3.2. Системы топливоподачи
бензиновых двигателей.
Для нормальной работы
бензинового двигателя необходимо
подавать в камеру сгорания
топливовоздушную смесь определенного
состава. На большинстве установившихся
режимов движения автомобиля
коэффициент избытка воздуха
о. близок к 1, однако при
изменении режимов и условий
работы двигателя в широких
пределах состав смеси необходимо
корректировать. Так, на режимах
холостого хода и максимальной
мощности необходима обогащенная
смесь (о. менее 1), а в режиме
принудительного холостого хода
(торможение двигателем) подачу топлива
целесообразно свести к минимуму,
либо вообще отключить.
Обогащение смеси необходимо
также при пуске холодного
двигателя (а намного меньше 1)
и на режимах ускорения Расход
воздуха зависит от режима
работы двигателя (положение дроссельной
заслонки и частота вращения
коленчатого вала) и условий окружающей
среды (температура, барометрическое
давление). Для прогретого двигателя,
работающего на установившемся
режиме, задача поддержания необходимого
состава смеси сводится к определению
скорости расхода воздуха и
обеспечению такой скорости подачи
топлива, при которой и = 1. При
изменении режима или условий
работы двигателя необходимо
изменять также и состав смеси.
Эти задачи решаются системами
топливоподачи. Как уже говорилось
выше, критерии оценки работы
бензинового ДВС могут быть различны.
До 70-х годов при конструировании ДВС учитывались,
в основном, требования максимальной мощности
двигателя. После нефтяного кризиса 70-80-х
годов, напротив, главным критерием стало
получение максимальной экономичности.
В настоящее время
главным условием при разработке
ДВС является соблюдение все
более ужесточающихся норм по
токсичности отработавших газов
при обеспечении достаточно высокой
экономичности и высоких мощностных
характеристик. До середины 70-х годов на
двигателях автомобилей господствовали
карбюраторные системы подачи топлива.
В настоящее время системы впрыскивания
топлива на бензиновых двигателях в США,
Японии и странах Европы практически вытеснили
карбюраторные системы (новые и разрабатываемые
модели автомобилей). Произошло это главным
образом по причине последовательного
ужесточения требований к токсичности
отработавших газов.
Современные требования
по токсичности отработавших
газов уже невозможно удовлетворить
при использовании карбюраторов,
даже с электронным управлением.
Кроме этого, системы впрыска
обладают рядом дополнительных
преимуществ перед карбюраторами,
улучшающим общие потребительские и ездовые
качества автомобиля.
Почти все существующие
системы впрыска можно условно
разделить на группы: по месту
впрыскивания - системы центрального
и распределенного (многоточечного)
впрыска, по принципу действия
- дискретного и непрерывного
действия. Все системы центрального
и большая часть систем распределенного
впрыска являются электронными системами
дискретного действия, т.е. используют
электромагнитные форсунки, управляемые
специальными электронными блоками. Существует
также довольно многочисленное семейство
систем распределенного впрыска, использующие
в основе своей работы механические и
гидравлические принципы.
Эти системы являются
системами непрерывного действия,
они разработаны и серийно
выпускаются исключительно фирмой
BOSCH. К ним относятся системы К-,
KE-Jetronic, KE-Motronic различных версий и модификаций.
Необходимо также выделить группу систем
распределенного впрыска непосредственно
в полость цилиндра. Эти системы считаются
наиболее перспективными. Их серийный
выпуск с 1996 г. начат фирмой MITSUBISHI; работы
над такими системами ведут многие производители.
Ниже рассматриваются основные принципы
построения и работы карбюраторов с электронным
управлением, электронных систем многоточечного
и центрального впрыска, а также механических
и электромеханических систем непрерывного
действия.
3.2.1. Карбюраторы с электронным
управлением
На протяжении нескольких
десятилетий различные конструкции
карбюраторов занимали монопольное
положение в системах дозирования
топлива. Введение во многих
странах законов, ограничивающих токсичность
отработавших газов и их постоянное ужесточение
заставило конструкторов, наряду с внедрением
систем впрыска, искать пути совершенствования
карбюраторов. Это объясняется тем обстоятельством,
что цена последних гораздо ниже, и там,
где это целесообразно (например, на дешевых
малолитражных моделях) применение карбюраторов
было вполне оправдано. Появление трехкомпонентных
каталитических нейтрализаторов, требующих
для эффективной работы точного поддержания
стехиометрического состава смеси (т.е.
смеси с о=1), привело к появлению карбюраторов
с электронным управлением.
Главным компонентом
таких карбюраторов является
соленоид 1, приводящий в действие
дозирующую иглу 4, перемещающуюся
между двумя упорами 2 и 10. Перемещение
иглы происходит при подаче
на соленоид управляющего напряжения
импульсной формы. Частота импульсов
неизменна и обычно лежит в
пределах 10+100 Гц. В нижнем положении
запорная игла практически полностью
перекрывает отверстие топливного
жиклера 6 главной дозирующей
системы, а в верхнем положении
полностью открывает его. Если
скважность (отношение времени действия
сигнала к времени периода
повторения) управляющих импульсов
составляет 50%, то игла занимает
среднее положение между упорами.
Упор 10 называется упором "богатого"
состава смеси, упор 2 - "бедного"
состава. При поступлении от
блока управления импульсов со
скважностью более 50% среднее
значение тока соленоида увеличивается,
что приводит к опусканию иглы
и обеднению смеси. Если скважность
управляющих импульсов менее
50%, имеет место обогащение смеси.
Электронный блок изменяет
скважность управляющих импульсов
в соответствии с сигналом
специального кислородного датчика,
установленного в выпускном тракте
до катализатора и поддерживает
состав смеси близким к стехиометрическому.
Для регулирования состава смеси на режиме
холостого хода может использоваться
второй дозирующий соленоид, либо эти
функции выполняет основной соленоид,
приводящий еще одну запорную иглу.
Существуют также карбюраторы
с электронным управлением, в
которых регулирование состава
смеси осуществляется изменением
сечения воздушных жиклеров. Принцип
регулирования здесь такой же
- посредством изменения скважности
управляющих импульсов. Ещё один
принцип коррекции состава смеси
реализован в карбюраторе "Экотроник"
(фирма PIERBURG). Здесь для этой цепи используется
воздушная заслонка, приводимая специальным
актюатором. Открытие заслонки приводит
к обеднению смеси, прикрытие - к обогащению.
Кроме этого, карбюратор "Экотроник"
содержит подсистему автоматического
регулирования частоты вращения коленчатого
вала, для чего используется специальный
пневмопривод дроссельной заслонки. Управление
актюаторами воздушной и дроссельной
заслонок осуществляет специальный электронный
блок.
Электронные системы распределенного
впрыска.
Топливо из бака 1 засасывается
электрическим бензонасосом 2 и под
давлением поступает сначала
к топливному фильтру 3, а затем
к распределительной трубке (топливному
коллектору или "рельсе") 9. Бензонасосы,
применяемые в системах электронного
впрыска, могут устанавливаться
как внутри бензобака (погружного
типа), так и вне его. В более поздних конструкциях,
как правило, применяются бензонасосы
погружного типа. Назначение топливного
фильтра — очистка топлива от различных
загрязнений и механических частиц размером
более 10 мкм. Как правило, фильтр устанавливается
сразу после бензонасоса (рядом с бензобаком),
однако встречаются конструкции, в которых
фильтр тонкой очистки находится перед
топливной рельсой. В топливную рельсу
9 вставляются через специальные уплотнения
электромагнитные форсунки 8.
Число форсунок в
системах распределенного впрыска
равно числу цилиндров двигателя.
Если двигатель V-образный, используются
две топливные рельсы, соединенные
между собой, либо представляющие
общую конструкцию U-образной
формы. Нижние (выходные) части форсунок,
также через уплотняющие кольца,
вставлены в специальные гнезда
в тепе впускного тракта таким
образом, что сопла форсунок
располагаются в зоне над впускными
клапанами. Топливная рельса кроме
функции механического крепления
форсунок выполняет роль демпфера-ресивера,
уменьшая колебания давления топлива
в зоне расположения форсунок, возникающих
вследствие импульсного характера их
открытия и закрытия. Рабочее давление
топлива в таких системах имеет значение
0,2+0,4 МПа в зависимости от типа и конструкции.
Абсолютная величина давления топлива
в рельсе (имеется в виду интегральная
величина, не подверженная влиянию динамических
всплесков вследствие циклической работы
форсунок) изменяется в зависимости от
нагрузки на двигатель.
А вот разность между
абсолютным давлением топлива
в системе и абсолютным давлением
воздуха во впускном коллекторе
за дроссельной заслонкой поддерживается
постоянной. Для этой цели используется
специальный регулятор давления
(стабилизатор перепада давления)
10, перепускающий часть поступающего
топлива обратно в бензобак
по трубопроводу 11. Начиная с 1995+96
годов некоторые модели автомобилей
(JEEP, TOYOTA, MERCEDES-BENZ и др.) не имеют
топливопровода обратного слива, регулятор
давления устанавливается непосредственно
в бензобаке и является частью моноблока
топливного насоса. Такие изменения в
конструкции обусловлены все более ужесточающимися
требованиями по ограничению выбросов
в атмосферу паров топлива. Впрыск топлива
осуществляется при подаче на клеммы форсунок
импульсов управляющего напряжения. Распыливание
задаётся специальной конструкцией сопла
форсунки, обеспечивающей получение факела
с необходимыми для данного типа двигателя
характеристиками. Так как пропускная
способность форсунки задается при изготовлении,
а перепад давлений между входной и выходной
частью форсунок поддерживается постоянным,
количество топлива, поданного во впускной
коллектор за один цикл определяется длительностью
управляющего импульса. Длительность
управляющего импульса рассчитывается
электронным блоком управления на основании
сигналов, поступающих от совокупности
различных датчиков. В ранних вариантах
систем впрыска синтезирование управляющих
импульсов необходимой длительности осуществлялось
на основе аналоговой и импульсной схемотехники.
В современных блоках управления эта задача
решается с использованием микропроцессоров.
Рассматривая процесс
расчёта длительности управляющих
импульсов, необходимо и удобно
выделить два основных момента:
1. Расчёт так называемой
"базовой длительности". Под
временем понимается та составляющая
длительности управляющего импульса,
которая зависит только от
скоростного и нагрузочного режима
двигателя. Допустив небольшое
приближение, можно сказать, что
при работе прогретого двигателя
на стационарных режимах = тупр
.
2. Коррекция (т.е. увеличение
или уменьшение) базового времени
дозирования в зависимости от
режима (прогрев, ускорение и т.п)
и условий (температура охлаждающей жидкости,
температура всасываемого воздуха и т.п.)
работы двигателя. Рассмотрим более подробно
процедуру расчёта длительности управляющего
импульса. Впрыскивание топлива каждой
форсункой осуществляется один раз (реже
два раза) за полный такт работы данного
цилиндра, т.е. имеет место цикловая подача
топлива. Для определения количества топлива
GT, необходимого для одного такта работы
цилиндра, рассчитывается количество
воздуха Ов, поступающего в цилиндр на
такте впуска. Очевидно, что для этого
необходимо измерить частоту вращения
коленчатого вала и количество воздуха,
поступившее в цилиндры за единицу времени,
т.е. скорость расхода воздуха (в дальнейшем
- просто расход воздуха). Задача измерения
частоты коленчатого вала не представляет
затруднений и решается с помощью датчиков
того или иного типа. Сложнее обстоит депо
с измерением количества (т.е. массы) поступающего
в цилиндры воздуха.
В настоящее время
используются методы как непосредственного,
так и косвенного определения
его расхода. Системы впрыска,
использующие принцип непосредственного
измерения расхода воздуха, обязательно
имеют в своём составе специальный
датчик, являющийся "сердцем" системы
- датчик расхода воздуха или
расходомер воздуха. Существует
достаточно большое число типов
таких датчиков, однако наиболее
широкое распространение получили
три типа: флюгерный (или лопастной)
датчик, проволочный (HLM) и пленочный (HFM)
термоанемометрические датчики. Широкое
распространение получили также системы,
в которых количество поступившего в цилиндры
воздуха не измеряется, а рассчитывается
на основании измерения других параметров
работы двигателя. Подавляющее большинство
таких систем в качестве главного командного
параметра использует величину абсолютного
давления во впускном коллекторе за дроссельной
заслонкой. При увеличении нагрузки на
двигатель давление за дроссельной заслонкой
также увеличивается; зная частоту вращения
коленчатого вала и величину давления
можно определить и скорость расхода воздуха.
Необходимо отметить, что в этом случае
для уменьшения погрешности расчета массового
расхода воздуха нужно учитывать и его
температуру во впускном коллекторе. Эта
информация поступает в блок управления
от датчика температуры воздуха, устанавливаемого,
как правило, непосредственно в ресивере
впускного коллектора. Наконец, существует
еще один, самый простой и наименее точный
метод оценки расхода воздуха - по величине
угла открытия дроссельной заслонки. Этот
метод применяется, в основном, на спортивных
двигателях, рассчитанных на работу с
максимальным наполнением на высоких
оборотах и имеющих короткие индивидуальные
для каждого цилиндра впускные трубопроводы.
Применение датчиков
расхода воздуха и датчиков
абсолютного давления на таких
двигателях затруднено или невозможно.
В обычных легковых автомобилях
этот метод используется в
недорогих системах центрального
впрыска типа Моnо- Jetronic. Процедуры
расчета времени для систем впрыска, использующих
различные принципы измерения или расчета
расхода воздуха, в достаточной степени
различаются, однако, если допустить некоторые
упрощения, можно свести их к следующему.
На этапе разработки и доводки двигателя
определяется так называемая "базовая
поверхность", т.е. значения длительности
управляющего импульса в множестве дискретных
точек. Каждая точка характеризуется каким-либо
значением частоты вращения коленчатого
вала и нагрузки на двигатель (т.е. расхода
воздуха). Вся эта информация в виде матрицы
заносится в ПЗУ блока управления. При
работе двигателя блок управления получает
от соответствующих датчиков информацию
о частоте вращения коленчатого вала (N)
и нагрузке на двигатель (Q) и "находит"
в ПЗУ соответствующее значение времени
тбаз .