Топливные системы бензиновых и дизельных двигателей

Система питания обеспечивает основную функцию силовой установки – доставку энергии из топливного бака к преобразующему её в механическое движение двигателю внутреннего сгорания (ДВС). Важно разработать её так, чтобы мотор всегда получал бензин или дизтопливо в нужном количестве, не больше и не меньше, во всех, самых разнообразных режимах своей работы. И по возможности сохранять свои параметры как можно дольше без потери точности работы.

Назначение и работа топливной системы

Укрупнённо функции системы подразделяются на транспортировочные и дозирующие. В состав оборудования для первых можно отнести:

• топливный бак, где хранится запас бензина или дизтоплива;
• подкачивающие насосы с различным давлением на выходе;
• систему фильтрации грубой и тонкой очистки, с отстойниками или без них;
• топливные магистрали из гибких и жёстких шлангов и трубопроводов с соответствующей арматурой;
• дополнительные устройства вентиляции, регенерации паров и обеспечения безопасности при авариях.

Дозирование нужного количества горючего выполняют системы разного уровня сложности, к ним относятся:

• карбюраторы в устаревших двигателях;
• блоки управления двигателями с системой датчиков и исполнительных устройств;
• топливные форсунки;
• насосы высокого давления с дозирующими функциями;
• механические и гидравлические регуляторы.

Топливоподача тесно связана с обеспечением двигателя воздухом, но всё же это разные системы, поэтому связь между ними осуществляется лишь через электронные контроллеры и впускной коллектор.

Организация подачи бензина

Принципиально различаются две системы, отвечающие за правильный состав рабочей смеси – карбюраторные, где темп подачи бензина определяется скоростью всасываемого поршнями воздушного потока, и впрыск под давлением, где система лишь следит за расходом воздуха и режимами мотора, дозируя топливо самостоятельно.

Карбюратор

Подача бензина при помощи карбюраторов уже устарела, поскольку с ней невозможно соблюдать экологические нормы. Даже использование электронных или вакуумных систем в карбюраторах не помогло. Сейчас эти приборы не используются.

Принцип работы карбюратора заключался в пропускании через его диффузоры воздушного потока, направляющегося во впускной коллектор. Специальные профилированные сужения диффузоров вызывали снижение давления в струе воздуха относительно атмосферного. За счёт образовавшегося перепада из распылителей поступал бензин. Количество его ограничивалось созданием топливной эмульсии в составе, определяемом сочетанием топливных и воздушных жиклёров.

Управлялись карбюраторы небольшими изменениями давления в зависимости от скорости потока, постоянным был лишь уровень топлива в поплавковой камере, который поддерживался подачей насоса и перекрыванием входного запорного клапана. В карбюраторах имелось множество систем, каждая из которых отвечала за свой режим двигателя, от пуска до номинальной мощности. Всё это работало, но качество дозирования со временем стало неудовлетворительным. Точно отрегулировать смесь, что необходимо для появившихся каталитических нейтрализаторов выхлопных газов, было невозможно.

Впрыск топлива

Принципиальные преимущества имеет впрыск под фиксированным давлением. Оно создаётся установленным в баке электрическим насосом с интегрированным или выносным регулятором и поддерживается с нужной точностью. Величина его составляет порядка нескольких атмосфер.

Подача бензина в двигатель производится форсунками, представляющими собой электромагнитные клапаны с распылителями. Они открываются, получив сигнал от электронной системы управления двигателем (ЭСУД), и через рассчитанное время закрываются, выделив ровно столько топлива, сколько требуется на один цикл работы двигателя.

Первоначально применялась единственная форсунка, размещённая на месте карбюратора. Такая система называлась центральным или моновпрыском. Не все недостатки удалось устранить, поэтому более современные структуры располагают отдельными форсунками для каждого цилиндра.

По месту размещения форсунок разделяются системы распределённого и прямого (непосредственного) впрыска. В первом случае форсунки подают топливо во впускной коллектор, близко к клапану. В этой зоне температура повышена. А короткий путь до камеры сгорания не даёт бензину сконденсироваться, что было проблемой моновпрыска. К тому же стало возможно фазировать подачу, выделяя бензин строго в момент открытия впускного клапана конкретного цилиндра.

Ещё более эффективно работает система прямого впрыска. При расположении форсунок в головках и непосредственном их внедрении в камеру сгорания, можно применять самые современные способы многократного впрыска за один-два такта, послойное воспламенение и сложное завихрение смеси. Это повышает экономичность, но создаёт проблемы с надёжностью, которые ведут к удорожанию деталей и узлов. В частности, нужен насос высокого давления (ТНВД), специальные форсунки и обеспечение очистки впускного тракта от загрязнений системой рециркуляции, ведь теперь бензин на впуск не подаётся.

Топливная аппаратура дизельных двигателей

Работа на тяжёлом топливе с воспламенением от сжатия имеет свою специфику, связанную со сложностями тонкого распыления и высокой дизельной компрессией. Поэтому топливная аппаратура имеет мало общего с бензиновыми двигателями.

Отдельный ТНВД и насос-форсунки

Высокое давление, необходимое для качественного впрыска в сильно сжатый горячий воздух, создаётся насосами типа ТНВД. По классической схеме к его плунжерам, то есть выполненным с минимальными зазорами поршневым парам, топливо подаётся подкачивающим насосом после тщательной очистки. Плунжеры приводятся в поступательное движение через кулачковый вал от двигателя. Этим же насосом производится дозирование при помощи поворота плунжеров через связанную с педалью зубчатую рейку, и определяется момент впрыска за счёт синхронизации с валами газораспределения и наличия дополнительных автоматических регуляторов.

Каждая плунжерная пара соединена топливопроводом высокого давления с форсунками, представляющими собой простые подпружиненный клапаны, выведенные в камеры сгорания. Для упрощения конструкции иногда используются так называемые насос-форсунки, объединяющие функции ТНВД и распылителей за счёт силового привода от кулачков распределительного вала. Они располагают собственными плунжерами и клапанами.

Магистральный впрыск типа Common Rail

Более совершенным стал принцип электронного управления форсунками, подсоединёнными к общей магистрали высокого давления. Каждая из них имеет электрогидравлический или пьезоэлектрический клапан, открывающийся и закрывающийся по команде электронного блока. Роль ТНВД сводится лишь к поддержанию в рампе нужного давления, которое при таком принципе смогли довести до 2000 атмосфер и более. Это позволило более точно управлять двигателем и уложить его в новые нормы по токсичности.

Применение возвратных топливопроводов

Помимо прямой подачи топлива к подкапотной аппаратуре, иногда применяется и обратный слив через отдельную магистраль обратки. Это преследует различные цели, от облегчения регулирования давления в разных точках системы, до организации непрерывной циркуляции топлива. В последнее время обратный слив в бак используется редко, обычно он нужен лишь для решения локальных задач, например, управления гидравликой форсунок прямого впрыска.