Система питания инжекторного двигателя

МДК 01.01. Устройство автомобилей.

Группа 1СТМ Преподаватель Черкас П.Х.

24.10.2022 г.

Тема 1.1.8. Система питания инжекторного двигателя.

Методическая цель: Усовершенствовать методику преподавания нового материала, используя педагогику сотрудничества и активизации познавательного интереса студентов.

Учебная цель: Ознакомить студентов с содержанием МДК.01.01 Устройство автомобилей с общими сведениями об устройстве автомобилей, в последующем в овладении методами технического обслуживания и ремонта автомобильного транспорта.

Познакомить студентов с назначением и устройством системы питания инжекторного двигателя.

Воспитательная цель: Вызвать интерес к выбранной специальности, использованию на практике полученных теоретических знаний по МДК.01.01 Устройство автомобилей, способствовать развитию познавательных интересов обучающихся.

Образовательная цель: познакомить студентов с устройством системы питания инжекторного двигателя.

Развивающая цель: развивать умения правильно обобщить данные и сделать вывод.

Задачи занятия: после ознакомления с материалом лекции, студенты должны иметь представление об устройстве системы питания инжекторного двигателя.

Мотивация: знание устройства системы питания инжекторного двигателя - важная составляющая подготовки специалистов по техническому обслуживанию и ремонту автомобилей.

Лекция №1.

Вопросы к изучению:

1. Понятие об инжекторных двигателях.

2. Достоинства и недостатки систем впрыска топлива.

3. Типы систем впрыска бензиновых двигателей.

4. Система питания с центральным впрыском топлива.

5. Система питания с распределенным впрыском топлива.

1. Понятие об инжекторных двигателях.

Инжекторными называются двигатели с искровым зажиганием топливной смеси, в которых в качестве топлива используют бензин, а процесс смесеобразования происходит с помощью форсунки или форсунок, впрыскивающих топливо под давлением во впускной трубопровод или в цилиндр двигателя.

Впрыск топлива вместо использования процесса карбюрации позволил получить ряд определенных выгод, поэтому в последние годы все системы питания, использующие впрыск все больше вытесняют карбюраторные системы питания двигателей, особенно на легковых автомобилях.

Широкому применению систем впрыска топлива на грузовых автомобилях в настоящее время препятствуют такие их недостатки, как повышенная сложность обслуживания и дороговизна используемых приборов и узлов. Однако, с учетом несомненных преимуществ, позволяющих получить ощутимую долгосрочную выгоду, можно предположить, что и на грузовом автотранспорте, особенно малой и средней грузоподъемности, системы впрыска бензина найдут широкое применение в ближайшие годы. На грузовых автомобилях повышенной грузоподъемности и автобусах достойной конкуренции дизельным двигателям пока нет.

1. Достоинства и недостатки систем впрыска топлива.

Несомненным преимуществом систем впрыскивания топлива по сравнению с карбюраторными системами питания являются следующие:

- отсутствие устройств, создающих сопротивление потоку воздуха на впускном трубопроводе (карбюратора) и вследствие этого более высокий коэффициент наполнения цилиндров, что обеспечивает получение более высокой «литровой» мощности;

- возможность использования большего перекрытия клапанов, когда открыты одновременно впускной и выпускной клапаны, что улучшает процесс продувки камеры сгорания чистым воздухом, а не горючей смесью; более точное дозирование количества топлива, необходимого для работы двигателя на различных режимах его работы;

- снижение температуры стенок цилиндров, днища поршней и выпускных клапанов из-за лучшей продувки и более равномерного состава горючей смеси, что позволяет без опасности детонации поднять степень сжатия смеси в цилиндре на 2…3 единицы;

- снижение количества оксидов азота при сгорании топлива, т. е. снижение токсичности отработавших газов; улучшение смазывания зеркала цилиндров двигателя и, как следствие, снижение уровня механических потерь на трение.

Таким образом, благодаря перечисленным достоинствам системы питания с впрыском топлива позволяют обеспечить по сравнению с карбюраторной системой (при прочих равных условиях) более высокую мощность двигателя, улучшенную экономичность, снижение выбросов вредных веществ в атмосферу и повышение степени сжатия, а также повысить ресурс двигателя.

Особенно ценным качеством бензиновых систем питания, использующих впрыск, является возможность объединить управление систем питания и зажигания посредством единого управляющего центра (компьютера), что открывает широкие динамические и экономические перспективы для инжекторных двигателей, а также возможность существенной автоматизации многих процессов в их работе.

Не лишены системы впрыска воздуха и недостатков:

- относительно высокая стоимость;

- сложность технического обслуживания, требующая специального оборудования и высокой квалификации обслуживающего персонала;

- повышенные требования к качеству и очистке бензина.

3. Типы систем впрыска инжекторных двигателей.

Некоторые из первых систем электронного впрыска представляли собой карбюратор, из которого удаляли все «пассивные» топливные системы и устанавливали одну или две форсунки. Такие системы получили название «центральный (одноточечный) впрыск» или моновпрыск.

Рис. 1 Центральный впрыск.

В настоящее время наибольшее распространение получили системы распределенного (многоточечного) электронного впрыска.

Рис. 2 Многоточечный впрыск во впускной коллектор

В начале 2000- х годов на серийных автомобилях стали устанавливать двигатели с прямым или «непосредственным» впрыском топлива в цилиндры двигателя.

Рис. 3 Непосредственной впрыск в цилиндр.

Все данные системы определяют количество топлива для двигателя с помощью электронного блока управления (ЭБУ), на который поступают сигналы с датчиков и который управляет работой топливных форсунок. 

4. Система питания с центральным впрыском топлива.

В системе центрального впрыска подача смеси и ее распределение по цилиндрам осуществляются внутри впускного коллектора. Системы моновпрыска различаются между собой по конструкции блока центрального впрыска. В них форсунка располагается над дроссельной заслонкой. В отличие от систем распределенного (многоточечного) впрыска, они часто работают при низком давлении (0,7…1 бар). Это позволяет устанавливать недорогой топливный насос с электроприводом, размещаемый в топливном баке. Форсунка непрерывно охлаждается потоком топлива, предотвращая образование воздушных пузырьков. Такое охлаждение необходимо в топливных системах с низким давлением. Обозначение «Одноточечный впрыск» (SPI) соответствует терминам «Центральный впрыск топлива» (CFI), «Впрыск на дроссельную заслонку» (TBI).

Это электронно-управляемая одноточечная система впрыска низкого давления для 4-х цилиндровых двигателей, особенностью моновпрыска является наличие топливной форсунки центрального расположения, работой которой управляет электромагнитный клапан. Система использует дроссельную заслонку для дозирования воздуха на впуске, в то время, как впрыск топлива осуществляется распыливанием над дроссельной заслонкой. Распределение топлива по цилиндрам осуществляется во впускном трубопроводе. Различные датчики контролируют все основные рабочие характеристики двигателя; они используются для расчета управляющих сигналов для форсунок и других исполнительных устройств системы.

Рис. 4

1 - регулятор давления; 2 - форсунка; 3 - возврат топлива; 4 - шаговый электродвигатель для управления работой двигателя на холостом ходу; 5- к впускному трубопроводу двигателя; 6 - дроссельная заслонка; 7 - вход топлива.

Форсунка располагается над дроссельной заслонкой. Струя топлива направляется непосредственно в серпообразное отверстие между корпусом и дроссельной заслонкой, где за счет большой разности давления обеспечивается оптимальное смесеобразование, исключающее возможность осаждения топлива на стенках впускного тракта. Форсунка работает при избыточном давлении 1 бар. Распыливание топлива позволяет получить однородное распределение смеси даже в условиях полных нагрузок. Впрыск топлива через форсунку синхронизирован с импульсами зажигания.

Помимо частоты вращения коленчатого вала двигателя, к основным переменным, от которых зависит работа системы моновпрыска, можно отнести следующие: отношение объема воздуха к его массе в потоке, абсолютное давление в трубопроводе и положение угла открытия дроссельной заслонки. Соблюдение отношения угла открытия дроссельной заслонки к частоте вращения коленчатого вала в системе моновпрыска Mono-Jetronic может обеспечить соответствие даже наиболее строгим требованиям к содержанию токсичных веществ в отработавших газах, когда эта система используется с обратной связью - с кислородным датчиком (лямбда-зондом) и трехкомпонентным каталитическим нейтрализатором. Сигнал от лямбда-зонда, поступающий в само адаптивную систему, используется для компенсации изменений в условиях работы двигателя, а также для поддержания стабильности работы во время всего срока службы.

Во время пуска холодного двигателя, а также непосредственно после пуска и в режиме прогрева время впрыскивания топлива увеличивается для обогащения топливовоздушной смеси. При холодном двигателе привод дроссельной заслонки устанавливает ее в такое положение, при котором подается большее количество смеси в двигатель, таким образом поддерживая частоту вращения коленчатого вала двигателя на холостом ходу и содержание вредных веществ в отработавших газах на постоянном уровне. Потенциометр, закрепленный на оси дроссельной заслонки, фиксирует положение заслонки и на основе этих данных ECU увеличивает количество подаваемого топлива. Таким же способом система обеспечивает обогащение рабочей смеси при ускорении и на режиме полного дросселя. В режиме принудительного холостого хода обеспечивается отключение подачи топлива. Адаптивное регулирование частоты вращения коленчатого вала на холостом ходу позволяет уменьшить и стабилизировать частоту вращения. ECU при помощи приводных устройств обеспечивает соответствие положения дроссельной заслонки изменениям частоты вращения коленчатого вала двигателя и температуры.

5. Система с распределенным впрыском топлива.

Распределенный впрыск это электронная система питания, которая основана на инжекторах (от слова injection - впрыск), топливной рампе (куда они устанавливаются), электронном насосе (который крепится в баке). Все просто ЭБУ дает приказания насосу качать топливо, оно по магистрали идет до топливной рампы, далее в форсунки и после распыляется перед впускными клапанами.

Но эта система также шлифовалась годами. Существуют три типа впрыска:

1. Одновременный. В этой системе впрыск топлива происходил сразу во все цилиндры, при одном обороте коленчатого вала. Это было крайне не практично, потому как обычно (в 4 цилиндровом двигателе) - два поршня работают над сжатием, а другие два отводят отработанные газы. И если подавать бензин сразу во все цилиндры, то другие два просто выкинут его в глушитель. Крайне затратно по бензину и очень вредно по экологии.

2. Попарно-параллельный. Этот вид в распределительном впрыске происходил в два цилиндра по очереди. То есть топливо поступало именно туда, где сейчас происходит сжатие.

3. Фазированный впрыск на данный момент самый распространенный. Здесь происходит максимальная экономия смеси, а также высокая экологическая составлявшая. Третий тип сейчас устанавливается на все современные модели автомобилей. Плюсами такого метода можно назвать относительную простоту конструкции, дешевизну, также сами инжекторы не должны быть сложными и устойчивыми к высоким температурам (потому как не имею контакта с горючей смесью), обеспечивают более точное дозирование топлива и соответственно меньше расход топлива и уровень вредных веществ в отработанных газах, но требовательны к качеству топлива.

Но из-за простоты, дешевизны и неприхотливости устанавливаются на большое количество моторов не только бюджетного сегмента, но и D-класса.

Рис. 5 Система L- jetronic.

1 – электронный блок управления; 2 – топливный фильтр; 3 – электрический топливный насос; 4 – топливный бак; 5 – впускной клапан; 6 – регулятор давления топлива; 7 – датчик положения дроссельной заслонки; 8 – датчик расхода воздуха; 9 – датчик температуры воздуха; 10 – впускной коллектор; 11- пусковая форсунка; 12 – дроссельный патрубок; 13 – дроссельная заслонка; 14 – датчик свободного кислорода в отработанных газах; 15 – датчик детонации; 16 – воздушный фильтр; 17 – датчик температуры охлаждающей жидкости; 18 – прерыватель – распределитель; 19 –регулятор холостого хода; 20 – выпускной коллектор; 21 – двигатель; 22 – воздушный патрубок; 23 – аккумуляторная батарея; 24, 25, 26 – реле.

Система питания с распределенным впрыском имеет следующие составные части:

— система подачи и очистки топлива;

— система подачи и очистки воздуха;

— система улавливания и сжигания паров бензина;

— электронная часть с набором датчиков;

— система выпуска и дожигания отработавших газов.

Система подачи топлива состоит из топливного бака, электрического бензонасоса, топливного фильтра, трубопроводов и топливной рампы, на которой установлены форсунки и регулятор давления топлива.

Электробензонасос (обычно роликовый) может устанавливаться как внутри бензобака, так и снаружи. Бензонасос включается с помощью электро-магнитного реле. Бензин засасывается насосом из бака и одновременно омывает и охлаждает электродвигатель насоса. На выходе из насоса имеется обратный клапан, который не позволяет топливу вытекать из напорной магистрали при выключенном бензонасосе. Для ограничения давления служит предохранительный клапан.

Поступающее от бензонасоса топливо, под давлением не менее 280 кПа проходит через топливный фильтр тонкой очистки и поступает к топливной рампе. Фильтр имеет металлический корпус, заполненный бумажным фильтрующим элементом.

Рампа представляет собой полую конструкцию, к которой крепятся форсунки и регулятор давления. Рампа крепится болтами к впускному трубопроводу двигателя. На рампе также устанавливается штуцер, который служит для контроля давления топлива. Штуцер закрыт резьбовой пробкой для предохранения от загрязнения.

Форсунка (рис. 7) имеет металлический корпус, внутри которого расположен электромагнитный клапан, состоящий из электрической обмотки, стального сердечника, пружины и запорной иглы. В верхней части форсунки расположен небольшой сетчатый фильтр, предохраняющий распылитель форсунки (имеющий очень маленькие отверстия) от загрязнения. Резиновые кольца обеспечивают необходимое уплотнение между рампой, форсункой и посадочным местом во впускном трубопроводе. Фиксация форсунки на рампе осуществляется с помощью специального зажима. На корпусе форсунки имеются электрические контакты для подключения электрического разъема. Регулирование количества топлива, впрыскиваемого форсункой, осуществляется изменением длины электрического импульса, подаваемого на контакты форсунки.

Регулятор давления топлива (рис. 6) служит для изменения давления в рампе, в зависимости от разрежения во впускном трубопроводе. В стальном корпусе регулятора расположен подпружиненный игольчатый клапан, соединенный с диафрагмой. На диафрагму, с одной стороны воздействует давление топлива в рампе, а с другой разрежение во впускном трубопроводе. При увеличении разрежения, во время прикрытия дроссельной заслонки, клапан открывается, излишки топлива сливаются по сливному трубопроводу обратно в бак, а давление в рампе уменьшается.

В последнее время появились системы впрыска, в которых отсутствует регулятор давления топлива. Например, на рампе двигателя V8 автомобиля New Range Rover нет регулятора давления, и состав горючей смеси обеспе-чивается только работой форсунок, получающих сигналы от электронного блока.

Рис.6 Регулятор давления Рис. 7 Топливные форсунки

Система подачи и очистки воздуха состоит из воздушного фильтра со сменным фильтрующим элементом, дроссельного патрубка с заслонкой и регулятором холостого хода, ресивера и выпускного трубопровода.

Ресивер должен иметь достаточно большой объем, для того чтобы сглаживались пульсации поступающего в цилиндры двигателя воздуха.

Дроссельный патрубок закреплен на ресивере и служит для изменения количества воздуха, поступающего в цилиндры двигателя. Изменение количества воздуха осуществляется с помощью дроссельной заслонки, поворачиваемой в корпусе с помощью тросового привода от педали «газа». На дроссельном патрубке установлены датчик положения дроссельной Заслонки и регулятор холостого хода. В дроссельном патрубке имеются отверстия для забора разрежения, которое используется системой улавливания паров бензина.

В последнее время конструкторы систем впрыска начинают применять электропривод управления, когда между педалью «газа» и дроссельной заслонкой нет механической связи. В таких конструкциях на педали «газа» устанавливаются датчики ее положения, а дроссельная заслонка поворачи-вается шаговым электродвигателем с редуктором. Электродвигатель

поворачивает заслонку по сигналам компьютера, управляющего работой двигателя.

В таких конструкциях не только обеспечивается четкое выполнение команд водителя, но и имеется возможность влиять на работу двигателя, исправляя ошибки водителя, действием электронных систем поддержания устойчивости автомобиля и других современных электронных систем обеспечения безопасности.

Датчик положения дроссельной заслонки представляет собой потенцио-метр, ползунок которого соединен с осью дроссельной заслонки. При повороте дросселя, изменяется электрическое сопротивление датчика и напряжение его питания, которое является выходным сигналом для ЭБУ. В системах электропривода управления дроссельной заслонкой используется не меньше двух датчиков, чтобы компьютер мог определять направления перемещения заслонки.

Регулятор холостого хода служит для регулировки оборотов коленчатого вала двигателя на холостом ходу путем изменения количества воздуха, проходящего в обход закрытой дроссельной заслонки. Регулятор состоит из шагового электродвигателя, управляемого ЭБУ, и конусного клапана. В современных системах, имеющих более мощные компьютеры управления работой двигателя, обходятся без регуляторов холостого хода. Компьютер, анализируя сигналы от многочисленных датчиков, управляет длительностью поступающих к форсункам импульсов электрического тока и работой двигателя на всех режимах, в том числе и на холостом ходу.

Между воздушным фильтром и патрубком впускного трубопровода устанавливается датчик массового расхода топлива. Датчик изменяет частоту электрического сигнала, поступающего к ЭБУ, в зависимости от количества воздуха, проходящего через патрубок. От этого датчика поступает к ЭБУ и электрический сигнал, соответствующий температуре поступающего

воздуха. В первых системах электронного впрыска использовались датчики, оценивающие объем поступающего воздуха. Во впускном патрубке устанавливалась заслонка, которая отклонялась на разную величину в зависимости от напора поступающего воздуха. С заслонкой был связан потенциометр, который изменял сопротивление в зависимости от величины

поворота заслонки. Современные датчики массового расхода воздуха работают, используя принцип изменения электрического сопротивления нагретой проволоки или токопроводящей пленки при охлаждении ее поступающим потоком воздуха. Управляющий компьютер, получающий также сигналы от датчика температуры поступающего воздуха, может определить массу поступившего в двигатель воздуха.

Для корректного управления работой системы распределенного впрыска электронному блоку требуются сигналы и от других датчиков. К последним относятся: датчик температуры охлаждающей жидкости, датчик положения и частоты вращения коленчатого вала, датчик скорости автомобиля, датчик детонации, датчик концентрации кислорода (устанавливается в приемной трубе системы выпуска отработавших газов в варианте системы впрыска с обратной связью).

В качестве температурных датчиков в настоящее время в основном используются полупроводники, изменяющие электрическое сопротивление при изменении температуры. Датчики положения и скорости вращения коленчатого вала обычно выполняются индуктивного типа. Они выдают импульсы электрического тока при вращении маховика с метками на нем.

Рис. 8 Датчики положения открытия дроссельной заслонки, положения коленчатого вала и распределительного вала.

В системах впрыска с обратной связью используются датчики концентрации кислорода в отработавших газах, которые устанавливаются в выпускной системе с каталитическим нейтрализатором отработавших газов. Принцип действия датчика заключается в способности пропускать через себя ионы кислорода. Если содержание кислорода на активных поверхностях датчика (одна из которой контактирует с атмосферой, а другая с отработав-шими газами) значительно отличается, происходит резкое изменение напряжения на выводах датчика. Иногда устанавливают два датчика концентрации кислорода: один - до нейтрализатора, а другой - после.

Рис.9. Устройство датчика концентрации кислорода:

1 - уплотнительное кольцо; 2 - металлический корпус; 3 – керамический изолятор; 4 - провода; 5 - уплотнительная манжета проводов; 6 - токоподводящий контакт провода питания нагревателя; 7 - наружный защитный экран с отверстием для атмосферного воздуха; 8 – токосъемник электрического сигнала; 9 — электрический нагреватель; 10 – керамический наконечник; 11 — защитный экран с отверстием для отработавших газов.

Контрольные вопросы

1. Какие преимущества инжекторной системы впрыска топлива?

2. Устройство и работа системы с центральным впрыском топлива.

3. Устройство и работа системы распределительного впрыска топлива?

4. Какую функцию выполняет ЭБУ в системе впрыска топлива?

5. Какие датчики используются в системе с распределенным впрыском топлива?

Литература:

1. Михайловский Е.В. Устройство автомобиля, М., «Машиностроение» 1987г. 352с. ил.

2. Стуканов В.А. Устройство автомобилей: учеб. пособие. – М.: Форум, 2010. – 496 с.

3. Гладов, Г.И. Устройство автомобилей: учебник для студ. учреждений сред. проф. образования / Г.И. Гладов, А.М. Петренко. – 6–е изд., стер. – М.: Издательский центр «Академия», 2017. – 352 с.

4. Савич, Е.Л. Устройство автомобилей: учебное пособие/Е.Л. Савич, Е.А. Гурский, Е.А. Лагун. – Минск: РИПО, 2018. – 448 с.

5. Пехальский, А.П. Устройство автомобилей: учеб. пособие. – М.: «Академия», 2010. – 528 с.

6. Передерий, В.П. Устройство автомобиля: учеб. пособие. – М.: ИД «Форум»; ИНФРА–М, 2012. – 288 с.

7. Пузанков, А.Г Автомобили. Устройство и техническое обслуживание: Учебник. – М.: «Академия», 2010. –640 с.

8. Волков, Д. П. Строительные машины и средства малой механизации: Учебник. – М.: «Академия», 2009. – 480 с.

9. Вахламов, В. К. Автомобили: Конструкция и элементы расчета: Учебник. – М.: «Академия», 2006. – 480 с.

10. Вахламов, В. К. Автомобили: Эксплуатационные свойства: Учебник. – М.: «Академия», 2006. –240 с.

11. Савич, Е.Л. Легковые автомобили: Учеб. пособие. – Минск: Знание, 2009. –651 с.

12. Родичев, В. А. Грузовые автомобили: Учебник. – М.: «Академия», 2002. – 256 с.

13. Родичев, В. А. Легковой автомобиль: Учеб. пособие. – М.: ПрофОбрИздат, 2002. – 88 с.

14. Чумаченко, Ю.Т. Автослесарь. Устройство, техническое обслуживание и ремонт автомобилей. – Ростов н/Д.: Феникс, 2009.

15. Баловнев, В. И. Автомобили и тракторы: Краткий справочник. – М.: «Академия», 2008. – 384 с.

Ответы на вопросы записать в рабочей тетради и прислать на электронный адрес: ustroystvo@internet.ru с пометкой Лекция Тема № 1.1.8.