В автомобильных двигателях с принудительным воспламенением более эффективными являются системы питания с впрыском топлива во впускной трубопровод или непосредственно в цилиндр двигателя. В этом случае вследствие отсутствия карбюратора понижается сопротивление впускной системы, повышается равномерность распределения топлива по цилиндрам и уменьшается неоднородность топливовоздушной смеси, поступающей в цилиндры двигателя. Это позволяет повысить степень сжатия рабочей смеси, а следовательно, литровую мощность и экономичность двигателя. В двухтактных двигателях и двигателях с наддувом при такой организации подачи топлива снижаются потери смеси на продувку цилиндров.
Системы впрыска бензина конструктивно сложнее карбюраторных, требуют более квалифицированного обслуживании в эксплуатации. Эти системы широко применяются в двигателях легковых автомобилей.
Наиболее часто пока применяются системы питания с впрыском топлива во впускной трубопровод. Во впускной трубопровод бензин впрыскивается под низким (0,25…0 ,35 МПа) давлением, что позволяет использовать для создания давления в системе электрические топливные насосы.
Электромагнитные форсунки, используемые в системах с периодическим впрыском топлива, позволяют применять электронную систему управления топливной системой, что создает условия для оптимизации параметров подачи топлива по большому числу факторов в широком диапазоне режимов работы двигателя.
На рис. 2.41 показана закрытая форсунка с электромагнитным приводом. Дозирование топлива при применении этих форсунок достигается регулированием длительности импульсов тока на обмотке управляющего электромагнита 11, который, втягивая якорь 12, открывает клапан 3 форсунки. При постоянной длительности открывания электромагнитного клапана дозирование топлива осуществляется регулированием давления в системе.
Рис. 2.41. Закрытая форсунка с электромагнитным приводом:
1— корпус форсунки; 2 — распылитель; 3 — клапан; 4 — упорный бурт; 5 — упорная шайба; 6 — пружина клапана; 7 — электрический разъем; 8 — фильтр; 9 — штуцер; 10 — регулировочный винт пружины; 11 — электромагнит; 12 — якорь электромагнита
Система впрыска топлива легковых автомобилей показана на рис. 2.42. В приведенной системе бензин периодически впрыскивается отдельной форсункой непосредственно во впускной трубопровод двигателя в зону впускных клапанов каждого цилиндра.
Процесс впрыска управляется электронным устройством — контроллером. Топливо подается в магистраль топливным насосом 23 из топливного бака 25 через топливный фильтр 20. Электрический бензонасос установлен в топливном баке. Постоянное давление топлива в системе поддерживается регулятором давления 15, перепускающим топливо в топливный бак 25. Циркуляция топлива в системе позволяет избежать образования паровых пробок.
Рис. 2.42. Система впрыска топлива:
1 — реле зажигания; 2 — центральный переключатель; 3 — аккумуляторная батарея; 4 — нейтрализатор отработавших газов; 5 — датчик кислорода; 6 — воздушный фильтр; 7 — датчик массового расхода воздуха; 8 — колодка диагностики; 9 — регулятор холостого хода; 10 — датчик положения дроссельной заслонки; 11 — дроссельный патрубок; 12 — модуль зажигания; 13 — датчик фаз; 14 — форсунка; 15 — регулятор давления топлива; 16 — датчик температуры; 17 — свеча; 18 — датчик положения коленчатого вала; 19 — датчик детонации; 20 — топливный фильтр; 21 — контроллер; 22 — датчик скорости; 23 — топливный насос; 24 — реле включения топливного насоса; 25 — топливный бак; А — световой сигнал неисправности двигателя (например, «Check engine»)
Из топливной магистрали бензин поступает к форсункам 14 с электромагнитным управлением, установленным в рампе (балка для крепления форсунок) перед впускными клапанами. При повышении давления в системе выше допустимого (0,35 МПа) топливо перепускается в бак.
Количество воздуха, поступающего в двигатель, регулируется дроссельной заслонкой, расположенной во впускной трубе в дроссельном патрубке 11. Электронная система питается от аккумуляторной батареи 3 и включается замком зажигания.
Количество топлива, подаваемого форсунками 14, регулируется электрическим импульсным сигналом от контроллера 21 (электронного блока управления).
Контроллер 21 отслеживает данные о состоянии двигателя, рассчитывает потребность в топливе и определяет необходимую длительность подачи топлива форсунками (длительность импульса). Этот импульс подается в определенный момент поворота коленчатого вала, который зависит от режима работы двигателя. Подаваемый на форсунку управляющий сигнал открывает нормально закрытый клапан форсунки, направляя во впускной канал топливо под давлением.
Поскольку перепад давления топлива поддерживается постоянным, объем подаваемого топлива пропорционален времени, в течение которого форсунки находятся в открытом состоянии (длительность импульса впрыска). Контроллер поддерживает оптимально есоотношение объемов воздуха и топлива путем изменения длительности импульсов.
Увеличение длительности импульса приводит к увеличению количества подаваемого топлива (обогащение смеси). Уменьшение длительности импульса приводит к уменьшению количества подаваемого топлива, т.е. к обеднению смеси.
Контроллер обладает способностью оценивать результаты своих расчетов и команд, а также запоминать опыт недавней работы и действовать в соответствии с ним, т.е. «самообучение» контроллера является непрерывным процессом, продолжающимся в течение всего срока эксплуатации.
Топливо подается по одному из двух разных методов: синхронному, т.е. при определенном положении коленчатого вала, или асинхронному, т.е. независимо или без синхронизации с вращением коленчатого вала. Синхронный впрыск топлива — основной из методов подачи топлива, асинхронный применяется, в основном, на режиме пуска двигателя.
Форсунки включаются попарно и поочередно: сначала форсунки цилиндров 1 и 4, а через 180° поворота коленчатого вала — форсунки цилиндров 2 и 3 и т.д. Таким образом, каждая форсунка включается один раз за оборот коленчатого вала, т.е. 2 раза за полный рабочий цикл двигателя.
Режимы работы двигателя отслеживаются контроллером по сигналам, поступающим с датчиков, входящих в топливную систему.
За режимами работы двигателя следят следующие датчики: массового расхода воздуха; положения дроссельной заслонки; скорости; концентрации кислорода; температуры охлаждающей жидкости; фаз; детонации; положения коленчатого вала.
Топливные системы с электронным управлением впрыском топлива обеспечивают высокую экономичность двигателей в широком диапазоне режимов вследствие возможности оптимизации подачи топлива по многим параметрам, в том числе и по токсичности отработавших газов.
Однако максимальная эффективность двигателя достигается при подаче бензина не во впускной трубопровод, а непосредственно в камеру сгорания, как в дизелях.
При небольших нагрузках двигатель работает на очень бедных смесях. Поджечь такую смесь тяжело, поэтому топливо впрыскивают в конце такта сжатия. Поршни сложной формы направляют смесь непосредственно к электродам свечей, а у стенок цилиндра находится чистый воздух. В камере сгорания происходит так называемое послойное смесеобразование. При средних и высоких нагрузках топливо подается дважды: при ходе поршня вниз на такте впуска и в конце такта сжатия.
Экономия бензина (10… 15%) в таких двигателях по сравнению с обычными двигателями, имеющими впрыск топлива во впускной трубопровод, особенно заметна на режимах, когда они работают с нагрузкой, не превышающей 30…35% максимальной. При работе таких двигателей возникает один существенный недостаток — при сгорании топлива резко повышается температура и, как следствие, увеличивается содержание вредных оксидов азота NOx в отработавших газах. Для удаления их из отработавших газов необходимо в выпускную систему устанавливать дополнительный нейтрализатор, который превращает вредные оксиды азота в безобидные для экологии азот и кислород. Этот нейтрализатор устанавливается за обычным трехкомпонентным нейтрализатором. Оксиды азота NOx накапливаются в специальном фильтре с покрытием из бария, который вступает в реакцию с NOx и наступает момент, когда электроника на короткое время переводит работу двигателя на обогащенную смесь, температура выхлопных газов повышается до уровня, достаточного для протекания реакции, по которой связанные с барием оксиды азота разлагаются с образованием молекулярных кислорода и азота.
Двигателю с непосредственным впрыском требуется топливо с минимальным количеством серы, так как обычный бензин быстро выведет из строя систему нейтрализации. В то же время двигатели с непосредственным впрыском, способные потреблять обычный бензин, уже разработаны. Системы управления отслеживают, чтобы на всех режимах смесь была однородной (гомогенной) и для нейтрализации оксидов азота NOx используется трехкомпонентный нейтрализатор. Однако эти двигатели имеют несколько больший расход топлива.