Инжекторная система питания бензинового двигателя

1. Общие сведения

Инжекторная система питания бензинового двигателя - это спе­циальная система подачи топлива в двигатель внутреннего сгорания, кото­рая устанавливается на современных бензиновых двигателях. Основное отличие такой системы от карбюраторной состоит в том, что подача топ­лива осуществляется непосредственно путем впрыска топлива с помощью форсунок двигателя. Те бензиновые двигатели, которые оборудованы по­добной системой, называются инжекторными.

Существует несколько вариантов инжекторных систем бензинового двигателя. Так, например, имеются различные вариации точек установки форсунок в двигателе, а также вариации их количества.

По точке установки и количеству установленных форсунок различа­ют следующие инжекторные системы питания бензинового двигателя.

1. Инжекторные системы, оборудованные центральным (моно) впрыском бензинового топлива. В данной вариации существует в двигателе только одна форсунка, которая расположена на том месте, где должен располагаться карбюратор у карбюраторной системы. В настоящее время используется достаточно редко по причине своей низкой эффектив­ности.

Инжекторная система, оборудованная центральным впрыском топлива

2. Инжекторные системы, которые оборудованы распределенным впрыском. В таких инжекторных системах на каждый цилиндр предусмотрено по одной форсунке. Эти форсунки расположены, как пра­вило, во впускном коллекторе двигателя.

При фазированном распределенном впрыске топлива каждая фор­сунка открывается только непосредственно перед впрыском топлива в цилиндры двигателя транспортного средства. Фазированный впрыск наbданный момент используется наиболее часто. Также существует прямой (непосредственный) впрыск топлива инжекторной системы, при котором форсунки располагаются в непосредственной близости от цилиндров. Впрыск топлива при этом происходит сразу в камеру сгорания топлива. Непосредственный впрыск топлива в цилиндры пока не нашел широкого применения из-за тяжелых условий работы форсунок и сложности разме­щения форсунки в камере сгорания. Кроме того, в этом случае необходимо подавать топливо под сравнительно высоким давлением - 3-4 МПа.

Инжекторная система, оборудованная распределенным впрыском топлива

В настоящее время в современных инжекторных системах управле­ние ими осуществляется при помощи специальных микроконтроллеров (электронных блоков управления), которые регулируют уровень подачи топлива, а также его количество. Данный вид управления инжекторными системами автомобиля принято называть электронным. Смысл работы та­кого аппарата заключается в том, что решение о времени подачи топлива в цилиндры, а также о длительности открытия форсунок системы и о коли­честве подаваемого топлива принимает только микроконтроллер, который основывается на данных, поступающих от специальных датчиков, регули­рующих работу двигателя внутреннего сгорания транспортного средства. На некоторых моделях бензинового двигателя работают механические устройства, которые осуществляют те же функции, что и микроконтрол­лер. Но в настоящее время такие системы можно найти только на тех ав­томобилях, которые были выпущены с заводского конвейера значительно раньше.

Контроллер получает информацию с датчиков, которые уведомля­ют его:

- о положении и работе коленчатого вала;

- температуре охлаждающей жидкости;

- расходе воздуха бензиновым двигателем;

- положении дроссельной заслонки;

- содержании кислорода в отработавших газах;

- напряжении в бортовой системе двигателя;

- наличии детонации в двигателе внутреннего сгорания;

- скорости транспортного средства;

- запросе на включение/выключение кондиционерной системы авто­мобиля (если такая система предусмотрена комплектацией автомобиля);

- положении распределительного вала и др.

После получения этой информации микроконтроллер осуществляет управление следующими системами и приборами:

- системой зажигания;

- дроссельным узлом;

- топливоподачей;

- вентилятором системы охлаждения;

- муфтой компрессора кондиционера;

- системой диагностики;

- адсорбером системы улавливания паров бензина (если данная си­стема предусмотрена базовой комплектацией транспортного средства).

Как и любая другая система, инжекторная система питания бензино­вого двигателя обладает определенными достоинствами и недостатками, которые своеобразным образом влияют на выбор потребителей.

Из достоинств можно назвать следующие факторы:

- значительное уменьшение выбросов несгоревших углеводородов;

- упрощение запуска двигателя автомобиля;

- уменьшение расхода топлива;

- уменьшение расхода масла;

- более линейная характеристика крутящего момента;

- улучшение динамических и мощностных характеристик двигателя внутреннего сгорания;

- система не требует ручной регулировки своей работы, т. е. пол­ностью самостоятельно выполняет работу по настройке всех необходимых данных, которые передаются при помощи датчиков кислорода.

Среди недостатков можно отметить следующие:

- высокая стоимость ремонта данной системы;

- высокая стоимость деталей, которые могут быть необходимы при ремонте инжекторной системы;

- обязательное наличие только качественного топлива;

- необходимость в специализированном персонале, который будет обслуживать данную систему;

- низкая ремонтопригодность всех элементов системы, особенно это касается тех элементов, которые обеспечивают адекватную работу микро­контроллера.

2. Компоновка, типы и конструктивные особенности систем впрыска топлива

Широкое распространение автомобильных двигателей предопреде­лило большое разнообразие их конструкций. Это привело к многовариант­ности систем управления и топливно-эмиссионных систем.

Задача топливно-эмиссионной системы состоит в регулиро­вании топливовоздушной смеси и включает следующие функции: измере­ние количественных и качественных характеристик рабочей смеси; подачу топлива, образование рабочей смеси, распределение смеси по ци­линдрам.

Водитель автомобиля управляет дроссельной заслонкой, которая ре­гулирует количество рабочей смеси, в то время как устройство для приго­товления рабочей смеси изменяет соотношение воздуха и топлива в этой смеси (качество смеси) дозированием необходимого количества топлива и смешиванием его с воздухом перед подачей в двигатель.

Приготовление рабочей смеси в значительной мере зависит от типа устройства подачи топлива. Топливо обычно попадает во впускной кол­лектор в виде капель. Определенное количество капель топлива на пути к впускным клапанам испаряется с образованием паров (желательное яв­ление), а другие капли осаждаются в виде пленки на стенках коллектора (нежелательное явление). Большая часть методов улучшения качества сме­си при использовании центрального (одноточечного) впрыска топлива заключается в повышении степени распыления топлива у дроссельной заслонки и испаряемости топлива на нагретых стенках впускного коллек­тора и других горячих элементах системы топливоподачи. При использо­вании систем с распределенным (многоточечным) впрыском топлива хорошее образование смеси при помощи форсунок дополняется испаре­нием топлива у горячего впускного клапана.

Топливно-эмиссионные системы

Система впрыска K-Jetronic

Система впрыска K-Jetronic фирмы ВОSСН представляет со­бой механическую систему постоянного впрыска топлива. Топливо под давлением поступает к форсункам, установленным перед впускными кла­панами во впускном коллекторе. Форсунка непрерывно распыляет топли­во, поступающее под давлением. Давление топлива (расход) зависит от нагрузки двигателя (от разрежения во впускном коллекторе) и от темпера­туры охлаждающей жидкости.

Количество подводимого воздуха постоянно измеряется расходоме­ром, а количество впрыскиваемого топлива строго пропорционально (1:14,7) количеству поступающего воздуха (за исключением ряда режимов работы двигателя, таких как пуск холодного двигателя, работа под полной нагрузкой и т.д.) и регулируется дозатором-распределителем топлива. До­затор-распределитель или регулятор состава и количества рабочей смеси состоит из регулятора количества топлива и расходомера воздуха. Регули­рование количества топлива обеспечивается распределителем, управляе­мым расходомером воздуха и регулятором управляющего давления.

В свою очередь, воздействие регулятора управляющего давления определяется величиной подводимого к нему разрежения во впускном трубопроводе и температурой жидкости системы охлаждения двигателя.

Схема системы многоточечного впрыска топлива К-Jetronic:

1 - топливный бак; 2 - электробензонасос; 3 - аккумулятор топлива; 4 - топливный фильтр; 5 - регулятор подогрева; 6 - форсунка; 7 - впускной трубопровод двигателя; 8 - пусковая форсунка; 9 - дозатор; 10 - измеритель расхода воздуха; 11 - частотный регулятор; 12 - кислородный датчик; 13 - термовыключатель с таймером; 14 - распре­делитель зажигания; 15 - регулятор холостого хода; 16 - ДПДЗ; 17 - ЭБУ; 18 - выклю­чатель зажигания; 19 - аккумуляторная батарея

Система впрыска L-Jetronic

Топливо впрыскивается через форсунки с электромагнитным управ­лением. Форсунка, установленная перед каждым цилиндром, включается в работу один раз за один оборот коленчатого вала. Для упро­щения управления форсунками все они подключаются к электроцепи параллельно. Разность между давлением топлива и давлением во впускном коллекторе двигателя поддерживается на постоянном уровне порядка 2,5...3,0 бар, благодаря чему количество подаваемого топлива определяется исключительно продолжительностью импульса, устанавливаемого ECU. Продолжительность импульса варьируется в соответствии с расходом вса­сываемого воздуха, частотой вращения коленчатого вала двигателя и дру­гими параметрами, контролируемыми датчиками.

Схема системы L-Jetronic:

1 - топливный бак; 2 - топливный насос с электроприводом; 3 - топливный фильтр; 4 - ЭБУ; 5 - форсунка; 6 - регулятор давления топлива; 7 - впускной коллектор; 8 - пуско­вая форсунка; 9 - датчик положения дроссельной заслонки; 10 - измеритель расхода воздуха; 11 - лямбда-зонд; 12 - термовыключатель и реле времени; 13 - датчик темпе­ратуры охлаждающей жидкости; 14 - распределитель зажигания; 15 - регулятор часто­ты вращения коленчатого вала на холостом ходу; 16 - аккумулятор; 17 – выключатель зажигания

Система впрыска Mono-Jetronic

Mono-Jetronic - система впрыска с электронным блоком управления. Система имеет одну на весь двигатель (греч. моное - один) магнитоэлектрическую форсунку, топливо, как и в системах L-Jetronic, впрыскивается с интервалами.

Так как топливная форсунка расположена перед дроссельной заслон­кой, практически на месте жиклера карбюратора, давление топлива в системе составляет всего около 1 кгс/см. Регулятор давления системы рас­положен вблизи форсунки в центральном узле впрыска, где размещены также дроссельная заслонка, выключатель положения дроссельной заслон­ки, датчик температуры всасываемого воздуха.

Система Mono-Jetronic не имеет расходомера воздуха, поэтому соот­ношение масс воздуха и топлива здесь менее точное и определяется только положением дроссельной заслонки, температурой всасываемого воздуха и частотой вращения коленчатого вала.

Схема системы Mono-Jetronic:

1 - топливный бак; 2 - топливный насос с электроприводом; 3 - топливный фильтр; 4 - стабилизатор перепада давления топлива; 5 - форсунка; 6 - датчик температуры воздуха; 7 - электронный блок управления; 8 - привод дроссельной заслонки; 9 - дат­чик положения дроссельной заслонки; 10 - клапан; 11 - резервуар с углем (адсорбер); 12 - кислородный датчик (лямбда-зонд); 13 - датчик температуры охлаждающей жид­кости; 14 - распределитель зажигания; 15 - аккумулятор; 16 - выключатель зажигания; 17 - реле; 18 - разъем для подсоединения диагностической аппаратуры; 19 - блок цен­трального впрыска

Устройство, определяющее положение дроссельной заслонки, пред­ставляет собой в этой системе не выключатель с контактами (холостого хода, частичной нагрузки, полной нагрузки), а потенциометр, который информирует электронный блок управления о положении заслонки в дан­ный момент времени. Таким образом, основное дозирование топлива осуществляется по трем параметрам: положению дроссельной заслонки, температуре всасываемого воздуха и частоте вращения коленчатого вала двигателя.

Корректировка дозирования при холодном пуске и прогреве осу­ществляется электронным блоком управления по импульсам, получаемым от датчиков температуры всасываемого воздуха, охлаждающей жидкости и потенциометра дроссельной заслонки, который корректирует дозировку при полной нагрузке. Корректировка по токсичности отработавших газов идет по сигналу от лямбда-зонда. Изменение дозирования происходит за счет увеличения или уменьшения времени впрыска при постоянном давле­нии топлива.

Электронный блок управления сглаживает колебания напряжения бортовой сети и осуществляет регулировку холостого хода. Регулировка холостого хода достигается вращением дроссельной заслонки специаль­ным электродвигателем. При этом увеличивается или уменьшается коли­чество воздуха в зависимости от отклонения мгновенного значения часто­ты вращения коленчатого вала от номинального значения, заложенного в память электронного блока управления. Блоком управления воспринима­ется и скорость вращения дроссельной заслонки. При режиме ускорения рабочая смесь обогащается.

Система впрыска Mono-Jetronic может быть выполнена и в варианте с расходомером воздуха и клапаном добавочного воздуха.

Система впрыска LE-Jetronic

Система впрыска LE- Система впрыска LE-Jetronic в принципе подобна системе L- Система впрыска LE-Jetronic. Изменения касаются в основном электронной части (Е-Electronic).

В результате изменения электросхемы блока электронного управле­ния удалось уменьшить общее количество контактов в разъеме с 35 до 25.

В расходомере воздуха изменился потенциометр, в нем отсутствуют контакты насоса. Вследствие этого число контактов электроразъема уменьшилось с 7 до 5.

Вместо блока реле и реле пуска холодного двигателя появилось реле управления.

Клапанные форсунки работают без дополнительных сопротивлений. Последнее достигается применением латунных проводов вместо медных, что обеспечивает необходимое электрическое сопротивление.

Система LE2-Jetroniс отличается от LE-улучшенным пуском и лучшим процессом уменьшения подачи топлива.

Система LE3-Jetroniс работает на основе цифрового кода. Блок электронного управления размещен в подкапотном пространстве и объ­единен с расходомером воздуха. Электронный блок управления контро­лирует колебания напряжения бортовой сети и «выравнивает» их за счет замедления срабатывания реле клапанных форсунок при помощи измене­ния времени впрыска. Система впрыска LE4-Jetronic отличается от систе­мы LE3-Jetronic отсутствием пусковой форсунки, термореле и клапана добавочного воздуха.

Система впрыска Mono-Monotronic

На легковых автомобилях массового выпуска применяют более про­стые и дешевые системы, например Mono-Monotronic. Ее устанав­ливают на двигателях небольшого рабочего объема автомобилей малого и особо малого класса.

Схема системы Mono-Мonotronic:

1 - ЭБУ; 2 - катушка зажигания; 3 - электрический топливный насос; 4 - регулятор хо­лостого хода; 5 - датчик положения дроссельной заслонки; 6 - электромагнитная фор­сунка; 7 - датчик температуры охлаждающей жидкости; 8 - датчик частоты вращения двигателя; 9 - разъем для диагностики; 10 - кислородный датчик; 11 - емкость с акти­вированным углем (адсорбер); 12 - распределитель бесконтактного электронного за­жигания; 13 - диффузор с датчиком температуры всасываемого воздуха; 14 - регулятор давления топлива; 15 - возвратный топливный клапан; 16 - топливный фильтр

В системе Моno-Monotronic в отличие от более сложных систем ос­новные сигналы зависят от положения дроссельной заслонки и частоты вращения коленчатого вала двигателя. Кроме того, учитываются сигналы от кислородного датчика, а также датчиков температуры охлаждающей жидкости и всасываемого воздуха. Рассчитанное ЭБУ требуемое количе­ство топлива посредством центральной электромагнитной форсунки пери­одически впрыскивается над дроссельной заслонкой и смешивается с воз­духом. С учетом этих же данных, но по другой программе управляющие импульсы подаются на катушку зажигания.

Система способна учитывать износ цилиндропоршневой группы двигателя (падение компрессии) и изменение атмосферного давления. Если датчики начинают подавать ошибочные сигналы, информация об этом накапливается в памяти. Во время технического обслуживания она считывается диагностическим тестером, что позволяет быстро найти ис­точник неисправности.

Системы впрыска LH-Jetronic

Система Системы впрыска LH-Jetronic отличается от систем Системы впрыска LЕ-Jetronic главным обра­зом измерителем расхода воздуха. Эта система представляет собой также систему прерывистого впрыска топлива низкого давления. Электронный блок управления (цифровая микроЭВМ) приводит соотношение воздуха и топлива в соответствие с нагрузкой и числом оборотов коленчатого вала двигателя.

Электрический топливный насос забирает топливо из бака и подает его под давлением через фильтр к форсункам.

В зависимости от давления во впускном коллекторе, регулятор дав­ления поддерживает постоянным давление подачи топлива к форсункам (давление постоянно для данного разрежения).

Электронный блок управления рассчитывает количество топлива, поступающего к форсункам, и поддерживает постоянный состав смеси в зависимости от количества всасываемого воздуха, определяемого изме­рителем c нагреваемым проводником.

В системах Системы впрыска LH-Jetronic (рис. 10) применяется термоанемометриче­ский измеритель расхода воздуха (греч. anemos - ветер). Принцип его дей­ствия - тепловая энергия, необходимая в единицу времени для поддержа­ния постоянного перепада температур между нагреваемым элементом и обтекающим его воздухом, пропорциональна массовому расходу возду­ха, проходящего через заданное сечение потока. Измерительный теплооб­менный элемент представляет собой платиновую проволоку диаметром 0,07 мм, размещенную в середине цилиндрического воздушного канала. На входе и выходе канала устанавливаются специальные направляющие для получения параллельных струй воздуха. Перед входом установлена защитная решетка. Постоянный перепад температур равен 150 °С, ток из­меняется от 500 до 1500 мА. Величина тока нагрева, требуемого для со­хранения постоянного температурного перепада между воздухом и про­водником, является мерой массы воздуха, поступающего в двигатель.

Этот ток преобразуется в импульсы напряжения, которые обрабаты­ваются блоком электронного управления как основной входной параметр наравне с частотой вращения коленчатого вала двигателя. Диапазон изме­рения расхода воздуха составляет от 9 до 360 кг/ч.

Схема системы впрыска Системы впрыска LH-Jetronic:

1 - топливный бак, 2 - фильтр тонкой очистки топлива, 3 - топливный насос, 4 - регу­лятор давления топлива, 5 - рабочие форсунки, 6 - электронный блок управления, 7 - измеритель массы воздуха с нагреваемым проводником, 8 - выключатель положения дроссельной заслонки, 9 - датчик температуры охлаждающей жидкости, 10 - регулятор холостого хода, 11 - датчик концентрации кислорода

В ряде систем впрыска, например Системы впрыска D-Jetronic General Motors и др., во­обще отказались от расходомера воздуха и соответствие между количе­ствами топлива и воздуха осуществляется электронным блоком управле­ния по сигналам от трех датчиков: положения дроссельной заслонки, ча­стоты вращения коленчатого вала двигателя и степени разрежения или ве­личины давления во впускном коллекторе.

Система распределенного (многоточечного) впрыска топлива KE-Jetronic

Система впрыска KE-Jetronic - это механическая система постоянно­го впрыска топлива, подобная системе K-Jetronic, но с электронным бло­ком управления (Е-Electronic). В системе KE-Jetronic регулятор управляю­щего давления заменен электрогидравлическим регулятором.

Кроме этого, система имеет установленный на рычаге расходомера воздуха потенциометр (реостатный датчик) и выключатель положения дроссельной заслонки. Потенциометр сообщает электрическими сигналами в электронный блок управления информацию о положении напорного дис­ка расходомера воздуха. Положение напорного диска определяется расхо­дом воздуха (разрежением во впускном трубопроводе, положением дрос­сельной заслонки, нагрузкой двигателя).

Выключатель положения дроссельной заслонки может информиро­вать электронный блок управления: о крайних положениях дроссельной заслонки - полностью открыта или закрыта (в этом случае выключатель называется концевым); о всех положениях дроссельной заслонки; о всех положениях и о скорости ее открытия и закрытия.

Система KE-Jetronic является дальнейшим развитием систе­мы K-Jetronic. Она более сложная, но позволяет лучше оптимизировать до­зирование топлива. Идеальное дозирование - это топливная экономич­ность, наименьшая токсичность отработавших газов, наилучшая динамика. К сожалению, совместить все три эти составляющие не удается. Поэтому, к примеру, о топливной экономичности заботятся при всех частичных нагрузках, а при полной нагрузке - только о наилучших динамических по­казателях.

Схема системы KE-Jetronic:

1 - топливный бак; 2 - электробензонасос; 3 - гидроаккумулятор топлива; 4 - топлив­ный фильтр; 5 - стабилизатор перепада давления топлива; 6 - форсунка; 7 - выпускной коллектор; 8 - пусковая форсунка; 9 - дозатор; 10 - измеритель расхода воздуха; 11 - электрогидровлический корректор давления; 12 - кислородный датчик; 13,14 - ДТОЖ; 15 - распределитель зажигания; 16 - РХХ; 17 - ДПДЗ; 18 - ЭБУ; 19 - выключатель за­жигания; 20 - аккумуляторная батарея