С-Петербург, улица Тосина 3
+7 (812) 917-84-85
+7 (921) 316-27-00
Главная » Разное » Непосредственный впрыск топлива бензиновый двигатель

Непосредственный впрыск топлива бензиновый двигатель


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.

Прямой впрыск топлива: устройство системы непосредственного впрыска

Как уже было сказано выше, горючее в подобных системах питания подается непосредственно в камеру сгорания двигателя. Это значит, что форсунки распыляют бензин не во впускном коллекторе, после чего топливно-воздушная смесь поступает через впускной клапан в цилиндр, а впрыскивают топливо в камеру сгорания напрямую.

Первыми бензиновыми двигателями с непосредственным впрыском стали моторы GDI на моделях японской компании Mitsubishi. В дальнейшем схема получила широкое распространение, в результате чего сегодня ДВС с такой системой подачи топлива можно встретить в линейке многих известных автопроизводителей.

Например, концерн VAG представил ряд моделей Audi и Volkswagen с атмосферными и турбированными бензиновыми двигателям TFSI, FSI и TSI, которые получили непосредственный впрыск топлива. Также двигатели с прямым впрыском производит компания BMW, Ford, GM, Mercedes и многие другие.

Такое широкое распространение непосредственный впрыск топлива получил благодаря высокой экономичности системы (около 10-15% по сравнению с распределенным впрыском), а также более полноценному сгоранию рабочей смеси в цилиндрах и снижению уровня токсичности отработавших газов.

Система непосредственного впрыска: конструктивные особенности

Итак, давайте в качестве примера возьмем двигатель FSI с его так называемым «послойным» впрыском. Система включает в себя следующие элементы:

  • контур высокого давления;
  • бензиновый ТНВД;
  • регулятор давления;
  • топливную рампу;
  • датчик высокого давления;
  • инжекторные форсунки;

Начнем с топливного насоса. Указанный насос создает высокое давление, под которым топливо подается к топливной рампе, а также на форсунки. Насос имеет плунжеры (плунжеров может быть как несколько, так и один в насосах роторного типа) и приводится в действие от распредвала впускных клапанов.

РДТ (регулятор давления топлива) интегрирован в насос и отвечает за дозированную подачу топлива, что соответствует впрыску форсунки. Топливная рейка (топливная рампа) нужна для того, чтобы распределить горючее на форсунки. Также наличие данного элемента позволяет избежать скачков давления (пульсации) горючего в контуре.

Кстати, в схеме используется специальный клапан-предохранитель, который стоит в рейке. Указанный клапан нужен для того, чтобы избежать слишком высокого давления топлива и тем самым защитить отдельные элементы системы. Рост давления может возникать по причине того, что горючее имеет свойство расширяться при нагреве.

Датчик высокого давления является устройством, которое измеряет давление в топливной рейке. Сигналы от датчика передаются на ЭБУ (электронный блок управления двигателем), который, в свою очередь, способен изменять давление в топливной рейке.

Что касается инжекторной форсунки, элемент обеспечивает своевременную подачу  и  распыл топлива в камере сгорания, чтобы создать необходимую топливно-воздушную смесь. Отметим, что описанные процессы протекают под управлением ЭСУД (электронная система управления двигателем). Система имеет группу различных датчиков, электронный блок управления, а также исполнительные устройства.

Если же говорить о системе прямого впрыска, вместе с датчиком высокого давления топлива для ее работы задействованы: датчик коленчатого вала, ДПРВ, датчик положения дроссельной заслонки, воздухорасходомер, датчик температуры воздуха во впускном коллекторе, датчик температуры ОЖ и т.д.

Благодаря работе этих датчиков на ЭБУ поступает нужная информация, после чего блок посылает сигналы на исполнительные устройства. Это позволяет добиться слаженной и точной работы электромагнитных клапанов, форсунок, предохранительного клапана и ряда других элементов.

 Как работает система непосредственного впрыска топлива

Главным плюсом непосредственного впрыска является возможность добиться различных типов смесеобразования. Другим словами, такая система питания способна гибко изменять состав рабочей топливно-воздушной смеси с учетом режима работы двигателя, его температуры, нагрузки на ДВС и т.д.

Следует выделить послойное смесеобразование, стехиометрическое, а также гомогенное. Именно такое смесеобразование позволяет в конечном итоге максимально эффективно расходовать топливо. Смесь всегда получается качественной независимо от режима работы ДВС, бензин сгорает полноценно, двигатель становится более мощным, при этом одновременно снижается токсичность выхлопа.

  • Послойное смесеобразование задействуется тогда, когда нагрузки на двигатель низкие или средние, а обороты коленвала небольшие. Если просто, в таких режимах смесь несколько обедняется в целях экономии.  Стехиометрическое смесеобразование предполагает приготовление такой смеси, которая легко воспламеняется, при этом не является слишком обогащенной.
  • Гомогенное смесеобразование позволяет получить так называемую «мощностную» смесь, которая нужна при больших нагрузках на двигатель. На обедненной гомогенной смеси в целях дополнительной экономии силовой агрегат работает на переходных режимах.
  • Когда задействован режим послойного смесеобразования, дроссельная заслонка широко открыта, при этом впускные заслонки находятся в закрытом состоянии. В камеру сгорания воздух подается с высокой скоростью, возникают завихрения воздушных потоков. Горючее впрыскивается ближе к концу такта сжатия, впрыск производится в область расположения свечи зажигания.
Рекомендуем также прочитать статью о том, как можно сделать тюнинг топливной системы двигателя. Из этой статьи вы узнаете о различных методах тюнинга системы питания двигателя, а также на что можно рассчитывать после такой процедуры.

За короткое время до того, как на свече появится искра, образуется топливно-воздушная смесь, в которой коэффициент избыточного воздуха составляет 1.5-3. Далее смесь воспламеняется от искры, при этом вокруг зоны воспламенения сохраняется достаточно количество воздуха. Указанный воздух выполняет функцию температурного «изолятора».

Если же рассматривать гомогенное стехиометрическое смесеобразование, такой процесс происходит тогда, когда впускные заслонки открыты, при этом дроссельная заслонка также открыта на тот или иной угол (зависит от степени нажатия на педаль акселератора).

В этом случае горючее впрыскивается еще на такте впуска, в результате чего удается получить однородную смесь. Избыток воздуха имеет коэффициент, близкий к единице. Такая смесь легко воспламеняется и полноценно сгорает по всему объему камеры сгорания.

Обедненная гомогенная смесь создается тогда, когда дроссельная заслонка полностью открыта,  а впускные заслонки закрыты. В этом случае воздух активно движется в цилиндре, а впрыск горючего приходится на такт впуска. ЭСУД поддерживает избыток воздуха на отметке 1.5.

Дополнительно к чистому воздуху могут быть добавлены отработавшие газы. Это происходит благодаря работе системы рециркуляции отработавших газов EGR. В результате выхлоп повторно «догорает» в цилиндрах без ущерба для мотора. При этом снижается уровень выброса вредных веществ в атмосферу.

Что в итоге

Как видно, прямой впрыск позволяет добиться не только экономии топлива, но и хорошей отдачи от двигателя как в режимах низких и средних, так и высоких нагрузок. Другими словами, наличие непосредственного впрыска означает, что оптимальный состав смеси будет поддерживаться на всех режимах работы ДВС.

Рекомендуем также прочитать статью о том, чем инжекторный впрыск отличается от карбюратора. Из этой статьи вы узнаете об основных отличиях данных решений, а также какие плюсы и минусы имеет карбюратор и инжектор.

Что касается недостатков, к минусам прямого впрыска можно отнести разве что повышенную сложность  во время ремонта и цену запчастей, а также высокую чувствительность системы к качеству горючего и состоянию фильтров топлива и воздуха.

Система непосредственного впрыска: устройство и принцип работы

Для более эффективной подачи топлива была разработана усовершенствованная система непосредственного впрыска, применяемая на большинстве современных бензиновых ДВС. Непосредственный впрыск предполагает прямую подачу топливной смеси в цилиндры, минуя топливный коллектор. На сегодняшний день это одна из наиболее прогрессивных систем подачи топлива.

Система была разработана французским инженером Л. Левассором, а первый ее прототип был установлен в авиационный двигатель V8. Первая автомобильная система непосредственной (прямой) подачи топлива была сконструирована в 1952 году компанией Bosch и применялась на достаточно известных тогда марках автомобилей Gutbrod и Goliath.

В 1996 году была представлена система непосредственной подачи топлива GDI, которая устанавливалась на 4-х цилиндровые двигатели в автомобилях компании Mitsubishi. В 1998 году концерн Toyota представил свою разработку – систему D4.

Год спустя появилась еще одна система под названием IDE от концерна Renault. Система FSI компании Volkswagen была выпущена на рынок в начале 2000 года.

В настоящее время подобные топливные системы производят всемирно известные автомобильные конгломераты, такие как Volkswagen,  Audi, Infiniti, BMW, General Motors, Mercedes-Benz, Ford.

Использование системы подобного типа дает возможность на 15-18% снизить топливные расходы, а также уменьшить  уровень токсичности отработанных газов.

Как устроена система непосредственного впрыска

Конструкция системы непосредственной подачи топлива состоит из топливного насоса (ТНВД), рампы, механизма для регулировки давления топливной смеси, набора датчиков (датчики высокого давления, датчики входа), предохранительного клапана,  форсунок, блока управления.

Топливный насос (ТНВД)

Насос высокого давления предназначен для реализации основной функции -  подачи топлива через рампу к форсункам под высоким рабочим давлением в диапазоне от 3 до 11 МПа для обеспечения бесперебойной работы ДВС. Конструкция насоса может включать в себя один или несколько плунжеров, приводимых в действие при помощи распредвала. Подробнее о ТНВД читайте здесь…

Рампа

Рампа используется для равномерного распределения топлива, поступившего к форсункам и предотвращения изменения его рабочего давления в самом топливном контуре.

Клапан предохранительный

Клапан устанавливается на топливную рампу и предназначен для обеспечения защиты топливной системы от чрезмерно высокого давления на предельных значениях, которое образуется вследствие значительного расширения топливной смеси.

Регулятор давления

Регулятор предназначен для точного дозирования топлива при помощи насоса с учетом рабочих возможностей топливных форсунок. Регулятор устанавливается внутри насоса.

Датчик ВД (высокого давления)

Данный тип датчика используется для измерения рабочего давления ТС в рампе. На основании полученных сигналов от датчика происходит изменение давления в рампе.

Форсунка

Основная функция форсунки – обеспечить впрыск подаваемого топлива в камеру сгорания с дальнейшим образованием ТВС.

Механизм управления

Традиционно механизм управления системой непосредственной подачи топлива состоит из блока управления, входных датчиков и механизмов исполнения.

Как и другие топливные системы, данная система оснащается дополнительными датчиками – датчиком температурного режима воздуха, температуры двигателя, температуры жидкости-хладагента, расхода воздуха, положения распредвала и т.д.

Как работает система непосредственного впрыска

Система непосредственного впрыска может обеспечивать три способа образования ТВС – гомогенный (однородный), послойный и стехиометрический гомогенный (легковоспламеняемый).

Такие возможности в смесеобразовании позволяют с максимальной эффективностью использовать топливо, за счет чего обеспечивается экономичность и экологичность двигателя при одновременном повышении динамических  характеристик силового агрегата.

Гомогенный способ образования смеси

Топливная смесь, полученная гомогенным способом, является менее эффективной и бедной. Зачастую она может использоваться только на промежуточном этапе работы двигателя. Образование гомогенной смеси происходит при открытой заслонке дроссельного типа и закрытых заслонках впуска.

Это приводит к интенсивному передвижению воздуха в топливных цилиндрах. На такте впуска происходит подача топлива, при этом коэффициент избыточного воздуха составляет 1,5. В некоторых случаях допускается добавление отработанных газов в полученную смесь (не более 22-25% от общего объема смеси).

Послойный способ образования смеси

Подобный способ смесеобразования применяется в тех случаях, когда ДВС работает на малых или средних оборотах с небольшой рабочей нагрузкой. Образование смеси при послойном способе осуществляется при открытой заслонке дроссельного типа и закрытых заслонках впуска.

Воздушная масса поступается в камеру сгорания, образуя воздушный волчок. Топливо подается на свечу зажигания на такте сжатия. Через некоторое время возле свечи происходит образование ТВС с коэффициентом избытка в диапазоне 1,5 – 3. 

В процессе воспламенения происходит выделение очищенного воздуха, который используется в качестве изолятора тепловой энергии.

Стехиометрический способ образования смеси

Данный способ используется на повышенных оборотах и высоких нагрузках ДВС. Образование смеси происходит при открытых заслонках впуска и открытой дроссельной заслонке, при воздействии на педаль газа.

Подача топлива осуществляется на такте впуска, в результате чего получается однообразная топливная смесь. При этом коэффициент избытка не превышает единицы. Это приводит к ускоренному воспламенению ТВС и ее быстрому сгоранию.

Другие материалы по теме:

Система непосредственного впрыска — DRIVE2

Система непосредственного впрыска топлива является самой современной системой впрыска топлива бензиновых двигателей. Работа системы основана на впрыске топлива непосредственно в камеру сгорания двигателя.

Впервые система непосредственного впрыска была применена на двигателе GDI (Gasoline Direct Injection – непосредственный впрыск бензина), устанавливаемом на автомобили компании Mitsubishi. В настоящее время система непосредственного впрыска используется в двигателях многих автопроизводителей. Передовики Audi (двигатели TFSI) и Volkswagen (двигатели FSI, TSI), которые практически полностью перешли на бензиновые двигатели с непосредственным впрыском.

Двигатели с непосредственным впрыском имеют в своем активе BMW (двигатели N54, N63), Infiniti (двигатели M56), Ford (двигатели EcoBoost), General Motors (двигатели Ecotec), Hyundai (двигатели Theta), Mazda (двигатели Skyactiv), Mercedes-Benz (двигатели CGI).

Применение системы непосредственного впрыска позволяет достичь до 15% экономии топлива, а также сокращения выброса вредных веществ с отработавшими газами.

Устройство системы непосредственного впрыска топлива

Конструкция системы непосредственного впрыска топлива рассмотрена на примере системы, устанавливаемой на двигатели FSI (Fuel Stratified Injection – послойный впрыск топлива). Система непосредственного впрыска составляет контур высокого давления топливной системы двигателя и включает топливный насос высокого давления, регулятор давления топлива, топливную рампу, предохранительный клапан, датчик высокого давления и форсунки впрыска.

Топливный насос высокого давления служит для подачи топлива к топливной рампе и далее к форсункам впрыска под высоким давлениям (3-11 МПА) в соответствии с потребностями двигателя. Основу конструкции насоса составляет один или несколько плунжеров. Насос приводится в действие от распределительного вала впускных клапанов.

Регулятор давления топлива обеспечивает дозированную подачу топлива насосом в соответствии с впрыском форсунки. Регулятор расположен в топливном насосе высокого давления. Топливная рампа служит для распределения топлива по форсункам впрыска и предотвращения пульсации топлива в контуре. Предохранительный клапан защищает элементы системы впрыска от предельных давлений, возникающих при температурном расширении топлива. Клапан устанавливается на топливной рампе.

Датчик высокого давления предназначен для измерения давления в топливной рампе. В соответствии с сигналами датчика блок управления двигателем может изменять давление в топливной рампе. Форсунка впрыска обеспечивает распыление топлива в камере сгорания для образования топливно-воздушной смеси.

Согласованную работу системы обеспечивает электронная система управления двигателем, которая является дальнейшим развитием объединенной системы впрыска и зажигания. Традиционно система управления двигателем объединяет входные датчики, блок управления и исполнительные механизмы.

Помимо датчика высокого давления топлива в интересах системы непосредственного впрыска работают датчик частоты вращения коленчатого вала, датчик положения распределительного вала, датчик положения педали акселератора, расходомер воздуха, датчик температуры охлаждающей жидкости, датчик температуры воздуха на впуске.

В совокупности датчики обеспечивают необходимой информацией блок управления двигателем, на основании которой блок воздействует на исполнительные механизмы — электромагнитные клапаны форсунок, предохранительный и перепускной клапаны.

Принцип действия системы непосредственного впрыска

Система непосредственного впрыска в результате работы обеспечивает несколько видов смесеобразования:

• послойное ;• стехиометрическое гомогенное ;

• гомогенное.

Многообразие в смесеобразовании определяет высокую эффективность использования топлива (экономия, качество образования смеси, ее полное сгорание, увеличение мощности, уменьшение вредных выбросов) на всех режимах работы двигателя.

Послойное смесеобразование используется при работе двигателя на малых и средних оборотах и нагрузках. Стехиометрическое (другое наименование – легковоспламеняемое) гомогенное (другое наименование – однородное) смесеобразование применяется при высоких оборотах двигателя и больших нагрузках. На бедной гомогенной смеси двигатель работает в промежуточных режимах.

При послойном смесеобразовании дроссельная заслонка почти полностью открыта, впускные заслонки закрыты. Воздух поступает в камеры сгорания с большой скоростью, с образованием воздушного вихря. Впрыск топлива производится в зону свечи зажигания в конце такта сжатия. За непродолжительное время до воспламенения в районе свечи зажигания образуется топливно-воздушная смесь с коэффициентом избытка воздуха от 1,5 до 3. При воспламенении смеси вокруг нее остается достаточно много чистого воздуха, выступающего в роли теплоизолятора.

Гомогенное стехиометрическое смесеобразование происходит при открытых впускных заслонках, дроссельная заслонка при этом открывается в соответствии с положением педали газа. Впрыск топлива производится на такте впуска, что способствует образованию однородной смеси. Коэффициент избытка воздуха составляет 1. Смесь воспламеняется и эффективно сгорает во всем объеме камеры сгорания.

Бедная гомогенная смесь образуется при максимально открытой дроссельной заслонке и закрытыми впускными заслонками. При этом создается интенсивное движение воздуха в цилиндрах. Впрыск топлива производится на такте впуска. Коэффициент избытка воздуха поддерживается системой управления двигателем на уровне 1,5. При необходимости в состав смеси добавляются отработавшие газы из выпускной системы, содержание которых может доходить до 25%.

Устройство автомобилей



Система непосредственного впрыска инжекторных двигателей аналогична по конструкции системе питания дизельных двигателей Common Rail, предложенной в конце 60-х годов прошлого столетия швейцарским инженером Робертом Хубером, и завоевавшей в настоящее время широкую популярность, активно вытесняя классическую систему питания дизелей благодаря существенным достоинствам.

Слабым местом всех систем непосредственного впрыска топлива в цилиндры двигателя является низкая эффективность смесеобразования – для того, чтобы топливо достаточно быстро сгорало, необходимо его тщательно перемешать с воздухом. По понятным причинам, системы с внешним смесеобразованием в этом плане имеют существенное преимущество, поскольку топливо и воздух перемешиваются еще до подачи в цилиндры двигателя и горение протекает интенсивнее.

Поэтому конструкторам, разрабатывающим дизельные двигатели и бензиновые двигатели с непосредственным впрыском топлива, приходится решать достаточно сложную задачу – как в сотые доли секунды получить внутри цилиндра равномерно распределенную по камере сгорания топливовоздушную смесь требуемого состава и качества.

Одним из путей решения проблемы является повышение давления топлива, впрыскиваемого форсункой в цилиндр двигателя. Топливо, вырывающееся под большим давлением из сопла распылителя форсунки, распыляется более интенсивно, широким фронтом, распространяясь при этом по камере сгорания и активно смешиваясь с воздухом. Второй путь интенсификации смесеобразования, над которым работают конструкторы – создание формы камеры сгорания и головки поршня, способствующей завихрению воздуха при сжатии, что тоже способствует перемешиванию бензина и воздуха в цилиндре.

Для инжекторных двигателей с системой питания, использующей непосредственный впрыск, повышение давления впрыска достигается применением топливного насоса высокого давления, необходимость в котором для систем центрального и распределенного впрыска отсутствует. Конечно же, топливная аппаратура высокого давления ложится определенным бременем на стоимости всей системы питания, что является одним из недостатков системы непосредственного впрыска, тем не менее, достоинства такой системы тоже очевидны. Двигатель, использующий непосредственный впрыск бензина, экономичнее и экологичнее аналогичных двигателей с внешним впрыском, кроме того, он меньше склонен к детонационным явлениям во время работы.

Итак, для того чтобы обеспечить качественное смесеобразование внутри цилиндра, необходимо повысить давление впрыска. Поэтому в системе непосредственного впрыска топлива насос низкого давления подает топливо через фильтр к насосу высокого давления, который создает в аккумуляторе (накопитель, где топливо находится под высоким давлением) давление 5…13 МПа. При превышении давления специальный регулятор перепустит избыточное топливо на вход насоса высокого давления. Значение давления в аккумуляторе (накопителе) регистрируется датчиком давления и подается на электронный блок управления (ЭБУ). Топливо из аккумулятора подается к электромагнитным форсункам, которые включаются по команде от микропроцессора.



Благодаря впрыску топлива сразу после подачи искры в цилиндре обеспечивается воспламенение топливовоздушной смеси нормального состава, который поддерживает ЭБУ. При этом в удаленных от электродов зонах состав горючей смеси остается обедненным и даже бедным (в самых крайних зонах). Таким образом, при непосредственном впрыске образуется неравномерный состав топливовоздушной смеси по всему объему камеры сгорания.

Из возникшего у электродов свечи зажигания очага горения фронт пламени распространяется в периферийные зоны, где воспламеняет бедные составы смеси с коэффициентом избытка воздуха α≥2. В результате существенно повышается топливная экономичность двигателя и снижается вероятность возникновения детонации.

По сравнению с системой распределенного впрыска система непосредственного впрыска обладает следующими недостатками:

  • более высокая стоимость из-за наличия аппаратуры высокого давления;
  • сложные температурные условия работы форсунки, распылитель которой расположен в камере сгорания;
  • сложная форма камеры сгорания, необходимая для лучшего перемешивания воздуха и бензина;
  • повышенные требования к бензину (ограничение содержания серы) и качеству его очистки.

Кроме того, использование насосов высокого давления или насос-форсунок традиционных конструкций осложняется отсутствием у бензина смазывающих свойств.

Тем не менее, благодаря описанным выше преимуществам, в первую очередь – высокой экономичности, система непосредственного впрыска все шире применяется производителями автомобилей и завоевывает популярность у автомобилистов. Можно предположить, что с развитием и совершенствованием технологий изготовления точных деталей системы с непосредственным впрыском займут лидирующие позиции в конструкциях бензиновых автомобильных двигателей.

***

Механическая система впрыска K-Jetronic


Главная страница
Специальности
Учебные дисциплины
Олимпиады и тесты

Смотрите также

 

"Питер - АТ"
ИНН 780703320484
ОГРНИП 313784720500453

Новости