Компоненты системы питания инжекторного двигателя и разновидности конструкций. Инжекторная система

В случае с системой впрыска топлива Ваш двигатель все ещё сосёт, но вместо того, чтобы полагаться только на всасываемое количество топлива, система впрыска топлива стреляет точно правильное количество топлива в камеру сгорания. Системы впрыска топлива прошли уже несколько ступеней эволюции, в них была добавлена электроника - это, пожалуй, было самым большим шагом в развитии этой системы. Но идея таких систем осталась та же: электрически активируемый клапан (инжектор) распыляет отмеренное количество топлива в двигатель. На самом деле основное различие между карбюратором и инжектором именно в электронном управлении ЭБУ - именно бортовой компьютер подаёт точно нужное количество топлива в камеру сгорания двигателя.

Давайте посмотрим, как работает система впрыска топлива и инжектор в частности.

Так выглядит система впрыска топлива

Если сердце автомобиля - это его двигатель, то его мозг - это блок управления двигателем (ЭБУ). Он оптимизирует работу двигателя с помощью датчиков, чтобы решить, как управлять некоторыми приводами в двигателе. Прежде всего, компьютер отвечает за 4 основные задачи:

управляет топливной смесью,
контролирует обороты холостого хода ,
несёт ответственность за угол опережения зажигания,
управляет фазами газораспределения.

Прежде чем мы поговорим о том, как ЭБУ осуществляет свои задачи, давайте о самом главном - проследим путь бензина от бензобака до двигателя - это и есть работа системы впрыска топлива. Первоначально после того, как капля бензина покидает стенки бензобака, она всасывается с помощью электрического топливного насоса в двигатель. Электрический топливный насос, как правило, состоит из непосредственно насоса, а также фильтра и передающего устройства.

Регулятор давления топлива в конце топливной направляющей с вакуумным питанием гарантирует, что давление топлива будет постоянным по отношению к давлению всасывания. Для бензинового двигателя давление топлива, как правило, составляет порядка 2-3,5 атмосферы (200-350 кПа, 35-50 PSI (фунтов на квадратный дюйм)). Топливные форсунки инжектора подключены к двигателю, но их клапаны остаются закрытыми до тех пор, пока ЭБУ не разрешит отправить топливо в цилиндры.

Но что же происходит, когда двигателю требуется топливо? Здесь в работу вступает инжектор . Обычно инжекторы имеют два контакта: один вывод подключен к аккумулятору через реле зажигания, а другой контакт проходит в ЭБУ. ЭБУ посылает пульсирующие сигналы в инжектор. За счёт магнита, на который и подаются такие пульсирующие сигналы, открывается клапан инжектора, и в его сопло подаётся некоторое количество топлива. Поскольку в инжекторе очень высокое давление (значение приведено выше), открывшийся клапан направляет топливо с высокой скоростью в сопло распылителя инжектора. Продолжительность, с которой открыт клапан инжектора, влияет на то, какое количество топлива подаётся в цилиндр, а продолжительность эта, соответственно зависит от ширины импульса (т.е. от того, сколько времени ЭБУ посылает сигнал к инжектору).

Когда клапан открывается, топливная форсунка передаёт топливо через распылительный наконечник, который, распыляя, превращает жидкое топливо в туман, непосредственно в цилиндр. Такая система называется системой с непосредственным впрыском . Но распылённое топливо может подаваться не сразу в цилиндры, а сначала в впускные коллекторы.

Как работает инжектор

Но как ЭБУ определяет, сколько на данный момент топлива нужно подать в двигатель? Когда водитель нажимает педаль акселератора, то на самом деле он открывает дроссельную заслонку на величину нажима педали, через которую в двигатель подаётся воздух. Таким образом, мы с уверенностью можем назвать педаль газа "регулятором подачи воздуха" в двигатель. Так вот, компьютер автомобиля руководствуется в том числе величиной открытия дроссельной заслонки, но не ограничивается этим показателем - он считывает информацию с множества датчиков, и давайте узнаем о них всех!

Датчик массового расхода воздуха

Перво-наперво датчик массового расхода воздуха (MAF) определяет, сколько воздуха входит в корпус дроссельной заслонки и посылает эту информацию в ЭБУ. ЭБУ использует эту информацию, чтобы решить, сколько топлива впрыснуть в цилиндры, чтобы держать смесь в идеальных пропорциях.

Датчик положения дроссельной заслонки

Компьютер постоянно использует этот датчик, чтобы проверить положение дроссельной заслонки и узнать таким образом, сколько воздуха проходит через воздухозаборник для того, чтобы регулировать импульс, отправленный к форсункам, гарантируя, что соответствующее воздуху количество топлива входит в систему.

Кислородный датчик

Кроме того, ЭБУ использует датчик O2, чтобы выяснить, сколько кислорода содержится в выхлопных газах автомобиля. Содержание кислорода в выхлопных газах обеспечивает индикацию того, насколько хорошо топливо сгорает. Используя связанные данные от двух датчиков: кислородного и массового расхода воздуха, ЭБУ также контролирует насыщенность топливо-воздушной смеси, подаваемой в камеру сгорания цилиндров двигателя.

Датчик положения коленвала

Это, пожалуй, главный датчик системы впрыска топлива - именно от него ЭБУ узнаёт о количестве оборотов двигателя в данный момент времени и корректирует количество подаваемого топлива в зависимости от числа оборотов и, конечно же, положения педали газа.

Это три основных датчика, которые прямо и динамически влияют на количество подаваемого в инжектор и в последующем в двигатель топлива. Но есть ещё ряд датчиков:

Датчик напряжения в электрической сети машины - нужен для того, чтобы ЭБУ понимал, насколько разряжен аккумулятор и требуется ли повысить обороты, чтобы зарядить его.
Датчик температуры охлаждающей жидкости - ЭБУ повышает количество оборотов, если двигатель холодный и наоборот, если двигатель прогрелся.

С целью сокращения вредных выбросов и повышения экономичности двигателей автомобильная топливная система в последние годы серьезно изменилась. Например, в США от карбюраторов отказались ещё в 1990 году. Системы впрыска топлива появились ещё в середине ХХ века, а на серийных автомобилях европейских производителей их начали применять примерно с 1980-х.

На сегодняшний день все новые автомобили оснащаются именно инжекторными двигателями. В этой познавательной статье мы рассмотрим принцип работы инжектора и его устройство. Вы сможете узнать, как топливо попадает в цилиндр двигателя. Устройство двигателя с системой впрыска – очень актуальная тема для современного автолюбителя, поэтому устраивайтесь поудобнее и начинаем!

Карбюратор «сдаёт позиции»

После появления двигателя внутреннего сгорания карбюратор использовался для подачи топлива в двигатель. В такой технике как бензопилы и газонокосилки это устройство применяется до сих пор. Но в процессе эволюции автомобиля карбюратору становилось всё сложнее и сложнее удовлетворять многим требованиям к эксплуатации.

Например, для того чтобы соответствовать ужесточающимся экологическим нормам были введены каталитические нейтрализаторы (). Катализатор эффективен лишь в случае тщательного контроля топливно-воздушной смеси. Кислородные датчики (как их проверяют мы уже писали – ) отвечают за контроль количества кислорода в выхлопных газах. Эта информация используется и электронным блоком управления двигателем (ЭБУ) для регулировки пропорции воздух/топливо в режиме реального времени.

В итоге получается замкнутая система управления , которую невозможно было реализовать с использованием карбюраторов. В течение короткого периода времени выпускались карбюраторы с электронным управлением, но они были ещё более сложными, чем чисто механические устройства.

Сначала карбюраторы были заменены системой впрыска топлива в корпусе дроссельной заслонки (также известна как одноточечная система впрыска или система центрального впрыска топлива). В них форсунки были расположены в корпусе дроссельной заслонки. Это было простое решение для замены карбюратора, поэтому автопроизводителям не пришлось вносить изменения в конструкцию двигателей.

Со временем, в процессе появления новых двигателей, система центрального впрыска топлива была заменена многоточечной системой впрыска топлива (также известна как система последовательного впрыска ). В этих системах используется отдельная топливная форсунка для каждого цилиндра. Как правило, они расположены так, чтобы распылять топливо прямо на впускной клапан. Эти системы обеспечивают более точное дозирование топлива и быструю реакцию. Пришло время подробнее изучить принцип работы инжектора.

Когда вы давите на газ

Педаль газа в вашем автомобиле подключена к дроссельной заслонке. Речь идет о клапане, который регулирует количество воздуха, поступающего в двигатель. Так что педаль газа на самом деле является педалью воздуха.

Когда вы нажимаете на педаль газа, дроссельная заслонка открывается больше, в результате чего двигатель получает больше воздуха. Блок управления двигателем (ЭБУ, компьютер, управляющий всеми электронными компонентами двигателя) «замечает» открытую дроссельную заслонку и увеличивает подачу топлива для приготовления оптимальной топливно-воздушной смеси. Очень важно, чтобы подача топлива увеличивалась сразу после открытия дроссельной заслонки. В противном случае, некоторая часть воздуха окажется в цилиндрах без достаточного количества топлива.

Датчики контролируют содержание кислорода в выхлопных газах, а также количество воздуха, поступающего в двигатель. ЭБУ использует эти данные для максимально точного выбора соотношения воздуха и топлива. Как работает инжектор на современных автомобилях?

Форсунка

Топливная форсунка (инжектор) – это клапан с электронным управлением. Подачу топлива к этому клапану обеспечивает топливный насос. Форсунка может открываться/закрываться много раз в секунду.

Когда форсунка находится под напряжением, электромагнит перемещает поршень, открывающий клапан, в результате чего происходит впрыск топлива под давлением через крошечное сопло. Насадка предназначена для распыления топлива. Появляется мелкий туман, который легко сгорает.

Количество топлива, которое подается в двигатель, зависит от того, сколько времени форсунка остается в открытом положении. Данный показатель называют длительностью или шириной импульса, он управляется ЭБУ.

Форсунки установлены во впускном коллекторе таким образом, чтобы распылять топливо прямо на впускные клапана. Трубка, которая поставляет топливо к каждой из форсунок под определенным давлением, называется топливной рампой.

Для того чтобы определить оптимальное количество топлива, блок управления двигателя получает сигналы от множества датчиков. Рассмотрим самые важные из них.

Устройство инжекторного двигателя – основные датчики

Для выбора оптимального количества топлива в различных условиях эксплуатации ЭБУ двигателя следит за показаниями различных датчиков. Вот лишь несколько основных:

Датчик массового расхода воздуха (ДМРВ). Сообщает блоку управления массу воздуха, поступающего в двигатель.
Датчик (-и) кислорода (). Контролирует содержание кислорода в выхлопных газах. С помощью полученной от него информации ЭБУ может выявить богатую или бедную топливную смесь и внести соответствующие коррективы.
Датчик положения дроссельной заслонки. Следит за положением дроссельной заслонки (она влияет на подачу воздуха в двигатель), благодаря чему блок управления может оперативно реагировать на изменения, увеличивая либо сокращая расход топлива по мере необходимости.
Датчик температуры охлаждающей жидкости. Помогает ЭБУ определить, когда двигатель достиг оптимальной рабочей температуры.
Датчик напряжения. Следит за напряжением бортовой сети автомобиля. В зависимости от показаний датчика блок управления может увеличить число оборотов холостого хода двигателя, если напряжение падает (такое бывает при высоких электрических нагрузках).
Коллекторный датчик абсолютного давления. Анализирует давление воздуха во впускном коллекторе. Количество воздуха, поступающего в двигатель, является хорошим показателем того, сколько энергии он вырабатывает. Чем больше воздуха поступает в двигатель, тем ниже давление в коллекторе. Этот показатель используется для определения количества производимой энергии.
Датчик скорости вращения коленчатого вала. Скорость вращения коленвала – один из факторов, влияющих на расчет требуемой длительности импульса.

Существует два основных типа управления многоточечными системами впрыска : топливные форсунки могут открываться одновременно или каждая из них может открываться только перед открытием впускного клапана соответствующего цилиндра (это называется последовательный многоточечный впрыск топлива).

Преимущество последовательного впрыска топлива заключается в том, что система может реагировать на любые действия водителя быстрее, поскольку с момента выполнения действия она ждет лишь очередного открытия впускного клапана. Системе не нужно ждать полного вращения двигателя. Разобраться в работе инжектора мы смогли, но кто всем этим «руководит»?

Управление работой двигателя

Алгоритмы, управляющие двигателем, являются довольно сложными. Существует множество требований, которым силовой агрегат должен удовлетворять. Например, это касается показателя вредных выбросов или требований топливной .

Блок управления двигателем использует формулу и множество таблиц соответствия для установки длительности импульса в определенных условиях эксплуатации. Формула представляет собой сочетание многих факторов, умноженных друг на друга. Мы рассмотрим упрощенную формулу определения длительности импульса топливной форсунки . В этом примере наша формула будет состоять лишь из трех показателей, в то время как в реальности обычно учитывается свыше сотни параметров.

Длительность импульса = (Длительность базового импульса) x (Фактор A) x (Фактор B)

Для расчета длительности импульса электронный блок сначала выполняет поиск длительности базового импульса в соответствующей справочной таблице. Базовая длительность импульса – это функция от частоты вращения двигателя (RPM) и нагрузки (она вычисляется из абсолютного давления в коллекторе). Например, частота вращения двигателя 2000 оборотов в минуту, а показатель нагрузки равен 4. В таблице необходимо найти число в месте пересечения показателей 2000 и 4. Получается 8 миллисекунд.

Частота вращения двигателя
Частота вращения двигателя	1	2	3	4	5
1,000	1	2	3	4	5
2,000	2	4	6	8	10
3,000	3	6	9	12	15
4,000	4	8	12	16	20

В следующих примерах А и В представляют собой параметры, которые блок управления получает от датчиков. Допустим, что А – это температура охлаждающей жидкости, а B – уровень содержания кислорода. Если температура охлаждающей жидкости равна 100, а уровень кислорода – 3, справочные таблицы свидетельствуют о том, что фактор А = 0,8, а фактор B = 1,0.

A	Фактор A	B	Фактор B
0	1.2	0	1.0
25	1.1	1	1.0
50	1.0	2	1.0
75	0.9	3	1.0
100	0.8	4	0.75

Таким образом, поскольку нам известно, что длительность базового импульса – это функция от нагрузки и частоты вращения двигателя, а длительность импульса = (длительность базового импульса) x (фактор A) x (фактор B) , общая длительность импульса в нашем примере равна:

8 х 0,8 х 1,0 = 6,4 мс

На этом примере видно, как система управления выполняет настройку. Так как параметр В отображает содержание кислорода в выхлопных газах, согласно данным с таблицы, можно сделать вывод, что выхлопные газы содержат слишком много кислорода, в результате чего ЭБУ сокращает подачу топлива.

Реальные системы управления учитывают свыше 100 параметров, для каждого из которых составлена собственная таблица соответствия. Некоторые параметры даже корректируются с течением времени с целью компенсации изменений производительности компонентов, к примеру, каталитического нейтрализатора (о проверке катализатора читайте ). И в зависимости от количества оборотов двигателя, блок управления может выполнять эти расчеты более 100 раз в секунду.

Если наша статья о том, как работает инжектор, и какие существуют системы впрыска топлива, вам понравилась, поделитесь ссылкой с друзьями в социальных сетях, используя соответствующие кнопочки ниже. Спасибо за внимание, оставайтесь с нами!

Внедрение в автомобилестроение началось со второй половины ХХ-в и применили инжектор на а/м Goliath GP700 Sport в 1951г. Массовое применение инжекторной системы началось в автомобилестроении в 80-х гг.

Компьютеризация и внедрение в автомобилестроение электронных систем не прошло не замеченным и для инжектора. В настоящее время ни один современный завод не выпускает инжекторные двигатели без электронной системы называемой электронным блоком управления (ЭБУ), электронная система управления двигателем (ЭСУД) или контроллер, все они являются одним прибором, в простонародии их называют «мозгами». Исходя из выше сказанного, инжектор можно характеризовать так - это система подачи топлива, управляемая мозгами, которые, на основании полученных данных от информационных приборов (датчиков), корректируют дозу, момент и частоту впрыска. Из этого определения следует, что ЭБУ это одна из главных составляющих инжектора. Ниже мы рассмотрим системы управляемые контроллером и датчики, от которых приходят данные.
В чем же преимущества инжекторной системы перед карбюратором:

уменьшение расхода топлива (внедрение требований к выбросу углеводорода) что в основном побудило автопроизводителей;
повышение мощности при равных объемах ДВС (приблизительно на 10%);
автоматическая регулировка системы впрыска. Если кто помнит в карбюраторе эту функцию выполнял подсос, регулировочные винты и т.д.

Какие же классификации инжекторной системы бывают:

1. Моновпрыск (центральный впрыск, или одноточечный впрыск) - где одна форсунка осуществляет подачу во впускной тракт (коллектор) на все цилиндры, находящийся на месте карбюратора. В простонародности называют «электронный карбюратор». Сейчас его встретишь только на довольно старых машинах.
2. Распределённый впрыск (многоточечный впрыск) т. е. устанавливается отдельная форсунка во впускном тракте каждого цилиндра или непосредственно осуществляет подачу топлива в камеру сгорания.

В свою очередь распределенный впрыск делится на:
1) Одновременный. За один оборот коленчатого вала все форсунки отрабатывают одновременно. Данная система впрыска встречается редко.
2) Попарно-параллельный. За один оборот коленчатого вала, форсунки отрабатывают парами, т. е. каждая пара срабатывает один раз за оборот. Как и предыдущая классификация система впрыска редко встречается, но может быть вызвана, на системе с последовательным впрыском, неисправным датчиком.
3) Фазированный или последовательный. За один рабочий цикл каждая форсунка открывается один раз непосредственно перед тактом впуска и регулируется отдельно. На данный момент этот тип выпускают практически все авто производители и он является самым массовым. Отличие непосредственного впрыска топлива от выше перечисленных заключается в том, что впрыск происходит непосредственно в цилиндр, где имеется возможность управлять фазой и длительностью впрыска. Давление форсунок данной системы может достигать 200 атмосфер.
Минусами данной системы являются:

высокая стоимость ремонта;
высокая стоимость узлов;
низкая ремонтопригодность элементов;

В отличие от предшественников, данный тип впрыска приводит к закоксовыванию впускного(-ых) клапана(-ов), по причине не омывания топливом, который(-ые) в свою очередь очищались им.
Схема работы инжектора состоит в подаче данных на контроллер от датчиков (основные):

Датчик коленчатого вала (ДКВ), сообщает контроллеру о частоте, положении и направлении;
Датчик массового расхода воздуха (ДМРВ, волюметр), предназначен для оценки количества всасываемого воздуха и определение его температуры;
Датчик температуры охлаждающей жидкости (ДТОЖ), служит для управлением фазой впрыска и зажигания;
Датчик положения дроссельной заслонки (ДПДЗ), предназначен для определения нагрузки на двигатель в зависимости от открытия ДЗ, наполнения цилиндров и оборотов;
Датчик кислорода в отработавших газах (лямбда-зонд), предназначен для определения в системе выхлопных газов не сгоревшего углеводорода и в связи с этим изменяется время впрыска и происходит корректировка зажигания;
Датчик детонации (ДД), предназначен для определения детонации;
Датчик распределительного вала (ДРВ) или Датчик Фазы (ДФ), служит для точного синхронного впрыска. При аварийном режиме двигателя или отсутствие такого датчика, система переходит на попарно - параллельную (групповую) подачу топлива;
Датчик температуры всасываемого воздуха, может быть установлен отдельно, или сразу встроен в ДМРВ.

На основе полученных данных с информационных датчиков, ЭБУ управляет следующими системами (основные):

форсунками - предназначены для впрыска топлива;
электро бензонасосом - служит для образования давления в системе подачи топлива;
модулем зажигания (МЗ) - предназначен для искрообразования на свече. В последнее время на каждую свечку идет свой МЗ;
регулятором холостого хода (РХХ или ХХ) предназначен для поддержании заданных оборотов ХХ;
вентилятором системы охлаждения двигателя, управляется по сигналам ДТОЖ.

Недостатками инжекторной системы является: низкая ремонтопригодность;

требовательность к топливу;
необходимость специального оборудования для определения неисправности;
высокая стоимость элементов (не для каждого типа инжектора).
точно определить неисправность и диагностировать инжекторный двигатель может только специалист.

Основной проблемой инжекторных двигателей является выход из строя датчиков, которая решается заменой. На примере датчика массового расхода воздуха (ДМРВ), признаки неисправности:
сигнальная лампа о неисправности двигателя;
слабая динамика; плавающие обороты двигателя на холостом ходу;
невозможность завести горячий двигатель.
Проверить исправность (ДМРВ) можно несколькими способами:
Диагностическим оборудованием;
Отключение (ДМРВ). В этом случае система управления двигателем начинает работать в аварийном режиме;
Замена на заведомо исправный;
Визуальный осмотр.

Переход с карбюраторной системы подачи топлива на инжекторную получился более чем удачным, хоть и имеются у этой системы недостатки. Если стоит выбор между инжектором и карбюратором, однозначно отвечу, выбирайте первое. Если выбирать между последовательный и непосредственным то я лично выбираю последовательный впрыск, по причине меньших проблем.

В конце 60х-начале 70х годов ХХ века остро встала проблема загрязнения окружающей среды промышленными отходами, среди которых значительную часть составляли выхлопные газы автомобилей. До этого времени состав продуктов сгорания двигателей внутреннего сгорания никого не интересовал. В целях максимального использования воздуха в процессе сгорания и достижения максимально возможной мощности двигателя состав смеси регулировался с таким расчетом, чтобы в ней был избыток бензина.

В результате в продуктах сгорания совершенно отсутствовал кислород, однако оставалось несгоревшее топливо, а вредные для здоровья вещества образуются главным образом при неполном сгорании. В стремлении повышать мощность конструкторы устанавливали на карбюраторы ускорительные насосы, впрыскивающие топливо во впускной коллектор при каждом резком нажатии на педаль акселератора, т.е. когда требуется резкий разгон автомобиля. В цилиндры при этом попадает чрезмерное количество топлива, не соответствующее количеству воздуха.

В условиях городского движения ускорительный насос срабатывает практически на всех перекрестках со светофорами, где автомобили должны то останавливаться, то быстро трогаться с места. Неполное сгорание имеет место также при работе двигателя на холостых оборотах, а особенно при торможении двигателем. При закрытом дросселе воздух проходит через каналы холостого хода карбюратора с большой скоростью, всасывая слишком много топлива.

Из-за значительного разрежения во впускном трубопроводе в цилиндры засасывается мало воздуха, давление в камере сгорания остается к концу такта сжатия сравнительно низким, процесс сгорания чрезмерно богатой смеси проходит медленно, и в выхлопных газах остается много несгоревшего топлива. Описанные режимы работы двигателя резко повышают содержание токсических соединения в продуктах сгорания.

Стало очевидно, что для понижения вредных для жизнедеятельности человека выбросов в атмосферу надо кардинально менять подход к конструированию топливной аппаратуры.

Для снижения вредных выбросов в систему выпуска было предложено устанавливать каталитический нейтрализатор отработавших газов. Но катализатор эффективно работает только при сжигании в двигателе так называемой нормальной топливо-воздушной смеси (весовое соотношение воздух/бензин 14,7:1). Любое отклонение состава смеси от указанного приводило к падению эффективности его работы и ускоренному выходу из строя. Для стабильного поддержания такого соотношения рабочей смеси карбюраторные системы уже не подходили. Альтернативой могли стать только системы впрыска.

Первые системы были чисто механическими с незначительным использованием электронных компонентов. Но практика использования этих систем показала, что параметры смеси, на стабильность которых рассчитывали разработчики, изменяются по мере эксплуатации автомобиля. Этот результат вполне закономерен, учитывая износ и загрязнение элементов системы и самого двигателя внутреннего сгорания в процессе его службы. Встал вопрос о системе, которая смогла бы сама себя корректировать в процессе работы, гибко сдвигая условия приготовления рабочей смеси в зависимости от внешних условий.

Выход был найден следующий. В систему впрыска ввели обратную связь — в выпускную систему, непосредственно перед катализатором, поставили датчик содержания кислорода в выхлопных газах, так называемый лямбда-зонд. Данная система разрабатывалась уже с учетом наличия такого основополагающего для всех последующих систем элемента, как электронный блок управления (ЭБУ). По сигналам датчика кислорода ЭБУ корректирует подачу топлива в двигатель, точно выдерживая нужный состав смеси.

На сегодняшний день инжекторный (или, говоря по-русски, впрысковый) двигатель практически полностью заменил устаревшую
карбюраторную систему. Инжекторный двигатель существенно улучшает эксплуатационные и мощностные показатели автомобиля
(динамика разгона, экологические характеристики, расход топлива).

Инжекторные системы подачи топлива имеют перед карбюраторными следующие основные преимущества:

точное дозирование топлива и, следовательно, более экономный его расход.
снижение токсичности выхлопных газов. Достигается за счет оптимальности 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.

Устройство и принцип работы (на примере электронной системы распределенного впрыска)

В современных впрысковых двигателях 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.

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 заводится не будет. При аварии датчика работа системы невозможна. Это единственный «жизненно важный» в системе датчик, при котором движение автомобиля невозможно. Аварии всех остальных датчиков позволяют своим ходом добраться до автосервиса.

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 Евро-3 (в Евро-3 используется два датчика кислорода- до катализатора и после него).

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

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

Про 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. (все опять же зависит от конкретной модели)

Из всего перечесленного, возможно, не все знают, что такое адсорбер. 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.

Типы систем впрыска топлива

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).

Одноточечный впрыск проще, он менее начинен управляющей электроникой, но и менее эффективен. Управляющая электроника позволяет снимать информацию с датчиков и сразу же менять параметры впрыска. Немаловажно и то, что 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. А вот в приёмистости двигателя одноточечный впрыск проигрывает. Еще один недостаток: при использовании одноточечного впрыска, 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 впрыска , 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 процентов. 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.

Как очередное и эффективное средство в деле оптимизации сгорания смеси и повышения КПД бензинового двигателя реализует простые
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; у них чище выхлоп; 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.

А как раз главное несоответствие между ГОСТами, ныне действующими в России и Украине, и евростандартами- повышенное содержание серы, ароматических углеводородов и бензола. Например, российско-украинский стандарт допускает наличие 500 мг серы в 1 кг топлива, тогда как «Евро-3»- 150 мг, «Евро-4»- лишь 50 мг, а «Евро-5»- всего 10 мг. Сера и вода способны активизировать коррозионные процессы на поверхности деталей, а мусор является источником абразивного износа калиброванных отверстий форсунок и плунжерных пар насосов. В результате износа снижается рабочее давление насоса и ухудшается качество распыления бензина. Все это отражается на характеристиках двигателей и равномерности их работы.

Первой применила двигатель с непосредственным впрыском на серийном автомобиле компания Mitsubishi. Поэтому 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 (стоит напомнить, что 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.

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 топливо-воздушная 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

Всего предусмотрено три режима работы двигателя:

Режим сгорания сверхбедной смеси (впрыск топлива на такте сжатия).
Мощностной режим (впрыск на такте впуска).
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. Хотя 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.

Работа двигателя на сильнообедненной смеси поставила новую проблему — нейтрализацию отработавших газов. Дело в том, что при этом режиме основную их долю составляют оксиды азота, и поэтому обычный каталитический нейтрализатор становится малоэффективным. Для решения этой задачи была применена рециркуляция отработавших газов (EGR-Exhaust Gas Recirculation), которая резко снижает количество образующихся оксидов азота и установлен дополнительный NO-катализатор.

Система EGR «разбавляя» топливо-воздушную смесь отработавшими газами, снижает температуру горения в камере сгорания, тем самым «приглушая» активное образование вредных оксидов, в том числе NOx. Однако обеспечить полную и стабильную нейтрализацию NOx только за счет EGR невозможно, так как при увеличении нагрузки на двигатель количество перепускаемых ОГ должно быть уменьшено. Поэтому на двигатель с непосредственным впрыском был внедрен NO-катализатор.

Существует две разновидности катализаторов для уменьшения выбросов NOx — селективные (Selective Reduction Type) и
накопительного типа (NOx Trap Type). Катализаторы накопительного типа более эффективны, но чрезвычайно чувствительны к высокосернистым топливам, чему менее подвержены селективные. В соответствии с этим, накопительные катализаторы устнавливаются на модели для стран с низким содержанием серы в бензине, и селективные — для остальных.

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.

Почему этот режим введен только для автомобилей для европейского рынка? Да потому что для Японии присущи невысокие скорости движения и постоянные пробки, а Европа- это протяженные автобаны и высокие скорости (а следовательно, высокие нагрузки на двигатель).

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.

Инжекторный двигатель – это довольно сложный механизм, работа которого должна быть хорошо отлажена, чтобы получить от него максимальную производительность. В статье подробно рассмотрен принцип работы инжекторного двигателя.

Центром всей системы является ЭБУ (электронный блок управления). Он носит много названий, «мозги», «компьютер» и так далее. По сути да, это компьютер, в который заложено огромное количество таблиц по составу смеси, времени впрыска топлива и прочего. Например, если обороты двигателя равны 1500, дроссельная заслонка открыта на 10 градусов, а расход воздуха составляет 23 кг, то в цилиндр будет поступать одно количество топлива. Если же вводные параметры изменяются, то и результат будет другим. Если с блоком управления возникают какие-то проблемы, например, слетает прошивка, то все идет прахом, двигатель либо начинает как попало работать, либо и вовсе перестает.

Датчики инжекторного двигателя

Все элементы можно поделить на исполнительные и датчики. Для начала мы рассмотрим датчики.

Датчик массового расхода воздуха (ДМРВ)

Этот элемент устанавливается перед воздушным фильтром, прямо на входе. В основе его работы лежит принцип разницы показаний. Так, через две платиновые нити проходит электричество. В зависимости от температуры их сопротивление меняется. Одна из нитей надежно укрыта от потока воздуха, что делает ее сопротивление неизменным. Вторая же охлаждается потоком, и на основании разницы величин, по тем же таблицам, о которых сказано выше, ЭБУ рассчитывает количество воздуха.

Датчик абсолютного давлении и температуры двигателя (ДАД)

Он используется либо в качестве альтернативы, либо вместе с вышеописанным для более высокой точности снятия показаний. Если вкратце, в нем имеется две камеры, одна из которых герметична и имеет внутри абсолютный вакуум. Вторая же камера подсоединяется к впускному коллектору, где создается разрежение во время такта впуска. Между этими камерами имеется диафрагма, а так же пьезоэлементы. Они вырабатывают напряжение при движении диафрагмы. Далее сигнал идет на ЭБУ.

Датчик положения коленчатого вала (ДПКВ)

Если посмотреть на шкив коленвала инжекторного двигателя, то можно рассмотреть на нем гребенку. Она магнитная. По всему периметру установлены зубцы. Всего их должно быть 60 штук, через каждые 6 градусов. Но двух из них нет, они нужны для синхронизации. Датчик положение коленчатого вала имеет в своем составе намагниченный стальной сердечный, а так же медную обмотку. При прохождении зубцов в обмотке возникает индукционный ток, напряжение которого зависит от скорости вращения шкива.

Датчик фаз (ДФ)

Не все двигатели им оснащались раньше, но сейчас его можно встретить практически везде. Он работает по принципу датчика Холла, то есть имеет диск с катушкой, а так же прорезь. Как только прорезь попадает на датчик, выходное напряжение на нем нулевое. Этот момент означает верхнюю мертвую точку такта сжатия первого цилиндра. Нужно это для того, чтобы ЭБУ мог генерировать напряжение для зажигания в нужном цилиндре, а так же контролировать такты. Чтобы, например, форсунка не открылась во время рабочего хода.

Датчик детонации

Он устанавливается на блоке цилиндров инжекторного двигателя. Как только в двигателе возникает детонация, по блоку передается вибрация. Датчик представляет собой пьезоэлемент, который генерирует напряжение, чем сильнее вибрации, тем выше напряжение. Соответственно, ЭБУ на основании его показаний корректирует момент зажигания. Но об этом позже.

Датчик положения дроссельной заслонки (ДПДЗ)

По сути своей, это обычный потенциометр. Опорное напряжение на нем, как правило, составляет 5 вольт. Так вот, в зависимости от того, на какой угол отклоняется дроссельная заслонка, меняется напряжение на контрольном выводе. Все просто.

Датчик температуры охлаждающей жидкости (ДТОЖ)

Этот датчик нужен для определения температуры двигателя. Если на карбюраторном двигателе он нужен просто для включения и выключения электровентилятора, то здесь он представляет собой более сложное устройство. Это термосопротивление, величина которого меняется в зависимости от температуры. Соответственно, меняется и напряжение, при прохождении через него.

Датчик кислорода

Он устанавливается в выхлопной системе, существуют системы с двумя датчиками. Его задача – отслеживать количество свободного кислорода в выхлопных газах. Например, если его слишком много, то это значит, что смесь вся не сгорает, а значит, надо обогатить. Если же кислорода меньше, чем значится в нормативных таблицах ЭБУ, то ее надо обеднить.

Исполнительные элементы

Исполнительные элементы получили свое название за то, что именно они вносят коррективы в работу двигателя. ТО есть, блок управления получает сигнал от датчика, анализирует его, после чего отправляет сигнал на исполнительный элемент.

Топливный насос

Начнем с системы питания. Он установлен в баке и подает топливо в топливную рампу под давлением 3,2 – 3,5 Мпа. Это позволяет гарантировать качественный распыл топлива в цилиндры. Как только повышаются обороты двигателя, повышается и аппетит, а значит в рампу надо подавать большее количество топлива для сохранения давления. Насос начинает вращаться быстрее по команде блока управления. Большинство современных автомобилей, начиная примерно с 2013 года выпуска, оснащаются топливным модулем, который включает в себя насос и встроенный фильтр. Это существенно сказывается на стоимости замены фильтра, потому что менять надо весь модуль. Некоторые производители в инструкциях пишут, что модуль устанавливается на весь срок службы авто, однако не стоит верить, что какой-то фильтр способен проходить больше 2 сезонов.

Форсунка

После того, как топливо прошло всю цепь провода, оно попадает в форсунку, которая дозирует его подачу в цилиндр. Форсунка представляет собой электромагнитный клапан очень маленького диаметра, который обеспечивает распыл бензина в камеру сгорания. ЭБУ изменяет количество топлива, которое подается, при помощи временных промежутков, пока открыта форсунка. Как правило, это десятые доли секунды.

Дроссельная заслонка

Все мы когда-то видели карбюратор, заглядывали в него сверху. Так вот в нем имелись заслонки, которые перекрывали воздух. Здесь принцип тот же. Пожалуй, и рассказать больше нечего.

Регулятор холостого хода (РХХ)

Это тоже электромагнитный клапан, шток которого закрывает воздуховод, проходящий в обход дроссельной заслонки. В зависимости от напряжения, которое на него подает блок управления, он открывает этот самый канал.

Модуль зажигания

В принципе, это та же катушка зажигания, только их здесь четыре. При прохождении тока через первичную обмотку во вторичной коммутируется высокочастотный ток высокого напряжения, который подается на свечу.

Принцип работы инжекторного двигателя

Итак, после того, как мы разобрались в основных узлах инжекторного двигателя, посмотрим, как же он работает. После того как стартер провернул коленчатый вал, ДПКВ сообщил блоку управления, какой цилиндр в каком положении находится. В свою очередь, датчик фаз сообщил о тактах. Блок управления принял эту информацию к сведению и открыл форсунку в том цилиндре, в котором начинается такт впуска. Но открыл ее не просто так, а на строго определенный промежуток времени, который по таблицам соответствует показаниям ДМРВ или ДАД. Так сформировалась рабочая смесь.

Видео: как работает бензиновый инжекторный двигатель внутреннего сгорания

После того как здесь такт впуска закончился, начинается сжатие, в это время впуск происходит в другом цилиндре. Здесь же поршень доходит до верхней мертвой точки, о чем говорит ДПКВ и ДФ, соответственно, пора подавать напряжение на модуль зажигания, в нужный цилиндр. Для этого в блоке управления стоит два транзистора, которые берут на себя по два цилиндра.

Дальше, когда взрыв произошел, ЭБУ смотрит на показания датчик детонации и корректирует момент зажигания уже для следующего по ходу цилиндра. Но это еще не все. После этого, когда газы дошли до датчика кислорода, блок управления корректирует состав смеси, а именно, время открывания форсунки, что позволяет максимально эффективно использовать топливо и его сгорание. Если ЭБУ распознает недостаток кислорода, но при этом дроссельная заслонка остается открытой, то приоткрывается регулятор холостого хода.

Прогрев двигателя и датчик температуры двигателя

Этот момент стоит рассмотреть отдельно, скажем так, это небольшое уточнение. Итак, прогревочный режим двигателя никак не связан с показаниями некоторых датчиков, то есть, от них ничего не зависит. В частности, это ДМРВ и ДАД, а так же датчик детонации. В блоке, как уже говорилось, заложены определенные таблицы, их очень много, миллионы. Так вот, во время прогревочного режима ЭБУ работает строго по этим таблицам и никак иначе. Это значит, что если в него прописано соотношение воздуха к топливу 14,1:1, то так оно и будет. Эта цифра является общепринятой нормой для рабочей температуры. Так вот, пока температура двигателя не достигнет той, которая прописана в прошивке блока управления, то прогревочный режим не отключится. После ЭБУ начинает работать по датчикам.

Что лучше, инжекторный или карбюраторный двигатель?

Этот вопрос достаточно спорный, у каждой точки зрения есть много противников и приверженцев как среди простых водителей, так и среди специалистов, которые полностью понимают принцип работы инжекторного двигателя. Итак, карбюраторный двигатель отличает простота и прозрачность работы. То есть, если механик отрегулировал холостые обороты, то они такими и остались.

Что касается инжекторного двигателя, то ту все дело сводится к своевременному обслуживанию, а так же к качеству применяемых деталей.