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

Николай Викторов


Обзор систем впрыска топлива
бензиновых двигателей внутреннего сгорания

Обзор систем впрыска. Часть 1.4


3.4. Многопозиционные системы дискретного синфазного впрыска

Bosch Motronic M3.1


Bosch Motronic M3.1 - интегрированная электронная система дискретного cинфазного впрыска и "полностью статического" зажигания (рис. 3.4а) - это дальнейшее повышение точности топливодозирования и момента зажигания.

Рис. 3.4а. Схема системы впрыска Motronic 3.1 [3]:
1 - топливный бак; 2 - топливный насос; 3 - топливный фильтр; 4 - распределительная магистраль; 5 - регулятор давления топлива; 6 - контроллер; 7 - лямбда-зонд; 8 - форсунка; 9 - датчик температуры охлаждающей жидкости; 10 - свеча зажигания; 11 - датчик положения дроссельной заслонки; 12 - дроссельная заслонка; 13 -регулятор холостого хода; 14 - измеритель массы воздуха; 15 - импульсный датчик; 16 - аккумуляторная батарея; 17 - замок зажигания; 18 - главное реле и реле топливного насоса; 19 - индивидуальная катушка зажигания; 20 - датчик верхней мертвой точки первого цилиндра.

Рис. 3.4b. Диаграмма работы и схема включения форсунок при синфазном впрыске [2]: 1,2,3,4 - форсунки, 5 - контроллер.

Синфазный впрыск (Sequential Fuel Injection или SFI) заключается в том, что момент подачи управляющего импульса на форсунку каждого цилиндра увязывается с моментом открытия впускного клапана в этом цилиндре (рис. 3.4b) и даже может изменяться в зависимости от режима работы двигателя. Такая схема сложнее и дороже, требует более совершенного контроллера, однако обеспечивает лучшие характеристики работы двигателя, особенно на переходных режимах. При запуске холодного двигателя, а также в случае перехода системы на резервный (аварийный) режим работы управление форсунками в системах SFI, как правило, осуществляется по синхронному принципу.
"Полностью статическое" зажигание (Vollast Statik Zundung иди VSZ) заключается в том, что на каждый цилиндр устанавливается индивидуальная катушка зажигания 19, а момент зажигания полностью определяется контроллером, причем может изменяться в пределах одного рабочего цикла. Это удорожает систему, но существенно повышает точность искрообразования и обеспечивает лучшие характеристики работы двигателя, особенно на переходных режимах. Кроме того, значительно точнее срабатывает система защиты от детонации двигателя, что предотвращает его разрушение. Принцип защиты от детонации заключается в изменении угла опережения зажигания в сторону некоторого запаздывания до исчезновения детонации. Наличие детонации определяется по сигналам пьезоэлектрического датчика (датчиков) детонации, закрепленного непосредственно на блоке двигателя в районе цилиндров.

Mitsubishi MPI

Mitsubishi MPI - интегрированная электронная система дискретного многопозиционного (cинфазного) впрыска (рис.3.4с), принципиально аналогичная системе Motronic 3.1.
Отличие, как и всех японских машин, от европейских, заключается в ужесточении требований к концентрации отработавших газов (о.г.). Каждый, кто хоть раз поднимал капот "японки", видел, как двигатель буквально оплетен многочисленными трубками и шлангами. Это система рециркуляции о.г. - многократного их отвода и последующего запуска в систему для более полного дожигания токсичных веществ.
В заключение о распределенных дискретных СВТ следует отметить, что их системное давление лежит в пределах 0,25...0,4 МПа.

Рис 3.4с. Схема системы впрыска Mitsubishi MPI [5]:
1 - лямбда-зонд; 2 - датчик температуры всасываемого воздуха; 3 - датчик атмосферного давления; 4 - измеритель массы воздуха; 5 - топливный насос ; 6 - датчик скорости автомобиля; 7 - выключатель кондиционера; 8 - выключатель запрета пуска двигателя; 9 - замок зажигания; 10 - выключатель усилителя рулевого управления; 11 - питание контроллера; 12 - регулирующее сопротивление; 13 - диагностический штекер; 14 - электоромагнитный клапан управления продувкой (рециркуляцией отработавших газов); 15 - реле топливного насоса; 16 - коммутатор зажигания; 17 - реле кондиционера; 18 - регулятор холостого хода; 19 - датчик холостого хода; 20 - датчик положения дроссельной заслонки; 21 - датчик положения установочного мотора РХХ; 22 - регулятор давления топлива; 23 - форсунка; 24 - датчик температуры охлаждающей жидкости; 25 - распределитель зажигания; 26 - датчик углового положения коленчатого вала; 27 - датчик верхней мертвой точки первого цилиндра; 28 - датчик детонации; A - к топливному баку; B - от емкости с активированным углем; C - от топливного насоса.

3.5. Одноточечные системы дискретного впрыска

SPI Marelli/Weber


Система SPI Marelli/Weber (рис. 3.5) - типичный представитель семейства одноточечных дискретных СВТ. Иногда эти системы называют центральными или моноинжекторами, подразумевая, что имеется всего одна (моно) форсунка, установленная по центру впускного тракта.
Но когда моноинжектор именуют электронным карбюратором, это принципиально неверно, ибо карбюратор работает по принципу карбюрации - распыления и всасывания под действием разрежения и переменного проходного сечения, в то время как любая СВТ осуществляет принудительную инжекцию (впрыск) под давлением топлива.

Рис. 3.5. Схема одноточечной системы впрыска SPI Marelli/Weber [3]:
1 - топливный бак; 2 - топливный насос; 3 - датчик атмосферного давления; 4 - измеритель массы воздуха; 5 - регулятор холостого хода; 6 - датчик абсолютного давления; 7 - датчик положения дроссельной заслонки; 8 - датчик температуры всасываемого воздуха; 9 - датчик температуры охлаждающей жидкости; 10 - датчик частоты вращения и положения коленчатого вала в распределителе зажигания; 11 - контроллер; 12 - коммутатор зажигания; 13 - замок зажигания; 14 - аккумуляторная батарея; 15 - форсунка.

Топливодозирование системы моновпрыска менее точное, чем у распределенных дискретных СВТ, но значительно выше, чем у карбюраторов. Преимущество по сравнению с распределенными дискретными СВТ - сравнительная простота и дешевизна.
Рабочее (системное) давление топлива в моноинжекторах невелико - 0,07...0,12 МПа и поддерживается регулятором давления (РДТ) 14. Оно не требует вакуумного регулирования, поскольку электромагнитная форсунка 15 установлена перед дроссельной заслонкой (по ходу воздуха), и ее выходное сопло все время находится при атмосферном давлении.
Форсунка впрыскивает 4 раза за рабочий цикл и имеет высокую производительность (порядка 400...500 мл/мин), так как обеспечивает топливом все цилиндры. Впрыск осуществляется широким конусом ("факелом"). Сопротивление обмотки составляет всего 1...1,5 Ом, что необходимо для повышения быстродействия (снижения инерционности). Это вынуждает во избежание перегрузки по току и перегрева подавать ток управления через добавочный резистор, в качестве которого иногда применяются высокоомные (3...4 Ом) провода от выходного каскада контроллера к форсунке. Кроме того, усложнена форма управляющего импульса - вначале подается короткий импульс открытия амплитудой 12 В, а непосредственно вслед за ним - импульс удержания малой амплитуды (2...3 В) необходимой длительности.
Масса всасываемого воздуха рассчитывается контроллером по данным датчика абсолютного давления 6, измеряющего разрежение во впускном коллекторе, датчика частоты вращения коленчатого вала (в распределителе зажигания 10) и корректируется с учетом датчиков температуры воздуха и двигателя 8 и 9, датчика положения дроссельной заслонки 7 (ДПДЗ). Сигнал ДПДЗ используется также для оценки скорости и ускорения углового перемещения заслонки, а также для распознавания режима холостого хода и отсечки топлива при торможении двигателем.
Контуры обратной связи по составу смеси и частоте холостого хода выполнены по обычной схеме.
Некоторые одноточечные СВТ (например, Bosch Mono-Jetronic и Mono-Motronic) имеют еще более простую и дешевую конструкцию - в них расход воздуха оценивается по частоте вращения коленчатого вала и углу открытия дроссельной заслонки. В этом случае основой расчета длительности импульса открытия форсунки является записанная в ПЗУ контроллера матрица, подобная той, которая приведена на рис. 1.4, только вместо нагрузки на двигатель Q вписываются углы открытия заслонки . Для определения на вал заслонки монтируется ДПДЗ, регулировка которого допускается только в специализированных мастерских. корректируется с учетом сигналов датчиков температуры.

3.6. Принципы построения систем непосредственного впрыска

Mitsubishi и другие...

В настоящем обзоре не приводятся конкретные схемы непосредственного впрыска ввиду того, что серийный выпуск таких двигателей только-только начинается (Volkswagen-Audi, Skoda, Mitsubishi). Но они имеют большие перспективы... Вот что пишет [1] (с некоторыми моими правками - Авт.).
Сегодня наметилась тенденция к победе непосредственного впрыска в ближайшем будущем. Почему? Ключевую роль здесь сыграли требования экологии и экономичности. Конструкторы вознамерились заставить мотор работать на невероятно бедной смеси. Одна часть бензина в ней приходится на 40, а то и на 50 частей воздуха (по массе). (Да и сам воздух обильно "обогащен" отработавшими газами, поступающими в цилиндр "по второму кругу".) Такую смесь не поджечь искровым разрядом и потому основная забота разработчиков - так распределить топливный заряд, чтобы возле свечи была смесь богатая, а в остальном объеме - бедная. Организовать такой процесс чрезвычайно сложно. Здесь играют огромную роль геометрические параметры камеры сгорания: взаимное расположение клапанов, форсунки, свечи, форма днища поршня, факела распыляемого топлива… С 1997 года, когда Mitsubishi представила свой первый GDI (Gasoline Direct Injection), фирмы без устали патентуют альтернативные варианты. До недавнего времени основных было четыре (см. рис. 3.6а).

Рис. 3.6а. Четыре схемы смесеобразования при непосредственном впрыске [1]
Но немецкий профессор Ульрих Шпихер из университета в Карлсруэ нашел свой, пятый. Здесь свеча зажигания спрятана в маленькой "форкамере", бензин впрыскивается в углубление поршня и, когда последний поднимается к ВМТ, забрасывается к искровому промежутку. Далее - по описанному выше принципу.

Рис. 3.6b. Пятая форкамерная схема (схема Шпихера) [1]

Бедная смесь очень понравилась разработчикам, но у "зеленых" к новым моторам возникли свои претензии. Да, конечно, с СО здесь все в порядке. Вот только резко выросли выбросы окислов азота NOx. На них тоже нашли управу - специальный накопительный катализатор. Правда, он не может все время накапливать, периодически его нужно очищать. И эта проблема решена: процесс управляется компьютером. В последней разработке фирм Bosch и Volkswagen - "Моtrinic MED7" - двигатель может работать в трех режимах. При частичной нагрузке (а это самый распространенный случай) используется описанный выше послойный заряд топливом с втрое обедненной смесью ( = 3 или топливо/воздух = 1:45). В таком режиме экономия топлива достигает 40%. При интенсивном разгоне или движении с максимальной скоростью смесь становится однородной с "правильным составом" = 1 (1:14,7). И наконец, когда датчик катализатора сообщает о его переполнении азотистыми соединениями, мотор кратковременно получает слегка переобогащенную смесь с = 0,8. Температура отработавших газов при этом повышается до необходимых 6000С и токсичные вещества "выгорают". Переключением режимов ведает специальная заслонка во впускном коллекторе, изменяющая характер потока воздуха. В целом в стандартном цикле удается достичь экономии топлива около 15% и выполнить жесткие нормы будущего Евро V. Но… при условии, если в бензине не будет не только свинца, но и серы. Последняя даже в малых количествах отравляет новый катализатор и сводит на нет все усилия конструкторов. На Западе совместный натиск экологов и разработчиков двигателей уже привел к появлению специальных, очищенных от серы сортов бензина, которые, кстати, дороже обычных лишь на 1,5 цента за литр.
Сегодня, пожалуй, не осталось серьезных фирм, не предложивших двигателей с непосредственным впрыском топлива или, по крайней мере, не работающих над такой конструкцией. Остановимся подробнее на недавно представленном Peugeot (Пежо) HPi - так называемом двигателе с впрыском высокого давления. На самом деле высокое оно лишь по сравнению с привычными впрысковыми моторами, где к форсункам топливо подводится при 0,25...0,4 МПа. Новый мотор Peugeot использует 3...10 МПа, как и аналогичные моторы конкурентов. Но есть и у французов ноу-хау, связанное опять же с геометрией: воздух поступает в цилиндр сверху, почти вертикально, ударяется о выемку в днище поршня и активно завихряется. В конце такта сжатия мелко распыленное топливо вводится в этот вихрь и благодаря искусно подобранному комплексу параметров распределяется в камере сгорания так, что возле свечи состав смеси почти стехиометрический ( = 1), а в остальной массе бензина в 30 раз меньше, чем воздуха. (Последний, кстати, на 30% разбавлен отработавшими газами, что снижает температуру горения и тормозит образование окислов азота.)
За всеми процессами бдительно следит микропроцессорный контроллер, оперативно изменяя давление подачи бензина. Педаль в пол - и насос выдает максимальные 10 МПа, холостой ход - давление снижается до 7. В переходных режимах при плавном сбросе или прибавлении газа давление падает до 3 МПа.
Система зажигания тоже особая: в зависимости от режима процессор изменяет напряжение и энергию разряда. При послойном заряде цилиндра, когда в основном объеме смесь обедненная, энергия максимальна (100 мДж), при однородном распределении с =1 она меньше (70 мДж при частичной нагрузке и 50 мДж - при полной).
Своей собственной "жизнью" "живет" в этом моторе и дроссельная заслонка, соединенная с шаговым электродвигателем. Педаль газа здесь лишь орган, воспринимающий желание водителя. А уж как поступить с заслонкой, решает контроллер. Так, при послойном заряде должно быть много воздуха, и потому заслонка широко открыта. На холостом ходу угол ее открытия около 20° - вдвое больше общепринятого. Когда какой заряд используется? Послойный находит применение преимущественно в городской черте, когда нагрузка не превышает 50%, а частота оборотов не выше 3500 мин-1. Чем плавнее автомобиль движется, тем больше он может сэкономить топлива, в идеале - до 21%. Ну а за спортивные наклонности, как обычно, придется расплачиваться у бензоколонки. Конструкторы Peugeot уверяют, что даже обычный сегодня европейский бензин с содержанием серы до 150 частей на миллион не испортит катализатор, а лишь заставит компьютер чаще прибегать к регенерации (читай - обогащать смесь) и тем самым уменьшит экономичность автомобиля.



4. Сравнительный анализ систем впрыска

Критерии оценки


Основными критериями оценки качества системы впрыска топлива являются:
- точность топливодозирования (а для интегрированных систем - и точность искрообразования);
- высокие характеристики двигателя на всех режимах (мощность, крутящий момент, комфортность вращения);
- экономичность по расходу топлива;
- экологичность;
- стоимость.

Рейтинг СВТ

Сравнительные характеристики СВТ и их рейтинг сведены в таблицу 4.1.
Оценки рассмотренных выше типичных СВТ по основным критериям качества сделаны в десятибалльной шкале.
Таблица 4.1


При всей условности данной таблицы (она, например, не отражает рабочий объем двигателей, назначение автомобилей и др.) она все же более-менее объективно отражает диалектику и тенденции развития систем управления двигателями.
Лучшими на сегодняшний день, по всем критериям, кроме стоимости, являются системы непосредственного впрыска - 51 балл. Далее идут синфазные СВТ Bosch Motronic M3.1 и Mitsubishi MPI - соответственно 48 и 47 баллов. Они также достаточно дороги.
Последующие "места", которые занимают системы, почти точно соответствуют диалектике развития СВТ. Исключение составляют системы одноточечного впрыска, рейтинг которых сравнительно высок вследствие дешевизны и неприхотливости.
Отошли в прошлое механические, электронно-механические и некоторые дискретные синхронные СВТ.


Заключение

Что же в итоге? Системы впрыска развиваются в полном соответствии с законами диалектики. Придуманные в 1877 году и реализованные в пятидесятых годах 20-го века, они надолго уступили место карбюраторам. Потом настал черед впрыска во впускной коллектор, и в этом прослеживается карбюраторное наследие. Наконец, на очередном рубеже веков все вернулось к исходной идее - только прямо в цилиндр, но уже на качественно новом, электронно-компьютерном уровне.


Список использованной литературы

1. А.Воробьев-Обухов. Диалектика впрыска. - М. "За рулем" № 8, 2002.
2. Хрулёв А.Э. Ремонт двигателей зарубежных автомобилей. - М. "За рулем", 1998 г.
3. Системы впрыска топлива. ТО и диагностика. Ч.I-VI. - С-Пб, 1995.
4. Dieter Korp. BMW 520i, 525e, 525i, 528i. - Stuttgart, Motorbuch Verlag, 1992.
5. Системы управления двигателем MPI и MPFI. - Батайск, "ПОНЧиК", 1999.
6. Р.Твег. Системы впрыска топлива. - М. "За рулем", 1997.
7. Etzold H.R. AUDI 100 und AVANT. - Bad Oeynhausen, 1992.
8. Под.ред. С.Афонина. Системы диагностики. - Р-н-Д. "ПОНЧиК", 1999.
9. Н.Викторов. Заметки инжекторщика. - С. "АВ", 1999-2001.

Обсудить на ФОРУМЕ "Просто инжектор"

Для перехода на главную страницу нажмите З Д Е С Ь




Copyright: "Просто Инжектор©" 2007

Rambler's Top100