Что такое прямой впрыск топлива в дизельном двигателе

Из каких механизмов состоит система

Следует перечислить, из каких исполнительных механизмов состоит комплекс впрыска топлива инжекторного автомобиля:

Бензонасос работает на нагнетание топливной смеси в специальную рампу. Чтобы давление в этой рампе было все время на определенном уровне на ней установлен механический регулятор давления. Иногда бензонасос и регулятор совмещены.

Форсунки специальные клапаны с регулируемой производительностью, которые имеют электромагнитные прецензионный характер.

Зажигательный модуль специальное устройство, предназначенное для регуляции искрообразования. Включает в себя два независимо работающих канала, которые направлены на поджиг смеси, отдельно в 1 и 4, а также во 2 и 3 цилиндрах.

Регулирование холостого хода эта часть системы обусловлено специальным регулятором, который поддерживает заданные обороты. Сам регулятор представляет собой двигатель шагового типа, он регулирует канал воздуха обводного типа в дроссельную заслонку. Это необходимо для того чтобы двигатель постоянно получал необходимое количество воздуха.

Вентилятор системного охлаждения имеет управление от электрической составляющей автомобиля и работает в зависимости от сигналов ДТОЖ.

Датчик топливного расхода подает постоянный сигнал на маршрутный компьютер или на панель управления и сообщает водителю необходимые показатели. Надо отметить, что этот датчик может работать с погрешностями, так как данный высчитываются по приблизительным показателям.

Адсорбер еще один компонент замкнутой цепи, которая регулирует пары бензина. Чаще всего такой элемент устанавливается на зарубежные автомобиля.

Схема распределенного впрыска топлива

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:

Источник

Недостатки системы прямого или непосредственного впрыска топлива

Дело в том, что система прямого впрыска топлива очень чувствительна к качеству самого топлива, поэтому автомобили, двигатели которых оснащены этой системой, рекомендуется заправлять бензином марки АИ-98. Это связано с тем, что топливо низкого качества в лучшем случае засоряет форсунки и впускные клапана, на которых со временем образуется ничем не смываемый налёт, а в худшем случае выводит из строя топливный насос высокого давления (ТНВД).

Эта проблема особенно актуальна, когда вы покупаете подержанный автомобиль, двигатель которого оснащён системой прямого впрыска топлива. В этом случае доподлинно неизвестно, соблюдал ли предыдущий владелец все правила эксплуатации. В результате чего получается, что вы не застрахованы от возможных в ближайшем будущем проблем с двигателем и топливной системой, устранение которых может вам дорого обойтись.

Достоинства

Преимущества по сравнению с двигателями, оборудованными карбюраторной системой подачи топлива (в контексте двигателей имеющих электронный блок управления):

• Существенное уменьшение расхода топлива даже на ранних системах (например у автомобиля «Нива» ВАЗ-21214, оснащенного инжекторной системой первых поколений, расход топлива в среднем на 30-40% меньше чем аналогичного автомобиля ВАЗ-21213 оснащенного карбюратором). Современные системы обеспечивают расход топлива примерно в 2 раза ниже чем у последних поколений карбюраторных автомобилей аналогичной массы и рабочего объема.
• Значительный прирост мощности двигателя, особенно в области низких оборотов.
• Упрощается и полностью автоматизируется запуск двигателя.
• Автоматическое поддержание требуемых оборотов холостого хода.
• Более широкие возможности управления двигателем (улучшаются динамические и мощностные характеристики двигателя).
• Не требует ручной регулировки системы впрыска, так как выполняет самостоятельную настройку на основе данных, передаваемых датчиками кислорода, а также на основе измерения неравномерности вращения коленвала.
• Поддерживает примерно стехиометрический состав рабочей смеси, что существенно уменьшает выброс несгоревших углеводородов и дает возможность использования окислительно-восстановительных каталитических нейтрализаторов. В результате выбросы токсичных продуктов сгорания снизились во много раз. Например, выбросы окиси углерода у последних поколений карбюраторных автомобилей составляли примерно 20-30 г/кВт*ч, у инжекторых автомобилей Евро-2 — уже 4 г/кВт*ч, а у автомобилей, выпущенных по нормам Евро-5 — всего 1,5 г/кВТ*ч.
• Широкие возможности для самодиагностики и самонастройки параметров, что упрощает процесс технического обслуживания автомобиля. Фактически инжекторные системы начиная с Евро-3 вообще не требуют никакого периодического обслуживания (требуется только замена вышедших из строя элементов).
• Лучшая защита автомобиля от угона. Не получив разрешение от иммобилайзера блок управления двигателем не производит подачу топлива в двигатель.
• Возможность уменьшения высоты капота, так как элементы системы впрыска расположены по бокам двигателя, а не над двигателем, как большинство автомобильных карбюраторов.
• В карбюраторных системах при неработающем двигателе или при работе на небольших оборотах за счет испарения бензина из карбюратора весь тракт начиная от воздушного фильтра и до впускного клапана наполнены горючей смесью, объем которой в многоцилиндровых двигателях достаточно велик. При неисправностях в работе системы зажигания или неправильно отрегулированных зазорах в клапанах возможен выброс пламени во впускной коллектор и воспламенения в нем горючей смеси, что вызывает громкие хлопки и может привести к пожару или повреждению приборов системы питания. В инжекторных системах бензин подается только в момент открытия впускного клапана соответствующего цилиндра и накопления горючей смеси во впускном тракте не происходит.
• Работа карбюратора зависит от его положения в пространстве. Например, большинство автомобильных карбюраторов работают с серьезными нарушениями при крене автомобиля уже в 15 градусов. У инжекторных систем такой зависимости нет.
• Работа карбюратора сильно зависит от атмосферного давления, что особенно критично при работе автомобильных двигателей в горах, а также для авиационных двигателей. У инжекторных систем такой зависимости нет.

Варианты системы питания

Основными видами горючего для ДВС являются бензин и дизельное топливо («солярка»). Газ (метан) так же относится к видам современного топлива, но, несмотря на широкую применяемость, пока не получил актуальности. Вид топлива является одним из критериев классификации систем питания ДВС.

В этой связи выделяют силовые агрегаты:

1. бензиновые;
2. дизельные;
3. основанные на газообразном топливе.

Но наиболее признанной среди специалистов является типология систем питания двигателя по способу подачи топлива и приготовления топливно-воздушной смеси. Следуя данному принципу классификации, различаются, во-первых, система питания карбюраторного двигателя, во-вторых, система питания с впрыском топлива (или инжекторного двигателя).

Карбюратор

Карбюраторная система основана на действии технически сложного устройства – карбюратора. Карбюратор – это прибор, осуществляющий приготовление смеси топлива и воздуха в необходимых пропорциях. Несмотря на разнообразие видов, в автомобильной практике наибольшее применение получил поплавковый всасывающий карбюратор, принципиальная схема которого включает:

• поплавковую камеру и поплавок;
• распылитель, диффузор и смесительную камеру;
• воздушную и дроссельную заслонки;
• топливные и воздушные каналы с соответствующими жиклерами.

Подготовка топливно-воздушной смеси в карбюраторе осуществляется по пассивной схеме. Движение поршня в такте впуска (первом такте) создает в цилиндре разряженное пространство, в которое и устремляется воздух, проходя через воздушный фильтр и сквозь карбюратор. Именно здесь и происходит формирование горючей смеси: в смесительной камере, в диффузоре топливо, вырывающееся из распылителя, дробится воздушным потоком и смешивается с ним. Наконец, через впускной коллектор и впускные клапаны горючая смесь подается в конкретный цилиндр двигателя, где в необходимый момент и воспламеняется искрой от свечи зажигания.

Таким образом, система питания карбюраторного двигателя представляет собой преимущественно механический способ приготовления топливно-воздушной смеси.

Впрыск топлива

Эпоха карбюратора сменяется эпохой инжекторного двигателя, система питания которого основана на впрыске топлива. Ее основными элементами являются: электрический топливный насос (расположенный, как правило, в топливном баке), форсунки (или форсунка), блок управления ДВС (так называемые «мозги»).

Принцип работы указанной системы питания сводится к распылению топлива через форсунки под давлением, создаваемым топливным насосом. Качество смеси варьируется в зависимости от режима работы двигателя и контролируется блоком управления. Важным компонентом такой системы является форсунка. Типология инжекторных двигателей основывается именно на количестве используемых форсунок и места их расположения.

Так, специалисты склонны выделять следующие варианты инжектора:

1. с распределенным впрыском;
2. с центральным впрыском.

Система распределенного впрыска предполагает использование форсунок по количеству цилиндров двигателя, где каждый цилиндр обслуживает собственная форсунка, участвующая в подготовке горючей смеси. Система центрального впрыска располагает только одной форсункой на все цилиндры, расположенной в коллекторе.

История

В 1934—1935 годах был сконструирован, а в 1936 году показан на авиашоу в Париже дизельный двигатель Коатален (L. Coatalen

). Отличием дизеля Коаталена от иных дизелей был впрыск топлива в цилиндры не гидравлическим открыванием клапана форсунки, а механическим открыванием и применением гидроаккумулятора, топливо в который нагнетается независимым от распределительной системы ТНВД. Фактически был показан работоспособный двигатель, на котором был применён прообраз системыcommon rail . Такой системой впрыска топлива Луи Коатален обогнал время на 60 лет.

Впервые система непосредственного впрыска топлива на дизельных двигателях была разработана и внедрена в 1939 году советскими инженерами при создании двигателя семейства В-2 на Харьковском паровозостроительном заводе.

Прототип системы common rail

был создан в конце 1960-х годов Робертом Хубером в Швейцарии, далее технологию разрабатывал доктор Марко Гансер из Швейцарской высшей технической школы Цюриха.

Разработки электронно управляемых аккумуляторных систем питания дизельных двигателей и электро-гидравлических форсунок проводились ещё в 60-80 годах XX века в СССР в лаборатории автоматики и систем питания ДВС Коломенского филиала ВЗПИ под руководством профессора Ф. И. Пинского. Первые в мире работоспособные электронно-управляемые аккумуляторные топливные системы дизелей были реализованы на дизелях Коломенского Завода и НПО Звезда (г. Ленинград). Отсутствие производства в СССР малогабаритных электромагнитных исполнительных устройств для форсунок не позволило применить тогда эти системы на автомобильных дизелях. Электронно-управляемые аккумуляторные топливные системы дизелей в документах для служебного пользования фирмы R.Bosch до 1988 года имели обозначение «русские топливные системы», так как описание таких систем, разработанных в Коломне, существовало только на русском языке.

В середине 1990-х годов доктор Шохей Ито и Масахико Мияки из корпорации Denso разработали систему common rail

для коммерческого транспорта и воплотили её в системе ECD-U2, которая стала использоваться на грузовиках Hino Rising Ranger; в 1995 году они продали технологию другим производителям. Поэтому Denso считается пионером в адаптации системыcommon rail к нуждам автомобилестроения.

Современные системы common rail

работают по тому же принципу. Они управляются блоком электронного управления, который открывает каждый инжектор электрически, а не механически. Эта технология была детально разработана общими усилиями компаний Magneti Marelli, Centro Ricerche Fiat и Elasis. После того как концерн Fiat разработал дизайн и концепцию системы, она была продана немецкой компании Robert Bosch GmbH для разработки массового продукта. Это оказалось большим просчетом Fiat, поскольку новая технология стала очень выгодна, но в то время итальянский концерн не имел финансовых ресурсов для завершения работ. Тем не менее, итальянцы первые применили системуcommon rail в 1997 году на Alfa Romeo 156 1.9 JTD, и только потом она появилась на Mercedes-Benz C 220 CDI.

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.

Прямой впрыск топлива – хорошо или плохо?

Двигатели с непосредственным впрыском (также используется термин «прямой впрыск», или GDI) начали появляться на автомобилях не так давно. Однако технология набирает популярность и все чаще встречается на моторах новых автомобилей. Сегодня мы в общих чертах постараемся ответить, что такое технология непосредственного впрыска и стоит ли ее опасаться?

Для начала стоит отметить, что главной отличительной особенностью технологии является расположение форсунок, которые размещены непосредственно в головке блока цилиндров, соответственно, и впрыск под огромным давлением происходит напрямую в цилиндры, в отличие от давно зарекомендовавшей себя с лучшей стороны системы впрыска горючего во впускной коллектор.

Прямой впрыск впервые был испытан в серийном производстве японским автопроизводителем Mitsubishi. Эксплуатация показала, что среди плюсов главными преимуществами стали экономичность – от 10% до 20%, мощность – плюс 5% и экологичность. Основной минус – форсунки крайне требовательны к качеству топлива.

Стоит также отметить, что схожая система уже долгие десятилетия успешно устанавливается на дизельные двигатели. Однако именно на бензиновых моторах применение технологии было сопряжено с рядом трудностей, которые до сих пор не были окончательно решены.

В видео с YouTube-канала «Savagegeese» объясняется, что такое прямой впрыск и что может пойти не так в ходе эксплуатации автомобиля с данной системой. В дополнение к главным плюсам и минусам в видеоролике также объясняются тонкости профилактического обслуживания системы.  Кроме того, в ролике затрагивается тема систем впрыска во впускные каналы, которые можно в изобилии наблюдать на более старых моторах, а также моторы, которые используют оба метода впрыска горючего. Наглядно используя диаграммы Bosch, ведущий объясняет, как все это работает.

Чтоб узнать все нюансы, предлагаем посмотреть видео ниже (включение перевода субтитров поможет разобраться, если вы не очень хорошо знаете английский). Для тех, кому не слишком интересно смотреть, об основных плюсах и минусах непосредственного впрыска бензина можно прочитать ниже, после видео:

Итак, экологичность и экономичность – благие цели, но вот чем чревато использование современной технологии в вашем автомобиле:

Минусы

1. Очень сложная конструкция.

2. Отсюда вытекает вторая важная проблема. Поскольку молодая бензиновая технология подразумевает внесение серьезных изменений в конструкцию головок цилиндров двигателя, конструкцию самих форсунок и попутное изменение иных деталей мотора, к примеру ТНВД (топливный насос высокого давления), стоимость автомобилей с непосредственным впрыском топлива выше.

3. Производство самих частей системы питания также должно быть крайне точным. Форсунки развивают давление от 50 до 200 атмосфер.

Прибавьте к этому работу форсунки в непосредственной близости со сгораемым топливом и давлением внутри цилиндра и получите необходимость производства очень высокопрочных компонентов.

4. Поскольку сопла форсунок смотрят в камеру сгорания, все продукты сгорания бензина также осаждаются на них, постепенно забивая или выводя форсунку из строя. Это, пожалуй, самый серьезный минус использования конструкции GDI в российских реалиях.

5. Помимо этого необходимо очень тщательно следить за состоянием двигателя. Если в цилиндрах начинает происходить угар масла, продукты его термического распада достаточно быстро выведут из строя форсунку, засорят впускные клапаны, образовав на них несмываемый налет из отложений. Не стоит забывать, что классический впрыск с форсунками, расположенными во впускном коллекторе, хорошо очищает впускные клапаны, омывая их под давлением топливом.

6. Дорогой ремонт и необходимость профилактического обслуживания, которое тоже недешевое.

Помимо этого, в видео также объясняется, что при ненадлежащей эксплуатации на автомобилях с прямым впрыском могут наблюдаться загрязнение клапанов и ухудшение производительности, в особенности на турбированных двигателях.

Плюсы

1. Экологичность.

2. Экономичность (правда, здесь нужно сделать оговорку: реальная экономия бензина доступна в условиях, близких к идеальным) – экономия 5-10%.

3. Немного более высокая мощность.

4. GDI при непосредственном попадании топлива в цилиндр охлаждает головку поршня.

5. Происходит лучшее смешение топливовоздушной смеси в цилиндрах.

6. Меньше детонация.

7. Требуется гораздо меньше топлива, смесь при определенных условиях работы мотора может обедняться до 30:1

8. Процесс работы двигателя точнее контролируется при помощи компьютера.