🔧 Инжектор. Принцип работы инжекторной системы подачи топлива.
🔎 Что такое инжектор — это система точечной подачи топлива во впускной тракт или в цилиндр с помощью распылителя (форсунки), получающей электронный сигнал от блока управления.
Инжекторная система подачи топлива пришла на смену карбюратору, но, продолжительное время не применялась из-за сложности конструкции. Первая инжекторная система появилась в 1894 г., первое применение началось в авиации в 1937г., на истребителях Мистершмит БФ 109. Внедрение в автомобилестроение началось со второй половины ХХ-в и применили инжектор на а/м Goliath GP700 Sport в 1951г. Массовое применение инжекторной системы началось в автомобилестроении в 80-х гг.
🔎 Компьютеризация и внедрение в автомобилестроение электронных систем не прошло не замеченным и для инжектора. В настоящее время ни один современный завод не выпускает инжекторные двигатели без электронной системы называемой электронным блоком управления (ЭБУ), электронная система управления двигателем (ЭСУД) или контроллер, все они являются одним прибором, в простонародии их называют «мозгами». Исходя из выше сказанного, инжектор можно характеризовать так — это система подачи топлива, управляемая мозгами, которые, на основании полученных данных от информационных приборов (датчиков), корректируют дозу, момент и частоту впрыска. Из этого определения следует, что ЭБУ это одна из главных составляющих инжектора. Ниже мы рассмотрим системы управляемые контроллером и датчики, от которых приходят данные.
🔎 В чем же преимущества инжекторной системы перед карбюратором:
➕ уменьшение расхода топлива (внедрение требований к выбросу углеводорода) что в основном побудило автопроизводителей;
➕ повышение мощности при равных объемах ДВС (приблизительно на 10%);
➕ автоматическая регулировка системы впрыска. Если кто помнит в карбюраторе эту функцию выполнял подсос, регулировочные винты и т.д.
🔎 Какие же классификации инжекторной системы бывают:
➡ 1. Моновпрыск (центральный впрыск, или одноточечный впрыск) — где одна форсунка осуществляет подачу во впускной тракт (коллектор) на все цилиндры, находящийся на месте карбюратора. В простонародности называют «электронный карбюратор». Сейчас его встретишь только на довольно старых машинах.
➡ 2. Распределённый впрыск (многоточечный впрыск) т. е. устанавливается отдельная форсунка во впускном тракте каждого цилиндра или непосредственно осуществляет подачу топлива в камеру сгорания.
🔎 В свою очередь распределенный впрыск делится на:
1) Одновременный. За один оборот коленчатого вала все форсунки отрабатывают одновременно. Данная система впрыска встречается редко.
2) Попарно-параллельный. За один оборот коленчатого вала, форсунки отрабатывают парами, т. е. каждая пара срабатывает один раз за оборот. Как и предыдущая классификация система впрыска редко встречается, но может быть вызвана, на системе с последовательным впрыском, неисправным датчиком.
3) Фазированный или последовательный. За один рабочий цикл каждая форсунка открывается один раз непосредственно перед тактом впуска и регулируется отдельно. На данный момент этот тип выпускают практически все авто производители и он является самым массовым. Отличие непосредственного впрыска топлива от выше перечисленных заключается в том, что впрыск происходит непосредственно в цилиндр, где имеется возможность управлять фазой и длительностью впрыска. Давление форсунок данной системы может достигать 200 атмосфер.
🔎 Минусами данной системы являются:
➖ высокая стоимость ремонта;
➖ высокая стоимость узлов;
➖ низкая ремонтопригодность элементов;
В отличие от предшественников, данный тип впрыска приводит к закоксовыванию впускного(-ых) клапана(-ов), по причине не омывания топливом, который(-ые) в свою очередь очищались им.
Схема работы инжектора состоит в подаче данных на контроллер от датчиков (основные):
✔ Датчик коленчатого вала (ДКВ), сообщает контроллеру о частоте, положении и направлении;
✔ Датчик массового расхода воздуха (ДМРВ, волюметр), предназначен для оценки количества всасываемого воздуха и определение его температуры;
✔ Датчик температуры охлаждающей жидкости (ДТОЖ), служит для управлением фазой впрыска и зажигания;
✔ Датчик положения дроссельной заслонки (ДПДЗ), предназначен для определения нагрузки на двигатель в зависимости от открытия ДЗ, наполнения цилиндров и оборотов;
✔ Датчик кислорода в отработавших газах (лямбда-зонд), предназначен для определения в системе выхлопных газов не сгоревшего углеводорода и в связи с этим изменяется время впрыска и происходит корректировка зажигания;
✔ Датчик детонации (ДД), предназначен для определения детонации;
✔ Датчик распределительного вала (ДРВ) или Датчик Фазы (ДФ), служит для точного синхронного впрыска. При аварийном режиме двигателя или отсутствие такого датчика, система переходит на попарно — параллельную (групповую) подачу топлива;
✔ Датчик температуры всасываемого воздуха, может быть установлен отдельно, или сразу встроен в ДМРВ.
На основе полученных данных с информационных датчиков, ЭБУ управляет следующими системами (основные):
• форсунками — предназначены для впрыска топлива;
• электро бензонасосом — служит для образования давления в системе подачи топлива;
• модулем зажигания (МЗ) — предназначен для искрообразования на свече. В последнее время на каждую свечку идет свой МЗ;
• регулятором холостого хода (РХХ или ХХ) предназначен для поддержании заданных оборотов ХХ;
• вентилятором системы охлаждения двигателя, управляется по сигналам ДТОЖ.
🔎 Недостатками инжекторной системы является:
➖ низкая ремонтопригодность;
➖ требовательность к топливу;
➖ необходимость специального оборудования для определения неисправности;
➖ высокая стоимость элементов (не для каждого типа инжектора).
➖ точно определить неисправность и диагностировать инжекторный двигатель может только специалист.
➖ Основной проблемой инжекторных двигателей является выход из строя датчиков, которая решается заменой. На примере датчика массового расхода воздуха (ДМРВ), признаки неисправности:
• сигнальная лампа о неисправности двигателя;
• слабая динамика; плавающие обороты двигателя на холостом ходу;
• невозможность завести горячий двигатель.
Проверить исправность (ДМРВ) можно несколькими способами:
1) Диагностическим оборудованием;
2) Отключение (ДМРВ). В этом случае система управления двигателем начинает работать в аварийном режиме;
3) Замена на заведомо исправный;
4) Визуальный осмотр.
Устройство
Электробензонасос
Электробензонасос конструктивно входит в модуль электробензонасоса, устанавливаемого на инжекторных автомобилях внутри топливного бака. Модуль включает в себя сам насос, датчик указателя уровня топлива, фильтр и завихритель для отделения пузырьков пара.
Электробензонасос нагнетает топливо из топливного бака в подающий топливопровод. На инжекторных автомобилях применяется модуль погружного типа, то есть располагается непосредственно в топливном баке и охлаждается за счет бензина. Создаваемое насосом давление топлива значительно больше требуемого для нормальной работы двигателя на любых режимах.
Топливный фильтр
Система топливоподачи предназначена для точной регулировки количества поступающего в двигатель топлива. Грязь в топливе может привести к неустойчивой работе форсунок и регулятора давления, быстрому их износу. Поэтому к чистоте топлива предъявляются особые требования.
В системе топливоподачи предусмотрен фильтр. Основу топливного фильтра составляет бумажный элемент с пористостью около 10 мкм. Интервал замены фильтра зависит от объема фильтра и степени загрязнения топлива.
Топливопроводы
Различают прямой и обратный топливопроводы. Прямой предназначен для топлива, поступающего из модуля электробензонасоса в топливную рампу. Обратный доставляет избыток топлива после регулятора давления обратно в бак.
Топливная рампа
Топливная рампа инжекторного двигателя
Топливо заполняет топливную рампу и равномерно распределяется на все форсунки. На топливной рампе кроме форсунок располагаются регулятор давления топлива и штуцер контроля давления в топливной системе. Размеры и конструктивное исполнение рампы устраняют локальные пульсации давления топлива вследствие резонансов при работе форсунок.
Регулятор давления топлива
Количество впрыскиваемого топлива должно зависеть только от длительности впрыска — времени открытого состояния форсунки. Поэтому разница между давлением топлива в топливной рампе и давлением во впускной трубе (перепад давления на форсунках) должна оставаться постоянной. Для этого служит регулятор давления топлива. Он пропускает обратно в бак излишки топлива.
Электромагнитная форсунка
В спокойном состоянии спиральная пружина прижимает клапанную иглу к уплотнительному седлу распылителя и закрывает выходное топливное отверстие. При прохождении электрического тока сердечник с клапанной иглой поднимается (на 60—100 мкм), и топливо впрыскивается через калиброванное отверстие. В зависимости от способа впрыска, частоты вращения и нагрузки двигателя время включения составляет 1,5—18 мс. Зависимость количества прошедшего через форсунку топлива от времени открытия при постоянной разности давлений — важнейший показатель работы форсунки.
Не стоит менять форсунки на своем автомобиле на дорогие от иномарки. Как правило, хороших результатов это не дает, более действенный метод это очистка форсунок. Из вышесказанного видим, что форсунка — очень важный компонент системы впрыска. Поэтому она требует к себе большого внимания.
Как работает?
Для нормальной работы двигателя необходимо обеспечить поступление в камеру сгорания двигателя топливовоздушной смеси оптимального состава. Смесь приготавливается во впускной трубе при смешивании воздуха и топлива. Контроллер подает на форсунку управляющий импульс, который открывает нормально закрытый клапан форсунки, и топливо под давлением распыляется во впускную трубу перед клапаном.
Поскольку перепад давления топлива поддерживается постоянным, количество подаваемого топлива пропорционально времени, в течение которого форсунки находятся в открытом состоянии. Контроллер поддерживает оптимальное соотношение топливовоздушной смеси путем изменения длительности импульсов. Увеличение длительности импульса впрыска приводит к увеличению количества подаваемого топлива — обогащению смеси. Уменьшение длительности импульса впрыска приводит к уменьшению количества подаваемого топлива, то есть к обеднению.
Система питания инжекторного двигателя современного автомобиля — это сложнейший «организм», состоящий из датчиков, исполнительных устройств и самого главного — блока управления. Не зря в народе его называют «мозги». Именно блок управления контролирует работу всей системы впрыска топлива.
С его помощью происходит нормальное функционирование двигателя, регулировка угла опережения зажигания, момента впрыска топливовоздушной смеси и многих других параметров.
Описание
За многолетнюю историю автомобилестроения появилось несколько типов впрыска топлива. И конструкции инжекторной системы бензинового двигателя различаются, причём существенно. Дизель достаточно схож в системе впрыска с инжектором.
Но есть огромные отличия в конструкции отдельных механизмов — степень сжатия в дизельном моторе во много раз выше. В целом же первые конструкции инжекторных систем очень сильно были похожи на дизельные.
Центральный впрыск топлива
Моновпрыск — это самый простой механизм. Второе название — центральный впрыск. И он же был первым в истории. Массовое применение получил в США в начале 2 половины ХХ века. Как работает центральный впрыск? Простота — это именно то, что понравилось не только автовладельцам, но и производителям. Конструкция очень схожа с карбюратором, только вместо него применяется форсунка.
Она устанавливается на впускном коллекторе — одна на все цилиндры двигателя, независимо от их общего количества. Топливо поступает в коллектор постоянно, как и воздух. В результате происходит образование топливовоздушной смеси, которая распределяется по цилиндрам.
Плюсы и минусы
Преимущества, которыми обладает центральная система впрыска:
- простота и дешевизна конструкции;
- для смены режимов работы достаточно провести регулировку одной форсунки;
- при смене карбюратора на инжектор (моновпрыск) существенных изменений в систему питания не производится.
К недостаткам относится то, что не выходит достигнуть высоких показаний экологичности. Поэтому на сегодняшний день автомобили с моновпрыском нельзя встретить в продаже и эксплуатации в развитых странах Америки, Европы и Азии. Разве что в странах третьего мира они будут беспрепятственно колесить по дорогам.
И самое большое неудобство — это то, что при выходе из строя форсунки двигатель останавливается и запустить его невозможно.
Распределённый впрыск топливной смеси
В таких системах количество форсунок равно числу цилиндров. Все форсунки находятся на впускном коллекторе, топливовоздушная смесь подаётся при помощи общей для всех топливной рампы. В ней происходит смешивание бензина и воздуха. Режимы работы форсунок:
- Фазированный впрыск — самые современные системы работают именно с его использованием. Количество форсунок и цилиндров одинаковое, открытие и закрытие электроклапанов происходит в зависимости от того, какой такт проходит двигатель. Наилучшим режимом работы мотора считается такой, при котором открытие форсунки происходит непосредственно перед началом такта впуска. И двигатель работает устойчиво, и достигается высокая экономия бензина. Преимущества такой топливной системы очевидны.
- Одновременный впрыск топливовоздушной смеси — открытие форсунок не зависит от такта. Они все открываются одновременно, несмотря на то, что находятся на впускных коллекторах «своих» цилиндров. Это несколько модернизированный моновпрыск, несмотря на то, что форсунок несколько, управление ими происходит так, будто установлена всего одна. В общем, такие конструкции надёжны и работа их стабильна, но по характеристикам уступают более современным конструкциям.
- Попарно-параллельный впрыск топливной смеси немного отличается от предыдущего. Главное отличие — открываются не все форсунки разом, а парами. Одна пара открывается перед впуском, вторая — перед выпуском. Именно так обычно работает впрыск. Из употребления такие системы вышли давно, но, например, если выходит из строя датчик фаз, современные инжекторы переходят в аварийный режим (попарно-параллельный впрыск происходит вместо фазированного, так как без параметров этого датчика работа невозможна).
- Системы непосредственного впрыска топлива имеют высокую стоимость, но и надёжность у них завидная. Экономичность и мощность двигателя на высоком уровне, регулировка подачи топливовоздушной смеси максимально точная. Мотор может быстро изменить режим работы. Электромагнитные форсунки устанавливаются в ГБЦ, смесь распыляется непосредственно в камеру сгорания цилиндра (отсюда и название системы).
В конструкции отсутствует впускной коллектор и клапан. Реализация конструкции довольно сложная, так как в ГБЦ на каждый цилиндр есть отверстия под свечи, клапаны (2 или 4, в зависимости от типа мотора). Элементарно не хватает места для установки форсунки.
Изначально такие системы впрыска устанавливались на габаритные и мощные двигатели, на бюджетных их не встретить. И ремонт таких систем выливается в круглую сумму.
Система датчиков инжекторных двигателей
Без этих компонентов работа системы впрыска топлива невозможна. Именно датчики сообщают блоку управления всю информацию, которая необходима для работы исполнительных устройств в нормальном режиме. Неисправности системы питания инжекторного двигателя по большей части вызывают именно датчики, так как они могут неверно производить замеры.
- Датчик расхода воздуха устанавливается после воздушного фильтра, так как в конструкции имеется дорогостоящая платиновая нить, которая при попадании мелких посторонних частиц может засоряться, отчего показания окажутся неверными. Датчик считает, какое количество воздуха проходит через него. Понятно, что взвесить воздух не представляется возможным, да и объем его измерить проблематично. Суть работы заключается в том, что внутри пластиковой трубки находится платиновая нить. Она нагревается до рабочей температуры (более 600º, именно это значение закладывается в ЭБУ). Поток воздуха охлаждает нить, блок управления фиксирует температуру и, исходя из этого, вычисляет количество воздуха.
- Датчик абсолютного давления необходим для более точного снятия показаний о количестве потребляемого двигателем воздуха. Состоит из 2 камер, одна из которых герметична и внутри у неё вакуум. Вторая камера соединена с впускным коллектором. В последнем при впуске разрежение. Между камерами устанавливается диафрагма с пьезоэлементом, который вырабатывает небольшое напряжение во время изменения давления. Это значение напряжения поступает на вход блока управления.
- Датчик положения коленвала располагается рядом со шкивом генератора. Если присмотреться, то можно увидеть, что на шкиве есть зубья, причём они расположены на одинаковом расстоянии друг от друга. Суммарное число зубьев — 60, оси соседних расположены на расстоянии 6º. Но если присмотреться ещё внимательнее, то можно увидеть, что 2-х не хватает. Этот промежуток необходим, чтобы датчик фиксировал положение коленвала максимально точно. Датчик вырабатывает напряжение, которое тем больше, чем выше частота вращения.
- Датчик фаз (распредвала) работает на эффекте Холла. В конструкции есть диск с вырезанным сегментом и катушка. При вращении диска вырабатывается напряжение. Но в момент, когда прорезь находится над чувствительным элементом, напряжение снижается до 0. В этот момент первый цилиндр находится в ВМТ на такте сжатия. Благодаря датчику фаз точно подаётся искра на свечу и открывается своевременно форсунка.
- Датчик детонации расположен на блоке ДВС между 2 и 3 цилиндрами (чётко посередине). Работает на пьезоэффекте — при наличии вибрации происходит генерирование напряжения. Чем сильнее вибрация, тем выше уровень сигнала. Блок управления при помощи датчика изменяет угол опережения зажигания.
- Датчик дроссельной заслонки представляет собой переменный резистор, на который подаётся напряжение 5 В. В зависимости от того, в каком положении находится заслонка, напряжение уменьшается. Иногда случаются поломки — в начальном положении показания датчика прыгают. Стирается резистивный слой, ремонт невозможен, эффективнее установить новый.
- Датчик температуры ОЖ, от него зависит качество воспламенения топливовоздушной смеси. С его помощью не только происходит коррекция угла опережения зажигания, но и включение электровентилятора.
- Лямбда-зонд расположен в системе выпуска отработанных газов. В современных системах, которые удовлетворяют последним экологическим стандартам, можно встретить 2 датчика кислорода. Лямбда-зонд отслеживает количество кислорода в выхлопных газах. У него есть внешняя часть и внутренняя. За счёт напыления из драгметалла можно оценить количество кислорода в выхлопных газах. Внешняя часть датчика «дышит» чистым воздухом. Показания передаются на блок управления и сравниваются. Эффективные замеры возможны только при достижении высоких температур (свыше 400º), поэтому часто устанавливают подогреватель, чтобы даже в момент начала работы двигателя не наблюдалось перебоев.
Исполнительные механизмы инжекторных систем
По названию видно, что эти устройства выполняют то, что им скажет блок управления. Все сигналы от датчиков анализируются, сравниваются с топливной картой (огромной схемой работы при тех или иных условиях), после чего подаётся команда на исполнительный механизм. Следующие исполнительные механизмы входят в состав инжекторной системы:
- Электрический бензонасос, установленный в баке. Он нагнетает в рампу бензин под давлением около 3,5 Мпа. Вот какое давление в топливной системе должно быть, при нем распыление смеси окажется наиболее качественным. При повышении оборотов коленвала увеличивается расход бензина, нужно его больше нагнетать в рампу, чтобы удерживать давление на уровне. В нижней части насосов устанавливается фильтр, который нужно менять хотя бы раз в 30000 км пробега.
- Электромагнитные форсунки устанавливаются в рампе и предназначены для подачи топливовоздушной смеси в камеры сгорания. Чем дольше открыт клапан форсунки, тем больше смеси поступит в камеру сгорания — именно такой принцип дозирования лежит в основе.
- Дроссельный механизм приводится в движение педалью из салона. Но в последние годы набирает популярность электронная педаль газа. Это означает, что вместо тросика используется потенциометр на педали и небольшой электродвигатель на дроссельной заслонке.
- Регулятор холостого хода предназначен для контроля количества воздуха, поступающего в топливную рампу при полностью закрытой дроссельной заслонке. На карбюраторных моторах аналогичную функцию выполняет «подсос». Несмотря на то, что топливная система отличается, суть работы остаётся той же — подача смеси и её сгорание.
- Модуль зажигания — короб, в котором находится 4 высоковольтные катушки. Хорошая конструкция, но крайне ненадёжная — высоковольтные провода имеют свойство портиться. Намного эффективнее окажется использование для каждой свечи отдельной катушки, выполненной в виде наконечника.
Работа двигателя с инжекторной системой впрыска
А теперь можно рассмотреть и принцип работы системы питания инжекторного двигателя. При включении зажигания происходит переход в рабочий режим всех механизмов и устройств. Первым делом насос нагнетает бензин в рампу до минимального давления, которого хватит для запуска.
А дальше все ждут, когда провернётся коленвал, и с его датчика пойдёт сигнал на блок управления о положении поршней в цилиндрах. Одновременно с этим датчик фаз выдаёт сигнал о том, какой такт совершается. После анализа данных блок управления даёт команду на форсунки (в зависимости от того, в каком цилиндре происходит впуск).
При вращении коленвала постоянно снимаются данные с датчиков и, исходя из них, происходит открывание нужных электромагнитных форсунок на определённый промежуток времени. Смесь воспламеняется, отработанные газы выходят через выпускной коллектор. По тому, какое содержание кислорода в них, можно судить о качестве сгорания топлива.
Если содержание кислорода большое, то смесь сгорает не до конца. Блок управления производит корректировку угла опережения зажигания, чтобы добиться наилучших показаний.
Но вот во время прогрева некоторые датчики не влияют на работу системы управления. Это датчики расхода воздуха, детонации и абсолютного давления. При достижении рабочей температуры включаются они в работу. Причина — во время прогрева невозможно соблюсти все условия, в частности, соотношение бензина и воздуха. Уровень СО в выхлопных газах тоже будет зашкаливать, поэтому контроль всех этих параметров не следует производить.
