Устройство системы питания автомобиля

Как работает инжекторный двигатель?

Инжекторный двигатель – это довольно сложный механизм, работа которого должна быть хорошо отлажена, чтобы получить от него максимальную производительность. В статье подробно рассмотрен принцип работы инжекторного двигателя.

Центром всей системы является ЭБУ (электронный блок управления). Он носит много названий, «мозги», «компьютер» и так далее. По сути да, это компьютер, в который заложено огромное количество таблиц по составу смеси, времени впрыска топлива и прочего. Например, если обороты двигателя равны 1500, дроссельная заслонка открыта на 10 градусов, а расход воздуха составляет 23 кг, то в цилиндр будет поступать одно количество топлива. Если же вводные параметры изменяются, то и результат будет другим. Если с блоком управления возникают какие-то проблемы, например, слетает прошивка, то все идет прахом, двигатель либо начинает как попало работать, либо и вовсе перестает.

О карбюраторе, его достоинствах и недостатках

Здесь необходимо сделать небольшое дополнение. Раз мы рассматриваем бензиновый мотор, то в нем подача бензина в цилиндры двигателя возможна различными способами. Исторически первой была разработана подача и дозировка бензина при помощи карбюратора. Это специальное устройство, которое обеспечивает необходимое количество топливно-воздушной смеси (ТВС) в цилиндрах.

Топливно-воздушной называется смесь воздуха и паров бензина. Она приготавливается в карбюраторе, специальном устройстве, для их смешивания в нужной пропорции, зависящей от режима работы двигателя. Будучи достаточно простым по своему устройству, карбюратор длительное время успешно работал с бензиновым мотором. Однако по мере развития автомобиля выявились недостатки, с которыми в сложившихся к тому времени условиях уже было трудно мириться разработчикам двигателя. В первую очередь это касалось:

• топливной экономичности. Карбюратор не обеспечивал экономного расходования бензина при внезапном изменении режима движения машины;
• экологической безопасности. Содержание в отработанных газах токсичных веществ было достаточно высоким;
• недостаточной мощности двигателя из-за несоответствия ТВС режиму движения автомобиля и его текущему состоянию.

Чтобы избавиться от отмеченных недостатков был реализован иной принцип подачи топлива в мотор – с помощью инжектора.

История [ править | править код ]

Появление и применение систем впрыска в авиации

Карбюраторные системы для работы под углом к горизонту необходимо дополнять множеством устройств либо применять специально спроектированные карбюраторы. Система непосредственного впрыска авиационных двигателей — удобная альтернатива карбюраторной, так как инжекционная система впрыска в силу конструкции работает в любом положении относительно направления силы тяжести.

Первый в России опытный мотор с системой впрыска был изготовлен в 1916 году Микулиным и Стечкиным.

К 1936 году на фирме Robert Bosch были готовы первые комплекты топливной аппаратуры для непосредственного впрыска бензина в цилиндры, которую через год стали серийно ставить на V-образный 12-цилиндровый двигатель Daimler-Benz DB 601. Именно этими моторами объёмом 33,9 л оснащались, в частности, основные истребители Люфтваффе Messerschmitt Bf 109. И если карбюраторный двигатель DB 600 развивал на взлетном режиме 900 л. с., то DB 601 с впрыском позволял поднять мощность до 1100 л. c. и более. Позже в серию пошла девятицилиндровая «звезда» BMW 132 с подобной системой питания — лицензионный авиадвигатель Pratt & Whitney Hornet, который на BMW производили с 1928 года. Он же устанавливался, к примеру, на транспортные самолеты Junkers Ju 52. Авиационные двигатели в Англии, США и СССР в те времена были исключительно карбюраторными. Японская же система впрыска на истребителях «Mitsubishi A6M Zero» требовала промывки после каждого полета и поэтому не пользовалась популярностью в войсках.

Лишь к 1940 году, когда Советскому Союзу удалось закупить образцы новейших германских авиационных двигателей со впрыском, работы по созданию отечественных систем непосредственного впрыска получили новый импульс. Однако серийное производство советских насосов высокого давления и форсунок, созданных на основе немецких, началось лишь к середине 1942 года — первенцем стал звездообразный мотор АШ-82ФН, который ставили на истребители Ла-5, Ла-7 и бомбардировщики Ту-2. Мотор со впрыском АШ-82ФН оказался настолько удачным, что выпускался ещё долгие десятилетия, использовался на вертолете Ми-4 и самолетах Ил-14.

К концу войны довели до серии свой вариант впрыска и в США. Например, двигатели «летающей крепости» Boeing B-29 тоже питались бензином через форсунки.

Начало реактивной эры привело к прекращению работ по системам впрыска. На тяжелых и скоростных самолетах применялись турбовинтовые и реактивные двигатели, а поршневые ставились лишь на тихоходные легкие маломаневренные самолеты и вертолеты, которые могли нормально работать и с карбюраторной системой питания.

Применение систем впрыска в автомобилестроении

Системы управления двигателем в автомобилестроении начали применяться с 1951 года, когда механической системой непосредственного впрыска бензина производства западногерманской фирмы Bosch был оснащён двухтактный двигатель микролитражного купе 700 Sport, выпущенного фирмой Goliath из Бремена. В 1954 году появилось купе Mercedes-Benz 300 SL («крыло чайки»), двигатель которого оснащался аналогичной механической системой впрыска Bosch . На рубеже 1950—1960-х годов над электронными системами впрыска топлива активно работали Chrysler и ГАЗ. Тем не менее, до эпохи появления дешёвых микропроцессоров и введения жёстких требований к уровню вредных выбросов автомобилей идея впрыска популярностью не пользовалась и только с конца 1970-х их массовым внедрением занялись все ведущие мировые автопроизводители.

Первой серийной моделью с электронным управлением системы впрыска бензина стал седан Rambler Rebel 1967 модельного года, который выпускала фирма Nash, входившая в качестве отделения в состав концерна AMC. Нижневальная V-образная «восьмерка» Rebel объёмом 5,4 л в карбюраторном варианте развивала 255 л. с., а в заказной версии Electrojector уже 290 л. с. Разгон до 100 км/ч у такого седана занимал менее 8 с.

К началу 2000-х годов системы распределённого и прямого электронного впрыска практически вытеснили карбюраторы на легковых и легких коммерческих автомобилях.

Система питания инжекторного двигателя современного автомобиля — это сложнейший «организм», состоящий из датчиков, исполнительных устройств и самого главного — блока управления. Не зря в народе его называют «мозги». Именно блок управления контролирует работу всей системы впрыска топлива.

С его помощью происходит нормальное функционирование двигателя, регулировка угла опережения зажигания, момента впрыска топливовоздушной смеси и многих других параметров.

Преимущества и недостатки инжектора

Множество автолюбителей задумывается, особенно при выборе автомобиля, в чем заключаются преимущества инжектора:

Первое – подача топлива в камеру сгорания, где происходит смешивание с воздухом, происходит с помощью форсунки. Это позволяет дозировать порцию бензина на одно впрыскивание. За счет этого у транспортного средства значительно увеличивается мощность (на 7–10%), а главное снижается расход топлива.

Система впрыска очень чувствительна к изменениям нагрузки, и поэтому быстро реагирует на ее изменения количеством подачи бензина. Немаловажным преимуществом является то, что в холодное время года транспортное средство практически не нужно «прогревать». Также инжектор незначительно повышает экологичность выхлопных газов.

Теперь перейдем к недостаткам. Во-первых, автоматизированость инжекторной системы не всегда является преимуществом. При внезапном выходе из строя, привести систему в работу самостоятельно без помощи специалиста невозможно.

Кроме того, инжектор очень требователен к выбору топлива, особенно если вы хотите, чтобы транспортное средство прослужило как можно дольше. При поломках большинство деталей являются неремонтопригодными и требуют полной замены.

В случае ДТП риск воспламенения более высок, из-за подачи топлива под определённым давлением (в случае повреждения контроллера впрыска).

Принцип работы инжектора

Бак является емкостью для бензина, где он хранится и подается в систему. Электробензонасос располагается в баке, то есть забор топлива производится непосредственно им, причем этот элемент обеспечивает подачу топлива под давлением.

Далее в систему установлен топливный фильтр, обеспечивающий очистку бензина от сторонних примесей.  Поскольку бензин находится под давлением, то передвигается он по топливопроводу высокого давления.

Для предотвращения превышения давления, в систему входит регулятор давления. От фильтра, через него по топливопроводам бензин движется в топливную рампу, соединенной со всеми форсунками. Сами же форсунки устанавливаются во впускном коллекторе, недалеко от клапанных узлов цилиндров.

Раньше форсунки были полностью механическими, и срабатывали они от давления топлива. При достижении определенного значения давления топливо, преодолевая усилие пружины форсунки, открывало клапан подачи и впрыскивалось через распылитель.

Современная форсунка – электромагнитная. В ее основе лежит обычный соленоид, то есть проволочная обмотка и якорь. При подаче электрического импульса, который поступает от ЭБУ, в обмотке образуется магнитное поле, воздействующее на сердечник, заставляя его переместиться, преодолев усилие пружины, и открыть канал подачи. А поскольку бензин подается в форсунку под давлением, то через открывшийся канал и распылитель бензин поступает в коллектор.

С другой стороны через воздушный фильтр в систему засасывается воздух. В патрубке, по котором движется воздух, установлен дроссельный узел с заслонкой. Именно на эту заслонку и воздействует водитель, нажимая на педаль акселератора. При этом он просто регулирует количество воздуха, подаваемого в цилиндры, а вот на дозировку топлива водитель вообще никакого воздействия не имеет.

Электронная составляющая

Основным элементом электронной части инжекторной системы подачи топлива является электронный блок, состоящий из контролера и блока памяти. В конструкцию также входит большое количество датчиков, на основе показаний которых ЭБУ выполняет управление системой.

Для своей работы ЭБУ использует показания датчиков:

1. Лямбда-зонд . Это датчик, который определяет остатки несгоревшего воздуха в выхлопных газах. На основе показаний лямбда-зонда ЭБУ оценивает как соблюдается смесеобразование в необходимых пропорциях. Устанавливается в выпускной системе авто.
2. Датчик массового расхода воздуха (аббр. ДМРВ). Этим датчиком определяется количество проходящего через дроссельный узел воздуха при всасывании его цилиндрами. Расположен в корпусе воздушного фильтрующего элемента;
3. Датчик положения дроссельной заслонки (аббр. ДПДЗ). Этот датчик подает сигнал о положении педали акселератора. Установлен в дроссельном узле;
4. Датчик температуры силовой установки. На основе показаний этого элемента регулируется состав смеси в зависимости от температуры мотора. Располагается возле термостата;
5. Датчик положения коленчатого вала (аббр. ДПКВ). На основе показаний этого датчика определяется цилиндр, в который необходимо подать порцию топлива, время подачи бензина, и искрообразование. Установлен возле шкива коленчатого вала;
6. Датчик детонации. Необходим для выявления образования детонационного сгорания и принятия мер для его устранения. Расположен на блоке цилиндров;
7. Датчик скорости. Нужен для создания импульсов, по которым высчитывается скорость движения авто. На основе его показаний делается корректировка топливной смеси. Установлен на коробке передач;
8. Датчик фаз. Он предназначен для определения углового положения распредвала. На некоторых автомобилях может отсутствовать. При наличии этого датчика в двигателе выполняется фазированный впрыск, то есть, импульс на открытие поступает только для конкретной форсунки. Если этого датчика нет, то форсунки работают в парном режиме, когда сигнал на открытие подается сразу на две форсунки. Установлен в головке блока.

Принцип работы инжектора

Использование устройств с подобным алгоритмом действия поначалу коснулся авиастроительного производства. Ужесточение экологических норм привело к тому, что многие производители автомобилей отказались от применения карбюраторных двигателей, дальнейшее усовершенствование которых не приводило к желаемому результату.

Управление системой впрыскивания топлива проводится автоматизированной системой или бортовым компьютером. Проводится проверка состояния воздушно-топливной смеси и при ее соответствии происходит последовательный впуск топлива непосредственно во впускной клапан. Так обеспечивается более точный расход, а также быстрое сгорание топлива.

Устройство инжекторного двигателя можно охарактеризовать выполнением следующей последовательности:

1. Нажатие на педаль газа открывает дроссельную заслонку. Это обеспечивает поступление воздуха в двигатель.
2. Компьютер анализирует объем поступающего воздуха (в зависимости от усилия нажатия педали), после чего дает команду для подачи оптимального объема топлива.
3. Специальный датчик контролирует количество поступающего в двигатель кислорода и его соответствие объему топлива.
4. Топливный нанос перекачивает необходимый объем, после чего происходит его впрыск под давлением. В результате образуется мелкодисперсный туман, который быстро сгорает, приводя в движение механизмы вращения движущихся частей мотора.

Даже упрощенная схема показывает, насколько сложным является процесс движения автомобиля. Работа двигателя инжектора представляет собой замкнутую систему, в которой значение имеет каждая деталь. При выходе из строя любой составляющей, сигнал об этом поступает на электронную систему, после чего компьютер сам принимает решение о возможность дальнейшего движения. Это одновременно является достоинством и недостатком такого механизма, ведь при измененных условиях труда раскачать «вручную» систему не получиться, придется обращаться за квалифицированной помощью.

Частые неисправности

Кроме того, что при обрыве цепи ГРМ поршень гнет клапана, классическая схема двигателя обладает характерными неисправностями:

В капремонт мотора входит расточка цилиндров, замена валов, поршневой и кривошипно-шатунной группы в любых сочетаниях.

Датчики

Сложная система электронного управления подразумевает проверку и регулировку нескольких датчиков. При выходе из строя хотя бы одного элемента, ЭБУ выдает ошибку.

Основные датчики инжекторного двигателя:

• ДМРВ (датчик массового расхода воздуха). Обеспечивает информацию о массе воздуха, поступающего в двигатель.
• Лямбда-зонд (датчик кислорода). Определяет содержание кислорода в воздушно-топливной смеси. При помощи такой информации ЭБУ может выявить изменения топливной смеси и откорректировать ее значения.
• Датчик дроссельной заслонки. Контролирует положение дроссельной заслонки, согласно которому блок управления может реагировать, увеличивая или сокращая подачу топлива по мере необходимости.
• Датчик напряжения. Контролирует напряжение бортовой сети машины. Показания датчика при необходимости заставляют блок управления увеличить число оборотов холостого хода, если напряжение понижено (чаще всего при высоких электрических нагрузках).
• Датчик контроля температуры охлаждающей жидкости. Дает сигнал о прогреве двигателя, после чего ЭБУ запускает работу других систем.
• Датчик абсолютного давления. Следит за показателем давления во впускном коллекторе. От количества воздуха, которое поступает в двигатель, меняется потребление топливной смеси. Также этот показатель используется при определении производительности авто.
• Датчик вращения коленвала. Скорость вращения коленчатого вала – один из определяющих факторов, которые влияют на расчет необходимой длительности импульса.

Преимущества инжектора уже оценили многие автолюбители. Снижается расход топлива, повышается производительность автомобиля, а также облегчается процесс его управления. Работа инжекторного двигателя обеспечивается непосредственным впрыском топлива в систему, на основании проанализированных данных о параметрах топливной смеси и режиме эксплуатации двигателя. Как работает инжекторный двигатель, его преимущества и недостатки по сравнению с карбюраторным устройством рассмотрены в нашей статье.

Система датчиков инжекторных двигателей

Без этих компонентов работа системы впрыска топлива невозможна. Именно датчики сообщают блоку управления всю информацию, которая необходима для работы исполнительных устройств в нормальном режиме. Неисправности системы питания инжекторного двигателя по большей части вызывают именно датчики, так как они могут неверно производить замеры.

1. Датчик расхода воздуха устанавливается после воздушного фильтра, так как в конструкции имеется дорогостоящая платиновая нить, которая при попадании мелких посторонних частиц может засоряться, отчего показания окажутся неверными. Датчик считает, какое количество воздуха проходит через него. Понятно, что взвесить воздух не представляется возможным, да и объем его измерить проблематично. Суть работы заключается в том, что внутри пластиковой трубки находится платиновая нить. Она нагревается до рабочей температуры (более 600º, именно это значение закладывается в ЭБУ). Поток воздуха охлаждает нить, блок управления фиксирует температуру и, исходя из этого, вычисляет количество воздуха.
2. Датчик абсолютного давления необходим для более точного снятия показаний о количестве потребляемого двигателем воздуха. Состоит из 2 камер, одна из которых герметична и внутри у неё вакуум. Вторая камера соединена с впускным коллектором. В последнем при впуске разрежение. Между камерами устанавливается диафрагма с пьезоэлементом, который вырабатывает небольшое напряжение во время изменения давления. Это значение напряжения поступает на вход блока управления.
3. Датчик положения коленвала располагается рядом со шкивом генератора. Если присмотреться, то можно увидеть, что на шкиве есть зубья, причём они расположены на одинаковом расстоянии друг от друга. Суммарное число зубьев — 60, оси соседних расположены на расстоянии 6º. Но если присмотреться ещё внимательнее, то можно увидеть, что 2-х не хватает. Этот промежуток необходим, чтобы датчик фиксировал положение коленвала максимально точно. Датчик вырабатывает напряжение, которое тем больше, чем выше частота вращения.
4. Датчик фаз (распредвала) работает на эффекте Холла. В конструкции есть диск с вырезанным сегментом и катушка. При вращении диска вырабатывается напряжение. Но в момент, когда прорезь находится над чувствительным элементом, напряжение снижается до 0. В этот момент первый цилиндр находится в ВМТ на такте сжатия. Благодаря датчику фаз точно подаётся искра на свечу и открывается своевременно форсунка.
5. Датчик детонации расположен на блоке ДВС между 2 и 3 цилиндрами (чётко посередине). Работает на пьезоэффекте — при наличии вибрации происходит генерирование напряжения. Чем сильнее вибрация, тем выше уровень сигнала. Блок управления при помощи датчика изменяет угол опережения зажигания.
6. Датчик дроссельной заслонки представляет собой переменный резистор, на который подаётся напряжение 5 В. В зависимости от того, в каком положении находится заслонка, напряжение уменьшается. Иногда случаются поломки — в начальном положении показания датчика прыгают. Стирается резистивный слой, ремонт невозможен, эффективнее установить новый.
7. Датчик температуры ОЖ, от него зависит качество воспламенения топливовоздушной смеси. С его помощью не только происходит коррекция угла опережения зажигания, но и включение электровентилятора.
8. Лямбда-зонд расположен в системе выпуска отработанных газов. В современных системах, которые удовлетворяют последним экологическим стандартам, можно встретить 2 датчика кислорода. Лямбда-зонд отслеживает количество кислорода в выхлопных газах. У него есть внешняя часть и внутренняя. За счёт напыления из драгметалла можно оценить количество кислорода в выхлопных газах. Внешняя часть датчика «дышит» чистым воздухом. Показания передаются на блок управления и сравниваются. Эффективные замеры возможны только при достижении высоких температур (свыше 400º), поэтому часто устанавливают подогреватель, чтобы даже в момент начала работы двигателя не наблюдалось перебоев.

Устройство и принцип работы карбюратора

Схема работы карбюратора

На рисунке представлена максимально упрощенная схема карбюратора. Тем не менее, с её помощью вполне можно понять, как осуществляется подача топливовоздушной смеси в цилиндры. Кратко опишем, как работает такое устройство. Карбюратор крепится на впускном коллекторе (нижняя плоскость), сверху устанавливается воздушный фильтр (верхняя плоскость). Подача бензина топливным насосом осуществляется через входное отверстие 1. Для поддержания необходимого уровня топлива в поплавковой камере карбюратора 11 входное отверстие оборудовано игольчатым клапаном 2. По достижении определённого уровня поплавок поднимается и через небольшой рычажок надавливает на клапан, перекрывая его. Топливо и воздух под действием разрежения, создаваемого поршнем при его движении вниз (при открытом впускном клапане цилиндра) устремляются через впускной коллектор в цилиндр двигателя. Для улучшения смешивания топлива с воздухом и для придания большей плотности смеси сечение камеры в нижней части карбюратора имеет вид конуса – это простейший диффузор. Подача топливной смеси регулируется дроссельной заслонкой 7, ось которой связана (при помощи тяг или тросика) с педалью «газа», а количество воздуха в горючей смеси регулируется датчиком дроссельной заслонки. Количество бензина, поступающего из поплавковой камеры, определяется диаметром топливного жиклёра 9. Для запуска холодного мотора требуется более богатая смесь, то есть соотношение смеси воздух/бензин должно иметь меньшее значение. Для этого в верхней части карбюратора установлена воздушная заслонка 5. При её закрытии (с небольшим зазором) количество воздуха, участвующего в образовании горючей смеси, значительно ограничивается, и она становится обогащённой, что облегчает пуск двигателя. После того, как двигатель прогреется, воздушная заслонка открывается. Манипулирование производится вручную – специальным тросиком, рукоятка которого установлена в салоне авто.

Карбюраторы «Солекс»

Схема работы карбюратора «Солекс»

В отличие от простейшего, карбюраторы, устанавливаемые на автомобили, имеют более сложную конструкцию. Рассмотрим, опять же, лишь в общих чертах, устройство карбюраторов семейства «Солекс», которыми оснащались ВАЗ 2108 – 99, ВАЗ 21213 «Тайга»(представляющая собой обновленную «Ниву» ВАЗ 2121), первые модели ВАЗ 2110. Фотографии сверху демонстрируют внешний вид, ниже расположено изображение, которое не является рисунком узла в разрезе, а представляет схематический рисунок, то есть некоторым образом развёртку. Карбюратор, в отличие от простейшего, имеет ряд деталей, способствующих подаче топливной смеси для реального двигателя в различных режимах работы. Устройство имеет уже две камеры (l и ll), каждая с дроссельной заслонкой, причём воздушной заслонкой оснащена лишь первая камера. Вторая камера начинает работать после того, как первая откроется наполовину, то есть при движении на высоких оборотах. Кроме того, устройство оборудовано системой холостого хода, штуцером для шланга, по которому излишки топлива стекают в бак. В отличие от схематичного, карбюратор имеет также:

• не только топливные (39 и 29), но и воздушные жиклёры (14 и 7);
• регулируемую систему холостого хода;
• систему управления воздушной заслонкой. То есть заслонка закрывается и открывается вручную, посредством тросика, но её положение подстраивается диафрагмой 3 пускового устройства;
• ускорительный насос – для обогащения смеси при разгоне путём впрыскивания дополнительной порции в камеры. Его диафрагму 42 приводит в движение рычаг 42. Бензин по каналам подаётся к распылителю 11.

Впрочем, подробное описание сейчас совершенно излишне. Цель материала – показать различия между инжектором и карбюратором. Из того, что сказано выше, можно сделать следующие заключения:

1. Для подачи смеси используется разрежение, создаваемое поршнями двигателя, состав её определяется диаметром отверстий жиклёров.
2. Все исполнительные механизмы, включая топливный насос, имеют механический привод, за исключением электромагнитного клапана принудительного холостого хода 5.