Идее
впрыска почти столько же лет, сколько и самому автомобилю. Но лишь в последние годы эта система топливоподачи прочно заняла место под капотом едва ли не большинства автомобилей. Открывая рекламные проспекты или каталоги современных автомобилей, мы сталкиваемся с коротким обозначением системы топливоподачи - "
впрыск". Этот термин охватывает различные варианты
впрыскивания бензина для автомобильных двигателей в основном двух типов: с центральным (одноточечным) и распределенным (многоточечным)
впрыском.
Системы распределенного
впрыскивания бензина для опытных двигателей делались еще в прошлом веке. В частности, в 1894 г. была создана система
впрыскивания на впускной клапан. Однако из-за сложности производства и эксплуатации в серийных двигателях на многие десятки лет закрепился приоритет карбюраторных систем питания. Для автомобилей серийного производства
впрыск начал применяться на форсированных двигателях в начале 60-х годов. Хотя в то время уже были разработаны системы
впрыска с электромагнитными форсунками, на этих моторах использовался механический
впрыск под высоким давлением аналогично дизельной аппаратуре. Существенное удорожание двигателя, сложность обслуживания топливной аппаратуры с относительно невысоким ресурсом и, самое главное, трудность стабилизации состава смеси на различных рабочих режимах свели на нет преимущества систем механического
впрыскивания, и их производство практически прекратилось. Новый виток развития систем
впрыскивания связан с повышением требований к динамическим и экономическим показателям автомобилей и введением жестких норм на выброс токсичных веществ с отработавшими газами. Кроме того, широкое развитие электронной промышленности позволило создать надежные и относительно недорогие системы управления двигателем, обеспечивающие автоматическое регулирование состава смеси и угла опережения зажигания на любых эксплуатационных режимах, независимо от климатических условий. В частности, уже не нужно было думать об управлении двигателем во время пуска и прогрева, регулировать систему холостого хода, изменять угол опережения зажигания при заправке низкооктановым топливом. Важно также, что заданные параметры состава смеси и углов опережения зажигания сохранялись во время всего срока эксплуатации.
Существуют три основных способа подачи топлива: непрерывное
впрыскивание, циклическая подача топлива, фазированное циклическое
впрыскивание. Непрерывное
впрыскивание осуществляется во впускную систему одновременно во все цилиндры. Количество подаваемого топлива может регулироваться изменением давления
впрыскиваемого горючего или ходом иглы форсунки. Циклическое
впрыскивание во впускную систему обычно происходит одновременно во все цилиндры (групповое
впрыскивание) или одновременно в два цилиндра (парафазное
впрыскивание). Регулирование количества подаваемого топлива осуществляется изменением времени открытия клапана электромагнитной форсунки.
Фазированное
впрыскивание может производиться непосредственно в цилиндр (по ходу впуска), в дополнительную камеру (вихревую, форкамеру), во впускную систему. Регулирование топливоотдачи при циклическом
впрыскивании осуществляется также изменением времени открытия клапана форсунки. При
впрыскивании топлива во впускную систему подача горючего обычно начинается в момент закрытия впускного клапана (для увеличения времени на испарение топлива и улучшения смесеобразования) или во время такта впуска (для увеличения наполнения и улучшения динамических качеств автомобиля). Существуют системы, где фазы
впрыскивания изменяются в зависимости от режима работы двигателя. Для определения расхода воздуха в двигателях серийного и массового производства используются следующие типы устройств: - система замера по сигналам датчиков абсолютного давления и температуры воздуха во впускном трубопроводе с коррекцией по другим параметрам; - датчик расхода воздуха с подвижными элементами в воздушном канале, например, с качающейся заслонкой (система L-Jetronic) или с подвижным клапаном в диффузоре переменного сечения (система K-Jetronic); - датчик массового расхода воздуха с использованием термоанемометра (LН-Jetronic); - система, определяющая среднюю условную скорость воздушного потока (датчик Кармана, трассирующие присадки). Для управления топливоподачей и зажиганием используются системы с механическим или электронным управлением и комбинированные системы. Большинство современных двигателей с
впрыском бензина используют системы электронного управления топливоподачей и зажиганием, объединенные в одном блоке.
Часть автомобилей еще выпускается с раздельными системами - электронным блоком управления топливоподачей и контактной или бесконтактной системой зажигания. Соответственно используются датчики индуктивные или оптикоэлектрические для электронных систем управления топливоподачей и зажиганием. Для современных бензиновых двигателей преимущественно используют системы
впрыскивания во впускной канал, на клапан (рис.1а) или на перемычку между клапанами с цикловой или фазированной подачей топлива электромагнитными форсунками при постоянном перепаде давления между топливопроводом и впускным трубопроводом. Преимущества и недостатки различных систем
впрыскивания бензина
В большинстве ведущих стран, где применение трехкомпонентных каталитических нейтрализаторов является обязательным, системы
впрыскивания бензина почти полностью вытеснили карбюраторные. Сравним две из них - системы центрального и распределенного
впрыскивания. Система центрального
впрыскивания (рис.2) при относительно небольшом усложнении по сравнению с карбюраторной ненамного улучшает экономические и экологические показатели и ездовые качества. Переход с карбюраторной системы на центральное
впрыскивание не требует серьезных изменений конструкции двигателя и перестройки производства. Впускной трубопровод,
как правило, не изменяется. Давление
впрыска увеличивается на небольшую величину, сохраняется возможность использовать различные устройства для улучшения смесеобразования (подогрев смеси, ультразвуковое распыливание), системы с обратной связью от кислородного датчика для поддержания заданного соотношения расхода воздуха к расходу топлива, равного 14,7 (стехиометрический состав смеси), чтобы выброс оксидов азота был минимален. Кроме того,
можно обеспечить оптимальный состав смеси на основных эксплуатационных режимах, исключить влияние приливно-отливных явлений в поплавковой камере карбюратора при разгоне, крутых поворотах, движении на подъем. Однако и двигатели с центральным
впрыском не избавлены от большинства недостатков, присущих карбюраторным системам питания: неравномерное распределение смеси по цилиндрам (по составу) и наличие топливной пленки на стенках впускного трубопровода. Вследствие этого динамические и экономические показатели улучшаются не намного. Поэтому автомобили, предназначенные для эксплуатации в странах с жесткими требованиями к токсичности отработавших газов, оборудуются преимущественно системами распределенного фазированного
впрыскивания бензина.
Впрыскивание топлива в цилиндр может осуществляться во время хода впуска для создания гомогенной смеси в заряде. Этот способ использовался преимущественно в авиационных двигателях и автомобильных форсированных двигателях (Mersedes M 196, 300SL).
Впрыскивание в цилиндр может производиться и с целью послойного распределения топливного заряда в камере сгорания, обеспечивающего возможность сжигания переобедненных смесей. Примером могут служить циклы TCCS-Texaco, Proco, Mitsubishi и др. Двигатели Mitsubishi и Toyota с
впрыском в цилиндр освоены в серийном производстве.
Основной проблемой двигателей с
впрыскиванием в цилиндр является недостаточное качество распыливания, а при
впрыскивании в форкамеру еще и увеличение поверхности камеры сгорания, повышенные потери в охлаждающую среду и увеличение выброса СН. Поэтому большинство данных систем находится в стадии экспериментальных разработок. Широкое распространение в современных двигателях получили системы
впрыскивания на впускной клапан или во впускной канал. Системы распределенного
впрыскивания топлива с электронным блоком управления по сравнению с карбюраторной системой питания и центральным
впрыском имеют следующие преимущества: возможность существенно улучшить наполнение двигателя на высоких частотах вращения коленчатого вала, а следовательно, и за счет равномерного распределения смеси по цилиндрам, исключения подогрева смеси, применение инерционного наддува (без нагнетателя), что приводит к росту мощностных показателей (на 30-40%). Кроме того, одновременно удается добиться оптимальных показателей на всех рабочих режимах, стабилизировать регулировочные параметры в процессе эксплуатации в различных климатических условиях,
сделать менее жесткими (из-за снижения температуры заряда при испарении топливных капель в цилиндре) требования к октановому числу топлива. Наибольшего эффекта удается добиться за счет практически мгновенного изменения цикловой подачи топлива по заданной программе и отсутствия топливной пленки во впускном трубопроводе во время разгона при переходе на режим торможения двигателем, избавления от влияния приливно-отливных явлений при разгоне и прохождении поворотов с повышенными скоростями, во время прогрева двигателя и т.д. Значительное улучшение динамических качеств автомобиля обеспечивается на двигателях с принудительным наддувом (с механическим приводом) в сочетании с системой
впрыскивания (особенно при эксплуатации в горных условиях). В большинстве систем управления составом смеси используется комплект, состоящий из следующих датчиков: атмосферного давления, температуры окружающего воздуха, вакуума во впускном трубопроводе, положения дроссельной заслонки, температуры охлаждающей жидкости, кислородного анализатора в выпускном трубопроводе. Для обогащения состава смеси на время разгона при переходе на мощностной состав на режимах полных нагрузок или для отключения подачи топлива при торможении двигателем применяется датчик положения дроссельной заслонки, установленный в дроссельном узле.
Заданная программой частота вращения коленчатого вала на холостом ходу поддерживается при помощи регулятора холостого хода в байпасном канале, обходящем дроссельную заслонку. Существует много вариантов регуляторов холостого хода: с клапаном, перемещаемым в осевом направлении шаговым двигателем, с коническим или цилиндрическим шибером, управляемым коллекторным двигателем. Данные системы обеспечивают также повышение частоты вращения коленчатого вала на режиме прогрева и стабилизацию заданной величины частоты вращения при прогретом двигателе независимо от состава смеси и внутренних потерь двигателя, зависящих от вязкости масла, степени обкатки и др. Основной проблемой в процессе эксплуатации двигателей с
впрыскиванием бензина является очистка топлива от посторонних примесей и, особенно, воды. Во многих странах существуют специальные колонки для заправки автомобилей с
впрыскиванием топлива, в которых происходит особо тщательная очистка горючего за счет длительного отстоя и фильтрации, исключающих попадание воды в систему. Если в карбюраторных двигателях "водяная" заправка обычно заканчивается промывкой и продувкой системы топливоотдачи и цилиндров, то в двигателях с
впрыскиванием бензина последствия могут быть гораздо более серьезными - вплоть до замены двигателя и топливоподающей аппаратуры. Замерзшая в топливном насосе и фильтре вода приводит к разрыву их корпусов. Мелкораспыленная вода, попадая в цилиндр, конденсируется тонким слоем на поверхности. На двигатель со снятой головкой страшно смотреть - ровный яркий слой ржавчины на зеркале цилиндра и риски от задира, заросшие лохматой бурой "капустой" клапана. Если снять слой ржавчины, то на зеркале цилиндра сразу станут заметны черные пятна от коррозии. Конечно, после попадания воды приходится тщательно промывать всю систему топливоподачи, менять форсунки, элементы фильтра и т.д. Но и это еще полбеды. В некоторых системах
впрыскивания при попытке пуска двигателя любыми средствами, например, буксировкой, цилиндр заполняется водой с бензином, возникает гидравлический удар, в результате которого ломаются поршневые кольца и пробивается поршень, лопается цилиндр или гильза.
