Система безпосереднього упорскування палива в бензинових двигунах: принцип роботи

Система безпосереднього впорскування палива в бензинових двигунах на сьогоднішній день є найбільш досконалим і сучасним рішенням. Головною особливістю безпосереднього упорскування можна вважати те, що пальне подається в циліндри безпосередньо.

З цієї причини цю систему також часто називають прямим упорскуванням палива. У цій статті ми розглянемо, як працює двигун із безпосереднім упорскуванням палива, а також які переваги та недоліки має така схема.

Пряме впорскування палива: конструкція системи безпосереднього впорскування

Як було зазначено вище, пальне у подібних системах живлення подається безпосередньо у камеру згоряння двигуна. Це означає, що форсунки розпорошують бензин не у впускному колекторі, після чого паливно-повітряна суміш надходить через впускний клапан в циліндр, а впорскують паливо безпосередньо в камеру згоряння.

Першими бензиновими двигунами з безпосереднім уприскуванням стали мотори GDI на моделях японської компанії Mitsubishi. Надалі схема набула широкого поширення, внаслідок чого сьогодні ДВЗ із такою системою подачі палива можна зустріти в лінійці багатьох відомих автовиробників.

Наприклад, концерн VAG представив ряд моделей Audi та Volkswagen з атмосферними та турбованими бензиновими двигунами TFSI, FSI та TSI, які отримали безпосереднє упорскування палива. Також двигуни з прямим упорскуванням виробляє компанія BMW, Ford, GM, Mercedes та багато інших.

Такого широкого поширення безпосереднє упорскування палива набуло завдяки високій економічності системи (близько 10-15% порівняно з розподіленим упорскуванням), а також більш повноцінному згорянню робочої суміші в циліндрах і зниженню рівня токсичності відпрацьованих газів.

Система безпосереднього упорскування: конструктивні особливості

Отже, давайте як приклад візьмемо двигун FSI з його так званим «пошаровим» уприскуванням. Система включає такі елементи:

• контур високого тиску;
• бензиновий паливний насос високого тиску (ПНВТ);
• регулятор тиску;
• паливну рампу;
• датчик високого тиску;
• інжекторні форсунки.

Почнемо із паливного насоса. Зазначений насос створює високий тиск, під яким паливо подається до паливної рампи, а також на форсунки. Насос має плунжери (плунжерів може бути як кілька, так і один у насосах роторного типу) і приводиться в дію від розподільного валу впускних клапанів.

РТП (регулятор тиску палива) інтегрований в насос і відповідає за дозовану подачу палива, що відповідає упорскування форсунки. Паливна рейка (паливна рампа) потрібна для того, щоб розподілити пальне на форсунки. Також наявність даного елемента дозволяє уникнути стрибків тиску (пульсації) пального у контурі.

До речі, у схемі використовується спеціальний клапан-запобіжник, який стоїть у рейці. Зазначений клапан потрібен для того, щоб уникнути надто високого тиску палива і тим самим захистити окремі елементи системи. Зростання тиску може виникати через те, що пальне має властивість розширюватися при нагріванні.

Датчик високого тиску є пристроєм, що вимірює тиск у паливній рейці. Сигнали від датчика передаються на ЕБУ (електронний блок керування двигуном), який, у свою чергу, здатний змінювати тиск у паливній рейці.

Що стосується інжекторної форсунки елемент забезпечує своєчасну подачу і розпил палива в камері згоряння, щоб створити необхідну паливно-повітряну суміш. Зазначимо, що описані процеси протікають під керуванням ЕСУД (електронна система керування двигуном). Система має групу різних датчиків, електронний блок керування, а також виконавчі пристрої.

Якщо ж говорити про систему прямого упорскування, разом із датчиком високого тиску палива для її роботи задіяні: датчик колінчастого валу, ДПРВ, датчик положення дросельної заслінки, повітрозтратомір, датчик температури повітря у впускному колекторі, датчик температури охолоджуючої рідини (ОР) і т.д.

Завдяки роботі цих датчиків на ЕБУ надходить потрібна інформація, після чого блок надсилає сигнали на виконавчі пристрої. Це дозволяє досягти злагодженої та точної роботи електромагнітних клапанів, форсунок, запобіжного клапана та ряду інших елементів.

Як працює система безпосереднього упорскування палива

Головним плюсом безпосереднього впорскування є можливість досягти різних типів сумішоутворення. Іншими словами, така система живлення здатна гнучко змінювати склад робочої паливно-повітряної суміші з урахуванням режиму роботи двигуна, його температури, навантаження на ДВЗ і т.д.

Слід виділити пошарове сумішоутворення, стехіометричне, а також гомогенне. Саме таке сумішоутворення дозволяє зрештою максимально ефективно витрачати паливо. Суміш завжди виходить якісною незалежно від режиму роботи ДВЗ, бензин згоряє повноцінно, двигун стає потужнішим, при цьому одночасно знижується токсичність вихлопу.

• Пошарове сумішоутворення задіюється тоді, коли навантаження на двигун низькі або середні, а оберти колінвала невеликі. Якщо просто, в таких режимах суміш дещо збіднюється з метою економії. Стехіометричне сумішоутворення передбачає приготування такої суміші, яка легко спалахує, при цьому не є занадто збагаченою.
• Гомогенне сумішоутворення дозволяє отримати так звану «потужну» суміш, яка потрібна при великих навантаженнях на двигун. На збідненій гомогенній суміші з метою додаткової економії силовий агрегат працює на перехідних режимах.
• Коли задіяно режим пошарового сумішоутворення, дросельна заслінка широко відкрита, при цьому впускні заслінки знаходяться в закритому стані. У камеру згоряння повітря подається із високою швидкістю, виникають завихрення повітряних потоків. Пальне впорскується ближче до кінця такту стиснення, упорскування відбувається в область розташування свічки запалювання.

За короткий час до того, як на свічці з'явиться іскра, утворюється паливно-повітряна суміш, де коефіцієнт надлишкового повітря становить 1.5-3. Далі суміш спалахує від іскри, при цьому навколо зони займання зберігається достатня кількість повітря. Вказане повітря виконує функцію температурного «ізолятора».

Якщо ж розглядати гомогенне стехіометричне сумішоутворення, такий процес відбувається тоді, коли впускні заслінки відкриті, при цьому дросельна заслінка також відкрита на той чи інший кут (залежить від ступеня натискання на педаль акселератора).

В цьому випадку пальне впорскується ще на такті впуску, внаслідок чого вдається одержати однорідну суміш. Надлишок повітря має коефіцієнт, близький до одиниці. Така суміш легко спалахує і повноцінно згоряє по всьому об'єму камери згоряння.

Збіднена гомогенна суміш створюється тоді, коли дросельна заслінка повністю відкрита, а впускні заслінки закриті. У цьому випадку повітря активно рухається в циліндрі, а впорскування пального приходиться на такт впуску. ЕСУД підтримує надлишок повітря на позначці 1.5.

Додатково до чистого повітря можуть бути додані гази, що відпрацювали. Це відбувається завдяки роботі системи рециркуляції відпрацьованих газів EGR. В результаті вихлоп повторно «догоряє» у циліндрах без шкоди для двигуна. При цьому знижується рівень викиду шкідливих речовин, у атмосферу.

Що в результаті

Як видно, пряме упорскування дозволяє домогтися не тільки економії палива, але і хорошої віддачі від двигуна як в режимах низьких і середніх, так і високих навантажень. Іншими словами, наявність безпосереднього впорскування означає, що оптимальний склад суміші буде підтримуватись на всіх режимах роботи ДВЗ.

Що стосується недоліків, до мінусів прямого впорскування можна віднести хіба що підвищену складність під час ремонту та ціну запчастин, а також високу чутливість системи до якості пального та стану фільтрів палива та повітря.