В какой момент происходит впрыск топлива в дизельном двигателе

Системы питания дизельных двигателей

И дизельные системы модернизируются. Если раннее она была механической, то сейчас и дизеля оснащаются электронным управлением. В ней используются те же датчики и блок управления, что и в бензиновом моторе.

Сейчас на автомобилях применяется три типа дизельных впрысков:

1. С распределительным ТНВД.
2. Common Rail.
3. Насос-форсунки.

Как и в бензиновых моторах, конструкция дизельного впрыска состоит из исполнительной и управляющей частей.

Многие элементы исполнительной части те же, что и у инжекторов – бак, топливопроводы, фильтрующие элементы. Но есть и узлы, которые не встречаются на бензиновых моторах – топливоподкачивающий насос, ТНВД, магистрали для транспортировки топлива под высоким давлением.

В механических системах дизелей применялись рядные ТНВД, у которых давление топлива для каждой форсунки создавала своя отдельная плунжерная пара. Такие насосы отличались высокой надежностью, но были громоздкими. Момент впрыска и количество впрыскиваемого дизтоплива регулировалось насосом.

В двигателях, оснащаемых распределительным ТНВД, в конструкции насоса используется только одна плунжерная пара, которая качает топливо для форсунок. Этот узел отличается компактными размерами, но ресурс его ниже, чем рядных. Применяется такая система только на легковом автотранспорте.

Common Rail считается одной из самых эффективных дизельных систем впрыска двигателя. Общая концепция ее во многом позаимствована у инжектора с раздельной подачей.

В таком дизеле моментом начала подачи и количеством топлива «заведует» электронная составляющая. Задача насоса высокого давления — только нагнетание дизтоплива и создание высокого давления. Причем дизтопливо подается не сразу на форсунки, а в рампу, соединяющую форсунки.

Насос-форсунки – еще один тип дизельного впрыска. В этой конструкции ТНВД отсутствует, а плунжерные пары, создающие давление дизтоплива, входят в устройство форсунок. Такое конструктивное решение позволяет создавать самые высокие значения давления топлива среди существующих разновидностей впрыска на дизельных агрегатах.

Напоследок отметим, что здесь приводится информация по видам впрыска двигателей обобщенно. Чтобы разобраться с конструкцией и особенностями указанных типов, их рассматривают по отдельности.

Основные виды технической реализации

Развитие шло двумя путями – от механических систем к электронным и от впрыска в ту зону, где ранее располагался карбюратор к индивидуальной подаче бензина как можно ближе к месту его горения.

 Централизованный впрыск единственной форсункой (моновпрыск)

Версия впрыска в самое начало впускного коллектора, где поток ещё был общим для всех цилиндров двигателя, не была первой исторически, но с неё началось массовое серийное внедрение технологии.

Модуль центрального впрыска содержит:

• форсунку с электромагнитным клапаном;
• топливный насос, создающий относительно небольшое давление;
• регулятор давления с диафрагмой, клапаном и обратной магистралью слива;
• электронный блок управления и датчики.

Система существенно упрощала жизнь водителям за счёт стабильной работы и автоматического управления. Двигатели хорошо запускались, обладали более высокими характеристиками по расходу и токсичности по сравнению с карбюраторными. Но цена выросла, а проблемы с конденсацией топлива в коллекторе остались.

Распределение форсунок по цилиндрам

Значительно лучше смесеобразование происходило при выделении отдельной форсунки каждому цилиндру. Стало возможным организовывать впрыск индивидуально, перед самым началом впуска, что исключало конденсацию. В остальном структура системы не поменялась, эволюционировал лишь её технический уровень. Совершенствовались датчики, быстродействие процессора в блоке управления, алгоритмы программы. В основном прогресс был направлен на экологию и обслуживание появившихся каталитических нейтрализаторов на выпуске.

Механическое и электронное управление

Первые системы впрыска топлива использовали для управления механику и гидравлику. Воздушные расходомеры представляли собой пластину в потоке, отклонение которой меняло управляющее давление. Далее сложный механизм дозатора-распределителя отмерял нужное количество топлива в зависимости от положения дросселя и прочих входных параметров. Всё это работало недостаточно точно и эффективно.

Качественный скачок произошёл с появлением структуры, представляющей из себя классический компьютер в блоке управления, который собирал электрические сигналы от датчиков, оцифровывал их и подавал команды на исполнительные устройства. Входной информацией стали:

• массовый расход воздуха или абсолютное давление во впускном коллекторе;
• температуры воздуха и двигателя;
• скорость и фаза вращения коленчатого и распределительных валов;
• положение дроссельной заслонки;
• наличие детонационных процессов;
• полнота сгорания топлива по кислородному датчику на выхлопе.

Чем больше учитывалось информации и чем выше скорость её обработки, тем точнее регулировались режимы двигателя. Распределённый впрыск с электронным управлением и катализатором широко применяется и в настоящее время.

Прямой (непосредственный) впрыск

Идея непосредственного впрыска бензина в камеру сгорания существовала всегда, но с практической реализацией имелись сложности. Для впрыска в конце такта сжатия и правильного направления тонко распылённого бензина требовалось высокое давление и качественные форсунки. Усложнился и подорожал насос, теперь его функции распределились между подкачкой из бака и созданием давления порядка 100 атмосфер на входе форсунок. Возникли трудно решаемые проблемы с надёжностью и долговечностью дорогих приборов системы впрыска.

Дополнительно стали возникать вопросы, подобные тем, что ограничивают развитие дизельной техники. Пришлось бороться с детонацией, жёсткой работой, разрабатывать быстродействующие форсунки высокого давления, способные разделить впрыск на фазы в течении одного такта цилиндра. Из-за необходимости обязательного использования системы EGR, направляющей часть выхлопных газов обратно во впускной коллектор, появились сложности с очисткой коллектора и клапанов.

Тем не менее, использование прямого впрыска, особенно комбинированного, с дополнительными форсунками в коллекторе, в сочетании с турбонаддувом позволило существенно повысить экономичность двигателей. Заплатив за это сложностью и недолговечностью. К тому же новым моторам требовалось очень качественное горючее, что сразу заметили водители, покупающие автомобили с прямым впрыском на вторичном рынке и эксплуатирующие их вдали от брендовых заправок с гарантированно подходящим бензином.

Насос-форсунки

Насос-форсунки можно считать отдельной веткой в дизельных системах питания, поскольку в конструкции ТНВД как таковой не используется.

Особенность этой системы заключена в том, что форсунка и плунжерная пара объединены в единую конструкцию. Привод секции этого топливного узла осуществляется от распределительного вала.

Примечательно, что такая система может быть как полностью механической (управление впрыском осуществляется рейкой и регуляторами), так и электронной (используются электромагнитные клапаны).

Некой разновидностью этого типа впрыска является использование индивидуальных насосов. То есть для каждой форсунки предусматривается своя секция, приводимая в действие от распределительного вала. Секция может располагаться непосредственно в ГБЦ или быть вынесенной в отдельный корпус. В такой конструкции используются обычные гидравлические форсунки (то есть, система механическая). В отличие от впрыска с ТНВД, магистрали высокого давления – очень короткие, что позволило значительно увеличить давление. Но такая конструкция особого распространения не получила.

К положительным качествам насос-форсунок питания можно отнести:

• Значительные показатели создаваемого давления (самые высокие среди всех используемых типов впрыска);
• Небольшая металлоемкость конструкции;
• Точность дозировки и реализации многократного впрыска (в форсунках с электромагнитными клапанами);
• Возможность работы двигателя при отказе одной из форсунок;
• Замена поврежденного элемента не сложная.

Но имеются в таком типе впрыска и недостатки, среди которых:

• Неремонтопригодность насос-форсунок (при поломке требуется их замена);
• Высокая чувствительность к качеству топлива;
• Создаваемое давление зависит от оборотов двигателя.

Насос-форсунки получили широкое распространение на коммерческом и грузовом транспорте, а также эту технологию использовали некоторые производители легковых авто. Сейчас она не очень часто используется из-за высокой стоимости обслуживания.

Инжекторные топливные системы

Инжекторные топливные системы в настоящее время применяются гораздо чаще карбюраторных, особенно на бензиновых двигателях легковых автомобилей. Впрыск бензина во впускной коллектор инжекторного двигателя осуществляется с помощью специальных электромагнитных форсунок (инжекторов), установленных в головку блока цилиндров и управляемых по сигналу от электронного блока. При этом исключается необходимость в карбюраторе, так как горючая смесь образуется непосредственно во впускном коллекторе.

Различают одно- и многоточечные системы впрыска. В первом случае для подачи топлива используется только одна форсунка (с ее помощью готовится рабочая смесь для всех цилиндров двигателя). Во втором случае число форсунок соответствует числу цилиндров двигателя. Форсунки устанавливают в непосредственной близости от впускных клапанов. Топливо впрыскивают в мелко распыленной виде на наружные поверхности головок клапанов. Атмосферный воздух, увлекаемый в цилиндры вследствие разрежения в них во время впуска, смывает частицы топлива с головок клапанов и способствует их испарению. Таким образом, непосредственно у каждого цилиндра готовится топливовоздушная смесь.

В двигателе с многоточечным впрыском при подаче электропитания к электрическому топливному насосу 7 через замок 6 зажигания бензин из топливного бака 8 через фильтр 5 подается в топливную рампу 1 (рампу инжекторов), общую для всех электромагнитных форсунок. Давление в этой рампе регулируется с помощью регулятора 3, который в зависимости от разрежения во впускном патрубке 4 двигателя направляет часть топлива из рампы обратно в бак. Понятно, что все форсунки находятся под одним и тем же давлением, равным давлению топлива в рампе.

Когда требуется подать (впрыснуть) топливо, в обмотку электромагнита форсунки 2 от электронного блока системы впрыска в течение строго определенного промежутка времени подается электрический ток. Сердечник электромагнита, связанный с иглой форсунки, при этом втягивается, открывая путь топливу во впускной коллектор. Продолжительность подачи электрического тока, т. е. продолжительность впрыска топлива, регулируется электронным блоком. Программа электронного блока на каждом режиме работы двигателя обеспечивает оптимальную подачу топлива в цилиндры.

Для того чтобы идентифицировать режим работы двигателя и в соответствии с ним рассчитать продолжительность впрыска, в электронный блок подаются сигналы от различных датчиков. Они измеряют и преобразуют в электрические импульсы значения следующих параметров работы двигателя:

• угол поворота дроссельной заслонки
• степень разрежения во впускном коллекторе
• частота вращения коленчатого вала
• температура всасываемого воздуха и охлаждающей жидкости
• концентрация кислорода в отработавших газах
• атмосферное давление
• напряжение аккумуляторной батареи
• и др.

Двигатели с впрыском бензина во впускной коллектор имеют ряд неоспоримых преимуществ перед карбюраторными двигателями:

• топливо распределяется по цилиндрам более равномерно, что повышает экономичность двигателя и уменьшает его вибрацию, вследствие отсутствия карбюратора снижается сопротивление впускной системы и улучшается наполнение цилиндров
• появляется возможность несколько повысить степень сжатия рабочей смеси, так как ее состав в цилиндрах более однородный
• достигается оптимальная коррекция состава смеси при переходе с одного режима на другой
• обеспечивается лучшая приемистость двигателя
• в отработавших газах содержится меньше вредных веществ

Вместе с тем системы питания с впрыском бензина во впускной коллектор имеют ряд недостатков. Они сложны и поэтому относительно дорогостоящи. Обслуживание таких систем требует специальных диагностических приборов и приспособлений.

Наиболее перспективной системой питания топливом бензиновых двигателей в настоящее время считается довольно сложная система с непосредственным впрыском бензина в камеру сгорания, позволяющая двигателю длительное время работать на сильно обедненной смеси, что повышает его экономичность и экологические показатели. В то же время из-за существования ряда проблем системы непосредственного впрыска пока не получили широкого распространения.

Просто о сложном: что такое непосредственный впрыск топлива

Например, всё тот же пресловутый TSI. Известно, что бензина потребляет мало, а едет не по-силам шустро. Да в общем-то, уже практически все крупные автопроизводители перешли на непосредственный впрыск. А как он устроен и чем отличается от «посредственного»? Давайте разбираться.Вообще, для начала неплохо бы рассмотреть, чем в принципе система с впрыском топлива (она же инжекторная) отличается от «дедушки» всех топливных систем автомобиля — карбюратора. Но об этом я расскажу как-нибудь позже, а сегодня поговорим об отличиях непосредственного впрыска бензина от распределенного — классического, то бишь.

Пройдя нелегкий путь от топливного бака до топливной рейки двигателя, бензин попадает в цилиндры. Это общая очевидная схема. А вот далее начинаются различия.

Распределенный впрыск

В системе с распределенным впрыском топлива форсунка (это устройство, распрыскивающие топливо в виде мелкодисперсной пыли) установлена во впускном коллекторе — по одной перед каждым цилиндром. То есть она расположена перед впускным клапаном.

Что происходит в процессе работы: на такте впуска, когда поршень идет вниз и впускной клапан открывается, форсунка впрыскивает необходимое количество топлива во впускной коллектор, где он, перемешиваясь с воздухом, попадает в цилиндр уже в виде готовой топливо-воздушной смеси. После чего, на такте сжатия смесь эта сжимается и поджигается свечой.

Непосредственный впрыск

А вот в случае с непосредственным впрыском, форсунка стоит в головке блока цилиндров и часть ее «торчит» непосредственно (ага) в камере сгорания. И топливо впрыскивается не на такте впуска, а в конце такта сжатия, когда и перемешивается с воздухом — уже практически в момент поджига свечой. Примечание . Здесь стоит отметить, что системы непосредственного впрыска имеют разные алогоритмы подачи топлива — в том числе и такой, когда подача осуществляется и на такте впуска, и на такте сжатия.

Отличия друг от друга

Ниже на картинке я очень схематично сравнил момент работы этих двух систем. Но не вдаваясь в технические тонкости процесса, здесь просто нужно понять главное отличие этих двух вариантов питания:

В системе с распределенным впрыском в цилиндры поступает уже готовая смесь воздуха и бензина. В системе с непосредственным впрыском топливо подается отдельно, смешиваясь с воздухом уже в цилиндре.

Логично задать вопрос: какие плюсы дает второй вариант?

Основных преимуществ целая куча:

• Конечно, топливная экономичность. Системы с непосредственным впрыском ( далее — НВ ) умеют работать на сверхбедных составах смеси. Так, широко распространенный двигатель 1.8 TSI от Volkswagen на холостых «нюхает» всего около 0.6-0.7 литра в час.
• Второй конек таких систем — удельная мощность на единицу объема. Другими словами, двигатель с НВ будет на 10-15% мощнее своего аналога одинакового объема с классической распределенной системой питания. Это достигается за счет как более точной дозировки топлива в различных режимах работы двигателя, так и за счет более оптимизированной схемы смешивания с воздухом и последующего более эффективного сгорания смеси.
• Хоть и мало кого в нашей стране волнует, но экологичность. Собственно, это является следствием всего вышеперечисленного. Меньше расход топлива — меньше накоптит воздух, если говорить по-простому. Плюс, возможность работы на сверхбедных смесях и более эффективное (т.е., более полное, без «сажи») сгорание, сами по себе делают выхлоп более чистым.

Разумеется, нельзя не сказать и о недостатках, куда же без них.

• Дорого. Топливная аппаратура систем с НВ на порядок дороже и сложнее классических.
• Высокая чувствительность к качеству топлива. Кстати, один из основополагающих факторов отпугивания людей при покупке машины с НВ. Наверняка многие помнят байки, как первопроходцы систем с непосредственным впрыском (японцы со своим GDI) могли запросто и враз помереть после одной заправки в какой-нибудь деревне, в те самые веселые 90-е годы. Так вот, байки-байками, а таки действительно могли.

Конечно, сейчас такие системы питания уже давно отлажены и получили широчайшее распространение, а качество бензина в крупных городах даже у нас в целом стало более-менее сносным. Так что, не нужно поддаваться паранойе: если вы не планируете регулярно эксплуатировать такую машину глубоко в «Васюках», то всё будет хорошо. Скажу больше — на непосредственный впрыск постепенно переходят даже недорогие бренды, а носителями таких моторов становятся модели всё доступнее по классу.

Надеюсь, кому-то было полезно!

Другие мои статьи на авто тему ниже и также в журнале Дзен OVER9000:

Устройство системы непосредственного впрыска топлива

Конструкция системы непосредственного впрыска топлива рассмотрена на примере системы, устанавливаемой на двигатели FSI (Fuel Stratified Injection – послойный впрыск топлива). Система непосредственного впрыска составляет контур высокого давления топливной системы двигателя и включает топливный насос высокого давления, регулятор давления топлива, топливную рампу, предохранительный клапан, датчик высокого давления и форсунки впрыска.

Топливный насос высокого давления служит для подачи топлива к топливной рампе и далее к форсункам впрыска под высоким давлениям (3-11 МПА) в соответствии с потребностями двигателя. Основу конструкции насоса составляет один или несколько плунжеров. Насос приводится в действие от распределительного вала впускных клапанов.

Регулятор давления топлива обеспечивает дозированную подачу топлива насосом в соответствии с впрыском форсунки. Регулятор расположен в топливном насосе высокого давления. Топливная рампа служит для распределения топлива по форсункам впрыска и предотвращения пульсации топлива в контуре. Предохранительный клапан защищает элементы системы впрыска от предельных давлений, возникающих при температурном расширении топлива. Клапан устанавливается на топливной рампе.

Схема системы непосредственного впрыска на примере системы Motronic MED7. 1.топливный бак; 2. топливный насос; 3.топливный фильтр; 4. перепускной клапан; 5. регулятор давления топлива; 6. топливный насос высокого давления; 7. трубопровод высокого давления; 8. распределительный трубопровод; 9. датчик высокого давления; 10. предохранительный клапан; 11. форсунки впрыска; 12. адсорбер; 13. электромагнитный запорный клапан продувки адсорбера.

Датчик высокого давления предназначен для измерения давления в топливной рампе. В соответствии с сигналами датчика блок управления двигателем может изменять давление в топливной рампе. Форсунка впрыска обеспечивает распыление топлива в камере сгорания для образования топливно-воздушной смеси.

Согласованную работу системы обеспечивает электронная система управления двигателем, которая является дальнейшим развитием объединенной системы впрыска и зажигания. Традиционно система управления двигателем объединяет входные датчики, блок управления и исполнительные механизмы.

Помимо датчика высокого давления топлива в интересах системы непосредственного впрыска работают датчик частоты вращения коленчатого вала, датчик положения распределительного вала, датчик положения педали акселератора, расходомер воздуха, датчик температуры охлаждающей жидкости, датчик температуры воздуха на впуске.

В совокупности датчики обеспечивают необходимой информацией блок управления двигателем, на основании которой блок воздействует на исполнительные механизмы — электромагнитные клапаны форсунок, предохранительный и перепускной клапаны.

Преимущества и недостатки

Плюсы:

1. Расход горючего снижается на 15%, при этом мощность силового агрегата увеличивается на 40%.
2. Снижение уровня шума и вибраций.
3. Значительное снижение выхлопа, соответствие экологическому стандарту Евро-4.
4. Давление для подачи горючего не зависит от скорости вращения коленвала. Благодаря этому удалось добиться стабилизации горения на холостом ходу и малых оборотах.
5. Топливо подаётся несколькими порциями за цикл, что обеспечивает его полное сгорание.
6. Простота конструкции.

Недостатки:

1. Форсунки имеют более сложную конструкцию и требуют более частой замены.
2. Высокое требование к качеству топлива.
3. Нарушение герметизации выводит из строя всю систему.

В чем секрет эффективности

ТНВД распределительного типа с электронным управлением, не говоря уже о полностью механических насосах, подавали дизель в цилиндры большими порциями и под сравнительно малым давлением (к примеру, ТНВД Bosch VE мог выдать всего 700 бар при 2400 об/мин). Увеличение давления при распылении позволяет разбить топливо на более мелкодисперсные частицы, увеличив тем самым площадь контакта частиц дизеля с окислителем – кислородом. Чем меньше распыляемые частицы топлива, тем они быстрее нагреваются и, как следствие, эффективней сгорают. В результате мы получаем большую мощность двигателя, как так топливо сгорает практически полностью, высвобождая большее количество энергии, и меньший расход топлива. В случае с единым аккумулятором нет прямой зависимости между оборотами двигателя и давлением топлива в рампе, поэтому даже на холостых оборотах давление достаточное для качественного распыления.

Деление цикловой подачи на такты означает, что за такт впуска форсунка успевает впрыснуть топливо не один, а несколько раз (от 2 до 7 в современных системах). Различают:

• предварительный впрыск – предназначен для поднятия температуры в камере сгорания и лучшего возгорание основного впрыска, на который и приходится большая доля дизельного топлива;
• основной впрыск;
• дополнительный впрыск – может быть использован для прожига сажевого фильтра.

Разделение цикловой подачи позволяет уменьшить характерный шум работы дизельного двигателя, так как давление в камере сгорания нарастает постепенно, поэтому характерный взрыв ТПВС в камере происходит мягче. Количество впрысков определяется ЭБУ и зависит от многих параметров (режима работы двигателя, нагрузки, температуры ОЖ и т.д.).

Преимущества и недостатки

Основные достоинства дизельных ДВС с впрыском Сommon Rail:

• экономичность;
• приемистость двигателя (эластичность), мощность;
• уменьшение вибраций, шума;
• экологичность.

Как бы это странно не прозвучало, но система впрыска с топливной рейкой не имеет явных недостатков, так как назвать минусом требовательность к качеству топлива было бы неправильно. Согласитесь, что это скорее проблема АЗС и контролирующих органов, нежели системы впрыска дизельного двигателя. Отрицательными моментами могут стать лишь конструктивные особенности ТНВД, форсунки или датчиков той либо иной модели. К примеру, некоторые насосы имеют довольно мягкий алюминиевый корпус, поэтому со временем они начинают гнать стружку, появление которой чрева выходом из строя форсунок и ускоренным износом ТНВД. Также всем известно, что пьезоэлектрические форсунки имеют меньший ресурс и часто не поддаются ремонту.

При эксплуатации дизельного двигателя с системой Сommon Rail следует помнить о высоких требованиях к качеству топлива и строгом соблюдении периодичности замены фильтров.

https://youtube.com/watch?v=5TzI0if9bRw

Системы впрыска. Описание. Характеристики

В наше время на автомобили устанавливают современные системы впрыска топлива. Система впрыска исходя из своего названия предназначена для впрыска топлива. Ее устанавливают на дизельные и бензиновые двигатели. Система впрыска бензиновых двигателей. Работа бензинового двигателя начинается с вырабатывания искры которая воспламеняет однообразную топливо-воздушную смесь образующуюся в двигателе. Как и в бензиновых двигателях в дизельных топливо впрыскивается под давлением, это способствует воспламенению смеси. Все это дает возможность определить величину топлива которое впрыскивается увеличивая мощность двигателя. Данная система имеет систему подачи топлива, которая является основой для движения автомобиля. Система работает с помощью инжектора форсунка.