Добавить в Избранное Internet Explorer
Добавить в Закладки (для Firefox)

Просто инжектор

При перепечатках ссылка на http://injector.fotocrimea.com обязательна

 

Николай Викторов


Обзор систем впрыска топлива
бензиновых двигателей внутреннего сгорания

Обзор систем впрыска. Часть 1.1


Качество топливодозирования в решающей степени влияет на характеристики двигателя внутреннего сгорания, и потому перед разработчиками постоянно, с момента изобретения ДВС, стоят проблемы создания и усовершенствования систем подачи топлива в цилиндры. В принципе, бензин может попасть в цилиндр двигателя либо под действием разрежения на такте всасывания, либо принудительно - за счет избыточного давления в топливной магистрали во время такта сжатия. (Далее цитируем [1]). Это хорошо понимал еще отец-основатель ДВС Николаус Аугуст Отто в далеком 1877 году. Именно тогда ему пришла идея… самого современнейшего на сегодня непосредственного впрыска в цилиндры. И, если подумать, в этом решении задачи "в лоб" не было ничего удивительного: нужен бензин в камере сгорания - надо его туда впрыснуть. Гладко, однако, получается на бумаге. На деле же возникают сложные технические проблемы: топливо должно попадать в цилиндры в нужном количестве в нужное время и быть хорошо распыленным и перемешанным с воздухом. Иначе либо "обратные удары", либо нет вспышек. Техника XIX века не могла найти приемлемых решений, и прогресс свернул на тропу карбюраторов. Так оказалось проще. Однако, не отсутствие в то время электроники с ее микрочипами и датчиками, которыми щедро увешан современный мотор, было тому виной. Топливная аппаратура дизеля пригодна и для впрыска бензина при снижении давления, притом безо всякой не то что электроники, а даже электрики. Добавим еще, что вводить топливо можно не только прямо в цилиндр, минуя клапаны, но и во впускной коллектор, причем тоже по-разному. В простейшем случае с помощью одной-единственной форсунки (это как бы аналог карбюратора), и тогда мы получим так называемый одноточечный или центральный впрыск. А лучше использовать по одной форсунке на цилиндр - управление мотором будет более гибким, вся система эффективней и надежней. Такой вариант, как известно, получил название распределенного впрыска. Именно это сходство побудило в 1960-х годах отечественных конструкторов ЦНИИТА и харьковского завода ФЭД поставить механический распределенный впрыск на 1500 серийных легковых автомобилей "Москвич-412". Он оказался настолько удачным, что несколько таких машин бегают и поныне. Система состояла из четырехплунжерного рядного ТНВД, выдававшего до 100 атм. Для непосредственного впрыска этого более чем достаточно. Управлялась подача топлива пилообразной рейкой.

Впрысковая система под капотом Москвича-412
Впрысковая система под капотом "Москвича-412"

Впрысковые "москвичи" прибавили в крутящем моменте на 12%, в мощности - на 10%, а количество СО в выхлопных газах снизилось на одну пятую. Увы, в те годы никого это не интересовало, как, впрочем, и удивительная легкость пуска зимой и отсутствие "подсоса". Главным аргументом "против" оказалась увеличившаяся на 400 долларов цена мотора, и проект был похоронен в гаражах немногих счастливых владельцев. Для обеспеченного Запада такая сумма не показалась неподъемной, и потому впрыск пришел к нам оттуда вместе с кучей проблем по диагностике, ремонту и обслуживанию незнакомой заморской техники. Мы все еще обсуждаем, какую машину брать - с карбюратором или с инжектором (так прозвали у нас впрыск), тогда как в остальном мире это давно решено однозначно в пользу впрыска. Мы примеряем наши моторы к существующему качеству бензина и уровню сервиса, а "там" короли нефтебизнеса и сервисмены подтягивают уровень своей продукции и услуг к появляющимся новинкам. И вот уже почти минула эпоха первых механических "джетроников", и в расцвете находится электронный дискретный впрыск во впускной коллектор. Но все больше фирм устремляется по новому пути, проложенному японским "Мицубиси", который реализовал идею Н.А.Отто 1877 года и практику Ганса Шеренберга 1951 года, - пути непосредственного впрыска бензина в цилиндры. Дальнейшее развитие автомобильной техники неизбежно движется в сторону развития комплексных систем управления, причем не только различными системами автомобиля (например, антиблокировочная система тормозов, круизконтроль, управление двигателем и трансмиссией), но также их совокупностью, а в перспективе и автомобилем как единой системой. (Конец цитаты) Здесь представлена попытка краткого обзора проблем управления бензиновыми ДВС, современных систем впрыска топлива и путей их развития.

1. Проблемы управления бензиновым ДВС
Управление бензиновым ДВС представляет из себя сложный процесс с большим числом изменяющихся параметров. Достижение оптимального управления всегда связано с целым рядом противоречивых проблем, разрешение которых, в конечном итоге, и привело к созданию систем впрыска с микропроцессорным управлением.

1.1. Сущность процесса управления [2]
В сущности, процесс управления бензиновым ДВС (двигателя с искровым зажиганием) заключается в изменении (регулировании) значений некоторого числа входных параметров для достижения необходимых значений некоторого числа выходных параметров (рис.1.1).

Упрощенная система управления двигателем с искровым зажиганием
Рис.1.1. Упрощенная система управления двигателем с искровым зажиганием:

φДР - угол открытия дроссельной заслонки; Θ- угол опережения (запаздывания) зажигания; QT - массса топлива; QB - массса воздуха; P - мощность на коленчатом валу; Мкр - крутящий момент на валу; n - частота вращения коленчатого вала; P| - мощность на колесах; МКР| - крутящий момент на колесах; n| - частота вращения колеc; Va - скорость автомобиля.

К выходным параметрам относятся мощность, крутящий момент, частота вращения коленчатого вала, содержание токсичных компонентов в отработавших газах и другие. Важнейшие входные параметры - угол открытия дроссельной заслонки, момент зажигания смеси в цилиндрах, состав топливовоздушной смеси. В зависимости от режима и условий работы двигателя необходимо изменять значения входных параметров. Например, при движении автомобиля водитель изменяет угол открытия дроссельной заслонки, а также передаточное отношение в коробке переключения передач (для автомобилей, оборудованных механической КПП), и, в конечном итоге, получает от двигателя необходимые для движения в данном режиме мощность и крутящий момент. Таким образом, изменение одного из входных параметров системы - угла открытия дроссельной заслонки, задаётся водителем. Соответственно количеству поступающего в цилиндры воздуха необходимо изменять как минимум ещё два входных параметра, а именно: количество подаваемого в цилиндры топлива и момент воспламенения смеси (т.е. угол опережения зажигания), в противном случае становится невозможным получение необходимых значений выходных параметров. Очевидно, что большая часть входных параметров должна изменяться автоматически, в соответствии с режимом и условиями работы двигателя. В первую очередь это относится к таким параметрам как момент зажигания и состав топливовоздушной смеси. Поэтому автоматическое приготовление смеси необходимого состава и регулирование момента зажигания на различных режимах используется на автомобилях уже несколько десятилетий. На водителя возлагается только функция управления углом открытия дроссельной заслонки, а на автомобилях с механической КПП - ещё и выбора соответствующей передачи. Реализация этих систем долгое время осуществлялась на уровне жестких автоматов, т.е. устройств, в которых "программа" управления закладывалась при изготовлении и не могла быть изменена в сколь-нибудь существенной степени. В качестве примера можно привести карбюратор, в котором "программа" дозирования топлива на различных режимах работы двигателя жестко определена различными кинематическими, пневматическими и гидравлическими связями, т.е. конструкцией. Но карбюраторы ввиду механических особенностей своей конструкции не могли обеспечить двигатель необходимой смесью на различных режимах работы двигателя так гибко, как это делают системы впрыска.

1.2. Характеристики горючей смеси
Основные характеристики горючей (топливовоздушной) смеси и режимы ее применения приведены в табл. 1.2, где коэффициент избытка воздуха , QT - массса топлива; QB - массса воздуха; LO = 14,7 - постоянный (стехиометрический) коэффициент для данного топлива.
Таблица 1.2


Из приведенных данных мы видим, что смесь применяется только в диапазоне соотношений массы воздуха к массе топлива (Кг / Кг) от 1:6 к 1:20, за пределами которого она не воспламеняется. Различные режимы работы ДВС требуют различного состава смеси, что, в свою очередь, вызывает изменение ее характеристик в широких пределах, а это необходимо учитывать для достижения оптимального управления двигателем на всех режимах. Совершенно очевидно, что и масса воздуха, и масса топлива зависят также от других факторов, в первую очередь температуры. В высокогорье сильно сказывается атмосферное давление, которое влияет на плотность воздуха. Это требует введения в систему соответствующих датчиков.

1.3. Основные режимы работы ДВС

Кроме разнообразия смесей, на различных режимах работы ДВС значительно различаются условия смесеобразования, что в свою очередь делает необходимым адаптацию смеси к тому или иному режиму в целях достижения максимальных характеристик двигателя (табл. 1.3). Мы будем различать 15 основных режимов работы двигателя, памятуя, что между ними имеются и промежуточные состояния.
Таблица 1.3
Условия смесеобразования на основных режимах работы двигателя



1.4. Базовая матрица топливодозирования

Как видим из табл. 1.3, каждому режиму работы двигателя соответствует своя смесь. На этапе разработки и доводки двигателя определяется так называемая "базовая поверхность", т.е. значение смеси в множестве дискретных точек. Каждая точка задается каким-либо значением частоты вращения двигателя и нагрузки на двигатель и таким образом для конкретного двигателя создается базовая матрица топливодозирования (рис.1.4) [2].

Рис.1.4. Базовая матрица топливодозирования:
- масса топлива; Q - нагрузка на двигатель; n - частота вращения коленчатого вала.

Такую гибкость в адаптации состава смеси к различным режимам, которая предъявляется базовой матрицей топливодозирования, карбюратор обеспечить не может, с этим справляется только система впрыска.

1.5. Проблемы экологии

В настоящее время получение от двигателя тех или иных значений выходных параметров - мощности, крутящего момента и т.п., ограничивается обязательным соблюдением норм на токсичность выхлопа (в Европе - Евро-4). С точки зрения управления это потребовало, во-первых, введения целого ряда новых входных параметров (например, фаза клапанов, количество рециркуляционных газов), а во-вторых, точного и эффективного управления этими параметрами. Последнее условие вызвало самое широкое применение микроэлектроники и вычислительной техники для управления ДВС. В ряде случаев это позволило осуществить управление на программно-адаптивном уровне, т.е. реализовать регулирование с обратной связью (ОС). В качестве примера можно привести топливодозирование с использованием обратной связи по составу смеси и управление моментом зажигания с обратной связью по сигналам датчика детонации. Рассмотрим подробнее. Состав отработавших газов (о.г.) и содержащихся в них токсичных веществ в решающей степени зависит от состава смеси (рис.1.5). Уменьшение концентрации наиболее токсичного газа - угарного (СО) - напрямую связано с обеднением смеси, а его дожигание в нейтрализаторе о.г. (НОГ) наиболее эффективно (в десятки раз) происходит на нормальной смеси. Перевод холостого хода с обогащенной смеси на нормальную был решен путем электронного управления стабилизацией частоты вращения коленчатого вала и стабилизацией нормальной смеси контурами ОС.

Рис.1.5. Состав отработавших газов бензинового ДВС:
- масса воздуха; QT - масса топлива; LO = 14,7 - постоянный (стехиометрический) коэффициент для данного топлива; α- коэффициент избытка воздуха; - объем воздуха; -объем топлива.

Характеристика контура ОС по составу смеси напоминает ниспадающую ветвь буквы , отсюда и название - лямбда-управление, а датчика концентрации кислорода в о.г. - лямбда-зонд. Лямбда-зонд вкручивается в выхлопную систему сразу после двигателя. Таким образом, появление электронных систем впрыска было обусловлено возрастающими требованиями к экономичности, экологичности, к мощностным характеристикам транспортного средства, и базировалось на компромиссе между этими условиями. Тем не менее, проблемы остались. Во-первых, лямбда-зонд (на основе двуокиси циркония, реже - двуокиси титана) включается только при прогреве до 300...6000С, что возможно только на горячем двигателе. Следовательно, холодный пуск, пуск вообще и прогрев по-прежнему осуществляются на обогащенной и богатой смеси. Кроме того, ускорить двигатель или вывести на режим полной нагрузки на нормальной смеси не удается, и лямбда-зонд при этом приходится отключать, пренебрегая нормами токсичности. Особенно страдают от загазованности большие города - мегаполисы. Стремление обеднить смесь привело к разработке систем непосредственного впрыска. Но здесь возникла новая проблема - окислы азота NOx, проблема по токсичности не менее опасная, чем СО. Поиск эффективных способов борьбы с NOx пока сдерживает широкое внедрение двигателей с непосредственным впрыском.




Для перехода на главную страницу нажмите ЗДЕСЬ




Copyright: "Просто Инжектор©" 2007

Rambler's Top100