Впрыск топлива от оборотов двигателя

Система непосредственного впрыска топлива в бензиновых двигателях: принцип работы

Система непосредственного впрыска топлива в бензиновых двигателях на сегодняшний день представляет собой наиболее совершенное и современное решение. Главной особенностью непосредственного впрыска можно считать то, что горючее подается в цилиндры напрямую.

По этой причине данную систему также часто называют прямым впрыском топлива. В этой статье мы рассмотрим, как работает двигатель с непосредственным впрыском топлива, а также какие преимущества и недостатки имеет такая схема.

Аддитивная топливная коррекция

Термин «аддитивный» произошел от латинского additio — прибавляю, относящийся к сложению. Соответственно, аддитивная топливная коррекция (или иначе как долгосрочная) рассчитывается на основе показаний мультипликативной коррекции (краткосрочной).

Аддитивная составляющая работает только на холостом ходу и единицей ее измерения являются миллисекунды.

Функционально долговременная коррекция выполняет действия для получения сигнала от датчика кислорода.

В практике Кад принято обозначать в процентах. Пределы его изменения варьируются – от -10 до +10%. Предположим на примере, что двигатель прогрет и нагреватель кислородного датчика подготовил его к работе. Двигатель работает на холостом ходу, но отклика от кислородного датчика нет. Электронный блок начинает увеличивать время впрыска для обогащения смеси, т.е. долговременная коррекция увеличилась на 1%, но отклика от датчика кислорода также отсутствует. Блок управления продолжает удлинять время впрыска и до тех пор, пока не начнется отклик от кислородного датчика. Отклик от датчика в данном конкретном примере появился при Кад равным 4%. Это говорит о том, что при аддитивной коррекции равной 4% кислородный датчик перешел в активное состояние и мультипликативной коррекцией поддерживается смесь в оптимальном состоянии.

Впрыск топлива от оборотов двигателя

Схема системы одноточечного впрыска топлива

1 — топливный бак; 2 — топливный насос; 3 — топливный фильтр; 4 — впрыскивающая форсунка; 5 — датчик детонации; б — датчик температуры охлаждающей жидкости; 7 — датчик угловых импульсов и числа оборотов двигателя; 8 — датчик давления воздуха; 9 — адсорбер (фильтр с активированным углем); 10 — контроллер систем впрыска и зажигания; 11 — колодка диагностики; 12 — оконечный каскад зажигания; 13 — датчик концентрации кислорода

Разрез корпуса системы впрыска и дроссельной заслонки:

1 — регулятор давления; 2 — датчик температуры поступающего воздуха; 3 — форсунка; 4 — корпус дроссельной заслонки; 5 — дроссельная заслонка; б — корпус системы впрыска; 7 — разъем; 8 — обмотка; 9 — якорь;
10 — игольчатый клапан; 11 — штифт иглы

С 1993 модельного года на автомобилях Volvo 400-й серии вместо карбюраторных двигателей устанавливается двигатель модели В18 U с системой одноточечного впрыска топлива марки Siemens.

Эта система представляет собой систему прерывистого впрыска топлива под низким давлением через одну впрыскивающую форсунку. Количество впрыскиваемого топлива зависит от степени открытия дроссельной заслонки. Таким образом, система одноточечного впрыска топлива имеет те же фазы работы, что и карбюратор, но обеспечивает лучший контроль состава горючей смеси на всех режимах работы двигателя.

В состав системы одноточечного впрыска входит датчик концентрации кислорода,предназначенный для оптимизации состава топливо-воздушной смеси при применении этилированного бензина и установленный в приемной трубе глушителей.

Система одноточечного впрыска Siemens состоит из двух независимых магистралей: топливной и воздушной.

Топливная магистраль

Топливный насос электрический, роликовый. Он установлен в топливном баке. Включение и выключение насоса осуществляется специальным реле.

Реле включения топливного насоса

Реле включения топливного насоса двойное: посредством его осуществляется подача напряжения питания на форсунку. Оно установлено в коробке слева под панелью приборов. Схема защиты разрывает цепь oпитания топливного насоса цепи, если зажигание включено при неработающем двигателе (например,при аварии).

Впрыскивающая форсунка

Форсунка установлена в корпусе системы впрыска и обеспечивает точную дозировку топлива и его оптимальное распыление во впускном коллекторе. Продолжительность впрыска топлива форсунки синхронизирована по фазе с углом опережения зажигания.

При формировании каждого сигнала «Момент зажигания» контроллер выдает электрический импульс в обмотку форсунки. Под действием создающегося при этом магнитного поля запорный клапан притягивается к якорю. Поступающее через фильтр из кольцевой камеры топливо распыляется во впускной коллектор через шесть сопловьх отверстий седла форсунки.

При прекращении поступления электрических импульсов от контроллера под воздействием диафрагменной пружины крутя- головка запорного клапана садится на седло, перекрывая сопловые отверстия.

Излишек топлива отводится к регулятору давления через верхнее отверстие форсунки, что обеспечивает продувку форсунки, предупреждая образование паров топлива.

Регулятор давления топлива

Регулятор давления механический, диафрагменного типа. Он установлен в корпусе системы впрыска. Сливаемое из форсунки топливо непосредственно воздействует на диафрагму регулятора, которая перемещается, сжимая возвратную пружину под давлением 1,06±0,06 кгс/см . В результате топливо через манжету возвращается в бак.

Воздушная магистраль

Воздушная магистраль системы впрыска состоит из следующих частей:

• воздушный фильтр;
• корпус дроссельной заслонки;
• датчик положения дроссельной заслонки;
• датчик температуры поступающего воздуха;
• регулятор холостого хода;
• впускной коллектор.

Датчик положения дроссельной заслонки

Датчик положения дроссельной заслонки установлен в ее корпусе. Контроллер получает от датчика два импульса напряжения, величина которого пропорциональна углу открытия дроссельной заслонки. Сигнал, соответствующий каждому углу открытия, является основным параметром, на основе которого контроллер рассчитывает время впрыскивания топлива. Чтобы исключить заедание дроссельной заслонки и ошибки в измерении угла открытия, ее ось установлена на двух шарикоподшипниках.

Датчик температуры поступающего воздуха

Датчик температуры поступающего воздуха представляет собой сопротивление с отрицательным температурным коэффициентом и установлен в корпус системы впрыска. Значение температуры всасываемого воздуха передается от датчика в контроллер в виде сигнала напряжения.

Регулятор холостого хода

Регулятор холостого хода — это шаговый электродвигатель постоянного тока, поворачивающий ось дроссельной заслонки.
По командам контроллера регулятор поворачивает дроссельную заслонку при выходе ее за пределы угловой зоны с учетом допуска, соответствующей режиму холостого хода. Благодаря этому дроссельная заслонка практически остается неподвижной, обеспечивая тем самым стабильный режим холостого хода.

Контроллер

На основе информации от датчиков контроллер по собственной программе управляет работой узлов систем впрыска и зажигания. Контроллер рассчитывает время впрыскивания, которое определяет количество поступающего в двигатель топлива.

Датчик концентрации кислорода

Датчик концентрации кислорода измеряет содержание кислорода в отработавших газах. После обработки сигналов от датчика концентрации кислорода контроллер корректирует продолжительность впрыска топлива.

Проверка и регулировка системы одноточечного впрыска

Регулировка холостого хода двигателя

Режим холостого хода и содержание окиси углерода (СО) в отработавших газах поддерживаются в заданных пределах контроллером и, следовательно, не регулируются в процессе эксплуатации автомобиля. При отклонении от заданных значений выполните следующие операции:

• проверьте герметичность впускного тракта;
• проверьте работоспособность датчика положения дроссельной заслонки;
• запросите запоминающее устройство о зарегистрированных неисправностях (см. ниже).

Проверка датчика положения дроссельной заслонки

• Сдвиньте защитный чехол с разъема датчика.
• Включите зажигание.
• Измерьте напряжение между штекерами «1» и «2» разъема датчика согласно маркировке штекеров, которое должно быть 5 В при закрытой дроссельной заслонке. Если напряжение отсутствует, проверьте провода и их соединения.
• Измерьте напряжение между штекерами «1» и «4» разъема датчика, которое при закрытой дроссельной заслонке должно быть 0,8 В. Перемещая дроссельную заслонку с помощью рычага ее управления, измерьте напряжение, которое должно увеличиться до 4,5 В. Если напряжение не увеличивается или если его величина не равна 4,5 В, замените корпус дроссельной заслонки.

Регулировка троса управления дроссельной заслонки

При закрытой дроссельной заслонке натяните трос 3 (см. рисунок), вращая регулировочную гайку 1 на переднем наконечнике троса, предварительно ослабив контргайку 2.

Для получения нормального хода троса поверните регулировочную гайку на один полный оборот против часовой стрелки, после чего затяните контргайку.

Регулировка троса управления дроссельной заслонкой:

1 — регулировочная гайка; 2 — контргайка; 3 — трос

Проверка форсунки

До проверки форсунки прогрейте двигатель, отсоедините от корпуса системы впрыска шланг подвода воздуха и снимите крышку корпуса системы впрыска.

(2) Датчики

1) Расходомер воздуха

схема и характеристика — на рис. 3.15.

Воздух, проходящий в двигатель через воздушный фильтр, изменяет угол поворота подвижной заслонки, на которую кроме скоростного напора воздуха действует тарированная пружина. При этом величина расхода воздуха преобразуется в соотношение напряжений потенциометра, который непосредственно соединен с осью заслонки.

Расход воздуха = Vs/Vc

2) Датчик угла поворота коленчатого вала

Обычно датчик угла поворота коленчатого вала конструктивно размещается в корпусе распределителя зажигания и состоит из двух катушек и двух роторов из магнитного материала.

Одна пара катушка — ротор выдает сигнал угла поворота коленчатого вала G, другая — сигнал скорости вращения коленчатого вала двигателя Ne.

На рис. 3.16 показан пример конструкции датчика-распределителя,

на рис. 3.17 —устройство каждой из пар,

а на рис. 3.18 — формы их выходных сигналов.

В приведенном примере G-ротор имеет два выступа с угловым промежутком 180°С, а Ne-ротор — 24 выступа с промежутком 15°, и оба насажены на вал распределителя, за один оборот которого на выходе датчика появляются два импульса сигнала G и 24 импульса сигнала Ne.

В ЭБУ скорость вращения коленчатого вала определяется из измерений промежутка времени между импульсами сигнала Ne.

3) Датчик температуры охлаждающей жидкости

4) Датчик температуры воздуха

5) Датчик угла открытия дроссельной заслонки

6) Датчик кислорода

Датчик устанавливается в выпускной системе. Он выдает данные о концентрации кислорода в отработавших газах, реагируя на отклонение от стехиометрического состава горючей смеси, попадающей в цилиндры.

На рис. 3.21 показан внешний вид датчика кислорода,

а на рис. 3.22—его конструкция и характеристика.

Датчик кислорода представляет собой элемент из порошка двуокиси циркония, спеченного в форме пробирки, наружная и внутренняя стороны которой покрыты пористой платиной.

Наружная поверхность элемента подвергается воздействию отработавших газов. Используется сильная зависимость ЭДС твердотельного гальванического элемента на двуокиси циркония от концентрации кислорода.

(3) Исполнительные устройства

1) Форсунка

Сигнал на начало впрыска с выхода ЭБУ подается на катушку, смонтированную в металлическом корпусе. Катушка притягивает якорь, и игольчатый клапан (запорная игла), прикрепленный к якорю, открывается. При этом происходит впрыск горючего, так как давление горючего, создаваемое топливным насосом при работающем двигателе, составляет обычно около 2 атм (2,026*10*5 Па).

Поскольку величина подъема игольчатого клапана задана, количество впрыскиваемого топлива пропорционально времени открытия клапана. Таким образом, количеством впрыскиваемого топлива можно управлять, изменяя длительность сигнала, подаваемого от ЭБУ на обмотку форсунки.

В связи с тем, что обмотка форсунки обладает индуктивностью, может возникнуть задержка закрытия клапана после прекращения сигнала. Для повышения быстродействия срабатывания форсунки необходимо уменьшить число витков обмотки и ее индуктивность. Однако при этом уменьшается и сопротивление обмотки и ток становится слишком большим. Поэтому последовательно с обмоткой включается резистор, который ограничивает величину тока (рис. 3.24).

(4) Датчики расхода воздуха

Для управления впрыском топлива чрезвычайно важно измерение расхода воздуха с высокой точностью, так как измеренная величина используется в качестве базы для управления соотношением воздух — топливо.

В разд. (2) рассказывалось о потенциометрическом датчике расхода воздуха. Существуют и другие принципы работы расходомеров, например принцип перепада давления во впускном трубопроводе, завихрений Кармана, нагретой проволоки и др.

1) Принцип перепада давления во впускном трубопроводе

Разрежение во впускном трубопроводе за дроссельной заслонкой измеряется датчиком давления. Эти данные и данные о частоте вращения коленчатого вала двигателя обрабатываются в ЭБУ. Таким образом косвенно рассчитывается расход воздуха. Этот метод называется также методом потребления или методом «скорость — плотность».

На рис. 3.25 показаны конструкция и характеристика полупроводникового датчика давления.

В преобразователе давления на кремниевом кристалле используется пьезорезистивный эффект. На поверхности кристалла сформирован мостик сопротивлений, ток через которые изменяется под действием деформации. Этот ток усиливается и вводится температурная компенсация. Таким образом формируется выходной сигнал.

2) Датчик Кармана

а его характеристика — на рис. 3.27.

Если в поток потребляемого двигателем воздуха поместить генератор вихрей (завихритель), то за ним образуются несимметричные упорядоченные вихри, которые называются рядом Кармана. Число вихрей почти пропорционально расходу всасываемого воздуха. В примере, показанном на рисунке, ультразвуковые волны генерируют вихри, количество которых преобразуется в выходные электрические сигналы (импульсы) датчика.

3) Термоанемометрический датчик

Основой его конструкции является помещенная в поток поступающего в двигатель воздуха платиновая проволока, нагреваемая электрическим током. Проволока охлаждается в зависимости от расхода воздуха, и ее сопротивление изменяется. Таким образом, расход воздуха можно определять по величине тока. Нагреваемая проволока, представляющая собой одно плечо измерительного мостика, обладает малой теплоемкостью и, следовательно, малой тепловой инерционностью. Другим важным преимуществом термоанемометра является возможность измерять массовый расход воздуха. Недостатком же является оседание на проволоке взвешенной в воздухе пыли, что снижает точность измерения, а также возможность сжигания проволоки при вспышках горючей смеси во впускной системе двигателя.

Как работает инжектор и система впрыска топлива?

Карбюратор был гениальным изобретением сам по себе. Двигатель автомобиля имеет 4 цикла, и один из них называется циклом всасывания. Если Вы читали нашу статью о том, как работает двигатель внутреннего сгорания, то Вы понимаете, о чём идёт речь. Проще говоря, двигатель засасывает (создавая существенный вакуум внутри цилиндра), и когда это происходит, карбюратор приходил на помощь, чтобы подать нужное количество бензина и воздуха в двигатель. Несмотря на всю легендарность системы, она не была лишена недостатков, ей не хватало точности количества подаваемого бензина, его необходимо было постоянно регулировать, чего не требуется современной системе впрыска топлива под давлением. Вы можете более подробно ознакомиться с принципом работы карбюратора.

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:

1. управляет топливной смесью,
2. контролирует обороты холостого хода,
3. несёт ответственность за угол опережения зажигания,
4. 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.

Пик мощности

Дело в том, что бензиновый атмосферный мотор выходит на пик мощности только в узком диапазоне оборотов. Как правило, это 5-6 тысяч. Если посмотреть на тахометр, то соответствующий максимальной отдаче мотора сектор на шкале прибора помечен желтой краской, переходящей в красную зону, которая продолжается от 5 до 7 тысяч. На этих оборотах мотор испытывает экстремальные нагрузки, в том числе и температурные. Долго удерживать в нем стрелку тахометра не рекомендуется.

Ранее у карбюраторных моторов передачи подбирались таким образом, чтобы трудиться в этом сравнительно узком диапазоне. Сейчас конструкция системы подачи топлива и зажигания изменились, появился впрыск, и процесс смесеобразования осуществляется многоступенчато и контролируется электроникой. Тем самым оптимальная смесь топлива с воздухом готовится даже для очень низких температур. Эта особенность электронного впрыска позволяет повысить другую характеристику мотора, а именно крутящий момент.

Инжектор – современное решение для современного автомобиля. Его работа обеспечивает лучшие показатели расхода, мощности и экологичности машины. Но есть и свои трудности. Ввиду сложности работы, ремонтом и диагностикой неисправностей могут заниматься только представители сервисных центров, обладающие необходимыми оборудованием для проверки. Огромное количество датчиков позволяет вычислять оптимальные дозы подачи топлива и ее смесь, однако, при их неисправности или неправильной настройке, вместо ожидаемой экономии бензина и мощности, можно получить совершенно противоположный результат. Чаще всего в системе выходят из строя датчики. Их стоимость относительная высокая, а продолжительность работы зависит в первую очередь от качества бензина. А топливо может попасться и с примесями, даже на хороших заправках.