Система непосредственного впрыска топлива – устройство, принцип действия
Система непосредственного впрыска топлива является самой современной системой впрыска топлива бензиновых двигателей. Работа системы основана на впрыске топлива непосредственно в камеру сгорания двигателя.
Впервые система непосредственного впрыска была применена на двигателе GDI (Gasoline Direct Injection – непосредственный впрыск бензина), устанавливаемом на автомобили компании Mitsubishi. В настоящее время система непосредственного впрыска используется в двигателях многих автопроизводителей. Передовики Audi (двигатели TFSI) и Volkswagen (двигатели FSI, TSI), которые практически полностью перешли на бензиновые двигатели с непосредственным впрыском.
Двигатели с непосредственным впрыском имеют в своем активе BMW (двигатели N54, N63), Infiniti (двигатели M56), Ford (двигатели EcoBoost), General Motors (двигатели Ecotec), Hyundai (двигатели Theta), Mazda (двигатели Skyactiv), Mercedes-Benz (двигатели CGI).
Применение системы непосредственного впрыска позволяет достичь до 15% экономии топлива, а также сокращения выброса вредных веществ с отработавшими газами.
Устройство системы непосредственного впрыска топлива
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.
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.
Согласованную работу системы обеспечивает электронная система управления двигателем, которая является дальнейшим развитием объединенной системы впрыска и зажигания.
Традиционно система управления двигателем объединяет входные датчики, блок управления и исполнительные механизмы.
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:
- послойное ;
- стехиометрическое гомогенное ;
- 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
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. При необходимости в состав смеси добавляются отработавшие газы из выпускной системы, содержание которых может доходить до 25%.
Непосредственный впрыск топлива
Непосредственный впрыск — разновидность распределенного впрыска топлива, при котором топливо впрыскивается напрямую в цилиндры
Двигатель
В поисках способа усовершенствовать систему распределенного впрыска инженеры пришли к выводу, что для оптимизации сгорания топлива его лучше впрыскивать прямо в цилиндры, а не во впускной коллектор.
Эта идея привела к появлению систем впрыска нового поколения.
История создания непосредственного впрыска топлива
Изобретателем системы непосредственного впрыска принято считать французского инженера и автопромышленника Леона Левассора. Он установил первую систему подобного рода на авиационный двигатель V8 в качестве экспериментальной, с целью решить основную проблему самолетных двигателей внутреннего сгорания — нарушения работы впрыска в момент переворота аэроплана. В 1907 году этим двигателем был оснащен моноплан Antoinette VII.
Первую автомобильную систему непосредственного впрыска разработала компания Bosch, а установлена она была впервые на автомобили ныне несуществующих немецких марок Goliath и Gutbrod в 1952 году.
В семидесятые годы, побуждаемая топливным кризисом, американская компания AMC занялась разработкой собственной системы непосредственного впрыска, которой впоследствии оснащали двигатели одноименных автомобилей.
Система называлась SCFI. Примерно в те же годы концерн Ford выпустил на рынок собственную разработку под названием ProCo.
В современном автопроме первой активно начала продвигать непосредственный впрыск компания Mitsubishi в 1996 году
Системы обладали рядом недостатков, и после окончания кризиса интерес к непосредсвенному впрыску снизился. Следующая волна разработок пришлась на середину девяностых.
Первой активно начала продвигать непосредственный впрыск компания Mitsubishi в 1996 году, установив систему GDI на четырехцилиндровый двигатель 4G93 автомобиля Galant.
В 2000 году появилась, вероятно, наиболее известная в наши дни система непосредственного впрыска FSI концерна Volkswagen-Audi group
Toyota выпустила собственную систему D4 на внутренний рынок Японии в 1998 году. В 1999 была представлена система IDE компании Renault.
В 2000 году появилась система FSI (и TFSI в случае установки на двигатель турбины) концерна Volkswagen-Audi group.
В дальнейшем в том или ином виде свои системы представили все крупнейшие мировые производители.
Непосредственный впрыск остается крайне актуальной темой в связи с интересом к экономии и жестким экологическим нормам в современном автомобилестроении.
Принцип работы непосредственного впрыска топлива
Непосредственный впрыск топлива — разновидность распределенного впрыска, применяемая в наиболее современных двухтактных и четырехтактных двигателях внутреннего сгорания.
Наиболее широкое распространение система получила в современных дизельных двигателях, так как дизельное топливо тяжелее бензина, и проблема оптимизации сгорания для них более актуальна
В системах непосредственного впрыска топливо сначала аккумулируется в магистрали под высоким давлением (более высоким, чем в обыкновенных инжекторных системах), а затем при помощи форсунок впрыскивается непосредственно в цилиндры, то есть в камеру сгорания, куда заранее уже закачан воздух.
При непосредственном впрыске топливо-воздушная смесь преднамеренно обеднена, что способствует повышению экономичности двигателя.
При этом проблема снижения мощности решается за счет более эффективного распрыскивания топлива. Одно и то же количество топлива в зависимости от размера капель при распрыскивании сгорает по разному. Мелкие капли, смешавшись с воздухом, образуют в камере сгорания туман, в котором пламя распространяется равномерно. Топливо при таком распрыскивании сгорает практически без остатка, и продуктов сгорания почти не остается. При таком сгорании меньшая доза топлива отдает столько же тепла, сколько отдает большая доза при распрыскивании относительно крупными каплями. В последнее время исследования по оптимизации сгорания продолжаются. Наиболее перспективным направлением считается развитие послойного впрыска. Топливо при послойном впрыске попадает в камеру сгорания несколькими частями с очень малым интервалом. Этот алгоритм позволил добиться дополнительной оптимизации сгорании топлива.
Единственный недостаток непосредственного впрыска — усложнение конструкции и увеличение себестоимости компонентов.
Производителям приходится проводить отладку системы уже после начала продаж
Дополнительная экономия достигается за счет точной дозировки топлива и открытия форсунок в строго определенное время. Благодаря компьютерному управлению момент и период открытия форсунок могут оперативно изменяться в зависимости от текущей нагрузки на двигатель.
В системах непосредственного впрыска основной упор сделан на дозировку топлива, поэтому роль дроссельной заслонки в регулировке состава смеси постепенно сходит на нет. По сути, в системах, подобных Valvetronic компании BMW, VVEL фирмы Nissan, Valvematic фирмы Toyota или MultiAir производства Fiat, дроссельная заслонка перестала быть главным инструментом, регулирующим поток воздуха, попадающего в камеру сгорания. Помимо системы дозировки топлива, функцию дроссельной заслонки отчасти взяла на себя система интеллектуального контроля фаз газораспределения.
Непосредственный впрыск конструктивно сближает систему впуска бензинового и дизельного двигателей
Благодаря применению непосредственного впрыска топлива появилась возможность заложить в блок управления разные программы управления впрыском и зажиганием, регулирующие работу режима в основных режимах, как правило, в трех — холостые обороты (и близкие к ним), движение под большой нагрузкой, движение при малой нагрузке.
В каждом из этих режимов количество топлива в смеси разное. В режиме преднамеренно обедненной смеси достигается наибольшая экономичность, в стехиометрическом (то есть близком к оптимальному) сохраняется уверенная тяга при средней нагрузке, в форсированном — двигатель развивает максимальную мощность. Во время движения автомобиля блок управления двигателем постоянно меняет эти режимы, в зависимости от ситуации.
Режимы работы непосредственного впрыска
Режим обедненной смеси используется, когда нагрузка на двигатель минимальна: при движении на постоянной или снижающейся скорости.
Обычное, так называемое стехиометрическое (оптимальное) соотношение масс воздуха и бензина в камере сгорания, необходимое для успешного зажигания и сгорания топливо-воздушной смеси — 14.7:1. Однако в вышеописанных ситуациях, то есть когда обороты двигателя быстро или постепенно замедляются, его можно без вреда для двигателя менять в пользу меньшего количества топлива. Таким образом, в режиме обедненной смеси количество долей воздуха может достигать 65 (а иногда и более) к одной доле топлива.
В сложной системе непосредственного впрыска повышается вероятность сбоя. Известны случаи отзыва автомобилей, оснащенных системами впрыска этого типа
Стехиометрический режим используется при равномерном движении с постоянной нагрузкой на двигатель. В этом режиме воздух и топливо смешиваются в идеальной пропорции, что способствует полному сгоранию.
В форсированном режиме содержание топлива в смеси слегка превышено. Это способствует развитию максимальной мощности, что целесообразно, к примеру, для нагруженного автомобиля, движущегося в гору.
Двигатель с непосредственным впрыском (GDI)
Бензиновый непосредственный впрыск (GDI) представляет собой более совершенную версию многоточечной системы, в которой топливо впрыскивается непосредственно в камеру сгорания, а не во впускное отверстие. Непосредственный впрыск улучшает эффективность сгорания, увеличивает экономию топлива и снижает выбросы.
Обе системы используют электронные топливные форсунки для впрыска топлива в двигатель, но разница заключается в том, где они впрыскивают топливо.
В системах с распределенным впрыском топливо распыляется во впускные отверстия.
В настоящее время используются четыре основных типа систем впрыска топлива: впрыск через дроссельную заслонку, впрыск через порт, последовательный впрыск и непосредственный впрыск. Основным преимуществом технологии прямого впрыска является лучшая экономия топлива для большинства применений и немного большая мощность.
Одна из проблем двигателей GDI связана с наличием мелких частиц масла/грязи, которые могут выдуваться из системы вентиляции картера и оседать на стенках впускного канала и задней части клапана. Углерод прилипает к клапану, потому что топливо не распыляется на заднюю часть клапана, как в системе с распределенным впрыском. Накопление может стать настолько значительным, что кусок может отколоться и повредить каталитический нейтрализатор. Это также может вызвать проблемы с зажиганием.
Некоторые OEM-производители используют впрыск как через порт, так и через цилиндр, чтобы уменьшить накопление углерода, в то время как другие поставщики работают над впрыскивающими насосами высокого давления, которые лучше распыляют топливо, чтобы свести его накопление к минимуму.
Но не существует волшебной формулы для предотвращения накопления углерода.
Двигатели с непосредственным впрыском также страдают от состояния, называемого преждевременным зажиганием на низких оборотах (LSPI). LSPI — это аномальное сгорание, вызванное повышенным давлением в цилиндре, характерное для двигателей GDI с турбонаддувом, работающих на низких оборотах с высоким крутящим моментом.
При многоточечном впрыске топливо распыляется по мере того, как оно впрыскивается во впускное отверстие, а затем втягивается в камеру сгорания. Это не самый эффективный метод смешивания и воспламенения топлива, но он все же намного эффективнее карбюратора.
Новые компьютерные технологии позволили производителям перейти на GDI, чтобы обеспечить более точный контроль процесса сгорания и снизить выбросы. Однако мелкие частицы, которые не распыляются, вызывают горячие точки в камере сгорания. OEM-производители и вторичный рынок знают об этом, и даже производители масел работают над решением проблемы.
Компьютер, который сообщает форсункам, когда впрыскивать топливо, управляет обеими системами электронным способом, но основное различие заключается в том, где каждая из них распыляет топливо. Впрыск через порт распыляет топливо во впускные отверстия, где оно смешивается с поступающим воздухом.
Форсунки обычно располагаются в направляющих впускного коллектора. Когда впускной клапан открывается, топливная смесь втягивается в цилиндр двигателя.
При непосредственном впрыске форсунки находятся в головке блока цилиндров и впрыскивают топливо непосредственно в камеру сгорания, смешиваясь с нагнетаемым воздухом. Воздухозаборник только подает воздух в камеру сгорания с непосредственным впрыском. Сегодня GDI является ведущей технологией, и в ближайшие годы она будет только улучшаться. Впрыск топлива через порт все еще может иметь место, но в качестве второстепенного фактора для условий низкой скорости.
В этой статье: Низкоскоростное предварительное зажигание, технический
Непосредственный впрыск топлива
Производители транспортных средств используют инновационные технологии, такие как непосредственный впрыск топлива, чтобы соответствовать все более строгим канадским стандартам выбросов парниковых газов для легковых автомобилей.
Непосредственный впрыск топлива повышает эффективность сгорания вашего двигателя и может снизить расход топлива на 1–3 %. Это экономит ваши деньги и снижает воздействие на окружающую среду.
Точность ведет к эффективности
Как следует из названия, эта технология впрыскивает топливо непосредственно в цилиндр под высоким давлением. В традиционной непрямой системе топливо впрыскивается в поток всасываемого воздуха при более низком давлении.
Непосредственный впрыск топлива обеспечивает большую топливную экономичность благодаря более высокому уровню точности в отношении количества топлива, впрыскиваемого в цилиндр, момента впрыска и формы распыла. Эта точность также дает двигателю большую мощность, что позволяет использовать двигатель меньшего размера.
Системы прямого впрыска топлива должны выдерживать суровые условия горения и работать при высоком давлении топлива. Это означает, что они более дорогие и сложные по сравнению с обычными системами. Но большие затраты могут быть компенсированы за счет экономии топлива.
Насколько непосредственный впрыск топлива может сэкономить
В течение 10 лет автомобиль с непосредственным впрыском топлива может обеспечить экономию топлива от 120 до 840 долларов США и сокращение выбросов углекислого газа (CO 2 ) на 280–1930 кг. На верхнем уровне это эквивалентно
- около половины олимпийского бассейна из CO 2
- почти 10% наших ежегодных выбросов на душу населения в Канаде, что составляет 22,1 тонны
| Расход топлива | 10-летняя экономия* | |||
|---|---|---|---|---|
| Среднее (л/100 км) | Со снижением на 1% (л/100 км) | Со снижением на 3% (л/100 км) | Экономия топлива | CO 2 переходник |
| 14,0 | 13,86 | 13,58 | от 280 до 840 долларов | от 640 до 1930 кг |
| 12,0 | 11,88 | 11,64 | от 240 до 720 долларов | от 550 до 1660 кг |
| 10,0 | 9,9 | 9,7 | от 460 до 1380 кг | |
| 8,0 | 7,92 | 7,76 | от 160 до 480 долларов | от 370 до 1100 кг |
| 6,0 | 5,94 | 5,82 | от 120 до 360 долларов | от 280 до 830 кг |
*При годовом пробеге 20 000 км, цене топлива 1 доллар США/л и коэффициенте выбросов CO 2 2,3 кг/л бензина.