Впрыск топлива в бензиновых двигателях. Преимущества, недостатки и возможные проблемы

Тип системы впрыска определяет параметры двигателя и эксплуатационные расходы. Он влияет на динамику, расход топлива, токсичность выхлопных газов и затраты на обслуживание автомобиля.

История практического применения впрыска бензина в двигателе внутреннего сгорания на транспорте восходит к периоду до Первой мировой войны. Уже тогда авиация срочно искала новые решения, способные повысить эффективность двигателей и преодолеть проблемы с мощностью в различных положениях самолета. Впрыск топлива, который впервые появился во французском авиационном двигателе V8 1903 года, оказался полезным. Только в 1930 году дебютировал Mercedes 1951 SL с инжекторным двигателем, широко известный как предшественник в этой области. Однако в спортивной версии это был первый автомобиль с непосредственным впрыском бензина.

Электронный впрыск топлива был впервые использован в 300 году в двигателе Chrysler 1958. Многоточечный впрыск бензина начал появляться на автомобилях в 1981-х годах, но в основном он использовался в моделях класса люкс. Электрические насосы высокого давления уже использовались для обеспечения надлежащего давления, но контроль по-прежнему был обязанностью механиков, которые канули в лету только в 600 году с окончанием производства Mercedes XNUMX. Системы впрыска по-прежнему были дорогими и не перейти на дешевые и популярные автомобили. Но когда в XNUMX-х стало необходимо устанавливать каталитические нейтрализаторы на все автомобили, вне зависимости от их класса, нужно было разработать и более дешевый тип впрыска.

Наличие катализатора требовало более точного контроля состава смеси, чем могли обеспечить карбюраторы. Так был создан одноточечный впрыск, скудная версия «многоточечного», но достаточная для нужд дешевых автомобилей. С конца девяностых она стала исчезать с рынка, заменившись многоточечными форсунками, которые в настоящее время являются самой популярной системой питания в автомобильных двигателях. В 1996 году непосредственный впрыск топлива в стандартной комплектации дебютировал на Mitsubishi Carisma. Новая технология нуждалась в серьезной доработке и поначалу нашла мало последователей.

Однако перед лицом все более строгих стандартов выхлопных газов, которые с самого начала оказали сильнейшее влияние на прогресс в области автомобильных топливных систем, конструкторам в конце концов пришлось перейти к непосредственному впрыску бензина. В последних решениях, пока немногочисленных, сочетают два типа впрыска бензина – непрямой многоточечный и непосредственный.    

Непрямой одноточечный впрыск

В системах с одноточечным впрыском двигатель питается от одной форсунки. Он установлен на входе впускного коллектора. Топливо подается под давлением около 1 бар. Распыленное топливо смешивается с воздухом перед впускными отверстиями каналов, ведущих к отдельным цилиндрам.

Топливно-воздушная смесь засасывается в каналы без точного дозирования смеси по каждому цилиндру. Из-за различий в длине каналов и качестве их отделки подача питания на цилиндры неравномерна. Но есть и преимущества. Поскольку путь смеси топлива с воздухом от форсунки до камеры сгорания длинный, топливо может хорошо испаряться при правильном прогреве двигателя. В холодное время топливо не испаряется, щетинки конденсируются на стенках коллектора и частично в виде капель уходят в камеру сгорания. В таком виде он не может полностью сгореть на рабочем такте, что приводит к низкому КПД двигателя в фазе прогрева.

Следствием этого является повышенный расход топлива и высокая токсичность выхлопных газов. Одноточечный впрыск прост и дешев, не требует большого количества деталей, сложных форсунок и передовых систем управления. Низкие производственные затраты приводят к более низкой цене автомобиля, а ремонт с одноточечным впрыском прост. Этот тип впрыска не используется в современных двигателях легковых автомобилей. Его можно найти только в моделях с отсталой конструкцией, хотя и производимых за пределами Европы. Одним из примеров является иранский Саманд.

льготы

– Простой дизайн

– Низкие затраты на производство и обслуживание

– Низкая токсичность выхлопных газов при горячем двигателе

дефекты

– Низкая точность дозирования топлива

– Относительно высокий расход топлива

– Высокая токсичность выхлопных газов в фазе прогрева двигателя

– Низкие возможности с точки зрения динамики двигателя

Непрямой многоточечный впрыск

Расширением одноточечного непрямого впрыска является многоточечный непрямой впрыск с инжектором в каждом впускном канале. Топливо подается после дроссельной заслонки, непосредственно перед впускным клапаном.Форсунки установлены ближе к цилиндрам, но путь топливно-воздушной смеси все же достаточно длинный, чтобы топливо испарялось на горячем двигателе. С другой стороны, фаза нагрева имеет меньшую склонность к конденсации на стенках впускного канала, поскольку расстояние между форсункой и цилиндром короче. В многоточечных системах топливо подается под давлением от 2 до 4 бар.

Отдельный инжектор для каждого цилиндра дает конструкторам совершенно новые возможности в плане повышения динамики двигателя, снижения расхода топлива и снижения токсичности выхлопных газов. Изначально не использовались передовые системы управления, и все форсунки дозировали топливо одновременно. Это решение не было оптимальным, так как момент впрыска возникал не в каждом цилиндре в самый выгодный момент (при попадании в закрытый впускной клапан). Только развитие электроники позволило построить более совершенные системы управления, благодаря которым впрыск стал работать точнее.

Первоначально форсунки открывались попарно, затем была разработана система последовательного впрыска топлива, при которой каждая форсунка открывается отдельно, в оптимальный для данного цилиндра момент. Это решение позволяет точно подобрать дозу топлива для каждого рабочего хода. Последовательная многоточечная система намного сложнее одноточечной, дороже в производстве и дороже в обслуживании. Однако он позволяет значительно повысить КПД двигателя при меньшем расходе топлива и меньшей токсичности выхлопных газов.

льготы

– Высокая точность дозирования топлива

– Низкий расход топлива

– Много возможностей с точки зрения динамики двигателя

– Низкая токсичность выхлопных газов

дефекты

– значительное усложнение конструкции

– Относительно высокие затраты на производство и обслуживание

Непосредственный впрыск

В этом решении форсунка установлена ​​в цилиндре и впрыскивает топливо непосредственно в камеру сгорания. С одной стороны, это очень выгодно, так как позволяет очень быстро заменить топливно-воздушный заряд над поршнем. Кроме того, относительно холодное топливо хорошо охлаждает днище поршня и стенки цилиндра, поэтому можно увеличить степень сжатия и получить более высокий КПД двигателя, не опасаясь неблагоприятной детонации при сгорании.

Двигатели с непосредственным впрыском топлива предназначены для сжигания очень бедных топливно-воздушных смесей при низких нагрузках двигателя, что позволяет достичь чрезвычайно низкого расхода топлива. Однако выяснилось, что это вызывает проблемы с избытком оксидов азота в выхлопных газах, для устранения которых необходимо устанавливать соответствующие системы очистки. Конструкторы борются с оксидами азота двумя способами: добавляя наддув и уменьшая габариты, либо устанавливая сложную систему двухфазных форсунок. Практика также показывает, что при непосредственном впрыске топлива неблагоприятное явление отложений нагара во впускных каналах у цилиндров и на штоках впускных клапанов (снижение динамики двигателя, увеличение расхода топлива).

Это связано с тем, что и впускные каналы, и впускные клапаны не промываются топливно-воздушной смесью, как при непрямом впрыске. Поэтому они не смываются мелкими частицами масла, поступающими в систему всасывания из системы вентиляции картера. Масляные примеси затвердевают под воздействием температуры, создавая все более толстый слой нежелательного осадка.

льготы

– Очень высокая точность дозирования топлива

– Возможность сжигания бедных смесей

– Очень хорошая динамика двигателя при низком расходе топлива

дефекты

– Очень большое усложнение конструкции

– Очень высокие затраты на производство и обслуживание

– Проблемы с избытком оксидов азота в выхлопных газах

– Отложение нагара во впускной системе

Двухрежимный впрыск – прямой и непрямой

Смешанная конструкция системы впрыска использует преимущества как непрямого, так и прямого впрыска. Непосредственный впрыск работает, когда двигатель холодный. Топливно-воздушная смесь идет прямо над поршнем, и конденсация исключена. Когда двигатель прогрет и работает при небольшой нагрузке (езда с постоянной скоростью, плавное ускорение), непосредственный впрыск перестает работать, и его роль берет на себя многоточечный непрямой впрыск. Топливо испаряется лучше, очень дорогие форсунки системы непосредственного впрыска не работают и не изнашиваются, впускные клапана омываются топливно-воздушной смесью, поэтому на них не образуются отложения. При высоких нагрузках на двигатель (сильные ускорения, быстрая езда) снова включается непосредственный впрыск, обеспечивающий очень быстрое наполнение цилиндров.

льготы

– Очень точная дозировка топлива

– Оптимальная подача двигателя в любых условиях

– Очень хорошая динамика двигателя при низком расходе топлива

– Отсутствие отложений нагара во впускной системе

дефекты

– Огромная сложность конструкции

– Чрезвычайно высокая стоимость производства и обслуживания