Інжекторні системи в автомобільних двигунах: як вони розвивались і до чого дійшли

Еволюція бензинових паливних систем тривала більше ста років. Зараз головними векторами розвитку є екологічність та економічність.

Карбюраторні системи залишилися в далекому минулому. Останні 20-30 років упевнене лідерство тримають інжекторні системи впорскування пального. Про їх переваги, недоліки та тонкощі експлуатації та обслуговування – в нашому сьогоднішньому матеріалі.

Особливості інжекторного впорскування

Головний недолік карбюраторних двигунів – невідповідність екологічним нормам. А ще у карбюраторних систем живлення були складнощі з точністю дозування паливно-повітряної суміші. Через це двигуну може або бракувати потужності або, навпаки, він отримує надлишок пального, який крім іншого, погіршує екологічні показники. Викиди можуть бути настільки «страшними», що сьогодні двигуни цього типу вже просто не відповідають екологічним стандартам.

В інжекторних двигунах цих недоліків вдалося позбутися. За дозування пального, яке надходить до камери згоряння, в них відповідає електронний блок керування (ECU). При цьому за допомогою цілої системи датчиків він відстежує безліч важливих параметрів: від витрати повітря та кількості вільного кисню у вихлопних газах, тиску та температури двигуна до положення колінвала та дросельної заслінки. Саме ж впорскування пального відбувається примусово – за допомогою форсунок-інжекторів.

Цікавий факт: спочатку інжекторне впорскування застосовували в авіаційних двигунах. Сталося це в далекому 1916 році. Однак згодом його витіснили реактивні системи. Проте в 1951 році інжекторні системи упорскування почали застосовуватися в автомобілебудуванні. Це були механічні системи безпосереднього впорскування виробництва компанії Bosch. Активний розвиток інжекторних систем подачі пального почався в 70-х рр. XX століття. А до початку 2000-х вони практично повністю витіснили карбюратори.

Чому? Для цього існує безліч причин. Перелічимо основні:

• Екологічний лобізм – багато хто гадає, що зміна клімату на планеті пов’язана виключно з людською діяльністю, а автомобілі забруднюють планету. Ця думка настільки поширена, що має підтримку на державному рівні у багатьох країнах.
• Більш економічна витрата пального – завдяки точному дозуванню паливно-повітряної суміші.
• Зниження токсичності вихлопних газів – завдяки оптимізації складу паливно-повітряної суміші та контролю її згоряння.
• Збільшення потужності двигуна – завдяки оптимальному наповненню циліндрів сумішшю.
• Поліпшення динаміки двигуна – завдяки можливості відстежувати зміни навантаження та гнучко змінювати параметри паливно-повітряної суміші.
• Легший запуск у будь-яку погоду та скорочення часу попереднього прогріву двигуна – завдяки точному дозуванню пального.

Типи інжекторних систем

Залежно від способу подачі пального всі інжекторні двигуни можна розділити на три основні типи. Це системи центрального, розподіленого та безпосереднього (прямого) впорскування.

Перші – вже давно застарілі. Вони найпростіші за своїм устроєм: місцем упорскування пального є впускний колектор, звідки вже готова паливно-повітряна суміш розподіляється по циліндрах двигуна. Саме з центрального впорскування починався розвиток сучасних інжекторних систем. Однак досягти рівномірного розподілу пального в циліндрах (а відтак і достатньої ефективності двигуна), виявилося складно. Тому системи моновпорскування згодом поступилися місцем досконалішим рішенням.

Ними стали системи розподіленого та безпосереднього впорскування. У системах з розподіленим упорскуванням кількість форсунок відповідає кількості циліндрів двигуна: впорскування відбувається окремо для кожного, хоча й здійснюється в той самий впускний колектор. Залежно від режиму роботи форсунок упорскування може відбуватися одночасно, попарно-паралельно або фазовано.

На відміну від всіх інших, системи безпосереднього впорскування подають пальне не у впускний колектор, а безпосередньо в циліндри двигуна. Це ефективніше, але водночас значно технічно складніше, вимогливіше до якості пального та найдорожче в реалізації рішення. Тому застосовується воно тільки в дорогих автомобілях останніх років випуску.

Основні несправності та їх причини

Про збої у роботі системи попереджає сигнальна лампочка Check Engine на приладовій панелі. Більшість поломок інжекторної системи викликані проблемами в роботі датчиків і станом форсунок, які можуть вийти з ладу через неякісне пальне. Щодо датчиків, то самі пристрої ламаються не дуже часто. Значно частіше виникають проблеми з їх електроланцюгом, наприклад, пошкоджується проводка або перегорають запобіжники.

Самостійно виявити та усунути проблему цілком реально – потрібно лише мати відповідне обладнання та досвід. Проте не всі автолюбителі погодяться купувати діагностичні сканери та вивчати принципи роботи інжекторних систем. Справа у тому, що ці системи досить складні, для їх діагностики та ремонту набагато легше звернутись до фахівців. Тому як тільки ви помітили, що двигун почав працювати нерівно (гірше заводитися, смикатися при їзді або “плавати” на холостих обертах), зростає споживання пального – радимо не зволікати з візитом на СТО. Звертатися краще туди, де є все необхідне для діагностики та ремонту інжекторних систем, зокрема спеціальне обладнання.

Одним з основних постачальників систем інжекторного впорскування на конвеєри різних автовиробників є Bosch. Відповідно, компанія також виробляє інструменти для їх обслуговування та займається навчанням персоналу. Одна з недавніх новинок – набір BTG 5120, за допомогою якого можна здійснювати професійне обслуговування та ремонт поширених клапанних форсунок HDEV5 і HDEV6 але не всієї інжекторної системи. Як ми вже говорили, саме проблеми з форсунками – одна з найпоширеніших несправностей систем упорскування. Їхній вихід з ладу зазвичай пов’язаний з низькою якістю пального.

Системи упорскування палива бензинових двигунів: види і принцип роботи

Система вприскування палива застосовується для дозованої подачі палива в двигун внутрішнього згоряння в строго певний момент часу. Від характеристик даної системи залежить потужність, економічність і екологічний клас двигуна автомобіля. Системи упорскування можуть мати різну конструкцію і варіанти виконання, що характеризує їх ефективність і сферу застосування.

Коротка історія появи

Система впорскування палива почала активно впроваджуватися в 70-х роках, з’явившись реакцією на зростання рівня викидів забруднюючих речовин в атмосферу. Вона була запозичена в авіабудуванні і була екологічно безпечнішою альтернативою карбюраторному двигуну. Останній був оснащений механічною системою подачі палива, при якій паливо надходило в камеру згоряння за рахунок різниці тисків.

Перша система уприскування була практично повністю механічною і відрізнялася малою ефективністю. Причиною цього був недостатній рівень технічного прогресу, який не міг повністю розкрити її потенціал. Ситуація змінилася в кінці 90-х років з розвитком електронних систем управління роботою двигуна. Електронний блок управління став контролювати кількість палива, що впорскується в циліндри і процентне співвідношення компонентів паливо-повітряної суміші.

Види систем уприскування бензинових двигунів

Існує кілька основних видів систем уприскування палива, які відрізняються способом освіти паливо-повітряної суміші.

Моновприск, або центральне уприскування

Схема роботи системи моновриску

Схема з центральним уприскуванням передбачає наявність однієї форсунки, яка розташована у впускному колекторі. Такі системи упорскування можна знайти тільки на старих легкових автомобілях. Вона складається з наступних елементів:

• Регулятор тиску – забезпечує постійну величину робочого тиску 0,1 МПа і запобігає появі повітряних пробок в паливній системі.
• Форсунка уприскування – здійснює імпульсну подачу бензину у впускний колектор двигуна.
• Дросельна заслінка – виконує регулювання обсягу повітря, що подається. Може мати механічний або електричний привід.
• Блок управління – складається з мікропроцесора і блоку пам’яті, який містить еталонні дані характеристики впорскування палива.
• Датчики положення колінчатого вала двигуна, положення дросельної заслінки, температури і т.д.

Системи упорскування бензину з одною форсункою працюють за такою схемою:

• Двигун запущений.
• Датчики зчитують і передають інформацію про стан системи в блок управління.
• Отримані дані порівнюються з еталонною характеристикою, і, на основі цієї інформації, блок управління розраховує момент і тривалість відкриття форсунки.
• На електромагнітну котушку направляється сигнал про відкриття форсунки, що призводить до подачі палива у впускний колектор, де він змішується з повітрям.
• Суміш палива і повітря подається в циліндри.

Розподілене уприскування (MPI)

Система з розподіленим уприскуванням складається з аналогічних елементів, але в такій конструкції передбачені окремі форсунки для кожного циліндра, які можуть відкриватися одночасно, попарно або по одній. Змішання повітря і бензину відбувається також у впускному колекторі, але, на відміну від моновриску, подача палива здійснюється тільки у впускні тракти відповідних циліндрів.

Схема роботи системи з розподіленим уприскуванням

Управління здійснюється електронікою (KE-Jetronic, L-Jetronic). Це універсальні системи упорскування палива Bosch, що набули широкого поширення.

Принцип дії розподіленого уприскування:

• У двигун подається повітря.
• За допомогою ряду датчиків визначається обсяг повітря, його температура, швидкість обертання колінчастого вала, а також параметри положення дросельної заслінки.
• На основі отриманих даних електронний блок управління визначає обсяг палива, оптимальний для спожитої кількості повітря.
• Подається сигнал, і відповідні форсунки відкриваються на необхідний проміжок часу.

Безпосередній впорскування палива (GDI)

Система передбачає подачу бензину окремими форсунками безпосередньо в камери згоряння кожного циліндра під високим тиском, куди одночасно подається повітря. Ця система уприскування забезпечує найбільш точну концентрацію паливо-повітряної суміші, незалежно від режиму роботи мотора. При цьому суміш згорає практично повністю, завдяки чому зменшується обсяг шкідливих викидів в атмосферу.

Схема роботи системи безпосереднього вприскування

Така система уприскування має складну конструкцію і сприйнятлива до якості палива, що робить її дорогою у виробництві і експлуатації. Оскільки форсунки працюють в більш агресивних умовах, для коректної роботи такої системи необхідно забезпечення високого тиску палива, яке повинно бути не менше 5 МПа.

Конструктивно система безпосереднього уприскування включає в себе:

• Паливний насос високого тиску.
• Регулятор тиску палива.
• Паливна рампа.
• Запобіжний клапан (встановлений на паливній рампі для захисту елементів системи від підвищення тиску більше допустимого рівня).
• Датчик високого тиску.
• Форсунки.

Електронна система вприскування такого типу від компанії Bosch отримала найменування MED-Motronic. Принцип її дії залежить від виду сумішоутворення:

• Пошарове – реалізується на малих і середніх оборотах двигуна. Повітря подається в камеру згоряння на великій швидкості. Паливо впорскується у напрямку до свічки запалення і, змішуючись на цьому шляху з повітрям, запалюється.
• Стехіометричне. При натисканні на педаль газу відбувається відкриття дросельної заслінки і здійснюється впорскування палива одночасно з подачею повітря, після чого суміш запалюється і повністю згорає.
• Гомогенне. В циліндрах провокується інтенсивний рух повітря, при цьому на такті впуску відбувається вприскування бензину.

Безпосередній впорскування палива в бензиновому двигуні – найбільш перспективний напрямок в еволюції систем уприскування. Вперше він був реалізований в 1996 році на легкових автомобілях Mitsubishi Galant, і сьогодні його встановлюють на свої автомобілі більшість найбільших автовиробників.

(9

оцінок, середнє: 4,00 з 5)
Завантаження .

Основні елементи системи упорскування MPI та MPFI

Для кращого розуміння загального функціонування цієї системи упорскування необхідно спочатку ознайомитися з окремими завданнями складових елементів.

Ілюстрація відображає систему упорскування MPI/MPFI. Цифри позначають:
1 – регулятор тиску подачі палива;
2 – розподільник палива;
3 – упорскування форсунка.

Додаткові сигнали

Ця схема докладно показує систему запалювання та впорскування на прикладі системи MPFI з датчиком тиску у випускному колекторі. На лівій стороні розташовані датчики та сенсори, що впливають на поведінку блоку управління. Праворуч представлені компоненти систем запалення та упорскування, яким блок управління посилає свої команди.

Блок управління

Між інформацією, що надходить (від різних датчиків), і впорскованими форсунками знаходиться блок управління. Він дозволяє двигуну, залежно від діючих умов навантаження та температури, отримувати точно певну кількість палива. Для цього блок управління варіює тривалість відкриття форсунок з електромагнітним приводом. Оскільки тиск у системі подачі палива завжди залишається практично незмінним, кількість палива, що впорскується, може регулюватися тільки за допомогою зміни тривалості впорскування. Звідки блок управління отримує інформацію, за якою він встановлює цю тривалість упорскування? За це відповідають різні датчики:

Тільки 2,8-літровий двигун із системою упорскування MPI: витратомір повітря; він видає інформацію про кількість повітря, що надійшло.

Тільки 2,6-літровий двигун із системою упорскування MPFI: датчик температури у випускному колекторі; він повідомляє в поєднанні з датчиком тиску у випускному колекторі (у блоці управління) величину кількості/маси повітря, що надійшло.

Датчик температури рідини, що охолоджує; він повідомляє про величину температури двигуна.

Потенціометр дросельної заслінки; він повідомляє інформацію про навантаження двигуна.

Датчик частоти обертів; сигнал про частоту обертання системи запалювання/упорскування MPI/MPFI. Датчик моменту запалювання; він повідомляє про положення колінчастого валу. Так блок управління дізнається, який циліндр на черзі для запалювання чи упорскування.

Сигнал пуску надходить з клеми 50 (замка-вимикача запалювання та стартера).

Лямбда-зонди повідомляють, чи правильний склад суміші.

Показники від датчиків згоряння детонації, від трансмісії, від тахометра, від кондиціонера.

Упорсковані форсунки

У впускному колекторі кожного циліндра двигуна знаходиться по одній форсунці впорскування. Вони доставляють відповідному циліндру необхідну кількість палива. Форсунки рухаються електромагнітом. При цьому голка розпилювача піднімається зі свого сідла приблизно на 0,1 мм – паливо може надходити. Управління кожним окремим упорскуванням форсункою відбувається точно в такт упорскування. Це означає, що у палива, що впорскується, навіть немає часу конденсуватися на стінках впускного колектора (немає втрат палива).

Розподільник палива

Він призначений для рівномірного постачання паливом усіх упорскованих форсунок. Розподільник палива діє і як накопичувач палива, тим самим запобігаючи перепадам тиску. Цікава U-подібна форма труби, що дозволяє підведення палива до всіх шести форсунок.

Регулятор керування подачі палива

Він розташований ззаду праворуч на розподільнику палива і повинен підтримувати постійний рівень тиску в розподільнику палива. Здійснюється це за допомогою більш менш сильного відтоку палива назад в паливний бак по зливній магістралі. Якщо зливною магістралі йде більше палива, то тиск знижується; якщо менше – тиск підвищується. Через приєднання вакуумного трубопроводу до регулятора тиску, крім того, надходить інформація про навантаження на двигун. При повному навантаженні регулятор ще більше підвищує тиск, впорскує більше палива, для досягнення максимальної потужності двигуна.

Паливний насос та реле

Більш детально про електромагнітний паливний насос, реле паливного насоса та інші реле MPI/MPFI ви дізнаєтеся в розділі «Паливний бак та паливний насос».

Витратомір повітря (тільки MPI)

На шляху потоку повітря знаходиться дріт, що підігрівається електрично. Залежно від впущеної кількості повітряний потік змінюється, що призводить до більш менш сильного охолодження згаданого дроту. Зміна температури призводить до зміни електричного опору дроту, що вимірюється блоком керування.

Датчик тиску (тільки MPFI)

Датчик тиску у випускному колекторі знаходиться у блоці керування MPFI. Тиск у випускному колекторі для блоку управління головним видом інформації для розрахунку навантаження двигуна. Воно впливає на тривалість упорскування та момент запалення.

Датчик температури (тільки MPFI)

Датчик температури впускного повітря увімкнений у впускному каналі третього циліндра. Він служить блоку управління джерелом інформації до розрахунку навантаження на двигун. При високій температурі впускного повітря (що рівноцінно низької щільності повітря) необхідно, наприклад, скоротити тривалість упорскування і трохи зрушити момент запалення в бік пізніше.

Корпус дросельного вузла

Там, де потік повітря, що всмоктується, потрапляє у випускний колектор двигуна, в одному корпусі знаходяться дві дросельні заслінки. Найменша із заслінок з’єднана тросом з педаллю акселератора. Вона дозує потік впускного повітря двигун до положення половинного навантаження. При подальшому натисканні на педаль акселератора важіль тяги відкриває другу, велику заслінку доти, поки в положенні повного навантаження не виявляються повністю відкритими обидві заслінки.

Потенціометр дросельної заслінки

Потенціометр дросельної заслінки приводиться в дію валиком дросельної заслінки. Він визначає положення дросельної заслінки в даний момент часу та передає блоку управління цю інформацію у формі електричного опору. Блок управління потребує цієї інформації про навантаження для регулювання частоти обертання в режимі холостого ходу, вибору характеристики запалення та розрахунку тривалості упорскування.

Клапан стабілізації частоти обертів холостого ходу

Цей клапан постійно забезпечує постійну частоту обертання валу двигуна в режимі холостого ходу – все одно, чи є двигун холодним або прогрітим, чи включені потужні споживачі електроенергії типу кондиціонера. Сам клапан – виконуючий орган. Центром регулювання є блок управління систем упорскування MPI чи MPFI. Він порівнює частоту обертання на даний момент з нормативною і таким чином забезпечує тонко узгоджене відкриття та закриття регулюючого клапана для врівноваження частоти обертання. При цьому варіюється поперечний переріз додаткового повітряного каналу, прокладеного в обхід дросельних заслінок. Коли канал відкритий, впускається більша кількість повітря, тим самим витратомір повітря або датчик тиску у випускному колекторі через збільшення кількості повітря “думає”, що відкрита дросельна заслінка. Що в свою чергу дає підставу системі впорскування збільшити кількість палива, що надходить. У різних системах упорскування діють різні клапани для стабілізації частоти обертання: у системі упорскування MPI – плавно регулюючий; в системі упорскування MPFI – що приводиться в дію так званим кроковим двигуном. Цей останній регулює відкриття каналів у невеликих, тонко відрегульованих щаблях.