Инжекторная система впрыска

Инжектор стал логичным развитием системы впрыска автомобиля, когда последующее усовершенствование карбюратора для выполнения экологических норм было нецелесообразным. Принудительное дозирование впрыскиваемого топлива превосходит карбюратор по экономичности, экологичности и мощностным характеристикам. Рассмотрим, принцип работы инжектора, а также устройство инжекторной системы питания.

Виды системы

Свое название инжекторная система впрыска топлива получила от устройства, которое отвечает за распыление бензина – инжектора (от англ. Injection – впрыск, injector – форсунка). Система питания такого типа устанавливалась на самолеты еще в 20-х годах прошлого столетия. Что примечательно, уже тогда это был непосредственный впрыск топлива в цилиндры двигателя. Основное внимание уделим развитию вариациям системы Motronic, в которой за подачу топлива и регулировку угла зажигания отвечает блок управления двигателем (далее ЭБУ или ECU).

Single Point fuel Injection

Одноточечный тип впрыска, более известный как моновпрыск, является переходной технологией, которая позволила многим автопроизводителям задешево перейти от карбюраторной системы питания к инжектору.

Иными словами, вместо карбюратора над впускным коллектором начал устанавливаться агрегат центрального впрыска топлива. Система имела ряд преимуществ, поскольку ЭБУ позволял более точно дозировать бензин.

Принцип работы инжектора построен на следующих элементах:

1. – топливный бак с расположенным в нем топливным насосом;
2. – фильтрующий элемент для очистки топлива;
3. – центральный агрегат впрыска. 3а – датчик положения дроссельной заслонки (ДПДЗ); 3б – регулятор, отвечающий за давление топлива; 3с – форсунка инжектора; 3д – датчик температуры воздуха, поступающего во впускной коллектор; 3е – регулятор положения дроссельной заслонки (в простейших вариантах конструкции привод заслонки был связан с педалью акселератора тросовым приводом);
4. – датчик температуры охлаждающей жидкости (ДТОЖ);
5. – лямбда-зонд (кислородный датчик);
6. – электронный блок управления двигателем.

Принцип работы

На схеме не показан один элемент, без которого работа механизма была бы невозможной, – датчик положения коленчатого вала. Именно ДПКВ позволяет ЭБУ рассчитывать количество воздуха, поступающего в двигатель. Напомним, что количество подаваемого топлива всецело зависит от массы воздуха, поступающего в цилиндры, иначе регулировать состав топливовоздушной смеси (ТПВС) для нормальной работы бензинового двигателя невозможно. На этапе создания двигателя конструкторами рассчитывается, сколько воздуха проходит при определенной нагрузке, то есть степени открытия дросселя, и на определенных оборотах двигателя. Данные заносятся в топливную карту двигателя, которая будет записана в ЭБУ. Впоследствии при работе двигателя блок управления фиксирует обороты с помощью ДПКВ, нагрузка определяется потенциометром дроссельной заслонки, что позволяет взять из топливной карты значение, соответствующее необходимому количеству топлива. Но система идеально может работать только в лабораторных условиях, поскольку на практике атмосферное давление зависит не только от положения над уровнем моря, но и от температуры, воздушный фильтр со временем забивается, пропуская через себя меньше воздуха, засоряется и сам дроссельный узел. Для коррекции используется датчик температуры воздуха, но роль его невелика. По-настоящему на состав смеси влияет лямбда-зонд, измеряющий количество кислорода в выхлопных газах. Если кислорода слишком много, ЭБУ понимает, что смесь необходимо обогатить, и наоборот.

Характеристика

Главное преимущество одноточечного впрыска – дешевизна реализации. Недостатки:

• неравномерное наполнение цилиндров, что обусловлено месторасположением форсунки;
• «мокрый» коллектор. При открытии форсунки бензин преодолевает долгий путь до камеры сгорания. Когда коллектор холодный, топливо не испаряется, а оседает на стенках, вследствие чего смесь необходимо сильно богатить;
• лямбда-зонд хоть и позволяет корректировать ТПВС, но способ измерения массы воздуха в целом неэффективен.

Multi-Point fuel injection

Многоточечный впрыск стал значительным шагом вперед, по сравнению с одноточечным впрыском, поскольку позволил автомобилям вкладываться в нормы токсичности ЕВРО-3.

Одноточечный впрыск, ввиду неизлечимых болезней, обусловленных особенностями конструкции, мог выполнить только требования ЕВРО-2.

История эволюции систем впрыска автомобилей крайне интересна, но не она является главной темой этой статьи. Именно поэтому уделять внимание тонкостям работы таких систем управления двигателем с распределенным впрыском, как D-Jetronic, KE-Jetronic, K-Jetronic и L-Jetronic мы не будем. Устанавливать на авто перечисленные вариации перестали еще в начале 90-х, а поэтому встретить автомобиль с «живой» системой распределительного впрыска такого типа крайне сложно.

Главное отличие полноценного инжектора от моновпрыска – наличие 4-х форсунок, расположенных вблизи впускных клапанов. Компоненты инжекторного двигателя:

1. – топливный насос, который в подавляющем большинстве случаев расположен в баке;
2. – фильтр грубой очистки топлива;
3. – регулятор давления топлива, от которого к баку идет магистраль обратки для слива лишнего топлива. В некоторых авто обратная магистраль отсутствует как таковая, а регулятор топлива находится рядом с насосом в баке;
4. – форсунка. На рисунке сверху показано, как все форсунки соединены топливной рампой;
5. – расходомер воздуха;
6. – датчик температуры охлаждающей жидкости;
7. – регулятор холостого хода (РХХ);
8. – потенциометр, фиксирующий фактическое положение дроссельной заслонки (ДПДЗ);
9. – датчик частоты вращения коленчатого вала (ДПКВ);
10. – кислородный датчик;
11. – ЭБУ;
12. – распределитель зажигания.

Расчет массы воздуха

Помимо форсунок, особенностью системы является способ расчета массы воздуха. Существует всего 5 способов измерения количества воздуха, проходящего через дроссельную заслонку:

1. • обороты/нагрузка. Применяется на одноточечной системе впрыска и в качестве резервного варианта для распределительного впрыска, если расходомер воздуха выходит из строя;
   • расходомер флюгерного типа. Применялся на системах управления двигателем Jetronic;
   • ДМРВ – датчик массового расхода воздуха. Принцип работы основывает на поддержании электрическим током постоянной температуры нагревательного элемента. Проходящий через ДМРВ воздух охлаждает элемент, что требует увеличения тока. При помощи преобразователя величина тока нагрева элемента преобразовывается в выходное напряжение. Между напряжением и массой поступившего воздуха существует зависимость, которая и позволяет ЭБУ рассчитать количество необходимого для подачи топлива;
   • MAP-сенсор – датчик давления во впускном коллекторе. ЭБУ, имея информацию о величине абсолютного давления во впускном коллекторе и дополнительно используя показания датчика температуры воздуха, рассчитывает цикловую подачу топлива;
   • датчик объема воздуха. Измеряется именно объем, который впоследствии пересчитывается в массу; на данный момент такой способ расчета воздуха не используется.

Характеристика

Преимущества распределительного впрыска на клапаны:

• равномерное наполнение цилиндров;
• использование ДМРВ или MAP-сенсора позволяет точно рассчитывать расход воздуха, что дает больше возможностей для регулировки ТПВС на всех режимах работы мотора.

Именно поэтому автомобили с полноценным инжектором всегда мощнее и экономичнее авто с одноточечным впрыском.

Direct injection

Непосредственный впрыск, являющийся разновидностью системы распределительного впрыска, – последнее слово в системах питания бензиновых двигателей. Главной особенностью прямого впрыска является подача топлива непосредственно в камеру сгорания.

GDI, FSI, D4 – аббревиатуры, использующиеся Mitsubishi, Volkswagen и Toyota, соответственно, для обозначения двигателей с непосредственным впрыском. Система питания таких ДВС больше походит на дизельные моторы, нежели на привычные всем ДВС цикла Отто. Устройство:

Чем обусловлена эффективность

Дороговизна и сложность производства, являющиеся главными недостатками прямого впрыска, с лихвой окупаются чрезвычайной экономичностью и мощностными характеристиками. Достигается это за счет того, что мотор может работать на 3-х основных вариантах топливной смеси (в качестве примера выбрана система GDI):

• сверхбердная смесь. Топливо впрыскивается в конце такта сжатия и сгорает в непосредственной близости к свече зажигания, в то время как вокруг зоны сгорания в камере сгорания находится преимущественно чистый воздух либо смесь воздуха с выхлопными газами, за подачу которых отвечает EGR;
• стехиометрическая. Топливо подается на такте впуска, хорошо перешивается с воздухом, образуя смесь близкую к идеальному пропорциональному соотношению (14,7/1) во всей камере сгорания;
• мощностной режим, при котором ТПВС приготавливается в два этапа. Небольшое количество топлива подается на такте впуска, но основная порция впрыскивается в конце такта сжатия.

За счет подачи топлива в жидкой фазе непосредственно в камеру сгорания двигатели с прямым впрыском менее склонны к детонации, что позволяет повысить степень сжатия и увеличить КПД двигателя.