Классификация, принцип работы и устройство автомобильных двигателей (Часть 5)

План лекции

1.3.5. Система питания бензинового двигателя. Системы впрыска бензина.

1.3.6. Система питания газовым топливом

1.3.7. Система питания дизеля

1.3.5. Система питания бензинового двигателя. Системы впрыска бензина.

Системы питания бензинового ДВС делятся на две группы: инжекторные и карбюраторные.

Инжекторная система питания существенно улучшает эксплуатационные и мощностные показатели автомобиля (динамика разгона, экологические характеристики, расход топлива) и имеет сравнению с карбюраторной имеют следующие основные преимущества:

– точное дозирование топлива и, как следствие, большая экономичность.

– снижение токсичности выхлопных газов. Достигается за счет оптимизации топливно-воздушной смеси и применения датчиков параметров выхлопных газов

– увеличение мощности двигателя примерно на 7 – 10 %. Происходит за счет улучшения наполнения цилиндров, оптимальной установки угла опережения зажигания, соответствующего рабочему режиму двигателя.

– улучшение динамических свойств автомобиля. Система впрыска незамедлительно реагирует на любые изменения нагрузки, корректируя параметры топливно-воздушной смеси.

– легкость пуска независимо от погодных условий.

В зависимости от количества форсунок и места подачи топлива, системы впрыска подразделяются на три типа: одноточечный или моновпрыск (одна форсунка во впускном коллекторе на все цилиндры), многоточечный или распределенный (у каждого цилиндра своя форсунка, которая подает топливо в коллектор) и непосредственный (топливо подается форсунками непосредственно в цилиндры, как у дизелей).


Рис. 1.29. Одноточечный впрыск	Рис. 1.30. Многоточечный впрыск

Одноточечный впрыск отличается простотой конструкции и меньшей эффективностью. Управляющая электроника позволяет снимать информацию с датчиков и сразу же менять параметры впрыска. Под моновпрыск легко адаптируются карбюраторные двигатели почти без конструктивных переделок или технологических изменений в производстве. У одноточечного впрыска преимущество перед карбюратором состоит в экономии топлива, экологической чистоте и относительной стабильности и надежности параметров. Недостаток ухудшение приемистости. При таком впрыске как и при использовании карбюратора до 30 % бензина оседает на стенках коллектора. Системы одноточечного впрыска, безусловно, являлись шагом вперед по сравнению с карбюраторными системами питания, но уже не удовлетворяют современным требованиям.

Более совершенными являются системы многоточечного (распределенного) впрыска MPI (Multi Point Injection), в которых подача топлива к каждому цилиндру осуществляется индивидуально. Распределенный впрыск мощнее, экономичнее и сложнее. Применение такого впрыска увеличивает мощность двигателя примерно на 7-10 %.

Основные преимущества распределенного впрыска:

– возможность автоматической настройки на разных оборотах и соответственно улучшение наполнения цилиндров, в итоге при той же максимальной мощности автомобиль разгоняется гораздо быстрее;

– бензин впрыскивается вблизи впускного клапана, что существенно снижает потери на оседание во впускном коллекторе и позволяет осуществлять более точную регулировку подачи топлива.

Рассмотрим более подробно устройство и принцип работы электронной системы распределенного впрыска.

В рассматриваемой системе питания (см. рис. 1.31) для каждого цилиндра предусмотрена индивидуальная форсунка. Все форсунки соединяются с топливной рампой, где топливо находится под давлением, которое создает электробензонасос. Количество впрыскиваемого топлива зависит от продолжительности открытия форсунки. Момент открытия регулирует электронный блок управления (контроллер) на основании обрабатываемых им данных от различных датчиков.

Рис. 1.31. Принципиальная схема инжекторной системы питания с распределенным впрыском

Датчик массового расхода воздуха служит для расчета циклового наполнения цилиндров. Измеряется массовый расход воздуха, который потом пересчитывается программой в цилиндровое цикловое наполнение. При аварии датчика его показания игнорируются, расчет идет по аварийным таблицам.

Датчик положения дроссельной заслонки служит для расчета фактора нагрузки на двигатель и его изменения в зависимости от угла открытия дроссельной заслонки, оборотов двигателя и циклового наполнения.

Датчик температуры охлаждающей жидкости служит для определения коррекции топливоподачи и зажигания по температуре и для управления электровентилятором. При аварии датчика его показания игнорируются, температура берется из таблицы в зависимости от времени работы двигателя.

Датчик положения коленвала служит для общей синхронизации системы, расчета оборотов двигателя и положения коленвала в определенные моменты времени. ДПКВ - полярный датчик. При неправильном включении двигатель не запускается. При аварии датчика работа системы невозможна. Это единственный " жизненно важный" в системе датчик, при котором движение автомобиля невозможно.

Датчик кислорода предназначен для определения концентрации кислорода в отработавших газах. Информация, которую выдает датчик, используется электронным блоком управления для корректировки количества подаваемого топлива. Датчик кислорода используется только в системах с каталитическим нейтрализатором под нормы токсичности Евро-2 и выше.

Датчик детонации служит для контроля за детонацией. При обнаружении последней электронный блок управления (ЭБУ) включает алгоритм гашения детонации, оперативно корректируя угол опережения зажигания.

Здесь перечислены только основные датчики, необходимые для работы системы. Комплектации датчиков на различных автомобилях зависят от системы впрыска, от норм токсичности и пр.

По результатам опроса определенных в программе датчиков, программа ЭБУ осуществляет управление исполнительными механизмами, к которым относятся: форсунки, бензонасос, модуль зажигания, регулятор холостого хода, клапан адсорбера системы улавливания паров бензина, вентилятор системы охлаждения и др. Адсорбер является элементом замкнутой цепи рециркуляции паров бензина. Нормами Евро-2 запрещен контакт вентиляции бензобака с атмосферой, пары бензина должны собираться (адсорбироваться) и при продувке посылаться в цилиндры на дожиг. На неработающем двигателе пары бензина попадают в адсорбер из бака и впускного коллектора, где происходит их поглощение. При запуске двигателя адсорбер по команде ЭБУ продувается потоком воздуха, всасываемого двигателем, пары увлекаются этим потоком и дожигаются в камере сгорания.

Непосредственный впрыск как очередное и эффективное средство в деле оптимизации сгорания смеси и повышения КПД бензинового двигателя реализует следующие принципы, а именно: более тщательно распыляет топливо, лучше перемешивает с воздухом и грамотней распоряжается готовой смесью на разных режимах работы двигателя. В итоге двигатели с непосредственным впрыском потребляют меньше топлива, чем обычные «впрысковые» моторы (в особенности при спокойной езде на невысокой скорости); при одинаковом рабочем объеме они обеспечивают более интенсивное ускорение автомобиля; уменьшение токсичности; они гарантируют более высокую литровую мощность за счет большей степени сжатия и эффекта охлаждения воздуха при испарении топлива в цилиндрах. В то же время они нуждаются в качественном бензине с низким содержанием серы и механических примесей, чтобы обеспечить нормальную работу топливной аппаратуры.

Рис. 1.32. Непосредственный впрыск топлива

Первой применила двигатель с непосредственным впрыском на серийном автомобиле компания Mitsubishi. Рассмотрим устройство и принципы действия непосредственного впрыска на примере двигателя GDI (Gasoline Direct Injection). Двигатель GDI может работать в режиме сгорания сверхобедненной топливовоздушной смеси: соотношение воздуха и топлива по массе до 30-40: 1. Максимально возможное для традиционных инжекторных двигателей с распределенным впрыском соотношение равно 20-24: 1 (оптимальный, так называемый стехиометрический, состав - 14, 7: 1) - если избыток воздуха будет больше, переобедненная смесь просто не воспламенится. На двигателе GDI распыленное топливо находится в цилиндре в виде облака, сосредоточенного в районе свечи зажигания. Поэтому, хотя в целом смесь переобедненная, у свечи зажигания она близка к стехиометрическому составу и легко воспламеняется. В то же время, обедненная смесь в остальном объеме имеет намного меньшую склонность к детонации, чем стехиометрическая. Последнее обстоятельство позволяет повысить степень сжатия, а значит увеличить и мощность, и крутящий момент. За счет того, что при впрыскивании и испарении в цилиндр топлива, воздушный заряд охлаждается - несколько улучшается наполнение цилиндров, а также снова снижается вероятность возникновения детонации.

Рис. 1.33. Основные конструктивные отличия GDI от обычного впрыска

Основные конструктивные отличия GDI от обычного впрыска:

Топливный насос высокого давления (ТНВД). Механический насос (подобный ТНВД дизельного двигателя) развивает давление в 50 бар (у инжекторного двигателя электронасос в баке создает в магистрали давление около 3-3, 5 бар).

Форсунки высокого давления с вихревыми распылителями создают форму топливного факела, в соответствии с режимом работы двигателя. На мощностном режиме работы впрыск происходит на режиме впуска и образуется конический топливовоздушный факел. На режиме работы на сверхбедных смесях впрыск происходит в конце такта сжатия и формируется компактный топливовоздушный факел, который вогнутое днище поршня направляет прямо к свече зажигания.

Поршень. В днище особой формы сделана выемка, при помощи которой топливовоздушная смесь направляется в район свечи зажигания.

Впускные каналы. На двигателе GDI применены вертикальные впускные каналы, которые обеспечивают формирование в цилиндре т.н. " обратного вихря", направляя топливовоздушную смесь к свече и улучшая наполнение цилиндров воздухом (у обычного двигателя вихрь в цилиндре закручен в противоположную сторону).

Режимы работы двигателя GDI:

1). Режим сгорания сверхбедной смеси (впрыск топлива на такте сжатия).

2). Мощностной режим (впрыск на такте впуска).

3). Двухстадийный режим (впрыск на тактах впуска и сжатия) (применяется на евромодификациях).

Режим сгорания сверхбедной смеси (впрыск топлива на такте сжатия). Этот режим используется при малых нагрузках: при спокойной городской езде и при движении за городом с постоянной скоростью (до 120 км/ч). Топливо впрыскивается компактным факелом в конце такта сжатия в направлении поршня, отражается от него, смешивается с воздухом и испаряется, направляясь в зону свечи зажигания. В основном объеме камеры сгорания смесь чрезвычайно обеднена, заряд в районе свечи достаточно обогащен, чтобы воспламениться от искры и поджечь остальную смесь. В результате двигатель устойчиво работает даже при общем соотношении воздуха и топлива в цилиндре 40: 1.

Мощностной режим (впрыск на такте впуска). Так называемый " режим однородного смесеобразования" используется при интенсивной городской езде, высокоскоростном загородном движении и обгонах. Топливо впрыскивается на такте впуска коническим факелом, перемешиваясь с воздухом и образуя однородную смесь, как в обычном двигателе с распределенным впрыском. Состав смеси - близок к стехиометрическому (14, 7: 1)

Двухстадийный режим (впрыск на тактах впуска и сжатия). Этот режим позволяет повысить момент двигателя в том случае, когда водитель, двигаясь на малых оборотах, резко нажимает педаль акселератора. Когда двигатель работает на малых оборотах, а в него вдруг подается обогащенная смесь, вероятность детонации возрастает. Поэтому впрыск осуществляется в два этапа. Небольшое количество топлива впрыскивается в цилиндр на такте впуска и охлаждает воздух в цилиндре. При этом цилиндр заполняется сверхбедной смесью (примерно 60: 1), в которой детонационные процессы не происходят. Затем, в конце такта сжатия, подается компактная струя топлива, которая доводит соотношение воздуха и топлива в цилиндре до " богатого" 12: 1.

Компания Mitsubishi стала пионером в применении непосредственного впрыска топлива. На сегодняшний день аналогичную технологию используют Mercedes (CGI), BMW (HPI), Volkswagen (FSI, TFSI, TSI) и Toyota (JIS). Главный принцип работы этих систем питания аналогичен – подача бензина не во впускной тракт, а непосредственно в камеру сгорания и формирование послойного либо однородного смесеобразования в различных режимах работы мотора. Но подобные топливные системы имеют и различия, причем иногда довольно существенные. Основные из них – рабочее давление в топливной системе, расположение форсунок и их конструкция.

1.3.6. Система питания газовым топливом

Для питания автомобильных двигателей используется две разновидности газового топлива - сжиженный нефтяной газ (пропан-бутан) и сжатый природный газ (метан). Пропан (LPG - liquefied petroleum gas) заправляется в баллон под давлением в 15 атмосфер в жидком состоянии. Поэтому его объем измеряют в литрах. Пропан-бутан производят двух марок: летний - с содержанием пропана 50-55% и зимний - с содержанием пропана 90-95%. Метан (CNG - compressed natural gas) закачивается в баллон под давлением в 200 атмосфер в газообразном состоянии. При заправке его объем измеряют в кубометрах.

К основным преимуществам метана по сравнению с пропан-бутаном относятся следующие:

– низкая стоимость газа;

– экологическая чистота;

– меньше затраты на ТО;

– не образует конденсата в редукторе и баллоне, не ухудшает свойства моторного масла;

– безопасность вследствие того, что плотность метана меньше плотности воздуха, и при утечках метан быстро улетучивается, не создавая опасных концентраций. Пропан же, наоборот, скапливается и образует с воздухом взрывоопасную смесь;

– менее «капризен» при низких температурах.

К недостаткам метана относятся:

– высокая стоимость ГБО;

– большой полезный объем, занимаемый ГБО;

– меньший запас хода;

– более заметное падение мощности двигателя. Это объясняется следующими причинами: при сгорании метана нужно больше воздуха, и, при равном объеме цилиндра, количество газовоздушной смеси в нем будет меньше, чем бензино-воздушной; метан имеет более высокое октановое число, и для его воспламенения необходима более высокая степень сжатия; более медленное сгорание, которое частично компенсируется установкой более раннего угла опережения зажигания.

На рис. 1.34 - 1.37 показана аппаратура 4-го поколения, которая устанавливается на автомобили, соответствующие нормам Евро-3 и выше (с двумя датчиками кислорода).

Рис. 1.34. Система ГБО 4-го поколения

Рис. 1.35. Газовые баллоны и мультиклапан

Рис. 1.36. Комплект ГБО 4-го поколения (метан)

Рис. 1.37. Комплект ГБО 4-го поколения (пропан-бутан)

Приведенная ГБО обеспечивает распределенный впрыск газа. Управляет ее работой собственный блок управления, согласованно работающий с контроллером двигателя. Основываясь на сигналах, подаваемых на впрыск бензина, газовый ЭБУ формирует управляющий сигнал на газовые форсунки, а подачу импульсов на бензиновые блокирует. Для коррекции смесеобразования используются дополнительно устанавливаемые датчики: температуры газа, давления газа, температуры редуктора. В случае понижения давления газа до критического ЭБУ переводит работу двигателя на бензин. Мультиклапан выполняет две функции: заправочно-запорного устройства и указателя объема газа.

В состав системы ГБО, работающей на сжиженном газе, входят: электронный одноступенчатый редуктор (понижать давление нет необходимости, так как газ должен впрыскиваться под высоким давлением, и редуктор лишь переводит его из жидкой фазы в паровую), рампа с газовыми форсунками и жиклерами, газовый фильтр.

Оборудование для работы на метане отличается баллоном и редуктором (в этой системе он двухступенчатый). Запуск двигателя производится всегда на бензине. Запуск на газе возможен, но это снижает срок службы диафрагмы редуктора. Переключение с бензина на газ происходит автоматически, после прогрева двигателя до определенной температуры (обычно 20-30 градусов). Когда газ заканчивается, система подает звуковой сигнал и автоматически переключается на бензин.

ГБО четвертого поколения полностью исключает хлопки во впускном тракте, а потому может устанавливаться на автомобили с пластиковыми впускными коллекторами и впускными системами с изменяемой геометрией. После установки ГБО необходимо провести корректировку угла опережения зажигания (особенно для метановых установок). Октановое число газа выше, сгорает он медленнее, поэтому для полного сгорания воспламенять его необходимо раньше. Для коррекции угла установки зажигания используется электронное устройство – вариатор. Для ГБО 4 поколения доступен чип-тюнинг, позволяющий привести расход газа и динамику машины к " бензиновому" уровню, отрегулировать момент переключения с бензина на газ (понизить или повысить температуру переключения).

1.3.7. Система питания дизеля

Важнейшим звеном дизельного двигателя является система топливоподачи, обеспечивающая поступление необходимого количества топлива в нужный момент времени и с заданным давлением в камеру сгорания.

Рис. 1.38. Система питания дизельного двигателя

Механические системы впрыска включают: толивный бак, подкачавающий насос (низкого давления), топливный насос высокого давления (ТНВД), который в требуемой последовательности поочередно нагнетает нужные порции топлива в индивидуальную магистраль гидромеханической форсунки каждого цилиндра. В данном случае форсунки открываются под воздействием высокого давления в топливной магистрали и закрываются при его снижении.

Существует два типа ТНВД: рядные многоплунжерные и распределительного типа. Рядный ТНВД состоит из отдельных расположенных в ряд секций по числу цилиндров дизеля, каждая из которых имеет гильзу и входящий в нее плунжер, который приводится в движение кулачковым валом, получающим вращение от двигателя. Рядные насосы в настоящее время практически не применяются ввиду того, что они не могут обеспечить выполнение современных требований по экологии и шумности. Кроме того, давление впрыска таких насосов зависит от оборотов коленвала.

Распределительные ТНВД создают значительно более высокое давление впрыска топлива, в отличие от рядных, и обеспечивают выполнение действующих нормативов, регламентирующих токсичность выхлопа. Этот механизм поддерживает нужное давление в системе в зависимости от режима работы двигателя. В распределительных ТНВД система нагнетания имеет один плунжер-распределитель, совершающий поступательное движение для нагнетания топлива и вращательное для распределения топлива по форсункам. Эти насосы компактны, отличаются высокой равномерностью подачи топлива по цилиндрам и лучшей работой на высоких оборотах. В то же время они предъявляют очень высокие требования к чистоте и качеству дизтоплива: ведь все их детали смазываются топливом, а зазоры в прецизионных элементах очень малы.

Ужесточение в начале 90-х законодательных экологических требований, предъявляемых к дизелям, потребовало совершенствования системы топливоподачи. Традиционные механические системы впрыска топлива имеют существенный недостаток: давление впрыска зависит от частоты вращения двигателя и нагрузочного режима. Это значит, что при низкой нагрузке давление впрыска падает, в результате топливо при впрыске плохо распыляется, попадая в камеру сгорания слишком крупными каплями, которые оседают на ее внутренних поверхностях. Из-за этого уменьшается КПД и повышается уровень токсичности отработанных газов.

Существенно улучшить экологические показатели дизелей позволяет оптимизация процесса горения топливовоздушной смеси, связанная с её воспламенением в максимально короткое время. Для этого необходима высокая точность дозы, момента и продолжительности впрыскивания. Решение данных задач возможно за счет электронного управления процессом топливоподачи и увеличения давления впрыска топлива. Чем выше давление впрыска, тем лучше качество распыливания топлива и смешивания его с воздухом. В конечном итоге это способствует более полному сгоранию топливовоздушной смеси, а следовательно и уменьшению вредных веществ в отработавших газах.

Для решения перечисленных задач используются два типа систем питания с электронным управлением процессом топливоподачи:

– насос форсунка;

– система Common Rail, в которой ТНВД работает на общую топливную магистраль, из которой топливо поступает на электромагнитные (или пьезоэлектрические) форсунки и впрыскивается по команде электронного блока управления.

Рис. 1.39. Насос-форсунка

Рис. 1.40. Система Common Rail

Насос-форсунка устанавливается в головку блока двигателя для каждого цилиндра, приводится в действие от кулачка распределительного вала с помощью толкателя и может развить давление до 2200 бар. Магистрали подачи и слива топлива выполнены в виде каналов в головке блока. Дозирование топлива и управление углом опережения впрыска обеспечивается электронным блоком управления, который выдает сигналы на запорные электромагнитные или пьезоэлектрические клапаны насос-форсунок. Насос-форсунки могут работать в многоимпульсном режиме (2-4 впрыска за цикл). Это позволяет произвести предварительный впрыск перед основным, подавая в цилиндр сначала небольшую порцию топлива, что смягчает работу двигателя и снижает токсичность выхлопа. Недостаток насос-форсунок – зависимость давления впрыска от оборотов двигателя и высокая стоимость данной технологии.

Система питания Common Rail (англ. Common rail – общая магистраль) используется в дизелях серийных моделей с 1997 года. Common Rail – это метод впрыска топлива в камеру сгорания под высоким давлением, не зависящим от частоты вращения двигателя или нагрузки. Главное отличие системы Common Rail от классической дизельной системы заключается в том, что ТНВД предназначен только для создания высокого давления в топливной магистрали. Он не выполняет функций дозировки цикловой подачи топлива и регулировки момента впрыска. Система Common Rail состоит из резервуара – аккумулятора высокого давления (рампы), топливного насоса, электронного блока управления (ЭБУ) и комплекта форсунок, соединенных с рампой. В рампе блок управления поддерживает, меняя производительность насоса, постоянное давление на уровне 1600-2000 бар при различных режимах работы двигателя и при любой последовательности впрыска по цилиндрам. Открытием-закрытием форсунок управляет ЭБУ, который рассчитывает оптимальный момент и длительность впрыска, на основании данных целого ряда датчиков – положения педали акселератора, давления в топливной рампе, температурного режима двигателя, его нагрузки и т. п. Форсунки могут быть электромагнитными, либо более современными- пьезоэлектрическими. Главные преимущества пьезоэлектрических форсунок - высокая скорость срабатывания и точность дозирования. Форсунки в дизелях c Common rail могут работать в многоимпульсном режиме: в ходе одного цикла топливо впрыскивается несколько раз – от двух до семи. Сначала поступает небольшая, всего около милиграмма, доза, которая при сгорании повышает температуру в камере, затем идет главный «заряд». Для дизеля это очень важно, так как при этом давление в камере сгорания нарастает более плавно, без «резких» скачков. Вследствие этого двигатель работает мягче и менее шумно, снижается количество вредных компонентов в выхлопе. Многократная подача топлива за один такт попутно обеспечивает снижение температуры в камере сгорания, что приводит к уменьшению образования окиси азота – одной из наиболее токсичных составляющих выхлопных газов дизеля. Характеристики двигателя с Common Rail во многом зависят от давления впрыска, которое составляет 2000 - 2500 бар.

Лекция № 6

⇐ Предыдущая 1 2 3 4 567 8 Следующая ⇒