СИСТЕМИ уприскування палива ДЛЯ БЕНЗИНОВИХ ДВИГУНІВ
Починаємо публікацію статей по сучасних систем уприскування палива для бензинових двигунів внутрішнього згоряння легкових автомобілів.
1. Попередні зауваження
Паливне харчування бензинових двигунів на сучасних легкових автомобілях реалізується із застосуванням систем уприскування. Ці системи за принципом дії прийнято поділяти на п'ять основних груп (рис. 1): K, Mono, L, M, D.
2. Переваги систем уприскування
Паливноповітряна суміш (ТВ-суміш) подається від карбюратора до циліндрів двигуна внутрішнього згоряння (ДВЗ) по довгих трубах впускного колектора. Довжина цих труб до різних циліндрах двигуна неоднакова, а в самому колекторі має місце нерівномірність нагріву стінок, навіть на повністю прогрітому двигуні (рис. 2).
Це призводить до того, що з однорідної ТВ-суміші, створеної в карбюраторі, в різних циліндрах ДВС утворюються неоднакові паливо-повітряної заряди. Як наслідок, двигун не віддає розрахункову потужність, втрачається рівномірність крутного моменту, витрата палива і кількість шкідливих речовин у вихлопних газах збільшуються.
Боротися з цим явищем в карбюраторних двигунах дуже складно. Слід також зазначити, що сучасний карбюратор працює на принципі пульверизації, при якій розпорошення бензину відбувається в струмені всмоктується в циліндри повітря. При цьому утворюються досить великі краплі палива (рис. 3, а),
що не забезпечує якісного перемішування бензину і повітря. Погане перемішування і великі краплі полегшують осідання бензину на стінках впускного колектора і на стінках циліндрів під час всмоктування ТВ-суміші. Але при примусовому розпиленні бензину під тиском через калібрований сопло форсунки частки палива можуть мати значно менші розміри в порівнянні з розпиленням бензину при пульверизації (рис. 3, б). Особливо ефективно бензин розпорошується вузьким пучком під високим тиском (рис. 3, в).
Встановлено, що під час розпилювання бензину на частинки діаметром менше 15. 20 мкм його перемішування з киснем повітря відбувається не як зважування частинок, а на молекулярному рівні. Це робить ТВ- суміш більш стійкою до впливу перепадів температури і тиску в циліндрі і довгих трубах впускного колектора, що сприяє більш повному її згорянню.
Так народилася ідея замінити пульверизації жиклери механічного інерційного карбюратора на центральну безінерційну форсунку упорскування (ЦФВ), що відкривається на заданий час по електроімпульсної сигналу управління від блоку електронної автоматики. При цьому, крім якісного розпилення і ефективного перемішування бензину з повітрям, легко отримувати більш високу точність їх дозування в ТВ-суміші на всіх можливих режимах роботи ДВС.
Таким чином, за рахунок застосування системи паливного харчування з уприскуванням бензину двигуни сучасних легкових автомобілів не мають вищевказаних недоліків, властивих карбюраторних двигунів, тобто вони більш економічні, мають більш високою питомою потужністю, підтримують сталість крутного моменту в широкому інтервалі частот обертання, а викид шкідливих речовин в атмосферу з відпрацьованими газами мінімальний.
3. Система вприскування бензину "Mono-Jetronic"
Вперше система центрального одноточечного імпульсного вприскування палива для бензинових двигунів легкових автомобілів була розроблена фірмою BOSCH в 1975 році. Ця система отримала назву "Mono-Jetronic" (Monojet - одиночна струмінь) і була встановлена на автомобілі "Volkswagen".
На рис. 4 показаний центральний впорскує вузол системи "Mono-Jetronic". З малюнка видно, що центральна форсунка упорскування (ЦФВ) встановлюється на стандартному впускному колекторі замість звичайного карбюратора.
Але на відміну від карбюратора, в якому автоматика сумішоутворення реалізується механічним керуванням, в моносистемами уприскування застосовується чисто електронне управління.
На рис. 5 показана спрощена функціональна схема системи "Mono-Jetronic".
Електронний блок управління (ЕБУ) працює від вхідних датчиків 1-7, які фіксують поточний стан і режим роботи двигуна. За сукупністю сигналів від цих датчиків і з використанням інформації з тривимірною характеристики вприскування в ЕБУ обчислюються початок і тривалість відкритого стану центральної форсунки 15.
На підставі розрахункових даних в ЕБУ формується електроімпульсної сигнал S управління для ЦФВ. Цей сигнал впливає на обмотку 8 магнітного соленоїда форсунки, запірний клапан 11 якої відкривається, і через розпилювальне сопло 12 бензин примусово під тиском 1,1 бар в топливоподающей магістралі 19 розпорошується у впускний колектор через відкриту дросельну заслінку 14.
При заданих розмірах діафрагми дросельної заслінки і каліброваного перетину розпилювального сопла масове кількість пропущеного в циліндри повітря визначається ступенем відкриття дросельної заслінки, а масове кількість уприснуло в повітряний потік бензину - тривалістю відкритого стану форсунки і підпірною (робочим) тиском в топливоподающей магістралі 19.
• Для того щоб бензин згорав повністю і найбільш ефективно, маси бензину і повітря в ТВ-суміші повинні знаходитися в строго певному співвідношенні, рівному 1 / 14,7 (для високооктанових сортів бензину). Таке співвідношення називається стехиометрическим, і йому відповідає коефіцієнт а надлишку повітря, що дорівнює одиниці. Коефіцієнт а = Мд / М0, де М0 - кількість маси повітря, теоретично необхідної для повного згоряння даної порції бензину, а МД маса фактично вигорілого повітря.
Звідси ясно, що в будь-якій системі уприскування палива обов'язково повинен бути вимірник маси повітря, впущених в циліндри двигуна при всмоктуванні.
• У системі "Mono-Jetronic" маса повітря розраховується в ЕБУ за показаннями двох датчиків (див. Рис. 4): температури всмоктуваного повітря (ДТВ) і положення дросельної заслінки (ДПД). Пер вий розташований безпосередньо на шляху повітряного потоку у верхній частині центральної форсунки уприскування і являє собою мініатюрний напівпровідниковий термистор, а другий є резистивним потенціометром, движок якого насаджений на поворотну вісь (ПДЗ) дросельної заслінки.
Так як конкретному кутовому положенню дросельної заслінки відповідає строго певне об'ємне кількість пропущеного повітря, то дросельний потенціометр виконує функцію витратоміра повітря. В системі "Mono-Jetronic" він є також датчиком навантаження двигуна.
Але маса всмоктуваного повітря в значній мірі залежить від температури. Холодне повітря більш щільний, а значить більш важкий. У міру підвищення температури щільність повітря і його маса зменшуються. Вплив температури враховується датчиком ДТВ.
Датчик ДТВ температури всмоктуваного повітря, як полупровод ників термистор з негативним температурним коефіцієнтом опору, змінює величину резистивности від 10 до 2,5 кОм при зміні температури від -30 до + 20 ° С. Сигнал датчика ДТВ використовується тільки в такому температурному діапазоні. При цьому базова тривалість уприскування бензину коригується за допомогою ЕБУ в інтервалі 20. 0%. Якщо температура всмоктуваного повітря вище + 20 ° С, то сигнал датчика ДТВ блокується в ЕБУ і датчик не використовується.
Сигнали від датчиків положення дросельної заслінки (ДПД) та температури всмоктуваного повітря (ДТВ) у випадках їх відмов дублюються в ЕБУ сигналами датчиків частоти обертання (ДОД) і температури охолоджуючої рідини (ДТД) двигуна.
• За розрахованим в ЕБУ обсягом повітря, а також за сигналом про частоту обертання двигуна, який надходить від датчика числа оборотів системи запалювання, визначається необхідна (базова) тривалість відкритого стану центральної форсунки уприскування.
Так як підпірна тиск Рт в топливоподающей магістралі (ПБМ) постійно (для "Mono-Jetronic" Рт = 1. 1,1 бар), а пропускна здатність форсунки задана сумарним перетином отворів розпилювального сопла, то час відкритого стану форсунки однозначно визначає кількість уприснуло бензину . Момент уприскування (на рис. 5 сигнал від датчика ДМВ) зазвичай задається одночасно з сигналом на займання ТВ-суміші від системи запалювання (через 180 ° повороту коленвала ДВС).
Таким чином, при електронному управлінні процесом сумішоутворення забезпечення високої точності дозування бензину, що впорскується в виміряний кількість маси повітря є легко розв'язуваної завданням і, в кінцевому рахунку, точність дозування визначається не електронною автоматикою, а точністю виготовлення і функцио нальної надійністю вхідних датчиків і форсунки уприскування.
• На рис. 6 показана головна деталь системи "Mono-Jetronic" - центральна форсунка упорскування (ЦФВ).
Центральна форсунка упорскування є бензоклапана, який відкривається електричним імпульсом, що надходять від електронного блоку управління. Для цього в форсунки є електромагнітний соленоїд 8 з рухомим магнітним керном 14. Основною проблемою при створенні клапанів для імпульсного вприскування є необхідність забезпечення високої швидкості спрацьовування запірного пристрою 9 клапана як на відкривання, так і на закриття. Рішення проблеми досягається полегшенням магнітного керна соленоїда, збільшенням струму в імпульсному сигналі управління, підбором пружності поворотної пружини 13, а також формою притертих поверхонь для розпилювального сопла 10.
Сопло форсунки (рис. 6, а) виконано у вигляді розтруба капілярних канальців, число яких зазвичай не менше шести. Кутом при вершині розтруба задається розкривши струменя уприскування, яка має форму воронки. При такій формі струмінь бензину не потрапляє на дросельну заслінку навіть при малому її відкритті, а пролітає в два тонких півмісяця відкрилася щілини.
Центральна форсунка системи "Mono-Jetronic" надійно забезпечує мінімальну тривалість відкритого стану розпилювач ного сопла 11 протягом 1 ± 0,1 мс. За такий час і при робочому тиску в 1 бар через розпилювальне сопло площею в 0,08 мм 2 впорскується близько одного міліграма бензину. Цьому відповідає витрата палива 4 л / год на мінімальних холостих обертах (600 об / хв) прогрітого двигуна. При пуску й прогрівання холодного двигуна форсунка відкривається на більш тривалий час (до 5. 7 мс). Але з іншого боку максимальна тривалість уприскування на прогрітому двигуні (час відкритого стану форсунки) обмежується граничною частотою обертання коленвала ДВС (6500. 7000 хв-1) в режимі повного дроселя і не може бути більше 4 мс. При цьому тактова частота спрацьовування запірного пристрою форсунки на холостому ходу не менше 20 Гц, а при повному навантаженні - не більше 200. 230 Гц.
• З особливою ретельністю виготовляється датчик ДПД положення дросельної заслінки (дросельний потенціометр), показаний на рис. 7. Його чутливість до повороту движка має відповідати вимозі ± 0,5 кутових градусів повороту осі 13 дроселя. За суворим кутовому положенню осі дроселя визначаються початку двох режимів роботи двигуна: режиму холостого ходу (3 ± 0,5 °) і режиму повного навантаження (72,5 ± 0,5 °).
Для забезпечення високої точності і надійності резистивні доріжки потенціометра, яких чотири, включені за схемою, показаної на рис. 7, б, а вісь движка потенціометра (движок двоконтактний) посаджена в безлюфтовий тефлоновий підшипник ковзання.
Потенціометр і ЕБУ з'єднані між собою чотирьох провідних кабелем через контактний роз'єм. Для підвищення надійності з'єднань контакти в роз'ємі і в фішці потенціометра позолочені. Контакти 1 і 5 призначені для подачі опорного напруги 5 ± 0,01 В. Контакти 1 і 2 - для зняття сигнального напруги при повороті дросельної заслінки на кут від 0 до 24 ° (0. 30 - режим холостого ходу; 3. 24 ° - режим малих навантажень двигуна). Контакти 1 і 4 - для зняття сигнального напруги при повороті дросельної заслінки на кут від 18 до 90 ° (18. 72,5 ° - режим середніх навантажень, 72,5. 90 ° - режим повного навантаження двигуна).
Сигнальне напруга з дросельного потенціометра додатково використовується:
для збагачення ТВ-суміші при розгоні автомобіля (реєструється швидкість зміни сигналу від потенціометра);
для збагачення ТВ-суміші в режимі повного навантаження (реєструється значення сигналу з потенціометра після 72,5 ° повороту дросельної заслінки в бік збільшення);
для припинення впорскування палива в режимі примусового холостого ходу (реєструється сигнал потенціометра, якщо кут відкритого стану дросельної заслінки менше 3 °. Одночасно контролюється частота W обертання двигуна: якщо W> 2100 хв-1, то подача палива припиняється і відновлюється знову при W 1) , то концентрація кисню у вихлопних газах трохи вище штатної (при а = 1). Датчик КД видає низька напруга (близько 0,1 В) і ЕБУ по цьому сигналу коригує час тривалості упорскування бензину в бік його збільшення. Коефіцієнт а знову наближається до одиниці. При роботі двигуна на багатій суміші кисневий датчик видає напругу близько 0,9 В і працює в зворотному порядку.
Цікаво відзначити, що кисневий датчик бере участь в процесі сумішоутворення тільки на режимах роботи двигуна, при яких збагачення ТВ-суміші обмежена значенням а> 0,9. Це такі режими як навантаження на низьких і середніх оборотах і холостий хід на прогрітому двигуні. В іншому випадку датчик КД відключається (блокується) в ЕБУ і корекція складу ТВ-суміші по концентрації кисню у відпрацьованих газах не провадиться. Це має місце, наприклад, в режимах пуску і прогріву холодного двигуна і на його форсованих режимах (розгону і повного навантаження). У цих режимах потрібно значне збагачення ТВ-суміші і тому спрацьовування кисневого датчика ( "притискає" коефіцієнт а до одиниці) тут неприпустимо.
• На рис. 10 приведена функціональна схема системи упорскування "Mono-Jetronic" з усіма складовими її компонентами.
Будь-яка система уприскування в своїй топливоподающей підсистемі обов'язково містить замкнутий топ зливи кільце, яке починається від бензобака і закінчується там же. Сюди входять: бензобак ББ, електробензонасос ЕБН, фільтр тонкого очищення палива ФТОТ, розподільник палива РТ (в системі "Mono-Jetronic" - це центральна форсунка упорскування) і регулятор тиску РД, що працює за принципом стравлювати клапана при перевищенні заданого робочого тиску в замкнутому кільці (для системи "Mono-Jetronic" 1. 1,1 бар).
Замкнутий паливне кільце виконує три функції:
• за допомогою регулятора тиску підтримує необхідну постійне робоче тиск для розподільника палива;
• за допомогою подпружиненной діафрагми в регуляторі тиску зберігає деяке залишкове тиск (0,5 бар) після вимкнення двигуна, завдяки чому не допускається утворення парових і повітряних пробок в паливних магістралях при охолодженні двигуна;