Технические требования, предъявляемые к системам впрыска бензиновых двигателей

Размещено на http://www.allbest.ru

1. Технические требования, предъявляемые к системам впрыска бензиновых двигателей

Одной из главных целей при проектировании автомобильного двигателя является достижение максимально возможной мощности, удерживая одновременно расход топлива и эмиссию вредных веществ на минимальном уровне, для того чтобы выполнить законодательные требования по контролю эмиссии вредных веществ. Уменьшение расхода топлива может быть достигнуто только повышением КПД двигателя, особенно на режимах холостого хода и частичных нагрузок, на которых двигатель работает большую часть времени. Сле¬ дует отметить, что бензиновые двигатели с впрыском топлива во впускной коллектор в этом отношении весьма неэффективны. Это причина, по которой необходимо повысить КПД двигателя на указанных режимах без ущерба для высокого значения КПД на режимах больших нагрузок. Решением этой проблемы является применение непосредственного впрыска бензина. Следующее требование, предъявляемое к двигателю, заключается в достижении высокого крутящего момента даже при очень низких значениях частоты вращения, с тем чтобы водитель имел в своём распоряжении хороший запас по приёмистости. Это требование делает крутящий момент наиболее важной характеристикой бензинового двигателя.

2. Классификация систем впрыска топлива

топливо двигатель бензиновый

Современные системы впрыска топлива различают по месту и способу подачи топлива, принципу работы и типу регулирования, а также конструктивному выполнению исполнительных компонентов системы дозирования топлива.

Классификация по месту подачи топлива различают системы

а) впрыск во впускной тракт;

б) впрыск непосредственно в цилиндры двигателя.

Классификация по числу ЭМФ и схеме их размещения выделяют системы:

а) центрального (одноточечного, моновпрыска);

б) распределенного (многоточечного, группового) впрыска топлива.

Система центрального впрыска топлива обеспечивает подачу топлива одной форсункой в ВТ, а распределенного - подачу топлива отдельными форсунками в ВТ или непосредственно в каждый цилиндр двигателя.

Классификация по принципу подачи различают системы:

а) впрыск с непрерывной схемой подачи топлива;

б) впрыск с циклической схемой подачи топлива;

в) впрыск с фазированной схемой подачи топлива.

Классификация по типу конструктивного выполнения узлов дозирования:

а) система с различными плунжерными насосами;

б) система с электромагнитными форсунками;

в) система с регуляторами давления топлива.

Классификация по времени подачи топлива различают:

а) система с одновременным впрыском;

б) система с попарно-параллельным (групповым) впрыском;

в) система с фазированным впрыском.

Одновременный впрыск сопровождается подачей топлива отдельными форсунками вместе во все цилиндры независимо от совершаемого такта двигателя, т.е. все форсунки открываютсяодновременно.

При попарно-параллельном (групповом) впрыскивании половина ЭМФ впрыскивают топливо одновременно. Так, на четырех-цилиндровом двигателе при первом обороте KB впрыскивают топливо две ЭМФ, а при втором обороте KB - следующие две ЭМФ, т.е. каждая форсунка подает общую порцию топлива для одного цилиндра за два впрыска. Впрыск топлива форсунками различных групп соответствует определенной величине угла поворота KB двигателя. Независимо от положения впускных клапанов впрыск топлива производится дважды на каждый оборот KB двигателя. Если впускной клапан закрыт, то топливо остается в ВТ до следующего открытия впускного клапана данного цилиндра.

Двойной впрыск топлива в такой системе осуществляют все ЭМФ одновременно при каждом обороте KB двигателя. Однако они впрыскивают лишь половину требуемого количества топлива.

При последовательном впрыске подача топлива осуществляется по очереди в порядке работы цилиндров двигателя.

Фазированный впрыск обеспечивает подачу топлива каждой форсункой в конкретный момент времени для каждого цилиндра двигателя.

Величина давления топлива в системах распределенного впрыска составляет 0,3 МПа, а при непосредственном - 5,0 МПа. Систему центрального впрыска топлива в ряде случаев дополнительно оснащают пусковой форсункой, работающей при холодном двигателе и отключающейся автоматически по мере его прогрева. В современных конструкциях пусковую форсунку не применяют.

Система распределенного впрыска отличается многообразием технических решений. В основе своей работы они используют механический и гидравлический принципы подачи топлива. Подобные системы представляют собой схемы непрерывного действия. Схема распределенного впрыска обеспечивает подачу топлива в ВТ, на впускной клапан или на перемычку между впускными клапанами. Регулирование количества подаваемого топлива осуществляется путем изменения продолжительности открытия дозирующего клапана электромагнитной форсунки.

Фазированный впрыск осуществляют во впускной патрубок, непосредственно в цилиндр или в дополнительную камеру (вихревую, форкамеру). Регулирование подачи топлива при циклическом впрыске осуществляется аналогично путем изменения продолжительности открытия клапана ЭМФ.

Одновременный распределенный впрыск топлива обеспечивает его подачу во все цилиндры двигателя. В системах одновременного впрыска форсунки соединены параллельно в одну или несколько групп и управляются общим импульсом ЭБУ. Одновременный впрыск осуществляют синхронно или асинхронно.

При синхронном впрыске топлива начало его подачи определяется сигналами задающего генератора, т.е. синхронизированными с частотой вращения КВ. Синхронный впрыск является основным способом подачи топлива в современных системах какцентрального, так и одновременного распределенного впрыска. При синхронном впрыске подача топлива форсунками обычно происходит один или два раза за оборот КВ. В некоторых режимах (пуск, режим холостого хода, полная нагрузка, режим ускорения) может быть переход на асинхронный впрыск, при котором моменты начала впрыска не связаны с частотой вращения KB двигателя, а следуют через равные интервалы времени.

Последовательный впрыск топлива осуществляется раздельно в каждый цилиндр после открытия соответствующего впускного клапана в порядке работы цилиндров. В системах последовательного впрыска каждая форсунка связана с ЭБУ индивидуальной электрической цепью. Последовательная работа форсунок осуществляется по сигналам задающего генератора и фазового дискриминатора.

Распределенный впрыск топлива осуществляется в каждый цилиндр отдельной форсункой, установленной в соответствующий патрубок ВТ. Распыленная струя топлива, выходящая из форсунки, направлена в сторону впускного клапана. Распределенная подача топлива может быть одновременной или последовательной, а также синхронной или асинхронной.

Центральный впрыск топлива осуществляется одной форсункой, расположенной во впускном тракте между воздухоочистителем и дроссельной заслонкой. Распыленное форсункой топливо смешивается с воздухом в ВТ и далее поступает в порядке их работы. Впрыск топлива обычно осуществляется один или два разаза один оборот KB двигателя, а состав смеси регулируется длительностью впрыскивания.

Классификация по типу регулирования различают:

а) система впрыска с разомкнутыми цепями управления двигателем;

б) система с замкнутыми цепями с обратной связью.

Разомкнутая схема системы управления представляет собой линейную цепь ряда взаимодействующих элементов, соединенных и действующих последовательно один за другим. Цепь управления содержит функциональные, системные и передающие элементы (рис. 2.1).

В общем виде разомкнутая цепь содержит систему управления 3 и исполнительное устройство 7 с входным 1 и выходным 8 параметром. Электронный блок 10 и устройство управления 4 связаны между собой электрической цепью 9 с образованием системы управления.

Рисунок 1 Структурная схема системы управления двигателем с разомкнутой цепью 1 - входной параметр; 2 - внешний фактор; 3 - система управления; 4 - устройство управления; 5 - выходной параметр; б - внешний параметр исполнительного устройства; 7 - исполнительное устройство; 8 - выходной параметр исполнительного устройства; 9 - электрическая цепь; 10 - блок управления

Внешний фактор 2 представляет собой возмущающее воздействие внешней среды на систему управления. Управление исполнительным устройством 7 осуществляется по состоянию выходного параметра 5 системы управления 3 и внешнего входногофактора 6.

Выходной параметр 8 исполнительного устройства 7 пред-ставляет собой переменную электрическую величину, обеспечивающую его контролирование в соответствии с функциональными параметрами системы управления.

В разомкнутой цепи система управления 3 регистрирует возмущения, измеряемые блоком управления 10. На другие внешние воздействия система не реагирует. Система управления 3 содержит необходимые функциональные элементы, обеспечивающие решение заданных условий, выполняемых разомкнутой цепью управления. На вход системы управления 3 поступает входной параметр 1, проходящий последовательно через ряд промежуточных звеньев и преобразуемый в выходной параметр 5 системы управления 3. Разомкнутая линейная цепь системы управления функциональных элементов не обеспечивает получение оптимальных характеристик. Она более требовательна к точности изготовления функциональных элементов и поддержания режимов ее работы. Функции управления разомкнутой системой подачи топлива иопережения зажигания в традиционных системах управления двигателем возложены на водителя. Применение программы с жестким алгоритмом управления в разомкнутых системах впрыска топлива двигателя не обеспечивает получение необходимого уровня топливной экономичности и минимального выброса вредных веществ (ВВ). Система не учитывает многообразие комплекса взаимосвязанных факторов. В этом случае происходит значительное рассогласование действующей и оптимальной программ управления. Подобные технические решения в виде разомкнутых систем использовали практически на всех автомобилях недавнего времени. Большинство современных систем впрыска топлива снабжены замкнутой цепью управления двигателем. Автоматическое регулирование системы впрыска топлива обеспечивают путем превращения разомкнутой схемы управления в замкнутую, т.е. в систему управления с жесткой обратной связью. Современные автоматические системы управления двигателем выполнены адаптивными (самоприспосабливающимися, от лат. «adapto» - приспосабливать). Подобная схема обеспечивает необходимый уровень надежной работы системы впрыска топлива в условиях быстрого изменения характеристик объекта управления. Структурная схема системы управления с обратной замкнутой связью (рис. 2.2) содержит управляющее устройство 14, параметрический датчик 13 и ЭБУ 4, связанный через электрическую цепь 3 с датчиком 2 положения дроссельной заслонки и через выходной сигнал 6 ЭБУ, передающий командный параметр на привод 7 системы управления. Полученный выходной сигнал 8 привода системы управления поступает на регулируемую систему 9 (двигатель). Система управления через выходной сигнал 12 связана с датчиком (л-зондом), размещенным в канале электрической цепи15 обратной связи.

Рисунок 2 Структурная схема системы управления двигателем с обратной связью 1 - входной параметр; 2 - датчик положения дроссельной заслонки; 3 - электрическая цепь сигнала управления; 4 - ЭБУ; 5 - внешний фактор; 6 - выходной сигнал; 7 - электрический привод системы управления; 8 - выходной сигнал привода; 9 - регулируемая система (двигатель); 10 - выходной параметр системы управления; 11 - возмущающий фактор; 2 - выходной сигнал системы управления; 13 - параметрический датчик; 14 - управляющее устройство; 15 - электрическая цепь обратной связи

Входной управляющий параметр 1 через ряд промежуточных элементов формирует необходимую величину выходного сигнала 12 замкнутой системы управления. Выходной сигнал 6 электрической цепи блока управления 4 формируется под воздействием входного 1 и внешнего факторов 5. Возмущающий параметр 11 параметрического датчика 13 оказывает на замкнутую систему переменное возмущающее воздействие. Параметрический датчик 13 по электрической цепи 15 передает сигналы выходного параметра 12, величина которого пропорциональна значениям выходного параметра 10 управляющего устройства 14. Регулируемая система (двигатель) 9 снабжена системой управления процессами подачи топлива двигателя и исполнительным механизмом управления. Величина выходного сигнала 12 изменяется адекватно изменению входного параметра 7. Дроссельная заслонка обеспечивает изменение сигнала 12 обратной связи адекватно изменению сигнала входного управляющего параметра 1 и выдает сигнал на вход промежуточных устройств замкнутой системы управления. Электрический привод 7 регулируемой системы 9 получает обобщенный сигнал от различных датчиков через промежуточные элементы. Входным параметром рассматриваемой системы управления является величина открытия дроссельной заслонки, момент зажигания и состав горючей смеси. Законы управления этими параметрами различны. Водитель изменяет величину угла открытия дроссельной заслонки. Изменение величины расхода воздуха сопровождается изменением количества топлива и величины угла опережения зажигания. Выходной параметр 72 представляет собой переменную электрическую величину, которая непрерывно измеряется и сравнивается с входным параметром. Управление в замкнутом контуре обеспечивает действие возмущающего фактора 11 параметрического датчика 13 в замкнутой цепи управления. Водитель со своего рабочего места через воздушную заслонку воздействует на электрическую цепь 3 системы управления, входным параметром которой является электрический сигнал датчика устройства подачи воздуха.

Система управления двигателем по обратной электрической связи 15 сообщена с датчиком положения дроссельной заслонки (ДПДЗ) 2. Приведенная система по электрическим цепям получает сигналы действий водителя через датчик расхода воздуха, связанный с педалью управления. В процессе движения водитель по желанию изменяет величину угла открытия дроссельной заслонки, обеспечивающей необходимый расход воздуха. В качестве первичной информации служат сигналы датчиков верхней мертвой точки (ВМТ), положения распределительного вала, углового положения KB двигателя, массового расхода воздуха (или давления в ВТ) и детонации. Замкнутая система обеспечивает необходимую точность поддержания требуемых параметров по сравнению с разомкнутой системой.

Структурная схема замкнутой системы топливоподачи двигателя с обратной связью приведена на рис. 2.3. Система снабжена нейтрализатором ОГ с датчиком кислорода 4 (л-зонд), размещенным в цепи обратной связи, и исполнительным органом 8 подачи топлива. Двигатель 2 через электрическую цепь 1 получает сигнал состава горючей смеси от исполнительного органа 8 и через электрическую цепь 3 сообщается с датчиком кислорода 4. Электронный блок управления 6 с помощью электрического сигнала через цепь обратной связи 7 связан с исполнительным органом 8. Исполнительный орган 8 обеспечивает изменение состава горючей смеси (а) входного сигнала. Величина концентрации отдельных компонентов вредных веществ ОГ двигателя 2 позволяет оценить коэффициент избытка воздуха прореагировавшей горючей смеси. Датчик 4 кислорода вырабатывает электрический сиг нал 5, зависящий от состава ОГ двигателя 2. ЭБУ 6 по сигналам датчика кислорода поддерживает необходимое соотношение воздух/топливо, обеспечивающее наиболее эффективную работу нейтрализатора.

Рисунок 3 Упрощенная структурная схема системы топливоподачи с обратной связью 1 - электрическая цепь передачи сигнала исполнительного органа (а); 2 - двигатель; 3 - электрическая цепь передачи сигнала управления (аог); 4 - датчик кислорода; 5 - электрический сигнал датчика кислорода; 6 - ЭБУ; 7 - электрический сигнал обратной связи; 8 - исполнительный орган подачи топлива

При этом электронный блок 6 вырабатывает электрический сигнал 7, приводящий в действие исполнительный орган 8, который обеспечивает регулирование величины подачи топлива (а), поступающего в двигатель 2. Мгновенное значение коэффициента избытка воздуха поддерживается на уровне а = 1. В системе регулирования концентрации ог определяют путем измерения концентрации кислорода в ОГ с помощью л-зонда, на выходе которого появляется напряжение, пропорциональное величине коэффициента избытка воздуха. Полученную величину система сравнивает с заданным значением а. При наличии отклонения расчетной величины а от заданной исполнительный сигнал регулятора по сигналам ЭБУ изменяет продолжительность впрыскивания. Регулирование осуществляется с помощью перемножающего звена ЭБУ, учитывающего различные корректировочные факторы. ЭБУ 6 по сигналу Х-зонда усиливает и корректирует длительность импульса впрыска ЭМФ, обеспечивая получение необходимой величины управляемого параметра.

3. Перспективы развития систем подачи топлива бензиновых двигателей

Основными направлениями совершенствования бензиновых двигателей являются:

а) снижение расхода топлива;

б) снижение токсичности отработавших газов;

в) повышение мощности двигателя.

Для реализации этих требований на современных бензиновых двигателях применяются следующие системы:

Система непосредственного впрыска топлива

Система непосредственного впрыска обеспечивает впрыск топлива непосредственно в камеру сгорания. В зависимости от режима работы двигателя регулируется количество впрыскиваемого топлива, момент впрыска и образуются разные виды топливно-воздушной смеси (послойная, гомогенная, стехиометрическая гомогенная).

Впускная система

Система характеризуется дроссельной заслонкой с электрическим приводом и впускными заслонками на каждый цилиндр. Впускные заслонки разделяют поток воздуха на два канала - свободный и перекрываемый заслонкой. Закрытые впускные заслонки обеспечивают послойное смесеобразование за счет вихревого движения воздуха в камере сгорания.

Турбонаддув

Турбонаддув является достаточно эффективной системой повышения мощности бензинового двигателя, основывающейся на сжатии всасываемого воздуха с помощью энергии отработавших газов. Вместе с тем, применение турбонаддува на бензиновых двигателях ограничено возможностью наступления детонации.

Система изменения фаз газораспределения

Система изменения фаз газораспределения обеспечивает эффективную работу газораспределительного механизма в разных режимах работы двигателя (холостой ход, низкие обороты, высокие обороты). В различных конструкциях систем эффект достигается за счет изменения момента открытия (закрытия) клапанов, продолжительности их открытия, а также высоты подъема.

Электронная система зажигания

Наиболее совершенной системой воспламенения топливно-воздушной смеси бензинового двигателя является электронная система зажигания, в которой создания и распределение тока высокого напряжения по цилиндрам двигателя осуществляется посредством электронных компонентов - датчиков и блока управления.

Выпускная система

Выпускная система помимо выпуска отработавших газов в значительной степени снижает и их токсичность. Эту функцию в системе выполняет каталитический нейтрализатор, работающий под управлением кислородного датчика - л-зонда.

Система рециркуляции отработавших газов

Снижению токсичности отработавших газов способствует система рециркуляции отработавших газов. Система уменьшает содержание в отработавших газах оксида азота путем возврата их части во впускной коллектор.

Система управления двигателем

Технический прогресс в области электроники, жесткие нормы экологической безопасности обусловливают неуклонный рост числа подконтрольных систем двигателя. Система управления двигателем объединяет работу всех перечисленных систем, обеспечивая их оптимальное функционирование на всех режимах работы двигателя.

4. Устроийство и прнцип действия аккумуляторной топливной системы «Common Rail»

Создание давления и непосредственный процесс впрыска в аккумуляторной топливной системе CR полностью разделены. Высокое давление в топливной системе создается независимо от частоты вращения коленчатого вала двигателя и количества впрыскиваемого топлива. Топливо, готовое для впрыска, находится под высоким давлением в аккумуляторе. Количество впрыскиваемого топлива (цикловая подача) определяется действиями водителя, а угол опережения и давление впрыска определяются электронным блоком управления (ЭБУ) на основе программируемых матриц характеристик, хранящихся в памяти микропроцессора. ЭБУ выдает управляющий пусковой сигнал на соответствующие электромагнитные клапаны, в результате чего осуществляется впрыск форсункой в каждый цилиндр. Аккумуляторная топливная система CR включает в себя следующие элементы электронного управления:

- ЭБУ;

- датчик частоты вращения коленчатого вала;

- датчик частоты вращения распределительного вала;

- датчик положения педали акселератора;

- датчик давления наддува;

- датчик давления в аккумуляторе;

- датчик температуры охлаждающей жидкости;

- массовый расходомер воздуха.

Используя входные сигналы указанных выше датчиков, ЭБУ регистрирует положение педали акселератора и определяет на данный момент времени рабочую характеристику двигателя и автомобиля как единого целого. На основе полученной информации ЭБУ может через разомкнутые и замкнутые контуры осуществлять управляющие действия с автомобилем и, особенно, с двигателем. Частота вращения двигателя измеряется датчиком частоты вращения коленчатого вала, а порядок чередования вспышек - датчиком частоты вращения (положения) распределительного вала. Электрический сигнал, образующийся на потенциометре педали акселератора, информирует ЭБУ о том, как сильно водитель нажал на педаль, другими словами - о его требованиях к величине крутящего момента.

Рисунок 4 Расположение аккумуляторной топливной системы Common Rail на четырехцилиндровом двигателе. 1 -массовый расходомер воздуха, 2 - ЭБУ, 3 - ТНВД, 4 - аккумулятор топлива высокого давления, 5 - форсунки, 6 - датчик частоты вращения коленчатого вала, 7 - датчик температуры ОЖ, 8 - топливный фильтр, 9 - датчик положения педали подачи топлива

С целью повышения эффективной работы двигателя в системе Common Rail реализуется многократный впрыск топлива в течение одного цикла работы двигателя. При этом различают:

- предварительный впрыск;

- основной впрыск;

- дополнительный впрыск.

Предварительный впрыск небольшого количества топлива производится перед основным впрыском для повышения температуры и давления в камере сгорания, чем достигается ускорение самовоспламенения основного заряда, снижение шума и токсичности отработавших газов. В зависимости от режима работы двигателя производится:

- два предварительных впрыска - на холостом ходу;

- один предварительный впрыск - при повышении нагрузки;

- предварительный впрыск не производится - при полной нагрузке.

Основной впрыск обеспечивает работу двигателя.

Дополнительный впрыск производится для повышения температуры отработавших газов и сгорания частиц сажи в сажевом фильтре (регенерация сажевого фильтра).

Развитие системы впрыска Common Rail осуществляется по пути увеличения давления впрыска:

первое поколение - 140 МПа, с 1999 года;

второе поколение - 160 МПа, с 2001 года;

третье поколение - 180 МПа, с 2005 года;

четвертое поколение - 220 МПа, с 2009 года.

Чем выше давление в системе впрыска, тем больше топлива можно впрыснуть в цилиндр за равный промежуток времени и, соответственно, реализовать большую мощность.

Применение данной системы позволяет достигнуть снижения расхода топлива, токсичности отработавших газов, уровня шума дизеля. Главным преимуществом системы Common Rail является широкий диапазон регулирования давления топлива и момента начала впрыска, которые достигнуты за счет разделения процессов создания давления и впрыска.

Список используемой литературы

1. Ерохов В.И. Системы впрыска бензиновых двигателей: конструкция, расчет, диагностика. Учебник для вузов. - М: Горячая линия-Телеком, 2011. - 552 с: ил. ISBN 978-5-9912-0130-8

2. Дизельные аккумуляторные топливные системы Common Rail. Перевод с английского. Учебное пособие. - М.: ЗАО "Легион-Автодата", 2008. - 48 с: ил.

3. Система впрыска Common Rail. http://systemsauto.ru/feeding/common_rail.html

Размещено на Allbest.ru