Упорскування палива в бензинових двигунах. Переваги, недоліки та можливі проблеми

Тип системи упорскування визначає параметри двигуна та експлуатаційні витрати. Він впливає на динаміку, витрати палива, токсичність вихлопних газів та витрати на обслуговування автомобіля.

Історія практичного застосування упорскування бензину в двигуні внутрішнього згоряння на транспорті сягає періоду до Першої світової війни. Вже тоді авіація терміново шукала нові рішення, здатні підвищити ефективність двигунів та подолати проблеми з потужністю у різних положеннях літака. Упорскування палива, яке вперше з'явилося у французькому авіаційному двигуні V8 1903 року, виявилося корисним. Тільки 1930 року дебютував Mercedes 1951 SL з інжекторним двигуном, широко відомий як попередник у цій галузі. Однак у спортивній версії це був перший автомобіль із безпосереднім упорскуванням бензину.

Електронний упорскування палива було вперше використано в 300 році в двигуні Chrysler 1958. Багатоточковий упорскування бензину почав з'являтися на автомобілях у 1981-х роках, але в основному він використовувався в моделях класу люкс. Електричні насоси високого тиску вже використовувалися для забезпечення належного тиску, але контроль був обов'язком механіків, які канули в лету тільки в 600 році з закінченням виробництва Mercedes XNUMX. Системи упорскування, як і раніше, були дорогими і не перейти на дешеві та популярні автомобілі. Але коли в XNUMX-х стало необхідно встановлювати каталітичні нейтралізатори на всі автомобілі, незалежно від їхнього класу, потрібно було розробити і більш дешевий тип упорскування.

Наявність каталізатора вимагало точнішого контролю складу суміші, ніж могли забезпечити карбюратори. Так було створено одноточкове упорскування, мізерна версія «багатточкового», але достатня для потреб дешевих автомобілів. З кінця дев'яностих вона стала зникати з ринку, замінившись на багатоточкові форсунки, які в даний час є найпопулярнішою системою живлення в автомобільних двигунах. У 1996 році безпосереднє упорскування палива в стандартній комплектації дебютував на Mitsubishi Carisma. Нова технологія потребувала серйозного доопрацювання і спочатку знайшла мало послідовників.

Однак перед все більш строгими стандартами вихлопних газів, які з самого початку справили сильний вплив на прогрес у галузі автомобільних паливних систем, конструкторам зрештою довелося перейти до безпосереднього упорскування бензину. В останніх рішеннях, поки нечисленних, поєднують два типи упорскування бензину - непрямий багатоточковий і безпосередній.    

Непряме одноточкове упорскування

У системах з одноточковим упорскуванням двигун живиться від однієї форсунки. Він встановлений на вході впускного колектора. Паливо подається під тиском близько 1 бар. Розпорошене паливо змішується з повітрям перед впускними отворами каналів, що ведуть до окремих циліндрів.

Паливно-повітряна суміш засмоктується в канали без точного дозування по кожному циліндру. Через відмінності в довжині каналів та якість їх обробки подача харчування на циліндри нерівномірна. Але є й переваги. Оскільки шлях суміші палива з повітрям від форсунки до камери згоряння довгий, паливо може випаровуватися добре при правильному прогріві двигуна. У холодну пору паливо не випаровується, щетинки конденсуються на стінках колектора і частково у вигляді крапель йдуть у камеру згоряння. У такому вигляді він не може повністю згоріти на такті, що призводить до низького ККД двигуна у фазі прогріву.

Наслідком цього є підвищена витрата палива та висока токсичність вихлопних газів. Одноточковий упорскування простий і дешевий, не вимагає великої кількості деталей, складних форсунок і передових систем управління. Низькі виробничі витрати призводять до нижчої ціни автомобіля, а ремонт з одноточковим упорскуванням простий. Цей тип упорскування не використовується у сучасних двигунах легкових автомобілів. Його можна знайти тільки в моделях з відсталою конструкцією, хоч і вироблених за межами Європи. Одним із прикладів є іранський Саманд.

пільги

- Простий дизайн

– Низькі витрати на виробництво та обслуговування

– Низька токсичність вихлопних газів при гарячому двигуні

дефекти

– Низька точність дозування палива

– Відносно висока витрата палива

– Висока токсичність вихлопних газів у фазі прогріву двигуна

– Низькі можливості з погляду динаміки двигуна

Непряме багатоточкове упорскування

Розширенням одноточкового непрямого впорскування є багатоточкове непряме впорскування з інжектором у кожному впускному каналі. Паливо подається після дросельної заслінки, безпосередньо перед впускним клапаном.Форсунки встановлені ближче до циліндрів, але шлях паливно-повітряної суміші все ж таки досить довгий, щоб паливо випаровувалося на гарячому двигуні. З іншого боку, фаза нагрівання має меншу схильність до конденсації на стінках впускного каналу, оскільки відстань між форсункою та циліндром коротша. У багатоточкових системах паливо подається під тиском від 2 до 4 бар.

Окремий інжектор для кожного циліндра дає конструкторам нові можливості в плані підвищення динаміки двигуна, зниження витрати палива і зниження токсичності вихлопних газів. Спочатку не використовувалися передові системи управління і всі форсунки дозували паливо одночасно. Це рішення не було оптимальним, так як момент упорскування виникав не в кожному циліндрі у найвигідніший момент (при попаданні в закритий впускний клапан). Тільки розвиток електроніки дозволило побудувати більш досконалі системи управління, завдяки яким упорскування стало працювати точніше.

Спочатку форсунки відкривалися попарно, потім була розроблена система послідовного упорскування палива, при якій кожна форсунка відкривається окремо, в оптимальний для даного циліндра момент. Це рішення дозволяє точно підібрати дозу палива кожного робочого ходу. Послідовна багатоточкова система набагато складніша за одноточкову, дорожчу у виробництві і дорожчу в обслуговуванні. Однак він дозволяє значно підвищити ККД двигуна при меншій витраті палива та меншій токсичності вихлопних газів.

пільги

– Висока точність дозування палива

– Низька витрата палива

- Багато можливостей з точки зору динаміки двигуна

- Низька токсичність вихлопних газів

дефекти

- Значне ускладнення конструкції

– Відносно високі витрати на виробництво та обслуговування

безпосередній впорскування

У цьому рішенні форсунка встановлена ​​в циліндрі і впорскує паливо безпосередньо в камеру згоряння. З одного боку, це дуже вигідно, тому що дозволяє дуже швидко замінити паливно-повітряний заряд над поршнем. Крім того, відносно холодне паливо добре охолоджує днище поршня та стінки циліндра, тому можна збільшити ступінь стиснення та отримати вищий ККД двигуна, не побоюючись несприятливої ​​детонації при згорянні.

Двигуни з безпосереднім упорскуванням палива призначені для спалювання дуже бідних паливно-повітряних сумішей при низьких навантаженнях двигуна, що дозволяє досягти надзвичайно низької витрати пального. Однак з'ясувалося, що це викликає проблеми з надлишком оксидів азоту у вихлопних газах, для усунення яких необхідно встановлювати відповідні системи очищення. Конструктори борються з оксидами азоту двома способами: додаючи наддув та зменшуючи габарити, або встановлюючи складну систему двофазних форсунок. Практика також показує, що при безпосередньому впорскуванні палива несприятливе явище відкладень нагару у впускних каналах у циліндрів та на штоках впускних клапанів (зниження динаміки двигуна, збільшення витрати палива).

Це з тим, як і впускні канали, і впускні клапани не промиваються паливно-повітряної сумішшю, як із непрямому упорскуванні. Тому вони не змиваються дрібними частинками олії, що надходять до системи всмоктування із системи вентиляції картера. Масляні домішки твердне під впливом температури, створюючи все товстіший шар небажаного осаду.

пільги

– Дуже висока точність дозування палива

- Можливість спалювання бідних сумішей

– Дуже хороша динаміка двигуна при низькій витраті палива

дефекти

- Дуже велике ускладнення конструкції

– Дуже високі витрати на виробництво та обслуговування

– Проблеми з надлишком оксидів азоту у вихлопних газах

– Відкладення нагару у впускній системі

Дворежимне впорскування - пряме і непряме

Змішана конструкція системи упорскування використовує переваги як непрямого, так і прямого впорскування. Безпосереднє упорскування працює, коли двигун холодний. Паливно-повітряна суміш йде прямо над поршнем, і конденсація виключена. Коли двигун прогрітий і працює при невеликому навантаженні (їзда з постійною швидкістю, плавне прискорення), безпосереднє упорскування перестає працювати, і його роль бере на себе багатоточковий непрямий упорскування. Паливо випаровується краще, дуже дорогі форсунки системи безпосереднього впорскування не працюють і не зношуються, впускні клапани омиваються паливно-повітряною сумішшю, тому не утворюються відкладення. При високих навантаженнях на двигун (сильні прискорення, швидка їзда) знову включається безпосереднє упорскування, що забезпечує дуже швидке наповнення циліндрів.

пільги

– Дуже точне дозування палива

– Оптимальна подача двигуна за будь-яких умов

– Дуже хороша динаміка двигуна при низькій витраті палива

– Відсутність відкладень нагару у впускній системі

дефекти

- Величезна складність конструкції

– Надзвичайно висока вартість виробництва та обслуговування