MPI или GDI. Распределенный или Непосредственный впрыск. Правильный выбор
Предлагаю подумать — КАКИЕ ОТЛИЧИЯ И ЧТО ЛУЧШЕ MPI и GDI (распределенный или непосредственный) впрыск топлива?
Какая система надежнее и проще?
Метка: Впрыск
Недостаток в конструкции современных двигателей с впрыском (GDI, FSI, TSI)
Устройства для изменения угла опережения впрыска
Оптимальный угол опережения подачи топлива в камеру сгорания дизеля устанавливают обычно на номинальном режиме его работы. При изменении частоты вращения коленчатого вала и нагрузки дизеля необходимо менять и угол опережения впрыска. Так, при снижении нагрузки наилучшее протекание рабочего процесса дизеля происходит при уменьшении угла опережения впрыска. Уменьшать угол опережения впрыска следует при снижении частоты вращения вала. Только при этих условиях сгорание будет происходить вблизи верхней мертвой точки и показатели рабочего процесса будут наилучшими.
Не все дизели одинаково реагируют на изменение угла опережения впрыска. Дизели с разделенными камерами, как известно, характеризуются более стабильным рабочим процессом. Они менее чувствительны к изменению скоростного и нагрузочного режимов работы. Поэтому изменение угла опережения подачи топлива в процессе их работы может не дать ощутимого эффекта В дизелях же с неразделенными камерами сгорания несоответствие угла опережения подачи скоростному и нагрузочному режимам приводит к резкому ухудшению экономических и мощностных показателей.
Характер изменения угла опережения подачи зависит и от типа насоса высокого давления и способа дозирования топлива. В золотниковых насосах высокого давления, в которых подачу топлива регулируют изменением конца подачи, угол опережения впрыска в процессе работы практически остается постоянным. При установке таких насосов на дизели с неразделенными камерами сгорания, работающих в широком диапазоне скоростных н нагрузочных режимов, изменение угла опережения подачи обязательно. Если в этих насосах цикловую подачу изменяют началом или началом и концом подачи, то каждой нагрузке соответствует и свой угол опережения подачи. При условии, что определенной скорости дизеля соответствует и определенная цикловая подача, регулировать дополнительно этот угол нет необходимости. В транспортных дизелях связи между нагрузкой и частотой вращения коленчатого вала не существует. Поэтому возникает потребность предусматривать специальные устройства для корректировки этого угла.
В насосах с дозированием количества подаваемого топлива дросселированием на всасывании с уменьшением подачи угол опережения впрыска уменьшается больше, чем требуется для оптимального протекания рабочего процесса. Это также ухудшает рабочий процесс, причем больше, чем при сохранении угла опережения подачи постоянным.
Таким образом, для абсолютного большинства дизелей, работающих в широком диапазоне изменения скоростных и нагрузочных режимов, с целью повышения их эффективности целесообразно устанавливать специальные устройства изменения угла опережения подачи в соответствии с режимам работы двигателя.
В настоящее время существует большое разнообразие конструкций таких устройств. Их разделяют на муфты опережения впрыска, приставляемые к насосам, и устройства, являющиеся неотъемлемой частью насоса высокого давления.
Муфты опережения впрыска
В этом случае устройство для изменения угла опережения впрыска конструктивно выполняют вместе с приводной муфтой топливного насоса высокого давления. Изменение угла опережения подачи топлива осуществляется при развороте кулачкового вала насоса относительно вала привода от руки, центробежными силами грузов, давлением жидкости или воздуха, электромагнитом и другими способами.
Приводные муфты насосов обеспечивают передачу крутящего момента, упругость передачи в моменты ее большей нагрузки. При наличии этих муфт допускается некоторая несоосность валов привода и насоса.
Рис. Схема муфты привода насоса:
1, 4 — втулки; 2 — фланец. 3 — шайба
Наиболее простая ручная муфта приведена на рисунке. Втулку 4 с двумя выступами А закрепляют на кулачковом валу насоса при помощи шпонки и фиксатора (обычно гайки). Промежуточный фланец 2 с двумя такими же выступами В соединен с втулкой 1 приводного вала при помощи двух болтов, проходящих через специальные прорези С. Выступы втулки и промежуточного фланца входят в прорези текстолитовой шайбы 3 и образуют муфту. В результате наличия прорезей С кулачковый вал насоса вместе с шайбой и промежуточным фланцем можно поворачивать на некоторый угол относительно приводного вала при ослаблении соединительных болтов. Для удобства регулирования на наружных цилиндрических поверхностях втулки 1 и фланца 2 нанесены деления. Поворот на одно деление соответствует 3°. При регулировке насоса на дизеле втулку 4 устанавливают по меткам на наружной цилиндрической поверхности втулки и корпуса насоса по первому цилиндру дизеля.
Для упрощения обслуживания дизеля устанавливают автоматические муфты опережения впрыска. Все автоматические приводы муфт делятся на механические, гидравлические и электромагнитные. Широко распространены центробежные механические и гидравлические приводы. Электромагнитные муфты реагируют на изменение частоты вращения коленчатого вала и нагрузки. Однако в результате сложности конструкции их пока не применяют.
Центробежные механические муфты
Рис. Центробежные муфты с шаровидными грузами:
а, б — варианты, 1 — ведущий диск, 2 — груз, 3 — ведомый диск, 4 — выступы диска, 5 — распорная пружина, 6 — регулировочная пружина
В центробежной автоматической муфте опережения впрыска (рис. а) ведущий диск 1, связанный с валом привода, передает крутящий момент ведомому диску 3, установленному на кулачковом валике насоса высокого давления, через грузы 2. В процессе работы диск 1 выступами 4 входит в соответствующие вырезы в диске 3, предотвращая осевое смещение. Диски прижимаются к грузам при помощи пружин 5.
При увеличении частоты вращения коленчатого вала дизеля грузы 2 под действием центробежной силы расходятся и воздействуют на профильные поверхности выступов ведомого диска 3, поворачивая его совместно с валиком насоса на определенный угол относительно ведущего диска 1. В результате этого угол опережения впрыска увеличивается. При уменьшении частоты вращения вала дизеля пружины преодолевают центробежную силу грузов и поворачивают ведомый диск совместно с валом насоса относительно ведущего диска в противоположную сторону, уменьшая угол опережения впрыска.
По такому же принципу работает и центробежная муфта, приведенная па рис. б. Между ведущим 1 и ведомым 3 дисками установлен груз 2, распорные 5 и регулировочная 6 пружины. При перемещении груза 2 по профильным поверхностям дисков в направлении от центра пружины 5 сжимаются, а регулировочная пружина, наоборот, разжимается. Суммарное же усилие всех пружин при этом растет. В результате ведомый диск и связанный с ним кулачковый вал топливного насоса высокого давления поворачиваются относительно ведущего диска в сторону увеличения угла опережения впрыска Перемещение груза к центру осуществляется распорными пружинами при снижении частоты вращения вала дизеля.
При помощи регулировочной пружины устанавливают диапазон работы муфты по частоте вращения вала, а подбирая соответствующую жесткость всех пружин, получают необходимую характеристику ее работы.
Рис. Центробежная муфта с рычажными грузами: 1 — кулачковая втулка; 2 — пружина; 3, 5 — винтовые шлицы, 4 — муфта, 6 — ступица, 7 — грузы
Несколько по-другому работает муфта, схема которой приведена на рисунке. Центробежная сила грузов 7 действует на муфту 4, соединяющую ступицу 6 кулачкового валика насоса с кулачковой втулкой 1. Втулка 1 свободно посажена на ступице 6 и при помощи торцовых кулачков соединяется с приводным валом. На цилиндрической поверхности втулки 1 выполнены винтовые шлицы 3, входящие в винтовые пазы муфты 4, а на поверхности ступицы винтовые шлицы 5, перемещающиеся по винтовым пазам той же втулки. На одной стороне муфты пазы выполнены с левым шагом, а на другом — с правым. Центробежная сила уравновешивается силой пружины 2. При увеличении частоты вращения коленчатого вала дизеля центробежная сила грузов, преодолевая усилие пружины 2, передвигает муфту 4 влево. При этом ступица 6, закрепленная на валике шпонкой, повернется вместе с валиком в сторону увеличения угла опережения впрыска. При снижении частоты вращения вала дизеля пружина передвинет муфту 4 вправо, а кулачковый валик повернется в противоположную сторону.
Рис. Схема центробежной муфты с плоскими грузами:
1 — диск, 2 — груз, 3 — ведомый вал, 4 — ведомые пальцы, 5 — лыска; 6 — пружина; 7 — ведущие пальцы, 8 — профильная поверхность
Использование центробежной силы грузов для взаимного смещения ведущего и ведомого валиков привода насоса высокого давления с целью изменения угла опережения впрыска лежит и в основе конструкции муфты, принципиальная схема которой приведена на рисунке. На ведомом валу 3 установлен диск 1 с двумя ведомыми пальцами 4, имеющими на конце лыски 5 упора цилиндрических пружин 6. На эти пальцы насажены грузы 2, которые под действием центробежной силы перемещаются в радиальном направлении, осуществляя повороты относительно осей пальцев. Пальцы 7 диска, закрепленного на ведущем валике, упираются в криволинейные поверхности 8 центробежных грузов. Крутящий момент от ведущего фланца к ведомому передается через ведущие пальцы 7, грузы 2, на которые давят пальцы, ведомые пальцы 4, диск 1 и далее на кулачковый вал насоса. Форма криволинейной поверхности 8 выполнена таким образом, что обеспечивает требуемую характеристику изменения угла опережения подачи топлива в камеру сгорания дизеля.
На ведущие пальцы воздействуют составляющая центробежной силы грузов и усилия пружины. С увеличением частоты вращения приводного вала центробежные силы грузов преодолевают усилие пружины и силы трения между пальцами и криволинейными опорными поверхностями, заставляя пружины сжиматься. В результате палец 4 сместится в сторону пальца 7, расстояние х между ними уменьшится, а угол опережения подачи топлива увеличится. Наоборот, три снижении частоты вращения приводного вала пружины 6 раздвинут пальцы и изменят угол опережения подачи в сторону его уменьшения. Конфигурация опорных поверхностей 8 грузов выбирается так, что при небольшой частоте вращения вала грузы проходят большие расстояния за один градус регулируемого угла опережения, а при повышении скоростного режима это расстояние уменьшается. Поэтому повышается перестановочное усилие муфты при небольшой частоте вращения коленчатого вала дизеля, когда центробежная сила грузиков небольшая. При повышенных скоростных режимах центробежная сила грузов интенсивно нарастает, поэтому необходим меньший их относительный путь. Отличительной особенностью конструкции этой муфты является то, что пружины непосредственно не участвуют в передаче крутящего момента, поэтому колебания их не передаются на ведомый вал и угол опережения подачи в процессе работы поддерживания более устойчиво.
Гидравлические муфты
Рис. Муфта с гидравлическим приводом:
1 — хвостовик вала, 2 — ступица, 3 — прямые шлицы; 4 — косые шлицы, 5 — корпус чувствительного элемента, 6 — поршень; 7 — грузы; 8 — золотник; 9 — пружина золотника; 10 — пружина поршня, 11 — отверстия поршня, 12 — отверстия вала; А — подвод масла из системы
В автоматической муфте изменения угла опережения впрыска с гидравлическим приводом и центробежным чувствительным элементом, цилиндрическая часть поршня 6 имеет на наружной стороне прямые шлицы 3, входящие в прямые пазы ступицы 2 шестерни привода топливного наcoca высокого давления, а на внутренней стороне косые шлицы 4, которые входят в косые прорези хвостовика 1 вала насоса. К диску шестерни крепят корпус 5 центробежного чувствительного элемента с двумя грузами 7 в виде угловых рычагов. Грузы соприкасаются концами рычагов с золотником 8 масляного сервомотора.
Работает устройство следующим образом. При увеличении частоты вращения коленчатого вала дизеля центробежная сила грузов перемещает золотник 8 вправо, в результате чего открываются отверстия 11 поршня, через которые масло из полости хвостовика валика поступает под поршень 6 Давление масла действует на поршень и, преодолевая усилия пружин 9 золотника, перемещает его также вправо. Цилиндрическая часть этого поршня, двигаясь в осевом направлении, поворачивает хвостовик валика насоса относительно приводной шестерни в сторону увеличения угла опережения впрыска. Движение поршня 6 вправо прекращается после перекрытия отверстий И золотником 8. При уменьшении частоты вращения вала дизеля снижается центробежная сила грузов, поэтому пружина 9 передвинет золотник 8 влево и откроет отверстия 12, через которые масло из полости цилиндра будет перетекать в картер привода.
При уменьшении давления под поршнем 6 пружины 10 передвинут его влево, в результате чего хвостовик вала насоса повернется в сторону уменьшения угла опережения впрыска. Осевое перемещение поршня 6 прекратится после перекрытия отверстий 11 золотником 8.
Рис. Двухимпульсное устройство изменения угла опережения впрыска:
1 — регулировочный пинт, 2 — пружина, 3 — поршень; 4 — рычаг, 5 — камера, 6 — дроссельный винт, 7 — винтовые шлицы, 8 — муфта; 9 — прямые шлицы; 10 — ведомая втулка; 11 — вал, 12 — ведущая втулка; 13 — винт; 14 — шпонка
Рассмотренная муфта автоматического изменения угла опережения с гидравлическим приводом реагирует только на изменение скоростного режима работы дизеля. В процессе работы желательно изменять угол опережения впрыска и в зависимости от нагрузки дизеля. На рисунке показана схема одного из устройств, реагирующего как на изменение частоты вращения коленчатого вала, так и на изменение нагрузки. Муфта 8 этого устройства имеет на внутренней поверхности винтовые 7 и прямые 9 шлицы, входящие соответственно в винтовые пазы ведущей втулки 12 и прямые пазы ведомой втулки 10. Втулка 12 соединяется с ведущим валом, а втулка 10 с кулачковым валиком насоса шпонкой 14. Муфта 8 приводится в движение при помощи рычага 4, соединенного другим своим концом с поршнем 3. Поршень 3 нагружен с одной стороны пружиной 2, натяжение которой регулируется винтом 1, а с другой — давлением масла или топлива камеры 5. Дроссельный винт 6 связан с тягой регулирования нагрузки дизеля. При увеличении нагрузки дроссельный винт 6 поворачивается так, что в камеру 5 пропускается больше жидкости, в результате чего растет давление и поршень 3 передвигается влево, увлекая конец рычага 4. Аналогичное передвижение плунжера будет происходить при увеличении частоты вращения вала дизеля и неизменном положении дроссельного винта 6. Муфта 8 при этом передвигается вправо, осуществляя поворот втулки 10 и связанного с ней валика топливного насоса относительно ведущего вала в сторону увеличения угла опережения впрыска. Винтом 13 фиксируют втулку от осевого перемещения.
Насосные устройства опережения впрыска
Кроме муфт опережения впрыска, разворачивающих кулачковый вал насоса относительно приводного вала дизеля, существуют устройства, расположенные в самом насосе. В этом случае опережение впрыска осуществляется деталью или группой деталей насоса. Наиболее распространенный способ регулирования угла опережения деталью насоса — выполнение дозирующей наполнительной кромки на плунжере в дизелях со смешанным регулированием подачи.
Рис. Насосные устройства изменения угла опережения впрыска:
1 — промежуточная втулка, 2 — эксцентриковая втулка, 3 — толкатель, 4 — пружина
Угол опережения подачи можно изменять и при боковом смещении толкателя относительно оси кулачкового вала. В корпусе насоса установлена эксцентриковая втулка 2 с зубчатым сектором, входящим в зацепление с рейкой. Внутри этой втулки находится толкатель 3, пружина 4 которого вторым концом упирается в промежуточную втулку 1, зафиксированную от продольных перемещений. При повороте эксцентриковой втулки расстояние между осями плунжера насоса и стержня толкателя изменяется от нуля до величины е. При этом центральный кулачковый механизм обращается в механизм со смещенным толкателем, у которого ось толкателя не проходит через центр вращения кулачка. В результате изменяется место на рабочем участке профиля кулачка, соответствующее началу впрыска, а следовательно начало подачи по углу поворота вала насоса. Изменение начала подачи можно осуществлять и изменением длины толкателя (аналогично действию регулировочного болта толкателя). В этом случае также меняется начало подачи по профилю кулачка.
Однако эти способы уступают способу регулирования при помощи кромки плунжера, так как усложняется конструкция насоса и изменяется скорость движения плунжера. Последнее обстоятельство иногда ухудшает показатели рабочего процесса дизеля. Регулирование опережения подачи деталями самого насоса широко используют для насосов распределительного типа.
Распределённый многоточечный механический впрыск
В настоящее время такие системы не выпускаются, но по дорогам нашей страны ещё долго будут колесить (если им помогут диагносты) автомобили АУДИ, МЕРСЕДЕС, ВОЛЬВО (БМВ и ПОРШЕ уже вымерли). Конечно система примитивная, но не забывайте, что начало выпуска подобных систем — 70-е годы. Наш автопром выпускал в то время только карбюраторные бензиновые двигатели и, к счастью, не стал выпускать а\м с механическим впрыском топлива.
Добавим, что такие системы использовались производителями а\м из-за слабого развития электроники в то время. Были попытки выпускать автомобили с электронными системами управления и электрическими форсунками в 70-е годы, но ненадежная элементная база часто приводила к отказам электроники и некоторые производители (МЕРСЕДЕС, АУДИ, ВОЛЬВО, РЕНО) пошли по пути использования систем механического впрыска топлива и шли по нему до начала 90 х годов. В ремонте такие системы требуют высокой точности регулировки. Выпускали такие системы только Европейские производители.
Первая схема системы механического впрыска топлива, использующего электромеханический регулятор противодавления и механический регулятор давления топлива приведена ниже. Кратко опишем работу системы.
Система подачи топлива такая же, как и у систем электронного впрыска топлива, только используются более мощные топливные насосы, т. к. рабочее давление топлива до 6,5 bar. Система зажигания с отдельным блоком управления, но с такими же датчиками оборотов на маховике или в трамблёре.
Рис. Электросхема системы управления двигателем автомобиля VW Джетта (82-92): 4 — «лямбда» регулятор, 6 — клапан холостого хода, 9 — регулятор оборотов на этапе прогрева двигателя, 10 — модуль зажигания (коммутатор), 11 — катушка зажигания, 14 — топливный насос высокого давления, 15 — подкачивающий топливный насос, 16 — пусковая форсунка, 27 — регулятор противодавления топлива, 37 — кислородный датчик, 40 — датчик оборотов в распределителе зажигания, 48 — датчик температуры охлаждающей жидкости, 62 — термовыклютатель, 87 — стартер, 90 — главное (системное) реле, 91 — реле бензонасоса, 101 — блок управления впрыском, 102 — блок управления холостым ходом.
Рассмотрим устройство и принцип построения системы механического впрыска топлива. На рисунке приведена электрическая схема системы «К Jetronic» автомобиля VW Джетта 1,8 л.
Рис. Рабочая схема а\м VW Джетта (82-92): 1 — форсунка, 2 — пусковая форсунка, 3 — клапан холостого хода, 4 — перепускной клапан, 5 — расходомер воздуха, 6 — дозатор-распределитель, 7 — регулятор давления топлива, 8 — термовыключатель, 9 — электровакуумный переключатель, 10 — датчик положения дроссельной заслонки, 11 — топливный фильтр, 12 — демпфер, 13 — винт регулировки СО, 14 — регулятор противодавления топлива, 15 — дополнительный топливный бак, 16 — топливный насос высокого давления, 17 — подкачивающий топливный насос, 18 — основной топливный бак.
При вращении двигателя стартером напряжение одновременно поступает на пусковую форсунку, которая кратковременно вступает в работу и обогащает топливовоздушную смесь при низких температурах. Длительность работы пусковой форсунки зависит от термовременного выключателя, который не позволяет «залить» двигатель при продолжительно включённом стартере.
Одновременно вступают в работу системы зажигания и холостого хода. Дополнительное количество воздуха, необходимое для обеспечения горения обогащенной топливовоздушной смеси подаётся через обводной воздушный канал регулятора прогрева 9(19). На холодном двигателе обводной канал открыт, а по мере прогрева перекрывается шторкой.
За счёт разрежения, создаваемого движущимися поршнями, пройдя через фильтрующий элемент, воздух своим потоком поднимает круглую пластину 5 и связанное с ним коромысло, которое, поднимаясь, давит на плунжер дозатора-распределителя топлива. Плунжер поднимается и перепускает топливо в верхние камеры дозатора, откуда оно и попадает к форсункам. Между коромыслом и плунжером дозатора-распределителя установлена пластина с эксцентриком, регулировочным винтом которой можно изменять степень поднятия плунжера и, тем самым, изменять соотношение воздух — топливо, т.е. регулировать состав смеси(СО).
Если система исправна, то топливо через форсунки впрыскивается во впускной коллектор и далее попадает через впускные клапаны в цилиндры, возникают первые «вспышки» двигатель начинает работать, движение поршней становится быстрее, за счёт движения масла происходит уплотнение в цилиндрах, повышается разрежение во впускном коллекторе и воздух всё сильнее поступает (засасывается) в двигатель. Напомним, что это система постоянного впрыска, т.е. форсунка «льёт» постоянно, невзирая на то, открыт или закрыт впускной клапан.
В системе используется регулятор противодавления топлива 14(20), который «облегчает» поднятие плунжера дозатора-распределителя топлива на режимах прогрева двигателя и режимах полной нагрузки, когда необходимо впрыскивать большее количество топлива.
В системах разных производителей использовались конструктивные особенности. По положению дроссельной заслонки и оборотам двигателя определялся режим принудительного холостого хода — форсунки переключались на режим минимального впрыска топлива; по положению дроссельной заслонки определялся режим максимальных нагрузок, часть давления топлива снималась с надплунжерного пространства в обратную магистраль, плунжер поднимался легче и топлива к форсункам поступало больше; по сигналам кислородного датчика определялся состав отработанных газов и если смесь постоянно «бедная» или «богатая» блок управления направлял корректирующие импульсы на «лямбда» клапан, который предназначен для перепуска части топлива в обратную магистраль и, тем самым, производилась корректировка состава смеси.
В 80 с годы систему «К» доработали, добавили некоторые узлы с электрическим управлением, поэтому добавилась буква «Е» и получилась системы «КЕ». Такие системы выпускались с индексами «КЕ-Jetronic» и «КЕ-Motronic», причем «Motronic» было несколько модификаций.
На электрической схеме приведённой на рисунке показана система «КЕ-Jetronic» а\м ФОРД Эскорт 1,6RS. Отличительной особенностью систем «КЕ» от «К», является использование принципиально другого дозатора топлива с электрическим регулятором давления топлива и датчиком положения коромысла расходомера воздуха. Использование новых элементов позволило продлить жизнь системам механического впрыска топлива до начала 90-х, хотя уже в 80 с годы почти все производители перешли на использование систем электронного впрыска топлива.
Рис. Электросхема системы управления двигателем а\м ФОРД Эскорт 1,6RS: 3 — топливный насос высокого давления, 6 — клапан холостого хода, 9 — регулятор оборотов на этапе прогрева двигателя, 11 — катушка зажигания, 16 — пусковая форсунка, 21 — регулятор давления топлива, 24 — переключатель, изменяющий степень наддува турбиной, 40 — датчик оборотов в распределителе зажигания, 42 — датчик температуры охлаждающей жидкости, 43 — датчик температуры воздуха, 45 — датчик детонации, 48 — термовыключатель, 50 — датчик положения расходомера воздуха, 53 — датчик положения дроссельной заслонки в закрытом положении, 54 — датчик положения дроссельной заслонки в открытом положении, 87 — стартер, 93 — главное(системное) реле, 101 — блок управления впрыском, 103 — блок управления зажиганием.
Система работает следующим образом. При вращении двигателя стартером датчик оборотов — 40(21)(в данном случае датчик на эффекте Холла) передаёт сигналы в ЭБУ зажиганием — 103(21). Питание на датчик Холла подаётся через ЭБУ. Реле бензонасоса 93(21) замыкает контакты подачи «+» на включение бензонасоса только после получения сигнала от ЭБУ на ножку 1. Этот же сигнал одновременно является управляющим для блока управления впрыском.
Включается бензонасос — 3(21) и создаёт рабочее давление в системе(за 2-3 сек.). В системах «КЕ» использовался блок управления зажиганием, который «анализировал» сигналы от датчиков температуры, датчика детонации, положения дроссельной заслонки, положение расходомера воздуха и подавал импульс на катушку зажигания в рассчитанное время. Катушка зажигания повышает напряжение и по высоковольтному проводу передаёт импульсы напряжения на крышку разносчика напряжения, от которого по высоковольтным проводам напряжение попадает к свечам зажигания каждого цилиндра.
Рис. Рабочая схема а\м ФОРД Эскорт l,6RS: 1 — форсунка, 2 — термовыключатель, 3 — датчик температуры охлаждающей жидкости, 4 — пусковая форсунка, 5 — клапан холостого хода (прогрева), 6,11 — регулятор давления топлива, 7,15 — электрогидравлический регулятор давления топлива, 8 — датчик положения расходомера воздуха, 9 — узел дроссельной заслонки, 10 — топливный насос высокого давления, 12 — демпфер, 13 — топливный фильтр, 14 — воздушный фильтр, 16 — датчик положения дроссельной заслонки (х.х.), 17 — датчик положения дроссельной заслонки (максим, нагрузка), 18 — впускной коллектор, 19 — дозатор-распределитель, 20 — винт регулировки СО.
Эти системы быстрее реагировали на изменившиеся условия работы двигателя, но все-равно значительно уступали системам дискретного (электронного) впрыска топлива. Использование систем механического впрыска топлива требовало чёткой работы всех составляющих элементов и точной ручной регулировки. При всех недостатках, в своё время это был значительный шаг вперёд в разработке и применении новых систем питания и управления двигателем.
Прямой впрыск топлива
Системы, использующие обычные типы форсунок, наиболее распространены и используются всеми фирмами, выпускающими легковые автомобили. В конце 90-х производители Японии сделали шаг вперёд запустили в производство автомобили с системами управления, использующие топливные форсунки прямого (непосредственно в цилиндр) впрыска топлива.
Использование таких систем позволяет более точно дозировать топливо и тем самым добиваться высокого КПД двигателя при минимальных затратах топлива. Системы построения и управления бензиновыми двигателями и системы управления дизельными двигателями начали сближаться, используя похожие подходы к разработке систем управления современным двигателем.
Рис. Электросхема системы управления двигателем МИТСУБИСИ 4G64
На рисунке приведена электросхема а\м МИТСУБИСИ Space wagon 2,4л GDi (4G64). Перечень компонентов: 1 — форсунка, 2 — клапан адсорбера, 3 — бензонасос, 11 — катушки зажигания, 33 — датчик дроссельной заслонки, 37 — кислородный датчик, 40 — датчик распредвала (Холла), 41 — датчик коленвала (Холла), 42 — датчик температуры охлаждающей жидкости, 45 — датчик детонации, 49 — датчик скорости, 56 — включатель на тормозной педали, 58 — датчик положения педали акселератора, 74 — датчик давления топлива, 83 — диагностический разъём, 100 — ЭБУ двигателем, 110 — сигнал от генератора, 112 — лампа самодиагностики, 139 — расходомер воздуха (Karman), 140 — температура масла, 184 — блок управления форсунками, 210 — блок управления узлом дроссельной заслонки, 216 — мотор привода дроссельной заслонки, 220 — шаговый мотор клапана системы EGR (дожиг), 232 — датчик разрежения.
Рабочая часть форсунки расположена непосредственно в камере сгорания и испытывает высокие температурные и ударные нагрузки. Топливный факел особой формы. В системе используется подкачивающий электробензонасос выдающий давление 3-4 bar. Из подкачивающего электрического, топливо попадает в основной механический насос высокого давления, который кинематически связан с распредвалом. Насос высокого давления накачивает давление в топливную рейку, соединённую с форсунками. В топливной рейке установлены датчики давления и температуры топлива. Высокое давление порядка 50-60 bar. В подобных системах требуется использовать бензин определенного качества, которого у нас практически нет, поэтому у систем прямого впрыска топлива часто выходят из строя топливные насосы, свечи зажигания. В данной системе управления используется электронная педаль акселератора, узел электронной дроссельной заслонки, электронный блок управления форсунками, электронный блок управления дроссельной заслонкой.
Кроме МИТСУБИСИ выпуск подобных систем освоили ТОЙОТА, ФОРД и другие автофирмы.
Распределённый многоточечный электронный впрыск
На рисунках и схемах приведённых далее показаны основные схемы построения систем питания и систем управления распределённым впрыском топлива.
Первая схема построена на использовании датчика расхода воздуха лопастного (флюгерного) типа, вторая — на использовании датчика расхода воздуха типа «горячая нить» и «горячая плёнка», третья — без использования датчика расхода воздуха (метод косвенного расчёта поступившего во впускной коллектор воздуха по показаниям MAP датчика (Е1301)). На рисунке ниже приведена электросхема системы управления двигателем а\м ПЕЖО 405 М1.3.
Рис. Электросхема системы управления двигателем автомобилем ПЕЖО 405 (84-93): 1 — датчик измерения количества поступившего в двигатель воздуха, 3 — датчик положения дроссельной заслонки, 4 — блок управления, 6 — датчик температуры охлаждающей жидкости, 8 — кислородный датчик, 9 — форсунки, 10 — модуль зажигания, 11 — системное реле, 12 — реле бензонасоса, 13 — датчик температуры воздуха, 15 — регулятор холостого хода, 17 — катушка зажигания, 20 — датчик детонации, 21 — топливный насос, 24 — датчик частоты вращения коленчатого вала, 26 — лампа самодиагностики, 36 — предохранитель.
Принцип работы систем распределённого впрыска отличается от систем МОНО тем, что количество впрыскиваемого топлива рассчитывается по показаниям расходомера воздуха и само впрыскивание производится под впускной клапан каждого цилиндра. Такая схема позволяет более точно дозировать количество и момент впрыскивания топлива.
Рис. Рабочая схема автомобиля ПЕЖО 405 (84-93): 1 — топливный аккумулятор, 2 — топливная рейка, 3 — регулятор давления топлива, 4 — ЭБУ двигателем, 5 — замок зажигания, 6 — катушка зажигания, 7 — распределитель зажигания, 8 — форсунка, 9 — датчик положения дроссельной заслонки, 10 — термометр, поступающего воздуха (расположен в расходомере воздуха), 11 — датчик содержания кислорода в отработанных газах, 12 — датчик детонации, 13 — термометр охлаждающей жидкости, 14 — датчик оборотов, 15 — регулятор холостого хода, 16 — вход в нейтрализатор, 17 — клапан адсорбера, 18 — адсорбер, 19 — коммутатор, 20 — системное реле, 21 — реле бензонасоса, 22 — диагностический разъем, 23 — лампа самодиагностики, 24 — подкачивающий бензонасос, 25 — основной бензонасос, 26 — топливный фильтр, 27 — свеча зажигания.
На рисунке выше приведена рабочая схема, а на рисунке ниже — локаторная схема расположения датчиков и исполнительных устройств в подкапотном пространстве.
Рис. Схема расположения элементов системы управления двигателем автомобилем ПЕЖО 405 (84-93): 1 — разъём и предохранитель топливного насоса, 2 — реле топливного насоса, 3 — разъем ЭБУ или кислородного датчика, 4 — диагностический разъём, 5 — системное реле, 6 — термометр охлаждающей жидкости, 7 — датчик оборотов, 8 — ЭБУ двигателем, 9 — форсунки, 10 — датчик детонации, 11 — регулятор холостого хода, 12 — датчик положения дроссельной заслонки, 13 — электроклапан адсорбера, 14 — расходомер воздуха и термометр, поступающего воздуха.
Рассмотрим работу такой системы управления двигателем. Точно так же, как и в системах MOНO впрыска, ЭБУ двигателем распознаёт вращение коленвала по датчику оборотов. Включается подкачивающий и основной бензонасосы (может использоваться только один) и топливо через фильтр и демпфер попадает в топливную магистраль (рейку), в которую вставлены форсунки (инжектора). На другом конце топливной рейки установлен регулятор давления топлива, пружинно-мембранный механизм, которой настроен на определённое давление топлива (Т0306). Пары топлива, скапливающиеся в бензобаке в современных автомобилях аккумулируются в адсорбере и при определённых условиях по команде ЭБУ двигателем направляются на дожиг через впускной коллектор.
Всасываемый через фильтр воздух попадает на механическую лопасть расходомера воздуха и отклоняет её на определённый угол. Ось лопасти соединена с потенциометрическим датчиком, по сигналу которого, ЭБУ двигателем и вычисляет количество воздуха поступившего во впускной коллектор. Корректировка истинного количества воздуха, поступившего во впускной коллектор, осуществляется поданным датчика температуры воздуха, расположенного на пути воздушного потока в расходомере воздуха (Е1001). Зная температуру двигателя, положение дроссельной заслонки и других датчиков, ЭБУ двигателем посылает управляющие сигналы на исполнительные элементы(форсунки, коммутатор (катушку зажигания), регулятор холостого хода и т.п.). Анализ качества управления двигателем ЭБУ производит по сигналу обратной связи — от датчика содержания кислорода в отработанных газах (он же кислородный датчик или «лямбда» — зонд). По сигналам от датчика детонации ЭБУ производит корректировку угла опережения зажиганием.
Рассмотрим другой тип системы управления, построенный на использовании расходомера воздуха, избавленного от подвижных элементов. В качестве измерительных элементов используются платиновые нити или плёночные резисторы (Е1001). В системах управления используются датчик оборотов и датчик фазы для более точного управления двигателем. В современных системах управления по датчикам оборотов и фазы ЭБУ двигателем вычисляет проблемный цилиндр и тип проблемы: зажигание или впрыск. На рисунке приведена элсктросхема системы управления двигателем ФОРД Эскорт.
Рис. Электросхема системы управления двигателем автомобиля ФОРД Эскорт (90-98): 31 — датчик измерения количества поступившего в двигатель воздуха, 33 — датчик положения дроссельной заслонки, 100 — блок управления, 42 — датчик температуры охлаждающей жидкости, 37 — кислородный датчик, 1 — форсунки, 49 — датчик скорости, 91 — реле бензонасоса, 43 — датчик температуры воздуха, 6 — регулятор холостого хода, 11 — катушка зажигания, 2 — клапан адсорбера, 3 — топливный бензонасос, 83 — диагностический разъём, 39 — датчик частоты вращения коленчатого вала, 38 — датчик распредвала, 159 — инерционный выключатель бензонасоса.
Рис. Схема расположения элементов управления двигателем автомобиля ФОРД Эскорт (90-98): 1 — регулятор холостого хода, 2 — датчик температуры поступающего воздуха, 3 — датчик дроссельной заслонки, 4 — регулятор давления топлива, 5 — датчик фазы, 6 — расходомер воздуха, 7 — датчик температуры охлаждающей жидкости, 8 — воздушный фильтр, 10 — клапан адсорбера.
Сравнивая системы с расходомером воздуха можно заметить, что принципиальных отличий нет. Разница лишь в конструкции некоторых составляющих системы управления. Некоторые модели автомобилей выпускались с системами управления без использования расходомера воздуха.
Рис. Рабочая схема автомобиля ФОРД Эскорт (90-98): 1 — электробензонасос, 2 — топливный фильтр, 3 — термометр поступающего воздуха, 4 — клапан холостого хода, 5 — датчик положения дроссельной заслонки, 6 — инерционный выключатель бензонасоса (аварийный), 7 — реле включения бензонасоса, 8 — расходомер воздуха, 9 — диагностический разъём. 10 — сервисный разъём, 11 — разъем для корректировки угла опережения зажиганием, 13 — ЭБУ двигателем, 14 — главное реле, 15 — электровакуумный клапан дожига топлива, 17 — замок зажигания, 18 — датчик фаps (распредвал), 19 — датчик температуры охлаждающей жидкости, 20 — датчик содержания кислорода в отработанных газах, 21 — индуктивный датчик оборотов / положения коленвала, 22 — модуль зажигания, 23 — катушка зажигания, 24 — форсунка (инжектор), 25 — электроклапан адсорбера, 26 — адсорбер, 27 — регулятор давления топлива.
Далее приведена электросхема а\м СИТРОЕН Ксантия 1,8 л, Мотроник MP 5.1. Система управления с распределенным впрыска топлива и с датчиком разрежения во впускном коллекторе в качестве измерителя нагрузки.
Рис. Электросхема системы управления двигателем автомобиля СИТРОЕН Ксантия (92-95): 1 — форсунки, 2 — клапан адсорбера, 3 — топливный насос, 6 — регулятор холостого хода, 12 — подогреватель топливовоздушной смеси, 32 — датчик разрежения во впускном коллекторе (МАР), 33 — датчик положения дроссельной заслонки, 37 — кислородный датчик, 39 — датчик частоты вращения коленчатого вала, 42 — датчик температуры охлаждающей жидкости, 43 — датчик температуры воздуха, 83 — диагностический разъём, 100 — ЭБУ двигателем.
Рабочая схема этой же системы управления приведена на рисунке ниже.
Рис. Рабочая схема автомобиля СИТРОЕН Ксантия (92-95): 1 — диагностический разъём, 2 — подогреватель топливовоздушной смеси, 3 — ЭБУ двигателем, 4 — топливный фильтр, 5 — модуль зажигания, 6 — регулятор давления топлива, 7 — узел дроссельной заслонки, 8 — термометр входящего воздуха, 9 — клапан холостого хода, 10 — лампа самодиагностики, 11 — электробензонасос, 12 — кислородный датчик, 13 — датчик оборотов двигателя, 14 — датчик температуры охлаждающей жидкости, 15 — клапан перепуска паров бензина из адсорбера во впускной коллектор, 16 — датчик разрежения во впускном коллекторе (MAP), 17 — датчик дроссельной заслонки, 18 — датчик скорости, 19 — двойное реле, 20 — топливный бак, 21 — адсорбер, 22 — аккумулятор, 23 — форсунка (инжектор).
Такой тип систем управления использует метод косвенного определения количества воздуха поступившего во впускной коллектор. Для расчёта учитывается температура воздуха, положение дроссельной заслонки, интенсивность нажатия педали акселератора, разрежение во впускном коллекторе. Подобные системы очень чувствительны к работе датчика разрежсния(МАР). Многие производители двигателей и систем управления выпускают системы с расходомером воздуха и с MAP датчиком. По усмотрению разработчика для разных типов двигателей используются разные системы управления.
При рассмотрении различных систем управления мы специально взяли информацию по различным производителям, чтобы показать, что принцип построения систем у подавляющего большинства производителей одинаков, поэтому главное:
- понять работу системы управления;
- знать устройство и принцип работы датчиков и исполнительных элементов;
- научиться правильно применять эти знания.
Для закрытия темы многоточечный распределённый электронный впрыск приведём описание более сложной системы управления двигателем а\м СИТРОЕН Ксантия Мотроник MP 3.2.
Рис. Электросхема системы управления двигателем автомобилем СИТРОЕН Ксантия (92-95): 4 — датчик положения дроссельной заслонки, 6 — датчик температуры охлаждающей жидкости, 8 — кислородный датчик, 9 — форсунки, 10 — модуль зажигания, 11 — системное реле, 12 — реле бензонасоса, 13 — датчик температуры воздуха, 15 — регулятор холостого хода, 17-катушка зажигания, 20 — датчик детонации, 21 — топливный насос, 22 — диагностический разъём, 24 — датчик частоты вращения кол.вала, 26 — лампа самодиагностики, 36 — предохранитель, 35 — датчик скорости, 36 — предохранитель,49 — датчик фазы (распредвал), 57 — электровакуумный клапан изменения длины впускного коллектора.
Рис. Рабочая схема автомобиля СИТРОЕН Ксантия (92-95): 1 — модуль зажигания, 2 — катушка зажигания, 3 — датчик температуры охлаждающей жидкости, 4 — форсунка (инжектор), 5 — регулятор давления топлива, 6 — клапан холостого хода, 7 — узел дроссельной заслонки, 8 — подогреватель топливовоздушной смеси, 9 — клапан перепуска паров бензина из адсорбера во впускной коллектор, 10 — датчик дроссельной заслонки, 11 — электробензонасос, 12 — адсорбер, 13 — двойное реле, 14 — вакуумный аккумулятор, 15 — электровакуумный клапан изменения длины впускного коллектора, 16 — датчик скорости, 17 — вакуумный привод механизма изменения длины впускного коллектора, 18 — датчик оборотов двигателя, 19 — лампа самодиагностики предупреждает водителя о том, что ЭБУ двигателем обнаружил электрическое несоответствие параметров, записанных в памяти с реальными характеристиками, получаемыми от датчиков (СНЕСК ENGINE), 20 — диагностический разъём, 21 — датчик детонации, 22 — кислородный датчик, 23 — ЭБУ двигателем.
Рассмотрим работу такой системы управления. Отличительные особенности описанных ранее системных решений:
- в системе зажигания используются индивидуальные катушки зажигания (СОР) для каждого цилиндра, позволяющие отказаться от высоковольтных проводов;
- управление моментом искрообразования производится из ЭБУ двигателем двумя модулями зажигания — 1,4 цилиндры и 2,3 цилиндры;
- датчик разрежения во впускном коллекторе(МАР) расположен внутри ЭБУ двигагелем;
- на впускном распределительном валу расположен датчик фазового положения распредвала;
- используется принцип изменения длины впускного коллектора для регулирования скорости воздушного потока на разных оборотах двигателя и наполняемости цилиндров.
Программы, находящиеся в ЭБУ двигателем, анализируют параметры датчиков и посылают импульсы управления на исполнительные элементы. Современные системы управления двигателем позволяют максимально эффективно использовать все возможности механики и электроники.
В зависимости от оборотов двигателя и нагрузки:
- изменяется момент подачи зажигания на каждый цилиндр;
- изменяется количество впрыскиваемого топлива;
- оптимизируется момента и величина открытия впускных клапанов;
- меняется угол перекрытая клапанов;
- длинa впускного коллектора и пр.
Подведём итоги
Число форсунок в системах распределённого впрыска равно числу цилиндров. Форсунки крепятся на специальных топливных рейках (рампах) непосредственно на впускном коллекторе или головке блока. Нижние(выходные) части форсунок, через уплотнительные кольца вставлены во впускной коллектор над впускным клапаном. Топливный насос расположен в баке или под кузовом а\м. Рабочее давление в таких системах имеет значение от 2 до 4 bar.
В системах распределённого впрыска топлива используются расходомеры различных типов:
- лопастной
- проволочный(HLM)
- плёночный(HFM)
- вихревой (Karman).
Если система без расходомера воздуха, то обязательно должен быть MAP датчик, стоящий отдельно или встроенный в ЭБУ двигателем; во впускном патрубке перед дроссельной заслонкой обычно установлен датчик температуры всасываемого воздуха. Алгоритм управления исполнительными устройствами систем с MAP датчиком построен на косвенном вычислении количества поступившего во впускной коллектор воздуха: основными критериями является:
- температура воздуха
- интенсивность нажатия на дроссельную заслонку
- положение дроссельной заслонки
- температура двигателя
- обороты двигателя
Центральный одноточечный впрыск
Такие системы ещё называются системами МОНО впрыска. Обозначаются обычно SPI — Одноточечный впрыск, CFI — Центральный впрыск топлива, TBI — Впрыск на дроссельную заслонку.
Такие системы характеризуются упрощённой системой управления дозированием топлива. Работают обычно при низком давлении топлива (0,7-1,2 bar). Используются недорогие топливные насосы турбинного типа, обычно расположенные в топливном баке. Далее приведены схемы построения некоторых типов центрального впрыска топлива.
Достоинством таких систем является:
- простота перехода от карбюраторных двигателей
- меньшая стоимость (по сравнению с другими системами)
- простота обслуживания и ремонта
- надёжность
Недостатком является:
- неравномерное распределение топливовоздушной смеси по цилиндрам
- образование топливной плёнки на стенках впускного коллектора
Рис. Узел форсунки, дроссельной заслонки
На рисунке показана схема основной части системы MOНО впрыска — блок дроссельной заслонки. Элементы моноблока: 1 — воздушный термометр, 2 — корпус форсунки, 3 — регулятор давления топлива, 4 — шток установщика дроссельной заслонка с концевым выключателем, 5 — каналы подвода и обратного слива топлива.
Используются форсунки с малым временем срабатывания, т.к. частота управляющих импульсов обычно в два или четыре раза выше частоты вращения коленчатого вала. Сопротивление обмотки соленоида форсунки низкое, следовательно мала индуктивность, что позволяет более точно дозировать топливо, подачей управляющих импульсов с блока управления.
При пуске и прогреве холодного двигателя время открытия форсунки корректируется блоком управления в соответствии с сопротивлением датчиков охлаждающей жидкости и температуры всасываемого воздуха. После прогрева двигателя (60 — 90 гр.), базовыми значениями для управления двигателем (у разных производителей по-разному) являются: частота вращения коленчатого вала, разрежение во впускном коллекторе, скорость изменения и само значение сопротивления датчика положения дроссельной заслонкой.
В МОНО-системах обычно не используется датчик измерения расхода воздуха (за исключением некоторых Японских производителей). Европейские производители используют MOНО-системы двух типов:
- WEBER, GM
- BOSCH
Отличаются расположением датчиков температуры воздуха, поступающего во впускной коллектор, системами регулирования холостого хода и конструкцией датчика положения дроссельной заслонки. Представителем группы типов MOНO-систем WEBER и GM являются фирмы ОПЕЛЬ, ФИАТ и др. На рисунке приведена электросхема автомобиля ФИАТ Пунто-55 Magnetti Marelli.
Рис. Электросхема системы управления автомобилем ФИАТ Пунто-55 (93-97):
1 — форсунка центрального впрыска, 2 — клапан адсорбера, 3 — электрический бензонасос, 7 — регулятор холостого хода, 11 — ВВ катушка зажигания, 32-датчик разрежения во впускном коллекторе, 33 — датчик положения дроссельной заслонки, 37 — датчик содержания кислорода в отработанных газах, 39 — датчик оборотов, 42 — датчик температуры воздуха, поступающего во впускной коллектор,43 — датчик температуры охлаждающей жидкости.
Рис. Рабочая схема автомобиля ФИАТ Пунто 55:
1 — катушка зажигания, 2 — регулятор холостого хода, 3 — регулятор давления топлива, 4 — форсунка (инжектор), 5 — термометр поступающего воздуха, 6 — электроклапан адсорбера, 7 — главное/бензонасоса реле, 8 — замок зажигания, 9 — д датчик содержания кислорода в отработанных газах, 10 — термометр охлаждающей жидкости, 11 — свеча зажигания, 12 — индуктивный датчик оборотов / положения коленвала, 13 — датчик разрежения во впускном коллекторе (MAР), 14 — нейтрализатор ОГ, 15 — датчик положения дроссельной заслонки, 16 — адсорбер, 17 — лампа самодиагностики на приборной панели, 18 — тахометр, 19 — ЭБУ двигателем, 20 — диагностический разъём, 21 — инерционный выключатель бензонасоса (аварийный), 22 — топливный фильтр, 23 — обратный клапан, 24 — электробензонасос.
На рисунке сверху приведена рабочая схема, а на рисунке снизу — локаторная схема расположения датчиков и исполнительных устройств в подкапотном пространстве.
Рис. Схема расположения элементов системы управления двигателеч автомобиля ФИАТ Пунто 55:
1 — регулятор давления топлива, 2 — термометр поступающего воздуха, 3 — форсунка (инжектор), 4 — термометр охлаждающей жидкости, 5 — главное\бензонасоса peлe, 7 — датчик разрежения во впускном коллекторе, 6,8 — предохранители (системный и бензонасоса), 9 — датчик содержания кислорода в отработанных газах, 10 — катушка зажигания, 12 — индуктивный датчик — оборотов\положения коленвала, 13 — адсорбер, 14 — электроклапан адсорбера, 15 — ЭБУ двигателем, 16 — диагностический разъём, 17 — датчик положения дроссельной заслонки, 18 — регулятор холостого хода.
Рассмотрим работу системы по электрической схеме и рабочей схеме. При включении зажигания, на системное реле подаётся напряжение. Реле включается, запитывает дополнительным напряжением ЭБУ двигателем. Подаются питающие напряжения на катушку зажигания, форсунку, бензонасос и др. Бензонасос включается в работу, создаёт предварительное давление топлива в магистрали и, если не последует вращение стартером-отключается.
При вращении стартером коленвала, на датчике оборотов появляется сигнал, по которому ЭБУ двигателем вычисляет обороты двигателя. В зависимости от положения дроссельной заслонки, сигнала датчика разрежения во впускном коллекторе (МАР), температуры воздуха и двигателя (охлаждающей жидкости) ЭБУ вычисляет момент опережения зажиганием и длительность импульса впрыска на форсунке. ЭБУ принимает решение обогащать или обеднять топливо-воздушную смесь по анализу сигнала кислородного датчика расположенного в выпускном коллекторе. Регулировка холостого хода осуществляется путём изменения проходного сечения обводного воздушного канала, расположенного вокруг дроссельной заслонки. Регулятор холостого хода управляется ЭБУ двигателем и расположен на форсуночном узле.
Другим представителем МОНО систем является фирма BOSCH. Приведём электрическую схему автомобиля VW «Пассат» с двигателем 1,6 л — 1F, выпускавшемся с 1989 по 1990 г и системой управления Mono Jetronic.
Рис. Электросхема системы управления автомобилем VW Пассат 1,6 л — 1F:
1 — форсунка, 2 — клапан адсорбера, 8 — установщик дроссельной заслонки, 10 — модуль зажигания, 11 — катушка зажигания, 14 — топливный насос основной, 15 — подкачивающий топливный насос, 33 — датчик дроссельной заслонки, 37 — кислородный датчик, 40 — датчик оборотов на эффекте Холла, 42 — датчик температуры охлаждающей жидкости, 43 — датчик температуры входящего воздуха, 91 — реле бензонасоса, 100 — электронный блок управления двигателем.
Рассмотрим работу такой системы. При включении зажигания через реле включается топливный насос. Если вращение стартером не производится, то через 5 секунд насос будет отключен. Запуск стартера(вращение коленвала) распознаёт ЭБУ двигателем по сигналам датчика частоты вращения и повторно включает бензонасос. Приведённая конструкция имеет два бензонасоса: первый — подкачивающий низкого давления (0,8 — 1,2 bar) расположен в основном баке и перекачивает топливо во вспомогательный бак, обычно расположенный под днищем а\м. Во вспомогательном баке установлен основной насос высокого давления. Такая схема применялась и на системах высокого давления (механического впрыска) топлива. Жизнь показала, что такая конструкция неудачна. Кроме того, что система усложнена, она ещё и не надёжна — при выходе из строя подкачивающего насоса, из-за топливного голодания выходит из строя и основной насос. В более поздних конструкциях устанавливался только один — погружной бензонасос.
Неотъемлемой частью современной системы питания, является система вентиляции бензобака. Пары бензина из бензобака по отдельному шлангу поступают в специальную ёмкость, наполненную активным элементом, способным поглощать пары бензина, а при продувке воздухом — освобождаться. Такой прибор называется — адсорбер. При определённых условиях по сигналу из ЭБУ двигателем открывается клапан, который перепускает пары бензина во впускной коллектор на обогащение топливовоздушной смеси.
Далее топливо поступает к регулятору давления и к форсунке. Регулятор давления топлива представляет собой подпружиненную мембрану, которая от давления топлива приподнимается, перепускает излишки топлива в обратную магистраль и снова закрывается. Таким образом на форсунке поддерживается постоянное рабочее давление топлива.
На пластиковом корпусе под вода электропитания к форсунке расположен датчик температуры воздуха. Датчик температуры охлаждающей жидкости расположен на блоке цилиндров или в другой — самой высокой точке системы охлаждения.
При запуске холодного двигателя требуется подать во впускной коллектор большее количество топлива и, соответственно, воздуха. В GM-системах большее количество воздуха подавалось за счёт открытия обводного воздушного канала (вокруг дроссельной заслонки), т.н. байпасного канала, а в BOSCH-системах — путём механического открытия дроссельной заслонки специальным установщиком (Е0801). На первый взгляд системы идентичны, но это не так. В приведённой ниже таблице показаны принципиальные отличия систем управления.
| Система управления | Датчик оборотов | Форсунка | Регулятор холостого хода | Датчик дроссельной заслонки |
| WEBER, GM | Зубчатый спецдиск на к\валу в передней части двигателя. Считывающий датчик индуктивного типа. | Узкая индивидуальная | Шаговый эл.двигатель со штоком, перекрывающим\открывающим обводной воздушный канал. | Одиночный потенциометр |
| BOSCH | Датчик Холла в распределителе зажигания. | Широкая. На электрическом разъеме размещён датчик температуры воздуха. | Эл.мотор с приводом, открывающий или дающий возможность закрыться дроссельной заслонке пружинным механизмом. На упоре привода расположена контактная группа, информирующая ЭБУ о касании привода с упором дроссельной заслонки. | Сдвоенный потенциометр |
Рис. Рабочий схема а\м VW Пассат 1,6 л — 1F:
1 — подкачивающий бензонасос, 2 — основной бензонасос, 3 — топливный фильтр, 4 — форсунка (инжектор), 5 — термометр, поступающего воздуха, 6 — регулятор холостого хода\установщик дроссельной заслонки, 7 — датчик положения дроссельной заслонки, 8 — ЭБУ двигателем, 9 — датчик содержания кислорода в отработанных газах, 10 — термометр охлаждающей жидкости, 11 — коммутатор, 12 — регулятор давления топлива, 13 — замок зажигания, 14 — свеча зажигания, 15 — датчик оборотов Холла.
Нa рисунке выше приведена рабочая схема, а на рисунке ниже — локаторная схема расположения датчиков и исполнительных устройств в подкапотном пространстве.
Рис. Схема расположения элементов системы управления двигателем автомобиля VW Пассат 1,6 л 1F:
1 — форсуночный узел, 2 — ЭБУ двигателем, 3 — форсунка (инжектор) и термометр, поступающего воздуха, 4 — регулятор давления топлива, 5 — разъём подогревателя топливоздушной смеси, расположенного во впускном коллекторе, 6 — лампа самодиагностики, 8 — датчик положения дроссельной заслонки, 9 — разъём датчика содержания кислорода в отработанных газах, 10 — термометр охлаждающей жидкости, 11 — термовыключатель нагревательного элемента топливовоздушной смеси, 12 — регулятор холостого хода (установщик дроссельной заслонки), 13 — разъем питания форсунки и воздушного термометра, 14,15 — электроклапана адсорбера, 16 — балластный резистор форсунки, 17 — разъем установщика дроссельной заслонки.
Подведём итоги
Системы центрального впрыска топлива явились логическим продолжением развития карбюраторных систем топливоснабжения. Вместо карбюратора, на то же посадочное место устанавливается узел, в котором расположена впрыскивающая топливо форсунка и некоторые датчики, передающие информацию в электронную систему управления двигателем. Механическая часть и система ценообразования может остаться без изменений. На основании информации, получаемой от датчиков, ЭБУ, по записанному в постоянную память алгоритму (таблицам), производит управление работой исполнительных элементов на всех режимах работы: вычисляется и подаётся в двигатель необходимое количество топлива; на режимах принудительного холостого хода подача топлива отключается; в системах «Мотроник» производится электронное управление моментом ценообразования. Такие системы устанавливались на двигатели с рабочим объёмом до 2 л.
Система управления топливом компании Saab
Рис. Инжектор со свечой системы управления сгоранием (Источник: Saab)
Система управления топливом компании Saab (Saab Combustion Control — SCC) была разработана с целью уменьшить потребление топлива к значительно сократить при этом вредные выбросы. Однако это ничуть не ухудшило характеристики двигателя. Ключевая идея системы SCC — использование выхлопных газов.
Благодаря рециркуляции значительной доли выхлопного газа в процессе сгорания, потребление топлива может быть уменьшено на 10%. К тому же выбросы можно сократить до значения, лежащего ниже уровня требований американском инструкции снижения эмиссии ULEV2 и европейской инструкции ЕВРО 4. Эта технология почти вдвое сократила выброс окиси углерода и углеводородов, а выброс окиси азота — до 75%.
Система SCC, непохожая на стандартные системы прямого впрыска, имеет множество преимуществ, не нарушая при этом идеальное отношение воздушно-топливной смеси (14,7:1). Поддержание этого отношения необходимо, чтобы мог работать в нормальном режиме обычный каталитический конвертер с тремя реакциями. Наиболее важные аспекты системы SCC таковы:
- впрыск топлива, поддерживаемый воздушной струей, с генератором турбулентности — инжектор и свеча объединены в один узел, получивший название — «инжектор со свечой» (spark plug injection — SPI). Топливо впрыскивается непосредственно в цилиндр при помощи сжатого воздуха, а еще одна струя воздуха создает в цилиндре турбулентность перед моментом воспламенения топлива. Этот прием поддерживает процесс горения и сокращает время сгорания;
- изменяемое время функционирования клапанов — используются изменяемые кулачки, чтобы система SCC могла варьировать время открытия и закрытия клапанов впуска и выпуска. Это позволяет смешивать выхлопной газ с воздушно-топливной смесью в цилиндре. Ключевой аспект здесь — выгода от прямого впрыска при одновременном сохранении лямбда-показателя, равного единице, в большинстве условий эксплуатации двигателя. Точный процент рециркуляции выхлопного газа зависит от режима работы двигателя, но во 70% объема цилиндра во время сгорания может состоять из выхлопного газа;
- переменный промежуток свечи зажигания с высокой энергией искры — промежуток свечи зажигания изменяется в диапазоне от 1 до 3,5 мм. Искра создается между нейтральным подвижным электродом SPI и неподвижным земляным электродом с промежутком в 3,5 мм, или на имеющий потенциал земли поршень. Очень высокая энергия искры (около 80 мДж) необходима, чтобы воспламенить воздушно- топливную смесь, смешанную с 70% выхлопных газов.
Рис. Стадии управления сгоранием топлива (Источник: Saab)
Рассмотрим процесс SCC с такта расширения (рабочего такта). На рисунке приведены следующие моменты работы цилиндра:
- Рабочий такт происходит обычным способом — воздушно-топливная смесь сгорает, давление в цилиндре увеличивается, что вызывает движение поршня вниз.
- Как только поршень достигает конца рабочего хода выпускные клапаны открываются и выводят большую часть выхлопа через выхлопные патрубки. Остающиеся выхлопные газы выводятся по мере движения поршня вверх на такте выпуска.
- Топливо вводится в цилиндр через SPI непосредственно перед тем, как поршень достигнет верхней мертвой точки. Впускные клапаны открываются в то же самое время. Выхлоп, смешанный с топливом, выводится из цилиндра через клапаны впуска и выпуска.
- В начале такта впуска выпускные и впускные клапаны открыты, и смесь выхлопа с топливом всасывается из выпускного коллектора обратно в цилиндр.
- По мере перемещении поршня вниз, выпускные клапаны закрываются, но клапаны впуска продолжают оставаться открытыми. Смесь выхлопных газов и топлива, которая зашла во впускной коллектор, теперь втягивается в цилиндр.
- Когда поршень приближается к нижней мертвой точке, вся смесь из выхлопа и топлива втянута обратно в цилиндр. К концу такта впуска в цилиндр засасывается только воздух.
- Когда поршень в течение такта сжатия перемещается вверх, клапаны впуска закрыты и смесь выхлопа, воздуха и топлива сжимается. Приблизительно на половине хода такта сжатия SPI подает в цилиндр сильную струю воздуха. Она бурно перемешивает смесь, чем облегчает ее горение и сокращает время сгорания.
- Непосредственно перед тем, как поршень достигает верхней мертвой точки, искра от электрода SPI зажигает смесь, и начинается следующий такт расширения.
Каталитический конвертер с тремя реакциями — все еще самый важный элемент контроля выхлопной эмиссии, потому что он может преобразовать до 99% вредных компонентой выхлопных газов. Однако каталитический конвертер не оказывает никакого влияния на эмиссию углекислого газа, которая прямо пропорциональна потреблению топлива.
Прямой впрыск бензина — хороший способ понизить потребление топлива. Поскольку отмеренное количество топлива вводится непосредственно в цилиндр, можно более точно управлять его расходом. Однако гореть может только область вокруг свечи, потому как остальная часть объема цилиндра заполнена воздухом. В стандартных системах прямого впрыска это уменьшает потребление топлива, но приводит к более высокому уровню выбросов окислов азота. Получающиеся выхлопные газы совершенно не подходят для обычного каталитического конвертера с тремя реакциями. Поэтому должен быть использован специальный каталитический конвертер с «ловушкой окислов азота». Он дороже, потому что содержит благородные металлы. Кроме того, такие конвертеры более чувствительны к температуре и при работе с полной нагрузкой нуждаются в охлаждении. Это часто обеспечивается впрыском дополнительного количества топлива. Чтобы восстановить улавливатель NOx, когда он «полон», двигателю нужно некоторое время поработать на более богатой топливно-воздушной смеси.
Система SCC также вносит вклад в сокращение насосных потерь. Они выше, когда двигатель работает с низкой нагрузкой при почти закрытом дроссельном клапане. В этих условиях поршень в цилиндре в течение такта впуска работает под частичным вакуумом. Дополнительная энергия, необходимая, чтобы толкать поршень вниз, приводит к увеличенному потреблению топлива. В двигателе SCC цилиндр питается только тем количеством топлива и воздуха, которые необходимы в любой конкретный момент времени. Остальная часть цилиндра заполнена выхлопными газами. Это означает, что поршень не должен втягивать дополнительный воздух, и, следовательно, насосные потери уменьшаются. Выхлопные газы составляют 60—70% объема камеры сгорания, в то время как 29—39% занимает воздух. Доля топлива составляет менее 1%. Вообще говоря, когда двигатель работает с малой нагрузкой, используется и более высокая пропорция выхлопного газа.
При низких нагрузках искра зажигается от центрального электрода инжектора на неподвижный земляной электрод через промежуток 3,5 мм. При высоких нагрузках искра проскакивает позже (задерживается). Плотность газа в камере сгорания в этих условиях является слишком высокой, чтобы искра могла пробить 3,5 мм. Поэтому в качестве земли используется выступ на поршне. Искра проскочит но электрод поршня, когда промежуток станет меньше, чем 3,5 мм.
Сейчас система управления сгоранием компании Saab находится в эксплуатации и показывает очень высокую эффективность. Компания продолжает разработки в этом направлении.
Прямой впрыск бензина в системе Motronic
Система впрыска высокого давления для бензиновых двигателей, разработанная в компании Bosch, основана на применении резервуара топлива и топливной магистрали, которую насос высокого давления наполняет топливом с регулируемым давлением до 120 бар.
Поэтому топливо может быть введено непосредственно в камеру сгорания с помощью электромагнитных инжекторов. Эта система обеспечивает дальнейшее снижение выбросов и сокращение потребления топлива.
Рис. Топливные и электрические компоненты системы Motronic (Источник: Bosch Press)
Масса всасываемого воздуха может быть отрегулирована посредством электронно управляемого дроссельного клапана (регулятора газа) и измерена с помощью измерителя массы воздуха. Для контроля качества смеси используется широкополосный датчик кислорода в выхлопном тракте. Датчик помещен перед каталитическими конвертерами. Этот датчик может измерять лямбда-показатель в диапазоне от 0,8 и до бесконечности. Электронный блок управления двигателем регулирует рабочие режимы двигателя с прямым впрыском бензина тремя способами:
- режим стратифицированного заряда топлива — значения лямбда-показателя больше 1
- режим однородной смеси, лямбда = 1
- режим обогащенной однородной смеси, лямбда = 0,8
В отличие от традиционной системы впрыска во впускной коллектор, при полной нагрузке все топливо должно быть введено за вчетверо меньшее время. При формировании стратифицированной смеси в режиме частичной нагрузки доступное время значительно меньше. В частности, на холостом ходу требуется время впрыска менее 0,5 мс. Это только одна пятая времени, доступного для впрыска во впускной коллектор.
Рис. Инжектор, используемый в системе прямого впрыска бензина (Источник: Bosch Press)
Топливо должно распыляться очень тонко, чтобы создать оптимальную смесь за короткий интервал времени между впрыском и воспламенением. Размер капельки топлива для прямого впрыска в среднем менее 20 мкм. Это только одна пятая размера капельки, получаемой в традиционной системе впрыска в коллектор, и одна треть от диаметра человеческого волоса.
Дисперсия топлива значительно повышает эффективность работы двигатели. Однако еще более важным, чем распыление, является распределение топлива в конусе впрыска. Оно выполняется так, чтобы обеспечить быстрое и однородное сгорание.
Обычные двигатели с воспламенением от искры используют однородную воздушно-топливную смесь с отношением 14,7:1, соответствующим лямбда-показателю 1. Двигатели же с прямым впрыском в области частичной нагрузки работают в соответствии с концепцией образования стратифицированного заряда топлива при значительном избытке воздуха. При этом достигается очень низкое потребление топлива.
При задержанном впрыске топлива идеальной будет камера сгорания, разделенная на две части. Впрыск осуществляется непосредственно в камеру сгорания как раз перед моментом зажигания. В результате воздушно-топливное облако смеси образуется рядом со свечой зажигания. Оно окружено теплоизолирующим слоем, состоящим из воздуха и остаточного выхлопного газа. Двигатель работает почти с полностью открытым дроссельным клапаном, что уменьшает потери на всасывание.
В режиме эксплуатации со стратифицированным зарядом лямбда-показатель в камере сгорания находится где-то между 1,5 и 3. В области частичных нагрузок прямой впрыск бензина обеспечивает самые высокие значения экономии топлива по сравнению с обычной системой впрыска — до 40% на холостом ходу.
С увеличением нагрузки на двигатель и, следовательно, с увеличением количества топлива, стратифицированное облако заряда становится еще более насыщенным, и характеристики эмиссии становятся хуже. Как и при сгорании в дизеле, может образовываться сажа. Чтобы предотвратить это, при заранее определенной нагрузке машины блок управления двигателя Di-Motronic формирует однородную по всему цилиндру смесь. Система в фазе впуска вводит топливо очень рано, чтобы получить хорошую воздушно-топливную смесь со значением лямбда-показателя близким к 1.
Как это имеет место и в обычных системах впрыска в коллектор, количество воздуха, всасываемого на всех режимах эксплуатации, регулируется дроссельным клапаном в соответствии с задаваемым водителем крутящим моментом. ECU системы Motronic по массе всасываемого воздуха вычисляет количество топлива, которое будет введено, и выполняет дополнительную коррекцию посредством лямбда-контроля. В этом режиме работы возможно увеличение крутящего момента до 5%. Здесь играет свою роль и термодинамический эффект охлаждения топлива, испаряющегося непосредственно в камере сгорания, и более высокая степень сжатия двигателя с прямым впрыском бензина.
При различных режимах эксплуатации появляются два основных требования к управлению двигателем:
- момент впрыска должен быть отрегулирован между «поздним» (в течение фазы сжатия) и «ранним» {в течение фазы впуска) положениями в зависимости от характерного режима эксплуатации
- регулировка всасываемой массы воздуха должна быть независимой от положения педали газа для того, чтобы разрешить работу двигателя без дросселирования в диапазоне более низких нагрузок. Однако управление дросселем в диапазоне повышенных нагрузок нужно разрешить.
При оптимальном использовании всех преимуществ средняя экономия топлива в таком двигателе достигает 15%.
В режиме со стратифицированным подводом топлива при очень скудном выхлопе окиси азота (NOx) не могут быть удалены обычным каталитическим конвертеров. Правда, окислы NOx могут быть уменьшены приблизительно на 70% через рециркуляцию выхлопа до каталитического конвертера. Однако этого недостаточно, чтобы выполнить будущие амбициозные ограничения эмиссии. Поэтому выбросы, содержащие NOx, должны подвергнуться специальной обработке. Конструкторы двигателей используют дополнительный аккумулирующий каталитический конвертер окислов азота в системе выпуска.
Окислы NOx накапливаются в форме нитратов (HNO3) на поверхности конвертера вместе с кислородом, все еще содержащимся в скудном выхлопе.
Вместимость аккумулирующего каталитического конвертера NOx ограничена, поэтому как только она будет исчерпана, каталитический конвертер должен быть восстановлен. Чтобы удалять накопленные нитраты. Di-Motronic быстро переходит к его третьему рабочему режиму (работа с богатой однородной смесью с лямбда-показателем, приблизительно равным 0,8). Нитраты вместе с угарным газом в выхлопе превращаются в безвредные азот и кислород. Когда двигатель работает в этом диапазоне, крутящий момент двигателя регулируется положением педали, открывающей дроссельный клапан. Управление двигателем решает трудную задачу перехода между различными режимами эксплуатации в доли секунды так, чтобы это было незаметно водителю.
Продолжающаяся борьба за сокращение эмиссии, следствие строгого законодательства, должна уменьшить вредные выбросы транспортного средства до очень низких уровней. Система Di-Motronic, которая теперь используется многими изготовителями, продолжает поддерживать доброе имя компании Bosch.
Система усовершенствованного прямого впрыска бензина GDI (Mitsubishi)
Инновационная технология двигателестроения в течение многих лет была приоритетом развита компании Mitsubishi Motors. В частности, компания Mitsubishi стремилась повысить эффективность двигателей в стремлении удовлетворить растущие требования со стороны экологии, как-то уменьшение расхода топлива и сокращение эмиссии СО2, чтобы ограничить отрицательное действие парникового эффекта.
Mitsubishi приложила существенные усилия к развитию двигателя с прямым впрыском бензина. В течение многих лет автомобильные инженеры полагали, что этот тип двигателя имеет самый большой потенциал для оптимизации подачи топлива и сгорания, что, в свою очередь, может обеспечить лучшее качество работы и снизить потребление топлива. Однако до сих пор никто не спроектировал удачный двигатель с прямым впрыском топлива в цилиндр (Gasoline Direct Injection — GDI), пригодный для массового производства. Разработанный в компании Mitsubishi двигатель типа GDI (усовершенствованного прямого впрыска бензина) — это реализация мечты инженера.
Для подачи топлива обычные двигатели используют систему впрыска топлива, которая заменила систему карбюрации. Система MPI, или система многоточечного впрыска, где топливо подводится к каждому устройству ввода, является в настоящее время одной из наиболее широко используемых систем. Однако даже в двигателях MPI имеются ограничения на условия подачи топлива и управление сгоранием, потому что топливо смешивается с воздухом перед введением в цилиндр. Mitsubishi намеревалась раздвинуть эти пределы, разрабатывая двигатель, где бензин вводится непосредственно в цилиндр, аналогично дизельному двигателю, и, кроме того, моментом впрыска управляют в точном соответствии с условиями нагрузки. Двигатель GDI достиг следующих выдающихся показателей:
- чрезвычайно точный контроль порции топлива в результате сгорания ультрабедных смесей топливная, эффективность превышает эффективность дизельных двигателей
- очень эффективный впрыск и уникально высокая степень сжатия обеспечивают данному двигателю GDI высокую эффективность и отличную приемистость, которые превосходят таковые для обычных двигателей MPI
Технология, реализованная Mitsubishi для двигателя GDI, является краеугольным камнем для следующего поколения высокоэффективных двигателей. Очевидно, эта технология будет развиваться и далее.
На рисунке показано развитие системы подачи топлива.
Рис. Развитие системы подачи топлива
Главные цели двигателя GDI
Разработка двигателя GDI позволяет решить следующие основные задачи:
- добиться ультранизкого потребления топлива, лучшего, чем у любого из дизельных двигателей
- обеспечить мощность, превосходящую мощность обычных двигателей MPI
Технические особенности двигателя GDI
Двигатель GDI имеет следующие технические особенности:
- строго вертикальные каналы ввода для оптимального управления потоком воздуха в цилиндре
- поршни с круглой выборкой в верхней части для лучшего сгорания топлива
- топливный насос высокого давления для подачи топлива в инжекторы под давлением
- вихревые инжекторы высокого давления для создания оптимальной воздушно-топливной смеси
Пониженное потребление топлива и повышенная мощность
Оптимальная топливная струя для двух режимов сгорания
Используя собственные уникальные методы и технологии, Mitsubishi смогла добиться, что двигатель GDI обеспечивает и меньшее потребление топлива, и более высокую выходную мощность. Этот внешне противоречивый и трудный трюк реализован путем применением двух режимов сгорания. Кроме того, момент впрыска меняется, чтобы соответствовать нагрузке двигателя.
Для условий нагрузки, испытываемой автомобилем при типичном городском движении, топливо впрыскивается в конце такта сжатия, аналогично дизельному двигателю, благодаря этому достигается ультрабедное сгорание за счет идеального формирования стратифицированной воздушно-топливной смеси. В идеальных условиях движения топливо вводится на такте впуска. Это гарантирует гомогенную воздушно-топливную смесь, подобную смеси обычных двигателей MPI, что обеспечивает более высокую выходную мощность.
Режим ультрабедного сгорания
При нормальных условиях движения, до скорости 120 км/ч, двигатель GDI Mitsubishi работает в режиме ультрабедного сгорания, что приводит к наименьшему потреблению топлива. В этом режиме впрыск происходит на последней стадии такта сжатия, и в цилиндре сгорает ультрабедная смесь с отношением «воадух-толливо» 30—40 (включая EGR 35-55).
Режим повышенной выходной мощности
Когда двигатель GDI работает с более высокими нагрузками или на более высоких оборотах, имеет место впрыск топлива во время такта впуска. Это оптимизирует сгорание благодаря гомогенной и более холодной воздушно-топливной смеси, которая минимизирует возможность детонации.
Фундаментальные технологии двигателя GDI
В основе конструкции двигателя GDI лежат четыре технических особенности:
- Вертикально прямой канал ввода — поставляет оптимальный поток воздуха в цилиндр
- Поршень с криволинейной вершиной — управляет сгоранием, помогая формировать воздушно-топливную смесь
- Топливный насос высокого давления — обеспечивает давление необходимое для прямого впрыска в цилиндр
- Вихревой инжектор высокого давления — управляет испарением и дисперсией топливной струи
Эти фундаментальные технологии, объединенные с другими уникальными технологиями управления подачей топлива, позволили компании Mitsubishi достигнуть обеих целей разработки потреблении топлива у двигателя GDI ниже, чем у дизельных двигателей, а выходная мощность выше, чем мощность обычных двигателей MPI.
Струя воздуха внутрь цилиндра
Двигатель GDI имеет вертикальные прямые каналы впуска смеси, а не горизонтальные, используемые в обычных двигателях. Вертикальные прямые каналы эффективно направляют поток, воздуха вниз на поршень с криволинейной поверхностью верхней части, которая сильно изменяет направление струи, образуй обратный вихрь для оптимального перемешивания впрыснутого топлива.
Струя топлива
Недавно разработанные вихревые инжекторы высокого давления обеспечивают идеальную струю со структурой, соответствующей каждому из режимов эксплуатации двигателя. В то же самое время, благодаря сильно турбулентному движению топливной струи, инжекторы обеспечивают достаточную степень распыления топлива, что является обязательным для двигателя типа GDI даже с относительно низким топливным давлением 50 кг/см3.
Оптимизированная конфигурация камеры сгорания
Поршень с криволинейной выемкой на вершине управляет формой воздушно-топливной смеси, так же как и струя воздуха в камере сгорания, что играет важную роль в образовании компактной воздушно-топливной смеси. Смесь, которая вводится на последней стадии такта сжатия, направляется к свече зажигания прежде, чем она сможет рассеяться.
Чтобы определить оптимальную форму вершины поршня компания Mitsubishi использовала передовые методы наблюдения процессов в цилиндре, включая лазерные методы.
Пути достижения более низкого потребления топлива
Базовая концепция
В обычных бензиновых двигателях было бы затруднительно обеспечить распыление воздушно-топливной смеси с идеальной плотностью вокруг свечи зажигания. Однако это стало возможным в двигателе GDI. Кроме того, достигнуто чрезвычайно низкое потребление топлива, потому что идеальная стратификация позволяет топливу, введенному на поздней фазе такта сжатия, поддержать сгорание сверхбедных воздушно-топливных смесей.
В ходе тестовых испытаний двигателя было показано, что воздушно-топливная смесь с оптимальной плотностью собирается вокруг свечи зажигания в виде стратифицированного заряда топлива. Это также было подтверждено анализом поведения топливной струи непосредственно перед воспламенением и анализом мгновенного состава воздушно-топливной смеси.
В результате достигнуто чрезвычайно устойчивое сгорание ультрабедной смеси с отношением «воздух-топливо» 40:1 (55:1 при включении рециркуляции выхлопа).
Сгорание ультрабедной смеси
В обычных двигателях МРI существовали пределы обеднения смеси из-за больших вариаций характеристик сгорания. Однако стратифицированная смесь в двигателе GDI позволила значительно уменьшить воздушно-топливное отношение, не приводя к худшему сгоранию. Например, в период холостого хода, когда сгорание является наименее активным и непостоянным, двигатель GDI поддерживает устойчивое и быстрое сгорание даже чрезвычайно бедной смеси с отношением «воздух-топливо» 40:1 (55:1 с включением режима EGR). На рисунке показана разница в работе между GDI и обычной многоточечной системой впрыска.
Рис. Параметры двигателя GDI и двигателя с обычной системой MPI
Потребление топлива автомобилем
Потребление топлива автомобилем рассматривается в условиях холостого хода, круиза и городского движения.
Потребление топлива в режиме холостого хода
Двигатель GDI поддерживает устойчивое сгорание даже на низких оборотах холостого хода. Более того, он обеспечивает большую гибкость в регулировании скорости холостого хода. Его потребление топлива в этом режиме на 40% меньше по сравнению с обычными двигателями.
Рис. Потребление топлива в режиме холостого хода
Потребление топлива в режиме постоянной скорости движения
На скорости 40 км/ч двигатель GDI потребляет на 35% меньше топлива, чем сопоставимый по размерам обычный двигатель.
Рис. Потребление топлива в режиме постоянной скорости движения
Потребление топлива в городском цикле
При проведении испытаний в типовом режиме городского движения двигатель GDI потреблял на 35% меньше топлива, чем обычные бензиновые двигатели тех же размеров. Кроме того, испытания показали, что двигатель GDI потребляет даже меньше топлива, чем дизельные двигатели.
Рис. Потребление топлива в городском цикле
Контроль эмиссии
Предыдущие попытки сжигать бедные воздушно-топливные смеси приводили к трудностям в регулировании эмиссии NOx. Однако для двигателя GDI достигнуто 97-процентное сокращение окислов NOx при использовании высокого (порядка 30%) уровня рециркуляции выхлопного газа. Этот результат достигается благодаря уникально устойчивому сгоранию топлива в двигателе GDI, а также благодаря недавно разработанному катализатору обедненных окислов азота, На рисунке показан график эмиссии NOx для этого двигателя, на рисунке ниже — катализатор обедненных окислов азота.
Рис. Эмиссия окислов азота
Рис. Новейший катализатор обедненных окислов азота
Достижение повышенной мощности
Базовая концепция
Чтобы достичь мощности выше, чем у обычных двигателей типа MPI, двигатель GDI имеет высокую степень сжатия и очень эффективную систему забора воздуха, которые приводят к повышению объемной эффективности.
Повышенная объемная эффективность
По сравнению с обычными двигателями, двигатель GDI от Mitsubishi обеспечивает более высокую объемную эффективность. Вертикальные прямые впускные каналы создают более ровный забор воздуха. Испарение топлива, которое происходит в цилиндре на последней стадии такта сжатия, охлаждает воздух для повышения объемной эффективности.
Рис. Повышенная объемная эффективность
Увеличенная степень сжатия
Охлаждение воздуха в цилиндре за счет испарения топлива имеет и другое преимущество — минимизация возможности детонации. Это позволяет применять высокую степень сжатия, около 12, и, таким образом, улучшить сгорание. По сравнению с обычными двигателями MPI сопоставимого размера, двигатель GDI обеспечивает приблизительно на 10% большую выходную мощность и крутящий момент на всех скоростях вращения.
Рис. Увеличенная степень сжатия
Рис. Характеристики двигателя
В режиме повышенной выходной мощности двигатель GDI обеспечивает значительное постоянное ускорение. На рисунке сравнивается работа двигателя GDI и обычного двигателя MPI в режиме ускорения автомобиля.
Рис. Ускорение автомобиля
Усовершенствования системы модульного инжектора
Система модульного инжектора (Unit-Injector System — UIS) компании Bosch имеет на сегодня самое высокое давление инжекции среди всех существующих систем — 2050 бар. В настоящее время эта система разработана исключительно для легковых автомобилей, произведенных компанией Volkswagen. Очень высокое давление впрыска приводит помимо прочего, к снижению выброса микрочастиц. Это значит, что некоторые транспортные средства, оборудованные UIS, были первыми способными выполнить нормы выброса EURO 4. Bosch теперь работает над дальнейшим развитием технологии UIS. Коаксиальное модифицируемое сопло инжектора сделает двигатели и более тихими, и более чистыми, а также улучшит показатели качества двигателя.
Рис. Модульный инжектор с модифицируемым соплом (источник: Bosch Press)
Инжектор с модифицируемым соплом отличается от обычного инжектора UIS по числу, устройству, диаметру и форме отверстий. Магнитный клапан управляет двумя коаксиальными иглами носика и открывает два ряда сопел. Первый ряд с низкой скоростью потока поставляет маленькие количества топлива в начале процесса горения, создавая условия для «мягкого» сгорания и низкого уровня шума сгорания. Кроме того, при условии частичной загрузки это улучшает качество смеси, приводя к значительно меньшим уровням выбросов.
Тесты показывают сокращение содержания микрочастиц и окиси азота на 25-40%. Когда открывается второй ряд сопел (с более высоким расходом), мощность двигателя растет без необходимости увеличивать давление инжекции. При идеальных условиях предварительный впрыск может выполняться в широком диапазоне оборотов двигателя и нагрузок, приводя к снижению уровня выбросов микрочастиц.
Компьютерная система управления впрыском топлива (TCCS) (Toyota)
Рис. Компьютерная система управления впрыском компании Toyota (TCCS)
Системе электронного управления впрыском, представленная на рисунке состоит, как и большинство подобных систем, из трех основных подсистем:
- топливной
- воздушной
- электронного управления
Топливо подается к инжекторам под постоянным давлением электрическим топливным насосом.
Инжекторы вводят отмеренное количество топлива во входной коллектор под контролем блока управления.
В компьютерной системе управления компании Toyota (Toyota Computer Controlled System — TCCS) система ввода воздуха использует воздушный фильтр и обеспечивает достаточное количество воздуха на всех режимах эксплуатации.
Управление впрыском происходит под контролем микрокомпьютера. TCCS управляет инжекторами, учитывая сследующие сигналы:
- расход вочдуха через воздухозаборник
- температуру воздуха на воздухозаборнике
- температуру охлаждающей жидкости
- частоту вращения
- ускорение/замедление
- содержание кислорода в выхлопе
Блок управления обнаруживает любые сбои и хранит их в памяти. Коды ошибок могут быть прочитаны как вспышки световых индикаторов при тестировании двигателя. В случае серьезного сбоя управление берет на себя резервная схема, чтобы обеспечить минимальные ходовые качества автомобиля.
Система впрыска дизельного топлива с нагретой нитью — многоточечная инжекция (Lucas)
Система инжекции топлива с нагретой нитью компании Lucas — это система многоточечного косвенного впрыска импульсного действия. Основные требования к подаче топлива определяются скоростью двигателя и скоростью потока воздуха. Нагрузка на двигатель, температура двигателя и температура воздуха представляют три главных фактора для корректировки режима подачи топлива. Расчет периода инжекции топлива — вычислительный процесс, поэтому базовые значения хранятся в ИС памяти, которая входит в состав блока управления двигателем. Для этой и других систем важно, чтобы «неизмеренный» воздух не попадал в двигатель через какие-либо отверстия. Исключение допускается только для винта регулировки оборотов холостого хода.
Рис. Компоненты системы впрыска с горячей нитью
Все главные компоненты системы показаны на рисунке. Блок управления (ECU) действует по сигналам, полученным от датчиков, и регулирует длительность импульса впрыска для инжекторов. ECU также контролирует момент срабатывания инжектора относительно сигналов с отрицательной клеммы катушки зажигания. При нормальных рабочих условиях инжекторы на двигателе с четырьмя цилиндрами запускаются синхронно и вводят половину необходимой порции топлива дважды в течение полного машинного цикла.
В топливном баке есть углубление вогнутой формы, являющееся частью погруженной заборной трубки. Углубление гарантирует, что отверстие заборной трубки всегда будет покрыто топливом, и таким образом предотвращается проникновение воздуха в топливные линии. Для топливного насоса используется электрический мотор с возбуждением от постоянных магнитов. Насос включает накачивающий механизм роликового типа. Эксцентриковый ротор на валу мотора имеет металлические ролики, срезанные по краям. Когда мотор вращается, ролики увлекаются центробежной силой. Благодаря этому топливо втягивается в сифон и под давлением выталкивается в сторону системы. Мотор всегда заполнен топливом и в состоянии самозаполняться при перерывах в работе. В нем установлены запорный клапан и вспомогательный клапан давления. Они, соответственно, помогают поддерживать давление в топливной системе и предотвращать его чрезмерный рост. Насосом управляет ECU через реле. Как только включается зажигание, насос начинает работать и действует в течение короткого времени, это гарантирует, что топливная система будет находиться под оптимальным давлением. Насос будет работать только тогда, когда двигатель вращается. Между источником питания и насосом для снижения помех обычно устанавливается балластный резистор с сопротивлением 1 Ом. Когда двигатель проворачивается стартером, резистор временно замыкается, чтобы гарантировать работу насоса на нормальной скорости, даже когда работа стартера приводит к временному снижению напряжения батареи.
Инерционный выключатель, который обычно располагается в пассажирском салоне, прекращает подачу топлива к топливному насосу в случае столкновения в целях безопасности. Выключатель может быть переустановлен вручную. Для того чтобы вводимое количество топлива строго зависело от длительности импульса впрыска, давление топлива на инжекторе должно быть постоянным. Это давление порядка 3 Бар является разностью между абсолютным давлением топлива и абсолютным давлением в коллекторе. Регулятор давления топлива — простой вспомогательный клапан давления с пружиной и диафрагмой, на которую действует давление. Когда давление превышает установленное значение натяжения пружины, клапан открывается, и излишек топлива возвращается обратно в топливный резервуар. Часть камеры выше диафрагмы связана с входным коллектором через трубку. Как только давление в коллекторе падает, требуется меньшее давление топлива, чтобы преодолевать действие пружины, и, следовательно, давление топлива снижается на ту же величину, на какую понизилось давление в коллекторе. Регулятор давления — герметически закрытый узел, и его регулировка невозможна. Важный момент, который следует помнить, заключается в том, что регулятор сохраняет постоянным разностное давление инжектора. Это гарантирует, что объем введенной порции топлива зависит от времени открытия инжектора.
Рис. Топливный инжектор
На рисунке показан инжектор, применяемый в этой системе. Для каждого цилиндра используется один инжектор, установленный между топливным трубопроводом и входным коллектором. Обмотка инжектора имеет сопротивление 4 Ом или 16 Ом в зависимости от конкретной системы и числа цилиндров. Инжекторы — игольчатого типа со штифтовой форсункой.
Рис. Измеритель воздушного потока с горячей нитью
Измеритель воздушного потока с горячей нитью — самый важный датчик в системе. Он предоставляет ECU информацию о массовом расходе воздуха. Измеритель состоит из литого корпуса с электронным модулем в верхней части. Воздух, всасываемый двигателем, проходит через главное отверстие. Небольшая пропорциональная часть потока проходит через обходной канал, в котором установлены две маленьких проволочки. Эти две проволочки — проволочка чувствительного элемента и проволочка компенсации. Проволочка компенсации реагирует только на температуру воздуха. Проволочка чувствительного элемента нагревается маленьким током от электронного модуля. Количество воздуха, проходящего мимо этой проволочки, создает охлаждающий эффект и меняет сопротивление проволочки, которое, обнаруживается модулем. Измеритель воздушного потока имеет только три провода: для положительного и отрицательного выводов источника питания и для выходного сигнала, который меняется между значениями 0 и 5 В в зависимости от массового расхода воздуха. Эта система может очень быстро реагировать на изменения потока воздуха, а также автоматически компенсировать изменение высоты над уровнем моря. Измеритель воздушного потока объединен со своим модулем, поэтому ремонт обычно невозможен.
Чтобы предоставить ECU информацию относительно положения заслонки, используется потенциометр дроссельной заслонки, также вычисляется скорость изменения его положения. Потенциометр — обычный переменный резистор с тремя проводами, использующий угольную дорожку. Он крепится к основному шпинделю заслонки. Стабильный источник 5 В позволяет получить выходное напряжение, зависящее от положения заслонки дросселя. В режиме холостого хода выходное напряжение датчика должно быть 325 мВ, а при предельной нагрузке — 4,8 В, скорость изменения указывает степень ускорения или замедления. Сигнал скорости изменения используется соответственно ситуации для обогащения смеси или отключения подачи топлива.
Литой корпус дросселя привинчен к входному коллектору и соединен с датчиком воздушного потока гибким кабелем. Этот корпус содержит внутри заслонку дросселя и потенциометр, и, кроме того, шаговый электромотор, который управляет воздушным байпасом — каналом обхода дросселя. С корпусом также связаны трубки нагревателя и вентиляции.
Рис. Регулировка холостого хода шаговым двигателем в системе с горячей нитью
В электромоторе четыре клеммы, две катушки; возбуждение мотора осуществляется от постоянных магнитов. Мотором управляет ECU, регулирующее с его помощью обороты холостого хода и обороты быстрого холостого хода во время прогрева двигателя. Клапан расположен в воздушном канале, который обходит дроссельный клапан. Узел в разрезе показан на рисунке. Вращение шагового мотора действует на ось винта. Это заставляет конус на входе клапана линейно перемещаться, постепенно открывая или закрывая просвет канала обхода. В корпус дросселя включен также винт регулировки холостой смеси, который позволяет малому количеству воздуха обходить датчик воздушного потока.
Датчик охлаждающей жидкости — простой термистор, он обеспечивает информацию о температуре двигателя. Датчик температуры топлива — выключатель на ранних транспортных средствах и термистор на более поздних моделях. Информация от датчика позволяет ECU определять, когда требуется обогащение горячего запуска. Это должно противодействовать эффекту испарения топлива.
Сердце системы — электронный блок управления. Он содержит карту памяти идеальных топливных параметров для 16 скоростей и 8 нагрузок двигателя. Выходной сигнал от карты памяти — базовая ширина импульса открытия инжектора. Поправки к базовому значению ширины импульса учитывают множество факторов, из которых самыми важными являются температура двигателя и положение дроссельной заслонки. Корректировки при необходимости также вносятся для некоторых или всех следующих режимов.
Коррекция напряжения
Если напряжение батареи падает, длина импульса увеличивается. Это должно компенсировать «замедление реакции» инжекторов.
Обогащение смеси при запуске
Инжекторы запускаются с каждым импульсом зажигания вместо пропуска каждого второго импульса, чтобы обогатить смесь для запуска двигателя.
Обогащение сразу после пуска
Данный режим должен гарантировать ровную работу двигателей после запуска. Обогащение обеспечивается при всех температурах двигателя и затем снижается за определенное заданное время. Однако при низких температурах обогащение поддерживается на высоком уровне в течение более длительного периода. Чтобы достигнуть эффекта обогащении, ECU увеличивает длину импульса.
Обогащение горячего пуска
Короткий период дополнительного обогащения используется, чтобы помочь с горячим стартом.
Обогащение ускорения
Когда ECU обнаруживает ускорение транспортного средства по возрастанию напряжения от датчика дроссельной заслонки, длина импульса увеличивается, чтобы достигнуть более ровной реакции двигателя. Дополнительное топливо необходимо, поскольку быстрое открытие заслонки вызовет внезапный приток воздуха, и без дополнительной подачи топлива слабая смесь привела бы к провалу мощности.
Обеднение замедления
ECU обнаруживает это условие по падению напряжения на потенциометре дроссельной заслонки. Длина импульса сокращается, чтобы уменьшить потребление топлива и снизить выхлоп.
Обогащение при полной нагрузке
В этом режиме увеличивается длина импульса на фиксированный процент от найденного и откорректированного базового значения.
Блокировка подачи топлива вне рабочего режима
Эта мера применяется для сокращения выхлопа и экономии топлива. Инжекторы при этом не работают вообще. Эта ситуация возможна только на прогретом двигателе, заслонка дросселя которого находится в закрытом положении, а обороты выше заданного уровня. При нажатии на педаль газа или падения оборотов двигателя ниже заданного порога, подача топлива постепенно восстановится.
Блокировка подачи топлива при превышении скорости
Чтобы воспрепятствовать повреждению двигателя при излишней скорости вращения, ECU может отключить инжекторы при скорости выше заданного предела. Инжекторы восстанавливаются немедленно, как только обороты двигатели упадут ниже порогового значения.
Система впрыска топлива с горячей нитью обладает высокой адаптацией к различным условиям и останется современной долгое время.
Электронное управление дизельным впрыском
Появление электронного управления насосом дизельного впрыска позволило значительно упростить механические системы. Создание высокого давления и впрыск, однако, все еще остаются механическими во всех действующих сегодня системах. Очевидны следующие преимущества электронной системы управления над механической:
- более точный контроль количества введенного топлива;
- лучше контроль начала впрыска;
- контроль оборотов холостого хода;
- управление рециркуляцией выхлопного газа;
- электрическое управление движением (потенциометр на педали газа);
- демпфирование колебаний давления;
- доступ к системам получения и накопления данных и т.д.;
- температурная компенсация;
- система автоматического регулирования скорости движения.
Рис. Насос распределенного впрыска с электронным управлением (источник: Bosch Press)
На рисунке показан насос распределенного впрыска с электронным управлением. Поскольку топливо должно быть введено при высоком давлении, применяются такие узлы, как гидравлическая головка, насос высокого давления и элементы привода. Электромагнитный привод со стальным сердечником регулирует положение контрольной втулки, которая, в свою очередь, управляет ходом поршня подачи и, следовательно, количеством введенного топлива. Давление топлива подается на роликовое кольцо, а оно управляет началом впрыска.
Рис. Блок-схема типичной электронной системы управления дизелем
Действие роликового кольца обеспечивает управляемый соленоидом клапан. Эта приводы вместе позволяют управлять моментом и объемом впрыска.
На рисунке показана блок-схема типичной электронной системы управления дизелем. Идеальные значения для количества топлива и выбора момента впрыска сохраняются в картах памяти в электронном блоке управления. Вводимое количество топлива вычисляется исходя из положения акселератора и скорости вращения вала двигателя. Начало впрыска определяется следующими параметрами:
- количество топлива;
- число оборотов двигателя;
- температура двигателя;
- давление воздуха.
Блок управления ECU в состоянии сравнить расчетное время начала впрыска с фактическим началом по сигналу, поступающему от датчика движения иглы в инжекторе. На рисунке показан типичный инжектор, включающий в себя датчик движения иглы.
Рис. Инжектор дизельного двигателя с датчиком движения иглы
Контроль рециркуляции выхлопного газа осуществляется простым клапаном с соленоидом.
Управление клапаном осуществляется в зависимости от скорости вращения и температуры двигателя и введенного количества топлива. ECU управляет также остановкой соленоида и питанием запальных свеч через соответствующие реле.
Рис. Типичный пример запальной свечи для дизеля
На рисунке приведено расположение компонентов электрической системы управления дизельным двигателем.
Рис. Расположение компонентов электрической системы управления дизельным двигателем
Последовательный многоточечный впрыск
Все системы, обсуждаемые ранее, или вводят топливо в виде непрерывной последовательности импульсов, как в одноточечной системе впрыска, или все инжекторы многоточечной системы впрыска задействуются в одно и то же время. Последовательная система впрыска вводит топливо на такте всасывания каждого цилиндра в порядке распределения зажигания в двигателе. Эта система, пока довольно сложная, позволяет в определенной степени управлять стратификацией заряда топлива, распыляемого в цилиндр и, соответственно, применять обедненные смеси. Последовательная инжекция обычно интегрируется с оборудованием двигателя. Ни рисунке показаны обычная и последовательная системы.
Рис. Одновременный и последовательный впрыск
Преимущества впрыска топлива
Главное преимущество топливной системы впрыска любого типа — точный контроль количества топлива, введенного в двигатель. Основной принцип топливного впрыска заключается в том, что если бензин доставляется к инжектору (клапану с электрическим управлением) при постоянном разностном давлении, то количество впрыснутого топлива будет прямо пропорционально времени открытия инжектора.
Большинство систем теперь управляется с помощью электроники, даже если они содержат некоторые механические измерительные компоненты. Это позволяет системе впрыска точно соответствовать требованиям двигателя. Режимы впрыска выбираются на основе стендовых и эксплуатационных испытаний. Идеальные рабочие характеристики для большого количества эксплуатационных режимов двигателя сохраняются в постоянной памяти блока управления двигателем (ECU). Тщательный контроль вводимого количества топлива позволяет оптимально регулировать качество смеси, когда во внимание приняты буквально все рабочие факторы.
Другие преимущества электронного управления впрыском топлива состоят в том, что легко может быть блокирована подача топлива при достижении предельной скорости вращения двигателя, а информация об используемом топливе может предоставляться путевому компьютеру.
Системы с топливным впрыском разделяются на два основных класса:
- одноточечный впрыск
- многоточечный впрыск
Рис. Одноточечный топливный впрыск
Рис. Многоточечный топливный впрыск
Устройство опережения впрыска
Конструкция
Управляемое гидравлически, устройство опережения впрыска расположено в нижней части корпуса распределительного насоса под прямым углом к продольной оси ТНВД, причем его поршень двигается свободно в корпусе насоса. Корпус закрыт крышками на каждой стороне. Здесь имеется канал с одного конца плунжера (7) устройства опережения впрыска, через который может поступать топливо, тогда как другой конец плунжера удерживается пружиной сжатия. Поршень (5) соединен с роликовым кольцом (1) через скользящий блок (3) и штифт (4) так, что движение поршня может быть преобразовано во вращательное движение роликового кольца, (2 — ролики роликового кольца).
Рис. Устройство опережения впрыска
Метод работы устройства опережения впрыска
Рис. Схема устройства опережения впрыска: 1. Корпус ТНВД; 3. Ролики роликового кольца; 5. Канал в поршне устройства опережения впрыска; 6. Крышка; 7. Поршень устройства опережения впрыска; 9. Пружина устройства опережения впрыска.
Поршень устройства опережения удерживается в своем исходном положении с помощью пружины (9) (рис. а). При работе клапан управления давлением регулирует давление топлива внутри насоса так, что оно пропорционально оборотам двигателя. В результате зависящее от оборотов двигателя давление топлива прикладывается к концу поршня устройства опережения впрыска, противодействуя усилию пружины.
Примерно с 300 об/мин давление топлива внутри насоса превосходит предварительное усилие пружины и перемещает поршень устройства опережения впрыска влево и вместе с ним скользящий блок (8) и штифт (4), который находится в зацеплении с роликовым кольцом (2) (рис. Б). Роликовое кольцо поворачивается движением штифта, а относительное положение роликового кольца относительно пластины с кулачками изменяется и в итоге ролики поднимают вращающуюся пластину о кулачками в более ранний момент времени. Другими словами, роликовое кольцо поворачивается на определенный угол по отношению к пластине с кулачками и плунжеру распределителя. Обычно максимальный угол поворота составляет 12° поворота распределительного вала (24° поворота коленчатого вала).
Впрыск топлива в дизельном двигателе и его регулировка
В такте впуска дизельный двигатель впускает только воздух. В такте сжатия этот воздух нагревается до температуры настолько высокой, что дизельное топливо, впрыснутое в цилиндр в конце такта сжатия, воспламеняется самостоятельно. Количество топлива в двигателе дозируется с помощью топливного насоса высокого давления (ТНВД). Топливо впрыскивается под высоким давлением через форсунку в камеру сгорания.
Впрыск топлива должен происходить следующим образом:
- с точно дозированным количеством топлива в соответствии с нагрузкой двигателя;
- в требуемый период времени;
- в точно определенный период времени;
- способом, соответствующим конкретному процессу сгорания.
Рис. Схема системы топливоподачи дизельного двигателя:
1. Топливный бак; 2. Топливоподкачивающий насос (топливный насос низкого давления); 3. Топливный фильтр; 4. Рядный ТНВД; 5. Устройство опережения момента впрыска; 6. Регулятор; 7. Держатель форсунки с форсункой; 8. Возвратный топливопровод; 9. Накальная свеча с закрытым элементом; 10. Аккумуляторная батарея; 11. Выключатель предварительного накала и стартера; 12. Блок управления предварительным накалом.
ТНВД и регулятор, соединенные с управляющей (контрольной) зубчатой рейкой являются ответственными за то, чтобы указанные условия выполнялись. Количество топлива, впрыснутого за один ход плунжера ТНВД, примерно пропорционально крутящему моменту двигателя.
Если на двигателе используется механический (центробежный) регулятор числа оборотов, то рейка управления соединяется с педалью акселератора («газа») через регулятор.
Рис. Замкнутый контур управления для механического регулятора:
1. Дизельный двигатель; 2. Рядный ТНВД; 3. Регулятор; 4. Обороты двигателя; 5. Количество впрыскиваемого топлива; 6. Педаль акселератора; 7. Ход управляющей рейки; 8. Давление подаваемого воздуха; 9. Желаемое число оборотов; 10. Атмосферное давление; 11. Управление крутящим моментом; 12. Подача при полной нагрузке; 13. Начальное количество.
У электронного регулятора (EDC) педаль акселератора оснащена датчиком, соединенным с электронным блоком управления (ЭБУ или ECU). Когда водитель нажимает на педаль газа, то перемещение преобразуется в соответствующий ход рейки с учетом оборотов двигателя в данный момент времени.
Почему дизельному двигателю нужен регулятор?
У дизельного двигателя не существует положения управляющей рейки, которое бы позволило дизельному двигателю точно поддерживать свои обороты без помощи регулятора. На холостом ходу, к примеру, без регулятора числа оборотов, обороты двигателя будут либо падать, пока двигатель не остановится, либо будут продолжать увеличиваться, что, в конце концов, приведет к саморазрушению двигателя.
Последняя возможность обязана тому, что дизель работает с избытком воздуха, что означает отсутствие эффективного дросселирования поступающей в двигатель смеси при возрастании его оборотов.
К примеру, если холодный двигатель был заведен и остался работать на холостом ходу, тогда как продолжает впрыскиваться начальное количество топлива, то характерное трение вскоре начнет снижаться. То же самое относится к нагрузке двигателя от приводимых от него агрегатов, таких как генератор, воздушный компрессор, ТНВД и т.д. Это означает, что если положение управляющей реики осталось неизменным и рейка не втягивалась для уменьшения количества подаваемого топлива (как сделал бы регулятор), то обороты двигателя будут возрастать все больше и больше (из-за указанного выше падения трения), пока они не достигнут точки саморазрушения. Другими словами, является обязательным, чтобы дизель был оснащен регулятором числа оборотов. В настоящее время для рядных ТНВД используются либо механические (центробежные) регуляторы либо система электронного управления дизельным двигателем (EDC).
Пневматические регуляторы, управляемые давлением впускного коллектора устанавливались ранее на небольшие ТНВД. От них пришлось отказаться в результате возросших требований к точности регулирования и к работе регулятора.
Работа регулятора
Нет сомнений, что когда к двигателю приложена нагрузка, ТНВД должен всегда обеспечивать двигатель необходимым количеством топлива. Все рядные ТНВД имеют отдельную плунжерную пару (плунжер (3) и гильза (1)), называемую еще нагнетательной секцией (элементом), для каждого цилиндра двигателя.
Плунжер двигается в направлении подачи топлива с помощью кулачкового вала, приводимого в движение от двигателя, и возвращается обратно под действием возвратной пружины. Так как ход плунжера не может быть изменен, то количество нагнетаемого топлива может быть отрегулировано только путем изменения эффективного (активного) хода плунжера.
Рис. Работа регулятора
Плунжеры снабжены наклонным спиральным вырезом (каналом), так что требуемый эффективный ход подбирается путем поворота плунжера. Поворот осуществляется с помощью управляющей зубчатой рейки (5), которая находится в зацеплении с плунжером и сама двигается продольно с помощью регулятора. Вращение плунжера перемещает спираль (вырез) (4) для управления моментом окончания подачи (известного также как сброс или открывание отверстия в гильзе) и количеством подачи. Подача начинается в тот момент, когда верхний край плунжера закрывает входное отверстие (2) в стенке гильзы.
В случае максимальной подачи (с) сброс не происходит вплоть до максимального эффективного хода плунжера, другими словами, с максимально возможным количеством подаваемого топлива. При частичной подаче (Ь) сброс происходит раньше в зависимости от положения плунжера при повороте. В конечном положении, что требуется для нулевой подачи (а), т.е. в момент, когда двигатель должен быть остановлен, продольный паз плунжера расположен прямо напротив входного отверстия. Это означает, что нагнетательная камера над плунжером соединяется с топливной магистралью в течение всего хода плунжера, т.е. топливо не подается.
Существует несколько различных конфигураций спирали.
В случае плунжера только с нижней спиралью (вырезом) подача топлива начинается в одинаковой точке хода плунжера вверх, тогда как конец подачи происходит раньше или позже в зависимости от поворота плунжера. Когда плунжер имеет верхнюю спираль (вырез), то может изменяться начало подачи. Имеются также плунжеры, снабженные как верхней, так и нижней.
Снижение оборотов регулятора
Каждый двигатель имеет кривую (характеристику) крутящего момента в соответствии с его максимальной отдачей мощности. Каждое значение оборотов двигателя связано с данным максимальным крутящим моментом. Если нагрузка на двигатель снимается при данных оборотах двигателя, а управляющая рейка соответствующим образом не регулируется, то обороты двигателя могут лишь увеличиваться в пределах управляемого диапазона до числа, определенного заводом-изготовителем двигателя (т.е. от nv — оборотов при полной нагрузке до n1 — низких оборотов холостого хода). Увеличение оборотов двигателя пропорционально изменению нагрузки, т.е. чем больше уменьшение нагрузки двигателя, тем больше увеличение оборотов двигателя.
Этот эффект известен как эффект снижения оборотов и относится к регуляторам с характеристикой снижения оборотов. Снижение оборотов регулятора в основном относится к максимальным оборотам при полной нагрузке (нормированные обороты) и подсчитывается следующим образом:
б = (n10-nv0) / nv0 или б (n10-nv0) / nv0 * 100%
где б — коэффициент снижения оборотов, его называют также просто снижением оборотов); n10 — повышенных оборотов холостого хода (максимальных); nv0 — число максимальных оборотов при полной нагрузке.
Говоря в общем, достаточно большое снижение оборотов увеличивает стабильность общего контура (цепи) управления (регулятор, двигатель и приводимый им в движение агрегат или автомобиль). С другой стороны, снижение оборотов ограничивается условиями работы. Для примера: примерно от 0 до 5% — для двигателей генераторных установок и примерно от 6 до 15% — для автомобильных двигателей.
Рис. Обороты при полной нагрузке с соответствующим управлением оборотами холостого хода:
1. Крутящий момент Md; 2. Обороты двигателя.
Рис. Увеличение оборотов для различных снижений оборотов:
1. Крутящий момент Md; 2. Обороты двигателя; слева — малое снижение оборотов; справа — большое снижение оборотов.
Рис. Снижение оборотов регулятора R Q V:
1. Снижение оборотов; 2. Обороты ТНВД
На рисунках введены следующие обозначения:
- nvu — минимальные обороты при полной нагрузке,
- nu — любое значение оборотов при полной нагрузке,
- nv0 — максимальные обороты при полной нагрузке,
- n — низкие обороты на холостом ходу,
- n1 — любое значение оборотов на холостом ходу.
- n10 — повышенные обороты холостого хода (максимальные).
На рисунке показана практическая иллюстрация эффектов снижения оборотов. При установке требуемых оборотов двигателя на фиксированной величине, действительное число оборотов двигателя изменяется в пределах области снижения оборотов, когда нагрузка двигателя изменяется.
Рис. 1. Крутящий момент Md; 2. Обороты двигателя, n; 3. Диапазон снижения оборотов; 4. Максимальная разница в оборотах; 5. Реальные обороты; 6. Полная нагрузка; 7. Частичная нагрузка; 8. Отсутствие нагрузки; 9. Время t; 10. Установочные обороты.
Функции регулятора
Основной задачей каждого регулятора числа оборотов является ограничение максимальных оборотов двигателя. Другими словами, регулятор должен обеспечивать, чтобы обороты двигателя никогда не превышали максимальных значений, предусмотренных заводом-изготовителем. В зависимости от его типа, регулятор может иметь и другие функции, такие как поддержание определенных оборотов двигателя, например, на холостом ходу или поддержание диапазона оборотов между низкими и высокими оборотами холостого хода (максимальными). Регулятор может также иметь другие функции и функции, выполняемые электронным регулятором (EDC), являются гораздо более широкими, чем функции у механического (центробежного) регулятора.
Различные требования, предъявляемые к регуляторам, стали причиной развития различных типов регуляторов, перечисленных ниже:
регуляторы максимальных оборотов. Эти регуляторы разработаны только для ограничения максимальных оборотов двигателя;
регуляторы минимальных и максимальных оборотов.
Кроме максимальных оборотов эти регуляторы также управляют низкими оборотами холостого хода, регуляторы изменяемых оборотов. Эти регуляторы кроме максимальных оборотов и низких оборотов холостого хода также управляют оборотами в промежуточной области, комбинированные регуляторы. Они представляют собой комбинацию регулятора максимальных и минимальных оборотов и регулятора изменяемых оборотов, регуляторы для стационарных силовых установок. Они разработаны для двигателей генераторных установок в соответствии с немецким стандартом DIN 6280. Кроме своей основной задачи, этот регулятор также имеет несколько других функций управления. Они включают в себя автоматическую подачу и отсечку дополнительного топлива, требуемого для запуска и изменение подачи топлива при полной нагрузке в зависимости от оборотов двигателя (управление крутящим моментом), от давления нагнетаемого воздуха или атмосферного давления. Для выполнения этих задач требуется дополнительное оборудование.
Регулировка максимальных оборотов
Рис. Регулировка максимальных оборотов:
1. Ход управляющей рейки; 2. Остановка; 3. Полная нагрузка; 4. Контролируемая область; 5. Полная нагрузка; 6. Без нагрузки; 7. Обороты двигателя.
В зависимости от снижения оборотов, когда нагрузка на двигатель убирается, то максимальные обороты при полной нагрузке nv0 не достигают величины n10 (повышенные обороты холостого хода — максимальные). Регулятор подгоняет их до этого требуемого значения, передвигая управляющую рейку в направлении остановки (прекращая подачу топлива). Управление (регулировка) в области между nvo и пю называется регулировкой максимальных оборотов. Чем выше снижение оборотов, тем выше увеличение оборотов между nvo и n10.
Регулировка промежуточных оборотов
Когда требуется специальное применение (например, в автомобилях с коробкой отбора мощности), то регулятор может поддерживать обороты двигателя в пределах требуемой области (2) между оборотами холостого хода и повышенными оборотами холостого хода (максимальными), (1 — ход управляющей рейки).
Рис. Регулировка промежуточных оборотов
Обороты двигателя (5), таким образом, колеблются только в пределах рабочей области между nv. (полная нагрузка-3) и n1 (без нагрузки-4) в зависимости от нагрузки.
Управление низкими оборотами холостого хода
Регулирование может также иметь место и в самой низкой области оборотов двигателя.
Рис. Управление низкими оборотами холостого хода: 1. Ход управляющей рейки; 2. Область управления; 3. Полная нагрузка; 4. Без нагрузки; 5. Обороты двигателя.
После запуска холодного двигателя, когда управляющая рейка перемещается из пускового положения в положение В, сопротивление двигателя на трение остается достаточно высоким, Это значит, что количество подаваемого топлива для устойчивой работы двигателя будет немного выше того, которое обычно соответствует регулировочной точке L для низких оборотов холостого хода, а обороты двигателя будут немного ниже. При прогреве уменьшение трения будет причиной увеличения оборотов двигателя, и управляющая рейка передвинется обратно в положение L. Это установка низких оборотов холостого хода для двигателя, находящегося при рабочей температуре.
Управление крутящим моментом
Управление крутящим моментом используется для обеспечения полного использования воздуха для сгорания, поступившего в цилиндр двигателя. В таком случае процесс управления не актуален, но на регулятор накладывается более одной функции регулировки. Он разработан для количества топлива, подаваемого для режима полной нагрузки, т.е. для максимального количества топлива, впрыскиваемого в области нагрузок двигателя и которое может сгореть без чрезмерного дымообразования. В общем, потребность в топливе «атмосферного» (т.е. без наддува) дизельного двигателя снижается с ростом оборотов двигателя (уменьшенная относительная скорость воздушного потока, ограничения по температуре, изменяемое смесеобразование). С другой стороны, при постоянном положении управляющей рейки количество топлива, впрыскиваемого ТНВД, увеличивается в определенной области, когда обороты возрастают. Это происходит из-за эффекта дросселирования у отверстия для сброса (сливного отверстия) плунжерной пары ТНВД. Однако впрыскивание избыточного топлива приводит к выбросам дыма и перегреву двигателя. Это означает, что количество впрыскиваемого топлива должно быть адаптировано к потребности двигателя в топливе.
Рис. а) Потребность двигателя в топливе; б) Подача топлива в режиме полной нагрузки без управления крутящим моментом; с) Подача топлива в режиме полной нагрузки с управлением крутящим моментом; 1. Количество подаваемого топлива; 2. Начало управления крутящим моментом; 3. Конец управления крутящим моментом; 4. Область управления крутящим моментом; 5. Обороты двигателя.
У регуляторов числа оборотов с управлением крутящим моментом управляющая рейка передвигается в области управления крутящим моментом на фиксированную величину (так называемый ход управления крутящим моментом) в направлении остановки (отсечки подачи топлива). Таким образом, когда обороты возрастают (от n1, до n2), количество подаваемого топлива уменьшается (принудительное управление крутящим моментом или управление крутящим моментом в направлении управления). Когда обороты двигателя падают (с n2 до n1), подача увеличивается.
Рис. 1. Управление ходом рейки; 2. Начало управления крутящим моментом; 3. Конец управления крутящим моментом; 4. Ход управления крутящим моментом; 5. Обороты двигателя.
Конструкция и расположение приборов для управления крутящим моментом изменяются в соответствии с типом регулятора. Кривая крутящего момента с и без управления крутящим моментом показана на рисунке. Максимальный крутящий момент достигается во всем диапазоне показанных оборотов без превышения пределов дымности.
Рис. 1. Крутящий момент двигателя Md; 2. Начало управления крутящим моментом; 3. Конец управления крутящим моментом; 4. С управлением крутящим моментом; 5. Без управления крутящим моментом; 6. Обороты двигателя.
На двигателях, оснащенных турбонагнетателем с приводом от выхлопных газов, имеющих высокий коэффициент наддува, потребность в топливе на режиме полной нагрузки в областях низких оборотов возрастает настолько, что стандартное увеличение подачи топлива от ТНВД становится недостаточной. В таких случаях управление крутящим моментом должно регулироваться в зависимости от оборотов двигателя или давления нагнетаемого воздуха.
В зависимости от преобладающих условия это осуществляется с использованием либо регулятора, либо компенсатора давления во впускном коллекторе (LDA) или обоих этих устройств.
Характеристики подачи топлива
Рис. Характеристики подачи топлива:
а) Потребность двигателя в топливе; б) Подача в режиме полной нагрузки без управления крутящим моментом; с) Подача в режиме полной нагрузки с управлением крутящим моментом; c1 — отрицательное (свободное) управление крутящим моментом; с2 — принудительное (положительное) управление крутящим моментом; 1. Количество подаваемого топлива; 2. Управление крутящим моментом; 3. Отрицательное; 4. Положительное; 5. Обороты двигателя.
Технология впрыска топлива
Дозировка топлива
Для обеспечения правильного процесса сгорания должно быть обеспечено получение качественной топливо-воздушной смеси, для чего ТНВД (1) должен впрыскивать топливо под очень высоким давлением (3 — топливоподкачивающий насос) и дозировать его количество с максимально возможной точностью (2 — регулятор). Точность установки момента впрыска должна быть в пределах 1° поворота коленчатого вала. Это необходимо для оптимального сочетания экономичности состава выхлопных газов и уровня шумов требуемым характеристикам.
В стандартном рядном ТНВД устройство (муфта) опережения впрыска (4) используется для управления началом впрыска и для компенсации времени распространения волны давления топлива в топливопроводах высокого давления. Регулировка начала впрыска топлива непостоянна — величина опережения момента впрыска увеличивается при увеличении числа оборотов. В специальных случаях обеспечивается управление в зависимости от нагрузки на двигатель. Число оборотов и нагрузка на дизель определяются количеством впрыскиваемого топлива.
Для описания количества топлива применяются следующие термины:
- объем впрыскиваемого топлива (ммУход);
- масса впрыскиваемого топлива (мг/ход);
- без дросселирования поступающего топлива.
Работа плунжера ТНВД
При положении плунжера в нижней мертвой точке (НМТ) (1) каналы для поступления топлива в гильзе плунжера открыты. Через них топливо под давлением, создаваемым топливоподкачивающим насосом, из топливной магистрали ТНВД поступает в камеру (секцию) высокого давления (в полость гильзы над плунжером) (7). При движении плунжера вверх, он поднимается до канала для поступления топлива и перекрывает его своим верхним торцом (8). Этот ход плунжера называется предварительным ходом (2). Во время дальнейшего движения плунжера давление топлива возрастает и открывается нагнетательный клапан (9). Если используется нагнетательный клапан постоянного объема, плунжер совершает дальнейшее движение, называемое втягивающим ходом (3). Во время эффективного (рабочего) (4) хода топливо через топливопровод высокого давления подается к форсункам. Рабочий ход заканчивается сразу же, как только спиральная канавка плунжера откроет сливной канал (или входной канал поступления топлива) (10). С этого момента прекращается подача топлива к форсункам, потому что при дальнейшем движении плунжера топливо через вертикальную канавку плунжера проходит обратно в топливную магистраль (холостой ход) (5). Во время дальнейшего хода плунжера в обратном направлении (12) от верхней мертвой точки (ВМТ) (6), топливо продолжает перетекать через вертикальную канавку в гильзу, пока спиральная канавка плунжера не пройдет полностью мимо сливного канала и он не перекроется.
Рис. Работа плунжера ТНВД
При дальнейшем движении плунжера вниз над ним в гильзе возникает разрежение и как только плунжер откроет впускной топливный канал, топливо заполнит гильзу над плунжером и цикл может повториться вновь. (А — общий ход).
Одним из факторов, влияющих на мощность дизеля, является количество впрыскиваемого топлива. Задачей ТНВД является всегда точно дозировать соответствующее количество топлива в зависимости от нагрузки на двигатель. Количество впрыскиваемого топлива изменяется путем изменения рабочего хода плунжера. Для этого управляющая зубчатая рейка (5) поворачивает плунжер насоса в гильзе (1) так, что спиральная канавка (4), проходящая диагональю по окружности плунжера, может открывать входной топливный канал (2) раньше или позже и, таким образом, изменять конец подачи и вместе с ним количество впрыскиваемого топлива. В положении максимальной подачи (с) топливный канал не открывается до тех пор, пока плунжер не пройдет полный ход и не обеспечит максимально возможную подачу топлива. При средней подаче (Ь) топливный канал открывается раньше в зависимости от точного положения плунжера. При положении нулевой подачи (а) вертикальная канавка плунжера находится прямо напротив входного топливного канала. При этом движении плунжера камера высокого давления постоянно соединена с магистралью подвода топлива через вертикальную канавку плунжера. Подачи топлива не происходит. Плунжер поворачивается в это положение при выключении двигателя.
В рядном ТНВД РЕ.. .А применяется зубчатая рейка для поворота плунжера и изменения количества впрыскиваемого топлива.
Рис. 1. Шестерня втулки управления; 2. Втулка управления; 3. Крышка полости для пружины; 4. Держатель нагнетательного клапана; 5. Держатель клапана; 6. Нагнетательный клапан; 7. Гильза плунжера ТНВД; 8. Плунжер ТНВД; 9. Управляющая рейка; 10. Штанга управления плунжером; 11. Возвратная пружина плунжера; 12. Гнездо пружины; 13. Регулировочный винт; 14. Роликовый толкатель; 15. Кулачковый вал.
Типы систем впрыска топлива
Для удовлетворения возрастающим требованиям, предъявляемым к системе впрыска топлива, необходимо постоянное улучшение и развитие ТНВД. Результатом этого является то, что в настоящее время имеется большое количество рядных, распределительных и одноплунжерных ТНВД разных размеров и типов.
Следующие системы впрыска топлива располагаются последовательно в соответствии с существующей в настоящее время классификацией:
- рядные ТНВД (РЕ) с механическим (центробежным) или электронным регулятором и, если нужно, муфтой опережения впрыска;
- ТНВД с втулкой управления (РЕ) с электронным регулятором и изменяемым закрыванием канала (началом подачи). Без установки муфты опережения впрыска;
- одноплунжерный ТНВД (PF);
- распределительный ТНВД (VE) с механическим или электронным регулятором и встроенным устройством (муфтой) опережения впрыска;
- узел форсунки (насос-форсунка) (PDE) в форме компактной системы;
- узел насоса (PLD) — модульная система впрыска топлива.
Таблица. Характеристики ТНВД
Регулирование угла опережения впрыска топлива
Автомат опережения впрыска расположен в верхней части корпуса ТНВД и связан механически с кулачковым кольцом. Устройство автомата опережения впрыска показано на рисунке.
Рис. Автомат опережения впрыска топлива:
1 – резьбовая пробка; 2 – камера давления; 3 – поршень автомата опережения; 4 – пружина; 5 – кольцо с внутренним кулачковым профилем; 6 – винт-поводок кулачкового кольца; а – запаздывание впрыска; б – опережение впрыска
Поршень 3 автомата, перемещающийся во втулке, расположенной в корпусе ТНВД, посредством винта-поводка 6 соединяется с кулачковым кольцом 5. Пружина 4 контролирует перемещение поршня, когда он находится под воздействием низкого давления топлива.
При неработающем двигателе дифференциальный клапан дополнительной подачи топлива на режиме пуска закрыт, давление на поршень автомата опережения не действует. Поршень под действием пружины 4 прижимается к пробке 1. Таким образом, система находится в положении подготовки к пуску. При запуске двигателя открывается дифференциальный клапан, и топливо от роторно-лопастного насоса поступает в камеру 2. Поршень под действием давления топлива перемещается, полностью сжимая пружину запаздывания. Система при этом находится в положении так называемого «нулевого опережения». При увеличении частоты вращения коленчатого вала двигателя давление в камере 2 увеличивается и когда сила давления превысит усилие пружины 4, поршень начнёт перемещаться, а связанное с ним кулачковое кольцо поворачиваться в сторону, противоположную направлению вращения вала ТНВД, увеличивая угол опережения впрыска. При снижении частоты вращения двигателя пружина толкает поршень автомата обратно, уменьшая угол опережения.
Работа двигателя на гетерогенной смеси (послойное смесеобразование)
Топливовоздушная смесь на этом режиме является сверхбедной, с соотношением бензина и воздуха до 1:40. Этот режим характерен для небольших нагрузок при скорости движения автомобиля до 120 км/ч.
При работе двигателя на режимах небольших нагрузок закрываются вспомогательные заслонки 3, перекрывающие нижние части впускных каналов, разделенных пластиной 1. В результате этого поступающий в цилиндры двигателя воздух направляется только через верхние части впускных каналов, закручивая воздушную массу внутри цилиндров.
Рис. Система непосредственного впрыска FSI – Фольксваген (подача воздуха):
1 – дроссельная заслонка; 2 – форсунка; 3 – вспомогательная заслонка во впускном канале; 4 – верхняя часть потока воздуха; 5 – разделительная пластина
Вращательное движение воздуха в цилиндре (продольный вихрь) поддерживается благодаря специальной форме выемки в поршне и усиливается в результате перемещения поршня к ВМТ. Завихрение сохраняется до конца такта сжатия, когда форсунка подает внутрь цилиндра топливо.
Впрыск топлива производится на такте сжатия в последней трети такта сжатия незадолго до момента искрообразования, приблизительно за 60° и заканчивается приблизительно за 45° до в. м. т. такта сжатия. Впрыскиваемое под высоким давлением (40…110 кгс/см2) топливо подхватывается воздушным потоком, который сносит способную к воспламенению смесь в направлении к свече зажигания.
Поршень с помощью своего профилированного днища придает топливной струе направление в зону электродов свечи зажигания, а вихрь быстро перемешивает пары бензина и воздуха и, что особенно важно, удерживает облачко бензовоздушной смеси возле свечи зажигания. Форсунка расположенная под углом 45°, распыливающая топливо на более мелкие капли по сравнению с системой впрыска во впускной трубопровод, вследствие более высокого давления впрыска, придает распыленному топливу направленное вращение, что способствует быстрому испарению топлива.
Рис. Впрыск топлива при образовании гетерогенной смеси:
1 – форсунка; 2 – топливная выемка поршня; 3 – аэродинамическая выемка поршня
Так как факел топлива сплющен, он практически не соприкасается с днищем поршня и стенками цилиндра и камеры сгорания. В данном случае говорят о смесеобразовании так называемой «воздушной оболочке», состоящей из свежего воздуха и перепущенных отработавших газов. В зоне свечи зажигания возникает концентрированное облако способной к воспламенению смеси, в то время как в остальных зонах камеры сгорания топливо отсутствует.
Рис. Преобразование факела топлива после впрыска:
1 – зона смесеобразования
После поступления топливовоздушной смеси к свече зажигания она поджигается искрой. При этом воспламеняется только облако смеси, в то время как остальные газы образуют его оболочку. Воздух, располагаясь вдоль стенок цилиндра и днища поршня, ввиду низкой теплопроводности образует изолирующий слой и уменьшает тепловые потери и, соответственно, увеличивает КПД. Прослойка воздуха возле стенок сгорания обеспечивает также высокую стойкость рабочего процесса против детонационного сгорания рабочей смеси и позволяет исключить отложения продуктов сгорания на стенках цилиндров и камеры сгорания, помогая избавиться от калильного зажигания и снизить абразивный износ поршневых колец.
Рис. Процесс сгорания топлива при гетерогенной смеси:
1 – зона горения
Работа двигателя на гомогенной смеси (традиционное смесеобразование)
При плавном увеличении частоты вращения коленчатого вала двигателя и высоких скоростях движения автомобиля подача топлива переключается на мощностной режим работы двигателя и состав смеси становится близок к стехиометрическому 1: 14,7. Впрыск топлива на этих режимах осуществляется во время наполнения цилиндра воздухом. Испаряющееся топливо охлаждает воздух в цилиндре, что улучшает его наполнение, а также снижает вероятность возникновения детонации. Это в свою очередь позволяет применить более высокую степень сжатия, а значит и высокую мощность двигателя.
Работа двигателя на гомогенной смеси осуществляется при частично или полностью открытых вспомогательных заслонках во впускных каналах, причем эти заслонки управляются электронной системой в зависимости от режима его работы. При частичных нагрузках и в среднем диапазоне частот вращения вспомогательная заслонка закрыта, в результате чего входящий в цилиндр поток воздуха закручивается, улучшая смесеобразование. По мере увеличения нагрузки и частоты вращения поступление воздуха только через верхнюю часть впускного канала оказывается недостаточным. Поэтому заслонку поворачивают, открывая нижнюю часть впускного канала.
Гомогенная смесь образуется при впрыске топлива на такте впуска, а не на такте сжатия, как это имеет место при образовании гетерогенной смеси, что увеличивает время для образования смеси.
Рис. Впрыск топлива при образовании гомогенной смеси:
1 – форсунка
Сгорание происходит при этом во всем объеме камеры сгорания при полном отсутствии изолирующих слоев чистого воздуха и без добавки рециркулируемых отработавших газов.
Рис. Процесс сгорания топлива при гомогенной смеси:
1 – зона горения
Помимо применявшихся ранее способов образования послойной или гомогенной бедной и стехиометрической смесей сегодня применяются еще два способа смесеобразования. Это двойной впрыск для разогрева нейтрализатора и двойной впрыск при работе с полной нагрузкой. Эти способы смесеобразования позволяют ускорить разогрев нейтрализатора и повысить крутящий момент в диапазоне низких частот вращения коленчатого вала.
Система впрыска К-Джетроник. Устройство и принцип действия
Общее устройство наиболее распространенной системы впрыска К-Джетроник, применяемой на многих автомобилях немецкого производства представлено на рисунке.
Топливо под давлением, развиваемым топливным насосом 23, через накопитель 21, который поддерживает постоянное давление в системе, и фильтр 22 подается в нижние камеры дозатора-распределителя 28 под давлением подачи и прижимает мембранные клапаны к топливопроводам подачи топлива к форсункам.
Рис. Схема системы впрыска «К-Джетроник»:
1 — замок зажигания; 2 — управляющее реле; 3 — прерыватель-распределитель; 4 — термореле; 5 — форсунка впрыска; 6 — трубопровод клапана дополнительной подачи воздуха; 7 — клапан добавочного воздуха; 8 — плунжер дозатора-распределителя; 9 — трубопровод подачи разрежения к регулятору противодавления; 10 — диафрагма; 11 — биметаллическая пластина; 12, 14, 17 — топливопроводы; 13 — регулятор противодавления; 15 — развязывающий жиклер; 16 — регулятор давления топлива; 18 — топливный бак; 19 — рычаг; 20 — винт регулировки состава (качества) смеси; 21 — накопитель топлива; 22 — топливный фильтр; 23 — топливный насос; 24 — пусковая электромагнитная форсунка; 25 — винт регулировки частоты вращения коленчатого вала (количества); 26 – дроссельная заслонка; 27 — напорный диск; 28 — дозатор-распределитель
В зависимости от положения плунжера 8, который имеет управляющие кромки, топливо может поступать и в верхние камеры. Перемещение плунжера регулируется в зависимости от количества воздуха через напорный диск расходомера 27 и рычаг 19.
Приготовление рабочей смеси заключается в измерении расхода воздуха и пропорциональном дозировании топлива и осуществляется с помощью регулятора состава рабочей смеси. Он состоит из измерителя расхода воздуха и дозатора-распределителя топлива.
Измеритель расхода воздуха работает по принципу ротаметра – в воздушном потоке находится вывешенный поплавок (напорный диск), поднимаемый восходящим потоком воздуха. Вес напорного диска и рычага скомпенсирован противовесом. При вспышках во впускном трубопроводе напорный диск перемещается в противоположном направлении. Благодаря этому освобождается разгрузочный диффузор. Плоская пружина обеспечивает правильное нулевое положение при неработающем двигателе.
При верхнем положении плунжера (расход воздуха увеличился, и плунжер приподнялся выше) давление топлива и усилие пружины, воздействующее на верхнюю поверхность мембраны, оказывается больше, чем давлением на нижнюю часть мембраны. В результате этого мембрана смещается вниз и открывает каналы подвода топлива к форсункам, что увеличивает подачу топлива. В этот момент за счет расхода топлива через форсунку давление в верхней камере падает, и мембрана стремится занять прежнее положение. Таким образом, в системе устанавливается равновесие давления, что обеспечивает постоянную подачу топлива к форсункам.
Клапанные форсунки открываются при давлении 3,5 кг/см.2.
Рис. Клапанная форсунка механической системы впрыска:
А – исходное положение; Б – рабочее состояние; 1 – корпус; 2 – фильтр; 3 – клапан; 4 – седло клапана
Форсунки открывается при определенном давлении и распыляют топливо посредством колебаний игольчатого клапана и впрыскивают его непрерывно во впускной трубопровод перед впускным клапаном каждого цилиндра. Смесеобразование происходит во впускном патрубке и в цилиндре двигателя. Непрерывно впрыскиваемое клапанными форсунками топливо накапливается перед впускными клапанами двигателя. При открывании впускного клапана засасываемый в цилиндр воздух увлекает облако топлива и благодаря турбулентному движению воздушных вихрей в момент впуска и сжатия способствует образованию хорошо воспламеняющейся топливной смеси.
Форсунки закреплены в специальном держателе и изолированы от горячего двигателя. Теплоизоляция предотвращает образование паровых пробок после выключения двигателя. Форсунки не выполняют функцию дозирования. Они открываются автоматически, как только давление превысит 3,3 кг/см2.
После выключения двигателя давление в топливной системе понижается до величины ниже 3,5 кг/см2, при которой игольчатые клапаны форсунок закрываются. Поэтому после остановки двигателя топливо не может больше попадать в патрубки впускного канала.
Отдельные двигатели могут быть оборудованы воздухопроводящими форсунками, улучшающими смесеобразование особенно на холостом ходу. Часть воздуха, поступающего в двигатель, проходит через клапанную форсунку и смешивается с топливом уже в держателе клапана. Воздух в форсунку подается из системы впуска и отбирается перед дроссельной заслонкой, где величина давления превышает давление за дроссельной заслонкой.
Топливный насос установленный в системе электрический, шиберного типа с рабочими органами в виде роликов.
Рис. Электрический насос бензиновой системы впрыска топлива:
1 – вход бензина; 2 – предохранительный клапан; 3 – насос; 4 – якорь; 5 – обратный клапан; 6 – выход бензина
Насос и электродвигатель установлены в корпусе и погружены в топливо. Электродвигатель охлаждается топливом, при этом опасность взрыва исключена ввиду отсутствия здесь горючей смеси. Реле топливного насоса прерывает цепь напряжения питания топливного насоса в режиме, когда двигатель не работает, а зажигание включено.
Насос состоит из герметично закрытого корпуса, внутри которого установлен непосредственно сам насос 3 и электродвигателя 4, приводящего во вращение насос. Редукционный клапан 2 предохраняет систему от чрезмерного повышения давления, а обратный клапан 5 препятствует стеканию топлива в бак после остановки насоса.
Принцип работы насоса поясняют схемы на рисунках:
Рис. Схема работы насоса:
а – всасывание топлива; б – нагнетание топлива; 1 – вход бензина; 2 – ротор насоса; 3 – ролики; 4 – опорная поверхность роликов; 5 – выход бензина
Ротор насоса 2 расположен эксцентрично относительно корпуса 4 и вращается вместе с якорем электромотора. Ролики перемещаются в канавках ротора, постоянно прижимаясь к опорной поверхности статора.
При вращении ротора увеличивается объем серповидной полости, ограниченной поверхностью статора 4, ротором 2 и двумя роликами, расположенными выше и ниже впускного отверстия 1. При этом указанная полость заполняется топливом. Когда ротор, а вместе с ним и ролики займут положение, показанное на рис. 4.4, б, объем серповидной полости между роликами будет уменьшаться, что обеспечивает подачу топлива в нагнетательную магистраль.
Накопитель топлива установлен сзади топливного насоса. Задача накопителя – поддерживать заданное давление в системе в течение определенного времени после выключения двигателя.
Рис. Накопитель топлива:
1 – пружинная камера; 2 – пружина; 3 – корпус накопителя; 4 – диафрагма; 5 – накопительная камера; 6 – демпферная камера; 7 – вход топлива; 8 – выход топлива; А – двигатель выключен; Б – двигатель работает
Поддержание давления в топливной системе после выключения двигателя необходимо для облегчения повторного горячего пуска. В топливе, находящемся под давлением, не образуются паровые пробки и система впрыска готова к повторному пуску. Дополнительно топливный накопитель снижает интенсивность шума, создаваемого топливным насосом. Внутреннее пространство накопителя топлива разделено диафрагмой на две камеры. Перед диафрагмой расположена дополнительная перегородка с дисковым клапаном, обеспечивающим подачу топлива в систему. В перегородке выполнено дросселирующее отверстие слива топлива. Одна камера служит для накопления топлива, в другой камере находится пружина – аккумулятор энергии. Во время работы камера заполняется топливом, находящимся под давлением. В результате диафрагма с пружиной отжимается до упора в пружинной камере. В этом положении аккумулятор находится, пока работает двигатель. После остановки двигателя благодаря натяжению диафрагмы топливо остается под давлением, что предотвращает образование воздушных пробок и обеспечивает надежный пуск горячего двигателя.
В корпусе дозатора-распределителя установлен регулятор давления 16, поддерживающий постоянное по величине давление топлива около 5 кг/см2. Устройство регулятора показано на рисунке.
Рис. Регулятор давления топлива с клапаном в контуре управляющего давления: 1 – подача топлива под давлением в систему; 2 – сливная магистраль к топливному баку; 3 – поршень регулятора давления в системе; 4 – запорный (толчковый) клапан контура управляющего давления; 5 – подача топлива от регулятора управляющего давления; 6 – регулировочная шайба; а – в рабочем положении; б – в исходном положении
Подпружиненный поршень 3 регулятора открывает отверстие, через которое избыток топлива возвращается в топливный бак, поддерживая таким образом постоянное давление в системе за счет уравновешивающего усилия пружины. При изменении давления топлива (и вследствие этого его расхода) изменяется проходное сечение, и давление в системе остается постоянным. Если, например, топливный насос подает несколько меньше топлива, то поршень регулятора уменьшает проходное сечение для слива и тем самым давление в системе вновь восстанавливается.
При остановке двигателя топливный насос выключается. Давление в системе быстро снижается и становится ниже величины давления открытия форсунки впрыска, поэтому сливное отверстие закрывается с помощью подпружиненного поршня 3 регулятора давления. Дальнейшее падение давления предотвращается с помощью обратного клапана насоса.
Чтобы надежно перекрыть контур управляющего давления в системе после остановки двигателя, в сливной гидролинии регулятора управляющего давления применяется запорный (толчковый) клапан 4 на регуляторе давления. Он установлен на регуляторе давления с противоположной стороны и открывается поршнем регулятора давления топлива, когда при пуске давление в системе возрастает до рабочего значения. Во время работы запорный клапан в сливной линии регулятора управляющего давления находится в открытом состоянии.
Для регулировки управляющего давления в регуляторе устанавливаются регулировочные шайбы 6, изменяющие натяжение пружины поршня. Добавлением или уменьшением их регулируется управляющее давление.
Расход воздуха регулируется дроссельной заслонкой 26 в зависимости от положения педали ее управления. Количество воздуха, поступающего в цилиндры двигателя через расходомер, является основной величиной, управляющей процессом смесеобразования. Расходомер состоит из сопла, в котором находится напорный диск 27. Проходящий через сопло воздух, величина которого зависит от положения педали управления дроссельной заслонкой, приводит к перемещению напорного диска и связанного с ним плунжера 8, перемещающегося вертикально и занимающего определенное положение. Сопло напорного диска по конфигурации в своем сечении имеет, различные диаметры. При работе двигателя в режиме холостого хода и частичной нагрузки напорный диск находится в зоне усеченного конуса, при режиме полной нагрузки – в зоне усеченного конуса с большим углом. В этой зоне напорный диск, а значит и плунжер, отклоняется на большую величину, за счет чего достигается обогащение при полной нагрузке.
На переходных режимах (резкое открытие дроссельной заслонки) напорный диск кратковременно перемещается вверх из-за впуска большой дозы воздуха, при этом плунжер кратковременно перемещается вверх, увеличивая давление в верхней камере дозатора, а значит, увеличивает подачу топлива к форсункам. Расположенный рядом с дроссельной заслонкой 26 канал предназначен для прохождения воздуха, минуя дроссельную заслонку на режиме холостого хода. С помощью регулировочного винта 25 изменяется количество воздуха, проходимого через канал. При этом изменяется частота вращения коленчатого вала, при незначительном изменении содержания токсичных компонентов в отработавших газах.
При пуске холодного двигателя возникают конденсационные потери части топлива, из-за которых топливная смесь становится бедной. Чтобы компенсировать это и облегчить пуск холодного двигателя, необходимо впрыскивать дополнительное количество топлива. В таком случае включается пусковая электромагнитная форсунка 24, к которой топливо подается от распределителя количества топлива. Она распыляет топливо во впускном трубопроводе, которое потребляется всеми цилиндрами, что обеспечивает надежный запуск двигателя. Установленный вблизи дроссельной заслонки перепускной клапан добавочного воздуха 7 через канал 6 обеспечивает дополнительную порцию воздуха.
Пусковая форсунка приводится в действие с помощью электромагнита. В исходном положении подвижный якорь прижимается пружиной к уплотнению и тем самым закрывает форсунку. Если электромагнит включается, то поднятый от седла клапана электромагнитный якорь освобождает проход для топлива, которое дополнительно к основному попадает во впускной трубопровод.
Рис. Пусковая форсунка в режиме впрыска:
1 – колодка электрического подключения; 2 – канал подвода топлива с фильтрующей сеткой; 3 – электромагнитный якорь; 4 – обмотка электромагнита; 5 – центробежный распылитель
Электромагнитная пусковая форсунка работает совместно с тепловым реле времени, которое управляет ее электрической цепью в зависимости от температуры двигателя и продолжительности его запуска. При температуре ниже 35°С биметаллические контакты замыкаются. Реле пуска холодного двигателя при этом через тепловое реле соединяется с массой и через ток подается на обмотку пусковой форсунки, которая впрыскивает топливо во впускной трубопровод. Одновременно напряжение подается на обмотку подогрева 5, пластина 4 деформируется, биметаллические контакты через 7,5 сек при 20° С размыкаются и прерывают подачу напряжения на обмотку электромагнитной пусковой форсунки, вследствие чего она закрывается, прекращая впрыск топлива. На горячем двигателе биметаллические контакты разомкнуты, так как биметаллическая пластина 4 при нагреве деформируется, напряжение на обмотку электромагнитной пусковой форсунки не подается и дополнительное количество топлива во впускной трубопровод не впрыскивается.
При затяжном запуске двигателя или при повторной попытке запуска биметаллическая пластина (из-за электрического подогрева) размыкает электрическую сеть, вследствие чего впрыск топлива через пусковую форсунку прекращается, что предохраняет от переобогащения топливной смеси при запуске.
Рис. Тепловое реле:
1 – контакт биметаллической пластины; 2 – подвод напряжения от реле пуска холодного двигателя; 3 – подвод напряжения от клеммы 50; 4 – биметаллическая пластина; 5 – обмотка подогрева
Установленный вблизи дроссельной заслонки перепускной клапан добавочного воздуха 7 через канал 6 обеспечивает дополнительную порцию воздуха.
При пуске холодного двигателя канал подачи дополнительного воздуха открыт заслонкой клапана, которая перемещается при нагреве биметаллической пластины. Напряжение на нить нагрева подается одновременно с подачей напряжения на пусковую форсунку.
Рис. Клапан дополнительной подачи воздуха:
1 – нить нагрева; 2 – биметаллическая пластина; 3 – ось заслонки; 4 – заслонка; 5 – подача дополнительного воздуха; а – открытое положение клапана; б – закрытое положение клапана
В некоторых вариациях системы клапан добавочного воздуха может частично открываться и на режимах холостого хода, для обеднения смеси. Управление клапаном при этом осуществляется от блока управления.
В систему пуска входит также регулятор противодавления (подогрева) 13. Данный узел обогащает рабочую смесь, поступающую в камеры сгорания при прогреве двигателя. На холодном двигателе биметаллическая пластина 11 сжимает пружину диафрагменного клапана, открывая канал слива топлива 14, что приводит к уменьшению противодавления на распределительном плунжере. Уменьшение управляющего давления при неизменном расходе воздуха вызывает увеличение хода напорного диска. Вследствие этого распределительный плунжер дополнительно приподнимается, увеличивая количество топлива, подаваемого к форсункам.
По мере нагрева биметаллической пружины при прогреве двигателя давление на пружину диафрагменного клапана регулятора управляющего давления снижается, и сливной канал 14 медленно закрывается.
Регулятор противодавления отдельных двигателей может иметь не одну, а две пружины клапана. Наружная пружина, как у обычного подогревателя, опирается на корпус. Суммой усилий обоих пружин определяется давление управления. Мембрана разделяет регулятор подогрева на верхнюю и нижнюю камеры. В верхней камере действует разрежение от впускного трубопровода, а в нижней давление равняется атмосферному. При большом разрежении в верхней камере (холостой ход, частичная нагрузка) мембрана поднимается до своего верхнего упора. При этом внутренняя пружина максимально сжата. Сумма усилий обеих пружин достигает максимума. При таком положении давление управления максимально. При полной нагрузке разрежение во впускном трубопроводе уменьшается. Мембрана перемещается из своего верхнего положения вниз до нижнего упора, и усилие сжатия внутренней пружины уменьшается. Одновременно мембрана клапана разгружается, она увеличивает проходное сечение слива топлива, и смесь обогащается.
В системах впрыска бензиновых двигателей применяются фильтры с бумажным фильтрующим элементом, за которым находится дополнительная сетка. Благодаря такой комбинации, достигается высокая степень очистки. Топливо фильтруется в бумажном фильтрующем элементе, а сетка служит для задержки частиц фильтра, которые могут отрываться в процессе эксплуатации, поэтому показанное на корпусе фильтра стрелкой направление подачи топлива должно строго соблюдаться. Предполагая средний уровень загрязненности топлива и в зависимости от объема фильтра, срок службы обычно составляет от 30000 до 80000 км пробега.
Рис. Топливный фильтр:
1 – бумажный фильтрующий элемент; 2 – сетка; 3 – опорная пластина
Для улучшения динамических свойств автомобиля в системах К-Джетроник при резком увеличении частоты вращения коленчатого вала может применяться устройство, позволяющее обогащать топливную смесь за счет подачи дополнительного топлива через пусковую форсунку. Устройство включает дополнительно к штатной системе впрыска датчик углового перемещения дроссельной заслонки 2, пневматический включатель форсунки впрыска 3, временной термовыключатель форсунки впрыска 4. Дополнительный впрыск осуществляется включением на непродолжительное время пусковой форсунки (около 0,4 с).
Временной термовыключатель форсунки впрыска 4 определяет температуру, при которой осуществляется дополнительный впрыск топлива. При температуре двигателя больше 35°С обогащения смеси не происходит.
Рис. Устройство для обогащения топливной смеси при увеличении частоты вращения коленчатого вала холодного двигателя:
1 – пусковая форсунка; 2 – датчик углового перемещения дроссельной заслонки; 3 – пневматический включатель форсунки впрыска; 4 – временной термовыключатель форсунки впрыска
Пневматический включатель форсунки впрыска представляет собой пневматическую камеру с контактным выключателем, связанную с впускным трубопроводом. При постоянной частоте вращения коленчатого вала давления в обеих частях пневматической камеры одинаковое. При резком нажатии на педаль дроссельной заслонки давление в верхней части камеры увеличивается, диафрагма при этом прогибается и контакты включения цепи пусковой форсунки кратковременно замыкаются, вследствие чего пусковая форсунка включатся и во впускной трубопровод поступает дополнительная порция топлива. Спустя 4 секунды давление в обеих камерах уравнивается, диафрагма под усилием пружины возвращается в исходное положение, контакты размыкаются и дополнительный впрыск топлива прекращается.
Рис. Пневматический включатель форсунки впрыска:
а – постоянная частота вращения коленчатого вала; б – режим ускорений; А, Б – камеры; 1 – подвод разряжения от впускного трубопровода; 2 – диафрагма; 3 – контактная группа
Принцип работы системы непосредственного впрыска
Поршни двигателей, оборудованных системами непосредственного впрыска, имеют специальную конструкцию и характерны углублением 6 на днище. Углубление специальной формы позволяет факелу впрыскиваемого топлива закручиваться в турбулентной массе воздуха и подавать топливную смесь непосредственно к очагу воспламенения – свече зажигания. При подобной схеме смесеобразования не образуется нераспыленного топлива на днище поршня, так как сильный поток воздуха снимает и распыливает те капли топлива, которые образовались на днище поршня при начальной стадии впрыска.
Рис. Смесеобразование в камере сгорания двигателя с непосредственным впрыском бензина:
1 – поршень; 2 – свеча; 3 – форсунка; 4 – факел топлива в начале впрыска; 5 – факел топлива в середине впрыска; 6 – углубление в днище поршня; 7 – факел топлива в конце впрыска;; 8 – направление движения поршня; а – начало впрыска; б – середина впрыска; в – конец впрыска
Применяются 4 способа смесеобразования, позволяющие получить:
- бедную послойную смесь с добавкой отработавших газов
- бедную гомогенную смесь без добавки отработавших газов
- гомогенную стехиометрическую смесь с добавкой отработавших газов
- гомогенную стехиометрическую смесь без добавки отработавших газов
Рис. Режимы работы двигателя Ауди А3 на различных смесях