Пристрій та принцип роботи інжекторного двигуна, схеми, зображення - Ногінський автоклуб Insanity

Пристрій та принцип роботи інжектора

Стало очевидно, що для зниження шкідливих для життєдіяльності людини викидів в атмосферу треба кардинально змінювати підхід до конструювання паливної апаратури.

Для зниження шкідливих викидів у систему випуску було запропоновано встановлювати каталітичний нейтралізатор газів, що відпрацювали. Але каталізатор ефективно працює тільки при спалюванні двигуна так званої нормальної паливо-повітряної суміші (вагове співвідношення повітря/бензин 14,7:1).

Будь-яке відхилення складу суміші від зазначеного призводило до падіння ефективності його роботи та прискореного виходу з ладу. Для стабільного підтримки такого співвідношення робочої суміші карбюраторні системи не підходили. Альтернативою могли стати лише системи упорскування. Перші системи були чисто механічними із незначним використанням електронних компонентів. Але практика використання цих систем показала, що параметри суміші, на стабільність яких розраховували розробники, змінюються в міру експлуатації автомобіля. Цей результат цілком закономірний, враховуючи зношування та забруднення елементів системи і самого двигуна внутрішнього згоряння в процесі його служби. Постало питання про систему, яка б сама себе коригувати в процесі роботи, гнучко зрушуючи умови приготування робочої суміші в залежності від зовнішніх умов. Вихід було знайдено наступним. У систему впорскування ввели зворотний зв'язок - у випускну систему, безпосередньо перед каталізатором, поставили датчик вмісту кисню у вихлопних газах, так званий лямбда-зонд. Ця система розроблялася вже з урахуванням наявності такого основного для всіх наступних систем елемента, як електронний блок управління (ЕБУ). За сигналами датчика кисню ЕБУ коригуєподачу палива у двигун, точно витримуючи потрібний склад суміші.

На сьогоднішній день інжекторний (або, говорячи українською, впорсковий) двигун практично повністю замінив застарілу карбюраторну систему. Інжекторний двигун суттєво покращує експлуатаційні та потужнісні показники автомобіля (динаміка розгону, екологічні характеристики, витрата палива).

Інжекторні системи подачі палива мають перед карбюраторними такі основні переваги:

точне дозування палива і, отже, більш економна його витрата.
зниження токсичності вихлопних газів Досягається за рахунок оптимальності паливно-повітряної суміші та застосування датчиків параметрів вихлопних газів.
збільшення потужності двигуна приблизно 7-10%. Відбувається за рахунок покращення наповнення циліндрів, оптимальної установки кута випередження запалювання, що відповідає робочому режиму двигуна.
покращення динамічних властивостей автомобіля. Система упорскування негайно реагує на будь-які зміни навантаження, коригуючи параметри паливно-повітряної суміші.
легкість запуску незалежно від погодних умов.

Пристрій та принцип роботи інжектора (на прикладі електронної системи розподіленого упорскування)

У сучасних упорскових двигунах для кожного циліндра передбачена індивідуальна форсунка. Усі форсунки з'єднуються з паливною рампою, де паливо знаходиться під тиском, який створює електробензонасос. Кількість палива, що впорскується, залежить від тривалості відкриття форсунки. Момент відкриття регулює електронний блок управління (контролер) виходячи з оброблюваних ним даних від різних датчиків.

Датчик масової витрати повітря служить розрахунку циклового наповнення циліндрів.Вимірюється масова витрата повітря, яка потім перераховується програмою в циліндрове циклове наповнення. При аварії датчика його показання ігноруються, розрахунок іде за аварійними таблицями.

Датчик положення дросельної заслінки служить для розрахунку фактора навантаження на двигун та його зміни залежно від кута відкриття дросельної заслінки, обертів двигуна та циклового наповнення.

Датчик температури охолоджуючої рідини служить визначення корекції паливоподачі і запалювання за температурою й у керування електровентилятором. При аварії датчика його показання ігноруються, температура береться з таблиці залежно від часу роботи двигуна.

Датчик положення колінвала служить для загальної синхронізації системи, розрахунку оборотів двигуна та положення колінвала у певні моменти часу. ДПКВ – полярний датчик. При неправильному включенні двигун заводиться не буде. При аварії датчика робота системи неможлива. Це єдиний "життєво важливий" у системі датчик, при якому рух автомобіля неможливий. Аварії решти датчиків дозволяють своїм ходом дістатися автосервісу.

Датчик кисню призначений визначення концентрації кисню у відпрацьованих газах. Інформація, яку видає датчик, використовується електронним блоком управління для коригування кількості палива, що подається. Датчик кисню використовується тільки в системах з каталітичним нейтралізатором під норми токсичності Євро-2 та Євро-3 (у Євро-3 використовується два датчики кисню-до каталізатора і після нього).

Датчик детонації служить контролю за детонацією. При виявленні останньої ЕБУ містить алгоритм гасіння детонації, оперативно коригуючи кут випередження запалення.

Тут перелічені лише деякі основнідатчики, необхідних роботи системи. Комплектації датчиків на різних автомобілях залежать від системи упорскування, від норм токсичності та ін.

Про результати опитування визначених у програмі датчиків, програма ЕБУ здійснює управління виконавчими механізмами, до яких належать: форсунки, бензонасос, модуль запалення, регулятор холостого ходу, клапан адсорбера системи уловлювання парів бензину, вентилятор системи охолодження та ін. (все знову ж таки залежить від конкретної моделі)

Зі всього перечесленого, можливо, не всі знають, що таке адсорбер. Адсорбер є елементом замкнутого ланцюга рециркуляції парів бензину. Нормами Євро-2 заборонено контакт вентиляції бензобака з атмосферою, пари бензину повинні збиратися (адсорбуватися) і під час продування посилатися у циліндри на допалювання. На двигуні, що не працює, пари бензину потрапляють в адсорбер з бака і впускного колектора, де відбувається їх поглинання. При запуску двигуна адсорбер по команді ЕБУ продувається потоком повітря, що всмоктується двигуном, пари захоплюються цим потоком та допалюються в камері згоряння.

Типи інжекторних систем

Залежно від кількості форсунок і місця подачі палива, системи упорскування поділяються на три типи: одноточковий або моноуприскування (одна форсунка у впускному колекторі на всі циліндри), багатоточковий або розподілений (у кожного циліндра своя форсунка, яка подає паливо в колектор) і безпосередній ( паливо подається форсунками безпосередньо в циліндри, як у дизелів).

Одноточковий упорскування

простіше, він менш начинений керуючою електронікою, але менш ефективний. Керуюча електроніка дозволяє знімати інформацію з датчиків і відразу змінювати параметри упорскування. Важливо й те, що під моноуприскування легко адаптуються карбюраторні.двигуни майже без конструктивних переробок чи технологічних змін у виробництві. У одноточкового впорскування перевага перед карбюратором полягає в економії палива, екологічній чистоті та відносній стабільності та надійності параметрів. А ось у прийомності двигуна одноточковий упорскування програє. Ще один недолік: при використанні одноточкового упорскування, як і при використанні карбюратора до 30% бензину осідає на стінках колектора.

Системи одноточкового упорскування, безумовно, були кроком уперед у порівнянні з карбюраторними системами живлення, але вже не задовольняють сучасні вимоги.

Більш досконалими є системибагатоточкового впорскування,

у яких подача палива до кожного циліндра здійснюється індивідуально. Розподілене упорскування потужніше, економічніше і складніше. Застосування такого упорскування збільшує потужність двигуна приблизно на 7-10 відсотків. Основні переваги розподіленого упорскування:

можливість автоматичного налаштування на різних оборотах і відповідно покращення наповнення циліндрів, у результаті за тієї ж максимальної потужності автомобіль розганяється набагато швидше;
бензин впорскується поблизу впускного клапана, що суттєво знижує втрати на осідання у впускному колекторі та дозволяє здійснювати більш точне регулювання подачі палива.

Першою застосувала двигун із безпосереднім упорскуванням на серійному автомобілі компанія Mitsubishi. Тому розглянемо пристрій та принципи дії безпосереднього упорскування на прикладі двигуна GDI (Gasoline Direct Injection). Двигун GDI може працювати в режимі згоряння надзбідненої паливоповітряної суміші: співвідношення повітря та палива за масою до 30-40:1. Максимально можливе для традиційних інжекторнихдвигунів з розподіленим упорскуванням співвідношення дорівнює 20-24:1 (варто нагадати, що оптимальний, так званий стхіометричний, склад - 14,7:1) - якщо надлишок повітря буде більшим, переобіднена суміш просто не спалахне. На двигуні GDI розпорошене паливо знаходиться у циліндрі у вигляді хмари, зосередженої в районі свічки запалювання. Тому, хоча в цілому суміш переобіднена, у свічки запалювання вона близька до стехіометричного складу і легко спалахує. У той же час, збіднена суміш в іншому обсязі має набагато меншу схильність до детонації, ніж стехіометрична. Остання обставина дозволяє підвищити ступінь стиснення, а значить збільшити і потужність, і момент, що крутить. За рахунок того, що при впорскуванні та випаровуванні в циліндр палива повітряний заряд охолоджується - дещо покращується наповнення циліндрів, а також знову знижується ймовірність виникнення детонації.

Режими роботи двигуна GDI

Усього передбачено три режими роботи двигуна:

Режим згоряння надбідної суміші (приприскування палива на такті стиснення).
Потужний режим (уприскування на такті впуску).
Двостадійний режим (упорскування на тактах впуску та стиснення) (застосовується на євромодифікаціях).

Режим згоряння надбідної суміші (уприскування палива на такті стиснення). Цей режим використовується при малих навантаженнях: при спокійній міській їзді та під час руху за містом з постійною швидкістю (до 120 км/год). Паливо впорскується компактним смолоскипом в кінці такту стиснення в напрямку поршня, відбивається від нього, змішується з повітрям і випаровується, прямуючи до зони свічки запалювання. Хоча в основному об'ємі камери згоряння суміш надзвичайно збіднена, заряд у районі свічки досить збагачений, щоб спалахнути від іскри та підпалити решту суміші.В результаті двигун стійко працює навіть при загальному співвідношенні повітря та палива в циліндрі 40:1.

Робота двигуна на сильно збідненій суміші поставила нову проблему - нейтралізацію газів, що відпрацювали. Справа в тому, що при цьому режимі їх основну частку складають оксиди азоту, і тому звичайний каталітичний нейтралізатор стає малоефективним. Для вирішення цього завдання була застосована рециркуляція відпрацьованих газів (EGR-Exhaust Gas Recirculation), яка різко знижує кількість оксидів азоту, що утворюються, і встановлений додатковий NO-каталізатор.

Потужний режим (уприскування на такті впуску). Так званий "режим однорідного сумішоутворення" використовується при інтенсивній міській їзді, високошвидкісному заміському русі та обгонах. Паливо впорскується на такті впуску конічним факелом, перемішуючи з повітрям і утворюючи однорідну суміш, як у звичайному двигуні з розподіленим упорскуванням. Склад суміші - близький до стехіометричного (14,7:1)

Двостадійний режим (уприскування на тактах впуску та стиснення). Цей режим дозволяє підвищити момент двигуна у тому випадку, коли водій, рухаючись на малих обертах, різко натискає педаль акселератора. Коли двигун працює на малих оборотах, а в нього раптом подається збагачена суміш, ймовірність детонації зростає. Тому впорскування здійснюється у два етапи. Невелика кількість палива впорскується в циліндр на такті впуску та охолоджує повітря у циліндрі. При цьому циліндр заповнюється надбідною сумішшю (приблизно 60:1), в якій детонаційні процеси не відбуваються. Потім, в кінці такту стиснення, подається компактний струмінь палива, який доводить співвідношення повітря та палива в циліндрі до "багатого" 12:1.

Чому цей режим запроваджено лише для автомобілів для європейського ринку? Тактому що для Японії притаманні невисокі швидкості руху та постійні пробки, а Європа - це протяжні автобани та високі швидкості (а отже, високі навантаження на двигун).

Компанія Mitsubishi стала піонером у застосуванні безпосереднього упорскування палива. На сьогоднішній день аналогічну технологію використовують Mercedes (CGI), BMW (HPI), Volkswagen (FSI, TFSI, TSI) та Toyota (JIS). Основний принцип роботи цих систем живлення аналогічний - подача бензину не у впускний тракт, а безпосередньо в камеру згоряння і формування пошарового або однорідного сумішоутворення в різних режимах роботи двигуна. Але такі паливні системи мають і відмінності, причому іноді досить суттєві. Основні з них – робочий тиск у паливній системі, розташування форсунок та їх конструкція.