Система впуска автомобиля

Работа любого ДВС основана на сгорании смеси воздуха и топлива в цилиндрах агрегата. Помимо того, что воздух и горючий материал (бензин, дизель или газ) нужно подать в каждый цилиндр, нужен точный расчет объема каждой субстанции, и качественно их смешать. По мере совершенствования моторов улучшаются и системы, которые необходимы для их максимального КПД.

Эффективность двигателя зависит не только от качества топливной системы и работоспособности зажигания. Если топливо плохо перемешается с воздухом, большая его часть не сгорит, а будет удалено из автомобиля через выхлопную трубу (о том, как это повлияет на каталитический нейтрализатор, рассказано здесь). Для повышения экономичности, экологичности и эффективности улучшаются разные параметры силового агрегата.

Рассмотрим, какую роль в этом играет впускная система, из каких элементов она состоит, какое ее назначение, какой принцип ее работы.

Что такое система впуска автомобиля

Старые моторы, которые еще встречаются в автомобилях отечественного производства, не имели системы впуска как таковой. Карбюраторный мотор имеет впускной коллектор, патрубок которого проходит через карбюратор к воздухозаборнику. Само устройство имеет следующий принцип работы.

Когда поршень в конкретном цилиндре выполняет такт впуска, в полости образуется разрежение. Газораспределительный механизм открывает впускной клапан. По каналу коллектора начинает двигаться воздушный поток. Проходя через смесительную камеру карбюратора, в него попадает некоторое количество топлива (этот объем регулируется жиклерами, о которых рассказывается отдельно). Очистка воздуха обеспечивается воздушным фильтром, установленным перед карбюратором.

Смесь всасывается в цилиндр через открытый клапан. Вакуумный принцип работы имеет любой атмосферный двигатель. В нем воздушно-топливная смесь попадает естественным путем при помощи разрежения во впускном коллекторе. Примитивный впуск лишь обеспечивал поступление воздуха в камеру карбюратора.

У этой системы есть существенный недостаток – качественная работа системы напрямую зависит от того, какое строение имеет тракт, подсоединенный к головке блока цилиндров. Также по мере прохождения ВТС через коллектор некоторое количество топлива может попадать на его стенки, что отрицательно сказывается на экономичности авто.

Когда появился инжектор (о том, что это такое и как он работает, рассказывается отдельно), появилась необходимость в создании полноценной системы впуска, которая имела бы такую же функцию – осуществлять забор воздуха и смешивать его с топливом, но управление ее работой выполнялось бы электроникой.

Электроника более эффективно рассчитывает оптимальную пропорцию объема воздуха и топлива и поддерживает этот параметр на разных режимах работы ДВС. Также она обеспечивает лучшее наполнение цилиндров на малых оборотах мотора. Такое улучшение во впуске агрегата увеличивает его производительность без увеличения расхода горючего. Оптимальный показатель соотношения объема воздуха к количеству топлива составляет 14.7/1. Механический вид впуска не способен поддерживать эту пропорцию на разных режимах работы агрегата.

Если раньше машина имела только воздуховод, по которому естественным путем поступал воздух (его объем обусловливался физическими свойствами воздушного тракта и исполнительных устройств), то современный автомобиль получает целую систему, состоящую из разных механизмов, имеющих электрическое управление. Они контролируются ЭБУ, благодаря чему ВТС получается более качественной.

Стоит упомянуть, что бензиновый, в том числе газовый (используется нештатное или заводское ГБО), и дизельный моторы получают похожую систему впуска. Однако в зависимости от типа впрыска она может иметь несколько отличающееся устройство. В другом обзоре рассказывается о разновидностях инжекторных систем.

Современная впускная система работает синхронно и с другими системами машины. Например, в этот список входит рециркуляция отработанных газов и впрыск топлива. Чтобы цилиндры более качественно наполнялись свежей порцией воздушно-топливной смесью, на впуске часто устанавливается турбонагнетатель. О том, что такое турбокомпрессор в машине, есть отдельный обзор.

Принцип работы впускной системы

Впускная система работает на основе разницы давления в цилиндре и в атмосфере. Она появляется, когда поршень движется к нижней мертвой точке на такте впуска (когда выполняется такт рабочего хода, впускной и выпускной клапаны закрыты), а клапан, через который в емкость поступает воздух с топливом, открыт.

Количество воздуха напрямую зависит от размеров самого цилиндра. Однако этот объем регулируется, чтобы мотор мог работать на пониженных оборотах, а при необходимости коленвал можно было раскрутить сильнее (когда машина разгоняется). Для изменения режима работы используется специальный воздушный клапан, который называется дроссельная заслонка.

 В карбюраторе этот элемент связан с педалью акселератора. Чем сильнее открывается клапан, тем больше топлива затягивается в тракт впускного коллектора. Инжекторные моторы получают особенный дроссель. В нем имеется небольшой электродвигатель, который подключен к блоку управления. Когда водитель нажимает на педаль газа, ЭБУ при помощи запрограммированных алгоритмов определяет, до какой степени открыть воздушный клапан.

Чтобы сохранялась идеальная пропорция воздуха и топлива, возле дросселя стоит дроссельный датчик, сигналы от которого поступают на электронный блок управления (во многих современных системах устанавливается два датчика воздуха: один перед заслонкой, а другой за ней). Получив эти данные, электроника увеличивает/уменьшает количество горючего, которое подается через форсунки инжектора (об их устройстве и принципе работы рассказывается в другой статье).

В зависимости от типа впрыска впускной тракт может иметь несколько отличающуюся конструкцию. Например, при распределенной модификации впускная система участвует в смесеобразовании. В такой конструкции форсунки установлены в каждом патрубке коллектора максимально близко к впускным клапанам. Такую систему получает большинство современных инжекторных машин.

Если двигатель имеет непосредственный впрыск (в случае с дизельными агрегатами это единственная модификация), то система впуска только обеспечивает питание цилиндры свежей порцией воздуха. В этом случае сгорание топлива максимально эффективное, так как смешивание происходит непосредственно в полости цилиндра без потерь на впускном тракте.

Причем благодаря особенности конструкции этого впрыска (на впускном коллекторе установлены дополнительные заслонки, их синхронность работы обеспечивает общий вал с электроприводом) топливная система может обеспечивать разное смесеобразование. Вот два основных типа:

1. Послойный тип. В этом режиме форсунка распыляет горючее в цилиндр, максимально распределяя его по всей камере. Температура поступившего воздуха высокая, благодаря чему бензин начинает испаряться, лучше смешиваясь с воздухом. Такой режим используется на малых оборотах и при небольших нагрузках на ДВС.
2. Однородный (гомогенный) тип. По сути, это обедненная смесь. В теории давление в цилиндре при закрытых клапанах напрямую влияет на отдачу мотора в процессе сгорания воздушно-топливной смеси. Из этого можно сделать заключение, что для повышения крутящего момента при минимальном расходе топлива нужно увеличить объем поступающего в камеру воздуха. Однако в случае с распределенным впрыском наблюдается следующая проблема. Если пропорция ВТС будет изменена в сторону увеличения количества воздуха (обедненная смесь), то такая смесь плохо будет воспламеняться. По этой причине на распределенных типах инжекторных систем такой тип смесеобразования не используется. Но что касается непосредственного впрыска, это осуществить реально. Воспламенение обедненной смеси возможно благодаря тому, что сравнительно малый объем топлива распыляется в непосредственной близости к свече зажигания. По сравнению с общим количеством сжатого воздуха топлива в цилиндре мало, но благодаря тому, что возле электродов свечи находится обогащенное облако, мотор не теряет своей эффективности даже при значительной экономии топлива.

Вот небольшая анимация того, как работает схема с изменяемым смесеобразованием:

Как работает впускной коллектор? (3D-анимация)

В зависимости от типа топливной системы и конструкции исполнительных устройств таких режимов может быть еще больше. Каждый из них активируется электроникой, которая фиксирует обороты мотора и нагрузку на него. Для обеспечения разных режимов образования смеси каждый производитель использует свои механизмы.

Например, в некоторых моторах устанавливаются специальные многорежимные форсунки, а в других – помимо дроссельного клапана устанавливаются еще и впускные заслонки. В зависимости от режима они могут закрываться и открываться независимо от дроссельной заслонки.

Когда воздушно-топливная смесь сгорела, отработанные газы удаляются через выпуск. Это уже другая система автомобиля. Помимо удаления выхлопа она компенсирует пульсации газового потока и снижает шум мотора (подробней об устройстве и назначении выхлопной системы читайте здесь).

Усилитель тормозов тоже частично задействует разрежение, образующееся во впускном коллекторе. Попутно он оснащен клапаном, отсекающим систему рециркуляции выхлопных газов.

Схема современной системы впуска включает множество разных датчиков и исполнительных устройств, благодаря чему она за доли секунды подстраивается под режим работы мотора или изменяющихся нагрузок на силовой агрегат. В некоторых современных моделях используется особенная технология, цель которой – улучшить эффективность ДВС при помощи изменения длины и сечения впускного тракта.

Такая модернизация позволяет извлечь максимальный крутящий момент на пониженных оборотах атмосферного двигателя. Подробно конструкция и принцип работы коллектора с изменяемой длиной и сечением рассказывается в другой статье.

Конструкция

В устройство системы впуска входят следующие элементы:

• Воздухозаборник. У каждой модели авто этот элемент имеет свою конструкцию. Ключевой элемент в этом узле – воздушный фильтр. Он помещен в корпус (часто это герметично закрытый со всех сторон лоток, но встречаются и открытые фильтры, установленные непосредственно на воздухозаборник), который с одной стороны имеет открытый патрубок. Через это отверстие воздух попадает на фильтрующий элемент, очищается и поступает в трубу впускной системы. Подробно о воздушных фильтрах рассказывается здесь.
• Дроссель. В современном исполнении это клапан с электроприводом, который устанавливается на трубу, идущую от воздухозаборника до коллектора. В зависимости от потребностей и нагрузок мотора электронный блок управления подает соответствующую команду на открытие/закрытие заслонки. Благодаря этому контролируется внутренний поток воздуха.
• Ресивер (или коллектор). Между дросселем и головкой блока цилиндров устанавливается впускной коллектор. Это труба сложной конструкции. С одной стороны она имеет один, а с другой – несколько патрубков (их количество зависит от числа цилиндров в блоке). Назначение этой детали в том, чтобы распределять внутренний поток воздуха по цилиндрам. Если топливная система распределенного типа, то на каждом патрубке будет сделано отверстие, в котором будет закреплена топливная форсунка. В таком случае впускная система принимает непосредственное участие в образовании воздушно-топливной смеси. Если мотор имеет непосредственный впрыск (форсунки стоят возле свечей зажигания или свечей накала у дизельных моторов), тогда впуск просто регулирует подачу воздуха.
• Впускные заслонки. Это дополнительные клапаны, которые устанавливаются внутри патрубков коллектора, чтобы регулировать тип смесеобразования. Данные элементы используются в ДВС с непосредственным впрыском.
• Датчики воздуха. Они фиксируют силу потока воздуха перед заслонкой и за ней, а также его температуру. Сигналы от этих сенсоров поступают на блок управления.

За синхронную работу всех исполнительных механизмов впускной системы отвечает ЭБУ. На основании сигналов, полученных от педали газа, датчика массового расхода и других сенсоров, которыми оснащен транспорт, электроника активирует конкретный алгоритм. В соответствии с программой «мозгов» все устройства одновременно получают соответствующие сигналы.

Для чего нужна

Итак, как видно, без качественной впускной системы, состоящей из разного количества датчиков и исполнительных механизмов, невозможно создать экономичный, но вместе с тем достаточно динамичный и экологичный автомобиль.

Единственный недостаток современных систем впуска заключается в дороговизне и сложности обслуживания. Если карбюраторный мотор можно диагностировать и отремонтировать усилиями бывалого автомеханика, то электроника проверяется только на специальном оборудовании. Для ее ремонта нужно посетить специализированный сервисный центр.

В качестве дополнения предлагаем посмотреть видеолекцию о впускной системе автомобиля:

Теория ДВС: Системы Впуска

Вопросы и ответы:

Что такое впуск в двигателе? Другое название – впускная система. Это воздухозаборник, соединенный с трубой, которая разветвляется на несколько труб (по одной на цилиндр). Система нужна для подачи свежего воздуха и формирования ВТС.

Что будет если увеличить впускной коллектор? Удлинение коллектора в атмосфернике приведет к большему сопротивлению на входе, что приведет к худшему сгоранию ВТС. Это приведет к уменьшению крутящего момента и мощности.