Непосредственный впрыск в камеру сгорания. что это и для чего он нужен?

Что такое послойное смесеобразование, и почему моторы с непосредственным впрыском завоевывают  мир

Термин «непосредственный впрыск» хорошо известен, поскольку данная конструкция широко применяется автопроизводителями еще с 1990-х годов – вспомним, например, моторы GDI (Gasoline Direct Injection – прямой впрыск бензина) от Mitsubishi.

Похожая система сейчас используется концерном Volkswagen, но именуется иначе – FSI, сокращение от Fuel Stratified Injection — «послойный» впрыск топлива». Так в чем же отличие «джидаев» от тех систем, которые применяются теперь? Там и там – непосредственный впрыск, но вот состав самой смеси различается.

Если на первых моделях топливная форсунка представляла собой обычный распылитель, при котором получалась однородная (гомогенная) смесь, и различие между непосредственным и распределенным (MPI) впрыском было только в количестве отверстий распылителя, их расположении и разных показателей давления, то на современных моделях производители уже научились разделять топливовоздушную смесь на зоны с переобогащенной и переобедненной смесью. Зачем это понадобилось? Из-за характеристик сгорания переобедненной смеси. Перечислим плюсы, которые мы получаем во время работы ДВС на такой смеси.

1. Высокая температура сгорания, высокий КПД и, как следствие, высокий крутящий момент на выходе.
2. Сокращение расхода топлива (до 15 %, но это только в теории).
3. Малая эмиссия углеводородов в выхлопных газах.

Вполне достаточно, чтобы заработать на звание «Мотор года», не находите? Внедрение таких моторов пошло полным ходом с 2005 года. В качестве примера можно вспомнить массовый переход на FSI-моторы концерна VW.

И, разумеется, первые «блины» вышли комом – достаточно спросить обладателей первых Passat B6 с атмосферными FSI-моторами, выпущенных в 2006 году, с их многочисленными прошивками ЭБУ и проблемами с запуском зимой. «Четырехколечное» подразделение концерна поступило мудрее, не став рисковать своим имиджем ради новых технологий.

Вот выдержка из материала самообучения по двигателю 2.0 TFSI, то, что написано в самом начале документа (здесь и далее цитаты из официальных и обучающих документов VW AG).

Впрочем, полностью отказаться от послойного смесеобразования производитель все же не смог. Давайте рассмотрим подробнее, что же такое послойное смесеобразование.

Хорошо видно, что область использования переобедненных смесей находится в промежутке от 1000 до 3500 об/мин, т.е. в наиболее часто используемом водителями диапазоне оборотов ДВС . Если брать диаграмму относительно нагрузки ДВС:

Опять мы видим в области средних/малых нагрузок работу именно на переобедненной смеси. Каким же образом реализуется такая работа? С помощью ввода специальных управляемых воздушных заслонок во впускном коллекторе…

…и ориентации (и формы) распылителей форсунок, имеющих возможность впрыска топлива прямо в цилиндры (непосредственный впрыск), собственно и становится возможным осуществить процесс работы ДВС на обедненной смеси.

Предлагаем взглянуть на моделирование начального процесса без привязки к конкретному исполнению мотора, как это воспринималось разработчиками системы непосредственного впрыска Bosch MED 7.

Обратите внимание: поток восходящий, симметричный, образующий две равнозначные, однонаправленные циркуляции (топливное «облако» и воздушный поток) в объеме ½ поперечной плоскости цилиндра.

Степень насыщения воздушного «факела» топливом сильно зависит от формы днища поршня, но довольно слабо – от смещения и отклонения самой топливной струи, в данном случае сглаживаемых самой формой днища поршня.

Трудности реализации и необходимые профилактические меры

При всех положительных моментах эксплуатации двигателя на переобедненных смесях у современных автомобилей имеются проблемы, у которых нет «общих точек соприкосновения» со старым семейством MPI-впрыска, что в свою очередь вызывает трудности в диагностике.

Чтобы понять, какие изменения последовали в конструкции, и сравнить, надо обратиться к самому началу появления данного типа системы впрыска в производстве. Конкретную реализацию разберем на примере моделей VW AG.

Итак, сравнение поршневой группы атмосферного и турбированного ДВС…

В первом случае видна схема «встречных потоков» описанных ранее, во втором очевидно играет гораздо большую роль предварительное завихрение потока воздуха во впускном коллекторе (в этом одно из различий исполнения данных моторов) и полная направленная циркуляция в полном объеме цилиндра.

Предварительное завихрение воздушного потока во впускном коллекторе и обедняет классическую однородную (гомогенную) смесь при смешивании воздушного потока с топливом.

На практике первая схема обеспечивает лучшее охлаждение поршня (а с ним – эффективную борьбу с детонационными явлениями при рабочем цикле, о чем подробнее поговорим далее).

В то же время для таких моторов характерна проблема зимнего пуска, при котором свечи просто «заливало» топливом, и мотор не запускался, а самое смешное в этом вопросе (думаю, владельцы Passat B6 первых годов выпуска об этом хорошо помнят), что самая простая «жигулевская» и даже не первой свежести свеча помогала запустить замерзший ДВС, после чего следовала еще одна замена – возвращение оригинальных свечей назад. Последовало порядка десятка изменений версий программного обеспечения блока управления ДВС, прежде чем удалось решить эту проблему. Разумеется, владельцев ДВС с турбокомпрессором такие проблемы не коснулись. Пуск на гомогенной смеси при минусовой температуре воздуха отработан автопроизводителями до мелочей. В дальнейшем на цепных моторах 2008 года и далее эксперименты с формой днища поршня проводить не стали. Обычно такие поршни обладают плоской поверхностью со стандартными выемками под клапана.

Или имеют ярко выраженную сферическую вогнутую поверхность по всей ширине гильзы цилиндров, назначение которой будет понятно немного позже.

А теперь посмотрим на организацию подачи топлива и воздуха на этих ДВС:

Используются форсунки с 6-ю отверстиями, что положительно влияет на качество распыления топлива. Обратите внимание на расположение топливной форсунки и впускного канала: они находятся в одной плоскости, а это значит, суммарного восходящего потока уже не получится.

Учитывая, что топливо должно успеть равномерно распределиться по топливовоздушному заряду, получаем единственный вариант —организацию встречного потока с довольно большим дефицитом по времени эффективного распыления. Разумеется, об эффективном охлаждении поршней в этом случае речь тоже не идет.

Давайте посмотрим, что думают об этом сами создатели.

Довольно простое решение подачи топлива непосредственно в зону свечи, т.е. топливный заряд оборачивается, условно говоря, в «кокон» воздушного заряда (эффект дополнительного охлаждения смеси достигается ее изолированием воздушным потоком, если говорить точнее).

В итоге в зоне электрода свечи мы имеем обогащенную, легко воспламеняемую смесь, а в остальных местах камеры сгорания – переобедненную.

Но путь смешивания топливного и воздушного зарядов очень короткий, в отличие от схемы, обсуждаемой ранее, а нормальное перемешивание, с отражением от поверхности поршня и равномерным распределением по фронту потока (как это было с атмосферным мотором), к сожалению, невозможно.

Именно этот аспект и влияет на возможную проблемную работу ДВС в целом, а причина возникновения трудностей стабильного воспламенения довольна простая:

Симптомы и признаки загрязнения форсунок

Да, основная причина загрязнение распылителей форсунок и приносит наибольшую головную боль обладателям современных FSI-моторов. Обычно сопровождается это вибрацией, пропусками воспламенения при холодном пуске, а также повышенным расходом топлива и дерганьем автомобиля при разгоне. Почему так происходит, вы, наверное, уже догадались.

Разумеется, из-за отклонения топливной струи от расчетной траектории, ведь в данном случае совсем небольшого отклонения вполне достаточно, чтобы резко «обеднить» зону вокруг центрального электрода, при котором устойчивого воспламенения уже не будет. Но и это далеко не последняя проблема в данном ДВС.

Довольно часто обсуждают следующее явление на впускных клапанах:

• А вот так выглядит начало такого процесса:

Обратите внимание: налет мягкий, легко снимаемый и совершенно непохожий на тот твердый светло-бурый налет на MPI-моторах, который иначе как механической обработкой не снять. Больше всего он напоминает налет на впускных коллекторах дизельных моторов. И в этом есть часть ответа на вопрос по образованию такого нагара.

Очень часто на вопрос о загрязнении впускных клапанов и форсунок отвечают стандартными фразами: «некачественное топливо», «несвоевременное обслуживание» или «неправильно подобранное масло».

Но, к сожалению, даже при использовании высококачественных материалов и сокращенном интервале обслуживания ситуация радикальным образом не изменится. Чтобы понять причину этой проблемы, давайте рассмотрим диаграмму фаз газораспределения.

Но, как быть с увеличением NOx при повышении температуры отработавших газов? Каталитический нейтрализатор для данного соединения человечество еще не придумало.

Была изобретена система возврата отработавших газов EGR, которая и занималась снижением температуры ОГ и, как следствие, уменьшением доли NOx в выхлопных газах.

Но поскольку со временем клапан EGR не сильно отличался по виду от впускных клапанов, выложенных ранее, по степени негативных эмоций он прочно занимал второе место и у механиков, и у владельцев. Одна из самых «оптимистичных» конструкций клапана EGR выглядела так:

Тут конструкторы немного погорячились: поставить дроссельную заслонку на выпускные газы?! Кто хоть раз видел дроссельную заслонку на впуске, может представить, как она будет выглядеть на выпуске. Думаю, понятно, почему последствия загрязнения и отказа этого клапана занимают второе место по негативу у владельцев Passat B6.

Однако, несмотря на многочисленные отказы регулирующих элементов этой системы, надо было как-то решать данный вопрос согласно постоянно ужесточающимся экологическим нормам. В ходе изысканий появилась система внутренней рециркуляции отработавших газов.

Реализована она была как составляющая другой системы и не имела своих компонентов.

Теперь начинает прояснятся происхождение отложений на впускных клапанах, как и довольно слабая их зависимость от топлива, обслуживания, масла и т.д.

В то же время заметим, что определяющим фактором влияния на характер воспламенения в цилиндрах все же является именно загрязнение распылителей форсунок.

Этот «процесс» начинает беспокоить владельцев с 35 000 – 45 000 км пробега, и, увидев ошибки по «пропускам воспламенения», далеко не всегда начинают решать проблему с «правильного конца». А что же официальные лица? Неужели такой проблеме не уделяется внимание? Так сказать нельзя. Официально существует пункт при техническом обслуживании. Для примера возьмем Audi Q5:

Но возникает вопрос: а говорили ли вам о необходимости использования этой промывки на официальном ТО? А о регулярности такого мероприятия? Ведь подобные рекомендации для эксплуатации автомобиля в России есть и у BMW, и у Mercedes-Benz, и у других крупных автопроизводителей.

Но, разумеется, длительность нормального функционирования топливных форсунок увеличивает и рекомендуется к использованию.

А теперь коснемся того, почему же так важно, чтобы распылители топливных форсунок были исправными (чистыми).

Дело в том, что конструкция поршней новых двигателей FSI отнюдь не обладает весомым запасом прочности к детонационному сгоранию смеси, поскольку главный принцип построения таких моторов – максимальное облегчение конструкции и снижение трения.

Отметим, что, проектируя третье поколение моторов серии 888, конструкторы VAG учли этот момент и создали смешанный впрыск MPI+FSI, который как раз и призван обойти описанные проблемы. Но вот обладатели автомобилей VAG, выпущенных до 2012 года, должны учитывать и такую печальную вероятность событий.

Надеемся, что после прочтения этого материала у вас не возникнет вопроса, для чего необходимо использовать промывку топливной системы и очищать детали впускной системы двигателей с непосредственным впрыском.

Материал подготовлен экспертом компании turbo-union.ru

Источник: http://5koleso.ru/articles/garazh/gryaznulya-fsi-chem-boleyut-motory-s-neposredstvennym-vpryskom-i-kak-ih-vylechit

Непосредственный (прямой) впрыск топлива бензинового двигателя

Непосредственный (прямой) впрыск топлива бензинового двигателя.

https://www.youtube.com/watch?v=62F4rCSCkgE

Всем известно, что все новое — это хорошо забытое старое. Это выражение можно в полной мере отнести к двигателю с непосредственным (прямым) впрыском. Как ни странно, но первые двигатели (работающие еще на тяжелом топливе) были именно с тем самым непосредственным впрыском. Патент на их изобретение был получен Рудольфом Дизелем еще в далеком 1892 году.

Самый же настоящий бензиновый двигатель с непосредственным впрыском был установлен на самолетах в 1937 году — это авиационный Daimler-Benz DB 601. Но, т.к. нас интересует именно автомобильный двигатель, то перенесемся сразу в 1951 год. В этом году немецкая компания Goliath выпустила модель 700 Sport.

Это был легковой автомобиль с двухцилиндровым двухтактным (распространенным в те времена) двигателем объемом всего в 688 «кубиков».

Прелесть данного автомобиля заключалась в том, что на фоне остальных двухтактников, проблемой которых являлся повышенный расход топлива из-за уноса части топливовоздушной смеси в выпускные каналы в ходе продувки цилиндров, этот автомобильчик был весьма экономичен.

На фоне послевоенной разрухи, производителям данной модели, показалось это весьма значимым фактом. Но не исключено, что и другие амбиции двигали производителями при создании столь технологически «продвинутой» модели.

Поэтому в 1951 году, на Франкфуртском автосалоне, предстал элегантный GP 700 Sport – это был красавец с кожаными сиденьями и обтекаемым кузовом от ателье Rometsch, под капотом которого находился первый в мире серийный двигатель с непосредственным впрыском, оснащенный Бошевской аппаратурой, способный развивать аж 120 км/ч (для сравнения – подобный карбюраторный двигатель мог разогнать машину до 102 км/ч)! А с июля уже следующего года подобные моторы начали ставить и на седаны Goliath 700 E (от немецкого Einspritzung — впрыск).

К сожалению, история данных автомобилей была не долговечна – сыграл тот факт, что небогатые немецкие автовладельцы не готовы были иметь более дорогой в обслуживании, хотя и более экономичный автомобиль.

Но новые технологии не выдержали встречи с реалиями нашей страны, а именно – нашего региона, куда они «прибыли» в немалых количествах в двухтысячных годах. Mitsubishi GDI, которые сразу окрестили «джедаями», просто «умирали» на нашем топливе.

Клапана (главным образом благодаря EGR) просто обрастали шапкой нагара пройдя сравнительно небольшой киллометраж и о экономичности двигателя можно было забыть. Грязь с бензобака постепенно выводила из строя погружной насос, который подавал топливо к ТНВД. С насосами ТНВД тоже оказалось все не так просто.

Для таких насосов вода (так часто присутствующая в нашем «замечательном» топливе) подобна кислоте, а что уж говорить о твердых частицах. Ведь, если в дизельных моторах, ТНВД смазывает жирная сама по себе салярка, то в бензиновом двигателе он вынужден работать «на сухую».

А одна единственная заправка некачественным топливом (на которое не знаешь где нарвешься) могла «приговорить» не только ТНВД, но и катализатор. В результате систему GDI стали называть за глаза «ЖДИ». И это прозвище подходило данным машинкам – автовладельцы, не зная, как бороться со всем этим «счастьем», просто ждали – ждали, когда машина начнет «умирать».

На сегодняшний момент автомобилей с непосредственным впрыском достаточно много самых разных марок и моделей. Это говорит о том, что все-таки этот мотор экономически выгоден. Другой вопрос состоит в том, что не все еще знают, как бороться и как предотвратить все недостатки таких двигателей.

Конечно, на западе сервис по обслуживанию автомобилей шагнул далеко в перед и маловероятно, что у них Вы встретите механика, который посоветует удалить EGR или выбить катализатор.

Так, очистку клапанов от нагара уже производят не при помощи молотка, зубила и наждачной бумаги (и это не метафора, а явление сплошь и рядом встречающиеся даже в крупных дилерских сервисных центрах), а при помощи профессиональной химии.

Таковой является двухкомпонентная химия BG 271 и BG 272. Эти продукты исключают необходимость в разборном методе очистки двигателей с непосредственным впрыском топлива и, размягчая отложения на поверхностях клапанов и поршня, позволяют их удалить мягко и быстро.

• На приведенных ниже фотографиях и видео, Вы можете увидеть, как происходит этот процесс.
• 

Помимо того, что теперь есть химия, способная буквально облегчить жизнь автомеханикам, занимающимся двигателями с непосредственным впрыском, так же и сам автовладелец способен ухаживать за своим «железным конем» не доводя его до состояния, когда «легче пристрелить». Каким образом?

Американская компания BG Products, Inc разработала уникальные добавки для автомобилей такого типа, способные поддерживать все его системы в чистоте, а следовательно- в рабочем состоянии.

BG 208

Безопасно и качественно удаляет жесткие карбоновые отложения в камере сгорания, впускном коллекторе, каналах и клапанах путем расщепления их до микронного уровня (что гарантирует их прохождение через всевозможные фильтры не нанеся ими никакого ущерба) и сгоранию их при более низких температурах (очищая тем самым катализатор!), исключая вероятность отрыва или формирования сгустков, закупоривающих впрыск топлива или работу клапанов. Это средство восстанавливает поток топлива в инжекторах и очищает всю топливную систему. BG 44K® Power Enhancer® снижает расход топлива и количество отработанных газов. Улучшает работу каталитического конвертера и датчика кислорода. Восстанавливает производительность двигателя до состояния «как новый» и позволяет автомобилю ездить лучше, дольше и более эффективно.

BG 227

Данная присадка разработана для дизельных автомобилей, специально для смазки ТНВД, но также применяется и в бензиновом двигателе с непосредственным впрыском все для той же цели – чтобы Ваш ТНВД прожил долгую и плодотворную жизнь, с той лишь разницей, что добавляется в несколько другой пропорции нежели в дизельном топливе.

Так стоит ли бояться непосредственного впрыска? Конечно, тот факт, что такие моторы при загрязнении каналов теряют мощность, владельцы вынуждены постоянно искать АЗС с качественным топливом, а топливная аппаратура требует к себе более внимательного отношения, может кого-то и оттолкнуть.

Но, к примеру, современные трансмиссии безо всякого бензина порой куда «нежнее» и обходятся гораздо дороже в ремонте. А тут, соблюдая определенные правила, можно наслаждаться малым расходом топлива и бесперебойной эксплуатацией.

Все, что для этого требуется – это ПРАВИЛЬНО ухаживать за автомобилем.

Удачи Вам на дорогах.

Непосредственный (прямой) впрыск топлива бензинового двигателя. Всем известно, что все новое — это хорошо забытое старое. Это выражение можно в полной мере отнести к двигателю с непосредственным (прямым) впрыском. Как ни странно, но первые двигатели (работающие еще на тяжелом топливе) были именно с тем самым непосредственным впрыском. Патент на их…

1. Непосредственный (прямой) впрыск топлива бензинового двигателя
2. Непосредственный (прямой) впрыск топлива бензинового двигателя
3. 2015-04-14
4. VeraRudenchik

Источник: https://blog.msvlad.com/neposredstvennyj-pryamoj-vprysk-topliva-benzinovogo-dvigatelya/

Как бензин попадает сразу в камеру сгорания

Специально для тех, кто не знаком или плохо понимает, что же такое система непосредственного впрыска топлива на бензиновом моторе. Рассмотрим в этой статье устройство двигателей, принцип работы такой системы и ее отличия от обычного  инжектора. Подробнее читайте далее.

Принцип действия

Суть системы  заложена в ее названии, топливо (в нашем случае бензин) впрыскивается форсунками непосредственно в камеру сгорания.

• В двигателях с обычным распределенным впрыском бензин попадает сначала во впускной коллектор, перед впускными клапанами, незадолго до их открытия.

Во впускном коллекторе он смешивается с воздухом и уже в таком состоянии поступает в цилиндры через впускные клапана.

• А вот в системе непосредственного впрыска бензин из форсунки распыляется прямо в цилиндр, а впускные клапана запускают в цилиндры только воздух.

У японцев они получили аббревиатуру GDI, что в России незатейливо окрестили «ДжеДАй», ну и моторы с таким типом впрыска в сервисах называют Джедаевскими .

[box type=»bio»] Итак, топливо у двигателей GDI впрыскивается прямо в цилиндр. Но это не единственное отличие от распределенного впрыска.[/box]

Джедаевские движки имеют обычно 2 топливных насоса, один насос находится в топливном баке (это обычный электронасос), а другой в большинстве случаев устанавливают на двигателе (это ТНВД, топливный насос высокого давления).

Ведь чтобы впрыснуть топливо во впускной коллектор то много силы не надо, а вот для впрыска бензина в цилиндр, да еще и на такте сжатия, нужна сила богатырская. Эту силу нам и дает насос высокого давления.

Давление на его выходе может достигать 30-110 бар, в зависимости от конкретного мотора. ТНВД в бензиновых моторах аналогичен по принципу действия насосам в дизелях.

Конечно же форсунки при непосредственном впрыске тоже имеют некоторые особенности, помогающие им функционировать при высоком давлении. В частности на той части, что вставляется в цилиндр есть специальное тефлоновое уплотнительное кольцо.

• Что мы выяснили о системе непосредственного впрыска на данный момент?
• [box type=»bio»] Топливо впрыскивается прямо в цилиндры и уже там смешивается с воздухом Давление впрыска высокое — 30-110 бар Два бензонасоса, электрический в баке и ТНВД Специальные форсунки, работающие при высоком давлении и температуре[/box]
• Если в моторах распределенного впрыска в цилиндры поступает топливно — воздушная смесь (то есть смесь воздуха с топливом), то в системе прямого впрыска топливо и воздух поступают в цилиндры раздельно и смешиваются уже там.

Причем прямой впрыск топлива применяет несколько способов образования смеси. Смесь может быть однородной (гомогенной) и неоднородной (послойной).

В отличие от «обычных» впрысковых движков в двигателях GDI разное смесеобразование может применяться в одном двигателе. В зависимости от нагрузки двигателя и режима его работы блок управления переходит на то или иное смесеобразование.

Послойное смесеобразование

• Тут все просто: слои — это как лук . Общий смысл такой: Впускной коллектор разделен на две части, в нем имеются специальные дополнительные заслонки, которые могут перекрывать нижнюю часть коллектора.
• В результате перекрытия нижней части воздух поступает только через верхнюю часть и закручивается внутри цилиндра.
• Причем воздух в цилиндры поступает, как и положено, на такте впуска. То есть впускной клапан открыт и поршень идет вниз.
• А вот бензин впрыскивается уже на такте сжатия (поэтому и нужно высокое давление чтобы впрыск вообще произошел).
• На такте впуска поршень идет вниз, а поднимаясь вверх (это уже такт сжатия), он создает дополнительное завихрение воздуха.

Незадолго до момента искрообразования происходит впрыск бензина, воздушными завихрениями топливо сносит к свече зажигания.

Благодаря этому вокруг места горения образуется воздушная прослойка, которая снижает тепловые потери, создавая защитный слой между сгорающей смесью и стенками цилиндра.

В результате повышается КПД двигателя и соответственно уменьшается расход топлива.

Гомогенное смесеобразование

Здесь все немного проще, впрыск топлива происходит практически одновременно с впуском воздуха. Все это делается на такте впуска, то есть когда впускной клапан открыт и поршень идет вниз. Пока поршень сделает путь вниз и обратно вверх, смесь воздуха и бензина успеет перемешаться.

Так как топливо все-таки впрыскивается под высоким давлением, то улучшается смесеобразование, а это позволяет использовать бОльшее количество воздуха. Поэтому для таких моторов доступно применение турбокомпрессоров и нагнетателей. Тут прочитайте про основные неисправности инжектора.

Компоненты систем непосредственного впрыска

Здесь уже применяются некоторые дополнительные датчики. Топливо в систему подает электробензонасос в баке автомобиля, этот насос управляется своим собственным блоком управления и создает различное давление в зависимости от потребностей двигателя.

Давление электронасоса регулируется по показаниям датчика низкого давления. Он располоагается на трубопроводе, подводящем топливо к ТНВД.

• Давление топлива после ТНВД регулируется исходя из показаний датчика высокого давления, который устанавливается обычно в топливную рампу. Показания всех датчиков поступают в блок управления двигателем.

На насосе высокого давления расположен регулятор давления топлива, именно он и изменяет давление в зависимости от режима двигателя.

• Сам насос ТНВД приводится в движение при помощи кулачка на распредвалу.

В целом можно сказать что система прямого впрыска более продвинутая чем распределенный впрыск. Она позволяет получить гораздо лучшие характеристики при меньших затратах топлива. Но в нашей стране многие боятся двигателей GDI и им подобных как огня. Обосновывая свои страхи якобы дорогим ремонтом и высокими требованиями к качеству бензина.

Источник: http://www.em-grand.ru/post-neposredstvennyyi_vprysk.html

Система непосредственного впрыска топлива

Сейчас одной из основных задач перед конструкторскими бюро автопроизводителей является создание силовых установок, потребляющими как можно меньше топлива и выбрасывающих в атмосферу сниженное количество вредных веществ. При этом всего этого необходимо добиться с условием того, что влияние на рабочие параметры (мощность, крутящий момент) будет минимальным. То есть, необходимо сделать мотор экономичным, и в то же время мощным и тяговитым.

Для достижения результата переделкам и доработкам подвергаются практически все узлы и системы силового агрегата. Особенно это касается системы питания, ведь именно она отвечает за поступление топлива в цилиндры. Последней разработкой в данном направлении считается непосредственный впрыск топлива в камеры сгорания силовой установки, функционирующего на бензине.

Суть этой системы сводится к раздельной подаче компонентов горючей смеси – бензина и воздуха в цилиндры.

Но у бензинового агрегата, на котором установлена система непосредственного впрыска, имеется ряд особенностей процесса закачки составляющих топливной смеси, его смешивания и сгорания.

Немного истории

Прямой впрыск – идея не новая, в истории имеется ряд примеров, где такая система использовалась.

Первое массовое использование такого типа питания мотора было в авиации в средине прошлого века. Использовать ее пытались и на автотранспорте, однако широкого распространения она не получила.

Систему тех годов можно рассматривать как некий прототип, поскольку она была полностью механической.

«Вторую жизнь» система непосредственного впрыска получила в средине 90-х годов 20 века. Первыми свои авто с установками, имеющими прямой впрыск, оснастили японцы. Разработанный в Mitsubishi агрегат получил обозначение GDI, которое является аббревиатурой «Gasoline Direct Injection», что обозначается как непосредственный впрыск топлива. Чуть позже Toyota создала свой мотор – D4.

Прямой впрыск топлива

Со временем моторы, в которых используется прямой впрыск, появились и у других производителей:

• Концерн VAG – TSI, FSI, TFSI;
• Mercedes-Benz – CGI;
• Ford – EcoBoost;
• GM – EcoTech;

Непосредственный впрыск не является отдельным, совершенно новым типом, и относится он к инжекторным системам подачи топлива. Но в отличие от предшественников, топливо у него впрыскивается под давлением сразу в цилиндры, а не как раньше – во впускной коллектор, где бензин перемешивался с воздухом перед подачей в камеры сгорания.

Конструктивные особенности и принцип работы

Прямой впрыск бензина по принципу очень схож с дизелем. В конструкции такой системы питания имеется дополнительный насос, после которого бензин уже под давлением поступает на форсунки, установленные в ГБЦ с распылителями, находящимися в камере сгорания. В требуемый момент форсунка подает топливо в цилиндр, куда через впускной коллектор уже закачан воздух.

Конструкция данной системы питания включает:

• бак с установленным в нем топливоподкачивающим насосом;
• магистрали низкого давления;
• фильтрующие элементы очистки топлива;
• насос, создающий повышенное давление с установленным регулятором (ТНВД);
• магистрали высокого давления;
• рампа с форсунками;
• перепускной и предохранительный клапаны.

Схема топливной системы с непосредственный впрыском

Назначение части элементов, такие как бак с насосом и фильтра описаны в других статьях. Поэтому рассмотрим назначение ряда узлов, использующихся только в системе прямого впрыска.

Одним из основных элементов в данной системе является насос высокого давления. Он обеспечивает поступление топлива под значительным давлением в топливную рампу. Конструкция его у разных производителей отличается — одно или многоплунжерная. Привод же осуществляется от распределительных валов.

Также в систему включены клапана, которые предотвращают превышение давления топлива в системе выше критических значений.

В целом же регулировка давления выполняется в нескольких местах – на выходе из насоса высокого давления регулятором, который входит в конструкцию ТНВД.

Имеется перепускной клапан, контролирующий давление на входе в насос. Предохранительный же клапан следит за давлением в рампе.

Работает все так: топливоподкачивающий насос из бака по магистрали низкого давления подает бензин на ТНВД, при этом бензин проходит через фильтр тонкой очистки топлива, где удаляются крупные примеси.

Работа форсунок контролируется электронным блоком управления. При этом он основывается на показаниях множества датчиков двигателя, после анализа данных, он производит управление форсунками – момента впрыска, количества топлива и способа распыла.

Если на ТНВД подается количество топлива больше необходимого, то срабатывает перепускной клапан, который часть топлива возвращает в бак. Также часть топлива сбрасывается в бак в случае превышения давления в рампе, но делается это уже предохранительным клапаном.

Прямой впрыск

Типы смесеобразования

Используя непосредственный впрыск топлива, инженерам удалось снизить расход бензина. И все достигнуто возможностью использования нескольких типов смесеобразования.

То есть под определенные условия работы силовой установки подается свой тип смеси.

Причем система контролирует и управляет не только подачей топлива, для обеспечения того или иного типа смесеобразования устанавливается еще и определенный режим подачи воздуха в цилиндры.

Всего же прямой впрыск способен обеспечить два основных типа смеси в цилиндрах:

• Послойная;
• Стехиометрическая гомогенная;

Это позволяет подобрать смесь, которая при определенной работе мотора, обеспечит наибольшее КПД.

Послойное смесеобразование позволяет двигателю функционировать на очень бедной смеси, в которой массовая часть воздуха больше топливной части в более чем 40 раз. То есть в цилиндры подается очень большое количество воздуха, а затем в нее добавляется немного топлива.

В нормальных условиях такая смесь от искры не загорается. Чтобы воспламенение произошло, конструкторы придали днищу поршня особую форму, обеспечивающую завихрение.

При таком смесеобразовании в камеру сгорания воздух, направленный заслонкой, поступает на большой скорости. В конце такта сжатия форсунка впрыскивает топливо, которое достигая днища поршня, за счет завихрения поднимается вверх к свече зажигания.

В результате в зоне электродов смесь является обогащенной и легковоспламенимой, в то время как вокруг этой смеси находится воздух практически без частиц топлива.

Поэтому такое смесеобразование и получило название послойного – внутри имеется слой с обогащенной смесью, поверх которого находится еще один слой, практически без топлива.

Данное смесеобразование обеспечивает минимальное потребление бензина, но и приготавливает такую смесь система лишь при равномерном движении, без резких ускорений.

Поэтому топливо впрыскивается форсунками на также сжатия, и до воспламенения оно успевает хорошо перемещаться с воздухом.

Такое смесеобразование обеспечивается в цилиндрах во время ускорений, когда необходим максимальный выход мощности, а не экономичность.

Конструкторам пришлось также решать вопрос с переходом двигателя с бедной смеси на обогащенную во время резких ускорений. Чтобы не произошло детонационного сгорания, во время перехода используется двойной впрыск.

Первая закачка топлива выполняется на такте впуска, при этом топливо выступает в качестве охладителя стенок камеры сгорания, что исключает детонацию. Вторая порция бензина подается уже на конце такта сжатия.

Система непосредственного впрыска топлива благодаря применению сразу нескольких типов смесеобразования, позволяет неплохо экономить топливо без особого влияния на мощностные показатели.

Во время ускорений двигатель работает на обычной смеси, а после набора скорости, когда режим движения размеренный и без резких перепадов, силовая установка переходит на очень обедненную смесь, тем самым экономя топливо.

В этом и кроется основное достоинство такой системы питания. Но есть у нее и немаловажный недостаток. В топливном насосе высокого давления, а также в форсунках используются прецизионные пары с высокой степенью обработки.

Именно они и являются слабым местом, поскольку эти пары очень чувствительны к качеству бензина. Наличие сторонних примесей, серы и воды способно вывести ТНВД и форсунки из строя. Дополнительно, бензин обладает очень слабыми смазывающими свойствами.

Поэтому износ прецизионных пар выше, чем у того же дизельного мотора.

К тому же сама система непосредственной подачи топлива конструктивно более сложная и дорогостоящая, чем та же система раздельного впрыска.

Новые разработки

Конструкторы же на достигнутом не останавливаются. Своеобразную доработку прямого впрыска сделали в концерне VAG в силовом агрегате TFSI. У него систему питания объединили с турбокомпрессором.

Интересное решение предложила компания Orbital. Они разработали особую форсунку, которая помимо топлива впрыскивает в цилиндры еще и сжатый воздух, подающийся от дополнительного компрессора. Такая топливовоздушная смесь обладает отличной воспламеняемостью и хорошо сгорает. Но это пока только разработка и найдет ли она применение на авто, пока неизвестно.

В целом же, непосредственный впрыск сейчас является самой лучшей системой питания в плане экономичности и экологичности, хоть и имеются у нее свои недостатки.

Источник: http://autoleek.ru/sistemy-dvigatelja/sistema-vpryska/sistema-neposredstvennogo-vpryska-topliva.html

Непосредственный впрыск топлива в камеру сгорания, что это такое?

Друзья, сегодня попробуем разобраться в главном вопросе системы питания двигателя и детально выяснить, что такое непосредственный впрыск топлива.

Если вы хотя бы раз за последние несколько лет посещали автосалон с целью приобрести или присмотреть себе новую машину, то, наверняка, замечали, с каким упоением менеджеры рассказывают о моделях, оснащённых непосредственным впрыском топлива.

Главными аргументами в их историях выступают: беспрецедентная экономичность и конечно же, мощностные характеристики. Но можно ли верить этому?

Новое — это хорошо забытое старое

Скажем сразу, несмотря на то, что в автомобилестроении эта система стала массово применяться примерно 10 лет назад, сама технология имеет гораздо более глубокие корни в истории.

Так, к примеру, непосредственный впрыск активно использовался в авиационных двигателях ещё в период Второй мировой войны. К сожалению, в те времена управлялась эта система при помощи механических ухищрений, что делало её сложной и ненадёжной, поэтому все достоинства такого впрыска потребитель смог ощутить только с приходом дешёвой электроники, в 90-х годах ХХ века.

Непосредственный впрыск топлива, чем удивишь?

• Так в чём же «фишка» непосредственного впрыска?
• Эта система относится к инжекторным, и её идея состоит в том, чтобы подавать бензин не во впускной коллектор двигателя, как это реализовано в технологиях с центральным или распределённым впрыском, а распылять его прямо в цилиндры.
• Что это нам даёт?

Чтобы разобраться в этом, давайте посмотрим на то, как эксплуатируется силовой агрегат среднестатистического автомобиля. Например, мы едем на нём утром на работу – неспешная езда по городу от светофора к светофору, пробки.

И в данном случае, каким бы мощным ни был мотор в машине, нагрузки он испытывает ниже среднего и работает почти на холостых. Хороший повод сэкономить горючее, а для этого нужно всего ничего – меньше его впрыскивать.

И тут начинается самое интересное. В системах, где бензин подаётся во впускной коллектор, а затем уже в виде воздушно-топливной смеси при открытии клапана попадает в цилиндр, бесконечно уменьшать соотношение бензин-воздух нельзя.

При концентрации 22:1 смесь просто не воспламенится (стандартным считается соотношение 14,7 объёмов топлива к 1 объёму воздуха).

Здесь и проявляются все достоинства непосредственного впрыска. Подавая горючее прямо в цилиндр в чётко выверенный момент времени и под большим давлением, двигатель будет нормально работать при соотношениях до 40:1, а это, согласитесь, ощутимая экономия.

Принципы работы системы непосредственного впрыска

Но не всё тут так радужно, и чтобы понять почему, давайте рассмотрим конструкцию системы непосредственного впрыска на примере фирменной технологии FSI от Volkswagen. Её ключевыми элементами являются такие:

• топливный бак;
• насос низкого давления (ТННД);
• фильтр;
• регулятор давления;
• насос высокого давления (ТНВД);
• топливная рампа;
• форсунки;
• датчики;
• электронный блок управления (ЭБУ).

Бак, вместе с ТННД (топливный насос низкого давления), фильтром и регулятором образуют так называемый контур низкого давления. В принципе он ничем не примечателен и аналогичен системам подачи горючего других бензиновых моторов. Особенности начинаются с ТНВД.

Как мы уже говорили, топливо, впрыскивающееся непосредственно в цилиндр, должно быть под высоким давлением (в FSI цифры колеблются от 3 до 11 МПа).

Нагнетённый насосом напор бензина распределяется при помощи топливной рампы по форсункам, которые, управляясь сигналами ЭБУ (электронный блок управления), впрыскивают горючее в цилиндры. Момент инжекции рассчитывается индивидуально для каждого цилиндра так, чтобы он произошёл перед тактом сжатия.

Непосредственный впрыск топлива имеет разнообразные варианты образования топливно-воздушной смеси.

Их три:

• гомогенный;
• стехиометрический гомогенный;
• послойный.

Отличаются они соотношением воздуха и бензина, а генерируются системой на основе информации о положении дроссельной заслонки и режима работы двигателя.

Гомогенный вид смесеобразования

Гомогенный (синоним — однородный). Это бедная гомогенная смесь, она образуется при открытой воздушной дроссельной заслонке и закрытой топливной дроссельной заслонке. Создается максимальное движение воздуха в цилиндры.

Впрыск происходит на такте впуска. Система управления двигателя поддерживает коэффициент избытка воздуха в районе 1,5.

Так же система управления может добавлять сюда отработавшие газы для дожигания и экономии топлива, если в этом есть необходимость, их объем может доходить до 25%.

Гомогенная стехиометрическая

Стехиометрическое  – легковоспламеняемое. Гомогенная стехиометрическая смесь происходит при открытых дроссельных заслонках. Впрыск происходит соответственно на такте впуска. Соотношение воздуха и топлива в камере сгорания составляет 1:1, то есть коэфф.избытка воздуха на уровне 1. Смесь сгорает всем максимальным объемом,отдавая максимальную мощностью.

Послойный вид смесеобразования

При послойном виде воздушная дроссельная заслонка почти совсем открыта, впускная топливная заслонка закрыты. Воздух вихрем влетает в камеру сгорания. Впрыск происходит прямо в зону свечи зажигания в такте сжатия.

За короткое время до взрыва смеси, в районе свечи зажигания образуется смесь топлива с воздухом, коэффициент избытка воздуха там будет 1,5 — 3.

Система непосредственного впрыска, в отличии от карбюраторной системы, позволяет экономить до 15% топлива и конечно сокращает количество вредных выбросов.

Минусы

Теперь, собственно, о минусах, и для этого хочется заострить внимание на форсунках и ТНВД.

Требования к этим элементам предъявляются весьма высокие, так как им необходимо безотказно работать в непростых условиях – высокое давление, высокие температуры, а это тянет за собой удорожание и технологические сложности.

К тому же, на соплах форсунок образовываются загрязнения из продуктов горения топлива, поэтому в автомобили с двигателями, оснащёнными непосредственным впрыском, нужно заливать только высококачественный бензин – тоже проблема в наших реалиях. Масло также для них подходит только самое лучшее. В итоге содержание такого авто влетает в копеечку.

Не лишним будет узнать что такое система mono jetronic.

И не стесняйтесь, делитесь в сетях полученными знаниями.

Источник: https://auto-ru.ru/sistema-neposredstvennogo-vpryska.html

Непосредственный впрыск в камеру сгорания

Конструкция системы непосредственного впрыска топлива рассмотрена на примере системы, устанавливаемой на двигатели FSI (Fuel Stratified Injection – послойный впрыск топлива).

Система непосредственного впрыска составляет контур высокого давления топливной системы двигателя и включает топливный насос высокого давления, регулятор давления топлива, топливную рампу, предохранительный клапан, датчик высокого давления и форсунки впрыска.

1-топливный бак, 2-топливный насос, 3-топливный фильтр, 4-перепускной клапан, 5-регулятор давления топлива, 6-топливный насос высокого давления, 7-трубопровод высокого давления, 8-распределительный трубопровод, 9-датчик высокого давления, 10-предохранительный клапан, 11-форсунки впрыска, 12-адсорбер, 13-электромагнитный запорный клапан продувки адсорбера.

Топливный насос высокого давления служит для подачи топлива к топливной рампе и далее к форсункам впрыска под высоким давлениям (3-11 МПА) в соответствии с потребностями двигателя. Основу конструкции насоса составляет один или несколько плунжеров. Насос приводится в действие от распределительного вала впускных клапанов.

Регулятор давления топлива обеспечивает дозированную подачу топлива насосом в соответствии с впрыском форсунки. Регулятор расположен в топливном насосе высокого давления. 

Топливная рампа служит для распределения топлива по форсункам впрыска и предотвращения пульсации топлива в контуре.

Предохранительный клапан защищает элементы системы впрыска от предельных давлений, возникающих при температурном расширении топлива. Клапан устанавливается на топливной рампе.

Датчик высокого давления предназначен для измерения давления в топливной рампе. В соответствии с сигналами датчика блок управления двигателем может изменять давление в топливной рампе. Форсунка впрыска обеспечивает распыление топлива в камере сгорания для образования топливно-воздушной смеси.

Помимо датчика высокого давления топлива в интересах системы непосредственного впрыска работают датчик частоты вращения коленчатого вала, датчик положения распределительного вала, датчик положения педали акселератора, расходомер воздуха, датчик температуры охлаждающей жидкости, датчик температуры воздуха на впуске.

В совокупности датчики обеспечивают необходимой информацией блок управления двигателем, на основании которой блок воздействует на исполнительные механизмы — электромагнитные клапаны форсунок, предохранительный и перепускной клапаны.

Принцип действия системы непосредственного впрыска

Система непосредственного впрыска в результате работы обеспечивает несколько видов смесеобразования: 1-послойное, 2-стехиометрическое гомогенное, 3-гомогенное.

Многообразие в смесеобразовании определяет высокую эффективность использования топлива (экономия, качество образования смеси, ее полное сгорание, увеличение мощности, уменьшение вредных выбросов) на всех режимах работы двигателя.

Послойное смесеобразование используется при работе двигателя на малых и средних оборотах и нагрузках. Стехиометрическое (другое наименование – легковоспламеняемое) гомогенное (другое наименование – однородное) смесеобразование применяется при высоких оборотах двигателя и больших нагрузках. На бедной гомогенной смеси двигатель работает в промежуточных режимах.

При послойном смесеобразовании дроссельная заслонка почти полностью открыта, впускные заслонки закрыты. Воздух поступает в камеры сгорания с большой скоростью, с образованием воздушного вихря.

Впрыск топлива производится в зону свечи зажигания в конце такта сжатия. За непродолжительное время до воспламенения в районе свечи зажигания образуется топливно-воздушная смесь с коэффициентом избытка воздуха от 1,5 до 3.

При воспламенении смеси вокруг нее остается достаточно много чистого воздуха, выступающего в роли теплоизолятора.

Гомогенное стехиометрическое смесеобразование происходит при открытых впускных заслонках, дроссельная заслонка при этом открывается в соответствии с положением педали газа.

Впрыск топлива производится на такте впуска, что способствует образованию однородной смеси. Коэффициент избытка воздуха составляет 1.

Смесь воспламеняется и эффективно сгорает во всем объеме камеры сгорания.

Бедная гомогенная смесь образуется при максимально открытой дроссельной заслонке и закрытыми впускными заслонками. При этом создается интенсивное движение воздуха в цилиндрах.

Впрыск топлива производится на такте впуска. Коэффициент избытка воздуха поддерживается системой управления двигателем на уровне 1,5.

www.systemsauto.ru

Источник: https://kovsh.com/library/petrol_fuel_system/petrol_engine_workflow/direct_injection_into_chamber