Исследование процесса технической эксплуатации топливных форсунок системы распределённого впрыска

Как показали проведенные  исследования, оптимальным местом для  установки топливной форсунки является зона над дроссельной заслонкой. В этом месте достигается наибольшая скорость воздуха, что обеспечивает хорошее смешивание топлива с  воздухом.

Рис. Блок Mono Jetronic с центральной форсункой.

В едином корпусе размешен регулятор давления, поддерживающий давление топлива на постоянном уровне (приблизительно 1 атм), а также специальная топливная форсунка с малым временем срабатывания.Здесь же расположен регулятор холостого хода, датчик дроссельной заслонки и датчик температуры воздуха.

Расход воздуха Q определяется по углу разворота дроссельной заслонки (по напряжению на потенциометре, расположенном  на оси дроссельной заслонки). Частота  вращения коленчатого вала двигателя  п определяется по импульсам системы зажигания.

Продолжительность впрыска  вычисляется блоком электронного управления в соответствии с отношением Q/n.

Управление системой осуществляется электронным блоком, включающим в  себя микропроцессор, постоянное запоминающее устройство для хранения данных и  аналогово-цифровой преобразователь.

В блоке электронного управления производится определение базовой  продолжительности впрыска топлива. Для расчета продолжительности  впрыска используется частота вращения двигателя и угол поворота дроссельной  заслонки. Вычисления производятся при  помощи карты, на которой определены 15 значений угла поворота дроссельной  заслонки и частот вращения двигателя.

На основе базовой продолжительности  впрыска производится корректировка  с учетом различных параметров.

Система управления может  быть запрограммирована для учета  таких режимов, как пуск холодного  двигателя, разгон, работа двигателя  с максимальной загрузкой и замедление автомобиля.

Кроме того, дополнительно  может осуществляться лямбда-управление составом рабочей смеси (подробно описанное в следующем разделе).

Еще одна дополнительная возможность  системы управления -регулирование частоты вращения двигателя на холостом ходу при помощи сервомотора, управляющего углом поворота дроссельной заслонки и, соответственно, поступлением воздуха в двигатель.

1.3 Центральный впрыск

Основные отличия системы  впрыска от карбюратора достаточно наглядны, если рассмотреть систему  центрального впрыска, например, Bosch Mono-Jetronic, схема которой представлена на рис. 1.

На впускном коллекторе на месте привычного карбюратора прямо над дроссельной заслонкой (отсюда Throttle Body Injection) расположена электромагнитная форсунка, или инжектор. На первый взгляд очень похоже на карбюратор. Да и функции те же, только выполняются по-другому. Форсунка представляет собой быстродействующий электромагнитный клапан с соплом, обеспечивающим высокоэффективное распыливание топлива, когда клапан находится в открытом состоянии. Для открытия клапана на него подается управляющее напряжение. Топливо к форсунке подводится под давлением около 1 кг/см кв. через фильтр электрическим насосом, расположенным в бензобаке 1. Распыленное топливо с потоком воздуха всасывается двигателем.

Количество подаваемого  топлива зависит от времени открытия клапана форсунки, дозирование осуществляется дискретно-временным (импульсным) способом. Время открытия клапана (приблизительно от 1 до 20 миллисекунд) определяется электронным  блоком - компьютером, который сравнивает занесенные в его память экспериментальные  данные об оптимальном режиме работы двигателя с информацией о  его нагрузочном режиме в данный момент времени, поступающей от установленных  на двигателе датчиков.

Частота срабатывания клапана  форсунки кратна частоте вращения коленчатого  вала двигателя. В более совершенных  вариантах такой системы момент впрыска связан также и с фазами газораспределения, т. е. с моментами  открытия впускных клапанов.

Системы центрального впрыска, безусловно, являлись шагом вперед по сравнению с карбюраторными системами  питания, но из-за своей простоты не лишены недостатков и уже не удовлетворяют  современным требованиям. Основной изъян, как и у карбюратора, - неоднородное распределение смеси по цилиндрам  и ее конденсация во впускном коллекторе.

В Европе и Японии системы  центрального впрыска получили распространение  в основном на небольших автомобилях, что связано прежде всего с относительной дешевизной этих систем. Немаловажно и то, что под них легко адаптируются карбюраторные двигатели почти без конструктивных переделок или технологических изменений в производстве. А вот в США, где пик популярности систем центрального впрыска пришелся на конец 80-х - начало 90-х годов, их ставили на двигатели любого объема - вплоть до самых больших - 7,5 литровых.

1.4 Многоточечный впрыск

Более совершенными являются системы многоточечного впрыска, в  которых подача топлива к каждому  цилиндру осуществляется индивидуально. Устройство такой системы на примере  L-Jetronic.

Топливо из бензобака насосом  через топливный фильтр подается к общей распределительной магистрали, запитывающей электромагнитные форсунки. Давление топлива поддерживается постоянным, благодаря регулятору, который направляет излишки топлива обратно в бак. В каждый цилиндр двигателя топливо впрыскивается отдельной форсункой. Принцип дозирования количества топлива, как и во всех системах с электронным управлением, - временной. Клапаны форсунок управляются электрически и открываются синхронно с работой коленчатого вала двигателя поодиночке или группами по 2 или 3 (т. н. последовательный впрыск - sequental fuel injection). Микропроцессор (компьютер), входящий в состав блока управления, обрабатывает поступающие от соответствующих датчиков данные о нагрузочном режиме двигателя, частоте вращения и положении коленчатого вала, положении дроссельной заслонки, температуре охлаждающей жидкости, количестве и температуре поступающего в двигатель воздуха... Эти данные в сопоставлении с заложенными в память блока управления экспериментальными регулировочными характеристиками используются процессором блока для определения длительности импульсов напряжения, подаваемых на клапаны форсунок. В наиболее совершенных моделях систем этого типа определяется также и оптимальный момент впрыска.

Основной датчик во всех системах впрыска - это устройство, измеряющее количество поступающего в  двигатель воздуха, что позволяет  судить о нагрузочном режиме двигателя. Измерять количество воздуха можно  по-разному. В первой и самой простой  системе Bosch D-Jetronic измерялось давление во впускном коллекторе, отсюда обозначение D (Druck по-немецки - давление). Это был косвенный метод, такой же, как в карбюраторе. В 1974 году появилась система L-Jetronic, в которой количество поступающего в двигатель воздуха определялось более точно - по углу отклонения шторки, или лопасти датчика воздушного потока (Luft - воздух). Самый точный метод измерений использован в системах LH-Jetronic (1984 год) и LH-Motronic (1987 год, Motronic по классификации Bosch обозначает систему управления впрыском, объединенную с системой управления зажиганием). Буква H в обозначении - от немецкого Heiss - горячий. Действительно, в термоанемометрах системы LH используется тонкий (70 мкм) платиновый проводник, нагретый до 1000C. Поток проходящего воздуха охлаждает проводник, по изменению его электрического сопротивления определяется количество проходящего воздуха. Преимущество: прямое измерение массы, а не объема воздуха, что позволяет отказаться от поправок на температуру и плотность воздуха, или высоту над уровнем моря.

1.5 Непрерывный впрыск

Описанные выше системы являются импульсными, впрыск топлива форсунками осуществляется дискретно, по командам блока управления. Можно сделать  проще - подавать топливо из форсунок непрерывно, изменяя лишь его количество в зависимости от нагрузки на двигатель.

В качестве примера современного устройства непрерывного впрыска можно  привести систему К-Jetronic, созданную Bosch в 1973 году и годом позже примененную на Porsche 911T. Буква K в обозначении - от немецкого Kontinuerlich - непрерывный. Система с механическим (иногда его называют гидравлическим) управлением не лишена недостатков. Пожалуй, единственная причина появления механической системы в то время, когда на рынке давно и широко были представлены электронные, заключалась в ее низкой цене, сопоставимой со стоимостью карбюраторных систем питания.

Работу К-Jetronic можно описать следующим образом: поток воздуха, засасываемый двигателем, отклоняет напорный диск, который через рычаг воздействует на дозирующий плунжер, а тот, перемещаясь внутри цилиндра, изменяет площадь радиально расположенных дозирующих отверстий. Количество отверстий равно количеству цилиндров двигателя. В цилиндр под давлением порядка 5-6 кг/см кв. подается топливо, нагнетаемое электрическим бензонасосом. Пройдя дозирующие отверстия, топливо по трубопроводам поступает к впрыскивающим форсункам (инжекторам), которые расположены прямо над впускными клапанами. Форсунки в этой системе - это просто пружинные клапаны с распылителем на конце, которые открываются при определенном давлении. Топливо из форсунок поступает непрерывно, меняется лишь его количество, определяемое положением дозирующего плунжера (на самом деле все несколько сложнее, мы намеренно не описали еще несколько подсистем, но сути это не меняет). Чем выше нагрузка на двигатель, тем сильнее отклоняется напорный диск и тем выше поднимается дозирующий плунжер, увеличивая тем самым площадь отверстий, а значит, и подачу топлива к форсункам.

В момент открытия впускного  клапана поступившее топливо  смешивается с воздухом и всасывается  в цилиндр. Все остальное время, пока впускной клапан закрыт, в зоне над ним происходит накопление и  испарение топлива. С технической  точки зрения не очень изящно, но тем не менее К-Jetronic неплохо работает, доказательством чему являются миллионы изготовленных экземпляров данной системы и ее многочисленные модификации, выпущенные после 1973 года. Особой любовью такие системы пользовались у инженеров из Штутгарта - вплоть до недавнего времени впрыск топлива на автомобилях Mercedes был представлен почти исключительно системами K- и KE-Jetronic.

KE-Jetronic является развитием системы К-Jetronic, но в отличие от последней, она снабжена электронным блоком и некоторыми другими дополнениями, сделавшими работу системы более точной и гибкой. Есть вариант KE-Jetronic с лямбда-сенсором. Есть и другие усовершенствования базовой системы: KE3-Jetronic и KE-Motronic, дополненные схемами управления зажиганием. Применяются они в основном на автомобилях Audi под названиями соответственно CIS-E III и CIS-Motronic.

Стоит сказать, что созданные  Bosch системы непрерывного впрыска используются исключительно на автомобилях европейских производителей - c 1989 года ни на одной машине японского или американского происхождения К-Jetronic или ее аналоги не устанавливались. Среди европейских пользователей - все ведущие фирмы: Audi, BMW, Ferrari, Lotus, Mercedes, Peugeot, Porsche, Renault, Rolls-Royce, Saab, Volvo и, конечно, Volkswagen. На 12-цилиндровых двигателях Ferrari (Testarossa) и Mercedes по две системы KE-Jetronic устанавливались параллельно, каждая обслуживала свою группу цилиндров.

Отличительным внешним признаком  системы непрерывного впрыска является отдельный блок, объединяющий в себе измеритель воздушного потока и дозирующее устройство. Этот блок, как правило, крепится между воздушным фильтром и впускным коллектором, с которым  соединяется гибким рукавом. От дозирующего  устройства к каждому (если впрыск многоточечный) инжектору подведен отдельный тонкий бензопровод. Встречаются, правда, и  исключения: на многих двигателях Mercedes, а также на V-образных шестерках Peugeot, Renault и Volvo этот блок крепится прямо на впускном коллекторе и закрыт сверху воздушным фильтром - внешне похоже на обычный карбюратор. В любом случае электрические провода к инжекторам и единый массивный распределительный бензопровод, являющиеся отличительными признаками системы импульсного впрыска, естественно, отсутствуют.

Для обогащения смеси в  момент пуска холодного двигателя  в системах многоточечного впрыска  во впускной трубопровод раньше устанавливали  еще одну, дополнительную форсунку, т. н. инжектор холодного пуска, управляемый  термочувствительным переключателем. В последние годы от этого решения  отказались, изменив при пуске  режим работы стандартных инжекторов.

1.6 Непосредственный впрыск

Перспективной разновидностью многоточечного впрыска являются системы  непосредственного, или прямого  впрыска топлива. От обычных конструкций  они отличаются тем, что впрыск бензина  происходит не во впускной коллектор, а непосредственно в камеру сгорания. Интересно, что первая в мире система  впрыска для серийного бензинового  двигателя (Mercedes-Benz 300SL, 1954 год) относилась именно к этой категории. Но там использовались топливные насосы высокого давления с механическим приводом от двигателя, что требовало высокой точности изготовления и тщательной регулировки. Стоимость таких систем и их обслуживания была весьма высока, да и Mercedes-Benz 300SL назвать серийным автомобилем можно лишь с большой натяжкой. Широкого применения они не нашли.

Реализация на современном  техническом уровне идеи прямого  впрыска для бензиновых двигателей требует решения ряда конструктивных и технологических проблем, и  осуществить ее в массовом производстве пока не удается, тем не менее идея считается весьма перспективной, разработки в этом направлении ведутся многими фирмами.

На Tokyo Motor Show в конце 1993 года Toyota показала свой новый двигатель D-4 ("Автопилот #1). Это 4-цилиндровый бензиновый двигатель с непосредственным впрыском топлива, работающий на переобедненной смеси. Степень сжатия 12,5. Топливо подается под давлением более 100 кг/см кв. Применены быстродействующие пьезоэлектрические инжекторы повышенной точности, которые фирма называет электронными. Момент впрыска регулируется в зависимости от нагрузки на двигатель: при малых и средних нагрузках впрыск происходит позднее, при больших - раньше. Для управления турбуленцией потока в цилиндре применен специальный клапан (swirl control valve) в воздушном впускном патрубке, открывающийся при больших нагрузках.

Работа над двигателем продолжается, по окончании его доводки  конструкторы надеются добиться 20% экономии топлива. Массовое внедрение двигателей с непосредственным впрыском фирмы  Toyota ожидают не ранее 2005-2010 годов.

1.7 Почему возникла необходимость в системах впрыска

А теперь наконец попробуем разобраться, почему собственно системы впрыска получили такое распространение и в чем их преимущество перед теми же карбюраторами?

Может показаться, что ответ  лежит на поверхности - системы впрыска  позволяют увеличить мощность, улучшить динамику, двигатель становится более  экономичным. Действительно, вначале  целью внедрения таких систем на серийных автомобилях было прежде всего улучшение ездовых качеств. Однако обвальное распространение впрыска топлива на современных автомобилях обусловлено прежде всего не техническими, а экологическими соображениями.