Системы впрыска бензиновых двигателей

Система питания двигателя предназначена для приготовления топливовоздушной смеси, предназначенной для воспламенения, сгорания и получения полезной работы.

В настоящее время в системах питания бензиновых двигателей практически всеми производителями вместо карбюраторов применяются системы впрыска. Основными преимуществами системы впрыска по сравнению с карбюраторными системами являются:

— более равномерное распределение смеси по цилиндрам;

— отсутствие сопротивления воздуха на впуске, что улучшает наполняемость цилиндров воздухом и повышает мощность двигателя;

— высокая степень оптимизации работы двигателя на всех режимах его работы вследствие точной регулировки состава смеси.

Автомобильные двигателя оборудуются двумя видами систем:

• Системы впрыска во впускной трубопровод;
• Системы впрыска в цилиндры двигателя (непосредственный впрыск).
• Двойные (бинарные) системы впрыска
• Системы впрыска во впускной трубопровод подразделятся на:

— механические системы непрерывного впрыска без электронного блока управления (типа К- Jetronic);

— механические системы непрерывного впрыска с электронным блоком управления (типа КЕ- Jetronic);

— электронные системы многоточечного впрыска, у которых управление системами питания и зажигания осуществляется отдельными блоками управления (типа L-Jetronic);

— электронные системы многоточечного впрыска, у которых управление системами питания и зажигания осуществляется одним блоком управления (типа Motronic);

— электронные системы одноточечного впрыска (типа Моnо);

— электронные системы впрыска сжиженного нефтяного газа;

— электронные системы впрыска сжатого природного газа.

Учитывая ограниченное применение на вторичном автомобильном рынке и в эксплуатации автомобилей с механическими системами непрерывного впрыска без электронного блока управления (типа К-Jetronic) и с ним, типа КЕ- Jetronic), электронных систем впрыска L-Jetroniсв данном электронном пособии эти системы не рассматриваются.

Устройство и принцип действия электронной системы впрыска во впускной трубопровод Motronic. Производительность современных микропроцессоров позволяет осущест­влять управление функциями впрыска топлива и зажигания посредством еди­ного электронного блока управления, благодаря этому снижается стоимость аппара­туры и, кроме того, используется общий источник питания. Реализовать эту рациональную идею стало возможно, т.к. многие из входных сигналов при­годны для регулирования как впрыска, так и зажигания. Микропроцессор элек­тронного блока управления преобразует поступающую информацию в так на­зываемые параметрические поверхности (трехмерные графические характери­стики), которые учитывают действия водителя и нагрузку на двигатель.

Для реализации возможно большего числа функций управления требу­ется разнообразная входная информация. Одна из разновидностей электронной системы управле­ния, представлена на рис.7.22.

В систему впрыска Motronic могут поступать следующие данные:

• включено или выключено зажигание;
• положение распределительного вала;
• частота вращения коленчатого вала;
• скорость движения автомобиля;
• диапазон изменения передаточного отношения (в случае наличия ав­томатической трансмиссии);
• номер включенной передачи;
• информация о включении кондиционера и т. п.;
• напряжение аккумуляторной батареи;
• температура воздуха на впуске;
• расход воздуха;
• угловое положение дроссельной заслонки;
• напряжение сигнала кислородного датчика;
• сигнал датчика детонации и др.

Принцип работы системы заключается в том, что электронный блок управления получает сигналы от датчиков автомобиля о температуре, скорости, положения педали подачи топлива, частоте вращения коленчатого вала, составе смеси (датчик лямбда-зонда) и др., обрабатывает полученные сигналы и выдает команду на электрическую форсунку по напряжению, увеличивая или уменьшая длительность ее открытия. Это в свою очередь приводит к тому, что в цилиндры двигателя подается больше или меньше топлива.

Установленный с торца распредели­тельной магистрали регулятор давления топлива 4 в системе поддер­живает постоянное давление впрыска и осуществляет слив излишнего топлива в бак. Этим обеспечивается циркуляция топлива в системе и исключается образование паровых пробок.

Основу системы составляет электронный блок управления 12. Количество впрыскиваемого топлива, определяемого временем открытия электромагнитной форсунки, зависит от сигнала, подаваемого блоком управления.

Основным параметром, определяющим дозировку топлива, являет­ся объем всасываемого воздуха, измеряемый расходомером воздуха. Топливо из распределительной магистрали поступает к электромагнитным форсункам. Впрыск топлива через форсунки, в зависимости от особенностей системы впрыска, может быть параллельным (топливо впрыскивается одновременно всеми форсунками) и последовательным (топливо впрыскивается по порядку работы двигателя перед тактом впуска, аналогично работе системы зажигания). Момент начала впрыска зависит от нагрузки на двигатель и частоты вращения коленчатого вала двигателя. Длительность впрыска определяется блоком управления двигателем. Независимо от положения впускных клапанов, форсунки впрыскивают топливо за один или два оборота коленчатого вала двигателя (за цикл, за два такта). Если впускной клапан в момент впрыска закрыт, топливо накапли­вается в пространстве перед клапаном и поступает в цилиндр при следующем его открытии одновременно с воздухом.

Клапан дополнительной подачи воздуха 14, установ­ленный в воздушном канале, выполненном параллельно дроссельной заслонке, подводит к двигателю добавочный воздух при холодном пус­ке и прогреве двигателя, что приводит к увеличению частоты враще­ния коленчатого вала. Для ускорения прогрева используются повышен­ные обороты холостого хода (более 1000 об/мин).

Для облегчения пуска холодного двигателя может применяться электромагнитная пус­ковая форсунка, продолжительность открытия которой изменяется в зависимости от температуры охлаждающей жидкости.

При запуске холодного двигателя в цилиндры поступает повышенное количество топлива, в то время как дроссельная заслонка прикрыта и воздуха для работы двигателя недостаточно. В это время по сигналу блока управления открывается клапан дополнительной подачи воздуха, подающий воздух во впускной трубопровод, минуя дроссельную заслонку, что обеспечивает устойчивую работу двигателя во время прогрева.

Топливный насос. В системах впрыска бензиновых двигателей применяются преимущественно электрические насосы шиберного типа с рабочими органами в виде роликов (рис. 7.23).

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 рис. 7.24

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 (рис. 7.24, а) При этом указанная полость заполняется топливом. Когда ротор, а вместе с ним и ролики займут положение, показанное на рис. 7.24, б, объем серповидной полости между роликами будет уменьшаться, что обеспечивает подачу топлива в нагнетательную магистраль.

Форсунка. Форсунка (рис. 7.25) пред­ставляет собой электромагнитный клапан. Форсунка предназначена для впрыска дозированного количества топлива, необходимого для приготовления горючей смеси при различных режимах работы двигателя. Дозирование количества топлива зависит от длительности электрического импульса, поступающего в обмотку катушки электромагнита форсунки. Впрыск топлива форсункой синхронизирован с положением поршня в цилиндре двигателя.

Форсунка состоит из корпуса 3, крышки 6, обмотки катушки 4 электромагнита, сердечника 8 электромагнита, иглы 2 запорного клапана, корпуса 9 распылителя, насадки 1 распылителя и фильтра 5. При работе двигателя топливо под давлением поступает в форсунку через фильтр 5 и проходит к запорному клапану, который находится в закрытом положении под действием пружины 7.

При поступлении электрического импульса в обмотку катушки 4 электромагнита возникает магнитное поле, которое притягивает сердечник 8 и вместе с ним иглу 2 запорного клапана. При этом отверстие в корпусе 9 распылителя открывается, и топливо под давлением впрыскивается в распыленном виде во впускной трубопровод.

После прекращения поступления электрического импульса в обмотку катушки электромагнита магнитное после исчезает, и под действием пружины 7 сердечник 8 электромагнита и игла 2 запорного клапана возвращаются в исходное положение. Отверстие в корпусе 9 распылителя закрывается, и впрыск топлива из форсунки прекращается.

Пусковая форсунка. Пусковая форсунка применялась в более ранних системах электронного впрыска, например, L-Jetronic, предназначена для запуска холодного двигателя и приводится в действие с помощью электромагнита. Продолжительность открытия форсунки изменяется в зависимости от температуры охлаждающей жидкости. Конструктивно она не отличается от описанной выше рабочей форсунки.

Регулятор давления топлива. Регулятор давления топлива (рис.7.26) поддерживает давление в топливопроводе и форсунках работающего двигателя в пределах 2,8… 3,3 кгс/см², что необходимо для приготовления горючей смеси требуемого качества на всех режимах работы двигателя. Регулятор давления состоит из корпуса 1 и крышки 3, между которыми закреплена диафрагма 4 с клапаном 2. Внутренняя полость регулятора делится диафрагмой на две полости: вакуумную и топливную.

Вакуумная полость находится в крышке регулятора и связана с ресивером, а топливная полость – в корпусе регулятора и связана с топливным баком (см. рис 7.22).

При закрытии дроссельной заслонки разряжение в ресивере увеличивается, клапан регулятора открывается при меньшем давлении топлива и перепускает избыточное топливо по сливному топливопроводу в топливный бак. При этом давление топлива в топливопроводе двигателя понижается. При открытии дроссельной заслонки разряжение в ресивере уменьшается, клапан регулятора открывается уже при большем давлении топлива. В результате давление топлива в топливопроводе двигателя повышается.

В последних версиях системы питания регулятор давления топлива устанавливается в топливном баке, к топливной рампе подается один топливопровод подачи без обратного слива, там же (в баке) установлен фильтр тонкой очистки, рабочее давление повышено до 3,5…4,0 кгс/см².

Хотя регулятор давления и поддерживает постоянство давления топлива, однако вследствие открытия и закрытия форсунок в магистрали имеются незначительные колебания топлива. В связи с тем отдельные производители для устранения пульсаций в магистрали системы питания дополнительно используют гаситель колебаний, который состоит из пружины и диафрагмы (рис. 7.27).

Расходомеры воздуха и датчики. Расходомеры воздуха и датчики, применяемые в системах впрыска бензиновых двигателей, имеют распространение и для дизельной топливной аппаратурой с электронным управлением, поэтому в разделах по дизельной аппаратуре они не будут рассматриваться.

Расходомер с поворотными заслонками. Расходомер воздуха (рис. 7.28) расположен между воздухоочистителем и корпусом дроссельной заслонки.

Принцип действия расходомера основан на так называемом сопротивлении среды. Он измеряет усилие, действующее на заслонку 8, которую поток воздуха, поступающего в двигатель, заставляет поворачиваться на определенный угол, преодолевая усилие спиральной пружины. Момент закручивания пружины выбран так, чтобы заслонка создавала незначительную потерю напора. Для предотвращения колебаний напорной заслонки под действием потока воздуха, проходящего по впускному трубопроводу, особенно на режиме холостого хода, предусмотрена демпфирующая камера 5, в которой расположена заслонка 6, имеющая такую же рабочую поверхность, как и заслонка напора воздуха 8. Объем демпфирующей камеры, а также зазор между заслонкой 6 демпфирующей камеры и корпусом подобраны так, чтобы напорная заслонка была способна отслеживать быстрые изменения расхода воздуха при разгоне.

Соединенный с осью напорной заслонки потенциометр преобразует механическое перемещение напорной заслонки в изменение электрического напряжения, которое передается в блок управления для точной дозировки топлива.

Обводной канал 9 под напорной заслонкой служит для прохода воздуха на холостом ходу. Учитывая, что расходомеры этого типа имеют подвижные детали, надежность их невысока и они в настоящее время имеют ограниченное применение.

Расходомер воздуха с нагреваемой нитью. Преимущество таких расходомеров – отсутствие механически подвижных деталей, что определяет их большую долговечность.

Расходомер подобной конструкции является термическим датчиком нагрузки двигателя (рис. 7.29).

Его устанавливают между воздушным фильтром и дроссельной заслонкой, и он определяет массу всасываемого воздуха в кг/час. Датчики с нагре­ваемой нитью и с нагреваемой пленкой имеют один и тот же принцип работы. Расположенный в воздушном потоке и нагревае­мый электрическим током про­водник (платиновая нить или токопроводящая полимерная плен­ка) охлаждается обтекающим его воздухом.

Нить нагревается электрическим током, и температура ее поддер­живается постоянной. Если нить охлаждается, то проходящий через нее ток увеличивается до тех пор, пока температура нити не восста­навливается до первоначальной величины. Изменение силы тока воспринимается в блоке управления и является измеряемым пара­метром для определения расхода всасываемого воздуха. Встроенный датчик температуры служит для того, чтобы температура всасывае­мого воздуха не искажала результаты измерений.

Поступающий поток воздуха обтекает нагретый электрическим током проводник, который встроен в измеритель воздушной массы. Специальная электронная схема управления поддерживает постоян­ную температуру проводника относительно температуры поступаю­щего воздуха. При увеличении количества поступающего воздуха проводник будет охлаждаться. Величина тока нагрева, требуемого для сохранения постоянной температуры проводника, является ме­рой массы воздуха, поступающего в двигатель. Этот ток преобразу­ется в импульсы напряжения, которые обрабатываются блоком управления как основной входной параметр наравне с частотой вращения коленчатого вала двигателя. Кроме того, блок управления получает информацию о темпера­туре охлаждающей жидкости и поступающего воздуха. На основе входных сигналов блок управления выдает импульсы времени впры­ска топлива на форсунки.

Загрязнение нагреваемой нити может привести к искажению результатов измерений. Поэтому после каждой остано­вки двигателя нить подвергается воздействию повышенной темпера­туры и тем самым очищается.

Расходомер воздуха с пле­ночным термоанемометром (рис. 7.30). Расходомеры такого типа, вмонтированные в измерительный патрубок, 2 применяются на большинстве современных автомобилей. Он устанавливается во впуск­ном канале за воздушным фильтром. Воз­можен также вариант встроенного измери­тельного патрубка, который устанавливается внутри воздушного фильтра.

Воздух, входящий во впускной коллектор, обтекает чувствительный элемент датчика 5, который вместе с вычислительным кон­туром 3 является основным компонентом датчика.

Входящий воздух проходит через об­водной канал 7 за чувствительным эле­ментом датчика. Чувствительность датчика при наличии сильных пульсаций потока мо­жет быть улучшена применением соответ­ствующей конструкции обводного канала, при этом определяются также и обратные токи воздуха. Датчик соединяется с ЭБУ через выводы 1.

Принцип работы массового расходомера воздуха заключается в следующем. Микромеханическая диафрагма датчика 5 на чувствительном элементе 3 нагревается центральным нагревающим резистором (рис. 7.31). При этом имеет место резкое падение температуры на каждой стороне зоны нагрева 4.

Распределение температуры по диафраг­ме регистрируется двумя температурозависимыми резисторами, которые устанавли­ваются симметрично до и после нагреваю­щего резистора (точки измерения М₁ и М₂). При отсутствии потока воздуха на впуске температурная характеристика 1 одинакова на каждой стороне измеритель­ной зоны (T₁ = T₂). Как только поток воздуха начинает обтекать чувствительный элемент датчика, распределение температуры по диафрагме меняется (характеристика 2).

На стороне входа воздуха температурная характеристика является более крутой, пос­кольку входящий воздух, обтекающий эту поверхность, охлаждает ее. Вначале на про­тивоположной стороне (сторона, наиболее близко расположенная к двигателю) чувствительный элемент датчика охлажда­ется, но затем воздух, подогреваемый наг­ревательным элементом, нагревает его. Из­менение в температурном распределении (ΔT) приводит к перепаду температур меж­ду точками измерения М₁ и М₂.

Тепло рассеивается в воздухе и, следова­тельно, температурная характеристика чувствительного элемента датчика является функцией массового расхода воздуха. Раз­ница температур, таким образом, есть мера массового расхода воздуха и при этом она не зависит от абсолютной температуры про­текающего потока воздуха. Кроме этого, разница температур является направлен­ной. Это означает, что массовый расходо­мер не только регистрирует количество вхо­дящего воздуха, но также и его направление.

Расходомер воздуха посылает цифровой сигнал измеренной массы воздуха на блок управления двигателя в форме частотного сигнала. По длине периодов импульсов блок управления двигателя может определить измеренную массу воздуха (рис. 7.32).

В датчик может также быть вмонти­рован температурный датчик для выполне­ния вспомогательных функций. Он распола­гается в пластмассовом корпусе и не явля­ется обязательным для измерения массо­вого расхода воздуха.

Пленочный расходомер воздуха. Этот датчик состоит из толстопленочной диафрагмы, расположенной на керамической основе (рис. 7.33). Датчик измеряет разрежение во впускном коллек­торе на основе измерения деформации пленочной диафрагмы. При определенных коэффициентах расширения керамической подложки и керамической пленочной крышки в результате охлаждения стыка диафрагма принимает форму купола. В результате получается пустотелая камера (пузырек) высотой примерно 100 мкм и диаметром 3…5 мм. Измерительные пьезоэлектрические элементы расположенные внутри пленки преобразуют перемещения диафрагмы в электрический сигнал.

В зависимости от приложенного давления диафрагма датчика прогибается по-разному (рис. 7.34). Под действием возникшего механического напряжения четыре тензорезистора на диафрагме меняют электрическое сопротивление. Четыре тензорезистора размещены на диафрагме таким образом, что сопротивление одной пары растет, а сопротивление второй пары падает.

Тензорезисторы соединены по мостовой схеме (мостовая схема Витстоуна). При изменении сопротивления резисторов изменяется отношение между падением напряжения на резисторах. В результате изменяется измеряемое напряжение, которое является мерой давления на диафрагму.

В системах впрыска Motronic в зависимости марки и от модели автомобиля могут применять­ся следующие датчики расхода воздуха:

• объемные расходомеры воздуха (LMM);
• термоанемометрические массовые расходомеры воздуха с нагревае­мой нитью (LHM);
• термоанемометрические массовые расходомеры воздуха с нагревае­мой пленкой (HFM).

Установленный вблизи дроссельной заслонки пе­репускной клапан добавочного воздуха 14 через канал обеспечивает дополни­тельную порцию воздуха (рис. 9.22).

При пуске холодного двигателя канал подачи дополнительного воздуха открыт заслонкой клапана, которая перемещается при нагреве биметаллической пластины (рис. 7.35). Напряжение на нить нагрева подается одновременно с подачей напряжения на пусковую форсунку.

Кроме таких конструкций в системах электронного впрыска может применяться и конструкция, показанная на рис. 7.36.

Клапан дополнительной подачи воздуха, представляет собой регулирующий клапан, связанный с якорем.

При отклонении частоты вращения коленчатого вала от запрограммированной величины электронный блок управления увеличивает или уменьшает ток сигнала управления, выдаваемого на обмотку якоря, шток которого соответствующим образом изменяет проходное сечение. Соответственно этому изменяется и количество воздуха, подаваемого в обход дроссельной заслонки, что позволяет поддерживать стабильную частоту вращения коленчатого вала на холостом ходу при подключении дополнительных нагрузок на двигатель, например, кондиционер, или увеличивать количество воздуха при пуске холодного двигателя.

Управление клапаном осуществляется по сигналу блока управления в зависимости от частоты вращения коленчатого вала и включения пусковой форсунки.

Отдельные системы с электронным управлением впрыска топлива содержат датчик давления воздуха в коллекторе (рис. 7.37), определяющий нагрузку двигателя и количество перепускаемых газов при рециркуляции. Помимо этого, по сигналу датчика определяется нагрузка двигателя при пуске, так как измеритель расхода воздуха работает на этом режиме недостаточно точно из-за сильных пульсаций во впускной системе.

Датчик соединен вакуумным шлангом с впускным коллектором. Разрежение в коллекторе действует на мембрану. На мембране находятся тензорезисторы, сопротивление которых изменяется при деформации мембраны. Измеряемое давление при этом сравнивается с эталонным разрежением под мембраной. Мембрана прогибается в зависимости от давления во впускном трубопроводе, при этом изменяется напряжение на выходе датчика, создаваемое в результате изменения сопротивления тензорезисторов. Это напряжение используется в блоке управления для определения величины давления во впускном трубопроводе.

Абсолютное дав­ление в коллекторе вычисляется как атмосфер­ное давление минус разрежение в коллекторе. Питание датчика осуществляется эталон­ным напряжением 5,0 В. Сигнал датчика в виде напряжения, меняющегося в зависимости от давления, подается на БЭУ. На холостом ходу это напряжение составляет примерно 1,0 В, при полной нагрузке оно повышается до 4,5 В.

Массовый расход воздуха, поступающего в двигатель, БЭУ вычисляет с учетом плотности, определяемой по значению абсолютного дав­ления и температуры воздуха в коллекторе, а также частоты вращения коленчатого вала.

Датчик температуры воздуха расположен во впускном кожухе или в корпусе датчика расхода воздуха и измеряет температуру воздуха перед входом во впускной коллектор. Поскольку плотность воздуха обрат­но пропорциональна его температуре, показа­ния датчика позволяют БЭУ более точно опре­делять массу воздуха, подаваемого в двигатель.

Датчик питается эталонным напряжением 5.0 В. Он представляет собой термосопротивле­ние с отрицательным температурным коэффи­циентом. Напряжение с датчика, меняющееся в зависимости от температуры, подается на БЭУ. Это напряжение составляет 2.0… 2.8 В при температуре 20^°С и снижается до 1.5 В при температуре 40°С.

Потенциометрический контактный датчик положения дроссельной заслонки представляет собой потенциометр, на котором смонтированы контакты закрытого положения заслонки, соответствующего холостому ходу. Потенциометр позволяет БЭУ определять поло­жение и скорость перемещения заслонки, а контактный датчик сигнализирует о достиже­нии двигателем состояния холостого хода. Дат­чики имеют общую точку заземления через БЭУ.

К выводу контактного датчика холостого хода подведено от БЭУ напряжение 5.0 В. При замыкании контактов это напряжение падает до нуля.

Потенциометр датчика имеет три вывода. К одному из крайних выводов подведено эталон­ное напряжение 5.0 В, второй вывод заземлен. Третий вывод соединен с движком потенциомет­ра, с которого на БЭУ поступает сигнал в виде напряжения, пропорционального углу поворота заслонки. Сигнал датчика позволяет БЭУ вычислить также скорость открытия заслонки.

Лямбда-регулирование. Для более точного регулирования горючей смеси в зависимости от качества сгорания (наличия свободного кислорода) и более высокой степени очистки отработавших газов необходима регулировка коэффициента избытка воздуха, чтобы состав смеси был близок к стехиометрическому. С этой целью в двигателях применяют системы, основой которых является специальный датчик, определяющий наличие кислорода в отработавших газах (лямбда-зонд), устанавливаемый в выпускной системе (до нейтрализатора, если он установлен). Такие системы называют системами с обратной связью.

Датчик кислорода (триггерный (переключающийся) датчик) (рис. 7.38) представляет собой элемент из порошка двуокиси циркония, спеченного в форме пробирки, наружная и внутренняя поверхность которой покрыты пористой платиной или ее сплавом, что выполняет роль катализатора и токопроводящих электродов. Внешняя поверхность датчика покрыта тонким защитным слоем керамики. Двуокись циркония при высоких температурах приобретает свойство электролита, а датчик становится гальваническим элементом. Внешняя поверхность датчика соприкасается с отработавшими газами, а внутренняя с атмосферным воздухом.

Принцип работы датчика кислорода показан на рис. 7.39. На поверхности электродов 1 и 2 (пористая платина) всегда присутствует остаточный кислород, связанный с водородом, углеродом или азотом. При высоких температурах (более 350° С) в случае обогащения смеси в граничной зоне Е возникает недостаток кислорода. Отрицательно заряженные ионы кислорода начинают перемещаться к электроду 1, заряд на котором по отношению к электроду 2 становится отрицательным, что приводит к возникновению э.д.с.

Внутреннее сопротивление циркониевого датчика тем выше, чем ниже его температура. Поэтому генерирование э.д.с. датчиком начинается только при прогреве его до температуры 350° С. До этого времени потенциал на выходе датчика составляет 0,0…0,50 В – это опорное напряжение, подаваемое от входного каскада блока управления. Наличие опорного напряжения на входе блока позволяет определить готовность датчика к работе. На режимах пуска, прогрева холодного двигателя, ускорения и режиме максимальной мощности датчик не работает и состав смеси определяется блоком управления. Для расширения диапазона действия датчика и ускорения скорости его прогрева, особенно на режимах холостого хода и в условиях низких температур, применяют подогрев датчиков или их установку в непосредственной близости от двигателя.

При появлении в отработавших газах кислорода (коэффициент избытка воздуха λ больше единицы – бедная смесь) на контактах датчика падает напряжение (рис. 7.40).

Выходное напряжение датчика U_λ меняется от 0 до 1 В в течение очень короткого промежутка времени (несколько раз за 1 сек.) и свидетельствует о быстром реагировании как самого датчика, так и всей системы топливодозирования на установившихся режимах. Если оно увеличивается, тогда горючая смесь переходит в зону стехиометрического состава (от обедненной к обогащенной) и длительность впрыска (τ_упр) топлива форсункой впрыска изменяется. Таким образом, датчик работает в релейном режиме и позволяет применить его в системе автоматической стабилизации состава смеси в зоне стехиометрического состава. Упрощенный алгоритм работы системы с обратной связью (режим замкнутого контура или замкнутой петли) представлен на рис. 7.41.

Весь цикл непрерывно повторяется и состав смеси изменяется от значений λ=0,97…98 до значений λ=1,02…1,03. Исключение составляют следующие режимы: режим максимальной мощности (λ= 0,86…0,88), режим торможения двигателем (отключение подачи топлива, при этом смесь очень обедненная и λ значительно больше единицы), режим ускорения (обогащение смеси, адекватное скорости открытия дроссельной заслонки).

В силу различных причин (изменения характеристик датчика кислорода и технического состояния двигателя, нестабильности топлива и др.) с течением времени изменения только одной коррекции времени впрыска для управления питанием двигателя оказывается недостаточно. Чтобы учесть изменения, влияющие на работу топливной системы, в последних электронных системах питания, электронный блок управления подстраивается под возникающие изменения (самообучение системы). В связи с этим для корректирования состава смеси кроме коэффициента коррекции λ применяются еще два коэффициента λ1 – аддитивный коэффициент коррекции самообучения и λ2 – мультипликативный коэффициент коррекции самообучения. Первый коэффициент корректирует работу двигателя на режиме холостого хода, второй – на режиме частичных нагрузок. Если неисправности двигателя или отдельных элементов системы питания, возникшие в процессе эксплуатации автомобиля, определяются с помощью сканирующего прибора и устраняются, тогда коэффициенты λ, λ1, λ2 возвращаются к номинальным значениям.

Согласно требованиям Евро, система самодиагностики должна реги­стрировать пропуски воспламенения смеси. Из-за них резко повышается содержа­ние вредных веществ в отработавших газах – в первую очередь несгоревших угле­водородов. Дожигание чрезмерного количества углеводородов перегревает нейтрализатор и может вывести его из строя. При уровне пропусков воспламенения двигателе свыше 4% (на каждые 100 рабочих циклов – более 4 пропусков) со­держание несгоревших паров топлива в отработавших газах становится выше допускаемых норм.

В случае появления пропусков воспламенения электронный блок управления фиксирует повы­шенную неравномерность вращения коленчатого вала, по показаниям датчика его положения следующим образом. Например, двигатель с порядком воспламенения в цилиндрах 1-3-4-2 работает в установив­шемся режиме, причем первый и третий цилиндры в порядке, а в четвертом вос­пламенения нет. Время полуоборота пер­вого и третьего цилиндров одинаковое, а у четвертого оно больше – вращение коленчатого вала за­медляется. Во втором исправном цилиндре начинается ускорение вращения. Электронный блок управления фиксирует сбой в работе двигателя и помечает его как пропуск.

Для подсчета пропусков у каждого ци­линдра свой счетчик: SUM1, SUM2, SUM3, SUM4. Вычислить неисправный цилиндр блоку управления помогает датчик положения распределительного вала. Допустим, обнаружен пропуск воспламе­нения в третьем цилиндре, тогда значение SUM3 увеличивается на единицу и т.д. Подсчет продолжается в течение 1000 оборотов коленчатого вала (допустимо, если счетчик накопит за это время пять пропусков), потом результат обнуляется и от­счет возобновляется.

Система самодиагностики в комплек­тации Евро III следит за пока­заниями счетчиков. Если их сумма превы­сит отметку 2,5% – будет зафиксирована неисправность и записан код ошибки Р0300. Коды Р0301, Р0302, Р0303, Р0304 указывают неисправность конкретного цилиндра.

В паре со счетчиком SUM работает еще один – SUMKAT. Его задача – фиксировать пропуски во всех цилиндрах, влияющие на работоспособность нейтрализатора. При обнаружении одного пропуска пока­зание счетчика изменяется не на единицу, как в предыдущем случае, а на большую величину, зависящую от режима работы двигателя. Мини­мальный скачок составляет 30 единиц, а максимальный – 250. Подсчет пропусков прекращается через каждые 200 оборо­тов коленчатого вала – и показание обнуляется. Если за такой цикл показание SUMKAT превысит 1000, то будет зафиксирована неисправность и в память контроллера записаны коды Р0300, Р0301…304.

Для того чтобы предупредить водителя о неисправности, на панели автомобиля начинает мигать контрольная лампа (Сheck engine), пре­дупреждая водителя о нештатной ситуа­ции и после небольшой за­держки отключится форсунка в неисправ­ном цилиндре. При многочисленных про­пусках сразу в двух цилиндрах контрол­лер отключит оба – в любом случае пере­грев нейтрализатора недопустим.

В ряде случаев самодиагностика мо­жет ошибаться по объективным причи­нам. Так, движение автомобиля по неров­ному покрытию означает неравномерное вращение колес, а с ними и коленчатого вала. Чтобы толчок колеса из-за неровностей дороги блок управления не посчитал за пропуск воспламенения, в мо­торном отсеке некоторых автомобилей, удовлетворяющих нормам Евро III, рядом с верх­ней опорой стойки устанавливают «датчик неровной дороги».

Согласно европейскому законодатель­ству (Евро III, Евро IV), бортовая диагности­ка должна контролировать состояние ней­трализатора и при неисправности вклю­чать диагностическую лампу. Для выпол­нения этого условия на выходе из нейтра­лизатора устанавливают второй датчик кисло­рода.

Второй датчик также участву­ет в точной подстройке состава топливовоздушной смеси, компенсируя погреш­ность первого датчика, которую необхо­димо учитывать по мере его старения. Контроллеры некоторых фирм, сравнивая показания обоих датчиков, рассчитывают коэффициент старения нейтрализатора, на основе которого специалисты по диаг­ностике строят свои прогнозы.

В качестве первого датчика согласно системе европейской бортовой диагностики (EOBD) предусматривается установка широкополосного кислородного PWM (широтно-импульсная модуляция) датчика перед катализатором (рис. 7.42).

Сигналы с PWM – это сигналы прямоугольной формы с постоянной частотой, но с переменным временем включения (рис. 7.43). Частота определяется количеством импульсов(колебаний/циклов) в секунду. Если число импульсов в секунду возрастает, то растет частота; если число импульсов в секунду убывает, частота уменьшается. Частота (буквенное обозначение измеряется в герцах (Гц). Под шириной импульса подразумевается длительность импульса включенного сигнала.

В широкополосном кислородном датчике значение лямбда определяется не по изменению напряжения, а по изменению силы тока. Однако происходящие при этом физические процессы остаются прежними. Преимуществом данного датчика является возможность измерения содержания кислорода в широких пределах изменения λ (рис. 7.44).

Широкополосный датчик может измерять коэффициент избытка воздуха лямбда в диапазоне 0,7 – 2,8, причем он выдает однозначный, непрерывный сигнал тока (так называемый ток накачки — ток, потребляемый элементом кислородной накачки. Это свойство широкополосного лямбда-зонда позволяет использовать его не только в системах управления бензиновых двигателей, работающих на почти стехиометрической (ни бедной, ни богатой) смеси (лямбда = 1), но и в системах управления бензиновых двигателей, работающих на обедненных смесях (лямбда >1). Широкополосный датчик состоит из гальванического элемента Нернста и элемента кислородной накачки, транспортирующего ионы кислорода (рис. 7.45)

Между элементом кислородной накачки 2 и гальваническим элементом Нернста 1 есть диффузионный зазор 3, в который поступают отработавшие газы. Он является областью измерения. Гальванический элемент Нернста с одной стороны связан каналом с наружным воздухом 9, а с другой стороны с областью измерения. Он работает как обычный триггерный лямбда-зонд, выдавая сигнал, соответствующий коэффициенту избытка воздуха в области измерения.

В область измерения с помощью элемента кислородной накачки 2 поступает такой приток ионов кислорода, чтобы коэффициент избытка воздуха лямбда в ней был равен 1. Электронный блок, запитываемый опорным напряжением, анализирует создаваемую гальваническим элементом Нернста разность потенциалов и управляет током накачки ионов кислорода с целью поддержания этой разности потенциалов на определенном неизменном уровне. Генерируемая таким образом величина тока накачки и является выходным сигналом лямбда-зонда, по которому судят о концентрации кислорода в отработавших газах.

При наличии отработавших газов с большим содержанием кислорода (работа двигателя на бедных смесях) элемент кислородной накачки управляется таким образом, что он откачивает ионы кислорода из области измерения. Управление осуществляет электронный блок, направление тока при этом положительное. При наличии отработавших газов с малым содержанием кислорода (работа двигателя на богатых смесях) элемент кислородной накачки управляется таким образом, что он накачивает ионы кислорода в измерительное пространство (электрический ток в обратную сторону), направление тока при этом отрицательное

В качестве второго датчика после нейтрализатора устанавливается триггерный кислородный датчик, описанный выше, который работает на принципе скачка напряжения (рис. 7.46). Недостаток этого датчика в том, что он может определить только, что λ > 1 или λ < 1.

В отдельных автомобилях нашли применение кислородные датчики, в которых вместо циркониевого элемента используется титановый. Принцип действия титанового датчика полностью отличается от принципа работы циркониевого датчика и заключается в изменении его проводимости при приложении напряжения в зависимости от содержания кислорода в отработавших газах. Титановый датчик не вырабатывает напряжение, а изменяет свое сопротивление в зависимости от изменений состава топливной смеси. Из электронного блока управления на титановый датчик поступает опорное напряжение (примерно 1 в) от эталонного источника тока с высоким выходным сопротивлением. Изменение состава топливно-воздушной смеси вызывает скачкообразное изменение сопротивления титанового датчика и, как следствие, скачкообразное изменение протекающего через него тока. Соответственно этому изменяется падение напряжения на включенном последовательно с датчиком сопротивлении. Вместо постепенного изменения выходного напряжения как в циркониевом датчике, этот датчик изменяет своё сопротивление скачкообразно от малого (менее 1 кОм) при богатой смеси, к большому (более 20 кОм) при обедненной смеси. Титановые зонды широко использовались в некоторых моделях Nissan, Mitsubishi, Chrysler.

Датчики кислорода бывают одно-, двух-, трех- и четырехпроводные. Однопроводные и двухпроводные датчики применялись в самых первых системах впрыска с обратной связью (лямбда-регулированием). Однопроводный датчик имеет только один провод, который является сигнальным. Земля этого датчика выведена на корпус и приходит на массу двигателя через резьбовое соединение. Двухпроводный датчик отличается от однопроводного наличия отдельного земляного провода сигнальной цепи. Недостатком таких датчиков является рабочий диапазон температуры датчика, который начинается от 300 °С. До достижения этой температуры датчик не работает и не выдает сигнала. Поэтому датчик такого типа устанавливается как можно ближе к цилиндрам двигателя, чтобы он подогревался и обтекался наиболее горячим потоком выхлопных газов. Процесс нагрева датчика затягивается и это вносит задержку в момент включения обратной связи в работу контроллера. Кроме того, использование метала выпускного трубопровода в качестве проводника сигнала (земля) требует нанесения на резьбу специальной токопроводящей смазки при установке датчика и увеличивает вероятность сбоя (отсутствия контакта) в цепи обратной связи. Указанных недостатков лишены трех- и четырехпроводные кислородные датчики. В трехпроводный датчик добавлен специальный нагревательный элемент, который включен как правило всегда при работе двигателя и, тем самым, сокращает время выхода датчика на рабочую температуру. Его можно устанавливать на удалении от выхлопного коллектора, рядом с катализатором. Однако остается один недостаток — токопроводящий выхлопной коллектор и необходимость в токопроводящей смазке. Этого недостатка лишен четырехпроводный датчик кислорода — у него два провода служат на подогрев, а два — сигнальные.

Несколько слов о взаимозаменяемости датчиков. Лямбда-зонд с подогревом может устанавливаться вместо такого же, но без подогрева. При этом необходимо смонтировать на автомобиль цепь подогрева и подключить ее к цепи, запитываемой при включении зажигания, например, в параллельно цепи питания электробензонасоса. Не допускается обратная замена — установка однопроводного датчика вместо трех- и более- проводных

Датчик фаз обычно расположен на заглушке головки цилиндров. Принцип действия датчика основан на эффекте Холла. На распределительном валу есть специальный штифт. Когда штифт проходит напротив торца датчика, датчик выдает на контроллер импульс напряжения низкого уровня (около 0 В), что соответствует положению поршня 1-го цилиндра в такте сжатия.

Сигнал датчика фаз используется контроллером для организации последовательного впрыска топлива в соответствии с порядком работы цилиндров двигателя. При возникновении неисправности цепей или самого датчика фаз контроллер заносит в свою память ее код и включает сигнализатор.

Ввиду отсутствия прерывателя-распределителя, для определения частоты вращения коленчатого вала в системах впрыска Мотроник применяется индуктивный датчик (рис. 7.47).

Индуктивный датчик содержат стержневой постоянный магнит 1 с по­люсным сердечником из магнитомягкой стали и обмотку индуктивности 5 с дву­мя выводами.

Датчик устанавливается непосредственно напротив ферромагнитного зубчатого диска — задатчика угловых импульсов 8, от которого его отделяет небольшой воздуш­ный зазор (0,8…1,5 мм). Сердечник соединен также с постоянным магнитом 1, и магнитное поле проходит через сердечник и зубчатый диск – задатчик импульсов 8. Интенсивность магнитного потока, проходя­щего через обмотку, зависит от того, нахо­дится ли датчик напротив зуба на диске или напротив промежутка (пропуска зубьев). Поскольку магнитный поток концентрируется зубьями диска, что приводит к увеличению магнитного потока через обмотку, то при подходе пропуска зубьев он ослабевает. Следовательно, при вращении зубчатого диска возникают колебания магнитного по­тока, которые, в свою очередь, генерируют синусоидальные колебания напряжения в электромагнитной обмотке, пропорциональ­ные скорости изменения магнитного потока (рис. 7.48). Амплитуда колебаний переменного напряжения увеличивается строго пропор­ционально увеличению скорости вращения зубчатого диска. Для генерирования достаточного уровня сиг­нала требуется, по крайней мере, 30 об/мин.

Количество зубьев на задатчике угловых импульсов зависит от конкретного приме­нения. Очень большой пропуск зубьев (8) устанавливается для определения поло­жения коленчатого вала и служит как отметка для синхронизации в ЭБУ. Ме­стоположение пропущенного зуба не обяза­тельно находится в ВМТ. Оно может быть сме­щено относительно ВМТ на любой угол, записанный в памяти блока управления.

Существует другой вариант задатчика угло­вых импульсов, который имеет один зуб на ци­линдр. Следовательно, в случае четырехцилиндрового двигателя задатчик имеет четыре зуба и, соответственно, генерируются четыре импульса на один оборот зубчатого диска.

В роли задатчика может выступать и маховик с равномерно установленными сталь­ными штифтами. Обычно они идут че­рез каждые 10°, т.е. устанавливается 36 штифтов.

Геометрия зубьев задатчика и магнитного сердечника должны соответствовать друг другу. Электронная схема в ЭБУ преобразу­ет синусоидальное напряжение, которое ха­рактеризуется четко меняющимися ампли­тудами, в среднеквадратичный сигнал с постоянной амплитудой для его оценки в микропроцессоре ЭБУ.

Современные системы обычно имеют один индуктивный датчик, но в некоторых ранних версиях уста­навливались два датчика: датчик частоты вра­щения и датчик положения коленчатого вала.

Амплитуда переменного напряжения дат­чика изменяется прямо пропорционально час­тоте вращения. Напряжение может изменяться от 5 В на холостом ходу до 100 В при частоте вращения 6000 об/мин. Поскольку для процес­сора предпочтителен цифровой сигнал (вклю­чено/выключено), переменное напряжение преобразуется в аналого-цифровом преобразо­вателе (АЦП).

Индуктивный датчик может также использоваться в каче­стве задающего генератора для выдачи базо­вого сигнала на зажигание и впрыск топлива.

Датчик неровной дороги предназначен для измерения амплитуды колебаний кузова автомобиля. Принцип его действия основан на пьезоэффекте.

Возникающая при движении автомобиля по неровной дороге переменная нагрузка оказывает влияние на угловую скорость вращения коленчатого вала. Созданные при этом колебания частоты вращения коленчатого вала похожи на те колебания, которые возникают при пропусках воспламенения. Для исключения этой ошибки блок управления при превышении сигнала датчика неровной дороги определенного порога отключает функцию диагностики пропусков воспламенения. При возникновении неисправности цепей или самого датчика неровной дороги контроллер заносит в свою память ее код и включает контрольную лампу, сигнализируя о наличии неполадки.

Топливные фильтры. В системах впрыска бензиновых двигателей применяются фильтры (рис. 7.49) 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 до80000 км пробега.

Электронный привод дроссельной заслонки. В системах впрыска Мотроник может применяться как обычный механический, так и электронный привод дроссельной заслонки. При электронном приводе акселератора перемещение дроссельной заслонки осуществляется при помощи электродвигателя, без традиционной механической связи между педалью акселератора и дроссельной заслонкой. Положение педали отслеживается с помощью датчиков педали акселератора, и соответствующие сигналы передаются в блок управления, где обрабатывается и передается на исполнительный механизм перемещения дроссельной заслонки. Благодаря такой системе блок управления может посредством перемещения дроссельной заслонки влиять на величину крутящего момента двигателя даже в том случае, когда водитель не меняет положения педали акселератора. Это позволяет достигать лучшей координации между системами двигателя.

Электронный привод дроссельной заслонки состоит из:

— педального модуля;

— модуля дроссельной заслонки;

— корпуса дроссельной заслонки;

— блока управления двигателем.

Педальный модуль посредством датчиков непрерывно определяет положение педали акселератора и передает соответствующий сигнал блоку управления двигателя. Он состоит из (рис. 7.50):

— педали акселератора;

— датчика 1 положения педали акселератора;

— датчика 2 положения педали акселератора.

Два одинаковых датчика используются для обеспечения надежной работы системы, но для работы системы достаточно работоспособности одного датчика.

Оба датчика представляют собой потенциометры со скользящим контактом, укрепленным на общем валу. При каждом изменении положения педали изменяется сопротивление датчиков и, соответственно, напряжение, которое передается на блок управления двигателя. Используя сигнал от обоих датчиков положения педали акселератора блок управления двигателя узнает положение педали в каждый момент времени.

Кроме потенциометрических датчиков со скользящим контактом для измерения положения дроссельной заслонки могут применяться магниторезистивные датчики, которые работают бесконтактно.

Разновидностью педального модуля является бесконтактный модуль с индукционными катушками. На общей многослойной плате предусмотрены одна катушка возбуждения и три приемные катушки для каждого чувствительного элемента, а также электронные элементы обработки сигналов и управления датчиком.

Ромбовидные приемные катушки расположены со смещением относительно друг друга, благодаря чему создается сдвиг фаз индуцируемого в них тока. Над приемными катушками находятся катушки возбуждения. На механизме педали закреплена металлическая шторка, который перемещается при движении педали вдоль платы на минимальном расстоянии от нее.

Катушка возбуждения запитывается переменным током. В результате возникает переменное электромагнитное поле, действующее на металлическую шторку. При этом в шторке индуцируется ток, который в свою очередь создает вокруг нее свое, вторичное, переменное электромагнитное поле. Оба поля, созданные катушкой возбуждения и металлической шторкой, действуют на приемные катушки, создавая на их выводах соответствующее напряжение. В то время как собственное поле шторки не зависит от ее положения, индуцируемый в приемных катушках ток, изменяется при перемещении шторки относительно них (рис. 7.51).

При перемещении шторки изменяется степень перекрытия ею той или иной приемной катушки и соответственно меняется амплитуда напряжения на ее выводах. Переменные напряжения на выводах катушек преобразуются затем в электронной схеме датчика в сигналы постоянного напряжения, усиливаются и сравниваются друг с другом. Обработка завершается созданием линейного напряжения, подаваемого на выводы датчика.

Преимуществом модуля является отсутствие контактов, что повышает надежность системы.

Модуль управления дроссельной заслонки расположен на впускном трубопроводе и служит для обеспечения подачи нужного количества воздуха в цилиндры.

Модуль управления дроссельной заслонки (рис. 7.52) обеспечивает необходимую массу воздуха, поступающего в цилиндры.

Модуль состоит из:

— корпуса дроссельной заслонки 1;

— дроссельной заслонки 7;

— привода дроссельной заслонки.

Привод дроссельной заслонки воздействуетна дроссельную заслонку в соответствии с командами блока управления двигателя. Положение дроссельной заслонки отслеживается с помощью датчиков педали акселератора.

Блок управления двигателя определяет по этим сигналам намерение водителя увеличить или уменьшить мощность двигателя, суммируя внешние и внутренние требования к крутящему моменту и по ним рассчитывает необходимую величину момента и соответственно этому изменяет его. Крутящий момент определяется расчетом по частоте вращения двигателя, сигналу о нагрузке двигателя и моменту зажигания, при этом блок управления двигателя сначала сравнивает фактический крутящий момент с оптимальным моментом. Если эти величины не совпадают, блок управления расчетом определяет направление и величину положения дроссельной заслонки в целях достижения совпадения фактического и оптимального крутящего момента. После подается управляющий сигнал приводу дроссельной заслонки для приоткрытия ее или, наоборот, некоторого закрытия, например, в случае включения дополнительного потребителя ­- компрессора климатической установки.

Топливный бак. Топливный бак служит (рис. 7.53) для хранения запаса топлива, необходимого для работы двигателя.

Это резервуар, изготовленный из тонколистового металла (сталь, алюминий) или пластмассы. Форма его самая разнообразная. Основное место расположения — под днищем автомобиля.

Емкость бака, т.е. количество заливаемого в него топлива, тоже разная. Ее вы­бирают при проектировании автомобиля в зависимости от многих параметров. В среднем емкость топливного бака должна обеспечивать пробег автомобиля 450…550 километров без дополнительных заправок.

В систему питания горючее попадает через заборник, соединенный с топливопроводом подающей магистрали, излишки топлива попадают обратно через сливной топливопровод (вентиляционную магистраль).

В емкость топливного бака бензинового двигателя, помещается электрический топливный насос, нагнетающий давление горючего в системе. Уровень топлива в баке контролируется при помощи датчика, объединенного с насосом в одно модульное устройство. Датчик состоит из поплавка и потенциометра. При изменении уровня топлива поплавок поднимается или опускается, вызывая изменение сопротивления потенциометра. В результате меняется напряжение в цепи, и стрелка на приборной панели меняет свое положение. Если топливный бак имеет сложную конструкцию или большой объем, в нем могут быть установлены два датчика, работающих параллельно.

Для нормального снабжения двигателя топливом, в баке необходимо постоянно поддерживать атмосферное давление. Из-за разрежения емкость может деформироваться, в результате уменьшится объем топливного бака и может прекратиться подача горючего. Нормальное давление в топливном баке поддерживает система вентиляции. Она нейтрализует разрежение, возникающее при выработке горючего (для этого служит клапан вентиляции топливного бака), помогает удалить лишний воздух, попадающий внутрь во время заправки, и не позволяет чрезмерно подняться давлению в баке из-за нагрева горючего.

Современные автомобили оснащаются системой вентиляции замкнутого типа. Иными словами, бак не имеет непосредственного контакта с атмосферой. С разрежением борется клапан вентиляции топливного бака. По сути это обычный обратный клапан, открывающийся в тот момент, когда разрежение в баке достигает определенного значения. После его открытия внутреннее давление выравнивается с атмосферным.

Пары топлива во время заправки удаляются при помощи системы улавливания паров через вентиляционный трубопровод, после этого они попадают в адсорбер, где конденсируются. Когда емкость адсорбера заполнится, включается система его продувки, и горючее попадает во впускной коллектор и смешивается с рабочей смесью или отправляется обратно в бак. Аналогичным образом стравливается давление, возрастающее при нагреве топливного бака.

Наконец, система вентиляции оснащается гравитационным клапаном, это устройство предотвращает разлив топлива в случае, если автомобиль перевернется.

Для заправки бака используется заливная горловина. Располагается горловина справа или слева над задним крылом. Заливная горловина соединена с баком трубопроводом. Его сечение обеспечивает пропускную способность до 50 литров в минуту. Закрывается горловина топливного бака крышкой на резьбе, а снаружи все скрывает лючок, который может открываться из салона при помощи механического или электрического привода, или вручную, если на нем нет замка.

Для того чтобы предотвратить заправку в бак других топлив или жидкостей, в заливной горловине установлена блокирующая заслонка (рис. 7.54) Эта заслонка может быть разблокирована только наконечником заправочного пистолета с диаметром, предусмотренным для заправочных пистолетов для дизельного топлива. Для того чтобы открыть блокирующую заслонку, наконечник заправочного пистолета должен одновременно отжать наружу оба фиксатора заслонки. При попытке отжать только один из фиксаторов (например, если наконечник пистолета изношен), пружина сдвигает весь механизм в сторону разблокируемого фиксатора и заслонка остаётся закрытой.

Работа системы впрыска Мотроник. Пуск двигателя. В течение всего процесса пуска двигателя осуществляется расчет коли­чества впрыскиваемого форсунками топлива. Кроме того, для первых ко­мандных импульсов на впрыскивание в отсутствие вращения коленчатого вала устанавливается режим «синхронного впрыска». Повышенное количе­ство топлива, впрыскиваемого в соответствии с низкой температурой дви­гателя, обусловлено образованием топливной пленки на внутренних стенках впускного трубопровода и необходимостью компенсации, повышенной по­требности в топливе двигателя при работе с низкой частотой вращения. Не­посредственно после начала вращения коленчатого вала вплоть до заверше­ния режима пуска по мере увеличения частоты вращения осуществляется постепенное уменьшение порции впрыскиваемого топлива.

Система Мотроник осуществляет также согласование параметров зажи­гания с параметрами процесса пуска. Угол опережения зажигания регули­руется в зависимости от температуры охлаждающей жидкости и частоты вращения коленчатого вала так, чтобы был обеспечен легкий пуск и быст­рый прогрев двигателя.

Послепусковой период. В течение послепускового периода (фазы, начинающейся непосредст­венно после завершения стадии пуска) осуществляется постепенное сниже­ние количества впрыскиваемого топлива в зависимости от температуры ох­лаждающей жидкости и промежутка времени, прошедшего с момента за­вершения стадии пуска. Угол опережения зажигания изменяется в соответ­ствии с количеством впрыскиваемого топлива. Послепусковой период, та­ким образом, плавно переходит в стадию прогрева двигателя.

Прогрев двигателя. В зависимости от конструктивных особенностей двигателя и системы вы­пуска отработавших газов режим прогрева может быть реализован разными способами. Решающими факторами для расчета параметров управления дви­гателем при прогреве является его готовность к началу движения, а также оп­тимизация состава отработавших газов и расхода топлива. Сочетание бедной рабочей смеси с более поздним зажиганием при прогреве двигателя повыша­ет температуру отработавших газов, что необходимо для приведения каталитического нейтрализатора в рабочее состояние. Другую возможность повышения тем­пературы отработавших газов предоставляет использование богатой смеси вместе с нагнетанием дополнительного воздуха, который подается в систему выпуска за выпускны­ми клапанами спустя короткое время с момента пуска двигателя. Для подачи воздуха, например, может использоваться специальный насос. Избыток воз­духа при достаточном разогреве системы выпуска приводит к окислению СН и СО и достижению желаемой высокой температуры отработавших газов.

Оба способа обеспечивают быстрое приведение каталитического нейтрализатора в рабочее состояние. Наряду с воздействием на угол опережения зажигания и параметры впрыска ускоренный разогрев нейтрализа­тора может быть реализован также и за счет повышения частоты вращения коленчатого вала на холостом ходу. При достижении необходимой темпе­ратуры каталитического нейтрализатора осуществляется регулирование впрыска, обеспечивающее коэффициент избытка воздуха, равный 1, и ус­танавливается соответствующий угол опережения зажигания.

Корректировка впрыска топлива при ускорении и замедлении движения автомобиля. Часть впрыскиваемого топлива при очередном открытии впуск­ного клапана сразу не попадает в цилиндр, а остается на стенках трубопровода в виде жидкой пленки. Количество топлива, по­стоянно находящегося в виде та­кой пленки, резко возрастает с повышением нагрузки и с увели­чением количества впрыскивае­мого топлива. Во избежание обед­нения горючей смеси, обуслов­ленного оседанием части топлива на стенках впускной системы, во время разгона автомобиля должен быть обеспечен впрыск соответст­вующего дополнительного коли­чества топлива. Для улучшения ус­ловий смесеобразования могут применяются форсунки с допол­нительным пневматическим рас-пыливанием топлива, что позво­ляет уменьшить количество топ­лива, оседающего на стенках впускного трубопровода. Такая рабочая форсунка в разрезе показана на рис. 7.55. При снижении нагрузки происходит высвобождение осевшего на стен­ках впускного трубопровода топлива. Поэтому при замедлении движения время впрыска должно быть соответственно сокращено. Во время движе­ния в режиме торможения двигателем (ПХХ) впрыск топлива прекращает­ся полностью.

Управление частотой вращения коленчатого вала на холостом ходу. Управление частотой вращения коленчатого вала на холостом ходу долж­но обеспечивать соответствие между крутящим моментом и реальной нагруз­кой. Последняя на холостом ходу складывается из различных внутренних нагрузочных моментов, моментов сил трения в кривошипно-шатунном меха­низме, приводе клапанов и дополнительных агрегатов (например, насоса си­стемы охлаждения, кондиционера или гидроусилителя рулевого управления). Внутренние моменты сил трения в течение срока службы двигателя претер­певают постепенное изменение и, кроме того, они сильно зависят от рабочей температуры. На процесс регулирования частоты вращения оказывают влия­ние положение дроссельной заслонки и температура охлаждающей жидкости, а также сигналы датчиков нагрузки, поступающие от дополнительных агрегатов. Заданному значению частоты вращения коленчатого вала двигате­ля для каждого режима соответствует определенный расход воздуха.

Устройство и принцип действия электронной одноточечной системы впрыска (моно системы). Кроме распределённого впрыска в бензиновых двигателях применяется также центральный впрыск (одноточечные моно системы). Моно система впрыска представляет собой электронно-управляемую систему впрыска, в которой топливо впрыскивается во впускной трубопровод электромагнитной форсункой, расположенной перед дроссельной заслонкой. Система имеет одну на весь двигатель (греческое монос — один) магнитоэлектрическую форсунку, топливо, как и в системах «L-Jetronic», впрыскивается с интервалами. Распределение топливовоздушной смеси по цилиндрам происходит, как и в случае применения карбюратора – через впускной трубопровод. Конструкция системы центрального впрыска схематично представлена на рис. 7.56.

Система подачи топлива из бака здесь аналогична применяемой на системах распределенного впрыска.

Топливо из бака засасывается насосом 8 погружного или выносного типа и под давлением подается к фильтру тонкой очистки 7, а затем к т.н. моноблоку дроссельной заслонки, где расположена электромагнитная форсунка 2, распыливающая топливо в зону над дроссельной заслонкой. Количество подаваемого топлива во впускной трубопровод зависит от величины поднятии иглы форсунки, которая в свою очередь определяется блоком управления по напряжению, подаваемому в обмотку форсунки.

Если двигатель V-образный, в моноблоке располагаются две форсунки, каждая из которых распыляет топливо над своей дроссельной заслонкой (эта конструкция применяется, в основном, на автомобилях американского производства).

При такой схеме используется впускной коллектор, аналогичный карбюраторным системам. Этим системам характерны основные недостатки систем центрального впрыска: неравномерное распределение топливовоздушной смеси по цилиндрам и образование топливной пленки на стенках впускных трубопроводов. Тем не менее, благодаря совершенным алгоритмам управления эти недостатки удается в значительной степени скомпенсировать.

Несомненным преимуществом данных систем является их относительная простота и меньшая, по сравнению с многоточечными системами, стоимость. В условиях эксплуатации такие системы более надежны – например, форсунки в гораздо меньшей степени подвержены загрязнениям и закоксовыванию, а низкое давление в системе позволяет во многих случаях применять бензонасосы турбинного типа, которые имеют больший ресурс.

Основная часть системы – моноблок дроссельной заслонки (заслонок), общая схема которого представлена на рис. 7.57.

В верхней части моноблока установлена электромагнитная форсунка 4. Топливо к форсунке подводится по специальному каналу, выполненному в корпусе моноблока. Для поддержания необходимого давления в системах центрального впрыска используется встроенный регулятор давления 1, перепускающий излишки топлива по трубопроводу обратно в бак. Так как топливная форсунка расположена перед дроссельной заслонкой, практически на месте жиклера карбюратора в системах центрального впрыска поддерживается давление порядка 0,8…1,2 кгс/см². Принцип работы и устройство регулятора аналогичны регуляторам, применяемым в электронных системах распределенного впрыска, однако, в отличие от этих систем, полость над диафрагмой соединяется не с задроссельным пространством, а с атмосферой (точнее, с полостью за воздушным фильтром). Это объясняется тем, что форсунка расположена над дроссельной заслонкой, т.е. в зоне практически постоянного давления, поэтому перепад давления на форсунке не меняется. В обесточенном состоянии клапан 7 прижат пружиной к седлу и перекрывает доступ топлива к отверстиям распылителя.

Когда от блока управления на катушку поступает импульс, магнитное поле, образующееся внутри катушки, поднимает якорь вверх, уменьшая давление пружины на клапан 7. Топливо, находящееся внутри корпуса форсунки, поднимает клапан и под давлением, поддерживаемым регулятором 1, распыливается в корпус дроссельной заслонки через отверстия 8. Обычно форсунка имеет шесть отверстий, ориентированных в разные стороны. Мелкое распыливание топлива обеспечивается за счет завихрения потока топлива в отверстиях распылителя. Угол впрыска выбирается таким, чтобы топливо направлялось в щель между дроссельной заслонкой и корпусом дроссельной заслонки.

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.

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.

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. Последний корректирует дозировку и при полной нагрузке. Корректировка по токсичности отработавших газов идет по сигналам 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.

Устройство и принцип действия электронной системы непосредственного впрыска. Система непосредственного впрыска бензина в цилиндры двигателя отдельной опцией или в составе с впрыском во впускной трубопровод находят все более широкое распространение.

Общая схема системы топливоподачи системы непосредственного впрыска показана на рис. 7.58. Топливо от топливоподкачивающего насоса 6 подается к топливному насосу высокого давления 1, оснащенному датчиком давления топлива для его точного дозирования. ТНВД заключен в герметичный кожух и вал насоса приводится во вращения с помощью электромагнитной муфты. Подача топлива к форсункам цилиндров осуществляется насосом высокого давления 1 развивающим давление 4,0…20 МПа (40…200 кгс/см²). При этом давление топлива, впрыскиваемое в цилиндры двигателя может быть постоянным или изменяться: на холостом ходу 7,0…10,0 МПа (70…100 кгс/см²), при полной нагрузке 11,0…20,0 МПа (110…200 кгс/см²), на переходных режимах 3,0 МПа (30 кгс/см²) (система впрыска HPI французский концерн Peugeot-Citroen). Топливо накапливается в аккумуляторе давления 3 и из него по трубопроводам передается к форсункам. Форсунки 5, в отличие от традиционных систем впрыска, установлены не во впускном трубопроводе, а непосредственно в камере сгорания двигателя. Необходимое давление в системе поддерживается предохранительным клапаном 4. При подаче напряжения из блока управления открываются соленоидные клапана и топливо впрыскивается в камеру сгорания.

Расширенная схема системы топливоподачи системы непосредственного впрыска на примере двигателя Volkswagen показана на рис. 7.59.

Блок управления двигателем 23 рассчитывает оптимальное соотношение топлива и воздуха для следующих способов смесеобразования;

• послойное распределение смеси;
• образования бедной гомогенной смеси;
• образование гомогенной смеси стехиометрического состава;
• двойной впрыск топлива для разогрева нейтрализатора;
• двойной впрыск топлива при работе двигателя на полной нагрузке.

Расход воздуха в системах непосредственного впрыска может определяться как с помощью расходомеров, так и без них. В приведенной системе он рассчитывается блоком управления двигателем с использованием сигналов датчика температуры воздуха на впуске в двигатель 24, датчика давления во впускном трубопроводе 18, датчика частоты вращения коленчатого вала 14, датчика положения дроссельной заслонки, датчика фаз 5 и датчика атмосферного давления, расположенного в корпусе блока управления.

Для снижения выбросов оксидов азота, в двигателях с непосредственным впрыском применяется рециркуляция отработавших газов. Чтобы обеспечить перепуск отработавших газов на границе бесперебойной работы двигателя рассчитывается их количество. Для расчета количества перепускаемых газов используются:

• сигнал датчика давления воздуха 18 во впускном трубопроводе;
• сигнал датчика температуры воздуха во впускном трубопроводе 24;
• сигнал датчика атмосферного давления в блоке управления двигателем (для определения противодавления в выпускной системе);
• сигнал датчика температуры выпускных газов;
• рассчитанная нагрузка двигателя.

При перепуске отработавших газов происходит повышение давления воздуха во впускном трубопроводе. Датчик давления воздуха во впускной системе 18 измеряет его величину и направляет сигнал соответствующего напряжения в блок управления двигателем. Этот сигнал используется для определения суммарной массы воздуха и отработавших газов, поступающей в двигатель. Из этой массы вычитывается масса свежего воздуха, соответствующую нагрузке двигателя, для получения массы перепускаемых газов.

Чтобы повысить крутящий момент при низких частотах вращения коленчатого вала, систему выпуска раздваивается в ее передней части. При этом на каждой приемной трубе установлен отдельный предварительный нейтрализатор 7.

Предварительные нейтрализаторы образуют с приемными трубами неразъемные конструкции. Перед нейтрализаторами установлены широкополосные датчики кислорода 6, которые служат для определения состава бензовоздушной смеси. После нейтрализаторов расположены датчики кислорода 8 со скачкообразной характеристикой, которые позволяют определить эффективность очистки отработавших газов. Приемные трубы соединяются перед общим нейтрализатором NО_x10 накопительного типа. В накопительном нейтрализаторе собираются оксиды азота, образуемые в избыточном количестве при работе двигателя на бедной смеси.

Установленный за нейтрализатором датчик NО_x 9 служит для определения степени его насыщения. По сигналу этого датчика запускается процесс регенерации накопительного нейтрализатора.

Для подачи топлива к насосу высокого давления внутри топливного бака установлен электрический подкачивающий насос. Он подает к насосу высокого давления только то количество топлива, которое необходимо впрыснуть в цилиндры двигателя в зависимости от его мощности, вследствие чего снижается расход электроэнергии на привод насоса. Блок управления электронасосом в зависимости от нагрузки двигателя изменяет подачу топлива в систему низкого давления в пределах от 30 до 180 л/ч при постоянном давлении 4 кгс/см². При пуске холодного или горячего двигателя производительность насоса кратковременно повышается, а давление в системе увеличивается с 4 до 5 кгс/см². Подкачивающий электронасос включается блоком управления бортовой сетью при открывании двери водителя, благодаря этому происходит своевременное повышение давление в топливной системе.

Электрические подкачивающие насосы для системы непосредственного впрыска могут быть как одноступенчатыми, аналогичные описанным выше, так и двухступенчатыми (рис. 7.60).

Насосное колесо первой (предварительной) ступени 9 всасывает топливо из придонной зоны бака и нагнетает его в колодец насоса 3, что позволяет использовать практически все топливо из бака. На насосное колесо второй (главной) 8 ступени топливо поступает непосредственно из колодца 3. Колодец с насосными колесами и погружным датчиком уровня топлива опирается на днище бака, с которым он соединен посредством фиксаторов. Доступ ко всем деталям осуществляется после снятия крышки колодца.

Топливный насос высокого давления. Топливный насос высокого давления установлен на корпусе распределительных валов и приводится от четырехгранного кулачка на впускном распределительном вале (рис. 7.61).

Насос предназначен для создания в топливной системе давления до 100 кгс/см². По конструкции он представляет собою регулируемый по подаче одно или трехплунжерный насос высокого давления (рис. 7.62).

Насос подает в распределитель топлива только то количество топлива, которое должно быть впрыснуто в соответствии с многопараметровой характеристикой. Благодаря этому снижается мощность, затрачиваемая на его привод, и соответственно уменьшается расход топлива двигателем.

Процесс наполнения. Плунжер насоса 10 перемещается вниз под действием возвратной пружины 11. При этом увеличивается объем надплунжерного пространства, в результате чего здесь давление падает. Превышение давления топлива в системе низкого давления над давлением в надплунжерном пространстве приводит к открытию впускного клапана 6 и перетеканию топлива в надплунжерное пространство. При этом нагнетательный клапан остается закрытым, так как давление топлива в системе высокого давления превышает его величину в надплунжерном пространстве.

Процесс подачи. При движении плунжера вверх давление в пространстве над ним повышается, в результате чего впускной клапан 6 закрывается. При превышении давления в надплунжерном пространстве над давлением в распределителе топлива открывается нагнетательный клапан 1 и топливо вытесняется в распределитель.

Регулирование давления топлива. Если давление топлива повысилось до требуемого значения, подается ток в обмотку регулирующего клапана 9, вызывая перемещение его иглы под действием магнитного поля. При этом открывается проход топливу во впускную полость, в результате чего давление в надплунжерном пространстве снижается и нагнетательный клапан 1 закрывается.

Встроенный в насос демпфер 3 служит для сглаживания резких скачков давления, возникающих при открытии регулирующего клапана, и подавления колебаний в системе низкого давления.

При открытой игле 8 регулирующего клапана небольшое количество топлива направляется для смазки плунжера и отводится затем через канал 12 в топливный бак.

Форсунка. Конструкция форсунки электронной системы непосредственного впрыска (рис. 7.63) аналогична конструкции электронной форсунки впрыска во впускной трубопровод. При подаче напряжения на обмотку электромагнита форсунки вокруг нее создается магнитное поле. Оно втягивает в себя якорь электромагнита с иглой форсунки, которая поднимается с седла и топливо впрыскивается в цилиндр двигателя. При падении подаваемого на обмотку электромагнита напряжения магнитное поле исчезает, а игла распылителя прижимается пружиной к своему седлу и впрыск топлива прекращается.

Управляющее напряжение подается на форсунки через электронный коммутатор в блоке управления двигателем. Чтобы обеспечить быстрое открытие форсунки, после фазы предварительного намагничивания малым током на ее обмотку подается напряжение порядка 90 вольт. При этом напряжении ток в обмотке достигает 10 ампер. После открытия форсунки на нее подается напряжение 30 вольт, при токе в обмотке 3…4 ампера, что достаточно для удержания иглы в открытом состоянии.

Для снижения энергопотребления форсунок в форсунках системы непосредственного впрыска применяется холостой ход якоря электромагнита. Холостой ход якоря реализован в результате отделения от него иглы форсунки. При протекании тока по обмотке возбуждения сначала втягивается якорь, преодолевающий при этом начальное усилие его удерживания, а затем с определенной задержкой он захватывает и увлекает за собой иглу форсунки.

Для увеличения скорости потока воздуха во впускных трубопроводах применяются изменения геометрии впускного коллектора. С помощью заслонок механизма изменения геометрии происходит переключение между коротким и длинным впускным коллектором в зависимости от характеристик. Переключающие заслонки приводятся электродвигателем впускного коллектора с изменяемой геометрией.

В нижнем диапазоне частоты вращения в положение максимального крутящего момента (длинный впускной коллектор). В верхнем диапазоне частоты вращения в положение максимальной мощности (короткий впускной коллектор).

Кроме изменения геометрии впускного коллектора могут применяться специальные вспомогательные заслонки для каждого цилиндра во впускном трубопроводе, разделяющих его на две части (рис. 7.64).

Заслонки служат для управления потоками воздуха, поступающего в цилиндры двигателя, в зависимости от режимов работы двигателя. Привод заслонок может осуществляться с помощью вакуумного (рис. 7.64, а) или электрического привода (рис. 7.64, б). В последнем заслонки поворачиваются с помощью шатунного толкателя электродвигателем, управляемого блоком управления двигателя.

Датчик давления топлива (рис. 7.65) устанавливается в распределительном трубопроводе. Сигнал датчика используется в блоке управления двигателем для регулирования давления топлива в контуре высокого давления по многопараметровой характеристике.

Топливо внутрь датчика поступает из распределительного трубопровода. Под действием давления стальная мембрана датчика прогибается. Если давление небольшое прогиб мембраны будет незначителен. Сопротивление тензорезисторов при этом наибольшее, а напряжение на выходе датчика небольшое. При высоком давлении топлива мембрана датчика прогибается на значительную величину. В результате сопротивление тензорезисторов снижается, а напряжение на выходе датчика увеличивается. Снимаемое с тензорезисторов напряжение усиливается электронной схемой и направляется на вход блока управления двигателем. Изменение давления в распределительном трубопроводе производится посредством регулятора давления.

Регулятор давления топлива (рис. 7.66) устанавливается в системе для поддержания необходимого давления в распределительном трубопроводе независимо от расхода топлива через форсунки и от его подачи насосом высокого давления. С его помощью распределительный трубопровод сообщается со сливной магистралью, через которую топливо возвращается в бак. Он может устанавливаться как на топливном насосе высокого давления, как было описано выше, так и отдельно.

Блок управления двигателем подает на обмотку регулятора широтно-импульсный сигнал, изменяемый при отклонении давления в распределительном трубопроводе от заданного значения. Под действием магнитного поля якорь электромагнита 4 вместе с запорным шариком 7 поднимается с седла, открывая путь топливу в сливную магистраль. Чем больше ширина импульсов, тем шире проход в регуляторе и тем больше сливается топлива из распределительного трубопровода.

В обесточенном состоянии шарик закрыт. В результате этого в системе постоянно поддерживается высокое давление топлива. Для защиты компонентов топливной системы от чрезмерного давления 2 предусмотрена пружина, удерживающая шарик в закрытом состоянии до давления 120 кгс/см². При превышении этого давления шарик открывается.

Поршни двигателей, оборудованных системами непосредственного впрыска, имеют специальную конструкцию и характерны углублением 6 на днище (рис. 7.67). 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.

Принцип работы системы непосредственного впрыска. Поршни двигателей, оборудованных системами непосредственного впрыска, имеют специальную конструкцию и характерны углублениями 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.

Применяются 4 способа смесеобразования (рис. 7.68), 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.

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 2, перекрывающие нижние части впускных каналов, разделенных пластиной 3 (рис. 7.69 а, б). В результате этого поступающий в цилиндры двигателя воздух направляется только через верхние части впускных каналов, закручивая воздушную массу внутри цилиндров.

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 в последней трети такта сжатия незадолго до момента искрообразования, приблизительно за 60° и заканчивается приблизительно за 45° до в. м. т. Впрыскиваемое под высоким давлением 4,0…11,0 МПа (40…110 кгс/см²) топливо подхватывается воздушным потоком, который сносит способную к воспламенению смесь в направлении к свече зажигания (рис. 7.69, а).

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.

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.

После поступления топливовоздушной смеси к свече зажигания она поджигается искрой (рис. 7.69, б). 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 абразивное изнашивание поршневых колец.

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 (рис. 7.69, в). 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.

Сгорание происходит при этом во всем объеме камеры сгорания при полном отсутствии изолирующих слоев чистого воздуха и без добавки рециркулируемых отработавших газов (рис. 7.69, г).

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.

Двойной впрыск для разогрева нейтрализатора. При работе двигателя на гомогенной смеси ускоряется, разогрев нейтрализатора до рабочей температуры. Помимо этого, при прогреве увеличивается равномерность работы двигателя и снижается выброс углеводородов. Все это приводит к снижению выбросов с отработавшими газами и повышению экономичности.

Первый впрыск производится на такте впуска приблизительно за 300° до ВМТ конца сжатия (рис. 7.70). Благодаря этому во всем объеме цилиндра образуется однородная смесь топлива с воздухом.

В процессе второго впрыска в цилиндр дополнительно подается относительно небольшая порция топлива впрыскивается приблизительно за 60° до ВМТ конца сжатия (рис. 7.71). Эта порция топлива сгорает с большим запозданием, поэтому температура отработавших газов повышается. В результате более горячие газы быстрее разогревают нейтрализатор и обеспечивают достижение его рабочей температуры за более короткое время.

При работе двигателей с непосредственным впрыском бензина с полной нагрузкой на частотах вращения до 3000 об/мин наблюдается нежелательное неравномерное распределение смеси в цилиндрах. В связи с этим при интенсивном разгоне и максимальной мощности для увеличения крутящего момента подача топлива переключается на режим двухстадийного впрыска. Первый впрыск производится на такте впуска приблизительно за 300° до ВМТ конца сжатия. При этом впрыскивается приблизительно две трети от суммарной дозы топлива. Первая порция, подаваемая во время такта впуска, перемешиваясь с воздухом и охлаждая его, создает в цилиндрах однородную сверхобедненную смесь (состав смеси 60:1) (рис. 7.72).

Оставшаяся третья часть топлива впрыскивается в зону искрового заряда в начале такта сжатия (состав смеси 12:1) (рис. 7.73), благодаря этому снижается количество топлива, попадающего на стенки цилиндра. Повышение однородности смеси достигается за счет практически полного испарения топлива. Тем не менее, в зоне свечи зажигания образуется более богатая смесь, чем на периферии камеры сгорания. Это улучшает процесс сгорания и снижает вероятность возникновения детонации.

При работе двигателя на двухстадийном впрыске приоткрывается заслонка, запирающая второй прямой впускной канал. Поток воздуха, устремляющийся по этому каналу в цилиндр, разрушает расслоение, в результате чего на режиме максимальной мощности топливовоздушная смесь становиться гомогенной. Применение двухстадийного впрыска и богатой смеси увеличивает крутящий момент двигателя до 55%.

Применение системы центрального впрыска позволяет увеличить степень сжатия, что улучшает экономичность (до 15…20%) при общем снижении выбросов токсичных веществ до 20%, а также повышает мощность и крутящий момент до 10% во всем диапазоне частоты вращения коленчатого вала.

Основным недостатком систем центрального впрыска является высокое содержание оксидов азота, образующихся при высоких температурах цикла в режимах работы на бедных смесях. Снижение оксидов азота производится по двум направлениям: рециркуляцией отработавших газов (до 30%) и нейтрализацией. Кроме обычного трехкомпонентного нейтрализатора для разложения оксидов азота применяют спе­циальный фильтр-накопитель, задерживающий оксиды азота с покрытием из бария или иридия. Как только фильтр-накопитель начинает переполняться, блок управления кратковременно переводит работу двигателя на режим обогащенной смеси, что повышает температуру отработавших газов. При этом «связан­ные» барием или иридием молекулы NO_x вы­свобождаются и разлагаются на кислород и азот. Частота очищения фильтра-накопителя зависит от режима работы двигателя и не превышает нескольких секунд в течение каждой минуты работы двигателя. Кроме этого, для работы двигателя с непосредственным впрыском необходимо топливо с минимальным содержанием серы, чтобы не повредить нейтрализатор.

Недостатками непосредственного впрыска являются также смачивание поступающим топливом стенок цилиндров впрыскиваемым топливом, которое вызывает срыв масляной пленки, образование несгоревших углеводородов в зоне сгорания сверхбедных смесей, поэтому следует предпринимать специальные меры по устранению этих явлений.

Применение системы центрального впрыска позволяет увеличить степень сжатия, что улучшает экономичность (до 15…20%) при общем снижении выбросов токсичных веществ до 20%, а также повышает мощность и крутящий момент до 10% во всем диапазоне частоты вращения коленчатого вала.

Основным недостатком систем центрального впрыска является высокое содержание оксидов азота, образующихся при высоких температурах цикла в режимах работы на бедных смесях. Снижение оксидов азота производится по двум направлениям: рециркуляцией отработавших газов (до 30%) и нейтрализацией. Кроме обычного трехкомпонентного нейтрализатора для разложения оксидов азота применяют спе­циальный фильтр-накопитель, задерживающий оксиды азота с покрытием из бария или иридия. Как только фильтр-накопитель начинает переполняться, блок управления кратковременно переводит работу двигателя на режим обогащенной смеси, что повышает температуру отработавших газов. При этом «связан­ные» барием или иридием молекулы NO_x вы­свобождаются и разлагаются на кислород и азот. Частота очищения фильтра-накопителя зависит от режима работы двигателя и не превышает нескольких секунд в течение каждой минуты работы двигателя. Кроме этого, для работы двигателя с непосредственным впрыском необходимо топливо с минимальным содержанием серы, чтобы не повредить нейтрализатор.

Недостатками непосредственного впрыска являются также смачивание поступающим топливом стенок цилиндров впрыскиваемым топливом, которое вызывает срыв масляной пленки, образование несгоревших углеводородов в зоне сгорания сверхбедных смесей, поэтому следует предпринимать специальные меры по устранению этих явлений.

Устройство и принцип действия электронной системы двойной (смешанной) впрыска. Жесткие требования нормы Евро 6 по снижению снижение выбросов твердых частиц в 10 раз, уменьшения выбросов токсичных веществ и СО₂ за счет снижения расхода топлива привело к необходимости применения двойной (бинарной) системы впрыска бензиновых двигателей. Такая система состоит из системы впрыска во впускной трубопровод и системы впрыска в цилиндры двигателя.

Схема системы показана на рис. 7.74, а отдельные ее компоненты на рис. 7.75.

позиции соответствуют позициям рис. 9.50. 13 – датчик температуры воздуха на впуске с датчиком давления во впускном коллекторе; 14 – дроссельная заслонка

Система впрыска во впускной коллектор (MPI). В состав системы впрыска во впускной коллектор MPI входит собственный датчик давления — датчик низкого давления топлива 5. Подача топлива осуществляется подкачивающим топливным насосом 4 в топливном баке 3 и регулируется по потребности. Подкачивающий топливный насос G6 подключён к блоку управления топливного насоса и управляется через него блоком управления двигателя. Топливная рампа MPI изготовлена из пластмассы. Форсунки 7 MPI установлены в пластмассовом впускном коллекторе.

Топливо в систему впрыска MPI поступает от имеющегося на насосе высокого давления штуцера низкого давления. Это позволяет охлаждать насос высокого давления при работе двигателя. Для уменьшения пульсаций, передаваемых насосом высокого давления в рампу, в штуцере низкого давления на насосе высокого давления установлен дроссель.

Система впрыска высокого давления (FSI). Эта система включает в себя топливный насос высокого давления 9, рампу, датчик высокого давления 10, форсунки непосредственного впрыска 12. Впрыск топлива форсунками осуществляется непосредственно в цилиндры двигателя под давлением 200 кгс/ см².

Алгоритм работы двойной системы впрыска заключается в следующем. Прежде всего, по специальной характеристике определяется, должен ли двигатель работать в режиме MPI (впрыск во впускной коллектор) или FSI (непосредственный впрыск).

На холодном двигателе (температура ОЖ ниже примерно 45 °C в зависимости от температуры масла) всегда используется режим непосредственного впрыска, как и при любом запуске двигателя. При длительной работе в режиме впрыска во впускной коллектор топливо в форсунках высокого давления может закоксовываться. Чтобы этого не происходило, система в таких случаях периодически на короткое время включает непосредственный впрыск, промывая таким образом форсунки высокого давления.

При пуске двигателя производится трёхкратный непосредственный впрыск в такте сжатия. Для прогрева нейтрализатора выполняется двукратный непосредственный впрыск, один раз в такте впуска и один раз в такте сжатия. При этом момент впрыска несколько смещается в сторону «поздно». По мере прогрева двигателя (> 45 °C) на частичных нагрузках производится переключение на впрыск во впускной коллектор. На прогретом двигателе впрыск топлива до камеры сгорания даёт оптимальную гомогенизацию топливовоздушной смеси. Другими словами, у топлива есть больше времени, чтобы смешаться с воздухом и частично испариться. В результате смесь сгорает быстро и оптимально (с точки зрения КПД). Кроме того, не происходит затрат мощности двигателя на привод насоса высокого давления.

На высокой нагрузке производится двукратный непосредственный впрыск, один раз в такте впуска и один раз в такте сжатия.

При выходе одной из двух систем впрыска из строя другая система обеспечивает работу двигателя в аварийном режиме. Автомобиль тем самым сохраняет возможность двигаться и не требует эвакуации.

Система впрыска во впускной коллектор MPI, установленная в дополнение к системе непосредственного впрыска, обладает существенными преимуществами:

• Вследствие более гомогенного смесеобразования, уровень выбросов твёрдых частиц двигателем на порядок уменьшается.

• В диапазоне низких нагрузок возможна большая степень открытия дроссельной заслонки. Это снижает расход топлива.

• Меньшее попадание топлива на стенки в процессе впрыска позволяет сократить количество топлива, оказывающегося в моторном масле.

• При пуске двигателя впрыск топлива может начинаться раньше (так как нет необходимости ждать, пока механический ТНВД создаст высокое давление топлива, низкое давление в системе MPI достигается быстрее), что означает более быстрый пуск холодного двигателя.

• Уменьшение шумности на холостом ходу, поскольку на холостом ходу используется преимущественно впрыск во впускной коллектор (MPI), а форсунки MPI работают тише, чем FSI.

• Вплоть до средних нагрузок для уменьшения выбросов твёрдых частиц выбирается режим MPI.

• В направлении полной нагрузки реализуется смешанный режим с малой долей MPI, в результате чего происходит равномерная базовая гомогенизация рабочей смеси и снижаются выбросы СO₂.