Системы питания бензиновых двигателей

ВВЕДЕНИЕ

Двигатели внутреннего сгорания (ДВС) в настоящее время получили широкое  распространение во многих отраслях народного хозяйства. Они используются в качестве силовых установок для тракторов, автомобилей, мобильной сельскохозяйственной, строительной, мелиоративной и другой техники.

Рост выпуска ДВС остро ставит проблемы их качественного совершенствования, в основе которых - увеличение мощности, снижение расхода топлива, дымности и токсичности отработавших газов, улучшение эксплуатационных показателей и т.д.

Достижение высокого моторесурса  и высоких эксплуатационных показателей  двигателя в значительной степени определяется эффективностью отдельных процессов, протекающих в цилиндрах. Повышение удельной мощности лимитируется надежностью работы двигателя в связи с увеличением тепловой и механической нагруженности основных деталей цилиндропоршневой группы и кривошипно-шатунного механизма.

Расширение области применения ДВС и ужесточение нормативных  требований во всех странах мира требует  решения вопросов ограничения дымности и токсичности отработавших газов, возможности работы на альтернативных видах топлива.

Улучшение условий труда связано с обеспечением повышенных требований к уровню шумности и вибрации, а также к пусковым качествам при работе в различных климатических зонах. Потребление в возрастающих масштабах жидкого углеводородного топлива выдвигается в ряд актуальнейших задач дальнейшего повышения топливной экономичности.

Для решения этих проблем широкое  распостранение получили системы впрыска топлива. В даной работе рассмотрены основные типы систем впрыска топлива бензиновых двигателей, их конструкция, достоинства и недостаткидля обоснования выбора наиболие перспективной .

 

1. Общие сведения о системах впрыска бензина

 

Управление томливо подачей в бензиновых двигателях связано с регулированием топливовоздушной смеси и включает в себя следующие функции: измерение количественных и качественных характеристик рабочей смеси; образование рабочей смеси; распределение смеси по цилиндрам. Приготовление рабочей смеси в значительной мере зависит от типа устройства, используемого для этих целей.

Применение карбюраторной системы  питания позволяет в определенной мере поддерживать требуемый состав топливовоздушной смеси и оптимальное наполнение цилиндров на различных режимах работы двигателя.

Однако эта система питания  имеет свой предел максимума адаптации к режимам работы двигателя. Вто же время системы впрыска топливапозволяют оптимизировать процесс смесеобразования в гораздо большей степени. Расширение применения систем впрыска бензина обусловливается необходимостью улучшения динамических характеристик автомобилей, повышения их топливной экономичности и снижения токсичности отработавших газов двигателей.

Системы впрыска топлива изобретены практически одновременно с созданием  автомобильного двигателя. Еще в 1881 г. француз Этив поручил патент на систему измерения массы сжатого воздуха, а в 1883 г. немецкий инженер Шпиль получил патент на метод впрыска топлива в камеру сгорания. Первый серийный двигатель с системой впрыска топлива был разработан фирмой Стирлинга в 1887 г. Этот двигатель в основном работал в стационарном режиме.

До 50-х годов прошлого столетия системы впрыска применялись  в основном на самолетах и гоночных автомобилях. Первый в мире серийный ав томобиль с впрыском бензина - Mercedes-300SL — был выпущен в 1954 г. и оснащался системой механического впрыска бензина.

В настоящее время двигатели  с системами впрыска бензина  производятся в Германии, США, Англии, Японии, Франции, Италии, России. Если не принимать во внимание выпускаемые  до сих пор устаревшие типы двигателей (разработки более 10... 15-летней давности), то почти нее современные автомобильные  бензиновые двигатели оборудованы  впрыском топлива.

По мере развития систем впрыска  топлива на автомобили устанавливались  механические и электронные системы, различающиеся по месту, способу  и моменту подачи топлива в  цилиндры двигателя.

Системы впрыска бензина классифицируются следующим образом.

По расположению форсунок:

-центральный впрыск; распределенный впрыск,

По месту впрыска топлива:

-во впускной трубопровод;

-в цилиндр (непосредственный впрыск).

По способу подачи топлива: непрерывный  впрыск; циклический (прерывистый) впрыск.

 

По моменту впрыска топлива:

-несогласованный впрыск; согласованный впрыск.

    -согласованный впрыск топлива привязан к определенной фазе цикла работы двигателя. В связи с этим, если несогласованный впрыск топлива может быть как непрерывным, так и циклическим, то согласованный впрыск - только циклическим.

Классификация и соответствие различных  способов впрыска топлива приведены  на рисунке 8.1.

При центральном впрыске: топливо  подается одной форсункой, устанавливаемой на участке до разветвления впускного трубопровода. По сравнению с карбюраторной системой питания существенных изменений в конструкции двигателя нет, т. е. система центрального впрыска практически взаимозаменяема с карбюратором и может применяться на уже эксплуатируемых двигателях.

Обозначению «центральный впрыск топлива» соответствуют также термины  «одноточечный впрыск» и «моновпрыск».

При распределенном («многоточечном») впрыске топливо подается индивидуальными  для каждого цилиндра форсунками. При этом возможны два места подачи топлива: перед впускными клапанами каждого цилиндра или непосредственно в цилиндры двигателя. Если в первых системах впрыск топлива возможен как без согласования момента впрыска с процессами впуска в каждый цилиндр (несогласованный впрыск), так и согласованный с открытием соответствующих впускных клапанов, то во вторых системах возможен только согласованный впрыск.

С целью различил двух систем распределенного впрыска топлива принята следующая терминология. Для системы с подачей топлива в зону впускных клапанов используется термин «распределенный впрыск», а для системы с подачей топлива непосредственно в цилиндры двигателя - термин «непосредственный впрыск» (рис. 8.2).

По сравнению с карбюраторными: системами питания двигатели  с впрыском бензина имеют следующие  преимущества.

1. Топливо равномернее распределяется по цилиндрам, что дает возможность поддерживать одинаковый состав смеси в цилиндрах, вследствие чего повышается экономичность двигателя. При однородном составе смеси в цилиндрах снижается разброс показателей их работы, уменьшаются вибрация и износ деталей.
2. Уменьшается сопротивление впускного тракта благодаря отсутствию карбюратора, улучшается наполнение цилиндров рабочей смесью или воздухом, что увеличивает экономичность и мощность двигателя (рис. 8.3).
3. Можно несколько повысить степень сжатия двигателя вследствие более однородного состава смеси в цилиндрах и возможности организовать продувку (для систем с распределенным циклическим впрыском топлива).
4. Достигается более точная, чем при карбюраторном смесеобразовании, коррекция состава смеси при переходе двигателя с одного режима на другой, чем обеспечивается лучшая приемистостью экономичность двигателя (рисунок 4).
5. В отработавших газах содержится меньшее количество окислов углерода, а также других вредных веществ.
6. Упрощается решение проблемы нейтрализации токсичных компонентов отоаботавших газов, поскольку ппименение отработавших газов, поскольку применение хорошо отрегулированной системы впрыска позволяет использовать только один каталитический трехкомпонентный нейтрализатор и избежать применения более сложных систем нейтрализации, таких, как рециркуляция отработавших газов, подача дополнительного воздуха для дожигания горючих компонентов отработавших газов.

Рис. 8. Рисунок 1 Классификация способов впрыска топлива.

          

Рисунок 2 Системы впрыска топлива: а - центральный впрыск; б- распределенный впрыск; в - непосредственный впрыск; / - подача топлива; 2 - поступление воздуха; 3 - дроссельная заслонка; 4 - впускной коллектор; 5 - форсунки; 6- двигатель.

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 8.3. Скоростные характеристики двигателей с различными системами питания:

с карбюраторной системой питания ,

с распределенным впрыском топлива;

с непосредственным впрыском топлива.

 

Рисунок 4 Топливная характеристика установившегося движения автомобиля ЗИЛ-431420: 1 - с карбюраторной системой питания; 2 - с центральным впрыском топлива.

 

7. Уменьшаете:! пожарная опасность, так как отсутствуют карбюратор и большие объемы, заполненные горючей смесыо.
8. При электронном управлении впрыском облегчается возможность отключения подачи топлива на режимах принудительного холостого хода, что значительно уменьшает расход топлива.
9. Создаются предпосылки для оптимального управления работой двигателя на всех режимах с п рименением микропроцессорной техники.

Наряду с указанными преимуществами системы впрыска бензина обладают некоторыми существенными недостатками.

1. Эти системы сложнее, чем  ка]эбюраторные системы питания. Наличие прецизионных деталей и чувствительной автоматики для регулирования и корректирования состава смеси обусловливает более высо-кую стоимость систем впрыска по сравнению с карбюраторными системами.

Эксплуатация таких систем сложнее  эксплуатации карбюраторных  систем питания. Регулирование и устранение неисправностей в системе должны производиться высококвалифицированным  персоналом.

У казанные недостатки до недавнего времени обусловливали ограниченное применение систем питания с впрыском топлива. Однако в связи бурным развитием средств электроники и повышением их надежности, а также значительной экономией топлива системы впрыска бензина получили широкое применение на автомобильных двигателях.

1.1 Управление топливоподачей в двигателях с впрыском

топлива

Мощность установленного на автомобиле двигателя с впрыском топлива  так же, как и мощность карбюраторного двигателя, регулируется и изменением положения дроссельной заслонки, связанной с педалью акселератора. Если у карбюраторного двигателя при этом изменяется объем поступившей в цилиндры топливовоздушной смеси, то дроссельная заслонка двигателя с впрыском топлива регулирует непосредственно только объем воздуха, состав же смеси зависит от массы топлива, впрыскиваемого топливоподающей аппаратурой.

Для поддержания состава смеси  в заданных пределах необходим автоматический регулятор состава смеси, дозирующий топливо в точном соответствии с  количеством поступающего в двигатель  воздуха.

Регулирование количества топлива, впрыскиваемого форсунками, может осуществляться по следующим параметрам: часовому расходу  воздуха;

часовому расходу воздуха и  частоте вращения коленчатого вала двигателя;

-углу открытия дроссельной заслонки и частоте вращения; разрежению во впускной системе двигателя;

-разрежению во впускной системе и частоте вращения; составу отработавших газов;

-комбинации перечисленных способов регулирования.

Регулирование по часовому расходу  воздуха и частоте вращения

коленчатого вала двигателя. Регулирование по часовому расходу воздуха производится на основе непосредственного измерения расхода воздуха лопастным расходомером, насадкой Вентури , мерным соплом или термоанемометром (рисунок. 5).

Наиболее простой является схема  регулятора, непосредственно связывающего массу топлива с объемом поступившего в двигатель воздуха. Практически это может быть реализовано, в первую очередь, в системах непрерывного впрыска с пневмомеханическим управлением. Такая

система регулирует состав смеси только в зависимости от количества расходуемого воздуха, но не учитывает особенностей изменения характеристик двигателя в зависимости от частоты вращения коленчатою вала. Этот недостаток устраняется в системах с измерителем расхода воздуха и электронным регулированием.

В системах с электронным регулированием дозирование топлива осуществляется электромагнитными форсунками, подающими топливо циклически. Подаваемые на форсунок и электрические импульсы формируются синхронно с частотой вращения двигателя, для чего в управляющий электронный блок вводится сигнал от специального датчики частоты вращения или от первичной цепи системы зажигания.

В управляющем блоке продолжительность  формируемых импульсов зависит  от циклового расхода воздуха  и корректируется в зависимости  от частоты вращения.

Регулирование по углу открытия дроссельной заслонки и частоте вращения двигателя. В таких системах величина циклового расхода воздуха связывается с положением дроссельной заслонки. Вместе с тем цикловой расход для каждого фиксированного положения заслонки зависит и от частоты вращения.

Такая схема применяется в системах с механическим регулированием и плунжерными топливными насосами. Рейка насоса перемещается механизмом, суммирующим воздействие центробежного регулятора и тяги привода дросселя, для этой цели использовалось устройство с пространственным (двухмерным) кулачком. Возможно применение этого принципа и в системах с электронным управлением, где сигнал угла поворота дросселя может сниматься с потенциометра, соединенного с его осью, а частота вращения учитываться частотной характеристикой электронного блока.