Система непосредственного впрыска топлива в бензиновых двигателях: принцип работы

На поводу у экологов

Авторами данной разработки стали инженеры концерна Volkswagen. По сути, они не изобрели ничего нового, а просто объединили в одном двигателе распределённый и непосредственный впрыск.

Получился этакий Франкенштейн, имеющий форсунки и во впускном коллекторе, и в самих цилиндрах, попеременно использующий то одни, то другие.

Что это нам дало? Во-первых, экологичность — моторы с комбинированной системой инжекции полностью соответствуют нормам Евро-6. Во-вторых, ещё немного понизилась прожорливость силовых агрегатов, так как топливо сгорает более рационально.

На первый взгляд, всё довольно просто, но за незатейливым названием скрывается довольно сложная система, поэтому давайте немного детальнее изучим её составляющие и принцип работы.

Носители системы

На данный момент[когда?] до 70 % всех выпускаемых дизельных двигателей оснащается системами common rail, и эта доля растёт. По прогнозам компании Robert Bosch GmbH доля системы CR на рынке к 2016 году достигнет 83 %, а в 2008 году их число составляло лишь 24 %. Таким образом, сегодня практически каждый производитель двигателей всех классов: от малых легковых и до крупных судовых, освоил применение аккумуляторных систем.

Среди производителей топливоподающей аппаратуры и систем common rail в частности, лидерами являются следующие компании: R. Bosch, Denso, Siemens VDO, Delphi, L’Orange, Scania.

Непосредственный..

“Goliath GP700” стал первым серийным автомобилем, двигатель которого получил впрыск топлива.

ВПРЫСК (его еще иногда называют прямым) отличается от предыдущих типов систем питания тем, что в данном случае форсунки подают топливо прямо в цилиндры (минуя впус¬кной коллектор), как у дизельного двигателя.

В принципе такая схема системы питания не нова. Еще в первой половине прошлого века ее использовали на авиационных двигателях (например на советском истребителе “Ла-7”). На легковых машинах прямой впрыск появился чуть позже – в 50-х годах ХХ века сначала на автомобиле “Goliath GP700”, а затем на знаменитом “Mercedes-Benz 300SL”. Однако через некоторое время автопроизводители практически отказались от применения непосредственного впрыска, он остался лишь на гоночных автомобилях.

Дело в том, что головка блока цилиндров у двигателя с прямым впрыском получалась очень сложной и дорогой в производстве. Кроме того, конструкторам долгое время не удавалось добиться стабильной работы системы. Ведь для эффективного смесеобразования при прямом впрыске необходимо, чтобы топливо хорошо распылялось. То есть подавалось в цилиндры под большим давлением. А для этого требовались специальные насосы, способные его обеспечить.. В итоге на первых порах двигатели с такой системой питания получались дорогими и неэкономичными.

Однако с развитием технологий все эти проблемы удалось решить, и многие автопроизводители вернулись к давно забытой схеме. Первой была компания “Mitsubishi”, в 1996 году установившая двигатель с непосредственным впрыском топлива (фирменное обозначение – GDI) на модель “Galant”, затем подобные решения стали использовать и другие компании. В частности, “Volkswagen” и “Audi” (система FSI), “Peugeot-Citroёn” (HPA), “Alfa Romeo” (JTS) и другие.

Почему же такая система питания вдруг заинтересовала ведущих автопроизводителей? Все очень просто – моторы с прямым впрыском способны работать на очень бедной рабочей смеси (с малым количеством топлива и большим – воздуха), поэтому они отличаются хорошей экономичностью. Вдобавок подача бензина непосредственно в цилиндры позволяет поднять степень сжатия двигателя, а следовательно и его мощность.

Система питания с прямым впрыском может работать в разных режимах. Например, при равномерном движении автомобиля со скоростью 90-120 км/ч электроника подает в цилиндры очень мало топлива. В принципе такую сверхбедную рабочую смесь очень трудно поджечь. Поэтому в моторах с прямым впрыском используются поршни со специальной выемкой. Она направляет основную часть топлива ближе к свече зажигания, где условия для воспламенения смеси лучше.

При движении с высокой скоростью или при резких ускорениях в цилиндры подается значительно больше топлива. Соответственно из-за сильного нагрева частей двигателя возрастает риск возникновения детонации. Чтобы избежать этого, форсунка впрыскивает в цилиндр топливо широким факелом, ко¬торый заполняет весь объем камеры сгорания и охлаждает ее.

Если же водителю требуется резкое ускорение, то форсунка срабатывает два раза. Сначала в начале такта впуска распыляется небольшое количество топлива для охлаждения цилиндра, а затем в конце такта сжатия впрыскивается основной заряд бензина.

Но, несмотря на все свои преимущества, двигатели с непосредственным впрыском пока еще недостаточно распространены. Причина – высокая стоимость и требовательность к качеству топлива. Кроме того, мотор с такой системой питания работает громче обычного и сильнее вибрирует, поэтому конструкторам приходится дополнительно усиливать некоторые детали двигателя и улучшать шумоизоляцию моторного отсека.

Просто о сложном: что такое непосредственный впрыск топлива

Например, всё тот же пресловутый TSI. Известно, что бензина потребляет мало, а едет не по-силам шустро. Да в общем-то, уже практически все крупные автопроизводители перешли на непосредственный впрыск. А как он устроен и чем отличается от «посредственного»? Давайте разбираться.Вообще, для начала неплохо бы рассмотреть, чем в принципе система с впрыском топлива (она же инжекторная) отличается от «дедушки» всех топливных систем автомобиля — карбюратора. Но об этом я расскажу как-нибудь позже, а сегодня поговорим об отличиях непосредственного впрыска бензина от распределенного — классического, то бишь.

Пройдя нелегкий путь от топливного бака до топливной рейки двигателя, бензин попадает в цилиндры. Это общая очевидная схема. А вот далее начинаются различия.

Распределенный впрыск

В системе с распределенным впрыском топлива форсунка (это устройство, распрыскивающие топливо в виде мелкодисперсной пыли) установлена во впускном коллекторе — по одной перед каждым цилиндром. То есть она расположена перед впускным клапаном.

Что происходит в процессе работы: на такте впуска, когда поршень идет вниз и впускной клапан открывается, форсунка впрыскивает необходимое количество топлива во впускной коллектор, где он, перемешиваясь с воздухом, попадает в цилиндр уже в виде готовой топливо-воздушной смеси. После чего, на такте сжатия смесь эта сжимается и поджигается свечой.

Непосредственный впрыск

А вот в случае с непосредственным впрыском, форсунка стоит в головке блока цилиндров и часть ее «торчит» непосредственно (ага) в камере сгорания. И топливо впрыскивается не на такте впуска, а в конце такта сжатия, когда и перемешивается с воздухом — уже практически в момент поджига свечой. Примечание . Здесь стоит отметить, что системы непосредственного впрыска имеют разные алогоритмы подачи топлива — в том числе и такой, когда подача осуществляется и на такте впуска, и на такте сжатия.

Отличия друг от друга

Ниже на картинке я очень схематично сравнил момент работы этих двух систем. Но не вдаваясь в технические тонкости процесса, здесь просто нужно понять главное отличие этих двух вариантов питания:

В системе с распределенным впрыском в цилиндры поступает уже готовая смесь воздуха и бензина. В системе с непосредственным впрыском топливо подается отдельно, смешиваясь с воздухом уже в цилиндре.

Логично задать вопрос: какие плюсы дает второй вариант?

Основных преимуществ целая куча:

• Конечно, топливная экономичность. Системы с непосредственным впрыском ( далее — НВ ) умеют работать на сверхбедных составах смеси. Так, широко распространенный двигатель 1.8 TSI от Volkswagen на холостых «нюхает» всего около 0.6-0.7 литра в час.
• Второй конек таких систем — удельная мощность на единицу объема. Другими словами, двигатель с НВ будет на 10-15% мощнее своего аналога одинакового объема с классической распределенной системой питания. Это достигается за счет как более точной дозировки топлива в различных режимах работы двигателя, так и за счет более оптимизированной схемы смешивания с воздухом и последующего более эффективного сгорания смеси.
• Хоть и мало кого в нашей стране волнует, но экологичность. Собственно, это является следствием всего вышеперечисленного. Меньше расход топлива — меньше накоптит воздух, если говорить по-простому. Плюс, возможность работы на сверхбедных смесях и более эффективное (т.е., более полное, без «сажи») сгорание, сами по себе делают выхлоп более чистым.

Разумеется, нельзя не сказать и о недостатках, куда же без них.

• Дорого. Топливная аппаратура систем с НВ на порядок дороже и сложнее классических.
• Высокая чувствительность к качеству топлива. Кстати, один из основополагающих факторов отпугивания людей при покупке машины с НВ. Наверняка многие помнят байки, как первопроходцы систем с непосредственным впрыском (японцы со своим GDI) могли запросто и враз помереть после одной заправки в какой-нибудь деревне, в те самые веселые 90-е годы. Так вот, байки-байками, а таки действительно могли.

Конечно, сейчас такие системы питания уже давно отлажены и получили широчайшее распространение, а качество бензина в крупных городах даже у нас в целом стало более-менее сносным. Так что, не нужно поддаваться паранойе: если вы не планируете регулярно эксплуатировать такую машину глубоко в «Васюках», то всё будет хорошо. Скажу больше — на непосредственный впрыск постепенно переходят даже недорогие бренды, а носителями таких моторов становятся модели всё доступнее по классу.

Надеюсь, кому-то было полезно!

Другие мои статьи на авто тему ниже и также в журнале Дзен OVER9000:

Сommon Rail в действии

Топливный насос низкого давления (его роль может выполнять подкачивающая секция, расположенная в корпусе ТНВД либо электрический насос в топливном баке) подает топливо под давлением 2,6-7 бар к ТНВД, в котором и происходит нагнетание давления топлива. При прокрутке двигателя стартером ТНВД способен создавать давление 500-600 бар. После запуска двигателя эта величина вырастает до 1300-2000 бар.

В рейке постоянно поддерживается оптимальное давление, величина которого контролируется с помощью датчика давления, лишнее топливо сбрасывается регулятором в магистраль обратного слива. Регулятор может располагаться в топливной рейке либо в корпусе ТНВД. Дополнительно в рейке может быть вмонтирован клапан экстренного сброса топлива, предотвращающий разрыв рейки в случае нештатной ситуации. Также для более точной работы в некоторых системах в топливную рампу вмонтирован датчик температуры топлива. В некоторых вариантах системы можно встретить отдельную форсунку, использующуюся для увеличения дозировки топлива и прожига сажевого фильтра, в других системах работа двигателя в режиме прожига достигается изменением ЭБУ момента впрыска и количества подаваемого в цилиндры дизеля.

Форсунки

Под давлением топливо подается к форсункам, которые могут быть 2 видов.

• Электрогидравлические. Представляют собой обычные электромагнитные форсунки, поднятие иглы распылителя и подача топлива в которых осуществляется после подачи напряжения на электромагнитный клапан. Электромагнитные форсунки очень надежные и имеют высокий уровень ремонтопригодности.
• Пьезоэлектрические. Пьезокристалл при подаче на него напряжение очень быстро расширяется, позволяя игле подыматься в 3-4 раза быстрее, нежели в случае с электромагнитной форсункой. Это повышает быстродействие форсунки, благодаря чему за такт можно осуществить большее количество впрыска дизеля в камеру сгорания, а также точнее отмерить подаваемую порцию горючего. Но сложность конструкции оборачивается меньшим ресурсом и трудностями в ремонте.

ТНВД

Топливная система Сommon Rail была разработана специалистами компании Bosch, которой и принадлежит основная доля рынка дизельных систем впрыска. На данный момент существует 5 генераций ТНВД Bosch системы Сommon Rail.

• СР1 – трехплунжерный ТНВД с подкачивающей секцией, расположенной в баке. Насос лишен клапана дозирование топлива, его функцию выполняет регулятор давления, вмонтированный в рейку (отличительная черта систем с СР1). Чаще всего СР1 комплектуются электромагнитными форсунками.
• СР1Н – усовершенствованный вариант СР1. Вместо подкачивающего насоса в баке, в корпус ТНВД вмонтирована механическая подкачивающая секция. Главная особенность – наличие клапана регулировки количества топлива, нагнетаемого в рейку. По сравнению с СР1, обеспечивает большое давление – 1600-1800 бар. Также большая эффективность достигается за счет возможности принудительного отключения одного из плунжеров, когда в большом количества горючего нет необходимости.
• СР2 – ТНВД, предназначенные для тяжелого коммерческого транспорта.
• СР3. Отличительная черта – количество нагнетаемого топлива регулируется не в контуре высокого давления, а еще на подходе к плунжерам путем контроля объема топлива, подаваемого к насосу. СР3 имеет механическую топливоподкачивающую секцию (варианты с электронасосами крайне редки). Двигатели с ТНВД СР3 оснащались только пьезоэлектрическими форсунками CRI 3.
• СР4. ТНВД имеет две модификации: одноплунжерный CP 4.1 (создаваемое давление – 1800 бар) и 2-плунжерный CP 4.2 (максимальное давление – 2000 бар). ТНВД имеет встроенный регулятор давления и механическую секцию низкого давления (5 бар). Большинство двигателей с СР4 оснащаются пьезофорсунками, но существуют системы и с электрогидравлическими инжекторами.

Помимо Bosch, производством компонентов и усовершенствованием системы Сommon Rail занимаются Delfi (Lukas), Densо и др.

Посредством данных, полученных от датчика положения педали газа, ЭБУ понимает желаемый водителем уровень крутящего момента. Считывая данные с ДВКВ, ДВРВ, ДМРВ, ДТОЖ, датчика наддува, датчика температуры топлива в рампе, электронный блок управления двигателем оценивает фактическую режимную нагрузку на мотор и решает, в какой момент нужно подать сигнал на форсунки и сколько топлива впрыснуть в цилиндры за цикловую подачу.

Основные виды технической реализации

Развитие шло двумя путями – от механических систем к электронным и от впрыска в ту зону, где ранее располагался карбюратор к индивидуальной подаче бензина как можно ближе к месту его горения.

 Централизованный впрыск единственной форсункой (моновпрыск)

Версия впрыска в самое начало впускного коллектора, где поток ещё был общим для всех цилиндров двигателя, не была первой исторически, но с неё началось массовое серийное внедрение технологии.

Модуль центрального впрыска содержит:

• форсунку с электромагнитным клапаном;
• топливный насос, создающий относительно небольшое давление;
• регулятор давления с диафрагмой, клапаном и обратной магистралью слива;
• электронный блок управления и датчики.

Система существенно упрощала жизнь водителям за счёт стабильной работы и автоматического управления. Двигатели хорошо запускались, обладали более высокими характеристиками по расходу и токсичности по сравнению с карбюраторными. Но цена выросла, а проблемы с конденсацией топлива в коллекторе остались.

Распределение форсунок по цилиндрам

Значительно лучше смесеобразование происходило при выделении отдельной форсунки каждому цилиндру. Стало возможным организовывать впрыск индивидуально, перед самым началом впуска, что исключало конденсацию. В остальном структура системы не поменялась, эволюционировал лишь её технический уровень. Совершенствовались датчики, быстродействие процессора в блоке управления, алгоритмы программы. В основном прогресс был направлен на экологию и обслуживание появившихся каталитических нейтрализаторов на выпуске.

Механическое и электронное управление

Первые системы впрыска топлива использовали для управления механику и гидравлику. Воздушные расходомеры представляли собой пластину в потоке, отклонение которой меняло управляющее давление. Далее сложный механизм дозатора-распределителя отмерял нужное количество топлива в зависимости от положения дросселя и прочих входных параметров. Всё это работало недостаточно точно и эффективно.

Качественный скачок произошёл с появлением структуры, представляющей из себя классический компьютер в блоке управления, который собирал электрические сигналы от датчиков, оцифровывал их и подавал команды на исполнительные устройства. Входной информацией стали:

• массовый расход воздуха или абсолютное давление во впускном коллекторе;
• температуры воздуха и двигателя;
• скорость и фаза вращения коленчатого и распределительных валов;
• положение дроссельной заслонки;
• наличие детонационных процессов;
• полнота сгорания топлива по кислородному датчику на выхлопе.

Чем больше учитывалось информации и чем выше скорость её обработки, тем точнее регулировались режимы двигателя. Распределённый впрыск с электронным управлением и катализатором широко применяется и в настоящее время.

Прямой (непосредственный) впрыск

Идея непосредственного впрыска бензина в камеру сгорания существовала всегда, но с практической реализацией имелись сложности. Для впрыска в конце такта сжатия и правильного направления тонко распылённого бензина требовалось высокое давление и качественные форсунки. Усложнился и подорожал насос, теперь его функции распределились между подкачкой из бака и созданием давления порядка 100 атмосфер на входе форсунок. Возникли трудно решаемые проблемы с надёжностью и долговечностью дорогих приборов системы впрыска.

Дополнительно стали возникать вопросы, подобные тем, что ограничивают развитие дизельной техники. Пришлось бороться с детонацией, жёсткой работой, разрабатывать быстродействующие форсунки высокого давления, способные разделить впрыск на фазы в течении одного такта цилиндра. Из-за необходимости обязательного использования системы EGR, направляющей часть выхлопных газов обратно во впускной коллектор, появились сложности с очисткой коллектора и клапанов.

Тем не менее, использование прямого впрыска, особенно комбинированного, с дополнительными форсунками в коллекторе, в сочетании с турбонаддувом позволило существенно повысить экономичность двигателей. Заплатив за это сложностью и недолговечностью. К тому же новым моторам требовалось очень качественное горючее, что сразу заметили водители, покупающие автомобили с прямым впрыском на вторичном рынке и эксплуатирующие их вдали от брендовых заправок с гарантированно подходящим бензином.

Фундаментальное рассмотрение

Идеальная система впрыска топлива может точно обеспечить точное количество топлива при любых условиях работы двигателя. Обычно это означает точное управление соотношением воздух-топливо (лямбда), что позволяет, например: облегчить работу двигателя даже при низких температурах двигателя (холодный запуск), хорошую адаптацию к широкому диапазону высот и температур окружающей среды, точно регулировать частоту вращения двигателя. (включая холостые обороты и обороты красной линии), хорошая топливная эффективность и минимально достижимые выбросы выхлопных газов (потому что это позволяет устройствам контроля выбросов, таким как трехкомпонентный катализатор, работать должным образом).

На практике идеальной системы впрыска топлива не существует, но существует огромное количество различных систем впрыска топлива с определенными преимуществами и недостатками. Большинство этих систем устарели из-за системы прямого впрыска Common-Rail , которая в настоящее время (2020 г.) используется во многих легковых автомобилях. Система впрыска Common Rail позволяет осуществлять прямой впрыск бензина и даже лучше подходит для непосредственного впрыска топлива дизельных двигателей . Однако система впрыска Common Rail является относительно сложной системой, поэтому в некоторых легковых автомобилях, в которых не используются дизельные двигатели, вместо используется система .

При проектировании системы впрыска топлива необходимо учитывать множество факторов, в том числе:

• Стоимость системы
• Характеристики двигателя и управляемость автомобиля (легкость запуска, плавность хода и т. Д.)
• выхлопные выбросы
• Возможности диагностики и простота обслуживания
• Эффективность топлива
• Надежность
• Возможность работать на различных видах топлива

Инжекторные топливные системы

Инжекторные топливные системы в настоящее время применяются гораздо чаще карбюраторных, особенно на бензиновых двигателях легковых автомобилей. Впрыск бензина во впускной коллектор инжекторного двигателя осуществляется с помощью специальных электромагнитных форсунок (инжекторов), установленных в головку блока цилиндров и управляемых по сигналу от электронного блока. При этом исключается необходимость в карбюраторе, так как горючая смесь образуется непосредственно во впускном коллекторе.

Различают одно- и многоточечные системы впрыска. В первом случае для подачи топлива используется только одна форсунка (с ее помощью готовится рабочая смесь для всех цилиндров двигателя). Во втором случае число форсунок соответствует числу цилиндров двигателя. Форсунки устанавливают в непосредственной близости от впускных клапанов. Топливо впрыскивают в мелко распыленной виде на наружные поверхности головок клапанов. Атмосферный воздух, увлекаемый в цилиндры вследствие разрежения в них во время впуска, смывает частицы топлива с головок клапанов и способствует их испарению. Таким образом, непосредственно у каждого цилиндра готовится топливовоздушная смесь.

В двигателе с многоточечным впрыском при подаче электропитания к электрическому топливному насосу 7 через замок 6 зажигания бензин из топливного бака 8 через фильтр 5 подается в топливную рампу 1 (рампу инжекторов), общую для всех электромагнитных форсунок. Давление в этой рампе регулируется с помощью регулятора 3, который в зависимости от разрежения во впускном патрубке 4 двигателя направляет часть топлива из рампы обратно в бак. Понятно, что все форсунки находятся под одним и тем же давлением, равным давлению топлива в рампе.

Когда требуется подать (впрыснуть) топливо, в обмотку электромагнита форсунки 2 от электронного блока системы впрыска в течение строго определенного промежутка времени подается электрический ток. Сердечник электромагнита, связанный с иглой форсунки, при этом втягивается, открывая путь топливу во впускной коллектор. Продолжительность подачи электрического тока, т. е. продолжительность впрыска топлива, регулируется электронным блоком. Программа электронного блока на каждом режиме работы двигателя обеспечивает оптимальную подачу топлива в цилиндры.

Для того чтобы идентифицировать режим работы двигателя и в соответствии с ним рассчитать продолжительность впрыска, в электронный блок подаются сигналы от различных датчиков. Они измеряют и преобразуют в электрические импульсы значения следующих параметров работы двигателя:

• угол поворота дроссельной заслонки
• степень разрежения во впускном коллекторе
• частота вращения коленчатого вала
• температура всасываемого воздуха и охлаждающей жидкости
• концентрация кислорода в отработавших газах
• атмосферное давление
• напряжение аккумуляторной батареи
• и др.

Двигатели с впрыском бензина во впускной коллектор имеют ряд неоспоримых преимуществ перед карбюраторными двигателями:

• топливо распределяется по цилиндрам более равномерно, что повышает экономичность двигателя и уменьшает его вибрацию, вследствие отсутствия карбюратора снижается сопротивление впускной системы и улучшается наполнение цилиндров
• появляется возможность несколько повысить степень сжатия рабочей смеси, так как ее состав в цилиндрах более однородный
• достигается оптимальная коррекция состава смеси при переходе с одного режима на другой
• обеспечивается лучшая приемистость двигателя
• в отработавших газах содержится меньше вредных веществ

Вместе с тем системы питания с впрыском бензина во впускной коллектор имеют ряд недостатков. Они сложны и поэтому относительно дорогостоящи. Обслуживание таких систем требует специальных диагностических приборов и приспособлений.

Наиболее перспективной системой питания топливом бензиновых двигателей в настоящее время считается довольно сложная система с непосредственным впрыском бензина в камеру сгорания, позволяющая двигателю длительное время работать на сильно обедненной смеси, что повышает его экономичность и экологические показатели. В то же время из-за существования ряда проблем системы непосредственного впрыска пока не получили широкого распространения.