Топливная система

Виды и особенности работы систем впрыска бензиновых двигателей

Система впрыска топлива применяется для дозированной подачи топлива в двигатель внутреннего сгорания в строго определенный момент времени. От характеристик данной системы зависит мощность, экономичность и экологический класс двигателя автомобиля. Системы впрыска могут иметь различную конструкцию и варианты исполнения, что характеризует их эффективность и сферу применения.

Краткая история появления

Инжекторная система подачи топлива начала активно внедряться в 70-х годах, явившись реакцией на возросший уровень выбросов загрязняющих веществ в атмосферу. Она была заимствована в авиастроении и являлась экологически более безопасной альтернативой карбюраторному двигателю. Последний был оснащен механической системой подачи топлива, при которой топливо поступало в камеру сгорания за счет разницы давлений.

Первая система впрыска была практически полностью механической и отличалась малой эффективностью. Причиной этого был недостаточный уровень технического прогресса, который не мог полностью раскрыть ее потенциал. Ситуация изменилась в конце 90-х годов с развитием электронных систем управления работой двигателя. Электронный блок управления стал контролировать количество впрыскиваемого топлива в цилиндры и процентное соотношение компонентов топливовоздушной смеси.

Виды систем впрыска бензиновых двигателей

Существует несколько основных видов систем впрыска топлива, которые отличаются способом образования топливовоздушной смеси.

Моновпрыск, или центральный впрыск

Схема с центральным впрыском предусматривает наличие одной форсунки, которая расположена во впускном коллекторе. Такие системы впрыска можно найти только на старых легковых автомобилях. Она состоит из следующих элементов:

• Регулятор давления – обеспечивает постоянную величину рабочего давления 0,1 МПа и предотвращает появление воздушных пробок в топливной системе.
• Форсунка впрыска – осуществляет импульсную подачу бензина во впускной коллектор двигателя.
• Дроссельная заслонка – выполняет регулирование объема подаваемого воздуха. Может иметь механический или электрический привод.
• Блок управления – состоит из микропроцессора и блока памяти, который содержит эталонные данные характеристики впрыска топлива.
• Датчики положения коленчатого вала двигателя, положения дроссельной заслонки, температуры и т.д.

Системы впрыска бензина с одной форсункой работают по следующей схеме:

• Двигатель запущен.
• Датчики считывают и передают информацию о состоянии системы в блок управления.
• Полученные данные сравниваются с эталонной характеристикой, и, на основе этой информации, блок управления рассчитывает момент и длительность открытия форсунки.
• На электромагнитную катушку направляется сигнал об открытии форсунки, что приводит к подаче топлива во впускной коллектор, где он смешивается с воздухом.
• Смесь топлива и воздуха подается в цилиндры.

Распределенный впрыск (MPI)

Система с распределенным впрыском состоит из аналогичных элементов, но в такой конструкции предусмотрены отдельные форсунки для каждого цилиндра, которые могут открываться одновременно, попарно или по одной. Смешение воздуха и бензина происходит также во впускном коллекторе, но, в отличие от моновпрыска, подача топлива осуществляется только во впускные тракты соответствующих цилиндров.

Управление осуществляется электроникой (KE-Jetronic, L-Jetronic). Это универсальные системы впрыска топлива Bosch, получившие широкое распространение.

Принцип действия распределенного впрыска:

• В двигатель подается воздух.
• При помощи ряда датчиков определяется объем воздуха, его температура, скорость вращения коленчатого вала, а также параметры положения дроссельной заслонки.
• На основе полученных данных электронный блок управления определяет объем топлива, оптимальный для поступившего количества воздуха.
• Подается сигнал, и соответствующие форсунки открываются на требуемый промежуток времени.

Непосредственный впрыск топлива (GDI)

Система предусматривает подачу бензина отдельными форсунками напрямую в камеры сгорания каждого цилиндра под высоким давлением, куда одновременно подается воздух. Эта система впрыска обеспечивает наиболее точную концентрацию топливовоздушной смеси, независимо от режима работы мотора. При этом смесь сгорает практически полностью, благодаря чему уменьшается объем вредных выбросов в атмосферу.

Такая система впрыска имеет сложную конструкцию и восприимчива к качеству топлива, что делает ее дорогостоящей в производстве и эксплуатации. Поскольку форсунки работают в более агрессивных условиях, для корректной работы такой системы необходимо обеспечение высокого давления топлива, которое должно быть не менее 5 МПа.

Конструктивно система непосредственного впрыска включает в себя:

• Топливный насос высокого давления.
• Регулятор давления топлива.
• Топливная рампа.
• Предохранительный клапан (установлен на топливной рампе для защиты элементов системы от повышения давления больше допустимого уровня).
• Датчик высокого давления.
• Форсунки.

Электронная система впрыска такого типа от компании Bosch получила наименование MED-Motronic. Принцип ее действия зависит от вида смесеобразования:

• Послойное – реализуется на малых и средних оборотах двигателя. Воздух подается в камеру сгорания на большой скорости. Топливо впрыскивается по направлению к свече зажигания и, смешиваясь на этом пути с воздухом, воспламеняется.
• Стехиометрическое. При нажатии на педаль газа происходит открытие дроссельной заслонки и осуществляется впрыск топлива одновременно с подачей воздуха, после чего смесь воспламеняется и полностью сгорает.
• Гомогенное. В цилиндрах провоцируется интенсивное движение воздуха, при этом на такте впуска происходит впрыск бензина.

Непосредственный впрыск топлива в бензиновом двигателе – наиболее перспективное направление в эволюции систем впрыска. Впервые он был реализован в 1996 году на легковых автомобилях Mitsubishi Galant, и сегодня его устанавливают на свои автомобили большинство крупнейших автопроизводителей.

Так как причин возникновения неисправностей, связанных с системой впрыска топлива, достаточно много, в первую очередь рекомендуется провести диагностику автомобильным сканером на наличие ошибок. Без посещения сервиса это можно сделать с помощью универсального устройства Rokodil ScanX Pro.

Также с помощью данного сканера можно отрегулировать положение дроссельной заслонки, проверить систему выхлопных газов, считать параметры работы двигателя и многое другое.

топливная система

Следуя логике, начнем мы это дело с теории. Вообще традиционная топливно-воздушная система инжекторных двигателей идентична у всех производителей, в рамках поколения. Поэтому, большая часть данной темы будет применима к большинству автомобилей, разумеется, с некоторыми различиями в месторасположении компонентов и другими особенностями конструкции конкретного автомобиля. Обзор будем проводить на примере Honda Civic 1996-2000 годов выпуска.

Итак, топливная система. Задача топливно-воздушной системы доставить в двигатель смесь топлива и воздуха в нужном количестве и в нужной пропорции. И это едва ли не самая важная составляющая автомобиля или, по крайней мере, одна из них. Так что же происходит после того, как мы заводим двигатель и как топливо перемешиваясь с воздухом попадает в двигатель?

Начнем с того, что источник и место хранения топлива – топливный бак, который как правило, находится в задней части автомобиля. Воздух для смеси берется с атмосферы. Отметим, что и топливо и воздух предварительно фильтруются. За очистку топлива отвечает топливный фильтр, а за очистку воздуха – воздушный фильтр.

Место встречи топлива и воздуха – впускной коллектор, установленный на блоке двигателя непосредственно перед впускными клапанами. Воздух во впускной коллектор подается посредством дроссельной заслонки, а топливо впрыскивается дозировано с помощью электромагнитных топливных форсунок, в тот же впускной коллектор. Получается, что воздух доходит до впускных клапанов и только там встречает струю бензина, уже непосредственно перед цилиндром и даже в самом цилиндре. Это снижает расход топлива, сокращает содержание вредных выбросов и даже немного повышает мощность и крутящий момент
ТОПЛИВО

Чтобы проделать путь от топливного бака к топливным форсункам на топливо со стороны бака должно воздействовать определенное давление. Давление, которого будет достаточно, чтобы топливо доходило в нужном количестве с бака до форсунок при любых условиях эксплуатации (спокойная езда, резкое ускорение). Эту функцию выполняет топливный насос с электроприводом, который у Honda Civic погружен в топливный бак (погружной).

Чтобы подавать на каждую форсунку топливо в одинаковом количестве и с одинаковым давлением, топливо подается на форсунки через топливную рейку (рампу). Топливная рейка не что иное как литая пустотелая деталь с боковыми отверстиями под каждую форсунку для установки последних и подачи на них топлива. Получается, что с одной стороны форсунки насажены на топливную рейку, а другой стороной (которая распыляет) вставляются в отверстия во впускном коллекторе.

Работа форсунки достаточно проста – при подаче на нее электрического импульса форсунка открывается и топливо начинает впрыскиваться в воздух. Процесс впрыскивания топлива в воздух происходит во впускном коллекторе непосредственно перед впускными клапанами. В момент смесеобразования топливно-воздушная смесь всасывается через впускные клапана в цилиндр за счет движения поршня вниз. Момент и длительность впрыска каждой форсунки определяет ECU, подавая на них электрические импульсы.

Поддерживать необходимое давление в топливной системе, в конечном итоге в топливной рейке, нужно на постоянной основе, а на это топливный насос не способен, т.к. качает только в одну сторону. Как быть, если насос накачает топлива больше чем требуется? Форсунки по команде ECU закроются в требуемый момент, а чтобы нормализовать повышенное давление в системе необходимо слить излишек топлива обратно в бак. Кроме того, откуда узнать какое давление необходимо системе в конкретной ситуации? Эту работу выполняет регулятор топливного давления.

Как правило, регулятор топливного давления расположен на топливной рейке с противоположной стороны от подачи топлива. Т.е если подача топлива в рейку осуществлена с левой стороны, то регулятор топливного давления находится в правой части, после форсунок.

Топливная рейка в сборе с форсунками

Принцип действия регулятора достаточно прост. Как только давление в топливной рейке превышает необходимый уровень клапан открывается и пропускает излишек топлива обратно в топливный бак («обратка»).

Однако, кроме связи с топливом регулятор давления топлива посредством вакуумного шланга подсоединяется и к впускному коллектору. Сделано это для того, чтобы регулятор топливного давления определял давление не только в топливной рейке, но и во впускном коллекторе и на основе полученных данных при необходимости корректировал давление в топливной рейке. Предполагается, что чем выше давление (меньше разрежения) во впускном коллекторе, тем больше нагрузка на двигатель, а чем больше нагрузка, тем большее давление необходимо обеспечить в топливной рампе.

Последняя составляющая топливной системы абсорбер паров топлива. Малозначимый в техническом плане, однако вносящий значимый вклад в чистоту воздуха и экологию. Назначения абсорбера – поглощать (абсорбировать) пары бензина с бака и передавать в необходимый момент времени во впускной коллектор, тем самым не выпуская вредные пары в атмосферу, дожигая их.

Абсорбер паров топлива (EVAP canister) выполнен в виде канистры заполненной углем и находится в моторном отсеке. С топливным баком абсорбер сообщается напрямую, а вот с впускным коллектором через клапан абсорбера, который открывается и пропускает пары бензина во впускной коллектор после того как двигатель прогреется до рабочей температуры, разбавляя топливно-воздушную смесь во впускном коллекторе накопившимися парами из бака. При каких именно режимах эксплуатации автомобиля клапан абсрбера открывается сказать затрудняюсь. В конечном итоге пары бензина замещают воздух, тем самым обогащая смесь. Хочется верить в то, что в этот момент ECU учитывает «лишнее» топливо с абсорбера и уменьшает подачу топлива с форсунок, чтобы удержать смесь в оптимальной пропорции. Следуя логике можно сказать, что в момент подачи паров бензина с абсорбера во впускной коллектор отдача от двигателя уменьшается, т.к. объем чистого воздуха уменьшается за счет замещения его парами и топлива, соостветсвенно, тоже.
ВОЗДУХ

Воздушная система несколько проще топливной, однако от этого не менее важная. И главенствующую роль в ней играет дроссельная заслонка (корпус дроссельной заслонки в сборе). Сама система состоит из дроссельной заслонки (в нашем случае электро-механическая, на новых автомобилях — электронные), короба с воздушным фильтром и рукавов (гофр, патрубков), подающих отфильтрованный воздух от воздушного фильтра к дроссельной заслонке.

Дроссельная заслонка расположена непосредственно перед впускным коллектором. Принцип работы механической дроссельной заслонки очень прост — чем больше открыта заслонка, тем больше проходное сечение, соответственно в еденицу времени через нее проходит больше воздуха во впускной коллектор. Больше воздуха — больше топлива, больше топливно-воздушной смеси в камере сгорания — выше мощность. Управляет открытием и закрытием дроссельной заслонки водитель, нажимая на педаль газа. Педаль газа имеет прямое соединение с дроссельной заслонкой и при нажатии на нее дроссель открывается. Чем глубже вжимать педаль, тем больше открывается дроссель. Педаль до упора – дроссель находится в максимально открытом состоянии.

На холостом ходу двигателя дроссельная заслонка полностью закрыта. Воздух поступает в обход заслонки, через клапан холостого хода. Клапан холостого хода обычно расположен, либо на корпусе дроссельной заслонки, либо на впускном коллекторе. А для предотвращения обледенения дроссельной заслонки в холодную погоду к корпусу заслонки подводится охлаждающая жидкость из системы охлаждения двигателя.

Блок дроссельной заслонки в сборе

Педаль газа связана с механическим приводом дроссельной заслонки через тросик газа. Механический привод дроссельной заслонки жестко закреплен с дроссельной заслонкой таким образом, что при воздействии на него механический привод передает вращательное движение на саму заслонку, открывая или закрывая ее, в зависимости от степени натяжения тросика (силы нажатия на педаль газа).

Надеюсь, общий принцип работы системы теперь разобран — водитель при помощи педали газа определяет сколько воздуха «всосет» впускной коллектор, а ECU автомобиля «подливает» необходимое количество топлива. Но как ECU узнает, сколько вошло воздуха и сколько нужно подлить топлива, когда именно? Ответ прост – множество датчиков и ECU.
ДАТЧИКИ

Всё, как мы выяснили начинается с открытия дроссельной заслонки. ECU узнает с помощью датчика положения дроссельной заслонки (TPS — Throttle position sensor) на сколько открыта дроссельная заслонка и определяет сколько воздуха способно пройти во впускной коллектор при данном положении заслонки. В соответствии с оптимальным соотношением топливно-воздушной смеси ECU должен послать команду форсункам впрыснуть необходимое количество топлива. Однако, не все так просто.

В одиночку датчик положения дроссельной заслонки (TPS) не способен определить какой объем воздуха в действительности попал во впускной коллектор. Ведь объем и, соответственно, количество поступаемого воздуха имеет прямую зависимость от ее температуры и давления. Температуру ECU узнает благодаря показаниям датчика температуры поступаемого воздуха (IAT). Расположен этот датчик непосредственно перед дроссельной заслонкой, на гофре.

Давление же измеряет датчик абсолютного давления — MAP сенсор (Manifold Absolute Pressure). Абсолютное давление рассчитывается по формуле: абсолютное давление = атмосферное давление — давление во впускном коллекторе.
Чем прохладнее воздух тем больше его помещается во впускной коллектор и тем больше он проходит через дроссельную заслонку за еденицу времени при прочих равных условиях.

Основываясь на показаниях датчиков TPS, MAP и IAT компьютер вычисляет массу поступаемого воздуха и на основе этих данных дает команду форсункам впрыскнуть нужное количество топлива. Ну как именно ECU определяет сколько топлива нужно?

Оптимальный состав топливо-воздушной смеси, при котором топливо максимально полно и эффективно сгорает, когда на 14.7 части воздуха приходится 1 часть топлива. ECU узнает с помощью трех вышеупомянутых датчиков сколько поступило воздуха и в соответствии с пропорцией 14.7:1 добавляет топливо.

Последним звеном этой системы является кислородный датчик – лямда-зонд, который расположен на выпускном коллекторе и проверяет качество приготовленной смеси. При излишне-обогащенной (много топлива) или обедненной (много воздуха) топливно-воздушной смеси, ECU корректирует ее приготовление. Именно лямбда-зонд передает информацию «мозгу» (ECU) о наличии бедной или обогащенной смеси, на основе вычисления количества кислорода в выхлопных газах. Если количество кислорода в выхлопных газах превышает норму или наоборот, лямбда-зонд говорит об этом «мозгу». Понятно, что если лямбда-зонд неисправен, то ECU начнет корректировать смесь по неверным данным. Тоже касается всех остальных датчиков. Они все важны для правильного смесеобразования. Не менее значимое влияние на смесеобразование оказывают топливные карты, но что это такое и как работает рассмотрим отдельной статьей.
ТЮНИНГ ТОПЛИВНО-ВОЗДУШНОЙ СИСТЕМЫ

Теперь, когда мы выяснили как работает система в целом можно предположить, что замена любого рассмотренного компонента на «тюнинг» даст эффект в плане увеличения мощностных характеристик двигателя. Справедливо, но только для воздушной системы. Например, фильтр нулевого сопротивления с короткой трубой или трубой, осуществяющущей забор холодного воздуха из вне подкапотного пространства. Увеличение диаметра дроссельной заслонки.

Замена впускного коллектора на модифицированный тоже способствует увеличению мощности. Небольшим дополнением к тюнингу «впуска» можно считать улучшенную, утолщенную прокладку между впускным коллектором и блоком двигателя, изготовленной из специального состава (прокладка Hondata). Мощности это не увеличивает, но позволяет сохранить имеющуюся за счет предотвращения передачи тепла от блока двигателя к впускному коллектору.

Конечно, впускной коллектор, в любом случае, будет греться за счет температуры подкапотного пространства. Однако, исключение основного источника тепла позволяет значительно снизить температуру корпуса впускного коллектора и, как следствие, температуру внутри него. Чем холоднее впускной колллектор, тем больше мощности в конечном итоге выдаст двигатель.

Все вышеперечисленное и подразумевают, когда говорят о тюнинге «впуска». Хотелось бы отметить, что потенциал тюнинга «впуска» раскроется в полной мере с тюнингом выпускной системы (увеличение диаметра выхлопной системы, равнодлинный выпускный коллектор 4-2-1 или 4-1, прямоточные резонаторы и глушитель, спортивный катализатор).

Тюнинг же топливной системы без серьезного увеличения общей мощности (например, установка турбины) вещь абсолютно бесполезная. Штатная топливная система имеет запас производительности в пределах 20-30%. Поэтому, увеличение мощности в тех же пределах не потребует вмешательства в топливную систему.

Что такое система впрыска топлива

Впрыск топлива автомобиля — это система дозированной подачи топлива в цилиндры двигателя. Расскажем про электронные системы подачи топлива, как работают и из каких датчиков состоят.

Как работает

На рисунке схематично показан принцип работы распределенного впрыска.

Подача воздуха (2) регулируется дроссельной заслонкой (3) и перед разделением на 4 потока накапливается в ресивере (4). Ресивер необходим для правильного измерения массового расхода воздуха — измеряет общий массовый расход или давление в ресивере.

Последний должен быть достаточного объема для исключения воздушного «голодания» цилиндров при большом потреблении воздуха и сглаживания пульсаций на пуске. Форсунки (5) устанавливаются в канал в непосредственной близости от впускных клапанов.

Датчики системы впрыска топлива

Для функционирования электронной системы управления двигателем необязательно наличие всех датчиков. Комплектации зависят от системы впрыска, норм токсичности. В программе управления есть флаги комплектации, которые информируют ПО о наличии или отсутствии каких-либо датчиков. Например, в системах Евро-2 отсутствуют датчик неровной дороги.

Датчик кислорода (ДК) — рассчитывает содержание О₂ в отработанных газах. Используется в системах с катализатором под нормы токсичности начиная с Евро-2 и дальше. В Евро-3 используется два датчика кислорода — до катализатора и после.

Датчик фазы нужен для более точного расчета времени впрыска в системах с фазированным впрыском.

Датчик положения коленвала (ДПКВ) — считывает частоту вращения коленвала и его положение. Нужен для общей синхронизации системы, расчета оборотов двигателя и положения коленвала в определенные моменты времени. ДПКВ — полярный датчик. При неправильном включении двигатель заводится не будет. Это единственный «жизненно важный» в системе датчик, при котором движение автомобиля невозможно. Аварии всех остальных датчиков позволяют своим ходом добраться до автосервиса.

Датчик массового расхода воздуха (ДМРВ) — определяет массовый расход воздуха, поступающего в двигатель. Измеряется массовый расход воздуха, который потом пересчитывается программой. При аварии датчика его показания игнорируются, расчет идет по аварийным таблицам.

Датчик температуры охлаждающей жидкости (ДТОЖ) — следит за температурой охлаждающей жидкости. Нужен для определения коррекции топливоподачи и зажигания по температуре и управления электровентилятором. При аварии датчика его показания игнорируются, температура берется из таблицы в зависимости от времени работы двигателя. Сигнал ДТОЖ подается только на электронный блок управления, для индикации на панели используется другой датчик.

Датчик положения дроссельной заслонки (ДПДЗ) — определяет положение дросселя (нажата педаль «газа» или нет). Служит для расчета фактора нагрузки на двигатель и его изменения в зависимости от угла открытия дроссельной заслонки, оборотов двигателя и циклового наполнения.

Датчик детонации — контроль детонации мотора. При обнаружении, блок управления двигателем включает алгоритм гашения детонации, оперативно корректируя угол опережения зажигания. В первых системах впрыска применялся резонансный датчик детонации, но был заменён на широкополосный датчик.

Датчик скорости (ДС) — определение скорость движения машины. Используется при расчетах блокировки/возобновления топливоподачи при движении. Этот сигнал также подается на приборную панель для расчета пробега. 6000 сигналов с ДС примерно соответствуют 1 км. пробега автомобиля.

Датчик фазы (ДФ) — определяет положение распредвала. Нужен для точной синхронизации по времени впрыска в системах с фазированным (последовательным) впрыском. При аварии или отсутствие датчика система переходит на попарно — параллельную (групповую) систему подачи топлива.

Датчик неровной дороги — для оценки уровня вибраций двигателя. Необходим для правильной работы системы обнаружения пропусков воспламенения, чтобы определить причину неравномерности (применяется с Евро-3).

Таблица — основные датчики

Исполнительные механизмы

По результатам опроса датчиков системы впрыска, программа электронного блока управления осуществляет управление исполнительными механизмами (ИМ).

1. Форсунка — электромагнитный клапан с нормированной производительностью. Служит для впрыска вычисленного для данного режима движения количества топлива. — предназначен для нагнетания горючего в топливную рампу. Давление в топливной рампе поддерживается вакуумно-механическим регулятором давления. В некоторых системах регулятор давления топлива совмещен с бензонасосом.
2. Модуль зажигания — электронное устройство управления искрообразованием. Содержит два независимых канала для поджига смеси в цилиндрах. В последних модификациях низковольтные элементы модуля зажигания помещены в электронный блок управления, а для получения высокого напряжения используются выносная двухканальная катушка зажигания или катушки зажигания непосредственно на свече.
3. Регулятор холостого хода — для поддержания заданных оборотов холостого хода. Это шаговый двигатель, регулирующий канал воздуха в корпусе дроссельной заслонки для обеспечения двигателя воздухом и поддержания холостого хода при закрытой дроссельной заслонке.
4. Вентилятор системы охлаждения — управляется электронным блоком управления по сигналам датчика температуры охлаждающей жидкости. Разница между включением/выключением обычно 4-5°С.
5. Сигнал расхода топлива — выдается на маршрутный компьютер — 16000 импульсов на 1 расчетный литр израсходованного топлива. Данные приблизительные, т.к рассчитываются на основе суммарного времени открытия форсунок с учетом некоторого коэффициента. Он необходим для компенсации погрешностей измерения, вызванных работой форсунок в нелинейном участке диапазона, асинхронной топливоподачей и другими факторами. — элемент замкнутой цепи рециркуляции паров бензина. Нормами Евро не предусмотрен контакт вентиляции бензобака с атмосферой, пары бензина должны собираться (адсорбироваться) и при продувке посылаться в цилиндры на дожиг.

Электронный блок управления

Это микрокомпьютер, обрабатывающий данные, поступающие с датчиков и по определенному алгоритму управляющий исполнительными механизмами.

Сама программа хранится в микросхеме ПЗУ, английское название — CHIP. Содержимое «чипа» — обычно делится на две функциональные части — собственно программа, осуществляющая обработку данных и математические расчеты и блок калибровок. Калибровки — набор (массив) фиксированных данных (переменных) для работы программы управления.

Для правильной работы системы впрыска необходимо наличие исправных датчиков и исполнительных механизмов.

Источник https://techautoport.ru/dvigatel/toplivnaya-sistema/sistemy-vpryska-topliva-benzinovyh-dvigateley.html

Источник https://www.drive2.ru/b/4062246863888404327/

Источник https://amastercar.ru/articles/injection_fuel_3.shtml