Как работает система впрыска топлива

Чтобы механизм работал плавно и эффективно, ему требуется нормативное количество смеси топлива и воздуха.

Система впрыска топлива

В автомобилях с двигателями, работающими на топливе из нефти, используются системы непрямого сгорания топлива. Топливный насос подает бензин в двигательный отсек, откуда оно впрыскивается во впускной коллектор с помощью форсунки. Для каждого цилиндра предусмотрена своя форсунка, однако в некоторых случаях одна или две форсунки стоят во впускном коллекторе.

На протяжении долгих лет подача смеси топлива и воздуха регулировалась карбюратором, который является далеко не совершенным устройством.

Основным недостатком карбюратора, установленного на двигателе с четырьмя цилиндрами, является то, что он не может делить смесь топлива и воздуха на равные порции, т.к. одни цилиндры находятся от него дальше, чем другие.

Проблема отчасти решается сдвоенным карбюратором, однако его сложно правильно настроить. Именно поэтому в настоящее время производители оснащают свои автомобили инжекторными системами подачи топлива, способными четко отмерять порции. Такие системы обладают большей мощностью и эффективностью, чем карбюраторные. Кроме того, они экономичны и выбрасывают в атмосферу меньше вредных веществ.

Системы впрыска дизельного топлива

Системы впрыска топлива в автомобилях, работающих на бензиновых двигателях, относятся к системам непрямого сгорания, т.е. топливо впрыскивается во впускной коллектор или впускное отверстие, а не в камеру сгорания. Таким образом перед попаданием в камеру бензин равномерно смешивается с воздухом.

Тем не менее, во многих дизельных двигателях используются системы прямого впрыска, т.е. топливо подается непосредственно в цилиндр, заполненный сжатым воздухом. В системах непрямого впрыска топливо подается в специальную предкамеру, соединенную с головкой блока цилиндров узким каналом.

В цилиндр втягивается только воздух, который благодаря сжатию разогревается до такой степени, что топливо, впрыскиваемое в конце такта, самовоспламеняется.

Первичное впрыскивание

Современные системы впрыска бензина являются непрямыми. Специальный насос подает сжатое топливо из топливного бака в двигательный отсек, где (опять же, под давлением) оно распределяется по цилиндрам.

В зависимости от особенностей конкретной системы, топливо подается во впускной коллектор или отверстие с помощью форсунки, которая похожа на распылитель, извергающий мелкие брызги топлива. Проходя через впускной коллектор или отверстие, топливо смешивается с воздухом, а затем поступает в камеру сгорания.

В некоторых автомобилях топливо поступает в каждый цилиндр через отдельную форсунку. Это сложный и затратный метод, поэтому чаще используются системы одноточечного впрыска, т.е. одна форсунка распределяет топливо по всем цилиндрам. И наконец, существуют системы, в которых одна форсунка питает пару цилиндров.

Форсунки

Форсунки, через которые происходит впрыск топлива, имеют винтовую форму и распылитель, который ведет во впускной коллектор или головку блока цилиндров и расположен под углом так, чтобы поток топлива был направлен на впускной клапан.

В зависимости от типа системы впрыска форсунки бывают двух видов. В первом случае используется метод непрерывной подачи, т.е. топливо впрыскивается во впускное отверстие все время, пока работает двигатель. Иными словами, форсунка работает как распылитель, который разделяет поток топлива на капли, и фактически не регулирует его. Количество распыляемого топлива увеличивается или уменьшается с помощью механического или электронного командного модуля, т.е. владелец автомобиля просто открывает и закрывает кран.

В системах прерывистого впрыска топливо поставляется отдельными порциями, причем моменты подачи совпадают с тактами впуска цилиндра. Как и в случае с системами непрерывной подачи, системы прерывистого впрыска управляются с помощью механических или электронных командных модулей.

В старейших системах использовались механические модули, которые управляли потоком топлива с помощью механических деталей. Недостатком таких систем являлась их сложность и большая нагрузка на двигатель.

В настоящее время вместо механических систем управления впрыском используются электронные. Они сравнительно дешевы и обладают большей надежностью.

Типы форсунок

В зависимости от типа системы впрыска (механическая или электронная), форсунки могут быть двух видов.

В механических системах форсунка закрывается пружиной и открывается под давлением топлива.

Механическая форсунка

Форсунки в электронных системах закрываются с помощью пружин, подобно механическим, а открываются магнитами, встроенными в корпус. Электронный модуль управления определяет время, в течение которого форсунка остается открытой.

Электронная форсунка

Механические системы впрыска топлива

Механическая система впрыска топлива Lucas

В системе Lucas топливо, которое находится под высоким давлением, направляется из бака в аккумулятор, а затем в дозатор, посылающий порции на форсунки, подающие топливо во впускные отверстия.

Поток воздуха управляется возвратной заслонкой, которая открывается при нажатии педали газа. При увеличении потока дозатор автоматически увеличивает порцию топлива, подаваемого на форсунки, чтобы соотношение топлива и воздуха оставалось неизменным.

При холодном запуске двигателя регулятор состава смеси или (в более поздних моделях) микропроцессор включает форсунку холодного пуска, которая подает дополнительную порцию топлива, увеличивая концентрацию смеси. Как только двигатель разогреется до нужной температуры, термореле автоматически выключает форсунку холодного пуска.

Многие производители использовали механические системы подачи топлива в высококачественных спорткарах и седанах 1960-1970-х гг.  В частности, при производстве британских автомобилей (например, Triumph TR6 и 2500) использовалась система прерывистого впрыска Lucas.

Топливный насос с электрическим приводом, расположенный рядом с баком, нагнетает топливо под давлением 7 атм. в аккумулятор, который представляет собой емкость для краткосрочного хранения топлива и поддерживает давление на нужном уровне. Кроме того, аккумулятор сглаживает толчки, производимые насосом.

Из аккумулятора сквозь фильтр с бумажными элементами топливо поступает в устройство для замера расхода топлива, также известное как дозатор. Дозатор работает от распределительного вала и, в соответствии со своим названием, отмеряет порции топлива для цилиндров.

Каждая порция ограничивается возвратной заслонкой, которая расположена в системе впуска воздуха. Движение заслонки зависит от силы потока воздуха - чем они сильнее, тем больше топлива нужно цилиндрам. При поднятии заслонки меняется положение челночного клапана в дозаторе, и объем порций увеличивается.

Покинув дозатор, топливо отправляется в форсунки, а затем распыляется во впускное отверстие, расположенное в головке блока цилиндров. Каждая форсунка обладает пружинным клапаном, который удерживается в закрытом положении за счет давления пружины. Клапан открывается только при распылении топлива.

При холодном запуске нельзя отделить часть воздушного потока, чтобы увеличить концентрацию смеси, как в случае с карбюратором, Поэтому положение челночного клапана, расположенного в дозатор, регулируется с помощью устройства ручного управления, расположенного на панели и напоминающего рукоятку подсоса. В более поздних моделях устройство ручного управления было заменено микропроцессором. В результате запускается дополнительная форсунка, расположенная в коллекторе, распыляющая добавочную порцию топлива и увеличивающая концентрацию смеси.

Электронные системы впрыска

Электронная система впрыска Bosch

Электронная система полностью управляется микропроцессорными устройствами, которые отвечают за температуру двигателя, состояние дросселя, а также определяют скорость движения, высчитывая частоту впрыскивания и необходимое соотношение воздуха и топлива в смеси.

Основное отличие электронной системы подачи топлива от механической заключается в том, что электронная управляется сложными микропроцессорными устройствами (фактически - мини-компьютерами).

Микропроцессоры получают информацию от датчиков, установленных в двигателе. Датчики измеряют давление воздуха в системе впуска, температуру самого двигателя и его скорость, а также определяют положение педали газа. Все это позволяет точнее вычислять расходы топлива, в то время как механическая система полагается лишь на замеры мощности потока воздуха.

Микропроцессоры обрабатывают полученные данные в соответствии с алгоритмами, заложенными в них производителем, а затем отмеряют необходимое количество топлива, подавая сигнал клапанам (в частности, клапанам форсунок, впрыскивающих топливо во впускное отверстие). Все это происходит за доли секунды, т.е. устройство практически мгновенно отвечает на изменения в температуре, давлении или положении педали газа.

Помимо усовершенствованного контроля подачи топлива электронные системы работают под меньшим давлением (около 2 атм.), т.е. производят меньше шума, чем механические.

Типичным примером электронной системы является Bosch LJetronic, используемая в современных европейских автомобилях. В этой системе топливо извлекается из бака с помощью электрического насоса и подается по трубам к форсункам. Система извлекает из бака больше топлива, чем требуется, и возвращает излишки по кольцевому контуру с помощью регулятора давления, который поддерживает постоянное давление в трубах.

Клапаны форсунок удерживаются в закрытом положении с помощью пружин и при получении сигнала от устройства контроля открываются за счет соленоидов (электромагнитов). Количество впрыскиваемого топлива зависит от того, насколько долго магнит удерживает пружину форсунки.

Управление двигателем

Некоторые комбинированные системы, известные как системы управления двигателем, могут обрабатывать больше информации, чем электронные системы подачи топлива.

Одной из таких систем является Bosch Motronic, которая высчитывает процент кислорода в выхлопных газах. При отклонении от нормы система может отрегулировать зажигание и частоту подачи топлива, чтобы наладить работу двигателя.

В результате соотношение производительности и потребления топлива будет оптимальным, а уровень загрязнения окружающей среды существенно снизится.

Двигательный отсек для впрыска топлива

В подкапотном пространстве автомобиля с системой впрыска топлива содержится много трубок. На картинках изображен моторный отсек Audi 100 с многочисленными переплетенными трубками, которые расположены поверх впускного коллектора и ведут к форсункам. Этот автомобиль обладает двигателем с пятью цилиндрами, поэтому форсунок пять.