Инжекторный двигатель. www.autoorsha.com

11.11.2015

Інжекторний двигун

В кінці 60х-на початку 70х років ХХ століття гостро постала проблема забруднення навколишнього середовища промисловими відходами, серед яких значну частину становили вихлопні гази автомобілів. До цього часу склад продуктів згоряння двигунів внутрішнього згоряння нікого не цікавив. В цілях максимального використання повітря в процесі згоряння і досягнення максимально можливої потужності двигуна складу суміші регулювався з таким розрахунком, щоб у неї був надлишок бензину. В результаті в продуктах згоряння зовсім був відсутній кисень, однак залишалося незгоріле паливо, а шкідливі для здоров’я речовини утворюються головним чином при неповному згорянні. У прагненні підвищувати потужність конструктори встановлювали на карбюратори прискорювальні насоси, упорскують паливо у впускний колектор при кожному різкому натисканні на педаль акселератора, тобто коли потрібно різкий розгін автомобіля. В циліндри при цьому потрапляє надмірна кількість палива, не відповідає кількості повітря. В умовах міського руху ускорительный насос спрацьовує практично на всіх перехрестях зі світлофорами, де автомобілі повинні то зупинятися, то швидко рушати з місця. Неповне згоряння має місце також при роботі двигуна на холостих обертах, а особливо при гальмуванні двигуном. При закритому дроселі повітря проходить через канали холостого ходу карбюратора з великою швидкістю, всмоктуючи занадто багато палива. Із-за значного розрідження у впускному трубопроводі в циліндри засмоктується мало повітря, тиск в камері згорання залишається до кінця такту стиснення порівняно низьким, процес згоряння надмірно багатої суміші проходить повільно, і у вихлопних газах залишається багато незгорілого палива. Описані режими роботи двигуна різко підвищують вміст токсичних з’єднання в продуктах згоряння.

Стало очевидно, що для зниження шкідливих для життєдіяльності людини викидів в атмосферу треба кардинально міняти підхід до конструювання паливної апаратури.

СИСТЕМИ ВПРИСКУВАННЯ ПАЛИВА

Для зниження шкідливих викидів в систему випуску було запропоновано встановлювати каталітичний нейтралізатор відпрацьованих газів. Але каталізатор ефективно працює тільки при спалюванні в двигуні так званої нормальної паливо-повітряної суміші (вагове співвідношення повітря/бензин 14,7:1). Будь-яке відхилення складу суміші від вказаного призводило до зниження ефективності його роботи та прискореного виходу з ладу. Для стабільного підтримки такого співвідношення робочої суміші карбюраторні системи вже не підходили. Альтернативою могли стати тільки системи упорскування. Перші системи були чисто механічними з незначним використанням електронних компонентів. Але практика використання цих систем показала, що параметри суміші, на стабільність яких розраховували розробники, змінюються по мірі експлуатації автомобіля. Цей результат цілком закономірний, враховуючи знос і забруднення елементів системи і самого двигуна внутрішнього згоряння в процесі його служби. Постало питання про систему, яка змогла б сама себе коригувати в процесі роботи, гнучко змінюючи умови приготування робочої суміші в залежності від зовнішніх умов. Вихід був знайдений наступний. У систему уприскування ввели зворотний зв’язок — у випускну систему, безпосередньо перед каталізатором, поставили датчик вмісту кисню у вихлопних газах, так званий лямбда-зонд. Дана система розроблялася вже з урахуванням наявності такого основоположного для всіх наступних систем елемента, як електронний блок управління (ЕБУ). За сигналами датчика кисню ЕБУ коригує подачу палива у двигун, точно витримуючи потрібний склад суміші.

На сьогоднішний день инжекторый (або, кажучи по-російськи, впрысковый) двигун практично повністю замінив застарілу карбюраторну систему. Інжекторний двигун істотно покращує експлуатаційні і потужностні показники автомобіля (динаміка розгону, екологічні характеристики, витрата палива).

Інжекторні системи подачі палива мають перед карбюраторними наступні основні переваги:

* точне дозування палива і, отже, більш економний його витрати.

* зниження токсичності вихлопних газів. Досягається за рахунок оптимальності паливно-повітряної суміші і застосування датчиків параметрів вихлопних газів.

* збільшення потужності двигуна приблизно на 7-10%. Відбувається за рахунок поліпшення наповнення циліндрів, оптимальної установки кута випередження запалювання, відповідного робочого режиму двигуна.

* поліпшення динамічних властивостей автомобіля. Система вприскування негайно реагує на будь-які зміни навантаження, коригуючи параметри паливно-повітряної суміші.

* легкість пуску незалежно від погодних умов.

ПРИСТРІЙ І ПРИНЦИП РОБОТИ (на прикладі електронної системи розподіленого уприскування)

В сучасних впрысковых двигунах для кожного циліндра передбачена індивідуальна форсунка. Всі форсунки з’єднуються з паливною рампою, де паливо знаходиться під тиском, який створює електробензонасос. Кількість уприскуваного палива залежить від тривалості відкриття форсунки. Момент відкриття регулює електронний блок керування (контролер) на підставі оброблюваних їм даних від різних датчиків.

Датчик масової витрати повітря служить для розрахунку циклового наповнення циліндрів. Вимірюється масовий витрата повітря, який потім перераховується програмою в цилиндровое цикловое наповнення. При аварії датчика його показання ігноруються, розрахунок йде за аварійним таблиць.

Датчик положення дросельної заслінки служить для розрахунку фактора навантаження на двигун і його зміни в залежності від кута відкриття дросельної заслінки, оборотів двигуна і циклового наповнення.

Датчик температури охолоджуючої рідини служить для визначення корекції подачі палива і запалювання по температурі і для управління електровентилятором. При аварії датчика його показання ігноруються, температура береться з таблиці в залежності від часу роботи двигуна.

Датчик положення коленвала служить для загальної синхронізації системи, розрахунку оборотів двигуна і положення коленвала в певні моменти часу. ДПКВ — полярний датчик. При неправильному включенні двигун заводиться не буде. При аварії датчика робота системи неможлива. Це єдиний «життєво важливий» в системі датчик, при якому рух автомобіля неможливо. Аварії усіх інших датчиків дозволяють своїм ходом дістатися до автосервісу.

Датчик кисню призначений для визначення концентрації кисню у відпрацьованих газах. Інформація, яку видає датчик, використовується електронним блоком управління для регулювання кількості подаваного палива. Датчик кисню використовується тільки в системах з каталітичним нейтралізатором під норми токсичності Євро-2 і Євро-3 (Євро-3 використовується два датчика кисню — до каталізатора і після нього).

Датчик детонації служить для контролю за детонацією. При виявленні останньої ЕБУ включає алгоритм гасіння детонації, оперативно коригує кут випередження запалювання.

Тут перелічені лише деякі основні датчики, необхідні для роботи системи. Комплектації датчиків на різних автомобілях залежать від системи уприскування, від норм токсичності та ін

Про результатами опитування визначених у програмі датчиків, програма ЕБУ здійснює управління виконавчими механізмами, до яких відносяться: форсунки, бензонасос, модуль запалювання, регулятор холостого ходу, клапан адсорбера системи уловлювання парів бензину, вентилятор системи охолодження та ін. (все знову ж таки залежить від конкретної моделі)

З усього перечесленного, можливо, не всі знають, що таке адсорбер. Адсорбер є елементом замкнутої ланцюга рециркуляції парів бензину. Нормами Євро-2 заборонений контакт вентиляції бензобака з атмосферою, пари бензину повинні збиратися (адсорбуватися) і при продувці надсилатися в циліндри на допалювання. На непрацюючому двигуні пари бензину потрапляють в адсорбер з бака і впускного колектора, де відбувається їхнє поглинання. При запуску двигуна адсорбер по команді ЕБУ охолоджується потоком повітря, всмоктуваного двигуном, пари захоплюються потоком і допалюються в камері згоряння.

В залежності від кількості форсунок і місця подачі палива, системи вприскування поділяються на три типи: одноточковий або моновприск (одна форсунка у впускному колекторі на всі циліндри), багатоточковий або розподілений (у кожного циліндра своя форсунка, яка подає паливо в колектор) і безпосередній (паливо подається форсунками безпосередньо в циліндри, як у дизелів).

Одноточковий впорскування простіше, він менш начинений керуючою електронікою, але і менш ефективний. Керуюча електроніка дозволяє знімати інформацію з датчиків і відразу ж міняти параметри уприскування. Важливо й те, що під моновприск легко адаптуються карбюраторні двигуни майже без конструктивних переробок або технологічних змін у виробництві. У однокрапкового упорскування перевагу перед карбюратором полягає в економії палива, екологічній чистоті та відносної стабільності і надійності параметрів. А ось в прийомистості двигуна одноточковий впорскування програє. Ще один недолік: при використанні однокрапкового упорскування, як і при використанні карбюратора до 30% бензину осідає на стінках колектора.

Системи однокрапкового упорскування, безумовно, були кроком вперед порівняно з карбюраторними системами живлення, але вже не задовольняють сучасним вимогам.

Більш досконалими є системи багатоточкового уприскування, в яких подача палива до кожного циліндра здійснюється індивідуально. Розподілене уприскування могутніше, економічніше і складніше. Застосування такого уприскування збільшує потужність двигуна приблизно на 7-10 відсотків. Основні переваги розподіленого уприскування:

* можливість автоматичної настройки на різних обертах і відповідно поліпшення наповнення циліндрів, в результаті при тій же максимальній потужності автомобіль розганяється набагато швидше;

* впорскується бензин поблизу впускного клапана, що істотно знижує втрати на осідання у впускному колекторі і дозволяє здійснювати більш точне регулювання подачі палива.

Безпосередній впорскування як чергове і ефективний засіб у справі оптимізації згоряння суміші і підвищення ККД бензинового двигуна реалізує прості принципи. А саме: більш ретельно розпилює паливо, краще перемішує з повітрям і грамотніше розпоряджається готовою сумішшю на різних режимах роботи двигуна. У підсумку двигуни з безпосереднім уприскуванням споживають менше палива, ніж звичайні «вприскові» мотори (в особливості при спокійній їзді на невисокій швидкості); при однаковому робочому обсязі вони забезпечують більш інтенсивне прискорення автомобіля; у них чистіші вихлоп; вони гарантують вищу літрову потужність за рахунок більшого ущільнення та ефекту охолодження повітря при випаровуванні палива в циліндрах. В той же час вони мають потребу в якісному бензині з низьким вмістом сірки і механічних домішок, щоб забезпечити нормальну роботу паливної апаратури.

А саме головне невідповідність між ГОСТами, що нині діють в Україні та Росії, і євростандартів — підвищений вміст сірки, ароматичних вуглеводнів та бензолу. Наприклад, російсько-український стандарт допускає наявність 500 мг сірки на 1 кг палива, тоді як «Євро-3″- 150 мг, «Євро-4»- лише 50 мг, а «Євро-5»- всього 10 мг. Сірка і вода здатні активізувати корозійні процеси на поверхні деталей, а сміття є джерелом абразивного зносу каліброваних отворів форсунок і плунжерних пар насосів. В результаті зносу знижується робочий тиск насоса і погіршується якість розпилення бензину. Все це відбивається на характеристиках двигунів і рівномірності їх роботи.

Першою застосувала двигун з безпосереднім уприскуванням на серійному автомобілі компанія Mitsubishi. Тому розглянемо пристрій і принципи дії безпосереднього вприскування на прикладі двигуна GDI (Gasoline Direct Injection). Двигун GDI може працювати в режимі згоряння сверхобедненной паливоповітряної суміші: співвідношення повітря та палива по масі до 30-40:1. Максимально можливе для традиційних інжекторних двигунів із впорскуванням співвідношення одно 20-24:1 (варто нагадати, що оптимальний, так званий стехіометричний склад- 14,7:1) — якщо надлишок повітря буде більше, переобедненная суміш просто не запалиться. На двигуні GDI палива знаходиться в циліндрі у вигляді хмари, зосередженої в районі свічки запалювання. Тому, хоча в цілому суміш переобедненная, свічки запалювання вона близька до стехіометричного складу і легко запалюється. У той же час, збіднена суміш в іншому обсязі має набагато меншу схильність до детонації, ніж стехіометрична. Остання обставина дозволяє підвищити ступінь стиснення, а значить збільшити потужність і крутний момент. За рахунок того, що при упорскуванні і випаровуванні в циліндр палива, повітряний заряд охолоджується — дещо поліпшується наповнення циліндрів, а також знову знижується ймовірність виникнення детонації.

Основні конструктивні відмінності GDI від звичайного вприскування:

* Паливний насос високого тиску (ТНВД). Механічний насос (подібний ТНВД дизельного двигуна) розвиває тиск в 50 бар (у інжекторного двигуна електронасос в баку створює тиск в магістралі близько 3-3,5 бар).

* Форсунки високого тиску з вихровими розпилювачами створюють форму паливного факела, у відповідності з режимом роботи двигуна. На потужностному режимі роботи впорскування відбувається на режимі впуску і утворюється конічний топливовоздушный факел. На режимі роботи на надбідних сумішах впорскування відбувається в кінці такту стиснення і формується компактний топливовоздушный факел, який увігнуте днище поршня направляє прямо до свічки запалювання.

* Поршень. У днище особливої форми зроблена виїмка, за допомогою якої паливо-повітряна суміш направляється в район свічки запалювання.

* Впускні канали. На двигуні GDI застосовані вертикальні впускні канали, які забезпечують формування в циліндрі т.н. «зворотного вихору», направляючи паливоповітряну суміш до свічки і покращуючи наповнення циліндрів повітрям (у звичайного двигуна вихор в циліндрі закручений в протилежну сторону).

Режими роботи двигуна GDI

Всього передбачено три режими роботи двигуна:

* Режим згоряння сверхбедной суміші (впорскування палива на такті стиску).

* Потужностний режим (впорскування на такті впускання).

* Двостадійний режим (впорскування на тактах впуску і стиснення) (застосовується на евромодификациях).

Режим згоряння сверхбедной суміші (впорскування палива на такті стиску). Цей режим використовується при малих навантаженнях: при спокійній міській їзді і при русі за містом з постійною швидкістю (до 120 км/год). Паливо впорскується компактним факелом в кінці такту стиснення в напрямку поршня, відбивається від нього, змішується з повітрям і випаровується, прямуючи в зону свічки запалювання. Хоча в основному об’ємі камери згоряння суміш надзвичайно збіднена, заряд в районі свічки досить збагачений, щоб загорітися від іскри і підпалити іншу суміш. В результаті двигун стійко працює навіть при загальному співвідношенні повітря і палива в циліндрі 40:1.

Робота двигуна на сильнообедненной суміші поставила нову проблему — нейтралізацію відпрацьованих газів. Справа в тому, що при цьому режимі основну їх частку складають оксиди азоту, і тому звичайний каталітичний нейтралізатор стає малоефективним. Для вирішення цієї задачі була застосована рециркуляція відпрацьованих газів (EGR-Exhaust Gas Recirculation), яка різко знижує кількість утворених оксидів азоту та встановлено додатковий NO-каталізатор.

Система EGR «розбавляючи» паливо-повітряну суміш відпрацьованими газами, знижує температуру горіння в камері згоряння, тим самим «приглушаючи» активне утворення шкідливих оксидів, у тому числі NOx. Однак забезпечити повну і стабільну нейтралізацію NOx тільки за рахунок EGR неможливо, так як при збільшенні навантаження на двигун кількість перепускати ОГ має бути зменшено. Тому на двигун з безпосереднім уприскуванням був впроваджений NO-каталізатор.

Існує два різновиди каталізаторів для зменшення викидів NOx — селективні (Selective Reduction Type) і накопичувального типу (NOx Trap Type). Каталізатори накопичувального типу більш ефективні, але надзвичайно чутливі до високосірковим палив, чого менш схильні селективні. У відповідності з цим, накопичувальні каталізатори устнавливаются на моделі для країн з низьким вмістом сірки в бензині, і селективні — для інших.

Потужностний режим (впорскування на такті впускання). Так званий «режим однорідного сумішоутворення» використовується при інтенсивній міській їзді, високошвидкісному заміському русі і обгонах. Паливо впорскується на такті впуску конічним факелом, перемішуючись із повітрям, утворюючи однорідну суміш, як у звичайному двигуні з розподіленим уприскуванням. Склад суміші — близький до стехіометричного (14,7:1)

Двостадійний режим (впорскування на тактах впуску і стиснення). Цей режим дозволяє підвищити момент двигуна у тому разі, коли водій, рухаючись на малих обертах, різко натискає педаль акселератора. Коли двигун працює на малих обертах, а в нього раптом подається збагачена суміш, ймовірність детонації зростає. Тому впорскування здійснюється в два етапи. Невелику кількість палива, що впорскується в циліндр на такті впускання і охолоджує повітря в циліндрі. При цьому циліндр заповнюється сверхбедной сумішшю (приблизно 60:1), в якій детонаційні процеси не відбуваються. Потім, в кінці такту стиснення, подається компактний струмінь палива, яка доводить співвідношення повітря та палива в циліндрі до «багатого» 12:1.

Чому цей режим введений тільки для автомобілів для європейського ринку? Та тому що для Японії властиві невисокі швидкості руху і постійні пробки, а Європа — це протяжні автобани і високі швидкості (а отже, високі навантаження на двигун).

Компанія Mitsubishi стала піонером у застосуванні безпосереднього вприскування палива. На сьогоднішній день аналогічну технологію використовують Mercedes (CGI), BMW (HPI), Volkswagen (FSI, TFSI, TSI) і Toyota (JIS). Головний принцип роботи цих систем живлення аналогічний– подача бензину не у впускний тракт, а безпосередньо в камеру згоряння і формування пошарового або однорідного сумішоутворення в різних режимах роботи мотора. Але подібні паливні системи мають і відмінності, причому іноді досить істотні. Основні з них – робочий тиск в паливній системі, розташування форсунок і їх конструкція.

Короткий опис статті: пристрій двигуна Інжекторний двигун , Двигун Інжекторний двигун,

Джерело: Інжекторний двигун :: www.autoorsha.com

Також ви можете прочитати