Давление впрыска в бензиновом двигателе

Подача топлива в бензиновый двигатель — это система устройств, обеспечивающих бесперебойное поступление топлива в цилиндры двигателя. Подача топлива в бензиновый двигатель находится в постоянной динамике и совершенствуется до настоящего времени. Вот о том, что представляет собой подача топлива в бензиновом двигателе, мы и поговорим в этой статье.

Подачи топлива с впрыском во впускной трубопровод

В бензиновых двигателях используются системы подачи топлива с впрыском во впускной трубопровод различ­ной конфигурации, работающие при типичном значении давления 300 — 400 кПа (3-4 бар).

Система с возвратом топлива

Подача топлива и создание давления впрыска осуществляется электроприводным топливным насосом (см. рис. «Система подачи топлива с впрыском во впускной трубопровод с возвратом топлива в топливный бак» ). Топливо засасывается из топливного бака и, пройдя через топливный фильтр, по топливопроводу высокого давления поступает в смонтированную на двигателе то­пливную рампу. Из топливной рампы топливо подается к форсункам. Регулятор давления то­плива, установленный на рампе, поддерживает постоянный перепад давления между топлив­ными форсунками и впускным трубопроводом независимо от абсолютного давления во впуск­ном трубопроводе, т.е. нагрузки двигателя.

Излишки топлива возвращаются в топлив­ный бак по возвратной линии, подсоединенной к регулятору давления топлива. Избыточное то­пливо, нагретое в моторном отсеке, вызывает повышение температуры топлива в топливном баке. При этом увеличивается выделение па­ров топлива.

В соответствии с требованиями к защите окружающей среды пары топлива собираются системой улавливания паров то­плива. Далее они направляются в угольный фильтр для временного хранения до возврата во впускной трубопровод для сжигания в двигателе (см.

«Система улавливания паров топлива»).

Система без возврата топлива

В такой системе подачи топлива регулятор давления располагается в топливном баке или вблизи него, что исключает необходи­мость в линии возврата топлива из двига­теля в топливный бак.

Поскольку регулятор давления топлива, за счет места его установки, не связан с впуск­ным трубопроводом, относительное давление впрыска не зависит от нагрузки двигателя. Это учитывается при вычислении продолжитель­ности впрыска в блоке управления двигателем

В топливную рампу подается только такое количество топлива, которое подлежит впры­ску. Излишнее топливо, подаваемое электроприводным топливным насосом, возвращается прямо в топливный бак, не проходя длинный путь через моторный отсек. Таким образом, нагрев топлива в топливном баке и, следова­тельно, выделение паров топлива значительно ниже, чем в системах с возвратом топлива.

В связи с этими преимуществами в на­стоящее время в основном используются системы подачи без возврата топлива.

Подача топлива без возврата топлива с регулированием по потребности

В системе подачи топлива с регулированием по потребности топливный насос подает только количество топлива, требуемое в данный мо­мент времени для двигателя и необходимое для создания требуемого давления. Регулирова­ние давления топлива осуществляется блоком управления двигателем в режиме замкнутого регулирования. Текущее давление топлива регистрируется датчиком низкого давления (см. рис. «Система подачи топлива с впрыском во впускной трубопровод с регулированием по потребности» ). Это исключает необходимость в регуляторе давления топлива. Регулирование объемного расхода топлива осуществляется посредством изменения напряжения питания топливного насоса, осуществляемого специаль­ным модулем в блоке управления двигателем.

Система снабжена предохранительным клапаном, предотвращающим чрезмерное повышение давления даже после отсечки подачи топлива или выключения двигателя.

Регулирование по потребности позволяет избежать подачи избыточного топлива и, сле­довательно, свести к минимуму требуемую производительность топливного насоса. Это дает снижение расхода топлива по сравнению с системами с неуправляемым электроприводным топливным насосом. Применение таких систем позволяет в еще большей степени сни­зить температуру топлива в топливном баке.

Еще одно преимущество системы регули­рованием по потребности заключается в воз­можности регулирования давления топлива.

С одной стороны, давление может быть уве­личено во время пуска горячего двигателя во избежание образования пузырьков паров топлива.

С другой стороны, прежде всего, на двигателях с наддувом появляется возмож­ность впрыска как очень больших, так и очень малых количеств топлива, повышая давление топлива при полной нагрузке и снижая его при низкой нагрузке двигателя.

Кроме того, измерение давления топлива в та­кой системе дает дополнительные возможности диагностики по сравнению с другими системами. За счет учета текущего давления топлива при вычислении продолжительности впрыска обе­спечивается более точное дозирование топлива.

Подача топлива прямым впрыском топлива

По сравнению с системами с впрыском то­плива во впускной трубопровод при прямом впрыске имеется только ограниченное вре­менное окно для впрыска топлива прямо в камеру сгорания.

Поэтому здесь более ва­жен процесс смесеобразования, и давление впрыска должно быть до 50 раз больше по сравнению с системами с впрыском топлива во впускной трубопровод.

Топливная система подразделяется на контур низкого давления и контур высокого давления.

Система подачи топлива низкого давления

В системах прямого впрыска топлива для бензиновых двигателей система низкого дав­ления служит для питания топливом системы высокого давления с использованием тех же компонентов, что и в системах с впрыском топлива во впускной трубопровод.

Вследствие высоких температур в насосе высокого дав­ления в условиях пуска горячего двигателя и работы двигателя при высоких температурах наружного воздуха для предотвращения об­разования пузырьков газа в топливе требуется более высокое предварительное давление (давление на впуске). Отсюда вытекает целе­сообразность использования систем с регули­руемым низким давлением.

Эти системы обе­спечивают давление на впуске, оптимальное для любого рабочего состояния двигателя; давление на впуске обычно регулируется в диапазоне 300 — 600 кПа (3-6 бар).

Система подачи топлива высокого давления

В системах высокого давления в основном используются регулируемые насосы высо­кого давления или насосы высокого давления с постоянной подачей.

Система включает то­пливный распределитель (топливную рампу высокого давления) с топливными форсун­ками высокого давления и датчик высокого давления (см рис.

ниже) Для системы с по­стоянной подачей топлива также требуется отдельный клапан регулирования давления.

Требуемое давление устанавливается в соответствии с сигналом давления, измеряе­мым системой управления двигателя и обра­батываемым программой регулирования вы­сокого давления.

В зависимости от рабочей точки двигателя в системах с непрерывной подачей топлива давление регулируется в диапазоне от 5 до 11 МПа (50 — 110 бар), а в системах с регулированием давления по по­требности — до 20 МПа (200 бар).

Сигнал дат­чика давления используется для вычисления продолжительности впрыска топлива и для диагностики топливной системы.

Непрерывная подача топлива

Насос высокого давления, приводимый во вра­щение распределительным валом двигателя, обычно представляет собой трехцилиндровый радиально-поршневой насос (см.

«Насосы высо­кого давления для систем прямого впрыска то­плива» ), который нагнетает топливе в топливную рампу, преодолевая давление в системе (см. рис. «Система прямого впрыска топлива для бензиновых двигателей с непрерывной подачей топлива» ).

Величина подачи топлива насоса не регули­руется. Давление излишнего топлива не требуе­мого для впрыска, или поддержания давления, сбрасывается клапаном регулирования давле­ния. После этого топливо возвращается в контур низкого давления.

С этой целью блок управления двига­телем управляет клапаном регулирования дав­ления таким образом, чтобы получить давление впрыска, требуемое для данного режима работы. Клапан регулирования давления также служит в качестве клапана ограничения давления.

В системах с непрерывной подачей топлива в большинстве рабочих точек двигателя в си­стему высокого давления подается значительно больше топлива, чем требуется двигателю.

Это приводит к потерям энергии и, следовательно, к более высокому расходу топлива по сравнения с системами с регулированием по потребности. Кроме того, излишнее топливо, сбрасываемое через клапан регулирования давления, спо­собствует повышению температуры в топлив­ной системе.

По этой причине в современных двигателях с прямым впрыском топлива при­меняются только системы высокого давления с регулированием по потребности.

Система подачи топлива с регулированием по потребности

В системе с регулированием по потребности топливный насос высокого давления, обычно одноцилиндровый радиально-поршневой насос (см.

«Насосы высокого давления для систем прямого впрыска топлива» ), подает топливо в топливную рампу только в количе­стве, фактически необходимом для впрыска и обеспечения требуемого давления.

Насос обычно приводится в действие распреде­лительным валом (однопоршневые насосы приводятся в действие специальными ку­лачками, приводящими в движение плунжер насоса). Подача топлива регулируется встро­енным в насос высокого давления регули­ровочным клапаном. (см.рис.

«Система прямого впрыска топлива для бензиновых двигателей с регулированием подачи топлива по потребности» ). Блок управления дви­гателем управляет этим клапаном с высокой точностью, что обеспечивает подачу топлива в количестве, требуемом для создания необ­ходимого для данного режима работы двига­теля давления в топливной рампе.

В целях обеспечения безопасности контур высокого давления включает предохрани­тельный клапан, обычно встраиваемый в на­сос высокого давления. В случае превышения давлением допустимого уровня топливо воз­вращается через клапан ограничения давле­ния в контур низкого давления.

Система улавливания паров топлива

Система улавливания паров топлива требу­ется для автомобилей с двигателями с ис­кровым зажиганием (SI). Ее назначением является улавливание и сбор паров топлива из топливного бака в целях соблюдения требований законодательства в отношении предельно допустимого выделения паров то­плива. Следует отметить, что интенсивность испарения топлива возрастает при повы­шении его температуры. Повышение темпе­ратуры топлива может вызываться высокой температурой наружного воздуха, нагревом топливного насоса, встроенного в топливный бак или, в зависимости от системы подачи топлива, возвратом в топливный бак топлива, нагретого в двигателе. Выделение паров то­плива также усиливается при понижении атмосферного давления или вовремя дви­жения на подъем.

Система улавливания паров топлива вклю­чает угольный фильтр, к которому присоеди­нен шланг вентиляции топливного бака, а также регенерационного клапана, подсоеди­ненного к угольному фильтру и впускному трубопроводу (см. рис. «Система улавливания паров топлива» ). Активированный уголь поглощает пары топлива и позволяет выходить в атмосферу только воздуху.

Вследствие разрежения во впускном трубо­проводе свежий воздух прогоняется через угольный фильтр, когда во время движения автомобиля продувочный клапан открывает линию, соединяющую угольный фильтр с впускным трубопроводом. Свежий воздух за­хватывает поглощенное фильтром топливо и уносит его в двигатель для сжигания. Этот процесс известен под названием продувки угольного фильтра.

Регулирование объемного расхода про­дувочного воздуха осуществляется блоком управления двигателем в зависимости от режима работы двигателя.

Чтобы угольный фильтр всегда был способен поглощать пары топлива, активированный уголь необходимо регулярно регенерировать.

В системах с прямым впрыском топлива из-за небольшой разности атмос­ферного давления и давления во впускном трубопроводе при работе в режиме послойного распределения заряда топлива, для про­дувки необходимо перейти в режим работы на гомогенной смеси.

РЕКОМЕНДУЮ ЕЩЁ ПОЧИТАТЬ:

Виды и особенности работы систем впрыска бензиновых двигателей

Система впрыска топлива применяется для дозированной подачи топлива в двигатель внутреннего сгорания в строго определенный момент времени. От характеристик данной системы зависит мощность, экономичность и экологический класс двигателя автомобиля. Системы впрыска могут иметь различную конструкцию и варианты исполнения, что характеризует их эффективность и сферу применения.

Краткая история появления

Инжекторная система подачи топлива начала активно внедряться в 70-х годах, явившись реакцией на возросший уровень выбросов загрязняющих веществ в атмосферу.

Она была заимствована в авиастроении и являлась экологически более безопасной альтернативой карбюраторному двигателю.

Последний был оснащен механической системой подачи топлива, при которой топливо поступало в камеру сгорания за счет разницы давлений.

Первая система впрыска была практически полностью механической и отличалась малой эффективностью. Причиной этого был недостаточный уровень технического прогресса, который не мог полностью раскрыть ее потенциал.

 Ситуация изменилась в конце 90-х годов с развитием электронных систем управления работой двигателя.

Электронный блок управления стал контролировать количество впрыскиваемого топлива в цилиндры и процентное соотношение компонентов топливовоздушной смеси.

Виды систем впрыска бензиновых двигателей

Существует несколько основных видов систем впрыска топлива, которые отличаются способом образования топливовоздушной смеси.

Моновпрыск, или центральный впрыск

Схема работы системы моновпрыска

Схема с центральным впрыском предусматривает наличие одной форсунки, которая расположена во впускном коллекторе. Такие системы впрыска можно найти только на старых легковых автомобилях. Она состоит из следующих элементов:

• Регулятор давления – обеспечивает постоянную величину рабочего давления 0,1 МПа и предотвращает появление воздушных пробок в топливной системе.
• Форсунка впрыска – осуществляет импульсную подачу бензина во впускной коллектор двигателя.
• Дроссельная заслонка – выполняет регулирование объема подаваемого воздуха. Может иметь механический или электрический привод.
• Блок управления – состоит из микропроцессора и блока памяти, который содержит эталонные данные характеристики впрыска топлива.
• Датчики положения коленчатого вала двигателя, положения дроссельной заслонки, температуры и т.д.

Системы впрыска бензина с одной форсункой работают по следующей схеме:

• Двигатель запущен.
• Датчики считывают и передают информацию о состоянии системы в блок управления.
• Полученные данные сравниваются с эталонной характеристикой, и, на основе этой информации, блок управления рассчитывает момент и длительность открытия форсунки.
• На электромагнитную катушку направляется сигнал об открытии форсунки, что приводит к подаче топлива во впускной коллектор, где он смешивается с воздухом.
• Смесь топлива и воздуха подается в цилиндры.

Распределенный впрыск (MPI)

Система с распределенным впрыском состоит из аналогичных элементов, но в такой конструкции предусмотрены отдельные форсунки для каждого цилиндра, которые могут открываться одновременно, попарно или по одной. Смешение воздуха и бензина происходит также во впускном коллекторе, но, в отличие от моновпрыска, подача топлива осуществляется только во впускные тракты соответствующих цилиндров.

Схема работы системы с распределенным впрыском

Управление осуществляется электроникой (KE-Jetronic,  L-Jetronic). Это универсальные системы впрыска топлива Bosch, получившие широкое распространение.

Принцип действия распределенного впрыска:

• В двигатель подается воздух.
• При помощи ряда датчиков определяется объем воздуха, его температура, скорость вращения коленчатого вала, а также параметры положения дроссельной заслонки.
• На основе полученных данных электронный блок управления определяет объем топлива, оптимальный для поступившего количества воздуха.
• Подается сигнал, и соответствующие форсунки открываются на требуемый промежуток времени.

Непосредственный впрыск топлива (GDI)

Система предусматривает подачу бензина отдельными форсунками напрямую в камеры сгорания каждого цилиндра под высоким давлением, куда одновременно подается воздух.

Эта система впрыска обеспечивает наиболее точную концентрацию топливовоздушной смеси, независимо от режима работы мотора.

При этом смесь сгорает практически полностью, благодаря чему уменьшается объем вредных выбросов в атмосферу.

Схема работы системы непосредственного впрыска

Такая система впрыска имеет сложную конструкцию и восприимчива к качеству топлива, что делает ее дорогостоящей в производстве и эксплуатации. Поскольку форсунки работают в более агрессивных условиях, для корректной работы такой системы необходимо обеспечение высокого давления топлива, которое должно быть не менее 5 МПа.

Конструктивно система непосредственного впрыска включает в себя:

• Топливный насос высокого давления.
• Регулятор давления топлива.
• Топливная рампа.
• Предохранительный клапан (установлен на топливной рампе для защиты элементов системы от повышения давления больше допустимого уровня).
• Датчик высокого давления.
• Форсунки.

Электронная система впрыска такого типа от компании Bosch получила наименование MED-Motronic. Принцип ее действия зависит от вида смесеобразования:

• Послойное – реализуется на малых и средних оборотах двигателя. Воздух подается в камеру сгорания на большой скорости. Топливо впрыскивается по направлению к свече зажигания и, смешиваясь на этом пути с воздухом, воспламеняется.
• Стехиометрическое. При нажатии на педаль газа происходит открытие дроссельной заслонки и осуществляется впрыск топлива одновременно с подачей воздуха, после чего смесь воспламеняется и полностью сгорает.
• Гомогенное. В цилиндрах провоцируется интенсивное движение воздуха, при этом на такте впуска происходит впрыск бензина.

Непосредственный впрыск топлива в бензиновом двигателе – наиболее перспективное направление в эволюции систем впрыска. Впервые он был реализован в 1996 году на легковых автомобилях Mitsubishi Galant, и сегодня его устанавливают на свои автомобили большинство крупнейших автопроизводителей.

Так как причин возникновения неисправностей, связанных с системой впрыска топлива, достаточно много, в первую очередь рекомендуется провести диагностику автомобильным сканером на наличие ошибок. Без посещения сервиса это можно сделать с помощью универсального устройства Rokodil ScanX Pro.

Rokodil ScanX Pro

Также с помощью данного сканера можно отрегулировать положение дроссельной заслонки, проверить систему выхлопных газов, считать параметры работы двигателя и многое другое.

(15

Проблемы непосредственного впрыска в России

Разбираемся, почему прямой впрыск в России создает владельцам авто проблемы, о которых японцы и европейцы даже не подозревают.

За многие годы активного сотрудничества между потребителями и мастерами автосервисов, проведения всевозможных тестов продукции, а также самостоятельных ремонтов, мы наработали огромную базу знаний.

Сегодня мы продолжаем серию публикаций о распространенных проблемах современных моторов. Ни в коем случае не хотим высказывать претензии автопроизводителям.

Вся информация собрана при личном общении или на собственном опыте экспертов LAVR.

Тема сегодняшнего разговора – проблемы моторов с непосредственным впрыском топлива.

Непосредственный или прямой впрыск считается наиболее современным. Хотя саму технологию пытались применять на автомобильных моторах еще до войны – она претерпевала разнообразные изменения.

На современном этапе (года после 2007) машины, оснащенные двигателем с непосредственным впрыском, начиная от 40 000 км пробега сталкиваются со множеством типичных проблем, за которыми следует сложный, дорогостоящий ремонт.

При этом, турбированные моторы по сравнению с обычными атмосферными сталкиваются с неисправностями чаще и раньше, ведь там температурные нагрузки во впуске выше.

Чувствительность к бензину

Самая большая и распространенная проблема современных моторов непосредственного впрыска – чувствительность всей системы к качеству топлива, а также масла. Вот почему название текста содержит географическую привязку.

Проблему «ломкости» непосредственного впрыска правильнее назвать проблемой непосредственного впрыска в России. Все потому, что содержание серы и примесей внутри бензина у нас очень высокое, что критично для прецизионной топливной аппаратуры прямого впрыска.

Даже в благополучной Европе по сравнению с идеальной Японией качество бензина влияет на ресурс моторов, а на территории РФ все совсем печально.

Здесь часто задают вопрос: сама механика непосредственного впрыска, использование ТНВД пришли в бензиновые моторы из дизельных. Почему у дизелей нет подобных проблем. Секрет в смазывающих свойствах: у дизтоплива они гораздо выше, чем у бензина.

Первым зачастую страдает топливный насос высокого давления. Таким образом, владельцам авто с мотором непосредственного впрыска важно следить за качеством бензина, при заправке на сомнительной АЗС применять Октан-корректор, Усилитель моторного топлива или Моющую присадку.

Не лишним будет также регулярно использовать Нейтрализатор воды. Это постоянная профилактика. Раз в год следует промывать форсунки.

Демонтаж и промывка в УЗ-ванне при непосредственном впрыске становятся довольно сложной, дорогостоящей процедурой, а вот безразборная промывка жидкостью ML101 с раскоксовывающим эффектом или более мягким средством ML101 Euro гораздо доступнее.

Что касается требований к качеству масла или проблем с его угаром, опытные автовладельцы советуют использовать малозольное масло, менять которое нужно через каждые 5 000-7 000 км.

Низкое содержание золы (до 1,15%, а иногда до 0,8%) необходимо, чтобы масляная пыль, которая летит из системы вентиляции картера и ЕГР, как можно меньше загрязняла клапана и камеру сгорания. Но малозольные масла не слишком стойкие и долговечные, поэтому требуют более частой замены, тщательного подбора.

Автопроизводители уже сами путаются в допусках, пытаясь найти варианты, которые не повлекут ни повышенный износ всего двигателя, ни закоксовку клапанов.

Еще один усугубляющий момент: при износе ЦПГ топливо может попадать в поддон картера, смешиваться с маслом, что значительно уменьшает его смазывающие свойства.

Какие профилактические меры здесь можно предпринять? Следить за интервалами замены, покупать масло только в проверенных магазинах, делать промывку системы при замене. Для авто с непосредственным впрыском отлично подходят классическая 7-минутная промывка двигателя, созданная специально для турбовых моторов, либо 10-минутка High Traffic.

Нагар на клапанах

Опытные мастера уверяют, что раньше других начинаются проблемы у клапанов: отложения накапливаются, застывают на впускных клапанах уже при пробеге 20 000 км.

Склонность к закоксовке клапанов объясняется очень просто. При распределенном впрыске форсунки подают бензин на клапан, таким образом охлаждая, омывая его.

При непосредственном впрыске это невозможно, соответственно, клапана греются сильнее, на них летит масляная пыль из системы вентиляции картерных газов, постепенно нарастает «шуба» из масляных отложений и нагара. Она затрудняет газообмен, нарушает герметичность камеры сгорания.

Если вспомнить, что большая часть современных моторов предполагает по регламенту приличный угар масла, то понятно, что загрязнения образуются очень быстро. Особая группа риска включает моторы, которые часто работают при малой нагрузке, то есть стоят в пробках.

Очистка впускных клапанов и окон ГБЦ на моторах с непосредственным впрыском рекомендована каждые 500 000 км. Чаще всего ее выполняют механически с демонтажем. Но то же самое можно сделать пенной раскоксовкой LAVR COMPLEX, запенив ее со стороны впускного коллектора. Есть также специализированные средства для впуска.

Перебои в зажигании

Моторы с непосредственным впрыском известны своими капризами при запуске.

Причиной могут быть закоксованные клапана, отсутствие компрессии. Но есть также технологическая особенность: из-за ухода тепловых зазоров при температурах ниже -25°С, ТНВД не может развить номинальное давление, запуск не происходит. По мере увеличения пробега проблема нарастает: при холодном пуске мотор начинает трястись, не заводится.

Сюда же добавляем низкое тепловыделение на холостых, ведь мотор работает на сверхобедненной смеси. То есть, запустившись с трудом, двигатель очень долго выходит на рабочую температуру, сильно изнашивая ТНВД и форсунки.

Бывают случаи, когда небольшой по объему мотор настолько остывает, что из печки идет холодный воздух.

Рекомендации здесь те же – максимально поддерживать работоспособность узлов системы питания двигателя за счет коррекции топлива, поддержания тотальной чистоты бака, фильтров, топливопроводов, форсунок, камеры сгорания, впускного коллектора.

Загрязнение форсунок

Форсунки непосредственного впрыска, разумеется, технически более сложные, дорогие, капризные. Если инжекторы распределенного впрыска работают под давлением 3-4 атмосферы, то эти нагнетают топливо силой до 200 атм. Требования к точности их работы тоже намного выше: даже небольшое изменение факела распыла ведет к серьезным нарушениям работы мотора. А из-за чего меняется факел?

Есть несколько факторов, назовем два ключевых. Первый — некачественный бензин, вода внутри топливной системы. Второй – контакт с высокой температурой внутри камеры сгорания, особенно при воспламенении рабочей смеси.

То есть осмоление, загрязнение форсунки идет по двум сторонам, происходит это достаточно интенсивно.

Загрязнение впрыска приводит к неправильному образованию топливной смеси, ухудшению воспламенения, динамики, потере мощности, пропускам зажигания, а также оказывает комплексное негативное влияние на основные системы автомобиля. О способах промывки впрыска мы писали ранее.

Какой вывод можно сделать из всего вышесказанного? Если соблюдать регламенты обслуживания, тщательно выбирать масла, использовать только проверенные крупные заправки, то на территории крупных городов России машины прямого впрыска могут ходить до 200 000 км без глобального ремонта. На территории глубинки, к сожалению, современный высокотехнологичный автомобиль может доставить много проблем.

Система непосредственного впрыска топлива

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

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

Суть этой системы сводится к раздельной подаче компонентов горючей смеси – бензина и воздуха в цилиндры.

То есть принцип ее функционирования очень похож на работу дизельных установок, где смесеобразование выполняется в камерах сгорания.

Но у бензинового агрегата, на котором установлена система непосредственного впрыска, имеется ряд особенностей процесса закачки составляющих топливной смеси, его смешивания и сгорания.

Немного истории

Прямой впрыск – идея не новая, в истории имеется ряд примеров, где такая система использовалась.

Первое массовое использование такого типа питания мотора было в авиации в средине прошлого века. Использовать ее пытались и на автотранспорте, однако широкого распространения она не получила.

Систему тех годов можно рассматривать как некий прототип, поскольку она была полностью механической.

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

Прямой впрыск топлива

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

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

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

Конструктивные особенности и принцип работы

Прямой впрыск бензина по принципу очень схож с дизелем. В конструкции такой системы питания имеется дополнительный насос, после которого бензин уже под давлением поступает на форсунки, установленные в ГБЦ с распылителями, находящимися в камере сгорания. В требуемый момент форсунка подает топливо в цилиндр, куда через впускной коллектор уже закачан воздух.

Конструкция данной системы питания включает:

• бак с установленным в нем топливоподкачивающим насосом;
• магистрали низкого давления;
• фильтрующие элементы очистки топлива;
• насос, создающий повышенное давление с установленным регулятором (ТНВД);
• магистрали высокого давления;
• рампа с форсунками;
• перепускной и предохранительный клапаны.

Схема топливной системы с непосредственный впрыском

Назначение части элементов, такие как бак с насосом и фильтра описаны в других статьях. Поэтому рассмотрим назначение ряда узлов, использующихся только в системе прямого впрыска.

Одним из основных элементов в данной системе является насос высокого давления. Он обеспечивает поступление топлива под значительным давлением в топливную рампу. Конструкция его у разных производителей отличается — одно или многоплунжерная. Привод же осуществляется от распределительных валов.

Также в систему включены клапана, которые предотвращают превышение давления топлива в системе выше критических значений.

В целом же регулировка давления выполняется в нескольких местах – на выходе из насоса высокого давления регулятором, который входит в конструкцию ТНВД.

Имеется перепускной клапан, контролирующий давление на входе в насос. Предохранительный же клапан следит за давлением в рампе.

Работает все так: топливоподкачивающий насос из бака по магистрали низкого давления подает бензин на ТНВД, при этом бензин проходит через фильтр тонкой очистки топлива, где удаляются крупные примеси.

Плунжерные пары насоса создают давление топлива, которое при разных режимах работы двигателя варьируется от 3 до 11 МПа. Уже под давлением топливо по магистралям высокого давления поступает в рампу, которая распределяется по его форсункам.

Работа форсунок контролируется электронным блоком управления. При этом он основывается на показаниях множества датчиков двигателя, после анализа данных, он производит управление форсунками – момента впрыска, количества топлива и способа распыла.

Если на ТНВД подается количество топлива больше необходимого, то срабатывает перепускной клапан, который часть топлива возвращает в бак. Также часть топлива сбрасывается в бак в случае превышения давления в рампе, но делается это уже предохранительным клапаном.

Прямой впрыск

Типы смесеобразования

Используя непосредственный впрыск топлива, инженерам удалось снизить расход бензина. И все достигнуто возможностью использования нескольких типов смесеобразования.

То есть под определенные условия работы силовой установки подается свой тип смеси.

Причем система контролирует и управляет не только подачей топлива, для обеспечения того или иного типа смесеобразования устанавливается еще и определенный режим подачи воздуха в цилиндры.

Всего же прямой впрыск способен обеспечить два основных типа смеси в цилиндрах:

• Послойная;
• Стехиометрическая гомогенная;

Это позволяет подобрать смесь, которая при определенной работе мотора, обеспечит наибольшее КПД.

Послойное смесеобразование позволяет двигателю функционировать на очень бедной смеси, в которой массовая часть воздуха больше топливной части в более чем 40 раз. То есть в цилиндры подается очень большое количество воздуха, а затем в нее добавляется немного топлива.

В нормальных условиях такая смесь от искры не загорается. Чтобы воспламенение произошло, конструкторы придали днищу поршня особую форму, обеспечивающую завихрение.

При таком смесеобразовании в камеру сгорания воздух, направленный заслонкой, поступает на большой скорости. В конце такта сжатия форсунка впрыскивает топливо, которое достигая днища поршня, за счет завихрения поднимается вверх к свече зажигания.

В результате в зоне электродов смесь является обогащенной и легковоспламенимой, в то время как вокруг этой смеси находится воздух практически без частиц топлива.

Поэтому такое смесеобразование и получило название послойного – внутри имеется слой с обогащенной смесью, поверх которого находится еще один слой, практически без топлива.

Данное смесеобразование обеспечивает минимальное потребление бензина, но и приготавливает такую смесь система лишь при равномерном движении, без резких ускорений.

Стехиометрическое смесеобразование – это изготовление топливной смеси в оптимальных пропорциях (14,7 части воздуха на 1 часть бензина), что обеспечивает максимальный выход мощности. Такая смесь уже воспламеняется легко, поэтому надобности в создании обогащенного слоя возле свечи не требуется, наоборот, для эффективного сгорания необходимо, чтобы бензин равномерно распределился в воздухе.

Поэтому топливо впрыскивается форсунками на также сжатия, и до воспламенения оно успевает хорошо перемещаться с воздухом.

Такое смесеобразование обеспечивается в цилиндрах во время ускорений, когда необходим максимальный выход мощности, а не экономичность.

Конструкторам пришлось также решать вопрос с переходом двигателя с бедной смеси на обогащенную во время резких ускорений. Чтобы не произошло детонационного сгорания, во время перехода используется двойной впрыск.

Первая закачка топлива выполняется на такте впуска, при этом топливо выступает в качестве охладителя стенок камеры сгорания, что исключает детонацию. Вторая порция бензина подается уже на конце такта сжатия.

Система непосредственного впрыска топлива благодаря применению сразу нескольких типов смесеобразования, позволяет неплохо экономить топливо без особого влияния на мощностные показатели.

Во время ускорений двигатель работает на обычной смеси, а после набора скорости, когда режим движения размеренный и без резких перепадов, силовая установка переходит на очень обедненную смесь, тем самым экономя топливо.

В этом и кроется основное достоинство такой системы питания. Но есть у нее и немаловажный недостаток. В топливном насосе высокого давления, а также в форсунках используются прецизионные пары с высокой степенью обработки.

Именно они и являются слабым местом, поскольку эти пары очень чувствительны к качеству бензина. Наличие сторонних примесей, серы и воды способно вывести ТНВД и форсунки из строя. Дополнительно, бензин обладает очень слабыми смазывающими свойствами.

Поэтому износ прецизионных пар выше, чем у того же дизельного мотора.

К тому же сама система непосредственной подачи топлива конструктивно более сложная и дорогостоящая, чем та же система раздельного впрыска.

Новые разработки

Конструкторы же на достигнутом не останавливаются. Своеобразную доработку прямого впрыска сделали в концерне VAG в силовом агрегате TFSI. У него систему питания объединили с турбокомпрессором.

Интересное решение предложила компания Orbital. Они разработали особую форсунку, которая помимо топлива впрыскивает в цилиндры еще и сжатый воздух, подающийся от дополнительного компрессора. Такая топливовоздушная смесь обладает отличной воспламеняемостью и хорошо сгорает. Но это пока только разработка и найдет ли она применение на авто, пока неизвестно.

В целом же, непосредственный впрыск сейчас является самой лучшей системой питания в плане экономичности и экологичности, хоть и имеются у нее свои недостатки.