Преимущества впрысковых систем подачи топлива

Содержание

 

 

 

Введение

 

При упоминании «Впрыск» сразу понимаешь, что речь идёт о инжекторной системе питания двигателя внутреннего сгорания автомобиля. «Впрыск» является тем же самым, что и «инжектор» (от фр. injecteur — бросать, нагнетать, впрыскивать).

Первые инжекторные системы подачи топлива появились в далеком 1894 году – даже раньше, чем карбюраторы. Но из-за сложного строения о них на долгое время забыли. Внедрение систем электроннго впрыска топлива в серийные автомобили началось лишь в 60-е годы, когда впервые появилась необходимость снизить токсичность отработавших газов. Сначала это были полностью механические системы, в которых количество нагнетаемого топлива непосредственно зависело от положения дроссельной заслонки. С развитием электротехники на замену механическим системам пришли инжекторные. Именно они оснащали большинство эксплуатируемых у нас автомобилей иностранного производства.

Первым первопроходцем был так называемый моно или одноточечный впрыск (single point fuel injection), который в России принято называть центральным. В этой системе горючую смесь подает всего одна форсунка, которая располагается по центру над дроссельной заслонкой во впускном коллекторе. Многие любители автомобилей считают одноточечный впрыск самым надежным, потому что меньше узлов и проще конструкция, что является меньшим поводом для отказа инжектора. Однако одноточечный впрыск, особенно первые его серии с механическим приводом форсунки, это прошлый век двигателестроения.

В стремлении ужать двигатели под более жесткие экологические характеристики и сделать их экономичнее, механики усовершенствовали предыдущую систему и внедрили форсунки во впускном тракте в каждый цилиндр. Так изобрели многоточечный впрыск горючей смеси (multipoint fuel injection). Система получилось сложнее, но подачу топлива и процесс сгорания стала контролировать более точно. По аналогии с моно впрыском многоточечный впрыск назвали распределенным.

Главным козырем электроники является стабильность работы, точность и надёжность, способность обрабатывать отказы. Именно поэтому инжектор бесповоротно вытеснил карбюратор как на зарубежных, так и на отечественных автомобилях.

 

Что такое впрыск?

Впрыск (от английского “injection”) сегодня — это комплексная система управления, которая обеспечивает оптимальный режим работы двигателя с целью снижения токсичности отработавших газов, повышения мощности и экономичности двигателя.

В системе управления двигателем можно выделяют следующие составные части:

- контроллер (от английского “control” — “управление”) — это компьютер системы, который оценивает информацию от датчиков о текущей работе двигателя, и выполняющий достаточно сложные вычисления и управляющий исполнительными механизмами;

- датчики — глаза системы, они передают всю информацию на контроллер, все, что происходит с двигателем и автомобилем в целом в данный момент;

- исполнительные механизмы — руки системы, выполняющие команды контроллера.

Для того чтобы двигатель работал ровно и без каких-либо помех, необходимо:

- определить оптимальное количество топлива и момент, когда его необходимо подать в цилиндр;

- определить оптимальный момент, когда необходимо подать в цилиндр искру;

- доставить в цилиндр топливовоздушную смесь в нужной пропорции и обеспечить искру.

Первые две задачи решает тандем “датчики—контроллер”, третью — “контроллер—исполнительные механизмы”.

История развития инжекторных систем питания

Карбюраторные системы для работы под углом к горизонту необходимо дополнять множеством устройств, либо применять специально спроектированные карбюраторы. Система непосредственного впрыска авиационных двигателей — удобная альтернатива карбюраторной, так как инжекционной системе впрыска в силу конструкции безразлично рабочее положение (подача топлива осуществляется независимо от положения двигателя относительно земной поверхности).

Первый мотор с системой впрыска был изготовлен в России в 1916 году Микулиным и Стечкиным. Он же стал первым авиационным двигателем, перешагнувшим 300-сильный рубеж мощности.

К 1936 году на фирме Robert Bosch были готовы первые комплекты топливной аппаратуры для непосредственного впрыска бензина в цилиндры, которую через год стали серийно ставить на V-образный 12-цилиндровый двигатель Daimler-Benz DB 601. Именно этими моторами объёмом 33,9 л оснащались, в частности, основные истребители Люфтваффе Messerschmitt Bf 109. И если карбюраторный двигатель DB 600 развивал на взлетном режиме 900 л.с., то «шестьсот первый», с впрыском, позволял поднять мощность до 1100 л.c. и более. Чуть позже, в серию пошла девятицилиндровая «звезда» BMW 132 с подобной системой питания — тот самый лицензионный авиадвигатель Pratt & Whitney Hornet, который на BMW производили с 1928 года, он же устанавливался, к примеру, на транспортные самолеты Junkers Ju-52. Авиационные двигатели в Англии, США и СССР в те времена были исключительно карбюраторными. Японская же система впрыска на истребителях «Зеро» требовала промывки после каждого полета и поэтому не пользовалась популярностью в войсках.

Лишь к 1940 году, когда Советскому Союзу удалось закупить образцы новейших германских авиационных двигателей с впрыском, работы по созданию отечественных систем непосредственного впрыска получили новый импульс. Однако серийное производство советских насосов высокого давления и форсунок, созданных на основе немецких, началось лишь к середине 1942 года — первенцем стал звездообразный мотор АШ-82ФН, который ставили на истребители Ла-5, Ла-7 и бомбардировщики Ту-2. Мотор со впрыском — АШ-82ФН оказался настолько удачным, что выпускался ещё долгие десятилетия, использовался на вертолете Ми-4 и до сих пор используется на самолетах Ил-14.

К концу войны довели до серии свой вариант впрыска и американцы. Например, двигатели «летающей крепости» Boeing B-29 тоже питались бензином через форсунки.

Эпоха карбюраторных двигателей могла бы продолжаться очень долго, если бы не ужесточение требований к экологичности. За столетие автомобильный парк в мире вырос настолько, что в любой из развитых стран проблема снижения выбросов отработавших газов в окружающую среду стала общенациональной, а для ее решения потребовалось вмешательство государства.

Автопроизводителей обязали выпускать автомобили, удовлетворяющие нормам по содержанию вредных веществ в отработавших газах. Чтобы обеспечить безболезненный переход автозаводов на выпуск более экологичных автомобилей, ужесточение норм проводилось поэтапно. Нефтяные кризисы заставили задуматься и о топливной экономичности. Таким образом, автопроизводители были вынуждены совершенствовать системы управления двигателем и сами двигатели, используя новейшие достижения науки и техники, для того чтобы сохранить право продавать свои автомобили.

Эволюцию систем управления двигателем можно рассмотреть на примере Европы.

До 1993 года в Европе действовали стандарты токсичности, в которые свободно укладывались карбюраторные двигатели, а также двигатели с механическим впрыском без нейтрализатора отработавших газов. В 1993году в Европе были приняты более жесткие требования к токсичности, названные “Евро-1” (цифра “1” символизирует первый шаг на пути к экологически чистым двигателям). Наряду с резким ограничением содержания вредных веществ в выхлопных газах (таких, как окислы азота NOx, углеводороды CH и оксид углерода СО) появилось ограничение по испарениям топлива из систем автомобиля. При этом автомобиль должен был укладываться в требования стандарта в течение первых 80 000 км пробега.

Из всех вариантов решения проблемы снижения вредных выбросов самым эффективным оказалось использование каталитического нейтрализатора, в котором в результате химической реакции с кислородом в присутствии катализатора углеводороды СН, оксид углерода СО и окислы азота NOx превращаются в воду H2О, двуокись углерода СО2 и азот N2. Особенность нейтрализатора заключается в том, что для эффективной борьбы со всеми тремя вредными компонентами топливо должно подаваться в цилиндр в строгой пропорции с воздухом (так называемый стехиометрический состав смеси).

Механический карбюратор оказался не в состоянии обеспечивать точную дозировку топлива, и ему на смену пришел электронный карбюратор. Механический впрыск сменил впрыск электронный: центральный(одноточечный) и распределенный (многоточечный). Неотъемлемой частью систем с нейтрализатором стал датчик кислорода (лямбда-зонд). Для борьбы с испарениями топлива на автомобиль установили систему улавливания паров бензина.

В 1996 году в Европе вступил в силу новый стандарт токсичности —“Евро-2”, более жесткий по сравнению с предыдущим. Единственной системой, которая позволяла укладываться в эти требования с большим запасом, была система с распределенным впрыском топлива. Эра карбюраторов завершилась.

Следующий шаг — “Евро-3” — был сделан в 2000 году. Ужесточение норм токсичности в этом стандарте дополняется требованием постоянного контроля работоспособности основных компонентов системы, неисправность которых приводит к увеличению вредных выбросов. Контроллеру была поставлена дополнительная задача — проверять правильность работы системы и информировать водителя о неисправностях.

В 2005 году все автопроизводители Европы начинают выпуск автомобилей, удовлетворяющих нормам “Евро-4”.Для выполнения требований по экологичности и улучшению потребительских качеств автомобиля:

- совершенствуются алгоритмы управления двигателем, нейтрализатор переносится ближе к двигателю или снабжается специальным подогревателем;

- используется система рециркуляции отработавших газов;

- добавляется система подачи вторичного воздуха;

- увеличивается число клапанов на цилиндр;

- впускные трубы становятся изменяемой длины;

- фазы газораспределения меняются в зависимости от режима работы двигателя;

- впрыск топлива осуществляется непосредственно в цилиндр;

- намечается тенденция к переходу на комбинированные силовые установки;

- ведущие автогиганты проводят активные работы в области альтернативных источников энергии и т. д.

Россия тоже встала на путь борьбы за чистоту отработавших газов, выбрасываемых автомобилями в атмосферу. Формально в нашей стране уже сегодня действуют нормы токсичности, соответствующие уровню “Евро-2”.

Как ко всему этому относиться?

Прогресс не остановить, и мы будем ездить на более экологичных автомобилях. Да, автомобили становятся сложнее, но не стоит забывать, что компьютеры и сотовые телефоны еще вчера шокировали обывателей своей сложностью. А сегодня все ими пользуются, не задумываясь о том, что там внутри. Так и впрыск надо рассматривать как продукт, созданный для упрощения пользования машиной, а не как “головную боль” для ее хозяина. Сложная система на самом деле дает потребителю массу удобств в эксплуатации.

Простой пример — прогрев двигателя. Если в системе с карбюраторным питанием водитель был вынужден пользоваться воздушной заслонкой для регулировки оборотов холостого хода двигателя, то сейчас для этого делать ничего не надо — система имеет специальную функцию поддержания оборотов в зависимости от температуры двигателя.

С середины 1980-х годов карбюраторы стали вытесняться более эффективными инжекторными системами. Главными их преимуществами являются лучшие пусковые свойства (они меньше зависят от окружающей температуры), надежность, экономичность, лучшие мощностные характеристики, а также меньшая токсичность выхлопа. Однако инжекторные системы более привередливы к качеству бензина. Так, не допускается работа двигателей с системой впрыска топлива на этилированном бензине. Это приводит к выходу из строя нейтрализатора и датчика концентрации кислорода.

Слово injector в переводе с английского означает «форсунка» (рис. 1). Первые системы питания, использовавшие принцип впрыска, появились в конце XIX века, однако из-за сложной конструкции и отсутствия должных систем управления не нашли широкого применения. Вновь о системах впрыска вспомнили в 1960-х годах. Тогда они были исключительно механическими, затем им на смену пришли современные системы впрыска с электронным управлением. Эти системы в зависимости от количества форсунок и места впрыска топлива делятся на одноточечные (моновпрысковые) (рис. 2, а) и многоточечные (в них каждый цилиндр имеет персональную форсунку, впрыскивающую топливо во впускной коллектор в непосредственной близости от впускного клапана конкретного цилиндра) (рис. 2, б).

 

Рис. 1. Электромагнитная форсунка

Моновпрыск направляет подготовленную смесь во впускной коллектор. В этом он схож с карбюратором. На современных транспортных средствах работой инжекторов и моновпрысков управляют электронные процессоры. Они контролируют работу каждого цилиндра.

Рассмотрим устройство простейшей инжекторной системы (рис. 3). Она включает в себя следующие элементы:

• электрический бензонасос;
• регулятор давления;
• электронный блок управления;
• датчики угла поворота дроссельной заслонки, температуры охлаждающей жидкости и количества оборотов коленчатого вала;
• инжектор.

Во впрысковой системе питания используют двухступенчатый неразборный электрический бензонасос роторно-роликового типа. Его устанавливают в топливном баке. Такой насос подает топливо под давлением свыше 280 кПа.

Регулятор давления поддерживает необходимую разницу давлений между топливом в форсунках и воздухом во впускном коллекторе. Он выполнен в виде мембранного клапана, установленного на топливной рампе. При повышении нагрузки двигателя этот регулятор увеличивает давление топлива, подаваемого к форсункам, а при снижении — уменьшает, возвращая избыток топлива по сливной магистрали в бак.