных выбросов в атмосферу.

Для управления системами впрыска на дизелях предусмотрено наличие механических и электронных устройств. Системы на механике позволяют контролировать рабочее давление, объем и момент впрыска топлива. Электронные системы предусматривают более эффективное управление дизельными ДВС в целом.

В конце 60х-начале 70х годов ХХ века остро встала проблема загрязнения окружающей среды промышленными отходами, среди которых значительную часть составляли выхлопные газы автомобилей. До этого времени состав продуктов сгорания двигателей внутреннего сгорания никого не интересовал. В целях максимального использования воздуха в процессе сгорания и достижения максимально возможной мощности двигателя состав смеси регулировался с таким расчетом, чтобы в ней был избыток бензина.

В результате в продуктах сгорания совершенно отсутствовал кислород, однако оставалось несгоревшее топливо, а вредные для здоровья вещества образуются главным образом при неполном сгорании. В стремлении повышать мощность конструкторы устанавливали на карбюраторы ускорительные насосы, впрыскивающие топливо во впускной коллектор при каждом резком нажатии на педаль акселератора, т.е. когда требуется резкий разгон автомобиля. В цилиндры при этом попадает чрезмерное количество топлива, не соответствующее количеству воздуха.

В условиях городского движения ускорительный насос срабатывает практически на всех перекрестках со светофорами, где автомобили должны то останавливаться, то быстро трогаться с места. Неполное сгорание имеет место также при работе двигателя на холостых оборотах, а особенно при торможении двигателем. При закрытом дросселе воздух проходит через каналы холостого хода карбюратора с большой скоростью, всасывая слишком много топлива.

Из-за значительного разрежения во впускном трубопроводе в цилиндры засасывается мало воздуха, давление в камере сгорания остается к концу такта сжатия сравнительно низким, процесс сгорания чрезмерно богатой смеси проходит медленно, и в выхлопных газах остается много несгоревшего топлива. Описанные режимы работы двигателя резко повышают содержание токсических соединения в продуктах сгорания.

Стало очевидно, что для понижения вредных для жизнедеятельности человека выбросов в атмосферу надо кардинально менять подход к конструированию топливной аппаратуры.

Для снижения вредных выбросов в систему выпуска было предложено устанавливать каталитический нейтрализатор отработавших газов. Но катализатор эффективно работает только при сжигании в двигателе так называемой нормальной топливо-воздушной смеси (весовое соотношение воздух/бензин 14,7:1). Любое отклонение состава смеси от указанного приводило к падению эффективности его работы и ускоренному выходу из строя. Для стабильного поддержания такого соотношения рабочей смеси карбюраторные системы уже не подходили. Альтернативой могли стать только системы впрыска.

Первые системы были чисто механическими с незначительным использованием электронных компонентов. Но практика использования этих систем показала, что параметры смеси, на стабильность которых рассчитывали разработчики, изменяются по мере эксплуатации автомобиля. Этот результат вполне закономерен, учитывая износ и загрязнение элементов системы и самого двигателя внутреннего сгорания в процессе его службы. Встал вопрос о системе, которая смогла бы сама себя корректировать в процессе работы, гибко сдвигая условия приготовления рабочей смеси в зависимости от внешних условий.

Выход был найден следующий. В систему впрыска ввели обратную связь – в выпускную систему, непосредственно перед катализатором, поставили датчик содержания кислорода в выхлопных газах, так называемый лямбда-зонд. Данная система разрабатывалась уже с учетом наличия такого основополагающего для всех последующих систем элемента, как электронный блок управления (ЭБУ). По сигналам датчика кислорода ЭБУ корректирует подачу топлива в двигатель, точно выдерживая нужный состав смеси.

На сегодняшний день инжекторный (или, говоря по-русски, впрысковый) двигатель практически полностью заменил устаревшую
карбюраторную систему. Инжекторный двигатель существенно улучшает эксплуатационные и мощностные показатели автомобиля
(динамика разгона, экологические характеристики, расход топлива).

Инжекторные системы подачи топлива имеют перед карбюраторными следующие основные преимущества:

• точное дозирование топлива и, следовательно, более экономный его расход.
• снижение токсичности выхлопных газов. Достигается за счет оптимальности топливно-воздушной смеси и применения датчиков параметров выхлопных газов.
• увеличение мощности двигателя примерно на 7-10%. Происходит за счет улучшения наполнения цилиндров, оптимальной установки угла опережения зажигания, соответствующего рабочему режиму двигателя.
• улучшение динамических свойств автомобиля. Система впрыска незамедлительно реагирует на любые изменения нагрузки, корректируя параметры топливно-воздушной смеси.
• легкость пуска независимо от погодных условий.

Устройство и принцип работы (на примере электронной системы распределенного 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.

Типы систем впрыска топлива

В зависимости от количества форсунок и места подачи топлива, системы впрыска подразделяются на три типа: одноточечный или моновпрыск (одна форсунка во впускном коллекторе на все цилиндры), многоточечный или распределенный (у каждого цилиндра своя форсунка, которая подает топливо в коллектор) и непосредственный (топливо подается форсунками непосредственно в цилиндры, как у дизелей).

Одноточечный впрыск проще, он менее начинен управляющей электроникой, но и менее эффективен. Управляющая электроника позволяет снимать информацию с датчиков и сразу же менять параметры впрыска. Немаловажно и то, что под моновпрыск легко адаптируются карбюраторные двигатели почти без конструктивных переделок или технологических изменений в производстве. У одноточечного впрыска преимущество перед карбюратором состоит в экономии топлива, экологической чистоте и относительной стабильности и надежности параметров. А вот в приёмистости двигателя одноточечный впрыск проигрывает. Еще один недостаток: при использовании одноточечного впрыска, как и при использовании карбюратора до 30% бензина оседает на стенках коллектора.

Системы одноточечного впрыска, безусловно, являлись шагом вперед по сравнению с карбюраторными системами питания, но уже не удовлетворяют современным требованиям.

Более совершенными являются системы многоточечного впрыска , в которых подача топлива к каждому цилиндру осуществляется индивидуально. Распределенный впрыск мощнее, экономичнее и сложнее. Применение такого впрыска увеличивает мощность двигателя примерно на 7-10 процентов. Основные преимущества распределенного впрыска:

• возможность автоматической настройки на разных оборотах и соответственно улучшение наполнения цилиндров, в итоге при той же максимальной мощности автомобиль разгоняется гораздо быстрее;
• бензин впрыскивается вблизи впускного клапана, что существенно снижает потери на оседание во впускном коллекторе и позволяет осуществлять более точную регулировку подачи топлива.

Как очередное и эффективное средство в деле оптимизации сгорания смеси и повышения КПД бензинового двигателя реализует простые
принципы. А именно: более тщательно распыляет топливо, лучше перемешивает с воздухом и грамотней распоряжается готовой смесью на разных режимах работы двигателя. В итоге двигатели с непосредственным впрыском потребляют меньше топлива, чем обычные «впрысковые» моторы (в особенности при спокойной езде на невысокой скорости); при одинаковом рабочем объеме они обеспечивают более интенсивное ускорение автомобиля; у них чище выхлоп; они гарантируют более высокую литровую мощность за счет большей степени сжатия и эффекта охлаждения воздуха при испарении топлива в цилиндрах. В то же время они нуждаются в качественном бензине с низким содержанием серы и механических примесей, чтобы обеспечить нормальную работу топливной аппаратуры.

А как раз главное несоответствие между ГОСТами, ныне действующими в России и Украине, и евростандартами- повышенное содержание серы, ароматических углеводородов и бензола. Например, российско-украинский стандарт допускает наличие 500 мг серы в 1 кг топлива, тогда как “Евро-3”- 150 мг, «Евро-4»- лишь 50 мг, а «Евро-5»- всего 10 мг. Сера и вода способны активизировать коррозионные процессы на поверхности деталей, а мусор является источником абразивного износа калиброванных отверстий форсунок и плунжерных пар насосов. В результате износа снижается рабочее давление насоса и ухудшается качество распыления бензина. Все это отражается на характеристиках двигателей и равномерности их работы.

Первой применила двигатель с непосредственным впрыском на серийном автомобиле компания Mitsubishi. Поэтому рассмотрим устройство и принципы действия непосредственного впрыска на примере двигателя GDI (Gasoline Direct Injection). Двигатель GDI может работать в режиме сгорания сверхобедненной топливовоздушной смеси: соотношение воздуха и топлива по массе до 30-40:1.

Максимально возможное для традиционных инжекторных двигателей с распределенным впрыском соотношение равно 20-24:1 (стоит напомнить, что оптимальный, так называемый стехиометрический, состав – 14,7:1) – если избыток воздуха будет больше, переобедненная смесь просто не воспламенится. На двигателе GDI распыленное топливо находится в цилиндре в виде облака, сосредоточенного в районе свечи зажигания.

Поэтому, хотя в целом смесь переобедненная, у свечи зажигания она близка к стехиометрическому составу и легко воспламеняется. В то же время, обедненная смесь в остальном объеме имеет намного меньшую склонность к детонации, чем стехиометрическая. Последнее обстоятельство позволяет повысить степень сжатия, а значит увеличить и мощность, и крутящий момент. За счет того, что при впрыскивании и испарении в цилиндр топлива, воздушный заряд охлаждается – несколько улучшается наполнение цилиндров, а также снова снижается вероятность возникновения детонации.

Основные конструктивные отличия GDI от обычного впрыска:

Топливный насос высокого давления (ТНВД). Механический насос (подобный ТНВД дизельного двигателя) развивает давление в 50 бар (у инжекторного двигателя электронасос в баке создает в магистрали давление около 3-3,5 бар).

• Форсунки высокого давления с вихревыми распылителями создают форму топливного факела, в соответствии с режимом работы двигателя. На мощностном режиме работы впрыск происходит на режиме впуска и образуется конический топливовоздушный факел. На режиме работы на сверхбедных смесях впрыск происходит в конце такта сжатия и формируется компактный топливовоздушный
  факел, который вогнутое днище поршня направляет прямо к свече зажигания.
• Поршень. В днище особой формы сделана выемка, при помощи которой топливо-воздушная смесь направляется в район свечи зажигания.
• Впускные каналы. На двигателе GDI применены вертикальные впускные каналы, которые обеспечивают формирование в цилиндре т.н. “обратного вихря”, направляя топливовоздушную смесь к свече и улучшая наполнение цилиндров воздухом (у обычного двигателя вихрь в цилиндре закручен в противоположную сторону).

Режимы работы двигателя GDI

Всего предусмотрено три режима работы двигателя:

• Режим сгорания сверхбедной смеси (впрыск топлива на такте сжатия).
• Мощностной режим (впрыск на такте впуска).
• Двухстадийный режим (впрыск на тактах впуска и сжатия) (применяется на евромодификациях).

Режим сгорания сверхбедной смеси (впрыск топлива на такте сжатия). Этот режим используется при малых нагрузках: при спокойной городской езде и при движении за городом с постоянной скоростью (до 120 км/ч). Топливо впрыскивается компактным факелом в конце такта сжатия в направлении поршня, отражается от него, смешивается с воздухом и испаряется, направляясь в зону свечи зажигания. Хотя в основном объеме камеры сгорания смесь чрезвычайно обеднена, заряд в районе свечи достаточно обогащен, чтобы воспламениться от искры и поджечь остальную смесь. В результате двигатель устойчиво работает даже при общем соотношении воздуха и топлива в цилиндре 40:1.

Работа двигателя на сильнообедненной смеси поставила новую проблему – нейтрализацию отработавших газов. Дело в том, что при этом режиме основную их долю составляют оксиды азота, и поэтому обычный каталитический нейтрализатор становится малоэффективным. Для решения этой задачи была применена рециркуляция отработавших газов (EGR-Exhaust Gas Recirculation), которая резко снижает количество образующихся оксидов азота и установлен дополнительный NO-катализатор.

Система EGR “разбавляя” топливо-воздушную смесь отработавшими газами, снижает температуру горения в камере сгорания, тем самым “приглушая” активное образование вредных оксидов, в том числе NOx. Однако обеспечить полную и стабильную нейтрализацию NOx только за счет EGR невозможно, так как при увеличении нагрузки на двигатель количество перепускаемых ОГ должно быть уменьшено. Поэтому на двигатель с непосредственным впрыском был внедрен NO-катализатор.

Существует две разновидности катализаторов для уменьшения выбросов NOx – селективные (Selective Reduction Type) и
накопительного типа (NOx Trap Type). Катализаторы накопительного типа более эффективны, но чрезвычайно чувствительны к высокосернистым топливам, чему менее подвержены селективные. В соответствии с этим, накопительные катализаторы устнавливаются на модели для стран с низким содержанием серы в бензине, и селективные – для остальных.

Мощностной режим (впрыск на такте впуска). Так называемый “режим однородного смесеобразования” используется при интенсивной городской езде, высокоскоростном загородном движении и обгонах. Топливо впрыскивается на такте впуска коническим факелом, перемешиваясь с воздухом и образуя однородную смесь, как в обычном двигателе с распределенным впрыском. Состав смеси – близок к стехиометрическому (14,7:1)

Двухстадийный режим (впрыск на тактах впуска и сжатия). Этот режим позволяет повысить момент двигателя в том случае, когда водитель, двигаясь на малых оборотах, резко нажимает педаль акселератора. Когда двигатель работает на малых оборотах, а в него вдруг подается обогащенная смесь, вероятность детонации возрастает. Поэтому впрыск осуществляется в два этапа. Небольшое количество топлива впрыскивается в цилиндр на такте впуска и охлаждает воздух в цилиндре. При этом цилиндр заполняется сверхбедной смесью (примерно 60:1), в которой детонационные процессы не происходят. Затем, в конце такта
сжатия, подается компактная струя топлива, которая доводит соотношение воздуха и топлива в цилиндре до “богатого” 12:1.

Почему этот режим введен только для автомобилей для европейского рынка? Да потому что для Японии присущи невысокие скорости движения и постоянные пробки, а Европа- это протяженные автобаны и высокие скорости (а следовательно, высокие нагрузки на двигатель).

Компания Mitsubishi стала пионером в применении непосредственного впрыска топлива. На сегодняшний день аналогичную технологию используют Mercedes (CGI), BMW (HPI), Volkswagen (FSI, TFSI, TSI) и Toyota (JIS). Главный принцип работы этих систем питания аналогичен– подача бензина не во впускной тракт, а непосредственно в камеру сгорания и формирование послойного либо однородного смесеобразования в различных режимах работы мотора. Но подобные топливные системы имеют и различия, причем иногда довольно существенные. Основные из них – рабочее давление в топливной системе, расположение форсунок и их конструкция.

Материал из Энциклопедия журнала "За рулем"

Схема двигателя Volkswagen FSI с непосредственным впрыском бензина

Первые системы впрыска бензина непосредственно в цилиндры двигателя появились еще в первой половине ХХ в. и использовались на авиационных двигателях. Попытки применения непосредственного впрыска в бензиновых двигателях автомобилей были прекращены в 40-е годы ХХ в., потому что такие двигатели получались дорогостоящими, неэкономичными и сильно дымили на режимах большой мощности. Впрыскивание бензина непосредственно в цилиндры связано с определенными трудностями. Форсунки для непосредственного впрыска бензина работают в более сложных условиях, чем те, что установлены во впускном трубопроводе. Головка блока, в которую должны устанавливаться такие форсунки, получается более сложной и дорогой. Время, отводимое на процесс смесеобразования при непосредственном впрыске, существенно уменьшается, а значит, для хорошего смесеобразования необходимо подавать бензин под большим давлением.
Со всеми этими трудностями удалось справиться специалистам компании Mitsubishi , которая впервые применила систему непосредственного впрыска бензина на автомобильных двигателях. Первый серийный автомобиль Mitsubishi Galant с двигателем 1,8 GDI (Gasoline Direct Injection - непосредственный впрыск бензина) появился в 1996 г.
Преимущества системы непосредственного впрыска заключаются в основном в улучшении топливной экономичности, а также и некоторого повышения мощности. Первое объясняется способностью двигателя с системой непосредственного впрыска работать на очень бедных смесях. Повышение мощности обусловлено в основном тем, что организация процесса подачи топлива в цилиндры двигателя позволяет повысить степень сжатия до 12,5 (в обычных двигателях, работающих на бензине, редко удается установить степень сжатия свыше 10 из-за наступления детонации).

Форсунка двигателя GDI может работать в двух режимах, обеспечивая мощный (а) или компактный (б) факел распыленного бензина

В двигателе GDI топливный насос обеспечивает давление 5 МПа. Электромагнитная форсунка, установленная в головке блока цилиндров, впрыскивает бензин непосредственно в цилиндр двигателя и может работать в двух режимах. В зависимости от подаваемого электрического сигнала она может впрыскивать топливо или мощным коническим факелом, или компактной струей.

Поршень двигателя с непосредственным впрыском бензина имеет специальную форму (процесс сгорания над поршнем)

Днище поршня имеет специальную форму в виде сферической выемки. Такая форма позволяет закрутить поступающий воздух, направить впрыскиваемое топливо к свече зажигания, установленной по центру камеры сгорания. Впускной трубопровод расположен не сбоку, а вертикально сверху. Он не имеет резких изгибов, и поэтому воздух поступает с высокой скоростью.

В работе двигателя с системой непосредственного впрыска можно выделить три различных режима:
1) режим работы на сверхбедных смесях;
2) режим работы на стехиометрической смеси;
3) режим резких ускорений с малых оборотов;
Первый режим используется в том случае, когда автомобиль движется без резких ускорений со скоростью порядка 100–120 км/ч. На этом режиме используется очень бедная горючая смесь с коэффициентом избытка воздуха более 2,7. В обычных условиях такая смесь не может воспламениться от искры, поэтому форсунка впрыскивает топливо компактным факелом в конце такта сжатия (как в дизеле). Сферическая выемка в поршне направляет струю топлива к электродам свечи зажигания, где высокая концентрация паров бензина обеспечивает возможность воспламенения смеси.
Второй режим используется при движении автомобиля с высокой скоростью и при резких ускорениях, когда необходимо получить высокую мощность. Такой режим движения требует стехиометрического состава смеси. Смесь такого состава легко воспламеняется, но у двигателя GDI повышена степень сжатия, и для того чтобы не наступала детонация, форсунка впрыскивает топливо мощным факелом. Мелко распыленное топливо заполняет цилиндр и, испаряясь, охлаждает поверхности цилиндра, снижая вероятность появления детонации.
Третий режим необходим для получения большого крутящего момента при резком нажатии педали «газа», когда двигатель работает на малых оборотах. Этот режим работы двигателя отличается тем, что в течение одного цикла форсунка срабатывает два раза. Во время такта впуска в цилиндр для его охлаждения мощным факелом впрыскивается сверхбедная смесь (α=4,1). В конце такта сжатия форсунка еще раз впрыскивает топливо, но компактным факелом. При этом смесь в цилиндре обогащается и детонация не наступает.
По сравнению с обычным двигателем с системой питания с распределенным впрыском бензина, двигатель с системой GDI примерно на 10 % экономичнее и выбрасывает в атмосферу на 20 % меньше углекислого газа. Повышение мощности двигателя доходит до 10 %. Однако, как показала эксплуатация автомобилей с двигателями такого типа, они очень чувствительны к содержанию серы в бензине. Оригинальный процесс непосредственного впрыска бензина разработала компания Orbital. В этом процессе в цилиндры двигателя впрыскивается бензин, заранее смешанный с воздухом с помощью специальной форсунки. Форсунка компании Orbital состоит из двух жиклеров, топливного и воздушного.

Работа форсунки Orbital

Воздух к воздушным жиклерам поступает в сжатом виде от специального компрессора при давлении 0,65 МПа. Давление топлива составляет 0,8 МПа. Сначала срабатывает топливный жиклер, а затем в нужный момент и воздушный, поэтому в цилиндр, мощным факелом впрыскивается топливно-воздушная смесь в виде аэрозоля.
Форсунка, установленная в головке цилиндра рядом со свечой зажигания, впрыскивает топливно-воздушную струю непосредственно на электроды свечи зажигания, что обеспечивает ее хорошее воспламенение.

Конструктивные особенности двигателя с непосредственным впрыском бензина Audi 2.0 FSI