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

Николай Викторов


Обзор систем впрыска топлива
бензиновых двигателей внутреннего сгорания

Обзор систем впрыска. Часть 1.2



2. Обзор систем впрыска топлива

Инженерный поиск, непрерывное стремление к достижению максимальных характеристик двигателя при одновременном компромиссе мощности, экономичности и экологичности, точности работы СВТ и ее стоимости - привели к тому, что в настоящее время сложилось довольно-таки значительное разнообразие систем. Если взять наиболее популярные модели автомобилей, эксплуатируемых только в Европе (примерно 1200), то можно насчитать около 350 применяемых систем впрыска и их модификаций. Тем не менее, не составляет особого труда классифицировать СВТ по общим признакам, таким, как метод управления CВТ, способ инжекции (впрыскивания), количество точек инжекции и другим.

2.1. Классификация

Классификация СВТ приведена на рис. 2.1, который дает практически полную и ясную картину, сложившуюся к настоящему времени. Тем не менее, если учесть неоднозначность терминологии, некоторые моменты требуют пояснения.

Рис.2.1. Классификация систем впрыска топлива

Понятия распределенный, многоточечный и многопозиционный впрыск иногда трактуются как синонимы, что неверно. На самом деле, чтобы не путать с непрерывным впрыском, дискретный синхронный, а затем и групповой впрыск назвали многоточечным. По этой же причине, чтобы избежать дальнейшей путаницы, синфазный впрыск стал именоваться многопозиционным (multipoint). Синхронный впрыск - это одновременный впрыск всех форсунок независимо от фазы цилиндров двигателя. Как правило, синхронный впрыск осуществляется 2 раза за один рабочий цикл. При групповом впрыске синхронно работают форсунки 1-3 (1-3-5) и 2-4 (2-4-6) цилиндров 4-х (6-ти) цилиндрового двигателя, впрыскивая 1 раз за рабочий цикл; иногда реализуют 1-4, 2-3 (1-2-4, 3-5-6). При синфазном впрыске каждая форсунка работает самостоятельно в фазе со своим цилиндром.

2.2. Обобщенная блок-схема СВТ

Невзирая на разнообразие систем впрыска, их тем не менее можно представить в виде обобщенной блок-схемы, которая выражала бы в общем виде концепцию топливодозирования и подачи топлива в цилиндры. На рис.2.2 приведена обобщенная блок-схема интегрированной системы управления двигателем (СУД), т.е. СВТ + система зажигания (СЗ).

Рис.2.2.Обобщенная схема интегрированной системы управления бензиновым ДВС
Система управления содержит датчики, управляющее устройство, исполнительные механизмы (приводы) и подсистему подачи топлива. Знак + на блок-схеме означает совместное действие, принадлежность к определенному каналу (воздуху, топливу или зажиганию).
Датчики предназначены для выдачи информации в управляющее устройство. Обязательной для любой СУД является информация:
- о положении коленчатого вала (верхней мертвой точки 1-го цилиндра) - эта информация необходима для определения момента зажигания и момента впрыска;
- о частоте вращения коленчатого вала - для изменения угла опережения зажигания, изменения дозы топлива на высоких оборотах и торможении двигателем, а также регулирования частоты оборотов холостого хода;
- о количестве всасываемого двигателем воздуха - для определения соответствующей дозы топлива, а также для определения нагрузки на двигатель; При этом определяется не только нагрузка на колеса, но также другие нагрузки, например, работа кондиционера;
- о температуре охлаждающей жидкости - для определения температуры двигателя;
- о температуре воздуха - для расчета массы всасываемого воздуха;
- о положении дроссельной заслонки - для определения режимов холостого хода и полной нагрузки, а в некоторых системах для оценки скорости и ускорения изменения угла положения дроссельной заслонки. В некоторых одноточечных СВТ данная информация используется для расчета массы всасываемого воздуха;
- о количестве избыточного кислорода в отработавших газах - в системах с обратной связью по составу смеси и нейтрализатором отработавших газов;
- о включении зажигания - для предварительного включения топливного насоса в большинстве систем. Информация о температуре и октановом числе топлива, положении распределительного вала, детонации двигателя и атмосферном давлении используется в отдельных системах. Так, например, о температуре топлива - в жарких странах, а об атмосферном давлении - в высокогорных.
Управляющее устройство (УУ) служит для приема, оценки и обработки информации от датчиков, расчета управляющих воздействий и их посылку на исполнительные механизмы. Электронные УУ, кроме того, осуществляют адаптацию к состоянию двигателя, самодиагностику некоторых параметров самого УУ, исполнительных механизмов и датчиков, а при некоторых их поломках обеспечивает аварийный режим работы двигателя, позволяющий водителю без особых проблем добраться до ближайшей СТО.
Управляющее устройство механических СВТ (рис. 2.1) является жестким автоматом, в котором "программа" управления заложена при изготовлении и не может быть изменена в сколь-нибудь существенной степени, т.к. жестко определена различными кинематическими, пневматическими и гидравлическими связями, т.е. конструкцией. Главным узлом УУ механических СВТ является дозатор-распределитель топлива (ДРТ). В УУ также входит регулятор управляющего давления (РУД).
УУ электронно-механических СВТ состоит из аналогичного жесткого автомата (ДРТ), электрогидравлического регулятора управляющего давления (ЭРУД) и электронного блока управления (ЭБУ). Их совместное действие обеспечивают необходимые характеристики двигателя на определенных режимах.
ЭБУ чаще называют контроллером (control - англ. - управление), а автолюбители - компьютером, что верно лишь отдаленно.
ЭБУ первых электронных СВТ (например, L-Jetronic) были аналоговыми.
Современный контроллер представляет из себя сложное электронное цифровое микропроцессорное устройство. Он содержит входы (АЦП), микропроцессор, оперативную и постоянную память (ОЗУ и ПЗУ), выходы (ЦАП и мощностные каскады), блок кодовой самодиагностики.
ПЗУ прошивается на заводе-изготовителе и содержит матрицы топливодозирования и зажигания конкретного двигателя, контрольные параметры датчиков, исполнительных механизмов и двигателя для сравнения их с реальными, адаптирования и выдачи кодов самодиагностики в случае признания несоответствия как поломки. Некоторые датчики при поломке могут быть "заменены" величинами, извлекаемыми из ПЗУ, однако эта "замена" хотя и существенна, но все же носит ограниченный характер. Так, например, если сопротивление датчика температуры охлаждающей жидкости (ДТОЖ) не соответствует температуре, но при этом не вышло за свои крайние пределы, то контроллер не признает его неисправным, и характеристики двигателя существенно снижаются. Только в случае выхода сопротивления ДТОЖ за пределы контролируемых параметров, он признается неисправным, и "заменяется" заранее вписанной в ПЗУ постоянной величиной, соответствующей прогретому двигателю (примерно 80-900С). Т.е. горячий двигатель будет работать хорошо, но возникнут проблемы с холодным пуском и прогревом. Некоторые продвинутые системы производят "замену" для 400С и 800С, но это не снимает проблему в целом.
Невзирая на бурное развитие средств самодиагностики, они также не снимают проблему диагностики в целом. Так, кодовая диагностика способна оценить только несоответствие электрических параметров, и то зачастую в крайних случаях (обрыв, короткое замыкание, выход за контролируемые пределы). В то же время характеристики системы во многом зависят от состояния механических и гидравлических параметров, не контролируемых системой самодиагностики. Так, например, форсунка проверяется только по параметру "сопротивление обмотки", куда входит и состояние цепи до обмотки. Вместе с тем форсунка только тогда является исправной, когда соответствует целому ряду других важнейших параметров: производительность, внутренняя и внешняя герметичность по топливу, герметичность по воздуху, качество распыла, ток включения, ток удержания, ток выключения и другие. Т.е. 90% параметров остается вне контроля со стороны системы самодиагностики, и это касается не только форсунок. Очень часто, будучи не в состоянии описать непредусмотренную поломку, система самодиагностики выдает не один, а несколько кодов одновременно, указывая на поломку многих узлов, что вводит диагностов в заблуждение. Даже при выдаче одного кода диагностика часто остается неопределенной. Реальный случай: по неверному сигналу датчика концентрации кислорода (ДКК) код указал на нарушение состава смеси ВАЗ-2112. Прочитав код на встроенном дисплее и его расшифровку в прилагаемом справочнике, владелец заменил ДКК, но перебои в работе двигателя остались. Владелец не учел, что состав смеси зависит не только от ДКК, но и от многих других деталей: топливного насоса, топливных фильтров, регулятора давления топлива, измерителя массы воздуха, воздушного фильтра, датчиков температуры, форсунок. И даже от состояния деталей системы зажигания, ибо несгоревшая смесь не содержит остаточного кислорода, что также влияет на показания ДКК...
Не будет преувеличением, если сказать, что перед конструкторами лежит огромное поле деятельности. Исполнительные механизмы (приводы) "доносят" "мысль" УУ до двигателя. К ним относятся: форсунки, регулятор холостого хода (РХХ), реле включения контроллера (главное реле) и топливного насоса, двигатель доворота распредвала (с изменяемой фазой газораспределения), клапана включения системы вентиляции бака и другие. В некоторых системах дроссельная заслонка управляется электродвигателем. РХХ, управляемый контроллером, поддерживает такую величину байпасного канала, которая обеспечивает постоянство частоты вращения коленчатого вала на холостом ходу. Байпасный канал - это дополнительный (параллельный основному, в обход дроссельной заслонки) канал прохождения всасываемого воздуха. В старых СВТ вместо РХХ монтировался клапан добавочного воздуха (КДВ), жестко температурно управляемый, который изменял величину байпасного канала только при прогреве или остывании двигателя. В некоторых автомобилях предусматривается несколько байпасных каналов: РХХ (или КДВ) и винт регулировки (начальной установки) холостого хода. В некоторых японских автомобилях встречаются все три байпасных канала: РХХ, КДВ, винт регулировки.
Форсунки распределенных СВТ герметично вставляются во впускной коллектор перед впускными клапанами, непосредственных СВТ - в цилиндры, одноточечных СВТ - перед дроссельной заслонкой. Форсунки дискретных СВТ управляются электромагнитной обмоткой от контроллера, непрерывных СВТ - давлением топлива от УУ. Находясь в непрерывном движении и тяжелых условиях эксплуатации (температура, масляные пары и т.д.), исполнительные механизмы подвержены износу и загрязнению. Их конструкции непрерывно совершенствуются, что привело к большому разнообразию и невзаимозаменяемости.
Подсистема подачи топлива предназначена для подачи топлива к форсункам, а в механических и электронно-механических СВТ - и к устройству управления. Она состоит из:
- топливного бака (ТБ);
- топливного насоса (насосов) (ТН);
- фильтра грубой (предварительной) очистки топлива на впускной стороне насоса (ФГО);
- фильтра тонкой очистки топлива (ТФ);
- прямого и сливного топливопроводов (ПТП и СТП);
- распределительной магистрали (РМ);
- регулятора давления топлива (РДТ);
- топливных демпферов.
В механических и электронно-механических СВТ вместо РМ имеются шланги (трубки) подвода топлива к форсункам, а также после ТН (по ходу топлива) устанавливается аккумулятор давления - резервуар запаса топлива (40 мл) под давлением для избежания образования пузырьков воздуха при снижении давления после выключения двигателя.
Топливный бак имеет систему вентиляции во избежание образования разрежения при заборе топлива и избыточного давления при повышении температуры. Если раньше вентиляция обеспечивалась простым соединением бака с атмосферой, то сейчас пары топлива отводятся системой вентиляции во впускной тракт и сжигаются в двигателе, предварительно пройдя очистку в емкости с активированным углем.
Топливный насос создает необходимое давление в системе при одновременной производительности (л/мин) не менее заданной. В его корпусе монтируется приводной электродвигатель и качающий узел - собственно насос. ТН может быть подвесным (к днищу кузова) или погружным (в топливном баке). Качающий узел бывает роликовый, шестеренчатый или турбинный и подает топливо порциями, омывающими электродвигатель. Взрыва топлива от искрения щеток не происходит в силу отсутствия воздуха. Многообразие ТН привело к тому, что только фирма Bosch выпускала свыше 70 наименований, что вынудило несколько лет назад заняться стандартизацией и сократить их число до 10-15. Как правило, специальными реле или контроллером реализуются схемы "двойного включения" ТН. Первое включение происходит на несколько секунд при включении зажигания для предварительного создания давления топлива. Второе включение обеспечивает постоянную работу насоса по сигналу вращения коленчатого вала.
Топливные фильтры тонкой очистки - бумажные, тонкость очистки 2...4 мкм.
Регулятор давления топлива (РДТ) - пружинный мембранный клапан, удерживающий необходимое системное давление путем стравливания избыточного топлива в сливной топливопровод. В многоточечных и многопозиционных СВТ в силу того, что выходная сторона форсунок подвержена изменяющемуся разрежению впускного тракта воздуха (от нажатия на педаль "газа"), изменяется перепад давлений между входом и выходом форсунки, что приводит к нарушению топливодозирования. Во избежание этого к РДТ подводится разрежение впускного тракта, в силу чего результирующее давление остается постоянным. В механических и электронно-механических СВТ такая проблема отсутствует, т.к. доза топлива однозначно определяется в ДРТ в силу постоянства скорости потока топлива. В одноточечных СВТ этой проблемы также нет, т.к. форсунка находится перед дроссельной заслонкой (по ходу воздуха), т.е. при постоянном (атмосферном) давлении.
Топливные демпферы представляют из себя небольшие (30...50 мл) полости, которые сглаживают пульсации топливного насоса. В большинстве систем они отсутствуют, т.к. с функцией сглаживания справляются полости топливного фильтра и распределительной магистрали.


3. Краткая характеристика и принцип работы некоторых типичных СВТ

3.1. Системы непрерывного впрыска

Bosch K-Jetronic


Bosch K-Jetronic - механическая СВТ (рис.3.1а). К - kontiniuerlich (нем.) - непрерывный.
Главным узлом устройства управления является дозатор-распределитель топлива (ДРТ). Топливо под действием давления (0,47 МПа) попадает в нижние камеры дифференциальных клапанов 1f и под управляющую кромку 1c плунжера 1d. Всасываемый воздух поднимает на некоторую величину напорный диск 15, который в свою очередь поднимает плунжер, управляющая кромка которого открывает дозировочные каналы (по числу цилиндров), в силу чего в верхние камеры 1е поступает количество топлива пропорционально воздуху. Давление топлива в верхних камерах совместно с пружинами приоткрывает дифференциальные клапаны, и топливо поступает к форсункам. При достижении давления в форсунках около 0,3 МПа они открываются и непрерывно распыляют топливо перед впускными клапанами.
Особенность гидравлики такова, что изменение сечения дозировочных каналов изменяет скорость потока топлива, и в результате нарушается доза топлива. Исключить это можно только одним путем - приданием потоку топлива постоянной скорости. Это возможно, если на пути топлива установить некое устройство, обеспечивающее постоянный перепад давлений. Именно таким устройством является дифференциальный клапан (0,01 Мпа). Теперь в силу постоянной скорости доза топлива зависит только от величины сечения дозировочного канала, а она, в свою очередь, однозначно зависит от величины подъема напорного диска, т.е. от количества воздуха.

На динамических (переходных) режимах (см. табл. 3.1) доза топлива корректируется. Так,

Рис.3.1а. Схема системы впрыска K-Jetronic [3]:
1- винт регулировки состава смеси; 1b- дозатор-распределитель топлива; 1с - управляющий плунжер; 1d - управляющая кромка плунжера; 1е - верхняя камера дифференциального клапана; 1f - нижняя камера дифференциального клапана; 2 - топливный бак; 3 - топливный насос; 4 - аккумулятор давления; 5 - топливный фильтр; 6 - регулятор давления топлива; 7 - форсунка; 8 - клапан добавочного воздуха; 9 - пусковая форсунка; 9а - винт регулировки холостого хода; 9b - дроссельная заслонка; 10 - реле топливного насоса; 11 - датчик частоты вращения и положения коленчатого вала в распределителе зажигания; 12 - регулятор управляющего давления; 13 - аккумуляторная батарея; 14 - термотаймер; 15 - измеритель расхода воздуха.

Обогащение смеси при холодном пуске достигается включением пусковой форсунки 9. Время включения определяется термотаймером 14 в зависимости от температуры двигателя, но не более 8 с, чтобы не "залить" цилиндры бензином.
В начале прогрева плунжер находится максимально вверху, т.к. противодавление топлива (сверху на плунжер) минимально. С прогревом противодавление под действием регулятора управляющего давления (РУД) 12 постепенно увеличивается, плунжер снижается, сечение дозировочных каналов, а значит и доза топлива, уменьшаются.
При ускорении двигателя водитель открывает дроссельную заслонку, соединяя впускной тракт с атмосферой. Давление (разрежение) во впускном тракте падает с минус 0,06...0,07 МПа до нуля. Противодавление РУД снижается, плунжер уходит вверх, и смесь обогащается на величину, обеспечивающую уверенное ускорение. При резком ускорении, кроме того, плунжер под действием напорного диска "подпрыгивает" вверх, что обеспечивает дополнительное обогащение смеси.
С ростом скорости автомобиля и частоты вращения коленчатого вала разрежение растет, противодавление увеличивается, плунжер снижается, и доза топлива уменьшается до экономичной, что обеспечивает нормальное движение автомобиля на частичной нагрузке (постоянной крейсерской скорости). Кроме того, обеднение смеси обеспечивается замедлением скорости подъема напорного диска (относительным снижением) в силу пологости стенок шахты, в которой он перемещается.
При полном газе напорный диск попадает в область почти вертикальных стенок, что дает обогащение смеси.
На холостом ходу, когда потребление воздуха минимально, напорный диск снижается в то место, где стенки шахты практически вертикальны. Это обеспечивает относительно высокий подъем напорного диска и плунжера сравнительно с количеством всасываемого воздуха, что дает обогащение, необходимое для устойчивого и комфортного вращения двигателя. Bosch KE-Jetronic

Bosch KЕ-Jetronic - электронно-механическая система (рис.3.1б). Е - elektronische (нем.) - электронный.

Рис.3.1б. Схема системы впрыска KЕ-Jetronic [3]:
1 - топливный бак; 2 - топливный насос; 3 - аккумулятор давления; 4 - топливный фильтр; 5 - регулятор давления топлива; 6 - измеритель расхода воздуха; 6а - напорный диск; 6b - датчик положения напорного диска; 6с - винт регулировки состава смеси; 7 - дозатор-распределитель топлива; 7a - управляющий плунжер; 7b - управляющая кромка плунжера; 7c - верхняя камера дифференциального клапана; 7d - нижняя камера дифференциального клапана; 8 - форсунка; 9 - впускной коллектор; 10 - пусковая форсунка; 11 - термотаймер; 12 - дроссельная заслонка; 12b - винт регулировки холостого хода; 13 - датчик положения дроссельной заслонки; 14 - клапан добавочного воздуха; 15 - датчик температуры охлаждающей жидкости; 16 - контроллер; 17 - электрогидравлический регулятор управляющего давления; 18 - датчик концентрации кислорода (лямбда-зонд); 19 - датчик частоты вращения и положения коленчатого вала в распределителе зажигания; 20 - реле топливного насоса; 21 - замок зажигания; 22 - аккумуляторная батарея.


Система имеет некоторое сходство с K-Jetronic, но принципиально отличается по методу управления. Динамические режимы обеспечиваются не изменением противодавления на управляющий плунжер, а путем изменения давления в нижних камерах дифференциальных клапанов. Для этого непосредственно к дозатору-распределителю топлива (ДРТ) прикреплен электрогидравлический регулятор управляющего давления (ЭРУД). На обмотку электромагнитного клапана ЭРУД поступает управляющий ток Iупр от контроллера. При увеличении тока клапан приоткрывается, давление в нижних камерах снижается, и дифференциальные клапаны пропускают к форсункам большую дозу топлива - смесь обогащается. При уменьшении тока смесь обедняется. При торможении двигателем направление тока меняется на противоположное, и топливо к форсункам не поступает вообще. При нулевом токе разницу давлений в камерах устанавливают около 0,04 Мпа.
Кроме того, на установившихся режимах (холостом ходу и частичной нагрузке) контроллер по сигналам лямбда-зонда ток управления изменяется в диапазоне 4...16 мА, что обеспечивает поддержание нормальной смеси и дожигание отработавших газов в нейтрализаторе. Этим достигается выполнение экологических норм, а также экономия топлива.
При холодном пуске Iупр велик - 50...120 мА в зависимости от температуры двигателя, и кроме того, аналогично К-Jetronic включается пусковая форсунка. Это обеспечивает необходимое обогащение смеси для запуска. В процессе прогрева двигателя изменяется сигнал датчика температуры охлаждающей жидкости, и по командам контроллера Iупр постепенно (5...7 мин) снижается и входит в диапазон управления установившимся режимом.
При разгоне двигателя Iупр=60...20 мА, чем обеспечивается требуемое обогащение смеси.
При выходе контроллера из строя двигатель ухудшает работу, но способен обеспечить движение автомобиля с неплохими характеристиками. При этом обогащение смеси при разгоне создается за счет резкого перемещения напорного диска измерителя расхода воздуха, при котором управляющий плунжер "подпрыгивает", и его управляющая кромка дополнительно открывает дозировочные каналы.



Для перехода на главную страницу нажмите З Д Е С Ь



Найти гостиницы краснодара. Краснодара гостиницы турист.
Copyright: "Просто Инжектор©" 2007

Rambler's Top100