Продолжительность впрыска и кривая интенсивности подачи (впрыска)
Термин «интенсивность подачи» описывает кривую характеристику количества впрыснутого в камеру сгорания топлива как функцию угла поворота коленчатого или кулачкового вала (соответственно углы поворота коленчатого или кулачкового вала).
Одним из главных параметров, влияющих на кривую интенсивности подачи, является продолжительность впрыска. Она измеряется в углах поворота коленчатого или кулачкового вала или в миллисекундах и является периодом, в течение которого открыта форсунка и топливо впрыскивается в камеру сгорания, На рисунке показано, как подача количества впрыскиваемого топлива начинается с помощью кулачкового вала насоса и как топливо впрыскивается из форсунки (как функция угла поворота кулачкового вала). Можно видеть, что характеристика давления и кривая интенсивности подачи сильно изменяются между элементом насоса и форсункой, и что на них влияют детали, которые определяют впрыск (кулачок, элемент насоса, нагнетательный клапан, топливопровод (магистраль подачи) и форсунка).
Различные системы дизельных двигателей требуют различной продолжительности впрыска в каждом из случаев. Двигатели с непосредственным впрыском требуют примерно 25 — 30° поворота коленчатого вала при определенном числе оборотов, а двигатели с предкамерой — угла поворота коленчатого вала в 35 — 40°. Продолжительность впрыска при 30°- повороте коленчатого вала, соответствующем повороту на 15° кулачкового вала, означает продолжительность впрыска в 1,25 миллисекунд для числа оборотов ТНВД, равному 2000 об/мин.
Для поддержания расхода топлива и выбросов серы на низком уровне, продолжительность впрыска должна быть определена как функция рабочей точки и зависит от начала впрыска. При начале впрыска должно протекать лишь малое количество топлива, тогда как в конце требуется большое количество топлива. Форсунка затем должна закрыться как можно быстрее. Такая кривая интенсивности подачи приведет к медленному повышению давления сжатия. Сгорание, таким образом, будет «мягким». В двигателях с непосредственным впрыском шум от сгорания заметно меньшается, если малая часть топлива, впрыснутого в камеру сгорания, мелко распылена перед основным впрыском.
Такой метод впрыска остается очень дорогим. В двигателях с разделенной камерой сгорания (с предкамерой или вихревой камерой) используются игольчатые дросселирующие форсунки. Эти форсунки образуют одну струю топлива и определяют кривую интенсивности подачи. Форсунки управляют поперечным сечением выхода как функцией хода клапана впрыска (нагнетательного клапана).
Вторичный впрыск (или так называемое «капание») особенно нежелателен и происходит из-за быстрого повторного открывания форсунки после ее закрывания, и она впрыскивает плохо подготовленное топливо позже в процессе сгорания. Эго топливо сгорает не полностью или вообще не сгорает и выходит через выхлопные газы как несгоревшие углеводороды.
Быстрозакрывающиеся форсунки предотвращают такое «капание». «Мертвый объем» в нижней части у седла форсунки производит эффект, подобный «капанью». Пары топлива, накапливающиеся в этом объеме, выходят в камеру сгорания после окончания сгорания и также поступают в выхлопные газы, где увеличивают выбросы несгоревших углеводородов. Наименьший «мертвый объем» получается у форсунок с седлом с отверстиями.
Распределённый впрыск топливной смеси
В таких системах количество форсунок равно числу цилиндров. Все форсунки находятся на впускном коллекторе, топливовоздушная смесь подаётся при помощи общей для всех топливной рампы. В ней происходит смешивание бензина и воздуха. Режимы работы форсунок:
- Фазированный впрыск — самые современные системы работают именно с его использованием. Количество форсунок и цилиндров одинаковое, открытие и закрытие электроклапанов происходит в зависимости от того, какой такт проходит двигатель. Наилучшим режимом работы мотора считается такой, при котором открытие форсунки происходит непосредственно перед началом такта впуска. И двигатель работает устойчиво, и достигается высокая экономия бензина. Преимущества такой топливной системы очевидны.
- Одновременный впрыск топливовоздушной смеси — открытие форсунок не зависит от такта. Они все открываются одновременно, несмотря на то, что находятся на впускных коллекторах «своих» цилиндров. Это несколько модернизированный моновпрыск, несмотря на то, что форсунок несколько, управление ими происходит так, будто установлена всего одна. В общем, такие конструкции надёжны и работа их стабильна, но по характеристикам уступают более современным конструкциям.
- Попарно-параллельный впрыск топливной смеси немного отличается от предыдущего. Главное отличие — открываются не все форсунки разом, а парами. Одна пара открывается перед впуском, вторая — перед выпуском. Именно так обычно работает впрыск. Из употребления такие системы вышли давно, но, например, если выходит из строя датчик фаз, современные инжекторы переходят в аварийный режим (попарно-параллельный впрыск происходит вместо фазированного, так как без параметров этого датчика работа невозможна).
- Системы непосредственного впрыска топлива имеют высокую стоимость, но и надёжность у них завидная. Экономичность и мощность двигателя на высоком уровне, регулировка подачи топливовоздушной смеси максимально точная. Мотор может быстро изменить режим работы. Электромагнитные форсунки устанавливаются в ГБЦ, смесь распыляется непосредственно в камеру сгорания цилиндра (отсюда и название системы).
В конструкции отсутствует впускной коллектор и клапан. Реализация конструкции довольно сложная, так как в ГБЦ на каждый цилиндр есть отверстия под свечи, клапаны (2 или 4, в зависимости от типа мотора). Элементарно не хватает места для установки форсунки.
Как работает?
Работа системы впрыска топлива автомобиля
Система впрыска осуществляет анализ текущего состояния и подбирает такой вариант, при котором сгорание бензина будет наиболее полным. Количество и качество подаваемой смеси определяется все тем же чипом.От функционирования датчиков зависит многое.
Заданные значения хранятся в компьютере. Память не зависит от питания и не сбрасывается после остановки или отключения устройства от цепи. Потому сбросить ее на базовые значения невозможно. А вот калибровать компьютер вполне реально. Это делается для достижения определенных целей. Например, увеличение скорости набора, мощности или экономии топлива. Конечно, применение вне оптимальных условий может быть сильно невыгодным.
Автомобилисты, использующих инжектор, утверждают, что неправильная настройка способна увеличить потребление бензина в 2-3 раза. Так что после приобретения данного чуда техники, нужно провести его настройку.
Трудности реализации и необходимые профилактические меры
При всех положительных моментах эксплуатации двигателя на переобедненных смесях у современных автомобилей имеются проблемы, у которых нет «общих точек соприкосновения» со старым семейством MPI-впрыска, что в свою очередь вызывает трудности в диагностике. Чтобы понять, какие изменения последовали в конструкции, и сравнить, надо обратиться к самому началу появления данного типа системы впрыска в производстве. Конкретную реализацию разберем на примере моделей VW AG. Итак, сравнение поршневой группы атмосферного и турбированного ДВС…
В первом случае видна схема «встречных потоков» описанных ранее, во втором очевидно играет гораздо большую роль предварительное завихрение потока воздуха во впускном коллекторе (в этом одно из различий исполнения данных моторов) и полная направленная циркуляция в полном объеме цилиндра.
Предварительное завихрение воздушного потока во впускном коллекторе и обедняет классическую однородную (гомогенную) смесь при смешивании воздушного потока с топливом. На практике первая схема обеспечивает лучшее охлаждение поршня (а с ним – эффективную борьбу с детонационными явлениями при рабочем цикле, о чем подробнее поговорим далее). В то же время для таких моторов характерна проблема зимнего пуска, при котором свечи просто «заливало» топливом, и мотор не запускался, а самое смешное в этом вопросе (думаю, владельцы Passat B6 первых годов выпуска об этом хорошо помнят), что самая простая «жигулевская» и даже не первой свежести свеча помогала запустить замерзший ДВС, после чего следовала еще одна замена – возвращение оригинальных свечей назад. Последовало порядка десятка изменений версий программного обеспечения блока управления ДВС, прежде чем удалось решить эту проблему. Разумеется, владельцев ДВС с турбокомпрессором такие проблемы не коснулись. Пуск на гомогенной смеси при минусовой температуре воздуха отработан автопроизводителями до мелочей. В дальнейшем на цепных моторах 2008 года и далее эксперименты с формой днища поршня проводить не стали. Обычно такие поршни обладают плоской поверхностью со стандартными выемками под клапана.
Или имеют ярко выраженную сферическую вогнутую поверхность по всей ширине гильзы цилиндров, назначение которой будет понятно немного позже.
А теперь посмотрим на организацию подачи топлива и воздуха на этих ДВС:
Используются форсунки с 6-ю отверстиями, что положительно влияет на качество распыления топлива
Обратите внимание на расположение топливной форсунки и впускного канала: они находятся в одной плоскости, а это значит, суммарного восходящего потока уже не получится. Учитывая, что топливо должно успеть равномерно распределиться по топливовоздушному заряду, получаем единственный вариант —организацию встречного потока с довольно большим дефицитом по времени эффективного распыления
Разумеется, об эффективном охлаждении поршней в этом случае речь тоже не идет. Давайте посмотрим, что думают об этом сами создатели.
Довольно простое решение подачи топлива непосредственно в зону свечи, т.е. топливный заряд оборачивается, условно говоря, в «кокон» воздушного заряда (эффект дополнительного охлаждения смеси достигается ее изолированием воздушным потоком, если говорить точнее). В итоге в зоне электрода свечи мы имеем обогащенную, легко воспламеняемую смесь, а в остальных местах камеры сгорания – переобедненную. Но путь смешивания топливного и воздушного зарядов очень короткий, в отличие от схемы, обсуждаемой ранее, а нормальное перемешивание, с отражением от поверхности поршня и равномерным распределением по фронту потока (как это было с атмосферным мотором), к сожалению, невозможно. Именно этот аспект и влияет на возможную проблемную работу ДВС в целом, а причина возникновения трудностей стабильного воспламенения довольна простая:
Устройство и принцип действия системы GDI
В наши дни системы, аналогичные Gasoline Direct Injection, используют и другие производители автомобилей, обозначая данную технологию TFSI (Audi), FSI или TSI (Volkswagen), JIS (Toyota), CGI (Mercedes), HPI (BMW). Принципиальными отличиями этих систем являются рабочее давление, конструкция и расположение топливных форсунок.
Конструктивные особенности двигателей GDI
Система питания воздухом двигателя GDI
Классическая система непосредственного впрыска топлива конструктивно состоит из следующих элементов:
- Топливный насос высокого давления (ТНВД). Для корректной работы системы (создания тонкого распыливания) бензин в камеру сгорания должен подаваться под высоким давлением (аналогично дизельным моторам) в пределах 5…12 МПа.
- Электрический топливный насос низкого давления. Подает топливо из бензобака к ТНВД под давлением 0,3…0,5 МПа.
- Датчик низкого давления. Фиксирует уровень давления, созданного электрическим насосом.
- Форсунки высокого давления. Осуществляют впрыск топлива в цилиндр. Оснащены вихревыми распылителями, позволяющими создавать требуемую форму топливного факела.
- Поршень. Имеет особую форму с выемкой, которая предназначена для перенаправления горючей смеси к свече зажигания двигателя.
- Впускные каналы. Имеют вертикальную конструкцию, благодаря чему возникает обратный вихрь (закручен в противоположную сторону по сравнению с другими типами двигателей), выполняющий функцию направления смеси к свече зажигания и обеспечивающий лучшее наполнение камеры сгорания воздухом.
- Датчик высокого давления. Располагается в топливной рампе и предназначен для передачи информации в электронный блок управления, который изменяет уровень давления в зависимости от актуальных режимов работы двигателя.
Режимы работы системы прямого впрыска
Схема работы непосредственного впрыска топлива
Как правило, двигатели с непосредственным впрыском имеют три основных режима работы:
- Впрыск в цилиндр на такте сжатия (послойное смесеобразование). Принцип работы в этом режиме заключается в образовании сверхбедной смеси, что позволяет максимально экономить топливо. В начале в камеру цилиндра подается воздух, который закручивается и сжимается. Далее под высоким давлением осуществляется впрыскивание топлива и перенаправление полученной смеси к свече зажигания. Факел получается компактным, поскольку формируется на этапе максимального сжатия. При этом топливо как бы окутано прослойкой воздуха, что уменьшает тепловые потери и предотвращает предварительный износ цилиндров. Режим используется при работе мотора на малых оборотах.
- Впрыск на такте впуска (гомогенное смесеобразование). Состав топлива в этом режиме близок к стехиометрическому. Подача воздуха и бензина в цилиндр происходит одновременно. Факел смеси при таком впрыске имеет коническую форму. Применяется при мощных нагрузках (скоростной езде).
- Двухстадийный впрыск на такте сжатия и впуска. Применяется при резком ускорении машины, движущейся на малой скорости. Двойной впрыск в цилиндр позволяет снизить вероятность детонации, которая может возникнуть в моторе при резкой подаче обогащенной смеси. Вначале (на такте впуска воздуха) подается небольшое количество бензина, что приводит к образованию обедненной смеси и снижению температуры в камере сгорания цилиндра. На такте максимального сжатия подается оставшаяся часть топлива, что делает смесь богатой.
Состав и функции системы подачи топлива
- транспортировка топлива, его фильтрация и создание давления в системе – выполняется механическими и гидравлическими устройствами;
- расчет количества и момента впрыска топлива, а также распределение его по цилиндрам – осуществляется электронными устройствами.
ТНВД – для систем непосредственного впрыска (дизельных двигателей).
Топливные форсунки. Топливная система автомобиля
В состав топливной системы входят следующие элементы:
- Бак – герметичная емкость для хранения топлива.
- Трубопроводы (прямой и обратный) – трубки и гибкие шланги, по которым осуществляется транспортировка топлива.
- Фильтры (грубой и тонкой очистки) – выполняют очистку от механических загрязнений.
- Регулятор давления – необходим для обеспечения заданного уровня давления.
- Насос – как правило, погружной, приводимый в движение электродвигателем.
Назначение и общее устройство топливной системы
Топливная система автомобиля (или система подачи топлива) — система, предназначенная для подачи топлива (бензина или дизельного топлива) из топливного бака в двигатель (точнее – в карбюратор или форсунки). Также эта система обеспечивает хранение топлива и его очистку перед подачей в двигатель.
Независимо от типа, любая топливная система содержит несколько основных компонентов:
– Топливный бак; – Система топливопроводов; – Топливный насос; – Топливный фильтр (или фильтры); – Устройство образования топливно-воздушной смеси или устройства впрыска топлива в цилиндры.
Топливный бак. Это резервуар для хранения топлива. Бак современных автомобилей — это довольно сложная система, которая содержит несколько компонентов: непосредственно резервуар, горловина для заливки топлива, датчик уровня топлива, топливный насос (однако во многих системах насос устанавливается в моторном отсеке) и другие. С баком также сообщается система улавливания паров топлива, которая содержит сепаратор, топливопроводы, адсорбер и несколько клапанов.
Топливопроводы. Это трубки, которые осуществляют подачу топлива от одних компонентов к другим. Подача топлива из бака осуществляется подающим топливопроводом, а возврат излишков топлива из карбюратора, форсунок или ТНВД (в дизельном двигателе) производится через сливные трубопроводы.
Топливный насос. Это устройство, которое подает топливо из бака к двигателю. В системах впрыска топлива насос создает высокое давление. В дизельных моторах два насоса — низкого и высокого давления (подкачивающий насос может быть и в инжекторных двигателях). Сегодня чаще всего применяются электрические насосы, однако в дизелях используются традиционные механические плунжерные ТНВД.
Топливные фильтры. Обычно их два — грубой и тонкой очистки. Фильтр грубой очистки — это просто несколько тонких металлических сеточек, установленных в топливном баке. Фильтр тонкой очистки устроен более сложно, он устанавливается перед карбюратором, рампой или ТНВД. Фильтры обеспечивают очистку топлива от разнообразных загрязнений, пыли и посторонних твердых частиц.
Устройство образования топливно-воздушной смеси — это карбюратор, в который подается бензин и воздух, где они смешиваются и через дроссельную заслонку подаются во впускной коллектор двигателя. В инжекторных и дизельных двигателях воздух подается отдельным дроссельным узлом, а образование горючей смеси происходит непосредственно в цилиндре.
Устройства впрыска топлива. Это форсунки в дизельных и инжекторных бензиновых двигателях. Однако в дизельных моторах (а также и в инжекторах с непосредственным впрыском) форсунки установлены непосредственно в головках цилиндров, а в инжекторных моторах — во впускных коллекторах.
Также в топливную систему современных автомобилей входит блок управления, который осуществляет управление подачей топлива, образованием топливно-воздушной смеси и изменением режимов работы двигателя в зависимости от нагрузки и других условий. Блок управления работает на основе показаний от многочисленных датчиков, установленных в различных узлах двигателя и других систем автомобиля.
На сегодняшний день существует два основных типа топливных систем — бензиновых и дизельных двигателей. О каждой из них нужно рассказать более подробно.
Непосредственный..
“Goliath GP700” стал первым серийным автомобилем, двигатель которого получил впрыск топлива.
ВПРЫСК (его еще иногда называют прямым) отличается от предыдущих типов систем питания тем, что в данном случае форсунки подают топливо прямо в цилиндры (минуя впус¬кной коллектор), как у дизельного двигателя.
В принципе такая схема системы питания не нова. Еще в первой половине прошлого века ее использовали на авиационных двигателях (например на советском истребителе “Ла-7”). На легковых машинах прямой впрыск появился чуть позже – в 50-х годах ХХ века сначала на автомобиле “Goliath GP700”, а затем на знаменитом “Mercedes-Benz 300SL”. Однако через некоторое время автопроизводители практически отказались от применения непосредственного впрыска, он остался лишь на гоночных автомобилях.
Дело в том, что головка блока цилиндров у двигателя с прямым впрыском получалась очень сложной и дорогой в производстве. Кроме того, конструкторам долгое время не удавалось добиться стабильной работы системы. Ведь для эффективного смесеобразования при прямом впрыске необходимо, чтобы топливо хорошо распылялось. То есть подавалось в цилиндры под большим давлением. А для этого требовались специальные насосы, способные его обеспечить.. В итоге на первых порах двигатели с такой системой питания получались дорогими и неэкономичными.
Однако с развитием технологий все эти проблемы удалось решить, и многие автопроизводители вернулись к давно забытой схеме. Первой была компания “Mitsubishi”, в 1996 году установившая двигатель с непосредственным впрыском топлива (фирменное обозначение – GDI) на модель “Galant”, затем подобные решения стали использовать и другие компании. В частности, “Volkswagen” и “Audi” (система FSI), “Peugeot-Citroёn” (HPA), “Alfa Romeo” (JTS) и другие.
Почему же такая система питания вдруг заинтересовала ведущих автопроизводителей? Все очень просто – моторы с прямым впрыском способны работать на очень бедной рабочей смеси (с малым количеством топлива и большим – воздуха), поэтому они отличаются хорошей экономичностью. Вдобавок подача бензина непосредственно в цилиндры позволяет поднять степень сжатия двигателя, а следовательно и его мощность.
Система питания с прямым впрыском может работать в разных режимах. Например, при равномерном движении автомобиля со скоростью 90-120 км/ч электроника подает в цилиндры очень мало топлива. В принципе такую сверхбедную рабочую смесь очень трудно поджечь. Поэтому в моторах с прямым впрыском используются поршни со специальной выемкой. Она направляет основную часть топлива ближе к свече зажигания, где условия для воспламенения смеси лучше.
При движении с высокой скоростью или при резких ускорениях в цилиндры подается значительно больше топлива. Соответственно из-за сильного нагрева частей двигателя возрастает риск возникновения детонации. Чтобы избежать этого, форсунка впрыскивает в цилиндр топливо широким факелом, ко¬торый заполняет весь объем камеры сгорания и охлаждает ее.
Если же водителю требуется резкое ускорение, то форсунка срабатывает два раза. Сначала в начале такта впуска распыляется небольшое количество топлива для охлаждения цилиндра, а затем в конце такта сжатия впрыскивается основной заряд бензина.
Но, несмотря на все свои преимущества, двигатели с непосредственным впрыском пока еще недостаточно распространены. Причина – высокая стоимость и требовательность к качеству топлива. Кроме того, мотор с такой системой питания работает громче обычного и сильнее вибрирует, поэтому конструкторам приходится дополнительно усиливать некоторые детали двигателя и улучшать шумоизоляцию моторного отсека.
устройство автомобиля
Работа при послойном образовании топливной смеси
Из-за особенностей строения коллектора (наличия заслонок, которые закрывают низы) перекрывается доступ к низу. На такте впуска воздух поступает в верхнюю часть цилиндра, после некоторого вращения коленчатого вала на такте сжатия происходит впрыск топлива, который и требует большого давления насоса. Далее полученная смесь сносится при помощи воздушного вихря на свечу. В момент подачи искры бензин уже будет хорошо перемешан с воздухом, что способствует качественному сгоранию. При этом воздушная прослойка создает своеобразную оболочку, которая снижает потери и повышает коэффициент полезного действия, тем самым уменьшая расход топлива.
Следует отметить, что работа при послойном впрыске топлива является наиболее перспективным направлением, так как в этом режиме можно достичь наиболее оптимального сгорания топлива.
Однородное образование топливной смеси
В данном случае происходящие процессы понять еще легче. Топливо и необходимый для сгорания воздух почти одновременно попадают в цилиндр двигателя на такте впуска. Еще до достижения поршнем верхней мертвой точки топливовоздушная смесь находится в смешанном состоянии. Образование высококачественной смеси происходит благодаря высокому давлению впрыска. Система переключается с одного режима работы на другой благодаря анализу поступающих данных. Это в результате и приводит к повышению экономичности двигателя.
Двойной турбонаддув и послойный впрыск
Пожалуй, наиболее яркой и наиболее важной особенностью описываемых моторов, а это моторы бензиновые и только они, является наличие двойной системы турбонаддува. Здесь имеется и обычная турбина, которая вращается при помощи потока отработанных газов, а так же механический компрессор, приводимый в движение механическим же приводом. Благодаря такому тандему, воздух равномерно и в достаточной мере поступает в камеру сгорания не зависимо от оборотов двигателя
Благодаря такому тандему, воздух равномерно и в достаточной мере поступает в камеру сгорания не зависимо от оборотов двигателя.
Для обычных турбомоторов характерным является такой эффект, как турбо яма. Она возникает на низких оборотах двигателя, когда поток выхлопных газов не может достаточно быстро вращать турбину и соответственно турбокомпрессор не закачивает в цилиндры нужное количество воздуха. С этим борются при помощи турбин с изменяемой геометрией лопасти, или как в двигателях Twincharged Stratified Injection при помощи механического компрессора. И такой компрессор показывает себя очень даже неплохо.
Еще одной изюминкой TSI двигателей является система послойного впрыска топлива. Она позволяет более качественно готовить топливную смесь, и достигать более полного ее сгорания. Ну а это, как вы понимаете, повышает эффективность двигателя, его экономичность и экологические показатели. Так например, если мощность обычного турбомотора объемом 1,2 литра будет составлять 90 лошадиных сил, то такой же по объему TSI двигатель выдаст уже более сотни лошадок.
Плюсы и минусы распределенного впрыска топлива
Первое и основное преимущество распределенного впрыска топлива – экономичность. Кроме того, в связи с более полным сгоранием топлива за один цикл автомобили с распределенным впрыском наносят меньше вреда окружающей среде вредными выбросами. При точной дозировке топлива вероятность возникновения неожиданных сбоев в работе при экстремальных режимах (преодоление крутого подъема, например) сведена практически к нулю.
Применение распределенного впрыска продлило жизнь многим популярным автомобилям, которые были бы сняты с производства в связи с низкой топливной экономичностью
Недостаток систем распределенного впрыска в достаточно сложной и всецело зависящей от электроники конструкции. В связи с большим количеством электронных компонентов диагностика и ремонт систем распределенного впрыска возможны только в условиях профессионального сервисного центра.
