Электронные системы впрыскивания топлива

Применение и принцип работы систем впрыска топлива«Преде­лом обеднения смеси является неравномерность распределения ее по цилиндрам. В двигателях с карбюраторным питанием неравно­мерность состава смеси может достигать 10... 15 %. Этот недоста­ток может быть устранен применением систем впрыска топлива. В этом случае улучшаются равномерность распределения топлива по цилиндрам, газодинамические характеристики впускного трак­та, обеспечивается более высокий коэффициент наполнения ци­линдров свежим зарядом, появляется возможность применения топлива с более низким октановым числом и т.д. При примене­нии систем впрыска топлива мощность двигателя повышается в среднем на 10... 12 %, улучшается топливная экономичность, сни­жается токсичность отработавших газов.

Система электронного впрыска топлива включает в себя топлив­ный насос с электроприводом и регулятор давления, поддерживаю­щий постоянное рабочее давление в системе до 0,17...0,20 МПа.

а — принципиальная схема; б — схема расположения электромагнитной фор* сунки на впускном газопроводе; 1 — корпус; 2 — игольчатый клапан; 3 — мем­брана; 4 — соленоид; 5 — распределительное устройство; 6 — отверстие; 7 — топливная магистраль; 8— факел топлива; 9— сливной канал; 10— клапан; // — электромагнитная форсунка; 12 — распиливающий конус; 13 — газопровод

 

Впрыск топлива во впускные каналы цилиндров осуществляется * электромагнитными форсунками, время открытия которых зависит < от давления во впускной системе двигателя и частоты вращения коленчатого вала.

Принципиальная схема электромагнитной форсунки для впрыс­ка топлива показана на рис. 6.10, а. В корпусе 7 форсунки располо­жены игольчатый клапан 2, нагруженный усилием мембраны З_ч и соленоид 4.

Когда игла прижата к седлу распылителя, поступающее из топ­ливной магистрали 7 топливо проходит через корпус форсунки на слив. В соответствии с электрическим сигналом от распредели­тельного устройства 5 соленоид 4 освобождает мембрану З_ч в этом случае сливной канал 9 закрывается, а игла 2 под давлением топ­лива поднимается.

На выходе из сопла форсунки факел топлива 8 получаст вра­щательное движение и впрыскивается в вше широкого конуса. Часть топлива, просочившаяся между иглой и корпусом, удаляет­ся через отверстие 6 в сливную магистраль. Максимальный подъем иглы составляет 0,15... 0,17 мм, а продолжительность подъема иглы колеблется в пределах 1,5...6,5 мс.

Расположение электромагнитной форсунки 77 показано на рис. б. 10, б. Она закрепляется на впускном газопроводе 13, а ее

распиливающий конус 12 при впрыскивании топлива направ­лен в зону проходного отверстия впускного клапана 10.

Особенностью электронной топливовпрыскивающей систе­мы является то, что она функ­ционирует во взаимосвязи с электронным блоком управле­ния, а в качестве главного уп­равляющего параметра для ре­гулирования подачи топлива используется величина расхода воздуха, поступающего в цилин­дры двигателя. Количество топ­лива, впрыскиваемого в надкла- панные пространства, зависит от массовой скорости воздушного потока и его объема во впуск­ном тракте.

На снятой с двигателя легкового автомобиля характеристике (рис. 6.11) показаны усредненные показатели, характеризующие эффективный удельный расход топлива g_e и среднее эффективное давление р_?. Испытания проведены соответственно при встроен­ной системе впрыска топлива (сплошные линии) и при работе двигателя с классической (карбюраторной) системой питания (пунктирные линии). Количественная оценка этих кривых во всем диапазоне частот вращения коленчатого вала показывает ре&чь- ное преимущество системы впрыска топлива, как по экономи­ческим, так и по динамическим показателям.

Наряду с этим основным препятствием более широкого рас­пространения систем впрыска топлива является их более высокая стоимость по сравнению с карбюраторами, а также то, что систе­мы впрыскивания топлива сложнее систем топливоподачи с ис­пользованием карбюраторов из-за большого числа подвижных пре­цизионных механических элементов и электронных устройств и требуют более квалифицированного обслуживания в эксплуата­ции.

Современные системы впрыскивания топлива. По мере развития систем впрыскивания топлива на автомобили устанавливались механические, электронные, аналоговые и цифровые системы. К настоящему времени структурные схемы систем впрыскивания топлива стабилизировались и в основном классифицируются на два вида: распределенное и центральное впрыскивание топлива.

0 2000 3000 4000 5000 п. об/мин Рис. 6.11. Характеристика двигателя с системой впрыска топлива и карбюратором:

& — эффективный удельный расход топ­лива; ре — среднее эффективное давле­ние; п ~ частота вращения коленчато­го валя

При распределенном впрыскивании топливо подается в зону впускных клапанов каждого цилиндра отдельной форсункой в определенный момент времени, согласованный с открытием со-
ответсгвующих впускных клапанов цилиндров (согласованное впрыскивание), или группами форсунок без согласования момента впрыскивания с процессами впуска в каждый цилиндр (несогла­сованное впрыскивание).

Систсмы распределенного впрыскивания топлива позволяют повысить безотказность пуска, ускорить прогрев и увеличить мош- ностныс показатели двигателя, а также дают возможность приме­нения газодинамического наддува, расширяют возможности со­здания различных конструкций впускного газопровода.

При централъном впрыскивании топливо подается одной фор­сункой, устанавливаемой на участке до разветвления впускного газопровода. В этом случае конструкция двигателя не имеет суще­ственных изменений. Система центрального впрыскивания прак­тически взаимозаменяема с карбюратором и может применяться на уже эксплуатируемых двигателях. При центральном впрыски­вании по сравнению с карбюратором обеспечивается большая точность и стабильность дозирования топлива.

Система распределенного впрыскивания топлива. На рис. 6.12 представлена система распределенного впрыскивания топлива £-/е/гал/с. Электрический топливный насос 1 подает топливо из бака 3 через фильтр 2 в топливный коллектор 4, в котором с помощью стабилизатора 5 поддерживается постоянный перепад давлений на входе и выходе топлива из форсунок 13. Стабилиза­тор перепада давлений поддерживает постоянное давление впрыс­кивания и обеспечивает возврат избыточного топлива обратно в бак. Этим обеспечивается циркуляция топлив в системе и исклю­чается образование паровых пробок. Из коллектора топливо по­ступает к рабочим форсункам, которые подают его в зону проход­ных отверстий впускных клапанов. Количество впрыскиваемого топлива задается электронным блоком управления 6 (ЭБУ) в за­висимости от температуры, давления и объема поступающего воздуха, частоты вращения коленчатого вала и нагрузки двигате­ля. В процессе работы системы впрыскивания ЭБУ взаимодейству­ет также с датчиком-распределителем /7 системы зажигания.

Объем поступающего воздуха является основным параметром, определяющим дозирование топлива. Воздух поступает в цилинд­ры через измеритель 8 расхода воздуха и впускной газопровод. Воз- < душный поток, поступающий в двигатель, отклоняет напорно- измсрительную заслонку 7измсрителя расхода воздуха на опреде­ленный угол. При этом с помощью потенциометра электрический сигнал, пропорциональный углу поворота заслоню«, подается в блок управления, который определяет необходимое количество топлива и выдает импульсы управления моментом подачи топлива. Электронная схема управления впрыскивания топлива получает питание от аккумуляторной батареи 19 и начинает работать при включении зажигания и системы впрыскивания выключателем 20.⁴

 

 

Рис. 6.12. Электронная система впрыскивания топлива І-Уе/лсм/с: / — топливный насос; 2 — фильтр; 3 — топливный бак; 4 — топливный коллек­тор; 5 — стабилизатор перепада давлений; 6 — электронный блок управления; 7 — напорно-иэмерительная заслонка; 8 — измеритель расхода воздуха; 9 — дроссельная заслонка; 10 — датчик положения дроссельной заслонки; // — регу­лировочный винт системы холостого хода; 12 — пусковая форсунка; 13 — фор­сунка с электронным управлением; 14 — датчик кислорода; /5, 16 — регистри­рующие датчики; 17 — датчик-распределитель; 18 — регулятор расхода воздуха на холостом ходу; 19 — аккумуляторная батарея; 20 — выключатель зажигания и системы впрыскивания

 

Независимо от положения впускных клапанов, форсунки впрыс­кивают топливо за один или два оборота коленчатого вала двига­теля. Если впускной клапан в момент впрыскивания топлива фор­сункой закрыт, то топливо накапливается в пространстве перед клапаном и поступает в цилиндр при следующем его открытии одновременно с воздухом.

Регулирование количества поступающего к цилиндрам двига­теля воздуха производится дроссельной заслонкой 9, управляе­мой из салона педалью. В системе предусмотрен регулятор рас­хода воздуха на холостом ходу, расположенный около дроссель­ной заслонки. Он обеспечивает дополнительную подачу воздуха при пуске и прогреве двигателя. По мере прогрева двигателя, на­чиная с температуры охлаждающей жидкости 50...70*С, регуля­тор прекращает подачу дополнительного воздуха. После этого при закрытой дроссельной заслонке воздух поступает только через верх­ний байпасный (обводной) канал, сечение которого можно из­менять регулировочным винтом Д что обеспечивает возможность регулирования частоты вращения в режиме холостого хода.

Стабилизатор 5 перепада давлений поддерживает постоянное избыточное давление топлива относительно давления воздуха в впускном газопроводе. В этом случае цикловая подача топлива форсункой 13 зависит от времени, в течение которого открыт ее клапан. Следовательно, основной принцип электронного управ­ления впрыскиванием топлива заключается в изменении (моду­ляции) электрического импульса, управляющего форсункой при поддержании постоянного перепада давления топлива.

Длительность импульсов управления временем впрыскивания топлива форсункой корректируется в зависимости от температу­ры охлаждающей жидкости по информации от датчика 15. Вве­денный в систему датчик 14 кислорода обеспечивает поддержание необходимого состава горючей смеси.

На режимах полного открытия дроссельной заслонки и разгона автомобиля необходимо обогащение горючей смеси, что обеспе­чивается ЭБУ по информации отдатчика 10положения дроссель­ной заслонки. При открытии заслонки контактная система датчи­ка выдает импульсы» которые приводят к обогащению смеси в режиме разгона автомобиля.

В датчике Ю положения дроссельной заслонки предусмотрена контактная пара, от замкнутого или разомкнутого состояния кото­рой зависит отключение или включение топливоподачи в режиме принудительного холостого хода. Подача топлива прекращается при закрытой дроссельной заслонке, когда частота вращения ко­ленчатого вала двигателя более 1000 об/мин, и возобновляется при снижении частоты вращения до 8S0 об/мин.

С целью облегчения пуска холодного двигателя в системе преду­смотрена дополнительная пусковая форсунка 12, которая представ­ляет собой электромагнитный клапан с вихревым центробежным распылителем. Продолжительность открытия форсунки зависит от температуры охлаждающей жидкости в двигателе, фиксируемой датчиком 16.

Система центрального впрыскивания топлива. Типичным при­мером центрального впрыскивания топлива является электронная система Mono-Moironic (рис. 6.13). Ее устанавливают на двигателях небольшого рабочего объема автомобилей обычно малого класса, например ВАЗ-21214, -21044. Конструктивно она включает в себя следующие основные устройства: электронный блок управления 13 на базе микропроцессора, смесительную камеру 3 с дроссельной заслонкой и установленным на ней датчиком 8, фиксирующим ее положение, электромагнитную форсунку б, регулятор 7 давления

5

б 7

7 О 11

>12

Рис. 6.13. Электронная система центрального впрыскивания топлива

 

Мопо-Моиопк;

/ — катушки зажигания; 2 — распределитель электронного зажигания; 3 — сме­сительная камера; 4 — регулятор частоты вращения коленчатого вала в режиме холостого хода; 5 — диффузор с датчиком температуры; 6 — электромагнитная форсунка; 7 — регулятор давления топлива; 8 — датчик положения дроссельной заслонки; 9 — возвратный топливный клапан; 10 — топливный фильтр; 11 — емкость с активированным углем для сбора паров бензина (адсорбер); 12 — элек­трический топливный насос; 13 — электронный блок управления; 14 — разъем для диагностики; 15 — датчик частоты вращения коленчатого ваяа двигателя;

16 — датчик температуры охлаждающей жидкости; 17 — кислородный датчик

топлива, электрический топливный насос /2, топливный фильтр /0, датчик 16 температуры охлаждающей жидкости, регулятор 4 час­тоты вращения в режиме холостого хода.

Действие регулятора частоты вращения коленчатого вала двига­теля на холостом ходу основано на изменении положения дроссель­ной заслонки или перепуска воздуха в обход дроссельной заслон­ки. После обработки информации от датчика частоты вращения микропроцессор формирует управляющий сигнал, подаваемый на исполнительное устройство, в качестве которого в таких системах может быть использован шаговый микроэлектродвигатель, кото­рый воздействует на дроссельную заслонку или клапан обводного канала. Все системы центрального впрыскивания топлива имеют кислородный датчик 17 (Л-зонт), позволяющий поддерживать в оптимальных соотношениях количество воздуха к топливу, обес­печивая необходимый (стехиомстричсский) состав горючей сме­си на всех режимах работы двигателя.

Система центрального впрыскивания топлива отличается от рассмотренной выше системы впрыска (см. рис. 6.12) следующим: отсутствует распределенный (отдельно для каждого цилиндра) впрыск топлива; процесс топливоподачи происходит с помощью

центрального отсека (модуля), в котором установлена одна элек­тромагнитная форсунка 6 (см. рис. 6.13), обеспечивающая впрыс­кивание топлива; регулировка подачи топливовоздушной смеси дроссельной заслонкой, а также распределение ее по цилиндрам двигателя происходит по принципу работы карбюраторной си­стемы.

Наряду с этим в этой системе отсутствует датчик массового расхода воздуха, но в диффузоре 5 установлен датчик поступаю­щего воздуха, которого нет в системе распределенного впрыски­вания. Состав и функции действия остальных устройств централь­ной системы впрыскивания во многом подобны рассмотренной системе распределенного впрыска топлива.

Комплексные системы управления двигателем. Комплексная микропроцессорная система управления работой двигателя пред­назначена для выработки оптимального состава рабочей смеси, подачи топлива через форсунки в цилиндры двигателя, а также для своевременного его воспламенения с учетом оптимального угла опережения зажигания.

Примерная структурная схема комплексной системы управ-" ления двигателем показана на рис. 6.14. В соответствии с этой схемой блок управления работает в совокупности с датчиками и исполнительными устройствами. Основным элементом блока уп-

Топливо Датчики Воддух Рис. 6.14. Примерная структурная схема комплексной системы управления двигателем

 

равлсния является электронный микропроцессор, который про­изводит обработку всех необходимых данных, обеспечивающих работу двигателя, и предназначен для: формирования момента и длительности импульсов электрического тока при работе электро­магнитных форсунок; формирования импульса электрического тока для работы катушек зажигания с учетом необходимого угла опере­жения зажигания; управления работой регулятора добавочного воздуха; включения электрического бензонасоса (через реле); уп­равления работой двигателя в резервном режиме (в случае отказа отдельных элементов системы).

Примером внедрения комплексной системы является двига­тель ЗМЗ-4062, устанавливаемый на автомобиле ГАЗ-ЗИО и его модификациях. Кроме того на базе этого двигателя ведется разра­ботка дизельного двигателя с электронным управлением впрыска топлива для легковых автомобилей ГАЗ и грузовых — семейства «ГАЗель*.

Сущность работы комплексной системы управления двигате­лем ЗМЗ-4062 заключается в следующем. При включении зажига­ния на панели приборов загорается и гаснет контрольная лампа. Это означает, что система исправна и готова к работе. Блок управ­ления выдает команду на включение через реле электробензона­соса, который создает давление бензина в топливопроводе фор­сунок.

При вращении вала двигателя в процессе его пуска стартером по сигналам датчика положения коленчатого вала блок управле­ния выдает элеюрические импульсы для подачи топлива через форсунки и определяет, в какую из двух катушек зажигания необ­ходимо подавать электрические импульсы для пуска.

После пуска двигателя блок управления (см. рис. 6.14) перехо­дит на режим подачи топлива в форсунки в соответствии с поряд­ком работы цилиндров двигателя.

Для определения оптимального количества топлива и угла опе­режения зажигания блок управления использует информацию дат­чиков температуры охлаждающей жидкости и воздуха, расхода воздуха, положения дроссельной заслонки, детонации, частоты вращения коленчатого вала и данные, заложенные в его память. Для каждого конкретного режима работы двигателя блок управ­ления выдает свои данные по оптимальному количеству топлива и углу опережения зажигания в зависимости от показаний, полу­ченных от всех датчиков и оперативной памяти. Блок управления непрерывно корректирует выходные данные по изменяющимся сигналам датчиков.

Таким образом, управлением работой двигателя с помощью комплексной системы достигается более экономичная работа дви­гателя при повышении его мощностных показателей, а также вы­полнение норм по токсичности отработавших газов.