Система питания бензинового двигателя

8.2.1. Бензины. Состав топливной смеси

В качестве топлива для бензиновых двигателей в Республике Беларусь используются бензины марок АИ-92-К4, АИ-92-К5-Евро, АИ-95-К4, АИ-95-К5-Евро, АИ-98-К5-Евро. Буквы А И обозначают автомобильный бензин с определением октанового числа по исследовательскому методу. Следующее за буквенным цифровое обозначение указывает октановое число автомобильного бензина (92, 95 и 98), также определенное исследовательским методом. Символы К4, К5 обозначают экологический класс автомобильного бензина.

В бензинах содержится по массе около 85 % углерода, 15 % водорода и незначительное количество кислорода, азота, серы и присадок. Плотность бензинов 0,72...0,77 г/см3, теплота сгорания — в среднем 44 МДж/кг.

Бензины получают разными способами: прямой перегонкой, термическим крекингом, каталитическим крекингом.

Прямая перегонка нефти осуществляется в установке, представляющей собой комплекс сложных устройств, основными элементами которых являются трубчатая печь и ректификационная колонна. В результате нагрева нефти до 330...350 °С образуется смесь паров нефти и неиспарившегося жидкого остатка, которая направляется в ректификационную колонну. В ректификационной колонне происходит разделение нефтяных паров на фракции, составляющие тот или иной нефтепродукт. Тяжелые фракции нефти поступают в колонну в жидкой фазе и уже в нижней ее части отделяются от паров и отводятся из нее в виде мазута, а пары конденсируются на тарелках колонны. Прямая перегонка нефти позволяет получить лишь 10... 15 % бензина, и только отдельные сорта нефти дают выход бензина до 20...25 %, т. е. столько, сколько составляют ее фракции, выкипающие в пределах от 35 до 195 °С.

Крекинг является основным методом деструктивной переработки нефти. При крекинге происходит расщепление высокомолекулярных углеводородов и превращение их в низкомолекулярные легкокипящие углеводороды, из которых состоят бензин и другие светлые нефтепродукты.

Термический крекинг происходит под действием повышенных температур (470...540 °С) и давления (20...70 кгс/см2), каталитический крекинг — под действием повышенной температуры (450...500 °С), незначительного давления (до 1,5 кгс/см2), но в присутствии катализатора. В обоих случаях пары сырья направляются в ректификационную колонну для разделения на фракции, как и при прямой перегонке. При термическом крекинге они поступают из нагревательной печи, пройдя испаритель, а при каталитическом — еще и реактор.

К основным характеристикам автомобильных бензинов относят детонационную стойкость; испаряемость (фракционный состав и давление насыщенных паров); плотность.

Детонационная стойкость. В качестве показателя антидето-национных свойств бензинов, получившего название «октановое число», было принято содержание изооктана в смеси с нормаль-96

ным гептаном, которая эквивалентна по своим антидетонацион-ным качествам испытуемому топливу.

При детонации топливовоздушная смесь горит с огромной скоростью, в несколько раз превышающей скорость сгорания пороха в виде локальных взрывов. Если детонация очень интенсивна и продолжается относительно долго, то происходит перегрев и оплавление поршней, начинаются локальные разрушения на металлических поверхностях, прогар прокладки головки блока цилиндров, разрушение поршневых колец, износ подшипников коленчатого вала.

Испаряемость. Характерными точками фракционного состава обычно считают температуру начала кипения, температуру выкипания 10, 50, 90 % объема топлива и температуру конца кипения.

Бензин легче воды, его плотность составляет 0,72...0,77 г/см3.

Процесс смесеобразования представляет собой подготовку рабочей (горючей) смеси воздуха с топливом, что происходит перед впуском смеси в камеру сгорания или во время сгорания.

Для сгорания топливу требуется кислород, который поступает в двигатель в составе воздуха. Для полного сгорания рабочей смеси желательно преобразование в тепло всей энергии, потенциально содержащейся в топливе. В идеале возле каждой частицы топлива должна находиться молекула кислорода, необходимая для окисления. Смесь в таком соотношении бензина и воздуха называется нормальной.

Чтобы обозначить степень отличия действительной топливовоздушной смеси от теоретически необходимой (стехиометрической), используется коэффициент избытка воздуха у (в отечественной литературе обозначается буквой а). Теоретически необходимая масса воздуха для сгорания одного килограмма топлива составляет 15 кг, при этом величина коэффициента избытка воздуха приближена к 1.

где ?д — действительная масса воздуха; ?т — теоретически необходимая масса воздуха.

Если в смеси на 1 кг бензина приходится более 15 (до 17) кг воздуха, то смесь называется обедненной. При большем содержании воздуха смесь будет бедной.

Смесь, в которой на 1 кг топлива приходится менее 15 (до 13) кг воздуха, называется обогащенной. Если смесь содержит менее

13 кг воздуха на 1 кг бензина, она считается богатой. В условиях эксплуатации автомобиля двигатель работает с изменяющимися нагрузками и частотой вращения коленчатого вала. В соответствии с режимом работы двигателя должен изменяться и состав горючей смеси, подаваемой в цилиндры.

При пуске холодного двигателя смесь в цилиндр поступает с малой скоростью, не подогревается, и значительная часть паров бензина конденсируется на холодных стенках цилиндра. Чтобы в этих условиях в смеси оставалось необходимое содержание парообразного топлива, его нужно подавать больше, т. е. смесь должна быть богатой.

При малой частоте вращения коленчатого вала двигателя (холостой ход) в цилиндрах остается большое количество ОГ, а количество поступающей смеси недостаточно. В этих условиях частицы парообразного топлива будут удалены друг от друга, рабочая смесь горит медленно, и двигатель работает неустойчиво. Для увеличения скорости сгорания горючая смесь, подаваемая в цилиндры, должна быть обогащенной.

При средних нагрузках, когда от двигателя не требуется полной мощности, его работа обеспечивается экономичной смесью, т. е. обедненной.

На полной нагрузке, когда от двигателя требуется максимальная мощность, для его работы необходима смесь, обладающая высокой скоростью сгорания, т. е. обогащенная. При резком переходе двигателя от малой нагрузки на большую, чтобы двигатель не прекратил работу, смесь также должна подаваться обогащенной.

Для образования топливной смеси в цилиндр двигателя подается смесь топлива и воздуха (рис. 8.6).

углеводороды

сера (как

загрязнение топлива)

о2

N2 Н,0

кислород

азот

вода (в виде пара)

н;о со2 со' +NOv so, НС

азот

кислород водяной пар углекислый газ окись углерода оксиды азота двуокись серы углеводороды

частицы сажи

в ОГ дизеля (РМ)

Рис. 8.6. Преобразование топлива и воздуха в компоненты ОГ: 1 — топливный бак; 2 — воздушный фильтр;

3 — двигатель; 4 — нейтрализатор

Продукты сгорания топлива содержат до 1000 компонентов. Примерный состав ОГ показан на рисунке 8.7.

Рис. 8.7. Примерный состав ОГ автомобильных двигателей: а — бензинового; б — дизельного

Характеристики компонентов ОГ.

N, — азот; в составе воздуха поступает в двигатель и присутствует при сгорании в нем топлива. Основная часть поступившего в двигатель азота вновь выбрасывается в неизмененном состоянии в составе ОГ, но небольшая его часть вступает в реакцию с кислородом, образуя оксиды (NOv);

О2 — кислород, бесцветный газ; поступает в двигатель вместе с азотом через воздушный фильтр;

Н2О — вода; частично попадает в двигатель в виде содержащейся в воздухе влаги и возникает при сгорании в процессе прогрева двигателя;

СО2 — диоксид углерода (углекислый газ); образуется в результате сгорания топлива, содержащего углерод;

СО — оксид углерода; возникает в результате неполного сгорания топлива, содержащего углерод; очень ядовит;

NOv — оксиды азота; образуются при сгорании в двигателе под действием высоких температур и давления и наличии избытка кислорода. Направленные на снижение расхода топлива мероприятия вызывают в ряде случаев повышение концентрации оксидов азота в ОГ, так как повышение эффективности сгорания сопровождается ростом температур, а повышенные температуры приводят к росту выброса оксидов азота;

SO2 — двуокись серы; в ОГ ее концентрация обычно очень мала. Снижение выброса двуокиси серы достигается уменьшением ее содержания в топливе;

НС — углеводороды; образуются в ОГ в результате неполного сгорания углеводородного топлива;

частички сажи РМ — выбрасываются главным образом дизелями.

Все компоненты ОГ токсичны и оказывают негативное воздействие на организм человека.

8.2.2. Система питания с карбюратором

Карбюраторная система питания состоит из топливного бака, топливопроводов, топливного насоса (насосов), карбюратора (в устаревших моделях), форсунок, датчиков, фильтров.

Карбюратор — прибор для приготовления бензовоздушной смеси, получил свое название от термина «карбюрация» (с франц. — смешивание воздуха с жидким топливом). На рисунке 8.8 схематически представлен простейший испарительный карбюратор.

Рис. 8.8. Однокамерный карбюратор:

• 7 — поплавковая камера; 2 — поплавок; 3 — игольчатый клапан;
• 4 — штуцер подачи топлива; 5 — отверстие, сообщающее полость поплавковой камеры с атмосферой; 6, 12 — входной и выходной воздушные патрубки; 7— распылитель; 8 — диффузор,
• 9 — смесительная камера; 10 — главный жиклер; 11 — дроссельная заслонка; 13 — впускной клапан; 14 — цилиндр двигателя; 75 — поршень

Принцип работы простейшего карбюратора заключается в следующем. Топливо из бензобака с помощью насоса через игольчатый клапан подается в поплавковую камеру карбюратора. Функция поплавка — регулировать уровень топлива, чтобы он поддерживался постоянным, а при неработающем двигателе через игольчатый клапан не поступал бензин.

При работе двигателя поршень начинает перемещаться вниз, засасывая воздух в цилиндр двигателя. В этом случае поток воздуха приобретает наибольшую скорость в диффузоре смесеобра-100

зующего устройства и создает разрежение у устья распылителя. Под действием этого разрежения топливо начинает вытекать из распылителя, разделяется на мельчайшие капельки, перемешивается с воздухом и испаряется в его потоке, образуя горючую смесь, которая через дроссельную заслонку и впускной клапан поступает в цилиндр двигателя. Дроссельная заслонка служит для регулирования подачи в цилиндры необходимого количества горючей смеси в различных режимах работы.

Для обеспечения работы на различных режимах в карбюраторах предусматриваются различные дополнительные устройства: воздушная заслонка, экономайзер, ускорительный насос, система холостого хода и др.

8.2.3. Системы впрыска

В настоящее время в системах питания бензиновых двигателей практически всеми производителями вместо карбюраторов применяются системы впрыска. Основными преимуществами систем впрыска по сравнению с карбюраторными системами являются:

• — более равномерное распределение смеси по цилиндрам;
• — отсутствие сопротивления воздуха на впуске, что улучшает наполняемость цилиндров воздухом и повышает мощность двигателя;
• — высокая степень оптимизации работы двигателя на всех режимах его работы вследствие точной регулировки состава смеси.

Автомобильные двигатели оборудуются тремя видами систем: системы впрыска во впускной трубопровод; системы впрыска в цилиндры двигателя (непосредственный впрыск); двойные (бинарные) системы впрыска.

Системы впрыска бывают электронные и механические (в данном пособии не рассматриваются, так как автомобили с такими системами на вторичном автомобильном рынке и в эксплуатации практически отсутствуют).

Устройство и принцип действия электронной системы впрыска во впускной трубопровод Motronic. Производительность современных микропроцессоров позволяет осуществлять управление функциями впрыска топлива и зажигания посредством единого электронного блока управления, благодаря чему снижается стоимость аппаратуры и, кроме того, используется общий источник питания. Реализовать эту рациональную идею стало возможно, так как многие входные сигналы пригодны для регулирования как впрыска, так и зажигания. Микропроцессор электронного блока управления преобразует поступающую информацию в двоичную систему исчисления, сравнивает ее с хранящимися в памяти матрицами (трехмерными графическими характеристиками) и вырабатывает управляющий сигнал. Для реализации возможно большего числа функций управления требуется разнообразная входная информация. Одна из разновидностей электронной системы управления представлена на рисунке 8.9.

Рис. 8.9. Схема системы Motronic с встроенной системой диагностики:

• 1 — адсорбер; 2 — клапан впуска воздуха; 3 — клапан регенерации продувки; 4 — регулятор давления топлива; 5 — форсунка; 6 — регулятор давления; 7 — катушка-свеча зажигания; 8 — датчик фазы;
• 9 — вспомогательный воздушный насос для подачи дополнительных порций воздуха; 10 — вспомогательный воздушный клапан;
• 11 — расходомер воздуха; 12 — блок управления; 13 — датчик положения дроссельной заслонки; 14 — регулятор холостого хода;
• 75 — датчик температуры воздуха; 16 — клапан системы рециркуляции отработавших газов; 77—топливный фильтр; 18 — датчик детонации;
• 19 — датчик частоты вращения коленчатого вала; 20 — датчик температуры охлаждающей жидкости; 21 — лямбда-зонд (кислородный датчик); 22 — аккумуляторная батарея; 23 — диагностический разъем;
• 24 — диагностическая лампочка; 25 — датчик дифференциального давления; 26 — электрический топливный насос в топливном баке

Электронный блок управления получает сигналы от датчиков автомобиля о температуре, скорости, положении педали подачи топлива, частоте вращения коленчатого вала, составе смеси (датчик лямбда-зонда) и т. д., обрабатывает полученные сигналы и выдает команду на электромагнитную форсунку в виде электрического сигнала постоянной величины по напряжению, увеличивая или уменьшая длительность ее открытия. Это в свою очередь приводит к тому, что в цилиндры двигателя подается больше или меньше топлива.

Установленный с торца распределительной магистрали регулятор давления топлива в системе поддерживает постоянное давление впрыска и осуществляет слив излишнего топлива в бак. Этим обеспечивается циркуляция топлива в системе и исключается образование паровых пробок.

Основным параметром, определяющим дозировку топлива, является объем всасываемого воздуха, измеряемый расходомером воздуха. Топливо из распределительной магистрали поступает к электромагнитным форсункам. Впрыск топлива через форсунки, в зависимости от особенностей системы впрыска, может быть параллельным (топливо впрыскивается одновременно всеми форсунками) и последовательным (топливо впрыскивается по порядку работы двигателя перед тактом впуска аналогично работе системы зажигания). Момент начала впрыска зависит от нагрузки на двигатель и частоты вращения коленчатого вала двигателя. Длительность впрыска определяется блоком управления двигателем. Независимо от положения впускных клапанов форсунки впрыскивают топливо за один или два оборота коленчатого вала двигателя (за цикл, за два такта). Если впускной клапан в момент впрыска закрыт, топливо накапливается в пространстве перед клапаном и поступает в цилиндр при следующем его открытии одновременно с воздухом.

Клапан дополнительной подачи воздуха, установленный в воздушном канале, выполненном параллельно дроссельной заслонке, подводит к двигателю добавочный воздух при холодном пуске и прогреве двигателя, что приводит к увеличению частоты вращения коленчатого вала. Для ускорения прогрева используются повышенные обороты холостого хода (более 1000 об/мин).

При запуске холодного двигателя в цилиндры поступает повышенное количество топлива, в то время как дроссельная заслонка прикрыта и воздуха для работы двигателя недостаточно. В этот момент по сигналу блока управления открывается клапан дополнительной подачи воздуха, подающий воздух во впускной трубопровод, минуя дроссельную заслонку, что обеспечивает устойчивую работу двигателя во время прогрева.

Топливный насос. В системах впрыска бензиновых двигателей применяются преимущественно электрические насосы шиберного типа с рабочими органами в виде роликов (рис. 8.10).

Рис. 8.10. Электрический насос бензиновой системы впрыска топлива:

• 7 — вход бензина; 2 — предохранительный клапан; 3 — насос;
• 4 — электродвигатель; 5 — обратный клапан; 6 — выход бензина

Насос и электродвигатель установлены в герметично закрытом корпусе и погружены в топливо. Электродвигатель охлаждается топливом, при этом опасность взрыва исключена ввиду отсутствия здесь горючей смеси. Реле топливного насоса прерывает цепь напряжения питания топливного насоса в режиме, когда двигатель не работает, а зажигание включено. Предохранительный клапан 2 предохраняет систему от чрезмерного повышения давления, а обратный клапан препятствует стеканию топлива в бак после остановки насоса.

Принцип работы насоса поясняет рисунок 8.11.

Рис. 8.11. Схема работы насоса:

а — всасывание топлива; б — нагнетание топлива; 7 — вход бензина;

2 — ротор насоса; 3 — ролики; 4 — статор; 5 — выход бензина

Ротор насоса расположен эксцентрично относительно корпуса, являющегося статором (опорная поверхность роликов), и вращается вместе с якорем электродвигателя. Ролики перемещаются в канавках ротора, постоянно прижимаясь к опорной поверхности статора.

При вращении ротора увеличивается объем серповидной полости, ограниченной поверхностью статора, ротором и двумя роликами, расположенными выше и ниже впускного отверстия / (рис. 8.11, а). При этом указанная полость заполняется топливом. Когда ротор, а вместе с ним и ролики займут положение, показанное на рисунке 8.11, б, объем серповидной полости между роликами будет уменьшаться, что обеспечивает подачу топлива в нагнетательную магистраль.

Форсунка предназначена для впрыска дозированного количества топлива, необходимого для приготовления горючей смеси при различных режимах работы двигателя. Дозирование количества топлива зависит от длительности электрического импульса, поступающего в обмотку катушки электромагнита форсунки. Впрыск топлива форсункой синхронизирован с положением поршня в цилиндре двигателя.

Форсунка представляет собой электромагнитный клапан и состоит из корпуса, крышки, обмотки катушки, электромагнита, сердечника электромагнита, иглы запорного клапана, корпуса распылителя, насадки распылителя и фильтра. При работе двигателя топливо под давлением поступает в форсунку через фильтр и проходит к запорному клапану, который находится в закрытом положении под действием пружины (рис. 8.12).

Рис. 8.12. Форсунка электронной системы впрыска:

• 1 — насадка распылителя; 2 — игла запорного клапана; 3 — корпус форсунки; 4 — обмотка катушки;
• 5 — фильтр; 6 — крышка; 7 — пружина;
• 8 — сердечник; 9 — корпус распылителя

При поступлении электрического импульса в обмотку катушки электромагнита возникает магнитное поле, которое притягивает сердечник и вместе с ним иглу запорного клапана. При этом отверстие в корпусе распылителя открывается, и топливо под давлением впрыскивается в распыленном виде во впускной трубопровод.

После прекращения поступления электрического импульса в обмотку катушки электромагнита магнитное после исчезает, и под действием пружины сердечник электромагнита и игла запорного клапана возвращаются в исходное положение. Отверстие в корпусе распылителя закрывается, и впрыск топлива из форсунки прекращается.

Пусковая форсунка (применялась в более ранних системах электронного впрыска, например L-Jetronic) предназначена для запуска холодного двигателя и приводится в действие с помощью электромагнита. Конструктивно она не отличается от описанной выше рабочей форсунки.

Регулятор давления топлива поддерживает давление в топливопроводе и форсунках работающего двигателя в пределах 2,8...4,0 кгс/см2, что необходимо для приготовления горючей смеси требуемого качества на всех режимах работы двигателя.

Расходомеры воздуха и датчики. Расходомеры служат для измерения расхода воздуха, поступающего в цилиндры двигателя. Они могут быть механическими с поворотными заслонками, электронными с пленочным термоанемометром и др.

Датчик температуры воздуха расположен во впускном кожухе или в корпусе датчика расхода воздуха и измеряет температуру воздуха перед входом во впускной коллектор. Поскольку плотность воздуха обратно пропорциональна его температуре, показания датчика позволяют электронному блоку управления более точно определять массу воздуха, подаваемого в двигатель.

Лямбда-регулирование. Для более точного регулирования горючей смеси в зависимости от качества сгорания (наличия свободного кислорода) и более высокой степени очистки О Г необходима регулировка коэффициента избытка воздуха, чтобы состав смеси был близок к стехиометрическому. С этой целью в двигателях применяют системы, основой которых является специальный датчик кислорода (лямбда-зонд), определяющий наличие кислорода в отработавших газах и устанавливаемый в выпускной системе (до нейтрализатора, если он установлен). Такие системы называют системами с обратной связью.

Датчик кислорода (триггерный (переключающийся) датчик) (рис. 8.13) представляет собой элемент из порошка диоксида циркония, спеченного в форме пробирки, наружная и внутренняя поверхности которой покрыты пористой платиной или ее сплавом, что выполняет роль катализатора и токопроводящих электродов. Внешняя поверхность датчика покрыта тонким защитным слоем керамики. Диоксид циркония при высоких температурах приобретает свойство электролита, а датчик становится гальваническим элементом. Внешняя поверхность датчика соприкасается с отработавшими газами, а внутренняя — с атмосферным воздухом.

Отработавшие газы

Рис. 8.13. Датчик кислорода:

• 7 — двуокись циркония; 2 — платиновый наружный электрод;
• 3 — платиновый внутренний электрод; 4 — контакты; 5 — корпусной контакт; 6 — выпуск отработавших газов

На поверхности электродов 2 и 3 всегда присутствует остаточный кислород, связанный с водородом, углеродом или азотом. При высоких температурах (более 350 °С) в случае обогащения смеси возникает недостаток кислорода. Отрицательно заряженные ионы кислорода начинают перемещаться к электроду 2, заряд на котором по отношению к электроду 3 становится отрицательным, что приводит к возникновению ЭДС (обычно до 1 В).

Согласно европейскому законодательству бортовая диагностика должна контролировать состояние нейтрализатора и при неисправности включать диагностическую лампу. Для выполнения этого условия на выходе из нейтрализатора устанавливают второй датчик кислорода. Второй датчик также участвует в точной подстройке состава топливовоздушной смеси, компенсируя погрешность первого датчика, которую необходимо учитывать по мере его старения.

Ввиду отсутствия прерывателя-распределителя для определения частоты вращения коленчатого вала в системах впрыска Motronic применяется индуктивный датчик.

Топливные фильтры. В системах впрыска бензиновых двигателей применяются фильтры с бумажным фильтрующим элементом, за которым находится дополнительная сетка. Благодаря такой комбинации достигается высокая степень очистки. Топливо фильтруется в бумажном фильтрующем элементе, а сетка служит для задержки частиц фильтра, которые могут отрываться в процессе эксплуатации, поэтому показанное на корпусе фильтра стрелкой направление подачи топлива должно строго соблюдаться. При среднем уровне загрязненности топлива срок службы фильтра обычно составляет от 30 000 до 80 000 км пробега.

Электронный привод дроссельной заслонки. В системах впрыска Motronic может применяться как обычный механический, так и электронный привод дроссельной заслонки. При электронном приводе акселератора перемещение дроссельной заслонки осуществляется при помощи электродвигателя, без традиционной механической связи между педалью акселератора и дроссельной заслонкой. Положение педали отслеживается датчиками, и соответствующие сигналы передаются в блок управления, где обрабатываются и передаются на исполнительный механизм перемещения дроссельной заслонки. Благодаря такой системе блок управления может посредством перемещения дроссельной заслонки влиять на величину крутящего момента двигателя даже в том случае, когда водитель не меняет положение педали акселератора. Это позволяет достигать лучшей координации между системами двигателя.

Устройство и принцип действия электронной системы непосредственного впрыска. Системы непосредственного впрыска бензина в цилиндры двигателя отдельной опцией или в составе с впрыском во впускной трубопровод находят все более широкое распространение.

Расширенная схема топливоподачи системы непосредственного впрыска на примере двигателя Фольксваген показана на рисунке 8.14.

Блок управления двигателем рассчитывает оптимальное соотношение топлива и воздуха для следующих способов смесеобразования:

• — послойное распределение смеси;
• — образование бедной гомогенной смеси;

• — образование гомогенной смеси стехиометрического состава;
• — двойной впрыск топлива для разогрева нейтрализатора;
• — двойной впрыск топлива при работе двигателя на полной нагрузке.

Рис. 8.14. Расширенная схема топливоподачи системы непосредственного впрыска:

/ — адсорбер с активированным углем; 2 — клапан продувки адсорбера;

3 — устройство изменения фаз газораспределения; 4 — катушка

и свеча зажигания; 5 — датчик фаз; 6, 8 — кислородный датчик (лямбда-зонд); 7— предварительный нейтрализатор; 9 — датчик оксидов азота; 10 — нейтрализатор оксидов азота; 11 — датчик температуры ОГ;

• 12 — датчик температуры; 13 — датчик детонации; 14 — датчик частоты вращения коленчатого вала двигателя; 15 — топливный бак;
• 16 — форсунка с датчиком давления; 17 — датчик давления топлива;
• 18 — датчик давления воздуха на впуске; 19 — клапан перепуска ОГ;
• 20— клапан продувки адсорбера; 21 — электропривод дроссельной заслонки; 22 — модуль педали акселератора; 23 — блок управления двигателем; 24 — датчик температуры поступающего воздуха

Расход воздуха в системах непосредственного впрыска может определяться как с помощью расходомеров, так и без них. В приведенной системе он рассчитывается блоком управления двигателем с использованием сигналов датчика температуры воздуха на впуске в двигатель, датчика давления во впускном трубопроводе, датчика частоты вращения коленчатого вала, датчика положения дроссельной заслонки, датчика фаз и датчика атмосферного давления, расположенного в корпусе блока управления.

Для подачи топлива к насосу высокого давления внутри топливного бака установлен электрический подкачивающий насос. Он подает к насосу высокого давления только то количество топлива, которое необходимо впрыснуть в цилиндры двигателя в зависимости от его мощности, вследствие чего снижается расход электроэнергии на привод насоса. Блок управления электронасосом в зависимости от нагрузки двигателя изменяет подачу топлива в систему низкого давления в пределах от 30 до 180 л/ч при постоянном давлении 4 кгс/см2. При пуске холодного или горячего двигателя производительность насоса кратковременно повышается, а давление в системе увеличивается от 4 до 5 кгс/см2.

Топливо накапливается в аккумуляторе давления и из него по трубопроводам передается к форсункам. Форсунки, в отличие от традиционных систем впрыска, установлены не во впускном трубопроводе, а непосредственно в камере сгорания двигателя. Необходимое давление в системе поддерживается регулятором давления. При подаче электрического сигнала из блока управления открываются электромагнитные клапаны форсунок, и топливо впрыскивается в камеру сгорания.

Для снижения выбросов оксидов азота в двигателях с непосредственным впрыском применяется рециркуляция ОГ. Чтобы обеспечить перепуск ОГ на границе бесперебойной работы двигателя, рассчитывается их количество.

Предварительные нейтрализаторы образуют с приемными трубами неразъемные конструкции. Перед нейтрализаторами установлены широкополосные датчики кислорода 6, которые служат для определения состава токсичных компонентов после сгорания бензовоздушной смеси в цилиндрах двигателя. После нейтрализаторов расположены датчики кислорода 8 со скачкообразной характеристикой, которые позволяют определить эффективность очистки ОГ. Приемные трубы соединяются перед общим нейтрализатором оксидов азота накопительного типа. В накопительном нейтрализаторе собираются оксиды азота, образуемые в избыточном количестве при работе двигателя на бедной смеси.

Установленный за нейтрализатором датчик оксидов азота служит для определения степени его насыщения. По сигналу этого датчика запускается процесс регенерации накопительного нейтрализатора.

Электрические подкачивающие насосы для системы непосредственного впрыска могут быть как одноступенчатыми (аналогичны описанным выше), так и двухступенчатыми.

НО

Топливный насос высокого давления (ТНВД) предназначен для создания в топливной системе давления до 100 кгс/см2. ТНВД установлен на корпусе распределительного вала и приводится от четырехгранного кулачка на впускном распределительном валу, по конструкции он представляет собой регулируемый по подаче одно- или трехплунжерный насос (рис. 8.15).

Рис. 8.15. ТНВД непосредственного впрыска:

/ — нагнетательный клапан; 2 — подвод топлива; 3 — демпфер;

• 4 — пружина демпфера с тарелкой; 5 — мембрана; 6 — впускной клапан; 7 — надплунжерное пространство; 8 — игла клапана;
• 9 — регулирующий клапан; 10 — плунжер; 11 — пружина плунжера;
• 12 — канал отвода топлива

Насос подает в распределитель только то количество топлива, которое должно быть впрыснуто в соответствии с многопараме-тровой характеристикой. Благодаря этому снижается мощность, затрачиваемая на его привод, и соответственно уменьшается расход топлива двигателем.

Процесс наполнения. Плунжер насоса перемещается вниз под действием возвратной пружины 11. При этом увеличивается объем над плунжерного пространства, в результате чего здесь давление падает. Превышение давления топлива в системе низкого давления над давлением в надплунжерном пространстве приводит к открытию впускного клапана и перетеканию топлива в надплун жерное пространство. При этом нагнетательный клапан остается закрытым, так как давление топлива в системе высокого давления превышает его величину в надплунжерном пространстве.

Процесс подачи. При движении плунжера вверх давление в пространстве над ним повышается, в результате чего впускной клапан закрывается. При превышении давления в надплунжерном пространстве над давлением в распределителе топлива открывается нагнетательный клапан и топливо вытесняется в распределитель.

Регулирование давления топлива. Если давление топлива повысилось до требуемого значения, подается ток в обмотку регулирующего клапана, вызывая перемещение его иглы под действием магнитного поля. При этом открывается проход топливу во впускную полость, в результате чего давление в надплунжерном пространстве снижается и нагнетательный клапан закрывается.

Встроенный в насос демпфер служит для сглаживания резких скачков давления, возникающих при открытии регулирующего клапана, и подавления колебаний в системе низкого давления.

При открытой игле регулирующего клапана небольшое количество топлива направляется для смазки плунжера и отводится затем через канал 12 в топливный бак.

Форсунка. Конструкция форсунки электронной системы непосредственного впрыска аналогична конструкции электронной форсунки впрыска во впускной трубопровод.

Принцип работы системы непосредственного впрыска. Поршни двигателей, оборудованных системами непосредственного впрыска, имеют специальную конструкцию и характерные углубления на днище. Углубление специальной формы позволяет факелу впрыскиваемого топлива закручиваться в турбулентной массе воздуха и подавать топливную смесь непосредственно к очагу воспламенения — свече зажигания. При подобной схеме смесеобразования на днище поршня не образуется нераспыленное топливо, так как сильный поток воздуха снимает и распиливает те капли топлива, которые образовались на днище поршня при начальной стадии впрыска.

Применяются четыре способа смесеобразования, позволяющие получить:

• — бедную послойную смесь с добавкой ОГ;
• — бедную гомогенную смесь без добавки ОГ;
• — гомогенную стехиометрическую смесь с добавкой ОГ;
• — гомогенную стехиометрическую смесь без добавки ОГ.

Работа двигателя на гетерогенной смеси (послойное смесеобразование). Топливовоздушная смесь на этом режиме является сверхбедной, с соотношением бензина и воздуха до 1:40. Этот режим характерен для небольших нагрузок при скорости движения автомобиля до 120 км/ч.

При работе двигателя на режимах небольших нагрузок закрываются вспомогательные заслонки, перекрывающие нижние части впускных каналов, разделенных пластиной (рис. 8.16). В результате этого поступающий в цилиндры двигателя воздух направляется только через верхние части впускных каналов, закручивая воздушную массу внутри цилиндров.

Рис. 8.16. Процессы смесеобразования и сгорания: а, б — при гетерогенной смеси; в, г — при гомогенной смеси;

1 — дроссельная заслонка; 2 — вспомогательная заслонка во впускном канале; 3 — разделительная пластина; 4 — форсунка; 5 — топливная выемка поршня; 6 — аэродинамическая выемка поршня; 7 — зона сгорания

Вращательное движение воздуха в цилиндре (продольный вихрь) поддерживается благодаря специальной форме выемки в поршне и усиливается в результате перемещения поршня к ВМТ. Завихрение сохраняется до конца такта сжатия, когда форсунка подает внутрь цилиндра топливо.

Впрыск топлива производится на такте сжатия в последней трети такта сжатия незадолго до момента искрообразования, приблизительно за 60°, и заканчивается приблизительно за 45° до ВМТ такта сжатия. Впрыскиваемое под высоким давлением 4,0...11,0 МПа (40...НО кгс/см2) топливо подхватывается воздушным потоком, который сносит способную к воспламенению смесь в направлении к свече зажигания (рис. 8.16, а).

Поршень с помощью своего профилированного днища придает топливной струе направление в зону электродов свечи зажигания, а вихрь быстро перемешивает пары бензина и воздуха и, что особенно важно, удерживает облако бензовоздушной смеси возле свечи зажигания. Форсунка, расположенная под углом 45° и распиливающая топливо на более мелкие капли по сравнению с системой впрыска во впускной трубопровод вследствие более высокого давления впрыска, придает распыленному топливу направленное вращение, что способствует быстрому испарению топлива.

Так как факел топлива сплющен, он практически не соприкасается с днищем поршня и стенками цилиндра и камеры сгорания. В данном случае говорят о смесеобразовании в так называемой воздушной оболочке, состоящей из свежего воздуха и перепущенных ОГ. В зоне свечи зажигания возникает концентрированное облако способной к воспламенению смеси, в то время как в остальных зонах камеры сгорания топливо отсутствует.

После поступления топливовоздушной смеси к свече зажигания она поджигается искрой (рис. 8.16, б). При этом воспламеняется только облако смеси, в то время как остальные газы образуют его оболочку. Воздух, располагаясь вдоль стенок цилиндра и днища поршня, ввиду низкой теплопроводности образует изолирующий слой, уменьшает тепловые потери и соответственно увеличивает КПД. Прослойка воздуха возле стенок цилиндров обеспечивает также высокую стойкость рабочего процесса против детонационного сгорания рабочей смеси и позволяет исключить отложения продуктов сгорания на стенках цилиндров и камеры сгорания, помогая избавиться от калильного зажигания и снизить абразивный износ поршневых колец.

Работа двигателя на гомогенной смеси (традиционное смесеобразование). При плавном увеличении частоты вращения коленчатого вала двигателя и высоких скоростях движения автомобиля подача топлива переключается на мощностной режим работы двигателя, и состав смеси становится близок к стехиометрическому (1:14,7). Впрыск топлива на этих режимах осуществляется во время наполнения цилиндра воздухом (рис. 8.16, в). Испаряющееся топливо охлаждает воздух в цилиндре, что улучшает его наполнение, а также снижает вероятность возникновения детонации. Это, в свою очередь, позволяет применить более высокую степень сжатия, а значит, и высокую мощность двигателя.

Работа двигателя на гомогенной смеси осуществляется при частично или полностью открытых вспомогательных заслонках во впускных каналах, причем эти заслонки управляются электронной системой в зависимости от режима его работы. При частичных нагрузках и в среднем диапазоне частот вращения вспомогательная 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.

Гомогенная смесь образуется при впрыске топлива на такте впуска, а не на такте сжатия, как это имеет место при образовании гетерогенной смеси, что увеличивает время для образования смеси.

Сгорание происходит при этом во всем объеме камеры сгорания при полном отсутствии изолирующих слоев чистого воздуха и без добавки рециркулируемых ОГ (рис. 8.16, г).

Устройство и принцип действия электронной системы двойного впрыска (комбинированной). Жесткое требование нормы Евро-6 по снижению выбросов твердых частиц в 10 раз и уменьшению выбросов токсичных веществ и СО2 за счет снижения расхода топлива привело к необходимости применения двойной (бинарной) системы впрыска бензиновых двигателей. Такая система состоит из системы впрыска во впускной трубопровод и системы впрыска в цилиндры двигателя (рис. 8.17).

Рис. 8.17. Схема двойной системы впрыска:

• 7 — топливный фильтр; 2 — блок управления топливного насоса;
• 3 — топливный бак; 4 — подкачивающий топливный насос;
• 5 — датчик низкого давления топлива; 6 — топливная рампа низкого давления; 7 — форсунка низкого давления для впрыска во впускной трубопровод; 8 — клапан дозирования топлива; 9 — ТНВД;
• 10 — топливная рампа высокого давления; 77 — датчик высокого давления топлива; 12 — форсунка высокого давления для впрыска в цилиндр

Система впрыска во впускной коллектор (MPI). В состав системы впрыска во впускной коллектор MPI входит собственный датчик давления — датчик низкого давления топлива. Подача топлива осуществляется подкачивающим топливным насосом в топливном баке и регулируется по потребности. Подкачивающий топливный насос подключен к блоку управления топливного наcoca и управляется через него блоком управления двигателя. Топливная рампа MPI изготовлена из пластмассы. Форсунки MPI установлены в пластмассовом впускном коллекторе.

Топливо в систему впрыска MPI поступает от имеющегося на насосе высокого давления штуцера низкого давления. Это позволяет охлаждать насос высокого давления при работе двигателя. Для уменьшения пульсаций, передаваемых насосом высокого давления в рампу, в штуцере низкого давления на насосе высокого давления установлен дроссель.

Система впрыска высокого давления (FSI) включает в себя ТНВД, рампу, датчик высокого давления, форсунки высокого давления. Впрыск топлива форсунками осуществляется непосредственно в цилиндры двигателя под давлением 200 кгс/см2.

Алгоритм работы двойной системы впрыска заключается в следующем. Прежде всего, по специальной характеристике определяется, в каком режиме должен работать двигатель — MPI (впрыск во впускной коллектор) или FSI (непосредственный впрыск).

На холодном двигателе (температура охлаждающей жидкости ниже 45 °С — в зависимости от температуры масла) всегда используется режим непосредственного впрыска, как и при любом запуске двигателя. При длительной работе в режиме впрыска во впускной коллектор топливо в форсунках высокого давления может закоксовываться. Чтобы этого не происходило, система в таких случаях периодически на короткое время включает непосредственный впрыск, промывая таким образом форсунки высокого давления.

При пуске двигателя производится трехкратный непосредственный впрыск в такте сжатия. Для прогрева нейтрализатора выполняется двукратный непосредственный впрыск — один раз в такте впуска и один раз в такте сжатия. При этом момент впрыска несколько смещается в сторону «поздно». По мере прогрева двигателя (> 45 °С) на частичных нагрузках производится переключение на впрыск во впускной коллектор. На прогретом двигателе впрыск топлива до камеры сгорания дает оптимальную гомогенизацию топливовоздушной смеси. Другими словами, у топлива есть больше времени, чтобы смешаться с воздухом и частично испариться. В результате смесь сгорает быстро и оптимально (с точки зрения КПД). Кроме того, не происходит затрат мощности двигателя на привод насоса высокого давления.

На высокой нагрузке производится двукратный непосредственный впрыск — один раз в такте впуска и один раз в такте сжатия.

При выходе одной из двух систем впрыска из строя другая система обеспечивает работу двигателя в аварийном режиме. Автомобиль тем самым сохраняет возможность двигаться и не требует эвакуации.

Система впрыска во впускной коллектор MPI, установленная в дополнение к системе непосредственного впрыска, обладает существенными преимуществами:

• — вследствие более гомогенного смесеобразования уровень выбросов твердых частиц двигателем на порядок уменьшается;
• — в диапазоне низких нагрузок возможна большая степень открытия дроссельной заслонки. Это снижает расход топлива;
• — меньшее попадание топлива на стенки в процессе впрыска позволяет сократить количество топлива, оказывающегося в моторном масле;
• — при пуске двигателя впрыск топлива может начинаться раньше (так как нет необходимости ждать, пока механический ТНВД создаст высокое давление топлива; низкое давление в системе MPI достигается быстрее), что означает более быстрый пуск холодного двигателя;
• — уменьшение шумности на холостом ходу, поскольку на холостом ходу используется преимущественно впрыск во впускной коллектор (MPI), а форсунки MPI работают тише, чем FSI;
• — вплоть до средних нагрузок для уменьшения выбросов твердых частиц выбирается режим MPI;
• — в направлении полной нагрузки реализуется смешанный режим с малой долей MPI, в результате чего происходит равномерная базовая гомогенизация рабочей смеси и снижаются выбросы СО2.