1. Лекция управление двигателем

Электронные системы впрыскивания топлива

Пределом обеднения рабочей 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 впрыскивания топлива. В этом случае улучшаются равномерность распределения топлива по цилиндрам, газодинамические характеристики впускного тракта, обеспечивается более высокий коэффициент наполнения цилиндров свежей горючей смесью, 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. Впрыск топлива во впускные каналы цилиндров осуществляется электромагнитными форсунками, время открытия которых зависит от давления во впускной системе двигателя и частоты вращения коленчатого вала.
Классификация системы впрыскивания топлива (рис.1а). По мере развития систем впрыскивания топлива на автомобили устанавливались механические, электронные, аналоговые и цифровые системы. В настоящее время широкое распространение получили электронные системы, которые по способу впрыскивания топлива классифицируются на два вида: распределенное и центральное.
При центральном 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 обеспечиваются большая точность и стабильность дозирования топлива.
При распределенном впрыскивании топливо подается в зону впускных клапанов каждого цилиндра отдельной форсункой в определенный момент времени, согласованный с открытием соответствующих впускных клапанов цилиндров (согласованное впрыскивание), без согласования момента впрыскивания с процессами впуска в каждый цилиндр (несогласованное впрыскивание), или отдельной форсункой в зону за клапаном. Система распределенного впрыскивания топлива позволяют повысить безотказность пуска, ускорить прогрев и увеличить мощностные показатели двигателя, а также дает возможность применения различных микропроцессорных устройств, а также совершенствования механической части системы питания.
Особенностью электронной системы впрыскивания топлива 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 впрыскиваемого топлива зависит от массовой скорости воздушного потока и его объема во впускном тракте.




Рис. 1а. Способы организации впрыска топлива:
а - центральный впрыск; б - распределенный впрыск в зону впускных клапанов;
в - непосредственный впрыск в цилиндры двигателя; 1 - подача топлива; 2 - подача
воздуха; 3 - дроссельная заслонка; 4 - впускной трубопровод;
5 - форсунки; 6 – двигатель

На сегодняшний день создано довольно много разновидностей систем впрыска бензина. Представим их обобщенную классификацию в виде графов “и-или-дерева” на рисунке 3.






























Рисунок 3 - Классификация систем впрыска бензиновых двигателей

Рассмотрим подробнее графы “и-или-дерева” классификации. Впрыск непосредственно в камеру сгорания (граф 1.1) напоминает систему впрыска дизелей. Давление начала впрыска достигает 20-40 кгс/см2. Первая серийная система впрыска бензина (1954 год, “Мерседес-Бенц 300SL”) была именно такого типа. Ныне системой непосредственного впрыска являются, например, система “KugelFischer”, система GDI фирмы «Мицубиси». К преимуществам систем непосредственного впрыска можно отнести возможность расслоения заряда в камере сгорания, в результате чего в районе электродов свечи может быть образована обогащенная смесь. Это позволит осуществлять сжигание более обедненных смесей, т.е. работать в более экономичном режиме. Другим преимуществом является меньшая чувствительность двигателя к температурному режиму. Дело в том, что когда впрыск происходит во впускной трубопровод при низких температурах, возможна конденсация топлива на стенках трубопровода. При непосредственном впрыске этого не происходит.
Однако непосредственный впрыск имеет и недостатки. Прежде всего, это сложности в конструкции и технологии. Конструктору необходимо разработать головку цилиндров, в которой будут скомпонованы впускной и выпускной клапаны, свеча зажигания и топливная форсунка, что представляет собой очень сложную задачу. В очень неблагоприятных условиях работают форсунки, которые к тому же должны обеспечивать высокие давления впрыска. Эти недостатки сдерживают развитие систем с непосредственным впрыском. Впрыск во впускной коллектор (граф 1.2) делится на точечный впрыск и распределенный впрыск.
Граф 2.1 – точечный или центральный впрыск во впускной коллектор. Впрыскивающая электромагнитная форсунка расположена перед дроссельной заслонкой, практически на месте жиклера карбюратора. Системы центрального впрыска имеют почти все преимущества систем впрыска, о которых говорилось во введении. Они получили распространение в основном на автомобилях малого и среднего классов, что связано, прежде всего, с относительной дешевизной этих систем. Немаловажно и то, что под них легко адаптируются карбюраторные двигатели почти без конструктивных переделок или технологических изменений в производстве. Недостатки систем центрального впрыска сходны с недостатками карбюраторов – это неоднородное распределение смеси по цилиндрам и ее конденсация во впускном коллекторе.
К системам центрального впрыска относятся система фирмы «Бош» “Mono-Jetronik” (устанавливается на автомобилях «Фольксваген Гольф», “Фольксваген Пассат”, “Фиат Панда”, “Пежо-106” и других), система ECI фирмы «Мицубиси».
Существуют также системы, объединяющие электронные устройства смесеобразования и зажигания. Это системы “Motronic”. В систему “Motronic” могут быть включены различные системы впрыска. В частности, система “Mono-Jetronik” включена в систему “Mono-Motronic”. Устанавливается на “Ауди-80”, “Фольксваген Пассат” и др.
Распределенный впрыск (граф 2.2) делится на непрерывный и периодический.
Граф 3.1 – распределенный или многоточечный непрерывный впрыск. Топливо подается форсунками индивидуально к каждому цилиндру двигателя в районе впускного клапана. При этом топливо подается непрерывно, изменяется лишь его количество в зависимости от нагрузки на двигатель. Многоточечный впрыск позволяет избавиться от недостатков карбюратора и центрального впрыска – неоднородного распределения смеси по цилиндрам.
Системой распределенного непрерывного впрыска является механическая система “К-Jetronic”, созданная фирмой «Бош» в 1973 г. Буква “К” в обозначении – от немецкого “Kontinuerlich” – непрерывный. Применяется на автомобилях “Ауди-100”, “BMW-318i”, “Форд-Эскорт”, “Форд-Сьерра”, “Мерседес-Бенц-230” и др. Существуют также системы “KE-Jetroniс” - с электронным блоком управления (буква «Е» от слова «Elektronic»). Применяются на автомобилях “Ауди-90”, “Форд-Гранада”, “Мерседес-Бенц-190”.
Последний граф в нашей классификации – 3.2 – периодический или импульсный распределенный впрыск. Здесь топливо подается импульсно, порциями в течение времени, когда открыты электромагнитные форсунки, управляемые электронным блоком. Эти системы более совершенны, чем системы непрерывного впрыска, так как позволяют более точно управлять процессом смесеобразования.
Самыми первыми системами импульсного распределенного впрыска были системы “D-Jetronic”. В этих системах нагрузочный режим работы двигателя определялся по давлению во впускном коллекторе. Отсюда буква D в обозначении – от немецкого “Druck” - давление. В 1974 году появилась система “L-Jetronic”, в которой количество поступающего в двигатель воздуха определялось более точно – по углу отклонения шторки или лопасти датчика воздушного потока. Буква L в обозначении от немецкого “Luft” - воздух. Самый точный метод измерений использован в системах “LH-Jetronic” (1984 год) и “LH-Motronic” (1987 год). Буква Н в обозначении – от немецкого Heiss - горячий. Действительно, в термоанемометрах (датчиках) системы используется тонкий (70 мкм) платиновый проводник, нагретый до 1000С и более. Поток проходящего воздуха охлаждает проводник, по изменению его электрического сопротивления определяется количество проходящего воздуха. Преимущество: прямое измерение массы, а не объема воздуха, что позволяет отказаться от поправок на температуру и плотность воздуха или высоту над уровнем моря. Существуют также системы “LE-Jetronic” - с усовершенствованным электронным блоком управления и системы “Motronic” 1.1, 1.2, 1.3, 1.7, 3.1, в которых с разными дополнениями используются системы «L» и “LE-Jetronic”.
Системы “L-Jetronic” применялись и применяются на автомобилях «Альфа-Ромео-75», в разные годы на «BMW-318i» и других моделях этой серии, “Форд-Сьерра 2.0” и многих других. В настоящее время их заменяют на системы «Bosch- Motronic» 1.1-1.3, 1.7. Также существуют другие системы импульсного впрыска – PGM-FI фирмы “Хонда”, система «Renix» фирмы “Рено”, система “Digijet” фирмы “Фольксваген”.
Общее устройство механической части системы питания с распределенным впрыскиванием топлива и электронным управлением (рис.1б) включает в себя топливную рампу 3 с выходным штуцером 2 для контрольного манометра давления топлива и штуцерами 6, 7 соответственно для подачи к рампе топлива и слива его излишков, регулятор 5 давления топлива, установленный на рампе, к которой крепятся также электромеханические форсунки 1, бензиновый бак 11 с установленным в нем электробензонасосом 12, топливопроводы 8 и 9, прикрепленные к кузову с помощью скобы 4.
Рампа крепится к головке блока со стороны впускных клапанов, а в ее топливную полость через подающий топливопровод 8 и штуцер 6 включен фильтр тонкой очистки топлива. При этом регулятор 5 через штуцер 7 и сливной топливопровод 9 сообщается с баком 11 через электробензонасос 12. Для обеспечения устойчивой работы насоса в бак должно быть залито не менее 4,5 л бензина, так как в противном случае могут происходить его перегрев и отказы в работе. Рабочее давление электробензонасоса составляет 0,30... 0,35 МПа, а производительность лежит в пределах 80...85 л/ч. К механической части относится также нейтрализатор отработавших газов и система улавливания паров бензина (СУПБ).



























Рис. 1б. Схема механической части системы питания с распределенным впрыскиванием топлива:
1 – форсунки; 2 – штуцер манометра; 3 – рампа; 4 – скоба; 5 – регулятор давления,
6 – подводящий штуцер; 7 – отводящий штуцер; 8,9 – топливопроводы; 10 – фильтр,
11 – бак; 12 – слив.


Устройство приборов системы подачи топлива

Топливный насос (рис. 2.) представляет собой центробежный роликовый насос с приводом от электродвигателя, который смонтирован совместно с насосом в одном герметичном корпусе.
Центробежный роликовый насос состоит из статора 3, внутренняя поверхность которого незначительно смещена относительно оси якоря 8 электродвигателя, цилиндрического сепаратора 16, соединенного с якорем электродвигателя, и роликов 17, расположенных в сепараторе.
Сепаратор с роликами находится между основанием 2 и крышкой 5 насоса.
При работе насоса топливо поступает через штуцер 1 и канал 18 к вращающемуся сепаратору 16, переносится роликами и через выходные каналы 6 подается в полость электродвигателя и далее черен клапан 11 и штуцер 12 в топливопровод, подводящий топливо к топливному фильтру.
Топливо, поступившее в насос, проходя через электродвигатель, охлаждает его.
Обратный клапан 11 исключает слив топлива из топливопровода и образование воздушных пробок после выключения топливного насоса. Предохранительный клапан 4 ограничивает давление топлива, создаваемое насосом, при возрастании его выше допустимого 0,45...0,6 МПа. Топливный насос включается при включении зажигания. Подача насоса составляет 130 л/ч.



Рис. 2. Топливный насос:
1,12 – штуцеры; 2 - основание; 3 - статор; 4, 11 - клапаны; 5 - крышка; 6, 18- каналы;
7, 9 - корпуса; 8 - якорь; 10 – коллектор; 13 - щетка; 14 - муфта; 15 - вал; 16 - сепаратор; 17- ролик

Топливопровод двигателя (рампа) (рис. 3) служит для подвода топлива к форсункам. Он является общим для четырех форсунок. В один конец топливопровода 4 ввернут штуцер 3 для подвода топлива от насоса, а на другом конце закреплен регулятор 5 давления топлива (подводящие и отводящие топливопроводы могут быть закреплены на одном конце с регулятором (рис. 1б), а на противоположном конце закреплен манометр), связанный с ресивером и топливным баком. В топливопроводе двигателя одним концом закреплены форсунки 2, которые другим концом закреплены во впускном трубопроводе 1, Концы форсунок уплотнены резиновыми кольцами круглого сечения. Топливопровод 4 крепится двумя болтами к впускному трубопроводу.













Рис. 3 - Топливопровод двигателя:
1 - впускной трубопровод;2 - форсунка;3 - штуцер;4 - топливопровод; 5 - регулятор давления

Регулятор давления топлива (рис. 4) поддерживает давление в топливопроводе и форсунках работающего двигателя в пределах 0,28...0,33 МПа, что необходимо для приготовления горючей смеси требуемого качества на всех режимах работы двигателя. Регулятор давления состоит из корпуса 1 и крышки 3, между которыми закреплена диафрагма 4 с клапаном 2. Внутренняя полость регулятора делится диафрагмой на две полости вакуумную и топливную.
Вакуумная полость находится в крышке регулятора и связана с ресивером, а топливная полость в корпусе 1 регулятора и связана с топливным баком


Рис. 4. Регулятор давления топлива:
а - клапан закрыт;б - клапан открыт;1 - корпус;2 - клапан;3 - крышка;
4 – диафрагма

Форсунка (рис. 5) представляет собой электромагнитный клапан. Форсунка предназначена для впрыска дозированного количества топлива, необходимого для приготовления горючей смеси при различных режимах работы двигателя. Дозирование количества топлива зависит от длительности электрического импульса, поступающего в обмотку катушки электромагнита форсунки. Впрыск топлива форсункой синхронизирован с положением поршня в цилиндре двигателя. Форсунка состоит из корпуса 3, крышки 6, катушки 4 электромагнита, сердечника 8 электромагнита, иглы 2 запорного клапана, корпуса 9 распылителя, насадки 1 распылителя и фильтра 5.
При работе двигателя топливо под давлением поступает в форсунку через фильтр 5 и проходит к запорному клапану, который находится в закрытом состоянии под действием пружины 7.
При поступлении электрического импульса в обмотку катушки 4 электромагнита возникает магнитное поле, которое притягивает сердечник 8 и вместе с ним иглу 2 запорного клапана. При этом отверстие в корпусе 9 распылителя открывается, и топливо под давлением выпрыскивается в распыленном виде.
После прекращения поступления электрического импульса в обмотку катушки электромагнита магнитное поле исчезает, и под действием пружины 7 сердечник 8 электромагнита и игла 2 запорного клапана возвращаются в исходное положение. Отверстие в корпусе 9 распылителя закрывается, и впрыск топлива из форсунки прекращается.




Рис. 5. Форсунка:
1 - насадка;
2 - игла;
3, 9 - корпуса;
4 - катушка;
5 - фильтр;
6 - крышка;
7 - пружина;
8 - сердечник



Общее устройство систем впрыскивания

Рис. 6.3. Система L-Jetronic:
1 - топливный бак; 2 - электрический топливный насос;
3 - топливный фильтр; 4 - электронный блок управления;
5 - форсунка; 6 – топливная рампа с регулятором давления топлива;
7- впускной трубопровод; 8,.- клапан холодного пуска; 9 - датчик положения дроссельной заслонки; 10- датчик расхода воздуха; 11 - датчик кислорода (л-зонд);
12 - термореле; 13 - датчик температуры двигателя;
14 - датчик-распределитель системы зажигания; 15 - регулятор добавочного воздуха (регулятор холостого хода); 16- аккумуляторная батарея;
17 - выключатель зажигания

Рассмотрим устройство некоторых ЭСАУ двигателем, получивших широкое распространение. Ведущим производителем систем впрыска бензиновых двигателей является фирма Bosch, начавшая разработку таких систем в 1912 г.
Первая модификация электронной системы L-Jetronic появилась в 1973 г. - это система распределенного нефазированного впрыска топлива рис. 6.3. Топливо из бензобака 1 электрическим топливным насосом 2 через топливный фильтр 3 подается под давлением 250 кПа в топливную рампу и распределяется по форсункам 5. На конце топливной рампы расположен регулятор давления топлива, который поддерживает разность давления в топливной рампе и впускном коллекторе на постоянном уровне 0,5 атм. Таким образом, количество подаваемого топлива однозначно определяется длительностью открытия форсунки. Остатки топлива возвращаются в бак по сливной магистрали. В БУ 4 поступают сигналы от датчика расхода воздуха 10, датчика положения дроссельной заслонки 9 по которым определяет нагрузка двигателя. Датчик положения дроссельной заслонки позволяет различать режим холостого хода и полной нагрузки. Информация о частоте вращения коленчатого вала двигателя поступает от датчика-распределителя системы зажигания. Для обогащения смеси при пуске холодного двигателя используется клапан холодного пуска 8, который управляется термореле 12. Термореле обеспечивает работу клапана при температуре -20°С. Датчик температуры двигателя 13 подключенный к БУ позволяет обогащать смесь на режиме прогрева двигателя.
Управление частотой вращения на режиме холостого хода осуществляется регулятором добавочного воздуха 15 с заслонкой управляемой биметаллической пластиной.
При комплектовании системы каталитическим нейтрализатором для корректировки качества рабочей смеси используется датчик кислорода 11.
Система L3-Jetronic (рис. 6.4) является модификацией представленной системы. Основное отличие от L-Jetronic - БУ выполненный в одном корпусе с датчиком расхода воздуха и расположенный в моторном отсеке.
В системе используется алгоритмы диагностики датчиков и «усеченного» режима работы. В системе отсутствует клапан холодного пуска и термореле. Обогащение смеси при пуске холодного двигателя осуществляется увеличением подачи топлива через основные форсунки.

Рис. 6.4. Система L3-Jetronic:
1 - топливный бак; 2 - электрический топливный насос; 3 - топливный фильтр;
4 - форсунка; 5 - топливная рампа; 6 - регулятор давления топлива;
7- впускной трубопровод; 8-датчик положения дроссельной заслонки;
9 - датчик расхода воздуха; 10 -электронный блок управления;
11 - датчик кислорода (Х-зонд); 12 - датчик температуры двигателя;
13 - датчик-распределитель системы зажигания;
14 - регулятор добавочного воздуха (регулятор холостого хода);
15- аккумуляторная батарея; 16- выключатель зажигания
отношения времени включения электродвигателя в различных направлениях.

В системе LH-Jetronic (рис. 6.5) для определения нагрузки двигателя используется датчик массового расхода воздуха термоанемо-метрического типа. В отличие от датчика системы L-Jetronic, определяющего объем проходящего воздуха этот датчик определяет непосредственно массу воздуха, и не требует дополнительной корректировки по его плотности.
Для регулировки частоты вращения коленчатого вала на холостом ходу в системе LH-Jetronic используется поворотный клапан с приводом от реверсивного электродвигателя (трехпроводной). БУ периодически переключает направление вращения электродвигателя, что предотвращает заброс клапана в любую из
крайних позиций. Требуемое положение клапана регулируется изменением соотношения времени включения электродвигателя в различных направлениях.

Рис. 6.5. Система LH-Jetronic:
1 - топливный бак; 2 - электрический топливный насос; 3- топливный фильтр;
4 - электронный блок управления; 5- форсунка; 6- топливная рампа; 7- регулятор давления топлива; 8- впускной трубопровод; 9-датчик положения дроссельной заслонки;
10- датчик массового расхода воздуха; 11 - датчик кислорода (А-зонд);
12 - датчик температуры двигателя; /3 - датчик-распределитель системы зажигания;
14 - поворотный регулятор холостого хода; 15- аккумуляторная батарея;
16- выключатель зажигания

В 1982 г. фирмой Bosch была предложена система KE-Jetronic (рис. 6.6), прототипом которой явилась гидромеханическая система K-Jetronic, дополненная электронным блоком управления и датчиком кислорода. В БУ поступают сигналы о положении паруса расходомера, крайних положениях дроссельной заслонки, частоте вращения двигателя, температуре охлаждающей жидкости и содержании кислорода в отработавших газах. Воздействие БУ на состав рабочей смеси осуществляется с помощью электрогидравлического управляющего устройства закрепленного на дозаторе-распределителе топлива (рис. 6.7). Так для обогащения смеси по сигналу от БУ управляющая пластина 11 закрывает выпускной канал 12 тем самым, снижая давление в нижних камерах дифференциального клапана 8.
Мембраны 9 прогибаются вниз, и количество топлива поступающего к форсункам 4 увеличивается. Управляющее устройство сконструировано таким образом, что при выходе из строя цепи электромагнита будет обеспечиваться стехиометрический состав смеси и двигатель сохранит работоспособность.

Рис. 6.6. Система KE-Jetronic:
1 - топливный бак; 2 - электрический топливный насос; 3- топливный аккумулятор;
4-топливный фильтр; 5- регулятор начального давления;
6- форсунка; 7- впускной трубопровод; 8- клапан холодного пуска;
9- дозатор-распределитель топлива; 10- датчик расхода воздуха;
f1 - электрогидравлическое управляющее устройство; 12 - датчик кислорода
(Х-зонд); 13-термореле; 14-датчиктемпературы двигателя;
15 - датчик-распределитель системы зажигания; 16 - регулятор добавочного воздуха
(регулятор холостого хода); 17- электронный блок управления;
18- датчик положения дроссельной заслонки; 19 -аккумуляторная батарея;
20 - выключатель зажигания





Рис. 6.7. Дозатор топлива системы KE-Jelronic
со встроенным электрогидравлическим управляющим устройством:
1 - парус расходомера; 2 - дозатор-распределитель топлива;
3 - поступление топлива от регулятора начального давление;
4 - подача топлива к форсункам; 5- возврат топлива в регулятор начального давления;
6 -жиклер; 7- верхняя камера дифференциального клапана; 8 - нижняя камера дифференциального клапана; 9-диафрагма;
10 - регулятор давления; 11-управляющая пластина; 12- выпускной канал;
13-электромагнит; 14 - воздушный зазор


Появившаяся в 1983 г. недорогая система центрального впрыска Mono-Jetronic получила широкое распространение, в том числе и на компактных автомобилях. Эта система имеет всего одну топливную форсунку, расположенную перед дроссельной заслонкой (рис. 6.8).
Качество смеси задается длительностью импульса открытия форсунки. Топливо в системе Mono-Jetronic подается под более низким давлением, нежели в описанных выше системах - около 0,1 МПа.
Измерения расхода воздуха система Mono-Jetronic не производит. Необходимое количество топлива вычисляется по положению дроссельной заслонки и частоте вращения коленчатого вала. Электронный блок управления обрабатывает информацию от потенциометрического датчика положения дроссельной заслонки, датчика-распределителя системы зажигания, датчиков температуры воздуха и охлаждающей жидкости, а также датчика кислорода.
Топливно-воздушная смесь обогащается при холодном пуске и прогреве двигателя увеличением длительности цикла топливоподачи. Минимальная частота вращения в режиме холостого хода поддерживается путем изменения положения дроссельной заслонки с помощью шагового электродвигателя.
При средних нагрузках и прогретом двигателе подача топлива корректируется обратной связью по датчику кислорода.
Полное открытие дроссельной заслонки переводит БУ в режим обогащения рабочей смеси. Для обеспечения приемистости автомобиля БУ определяет ускорение перемещения педали управления дроссельной заслонкой и адекватно изменяет подачу топлива.
В режиме принудительного холостого хода система Мопо-Jetronic работает по общепринятой схеме.
Для ограничения выделения углеводородов (СН) из топливного бака в Mono-Jetronic используется система улавливания паров бензина, к которой относятся емкость с активированным углем - адсорбер 11 и электромагнитный клапан продувки адсорбера 10. Пары бензина из топливного бака поступают в адсорбер. При работе двигателя БУ открывает клапан продувки адсорбера и накопившиеся пары топлива удаляются во впускной трубопровод. БУ регулирует степень продувки адсорбера в зависимости от режима работы двигателя.






Рис. 6.8. Система Mono-Jetronic:
1 -топливный бак; 2 - электрический топливный насос;
3-топливный фильтр; 4 - регулятор давления топлива; 5- форсунка;
6- датчик температуры воздуха; 7- электронный блок управления;
8- электропривод дроссельной заслонки (регулятор холостого хода);
9- потенциометрический датчик положения дроссельной заслонки;
10- клапан продувки адсорбера; 11 - угольный адсорбер;
12 -датчик кислорода (Х-зонд); 13 - датчик температуры двигателя;
14- датчик-распределитель системы зажигания;
15 - аккумуляторная батарея; 16- выключатель зажигания;
17- реле; 18-диагностический разъем; 19-устройство центрального впрыска

К комплексным системам управления двигателем, применяющимся на большинстве современных автомобилей, относятся системы семейства Motronic. Основная функция всех систем Motronic -согласованное управление зажиганием и впрыском топлива. Принятие законодательных требований к снижению вредных эмиссий и расхода топлива расширяет базовые функции системы Motronic и делает необходимым контроль всех компонентов влияющих на состав отработавших газов.
Система Motronic обеспечивает:
регулировку частоты вращения холостого хода;
поддержание стехиометрического состава смеси по сигналу датчика кислорода;
управление системой улавливания паров топлива;
регулирование угла опережения зажигания по сигналу датчика детонации;
рециркуляцию отработавших газов для снижения эмиссии оксидов азота (NOx);
управление системой подачи вторичного воздуха для снижения эмиссии углеводородов (СН);
- поддержание заданной скорости движения (круиз-контроль). При более высоких требованиях система может дополняться
функциями:
управление турбонагнетателем, а также изменением конфигурации впускного тракта для повышения мощности двигателя;
управление фазами газораспределения для снижения токсичности отработавших газов, расхода топлива и повышения мощности двигателя;
детонационное регулирование, ограничение частоты вращения и скорости для защиты двигателя и автомобиля.
Система Motronic поддерживает работу блоков управления других систем автомобиля. Так совместно с БУ автоматической коробкой передач посредством снижения крутящего момента двигателя при изменении передачи обеспечивается предохранение коробки передач. Взаимодействуя с антиблокировочной (АБС) и противо-буксовочной (ПБС) системами Motronic создает повышенную безопасность при езде. Современные требования к противоугонным автомобильным системам делают необходимым интеграцию БУ двигателем и иммобилайзера.
Одной из последних разработок фирмы Bosch является система ME-Motronic (рис. 6.9). ME-Motronic сочетает в себе систему распределенного фазированного впрыска топлива в зону впускных клапанов и систему зажигания с низковольтным распределением и индивидуальными катушками.
Определение частоты вращения коленчатого вала и синхронизация системы осуществляется по сигналу индукционного датчикаположения коленчатого вала 14. Для определения такта впуска в каждом цилиндре, что необходимо при организации фазированного впрыска топлива и зажигания, используется датчик положения распределительного вала - фазовый дискриминатор 7.
Для расчета нагрузки двигателя используется пленочный датчик массового расхода воздуха 10, датчик давления во впускной трубе 4, и датчик положения дроссельной заслонки. Основным отличием системы является отсутствие жесткой механической связи междудроссельной заслонкой и педалью, ею управляющей. Положение педали управления дроссельной заслонкой определяется с помощью двух закрепленных на ней потенциометров 23. БУ устанавливает дроссельную заслонку 11 в оптимальное положение в зависимости от нагрузки и других параметров двигателя.
В системе используется два датчика кислорода 16. Установка дополнительного датчика после каталитического нейтрализатора повышает надежность работы обратной связи по содержанию кислорода, так как этот датчик лучше защищен от загрязнения отработавшими газами. Кроме того, наличие второго датчика позволяет системе проводить самодиагностику основного датчика стоящего перед нейтрализатором.

Рис. 6.9. Система ME-Motronic:
1 - угольный адсорбер; 2- отключающий клапан; 3- клапан продувки адсорбера;
4 - датчик давления во впускном коллекторе; 5-топливная рампа с форсунками;
6- свеча зажигания с индивидуальной катушкой; 7- фазовый дискриминатор;
8- насос вторичного воздуха; 9- клапан вторичного воздуха; 10- пленочный датчик массового расхода воздуха; 11 -модуль дроссельной заслонки; 12 - клапан рециркуляции;
13- датчик детонации; 14 - датчик положения коленчатого вала;
15-датчик температуры двигателя; 16- датчик кислорода (Х-зонд);
17- электронный блок управления; 18- диагностический интерфейс;
19- аварийная лампа; 20- к иммобилайзеру; 21 –датчикдавления в бензобаке;
22- погружной электрический топливный насос; 23- модуль педали управления дроссельной заслонкой; 24 – аккумулятор

БУ ME-Motronic имеет интерфейс последовательной передачи данных (CAN) для взаимодействия с БУ других систем автомобиля.
На базе системы ME-Motronic фирма Bosch разработала систему непосредственного впрыска топлива в цилиндры двигателя MED-Motronic (рис. 6.10). В сравнении с традиционными системами впрыска бензиновых двигателей, системы непосредственного впрыска позволяют снизить расход топлива до 20% и уменьшить выбросы оксидов углерода.
Как и впрыск во впускной коллектор, непосредственный впрыск под высоким давлением спроектирован как система с топливной рампой - аккумулятором давления. В подобных системах топливо может быть непосредственно впрыснуто в цилиндр в любой момент времени с помощью электромагнитных форсунок.
Масса поступающего воздуха может свободно регулироваться с помощью электронного модуля дроссельной заслонки. Точное измерение массы всасываемого воздуха выполняется с помощью пленочного датчика расхода воздуха.
Состав топливовоздушной смеси контролируется датчиками кислорода в выпускной системе, расположенными перед и после каталитического нейтрализатора.
Электрический топливоподкачивающий насос и регулятор давления, расположенные в бензобаке, обеспечивают подачу топлива под давлением 0,35 МПа к топливному насосу высокого давления.
Задача насоса высокого давления состоит в увеличении давления топлива с исходных 0,35 МПа до 12 МПа, после чего топливо поступает в топливную рампу. На топливной рампе расположен регулятор давления, который поддерживает давление в системе во всем диапазоне работы двигателя независимо от количества впрыскиваемого топлива и производительности насоса.
При малой нагрузке двигатель работает с неоднородной смесью с большим избытком воздуха. Поздний впрыск, прямо перед подачей искры, позволяет создать в зоне свечи область богатой топливовоздушной смеси, в то время как остальной объем цилиндра заполняет смесь воздуха и оставшихся отработавших газов. Благодаря этому расслоению заряда, достигается работа двигателя на очень бедной смеси, кроме того, даже при малых нагрузках дроссельная заслонка остается открытой, что уменьшает потери на газообмен.
При повышении нагрузки увеличивается и количество впрыскиваемого топлива, неоднородное облако смеси становится все более богатым. Это может вызвать увеличение содержания вредных веществ в отработавших газах, особенно выбросов сажи. Поэтому на высоких нагрузках двигатель переводится на работу на гомогенной смеси.
Во время перехода между этими режимами для стабилизации момента необходимо контролировать количество впрыскиваемого топлива, поступающего воздуха и угол опережения зажигания. Такое управление моментом возможно благодаря использованию электроуправляемой дроссельной заслонки, как и в системе ME-Motronic. Дроссельная заслонка должна быть закрыта вплоть до фактического переключения режима работы с неоднородной на гомогенную смесь.
Особенностью системы непосредственного впрыска является образование оксидов азота (NOx), содержание которых в условиях избытка кислорода не может быть уменьшено с использованием традиционного трехкомпонентного каталитического нейтрализатора. Для уменьшения содержания NOx в выхлопе используется специальный каталитический нейтрализатор аккумулирующего действия.



Рис. 6.10. Система непосредственного впрыска топлива MED-Motronic:
1 - топливо под высоким давлением; 2- топливная рейка (аккумулятор давления);
3-форсунка; 4-свеча зажигания с индивидуальной катушкой;
5-фазовый дискриминатор; 6-датчик давления топлива; 7-датчик детонации;
8-датчик положения коленчатого вала; 9-датчиктемпературы двигателя;
10- датчик кислорода (перед катализатором); 11 - трехкомпонентный каталитический нейтрализатор; 12-датчиктемпературы выхлопных газов;
13 - NOx каталитический нейтрализатор;
14 - датчик кислорода(после нейтрализатора)





Назначение, устройство и работа датчиков


Система для управления двигателем ME - Motronic




Потенциометрические датчики - это преобразование, например, углового положения оси, на которую установлен контакт, в выходную резисторную величину (меняющееся сопротивление реостата), при этом на сопротивление должно быть подано постоянное напряжение. Сопротивление будет выходным сигналом датчика.

Контактные датчики - в них контактная пара, работает по принципу разрыва или замыкания электрической цепи, на выходе имеют дискретный сигнал «да - нет», который легко преобразуется в цифровой. Например, краевые положения дроссельной заслонки или как микро/выключатель электро/бензонасоса при неработающем двигателе, но включенном зажигании.
Датчики Холла - для работы требуется внешний источник тока. Микро/плата 1 и постоянные магниты 2 и 3 неподвижны, вращается аттенюатор 4 с окнами. Когда окно напротив микро/платы, в ней возникает импульс тока, когда аттенюатор закрывает микросхему - импульса нет. Количество импульсов зависит от количества окон и оборотов. Например, считываются обороты коленчатого вала, у венца зубья и впадины образуют аттенюатор.




Пьезоэлектрические датчики – не требуют внешнего источника электрической энергии. Суть в том, что при механическом воздействии в пластине (ПК) покрытой с обеих сторон токопроводной пленкой и одним концом жестко закрепленной, возникает электрический потенциал между пленками (ТК). Величина сигнала зависит от прогиба пластинки. Пьезоэлемент может быть любой формы: брусок, шайба, цилиндр ит.д. Пластинка датчика детонации выполнена в виде шайбы.

Индукционные датчики, вместо датчика Холла применяют для считывания оборотов и положения коленчатого вала. Магнитный поток имеет максимальную величину когда ферромагнит находится на против зуба (как на рисунке), и минимальную, когда он совпадает с впадиной зуба. Так считываются импульсы.



Исполнительные механизмы управления частотой вращения коленчатого вала

Регулирование частотой вращения коленчатого вала на холостом ходу в ЭСАУ бензиновых двигателей осуществляется подачей дополнительного воздуха в обход дроссельной заслонки. В системах К, L – Jetronic количество добавочного воздуха регулирлвалось заслонкой, управляемой биметаллической пластинкой (рис. 6,27). В последствии стал применяться трехпроводной клапан регулировки холостого хода 9РИС. 6,27). Электродвигатель вращается по или против часовой стрелки в зависимости от подключаемой обмотки, этим управляет БУ, и заслонка поворачивается.
На рисунке 6,28 представлен регулятор холостого хода с шаговым электродвигателем. На разнополярные обмотки 2 и 3 подаются импульсы в определенной последовательности. Винтовая передача преобразует вращение вала в поступательное движение клапана.
Датчики для определения нагрузки на двигатель. Одной из основных величин для расчета цикловой подачи топлива и угла опережения зажигания является нагрузка двигателя. Датчик количества воздуха. Для определения нагрузки двигателя используются следующие чувствительные элементы:
- датчик количества воздуха;
- нитевой датчик массового расхода воздуха;
- пленочный датчик массового расхода воздуха;
- датчик давления во впускной трубе;
- датчик положения дроссельной заслонки.
Датчик устанавливается между воздушным фильтром и дроссельной заслонкой и производит измерение объема воздуха (м3/ч), поступающего в двигатель (рис. 6.29).
Проходящий поток воздуха отклоняет заслонку, противодействуя постоянной силе возвратной пружины. Угловое положение заслонки регистрируется потенциометром. Напряжение с него передается на блок управления, где производится его сравнение с питающим напряжением потенциометра. Это отношение напряжений является мерой для поступающего в двигатель объема воздуха. Определение отношений напряжений в блоке управления исключает влияние износа и температурных характеристик сопротивлений потенциометра на точность. Чтобы пульсации проходящего воздуха не вели к колебательным движениям воздушной заслонки, она стабилизируется противовесной заслонкой. С целью учета изменения плотности поступающего воздуха при изменении температуры датчик расхода оснащен терморезистором. По сопротивлению терморезистора проводится корректировка показаний датчика. Датчик количества воздуха долгое время был составной частью большинства систем Motronic и Jetronic, выпускаемых серийно. Согласно современным требованиям показания датчика расхода воздуха не должны зависеть от атмосферного давления, температуры пульсаций и обратного потока воздуха, возникающих при работе двигателя. Поэтому в настоящее время датчик количества воздуха с заслонкой заменен более совершенными датчиками массового расхода воздуха.
-

































Датчики массового расхода воздуха. Датчиками массового расхода воздуха называют нитевые или пленочные термоанемо - метрические датчики. Они устанавливаются между воздушным фильтром и дроссельной заслонкой и измеряют массу воздуха, поступающего в двигатель (кг/ч). Принцип действия обоих датчиков одинаков. В потоке поступающего воздуха находится электрически нагреваемое тело, которое охлаждается воздушным потоком.
Схема регулирования тока нагрева рассчитана таким образом, что всегда имеется положительная разность температуры измерительного тела относительно проходящего воздуха. В данном случае ток нагрева является мерой для массы воздушного потока. При таком методе измерения производится учет плотности воздуха, так как она также определяет величину теплоотдачи нагреваемого тела. Отсутствие в датчике подвижных частей делает его более надежным.
Нитевой датчик массового расхода воздуха. У данного датчика нагреваемым элементом является платиновая нить толщиной 70 мкм. Для учета температуры поступающего воздуха производится ее измерение встроенным компенсационным терморезистором. Нагреваемая нить и терморезистор включены в мостовую схему (рис. 6.30 - 6.32). Ток нагрева образует на прецизионном резисторе падение напряжения, пропорциональное массе проходящего воздуха. С целью предупреждения дрейфа за счет отложения загрязнений на платиновой нити после отключения двигателя осуществляется ее нагрев «прожиг» в течение нескольких секунд до температуры, ведущей к испарению или осыпанию отложений и тем самым ее очистке.





Пленочный датчик массового расхода воздуха. У такого датчика нагреваемым элементом является пленочный платиновый резистор, который находится вместе с другими элементами мостовой схемы на керамической подложке (рис. 6.33 - 6.35).
Температура нагреваемого элемента измеряется терморезистором, который включен в мостовую схему. Раздельное исполнение нагревательного элемента и терморезистора удобно для организации управления. Для измерения температуры воздуха используется компенсационный терморезистор, также расположенный на подложке, но отделенный канавкой. Напряжение на нагреваемом элементе является мерой для массы воздушного потока. Это напряжение преобразовывается электронной схемой измерителя в напряжение, совместимое с блоком управления.
Стабильность показаний датчика сохраняется без «прожига». В связи с тем, что засорение происходит в основном на передней кромке датчика, установка основных элементов произведена по ходу потока так, что засорение не оказывает влияния на датчик.
Датчик давления во впускной трубе. Датчик давления во впускной трубе пневматически соединен с последней и замеряет абсолютное давление (кПа). Он изготавливается в виде встраиваемого в блок управления элемента или как отдельный датчик, который устанавливается вблизи или на самой впускной трубе. При применении встроенного датчика соединение с впускной трубой производится шлангом. Датчик состоит из пневматической секции с двумя чувствительными элементами и схемы обработки сигнала, установленных на общей керамической подложке (рис. 6.36).
Чувствительный элемент представляет собой колоколообразную толстопленочную мембрану, которая образует камеру с образцовым внутренним давлением.
В зависимости от давления во впускной трубе мембрана прогибается на определенную глубину. На мембране установлены пьезо - резисторы, проводимость которых меняется от механического напряжения (рис. 6.37).




































Пьезорезисторы включены по мостовой схеме, так что смещение мембраны вызывает напряжение рассогласования моста, которое является мерой давления во впускной трубе.
Блок обработки увеличивает напряжения моста, компенсирует влияние температуры и обеспечивает линейный выходной сигнал, пропорциональный давлению.



Датчик положения дроссельной заслонки. Датчик положения дроссельной заслонки определяет угол ее поворота для расчета вспомогательного сигнала о нагрузке двигателя. Он позволяет получать дополнительную информацию для распознавания режимов (холостой ход, частичная и полная нагрузки) и может использоваться в качестве источника аварийного сигнала при выходе из строя основного датчика нагрузки. Обработка сигнала датчика в БУ позволяет рассчитывать не только положение, но и скорость перемещения педали управления дроссельной заслонкой. В большинстве систем датчик устанавливается на патрубке дроссельной заслонки и находится на одной оси с ней. Потенциометр замеряет угловое положение дроссельной заслонки и передает соотношение напряжений через резисторную схему на блок управления (рис. 6.38 и 6.39). Использование датчика дроссельной заслонки в качестве основного датчика нагрузки предъявляет повышенные требования к его точности, что достигается за счет установки двух потенциометров и усовершенствования опор вращения. Поступающая масса воздуха определяется блоком управления в зависимости от положения дроссельной заслонки и частоты вращения двигателя. Температурные колебания воздушной массы учитываются после обработки сигналов температурных датчиков.
В системах с электроуправляемой дроссельной заслонкой датчик располагается на педали управления топливоподачей.







Датчики частоты вращения и положения коленчатого и распределительного валов
Датчик частоты вращения и положения коленчатого вала.
Положение поршня в цилиндре является определяющим для расчета момента зажигания. Датчик на коленчатом валу выдает информацию о положении поршней всех цилиндров. Частота вращения коленчатого вала также рассчитывается по сигналу этого датчика. На коленчатом вале устанавливается магнитопроводящий зубчатый диск с расчетным числом зубьев 60, при этом 2 из них отсутствуют. Индуктивный датчик частоты вращения производит последовательный опрос этих 58 зубьев. Он состоит из постоянных магнитов и сердечника из мягкого железа с медной обмоткой (рис. 6.40). Провод, соединяющий датчик и БУ, выполняется экранированным. При прохождении зубьев через зону чувствительного элемента в нем изменяется магнитный поток.
В обмотке датчика индуцируется переменная ЭДС (рис. 6.41). Амплитуда переменного напряжения уменьшается при увеличении расстояния между датчиком и зубчатым диском и растет с увеличением частоты вращения. Достаточная амплитуда имеет место уже при минимальной частоте вращения (20 мин"1). Геометрия зубьев и полюсов должны соответствовать друг другу. Блок управления формирует из синусоидального напряжения с сильно меняющейся амплитудой прямоугольное напряжение с постоянной амплитудой.



Боковые фронты прямоугольного напряжения передаются через вход прерываний на процессор. Если текущий период прохождения фронтов в два раза больше как предыдущего, так и последующего, то происходит распознавание опорного промежутка в зубьях. Он сопряжен с определенным положением коленчатого вала. Процессор производит в данный момент синхронизацию положения коленчатого вала. При каждом последующем положительном или отрицательном фронте от боковых кромок зубьев процессор производит дальнейший отсчет положения коленчатого вала на три градуса. Подача сигнала зажигания должна производиться с меньшими шагами. Период между двумя боковыми кромками зубьев разделяется, поэтому, на четыре отрезка. К каждой боковой кромке зуба можно привязать один, два или три таких отрезка времени (благодаря этому можно производить выдачу сигнала зажигания с шагом 0,75 градуса).
Датчик положения распределительного вала. Распределительный вал управляет впускными и выпускными клапанами двигателя. Частота его вращения в два раза ниже, чем частота вращения коленчатого вала.
При движении поршня в верхнюю мертвую точку распределительный вал определяет по положению впускных и выпускных клапанов, находится ли поршень в такте сжатия с последующим зажиганием или же в такте выпуска газов. Эту информацию, исходя из положения коленчатого вала, получить невозможно. Если система зажигания имеет высоковольтный распределитель, который механически связан с распределительным валом, то ротор распределителя определяет нужный цилиндр и информация о положении распределительного вала для выдачи сигнала зажигания блоку управления не нужна. В системах с распределением искр методом холостой искры и нефазированным впрыском топлива также достаточно сигнала от датчика положения коленчатого вала.
Информация о положении распределительного вала необходима, если реализуется индивидуальная установка момента впрыска топлива для каждого цилиндра, что имеет место при фазированном (последовательном) впрыске, а также при использовании системы зажигания с низковольтным распределением и индивидуальными катушками.
Для определения положения распределительного вала используется датчик на эффекте Холла. Датчик управляется шторкой из магнитопроводящего материала, закрепленной на распределительном валу.
Напряжение с датчика Холла имеет порядок милливольт, поэтому датчик формирует сигнал и передает его в блок управления в виде двоичного сигнала. В простейшем случае процессор проверяет наличие напряжения с датчика Холла и тем самым положение первого цилиндра в рабочем такте в момент прохождения опорного промежутка зубчатого диска. Специальные формы шторок позволяют использовать сигнал положения распределительного вала в качестве аварийного при повреждении датчика частоты вращения. Разрешающая способность сигнала датчика положения распределительного вала является недостаточной для его применения вместо датчика частоты вращения в нормальном режиме.

Датчик кислорода
Датчик кислорода (Л-зонд) регистрирует наличие кислорода в отработавших газах, что является прямым показателем качества рабочей смеси. Присутствие кислорода в отработавших газах характеризует бедную смесь ?а > 1, отсутствие - богатую а < 1. Применение датчика кислорода обусловлено необходимостью поддерживать стехиометрический состав рабочей смеси (а = 1) для функционирования трехкомпонентного каталитического нейтрализатора. Датчик кислорода устанавливается в выпускной системе двигателя перед нейтрализатором. Иногда применяется второй датчик после нейтрализатора. Наружная поверхность датчика омывается отработавшими газами, а внутренняя сообщается с атмосферой. В настоящее время наибольшее распространение получили датчики на основе диоксида циркония Zr02 (рис. 6.42).

Датчик этого типа работает как химический источник ЭДС. Основание датчика - колпачок, спеченный из порошка диоксида циркония и выполняющий функцию твердого электролита (рис. 6.43). С внутренней и внешней стороны на колпачок нанесены электроды из пористой платины, имеющие электрические выводы. С внешней стороны датчик покрыт оболочкой из пористого алюминия, через который могут проникать отработавшие газы. При различии в концентрации кислорода между внутренней и наружной поверхностями датчика на платиновых электродах возникает разность потенциалов. Содержание кислорода в воздухе практически постоянно и составляет 21 %. При работе двигателя на богатой рабочей смеси напряжение датчика около 900 мВ, на бедной - 50 мВ.
Сигнал датчика изменяется резко при незначительных изменениях концентрации кислорода (рис. 6.44). Однако проводимость керамического электролита при температуре ниже 150°С практически равна 0. Рабочая температура датчика, при которой обеспечивается необходимая скорость срабатывания, составляет 600°С. Предельно допустимая температура 850°С. Диапазон рабочих температур является определяющим при выборе места установки датчика в выпускной системе. Современные датчики оснащаются электроподогревом, включаемым по команде БУ.
Кабель, соединяющий БУ и датчик кислорода, выполняется экранированным. Корпус датчика полностью герметичен. Атмосферный воздух поступает к чувствительному элементу через зазоры изоляции проводов.
Датчик второго типа выполнен из титана и работает за счет изменения сопротивления чувствительного элемента датчика.



Датчик отличается быстродействием и устойчивостью к высокой температуре.

Датчики температуры
В ЭСАУ топливоподачей бензиновых и дизельных двигателей ис- пользуются датчики температуры охлаждающей жидкости, воздуха, топлива, масла. В большинстве современных датчиков используются полупроводниковые терморезисторы с отрицательным температурным коэффициентом. Сопротивление такого элемента с ростом температуры уменьшается от десятков ом при -20°С до десятков килоом при 100°С. На рис. 6.45 показан датчик температуры двигателя.



Датчик детонации
Для выбора оптимального угла опережения зажигания и при управлении наддувом используется датчик детонации. Расположение и количество устанавливаемых датчиков определяется исходя из особенностей конструкции двигателя. Обычно 4-цилиндровые рядные двигатели оснащаются одним датчиком детонации, 6-цилиндровые двумя, 8- и 12-цилиндровые - двумя и более (рис. 6.46). Чувствительный элемент датчика детонации выполняется из пьезокерамики (рис. 6.47). Напряжение на выходе датчика, пропорциональное уровню, шума по экранированному проводу подается в БУ. Обработка сигнала в БУ позволяет определять возникновение детонации в отдельном цилиндре двигателя.
Главное реле и реле бензонасоса
Для коммутации цепи питания ЭСАУ, цепи бензонасоса и других силовых цепей, например, подогрева датчика кислорода, вентилятора системы охлаждения двигателя, электропривода управления фазами газораспределения, используются внешние реле.
Главное реле и реле бензонасоса могут быть объединены в общий блок или применяются стандартные реле.

На рис. 6.48 показана характерная схема подключения главного реле и реле топливного насоса.
После включения зажигания БУ подает питание на главное реле. Через контакты главного реле к «+» бортовой сети подключаются силовой вход питания БУ, форсунки, регулятор холостого хода, обмотка реле бензонасоса и др. После выключения зажигания в некоторых системах БУ оставляет питание на несколько секунд включенным для завершения работы и сохранения текущих настроек в энергонезависимой памяти.
Реле бензонасоса коммутирует цепь электродвигателя бензонасоса по сигналу БУ. Так, при включении зажигания БУ включает на несколько секунд реле бензонасоса, чтобы поднять давление топлива в системе для последующего пуска двигателя. Цепь питания бензонасоса остается разомкнутой до тех пор, пока коленчатый вал не начнет вращаться. В некоторых системах реле бензонасоса также коммутирует цепь подогрева датчика кислорода.



1.Системы управления наполнением цилиндров

В бензиновых двигателях, работающих на гомогенной топливовоздушной смеси, количество поступающего в цилиндры воздуха имеет решающее значение для создания крутящего момента и, следовательно, мощности двигателя. Это означает, что особое значение имеет не только система дозирования топливоподачи, но также и системы, которые определяют наполнение (заряд) цилиндров, а также эмиссию вредных веществ с отработавшими газами.

Управление подачей воздуха
Для сжигания топлива требуется кислород, который двигатель забирает из воздуха, поступающего в цилиндры. В двигателях с внешним смесеобразованием (впрыск топлива во впускной коллектор), также как и в двигателях с непосредственным впрыском бензина, работающих на гомогенной топливовоздушной смеси с \ = 1, величина крутящего момента непосредственно зависит от массы заряда воздуха. Управление величиной расхода воздуха в двигателе и, следовательно, зарядом цилиндров, осуществляется дроссельной заслонкой, расположенной во впускном тракте.
Обычные системы впуска
Обычные системы впуска (рис. 1) характеризуются наличием механически управляемой дроссельной заслонки 3. Движение педали акселератора 1 передаётся дроссельной заслонке жёсткой тягой 2 или тросом. Поворот дроссельной заслонки на определённый угол изменяет поперечное сечение впускного канала 4 и, таким образом, регулирует расход воздуха 5, поступающиего в двигатель, и вместе с этим величину крутящего момента.
Для того чтобы компенсировать высокий уровень потерь на трение при пуске холодного двигателя, требуется увеличивать расход воздуха и подавать избыточное количество топлива. Когда, например, включён кондиционер, для преодоления момента сопротивления также требуется увеличивать расход воздуха. Соответствующая информация посылается в электронный блок управления 8 в форме электрического сигнала 9, и дополнительный расход воздуха 6 через привод (регулятор) байпаса 7 подаётся в двигатель в обход дроссельной заслонки. В другом способе используется привод дроссельной заслонки, регулирующий упор минимального её открытия. Однако в обоих случаях возможно только электронное управление расходом воздуха, поступающего в двигатель в ограниченном количестве, например, для регулирования минимальной частоты вращения холостого хода.







Рис.1. Принцип регулирования расхода воздуха в обычной системе впуска с использованием дроссельной заслонки с механическим приводом и регулятора перепуска воздуха (байпас)
1.Педаль акселератора 2.Трос Боудена или тяга 3.Дроссельная заслонка 4.Впускной канал 5.Расход воздуха на впуске 6.Перепуск воздуха
7.Регулятор минимальной частоты вращения холостого хода (привод байпаса)
8.Электронный блок управления (ECU) 9.Входные координаты (электрические сигналы)

Системы электронного управления дроссельной заслонкой
Система электронного управления дроссельной заслонкой (ETC, известная также как EGAS - 2 на рис. 2), обеспечивает регулирование её положения. Привод дроссельной заслонки 5 осуществляется электромотором постоянного тока 4 и датчиком угла поворота 3, которые находятся в одном блоке с дроссельной заслонкой (механизм привода дроссельной заслонки). Чтобы запустить указанный механизм, нужно изменить положение педали акселератора, другими словами, подать входной сигнал от водителя, который регистрируется двумя потенциометрами (датчик положения педали акселератора 1). Принимая во внимание данный эксплуатационный режим работы двигателя (частота вращения, температура охлаждающей жидкости и т.д.), электронный блок управления двигателя рассчитывает угол открытия дроссельной заслонки, который соответствует входному сигналу водителя, и преобразует его в пусковой сигнал механизма привода дроссельной заслонки.
Используя информацию обратной связи от датчика угла поворота дроссельной заслонки, соответствующую текущему её положению, электронный блок управления может осуществлять точную регулировку. Два потенциометра в педали акселератора и два потенциометра в механизме привода дроссельной заслонки являются составляющей концепции текущего контроля (ETC).
Потенциометры дублируются с целью резервирования. В случае неисправности, определяемой в той части системы управления, которая имеет большое значение для мощности двигателя, дроссельная заслонка немедленно перемещается в предварительно запрограммированное положение (аварийный режим, или режим «доехать до дома»).


Рис.2
Датчик положения педали акселератора
Электронный блок управления двигателя(ECU)
Датчик угла поворота дроссельной заслонки
Приводдроссельной заслонки (электромотор постоянного тока)
Дроссельная заслонка

В системах электронного управления последнего поколения система ETC интегрирована с электронным блоком управления двигателя, который управляет также системами зажигания, впрыска топлива и дополнительными функциями. Отдельных электронных блоков электронного управления дроссельной заслонкой больше не устанавливается.
Требования законодательства по контролю эмиссии вредных веществ от года к году становятся всё более жёсткими. Благодаря электронному управлению дроссельной заслонкой они могут быть совмещены с требованиями дальнейшего совершенствования способов формирования топливовоздушной смеси.
Система электронного управления дроссельной заслонкой в сочетании с требованиями, накладываемыми системой непосредственного впрыска бензина на все системы автомобиля, является совершенно необходимой.



Переменные фазы газораспределения
Кроме использования дроссельной заслонки для регулирования расхода поступающего в двигатель воздуха имеются также несколько других возможностей влияния на величину заряда цилиндров. На количество свежего заряда и на долю остаточных газов можно также влиять путём применения переменных фаз газораспределения. Большое значение для установки фаз газораспределения имеет тот факт, что величина заряда, поступающего в цилиндры двигателя, и выходящих из них отработавших газов существенно зависят от частоты вращения двигателя и открытия дроссельной заслонки. Следовательно, при неизменных фазах газораспределения это означает, что цикл газообмена может быть оптимальным только для одного рабочего режима двигателя. В то же время переменные фазы газораспределения позволяют адаптировать наполнение цилиндров к различным значениям частоты вращения двигателя. Это даёт следующие преимущества:
Увеличение мощности двигателя;
Оптимальная характеристика крутящего момента в широком диапазоне скоростных режимов двигателя;
Снижение эмиссии вредных веществ;
Уменьшение расхода топлива;
Снижение уровня шума двигателя. 


Рис.3
1-Запаздывание фазы впуска 2-Нормальное положение
3- Опережение фазы впуска 4-Перекрытие клапанов

Регулирование фаз газораспределения поворотом распределительного вала. В обычных ДВС распределительный и коленчатый валы механически связаны зубчатым ремнём или цепью. Это соединение является неизменным. В двигателях с переменными фазами газораспределения, по крайней мере, распределительный вал впускных клапанов, но все чаще и распределительный вал выпускных клапанов, могут поворачиваться относительно коленчатого вала, в результате чего изменяется фаза перекрытия клапанов Период открытия и величина подъёма клапана во время регулирования положения распределительного вала не изменяются то есть фазы открытия и закрытия впускных клапанов по отношению одна к другой остаются неизменными. Регулирование положения распределительного вала осуществляется посредством электрических или электрогидравлических приводов. Простые устройства обеспечивают только два регулировочных положения распределительного вала. В более сложных системах в пределах определённого диапазона осуществляется плавное регулирование положения распределительного вала относительно коленчатого вала двигателя.
На рис. 3 показано изменение фазы подъёма впускного клапана по отношению к ВМТ при регулировании положения распределительного вала.
Запаздывание фазы впуска при регулировании положения распределительного вала Запаздывание распределительного вала и, соответственно, более позднее открытие впускного клапана приводит к уменьшению фазы перекрытия клапанов или даже к полному её закрытию. При малых значениях частоты вращения (меньше 2000 мин1) результатом этого является только перетекание небольшого количества отработавших газов через впускной клапан во впускной коллектор. Таким образом, при малых значениях частоты вращения небольшое содержание остаточных газов в топливовоздушной смеси позволяет улучшить процесс сгорания и повысить плавность работы двигателя на режиме минимального холостого хода. Это позволяет снизить частоту вращения холостого хода и, соответственно, уменьшить расход топлива. При высоких значениях частоты вращения двигателя (больше 5000 мин1) распределительный вал также может устанавливаться в положение запаздывания. Значительно более позднее закрытие впускного клапана после НМТ приводит к лучшему наполнению цилиндров свежей смесью. Эффект дозаряда является результатом высокой скорости прохождения свежей смеси через впускной клапан, которое продолжается даже после того как поршень начинает двигаться вверх, сжимая топливовоздушную смесь. По этой причине впускной клапан закрывается значительно позднее времени прохождения НМТ.
Опережение фазы впуска при регулировании положения распределительного вала В диапазоне средних скоростных режимов скорость прохождения потока свежей топливовоздушной смеси через впускной канал значительно меньше, и поэтому эффект до заряда, имеющий место при больших скоростях, на этих режимах не происходит. Раннее закрытие впускного клапана на средних скоростных режимах, вскоре после НМТ, предотвращает выталкивание вошедшей свежей смеси поднимающимся поршнем обратно во впускной коллектор. На таких скоростных режимах поворот распределительного вала в сторону опережения обеспечивает лучшее наполнение цилиндров и, следовательно, оптимальную характеристику крутящего момента. Поворот распределительного вала на опережение фазы впуска приводит к увеличению периода перекрытия клапанов. Раннее открытие впускного клапана, непосредственно перед ВМТ, означает, что остаточные отработавшие газы, которые уже не вышли из цилиндра, выталкиваются поднимающимся поршнем через открытый впускной клапан во впускной коллектор. Эти отработавшие газы затем снова поступают в цилиндр и увеличивают долю содержания остаточных газов в свежем заряде. Повышенное содержание остаточных газов в свежем заряде топливовоздушной смеси, вызванное регулировкой распределительного вала на опережение впуска, влияет на протекание процесса сгорания, что приводит к снижению максимальной температуры сгорания и уменьшению образования оксидов азота. Более высокое содержание «инертного» газа в заряде цилиндра делает необходимым большее открытие дроссельной заслонки, которое в свою очередь, приводит к уменьшению потерь при дросселировании потока. Это означает, что при соответствующем перекрытии клапанов может быть снижен расход топлива.
Регулирование положения распределительного вала выпускных клапанов. В системах газораспределения с регулированием положения распределительных валов впускных и выпускных клапанов для изменения содержания остаточных газов используется соответствующий поворот обоих распределительных валов. В этом случае можно осуществлять независимое регулирование как общего наполнения цилиндров (определяется закрытием впускного клапана), так и доли содержания остаточных газов (определяется открытием впускного и закрытием выпускного клапанов).
Перенастройка распределительного вала
Перенастройка распределительного вала включает в себя его переключение между двумя рядами кулачков с разным профилем.
Первое положение обеспечивает оптимальные фазы газораспределения и подъём впускных и выпускных клапанов на низких и средних скоростных режимах. Во втором положении распределительного вала имеет место более высокий подъём клапанов и более продолжительное время их открытия, что требуется на высоких частотах вращения.



Рис.5
а-Минимальный подъём b-Максимальный подъём

На низких и средних скоростных режимах подъём клапанов с соответствующим небольшим проходным сечением приводит к высокой скорости потока и, следовательно, к высокому уровню турбулентности потока воздуха в цилиндре (непосредственный впрыск бензина) или потока топливо-воздушной смеси (впрыск бензина во впускной коллектор). Это обеспечивает качественное образование топливовоз-душной смеси на частичных нагрузках двигателя. На режимах больших нагрузок и высоких частотах вращения требуется максимальное наполнение цилиндров свежим зарядом (полностью открытая дроссельная заслонка). На этих режимах выбирается максимальный подъём клапанов. Существует много способов переключения кулачков с разными профилями. Один способ, например, основан на использовании свободно качающегося рычага, который соединяется со стандартным коромыслом при изменении частоты вращения. Другой способ заключается в использовании переключения тарельчатых толкателей.
Полностью регулируемые фазы газораспределения и высота подъёма клапанов посредством управления распределительным валом
Управление работой механизма газораспределения, в котором регулируется высота подъёма клапанов и фазы газораспределения, называется полнообъемное регулирование. Ещё большая свобода работы двигателя обеспечивается применением трёхмерных профилей кулачков и осевым перемещением распределительных валов (рис. 5). При таком способе управления обеспечивается не только плавное регулирование высоты подъёма клапанов (только впускных клапанов) и, следовательно, период открытого их состояния, но также и взаимное положение распределительного и коленчатого валов. Раннее закрытие впускного клапана в такой системе управления делает возможным такое регулирование наполнения цилиндров, при котором дросселирование потока во впускном коллекторе существенно уменьшается. Это позволяет несколько снизить расход топлива, по сравнению с обычным регулированием фаз газораспределения.
Полностью регулируемые фазы газораспределения и высота подъёма клапанов без использования распределительного вала
Максимальная степень свободы конструкции и максимальные потенциальные возможности достигаются системами регулирования фаз газораспределения и не зависят от распределительного вала. В такой системе газораспределения клапаны открываются и закрываются, например, электромагнитными приводами, которые находятся под управлением дополнительного электронного блока управления. Такая форма полного управления газораспределением без использования распределительного вала имеет целью максимальное снижение потерь при дросселировании потока во впускном коллекторе в сочетании с очень низкими насосными потерями. Дальнейшее снижение расхода топлива может быть достигнуто путём отключения отдельных цилиндров и клапанов. Такие концепции полномасштабного управления газораспределением позволяют не только достигнуть наилучшего наполнения цилиндров и, следовательно, создания максимального крутящего момента, но также обеспечивают лучшее формирование топливовоздушной смеси, что приводит к уменьшению вредных выбросов с отработавшими газами.

Рециркуляция отработавших газов (EGR)
На массу остаточных газов в цилиндре и, следовательно, на содержание «инертных» газов в заряде цилиндра можно влиять изменением фаз газораспределения. Это является «внутренней» рециркуляцией отработавших газов. На содержание отработавших газов в свежем заряде цилиндров в большей степени можно влиять применением «внешней» рециркуляции (EGR), в которой часть отработавших газов, уже покинувших цилиндр, направляется обратно во впускной коллектор по специальной линии (3 на рис. 6). Применение системы рециркуляции отработавших газов позволяет снизить эмиссию оксидов азота и несколько уменьшить расход топлива.
Ограничение эмиссии оксидов азота
Поскольку образование оксидов азота существенно зависит от температуры, то применение системы рециркуляции отработавших газов является весьма эффективным способом снижения эмиссии NO .
Добавление отработавших газов к свежей топливовоздушной смеси приводит к снижению максимальной температуры сгорания и к соответствующему уменьшению образования оксидов азота.
Уменьшение расхода топлива
При использовании системы рециркуляции отработавших газов увеличивается общее наполнение цилиндров, в то время как заряд свежего воздуха остаётся постоянным. Это означает, что для достижения требуемого крутящего момента необходимо уменьшить дросселирование потока большим открытием дроссельной заслонки 2. В результате имеет место уменьшение расхода топлива.

Принцип действия системы рециркуляции отработавших газов (EGR)
В зависимости от режима работы двигателя, электронный блок управления 4 посылает сигнал на открытие клапана системы рециркуляции 5, обеспечивая соответствующее проходное сечение клапана. Тогда часть 3 отработавших газов 6 через открытое проходное сечение клапана возвращается и смешивается со свежим воздухом, поступающим в цилиндры. В результате определяется относительное содержание отработавших газов в заряде цилиндров.
Система рециркуляции отработавших газов при непосредственном впрыске бензина
Система рециркуляции отработавших газов используется также для снижения эмиссии оксидов азота и расхода топлива в двигателях с непосредственным впрыском бензина. Действительно, использование этой системы совершенно необходимо, поскольку эмиссия NOx при работе на бедной смеси может быть снижена в такой степени, что можно обойтись без других способов снижения токсичности выбросов (например, применение каталитического нейтрализатора аккумуляторного типа для снижения эмиссии оксидов азота при работе на богатой гомогенной смеси). Использование системы рециркуляции отработавших газов благоприятно влияет также на уменьшение расхода топлива.

Рис.6
1-Впуск свежего воздуха 2-Дроссельная заслонка 3-Рециркуляция части отработавших газов 4-Электронный блок управления двигателя 5-Клапан системы рециркуляции 6-Отработавшие газы 7-Частота вращения двигателя 8-Относительный заряд воздуха
Для того чтобы отработавший газ через клапан системы рециркуляции мог поступать во впускной коллектор, между ним и выпускным трубопроводом должен быть перепад давлений. Однако двигатели с непосредственным впрыском бензина на режимах частичных нагрузок работают с практически полным открытием дросселя. Более того, при работе на бедных смесях через клапан EGR во впускной коллектор поступает значительное количество кислорода. Работа двигателя практически без дросселирования и поступление кислорода во впускной коллектор через клапан системы рециркуляции требует определённой стратегии управления, которая могла бы координировать работу дроссельной заслонки и клапана системы рециркуляции. Это предъявляет жёсткие требования к системе рециркуляции отработавших газов в отношении точности и надёжности работы. Система должна быть достаточно устойчивой, чтобы противостоять отложениям, которые накапливаются в компонентах системы выпуска при низких температурах отработавших газов.
Динамический наддув
Величина крутящего момента двигателя приблизительно пропорциональна содержанию свежей смеси в заряде цилиндров. Это означает, что максимальный крутящий момент может быть в некоторой степени увеличен сжатием воздуха перед поступлением его в цилиндры. На процессы газообмена влияют не только фазы газораспределения, но также конструкция трубопроводов(каналов) впуска и выпуска. Работа поршня на такте впуска при открытом впускном клапане вызывает обратную волну давления. На открытом конце впускного коллектора волна давления встречается с неподвижным воздухом окружающей среды, отражается от него и снова направляется к впускному клапану. Возникающие в результате колебания давления у впускного клапана могут быть использованы для увеличения свежего воздушного заряда и, следовательно, достижения максимально возможного крутящего момента.
Такой эффект наддува определяется динамической характеристикой воздуха на впуске. Во впускном коллекторе динамический эффект зависит от геометрических соотношений и частоты вращения двигателя.
Для равномерного распределения топливовоздушной смеси впускные коллекторы карбюраторных двигателей и двигателей с одноточечным впрыском топлива (TBI) должны иметь короткие впускные патрубки, которые, насколько это возможно, должны быть одинаковой длины для всех цилиндров. В системах многоточечного впрыска (MPI) топливо впрыскивается или во впускной коллектор вблизи впускного клапана, или непосредственно в камеру сгорания (непосредственный впрыск бензина). В системах многоточечного впрыска, поскольку во впускном коллекторе движется только воздух, и на его стенках практически не оседает топливо, обеспечивается широкий диапазон конструктивных решений для впускного коллектора. По этой причине в системах многоточечного впрыска отсутствуют проблемы с равномерным распределением топлива.
Инерционный наддув
Впускные коллекторы в системах многоточечного впрыска топлива включают в себя индивидуальные впускные патрубки и общую камеру (ресивер).

Рис.7
1-Цилиндр 2-Индивидуальный впускной патрубок 3-Камера впускного коллектора
4-Дроссельная заслонка

В случае инерционного наддува (рис. 7) каждый цилиндр имеет свой собственный пусковой патрубок 2 определенной длины который обычно соединяется с камерой впускного коллектора 3. В такой конструкции волны сжатия могут независимо распространяться по индивидуальным впускным патрубкам.
Эффект наддува зависит от геометрии впускного коллектора и частоты вращения двигателя. По этой причине длина и диаметр индивидуальных впускных патрубков согласуются с фазами газораспределения таким образом, чтобы в данном диапазоне частоты вращения волна давления, отражённая на конце патрубка, могла входить в цилиндр 1 через открытый впускной клапан, обеспечивая тем самым лучшее наполнение цилиндра. Длинные и узкие впускные патрубки дают заметный эффект наддува на низкой частоте вращения. С другой стороны, короткие, большого диаметра впускные патрубки, обеспечивают улучшение характеристики крутящего момента при высоких значениях частоты вращения двигателя.

Резонансный наддув
При определённой частоте вращения двигателя возвратно-поступательное движение поршня вызывает резонансные колебания воздушного столба во впускном коллекторе, что приводит к повышению давления и дополнительному эффекту наддува. При настройке впускной системы (рис. 9) группы цилиндров 1 с одинаковыми углами опережения зажигания и короткими патрубками 2 соединяются с резонансными камерами 3, которые в свою очередь через настроенные впускные патрубки 4 соединяются или с атмосферой, или с камерой 5 впускного коллектора. В результате они действуют как резонаторы Гельм-гольца.


Рис.8
1-Цилиндры 2-Короткий впускной патрубок 3-Резонансная камера 4-Резонансный впускной патрубок 5-Камера впускного коллектора 6-Дроссельная заслонка
А -Группа цилиндров А, В-Группа цилиндров В
Подразделение на две группы цилиндров, каждая из которых со своей настройкой впускных патрубков, предотвращает перекрытие потоков двух соседних по порядку работы (зажигания) цилиндров. Длина настроенных (резонансных) впускных патрубков и объём резонансной камеры являются функциями диапазона частоты вращения, в котором эффект резонансного наддува должен быть максимальным. Однако эффект аккумулирования в камерах с большими объёмами, которые иногда требуются, в некоторых случаях при резких изменениях нагрузки может приводить к динамическим сбоям.
Впускной коллектор с изменяемой геометрией
Дополнительный заряд цилиндров при динамическом наддуве зависит от режима работы двигателя. Обе описанные выше системы обеспечивают максимально возможное увеличение заряда цилиндров, главным образом, в диапазоне низких частот вращения (рис. 9). Практически идеальная характеристика крутящего момента может быть достигнута с изменяемой геометрией впускных коллекторов, в которых используются заслонки, осуществляющие в функции рабочего режима двигателя различные регулировки, такие как:
Регулирование длины резонансныхвпускных патрубков;
Переключение между впускными патрубками различной длины и диаметра;
Выборочное выключение из работы одного из нескольких впускных патрубков;
Переключение резонансных камер различного объёма.
В системах с изменяемой геометрией впускных каналов для указанного переключения используются заслонки с электрическими или электропневматическими приводами.


Рис. 9
1-Система с резонансным наддувом 2-Система с обычным впускным коллектором

Изменяемая геометрия впускного коллектора при инерционном наддуве
Изменяемая геометрия впускного коллектора, показанная на рис. 10, может осуществлять переключение между двумя разными впускными патрубками. В диапазоне низких частот вращения переключающая заслонка 1 закрыта, поток воздуха на впуске поступает в цилиндры по длинному впускному патрубку 3. На высоких частотах вращения переключающая заслонка открывается, и поток воздуха протекает через короткий впускной патрубок большого диаметра 4, увеличивая наполнение цилиндров на этом скоростном режиме.

Изменяемая геометрия впускного коллектора
при резонансном наддуве
Открытие резонансной заслонки включает в работу дополнительный резонансный впускной трубопровод. Изменяемая геометрия такой конфигурации влияет на собственную частоту колебаний потока во впускной системе. В результате достигается улучшение наполнения цилиндров в области низких частот вращения двигателя.

Комбинированная система резонансного
и инерционного наддува
Когда конструкция впускной системы позволяет при открытии переключающей заслонки (7 на рис. 11) объединять обе резонансные камеры 3 в одну камеру с общим объёмом, то можно говорить о комбинированной системе резонансного и инерционного наддува. Общая воздушная камера с высокой резонансной частотой колебаний потока работает с короткими впускными патрубками 2.
При работе на низких и средних значениях частоты вращения двигателя переключающая заслонка закрывается, и система работает в режиме резонансного наддува. Низкая резонансная частота определяется в этом случае длинными впускными патрубками 4.



Рис. 10
1-Переключающая заслонка 2-Воздушная камера впускного коллектора 3-Переключающая заслонка закрыта - работают длинные и узкие (малого диаметра) впускные патрубки 4-Переключающая заслонка открыта - работают короткие и широкие (большого диаметра) впускные патрубки
а - Геометрия впускного коллектора при закрытой переключающей заслонке
b - Геометрия впускного коллектора при открытой переключающей заслонке

Рис.11
Цилиндры 2-Короткий впускной патрубок 3-Резонансная камера 4-Настраиваемый (резонансный) впускной патрубок 5-Камера впускного коллектора 6-Дроссельная заслонка
7-Переключающая заслонка
А-Группа цилиндров А; В – Группа цилиндров В
а - Впускной коллектор при закрытой переключающей заслонке
b- Впускной коллектор при открытой переключающей заслонке
Механический наддув

Конструкция и принцип действия
Применение наддува позволяет увеличить массовый заряд цилиндров и, следовательно, повысить крутящий момент двигателя. При механическом наддуве используется нагнетатель (компрессор), который приводится непосредственно от коленчатого вала двигателя. Нагнетатели с механическим приводом могут быть или объёмными нагнетателями различных типов (нагнетатели Roots, пластинчато-роторные, спирального типа, винтовые), или центробежными компрессорами (радиального типа). На рис. 12 показан принцип работы винтового нагнетателя с двумя винтовыми роторами противоположного вращения. Как правило, нагнетатель имеет жёсткий привод от коленчатого вала двигателя.
Регулирование давления наддува
Регулирование давления наддува механического нагнетателя осуществляется применением системы перепуска (байпас), в которой часть сжатого воздуха поступает в цилиндры двигателя, а остальной воздух возвращается на впуск нагнетателя через перепускной клапан. Управление перепускным клапаном осуществляется системой управления двигателя.
Преимущества и недостатки механического наддува
Непосредственный привод механического нагнетателя от коленчатого вала двигателя означает, что при увеличении частоты вращения ускорение нагнетателя происходит без запаздывания. Следовательно, имеют место лучшие, по сравнению с турбонаддувом, динамические характеристики.
Поскольку привод механического нагнетателя осуществляется за счёт мощности двигателя, то указанные выше преимущества частично нейтрализуются более высоким расходом топлива по сравнению с тур-бонаддувом. Впрочем, этот недостаток может быть несколько компенсирован системой управления двигателя, которая посредством муфты может отключать нагнетатель на режимах малых нагрузок двигателя.

Рис.12
1-Впуск воздуха 2-Сжатый воздух
Турбонаддув
Среди всех возможных способов наддува ДВС наибольшее распространение получил турбонаддув. Даже в двигателях с небольшим рабочим объёмом применение турбонаддува позволяет получать большие значения крутящего момента и мощности при высоком уровне КПД двигателя. Если в прошлом турбонаддув применялся с целью увеличения такого показателя, как отношение мощности двигателя к массе, в настоящее время он используется главным образом для увеличения крутящего момента на низких и средних скоростных режимах. Это особенно относится к системам турбонаддува в комбинации с электронным регулированием давления наддува.
Конструкция и принцип действия
Основными компонентами турбокомпрессора (рис. 13) являются газовая турбина 3 и компрессор 1. Колесо (крыльчатка) компрессора и колесо турбины установлены на общем валу 2.
Для привода газовой турбины используется энергия отработавших газов двигателя, находящихся под давлением и при высокой температуре. С другой стороны, поток отработавших газов на выходе из двигателя может регулироваться с целью получения необходимой в данный момент мощности компрессора. Горячие отработавшие газы (7 на рис. 14) действуют на лопатках турбины 4 ради-ально, заставляя её вращаться с очень высокой скоростью. Лопатки колеса турбины наклонены в направлении центра, и направляют газ «внутрь» колеса, откуда он выходит в осевом направлении. Компрессор 3 вращается вместе с турбиной, но принцип его действия совершенно другой. Свежий воздух 5 входит в колесо компрессора в осевом направлении по его центру и в процессе сжатия отбрасывается радиально на периферию лопаток. Поскольку турбокомпрессор работает в потоке горячих газов, он должен изготовляться из жаростойких материалов.
Конструкции турбокомпрессоров
Турбокомпрессор с клапаном перепуска отработавших газов двигателя При проектировании ДВС одной из основных целей является достижение высокого крутящего момента в диапазоне низких скоростных режимов работы двигателя. Поэтому корпус турбины проектируется в расчёте на небольшой массовый расход отработавших газов, например, при полностью открытой дроссельной заслонке и частоте вращения < 2000 мин1. При большем расходе часть отработавших газов на этом режиме должна перепускаться мимо турбины в систему выпуска, для того чтобы турбокомпрессор не мог превысить давление наддува. Перепуск газов осуществляется через клапан перепуска (8 на рис. 14). Перепускной клапан в виде створчатой заслонки обычно встраивается в корпус турбины.


Рис.13
1-Компрессор 2-Вал турбокомпрессора 3-Газовая турбина
4-Вход отработавших газов двигателя 5-Выход сжатого воздуха

Клапан перепуска газов приводится в действие от управляющего клапана 6, который соединяется с импульсным клапаном 1 пневматической линией 2. Импульсный клапан служит для изменения давления наддува в зависимости от пускового электрического сигнала электронного блока управления (ECU). Этот пусковой сигнал является функцией текущего значения давления наддува, информация о котором поступает от датчика давления наддува (BPS).
Когда давление наддува низкое, то импульсный клапан поддерживает в пневматической линии небольшое давление, соответствующее сигналу от электронного блока управления. В этом случае управляющий клапан закрывает клапан перепуска газов, и практически весь поток отработавших газов поступает в турбину. Если, с другой стороны, давление наддува оказывается слишком большим, то импульсный клапан по пусковому сигналу поднимает давление в пневматической линии. Тогда управляющий клапан открывает клапан перепуска газов 8, и часть отработавших газов перепускается мимо турбины.
Турбокомпрессор с изменяемой геометрией турбины (VTG - Variable Turbine Geometry) Другим способом ограничения расхода отработавших газов через турбину при высоких значениях частоты вращения двигателя может быть применение изменяемой геометрии турбины (рис. 15). Турбокомпрессоры с изменяемой геометрией турбины находятся на уровне передовой техники и применяются в современных дизелях, но пока ещё их использование в бензиновых двигателях не стало успешным из-за высоких термических напряжений, что связано со значительно более высокими температурами отработавших газов.
Регулирование угла поворота лопаток 3 соплового аппарата турбины приводит к изменению его проходного сечения и, следовательно, расхода газов через турбину в соответствии с требуемым давлением наддува. При низких значениях частоты вращения двигателя проходное сечение соплового аппарата при повороте лопаток уменьшается, соответственно увеличивается скорость потока газов в турбине, что приводит к увеличению скорости вращения колеса турбины (рис. 15а).

Рис. 14
1-Импульсный клапан 2-Пневматическая управляющая линия 3-Компрессор 4-Газовая турбина
5-Вход свежего воздуха 6-Управляющий клапан давления наддува 7-Отработавшие газы
8-Клапан перепуска газов 9-Перепускной канал (байпас)
10 - Пусковой управляющий сигнал на импульсный клапан
VT -Объёмный расход газов через турбину
Vwe - Объёмный расход газов, проходящих через клапан перепуска
р2 - Давление наддува
рв - Давление на диафрагме управляющего клапана




При высоких значениях частоты вращения поворотные лопатки 3 открывают большее проходное сечение соплового аппарата, в результате чего скорость потока отработавших газов уменьшается, что приводит к уменьшению частоты вращения колеса турбины и, следовательно, к снижению давления наддува (рис. 15b). Достаточно просто регулировать угол наклона лопаток соплового аппарата поворотом регулировочного кольца 2. В этом случае требуемый угол поворота направляющих лопаток обеспечивается или непосредственно регулирующими рычагами 4, закреплёнными на лопатках, или регулирующими кулачками. Поворот регулировочного кольца осуществляется пневматически через барометрический привод 5, управление которым осуществляется с использованием разрежения или избыточного давления. Такой механизм регулирования получает пусковые сигналы от системы управления двигателя, так что давление наддува устанавливается на оптимальном уровне в соответствии с рабочим режимом двигателя.
Турбокомпрессор с управляющим золотником (VST)
В турбокомпрессорах с управляющим золотником «проходное сечение» турбины регулируется последовательным открытием двух каналов (2 и 3 на рис. 16) с использованием управляющего золотника 4. Вначале открыт только один канал с малым проходным сечением, что обеспечивает высокую скорость отработавших газов на лопатках турбины и, соответственно, высокую частоту вращения колеса турбины 1. Как только достигается максимально допустимая величина давления наддува, управляющий золотник открывает второй канал, скорость потока газов при этом уменьшается, и соответственно снижается давление наддува.
Используя перепускной канал 5, выполненный в корпусе турбины, можно направлять часть отработавших газов в обход турбины.
Положение управляющего золотника регулируется системой управления двигателя посредством барометрического привода.

Рис. 15
а Положение лопаток соплового аппарата при высоком давлении наддува
b Положение лопаток при снижении давления наддува
1-Газовая турбина 2-Регулировочное кольцо 3-Направляющие лопатки соплового аппарата 4-Регулирующий рычаг 5-Барометрический привод 6-Поток отработавших газов
Высокая скорость потока газов
Низкая скорость потока газов

Рис.16
а Открыт только один канал
b Открыты оба канала
1-Газовая турбина 2-Первый канал для прохода отработавших газов 3-Второй канал для прохода отработавших газов 4-Управляющий золотник 5-Перепускной канал 6-Регулировочная вилка

Преимущества и недостатки турбонаддува

По сравнению с атмосферными (без турбонаддува) двигателями такой же мощности основными преимуществами двигателей с турбонаддувом являются меньшая масса и габариты. Также значительно лучше протекание характеристики турбонаддувного двигателя по крутящему моменту во всём диапазоне скоростных режимов, что хорошо видно при сопоставлении кривых 4 и 3 на графике рис. 17. В общем, при данной частоте вращения это приводит к увеличению мощности двигателя (А -> В). Из-за более благоприятной внешней скоростной характеристики крутящего момента двигатель с турбонаддувом развивает такую же, как и двигатель без турбонаддува, мощность при меньшей частоте вращения (точки В и С, соответственно). В результате расход топлива оказывается меньше, несмотря на то, что степень сжатия в двигателе с турбонаддувом несколько меньше.
Недостатком двигателей с турбонаддувом является более низкий крутящий момент на очень малой частоте вращения. В таком скоростном диапазоне для привода турбины не хватает энергии отработавших газов двигателя. На переходных режимах (режим разгона) протекание кривой крутящего момента также менее благоприятно по сравнению с двигателем без турбонаддува (кривая 5). Причиной этого является задержка в нарастании расхода отработавших газов, а также инерция ротора турбокомпрессора. На режимах разгона это приводит к появлению «турбоямы», то есть задержки в нарастании давления наддува. Появление «турбоямы» может быть минимизировано использованием динамического наддува, что улучшает характеристику в начале разгона. Существует ряд других вариантов, в том числе применение электродвигателя для привода турбокомпрессора или дополнительного компрессора с электроприводом. Эти меры позволяют ускорить разгон колеса компрессора и, соответственно, расход воздуха, и тем самым исключить появление «турбоямы».

Рис. 17 Внешние скоростные характеристики мощности и крутящего момента двигателя с турбонаддувом по сравнению с характеристиками атмосферного двигателя (без наддува)

Характеристики атмосферного двигателя на установившихся режимах
Характеристики двигателя с турбонаддувом на установившихся режимах
Кривая крутящего момента двигателя с турбонаддувом на режиме разгона
(неустановившийся режим)
Промежуточное охлаждение наддувочного воздуха
В процессе сжатия в компрессоре воздух нагревается, но поскольку тёплый воздух имеет меньшую плотность, чем холодный, такое повышение температуры отрицательно сказывается на наполнении цилиндров. Следовательно, сжатый горячий воздух должен быть охлаждён в промежуточном охладителе воздуха. Промежуточное охлаждение воздуха увеличивает заряд цилиндров и, таким образом, повышает крутящий момент и мощность двигателя. Понижение температуры сжатого воздуха ведёт также к снижению температуры свежего заряда в цилиндрах, что даёт следующие преимущества:
Снижение склонности двигателя к дето нации;
Повышение термического КПД и, следовательно, уменьшении расхода топлива;
Снижение термической нагрузки на поршни;
Снижение эмиссии NO2

Газотурбинный наддув

Газотурбинный наддув является ещё одним средством повышения наполнения цилиндров и, следовательно, повышения крутящего момента (рис. 3). Турбокомпрессор расположен в выпускной системе двигателя таким образом, чтобы отработавшие газы могли приводить в действие турбину (14). В компрессоре (12) рабочее колесо установлено на одной оси с турбиной, сжимает воздух и тем самым повышает массовое наполнение цилиндров. В процессе сжатия в компрессоре воздух нагревается, что отрицательно отражается на наполнении. Для снижения температуры воздух пропускается через охладитель (5) (теплообменник). Для того чтобы предотвратить работу компрессора в режиме насоса при закрытой дроссельной заслонке (2), что привело бы к нежелательному повышенному шуму или даже к повреждению компрессора, используется клапан сброса давления (9), который открывает перепускной канал компрессора. Давление воздуха при наддуве должно регулироваться в соответствии с режимом работы двигателя. На высоких скоростных режимах и на режимах высоких нагрузок массовый поток отработавших газов настолько велик, что это может вызвать перегрузку двигателя, если не принять специальных мер. Поэтому часть отработавших газов перепускается помимо турбины в выпускной коллектор при помощи перепускного клапана (11), который называют "разгрузочным". Это ограничивает частоту вращения турбины и тем самым уменьшает создаваемое компрессором давление наддува во впускном трубопроводе. Проходное сечение перепускного канала изменяется пневматически управляемым клапаном регулирования давления наддува (10). Этот клапан управляется клапаном (13), на который поступают сигналы широтно-импульсной модуляции (PWM) от электронного блока управления (ECU).


Рис.18
Электронный блок управления двигателем (ECU)
Дроссельная заслонка сдатчиком положения и регулятором частоты вращения холостого хода
Линия подвода топлива
Датчики температуры и давления наддувочного воздуха
Охладитель надувочного воздуха
Обратный клапан
Вакуумный аккумулятор
Электромагнитный клапан (с импульсным управлением)
Клапан сброса давления (разгрузочный клапан)
Клапан управления давлением наддува
Клапан перепуска отработавших газов
Компрессор
Электромагнитный клапан (с импульсным управлением)
Турбина








Обзор систем впрыска бензина
Система впрыска бензина (или карбюраторная система) служит для дозирования состава топливовоздушной смеси, оптимального для каждого режима работы двигателя
Системы впрыска топлива, особенно системы с электронным управлением, значительно превосходят карбюраторные системы в соответствии жёстким ограничениям, накладываемым на формирование состава топливовоздушной смеси. Кроме того, они значительно эффективнее с точки зрения топливной экономичности, ходовых качеств автомобиля и мощности двигателя. Требования, предъявляемые жёсткими законодательными нормами к автомобилям, привели к практически полному вытеснению карбюраторов системами электронного впрыска топлива.
В настоящее время в большинстве систем впрыска топливовоздушная смесь формируется вне камеры сгорания (впрыск топлива во впускной коллектор). Однако системы внутреннего смесеобразования, то есть при впрыске топлива непосредственно в цилиндр (непосредственный впрыск бензина) всё больше и больше выходят на передний план, поскольку доказали, что они больше всего подходят для никогда не кончающихся попыток уменьшить расход топлива.


Рис.1
1-Топливо 2-Воздух 3-Дроссельная заслонка 4-Впускной коллектор 5-Форсунки
6-Блок цилиндров двигателя


Внешнее образование топливовоздушной смеси
Внешнее образование топливовоздушной смеси в системах впрыска бензина происходит во впускном коллекторе, то есть вне камеры сгорания. Создание и совершенствование таких систем обусловливалось необходимостью соответствия жёстким требованиям, предъявляемым к ДВС. В настоящее время наибольшее применение находят только системы многоточечного впрыска с электронным управлением.
Системы многоточечного впрыска топлива В системах многоточечного впрыска топлива каждый цилиндр оснащается своей собственной форсункой, которая впрыскивает топливо непосредственно перед впускным клапаном (рис. 1). Такие системы впрыска идеально соответствуют требованиям, предъявляемым к образованию топливовоздушной смеси.
Механическая система впрыска топлива Система впрыска топлива K-Jetronic работает без привода от двигателя, и впрыскивает топливо постоянно. Масса впрыскиваемого топлива определяется не форсункой, а дозирующим распределителем.
Комбинированная электронно-механическая система впрыска топлива Система впрыска топлива KE-Jetronic создана на базе механической системы, используемой для K-Jetronic. Благодаря дополнительным устройствам эта система может выполнять дополнительные функции с электронным управлением, что позволяет обеспечивать более точное дозирование впрыскиваемого топлива в соответствии с режимом работы двигателя.
Электронные системы впрыска топлива Электронные системы впрыска обеспечивают периодический впрыск топлива через форсунки с электромагнитным управлением. Количество впрыскиваемого топлива определяется временем открытия форсунки (для данного перепада давлений на форсунке).
Примеры: L-Jetronic, LH-Jetronic и Motronic как интегрированная система управления работой двигателя (М и ME-Motronic).
Одноточечный впрыск топлива Система одноточечного впрыска топлива (известная также как впрыск в корпусе дроссельной заслонки - TBI) включает в себя форсунку с электромагнитным управлением, расположенную в центральной точке непосредственно над дроссельной заслонкой. В такой системе топливо периодически впрыскивается во впускной коллектор (рис. 2). Системы одноточечного впрыска фирмы Bosch обозначаются как Mono-Jetronic и Mono-Motronic.
Внутреннее образование топливовоздушной смеси
В системах непосредственного впрыска (DI) топливо впрыскивается прямо в камеру сгорания форсунками с электромагнитным управлением в каждом цилиндре двигателя (рис. 3). Следовательно, образование топливовоздушной смеси происходит внутри камеры сгорания.
Это позволяет получать две совершенно разные рабочие модели состава топливо-воздушной смеси - гомогенную смесь и послойное распределение смеси. Образование гомогенной топливовоздушной смеси подобно внешнему смесеобразованию. В этом случае гомогенная смесь распределяется по всему объёму камеры сгорания, и весь свежий воздух участвует в процессе сгорания. Такой рабочий процесс используется, когда необходимо получить высокий уровень крутящего момента двигателя. При послойном распределении заряда топливовоздушной смеси воспламеняемую (горючую) смесь нужно иметь только вокруг свечи зажигания. Остальной объём камеры сгорания заполнен только свежим зарядом и остаточными газами практически без содержания топлива. В результате обеспечивается работа на очень бедной смеси на режимах минимальной частоты вращения холостого хода и малых нагрузок с соответствующим уменьшением расхода топлива.
Управление двигателем с непосредственным впрыском бензина осуществляется системой MED-Motronic.


Рис.2
1-Топливо 2-Воздух 3-Дроссельная заслонка 4-Впускной коллектор 5-Форсунка
6-Блок цилиндров двигателя

Рис.3
1-Топливо 2-Воздух 3-Дроссельная заслонка (ETC) 4-Впускной коллектор 5-Форсунки
6-Блок цилиндров двигателя






Подача топлива
Форсунки в системе впрыска бензина впрыскивают топливо во впускной коллектор или непосредственно в камеру сгорания (непосредственный впрыск бензина). В обоих способах топливо должно подаваться к форсункам под определённым давлением.
В этой главе описываются компоненты системы топливоподачи, участвующие в подаче топлива от топливного бака к форсункам или, при непосредственном впрыске бензина, от топливного бака к топливному насосу высокого давления (ТНВД).
Обзор
В системе подачи топлива главным образом участвуют следующие компоненты системы (рис. 1):
Топливный бак 1;
Электрический топливоподкачивающий насос 2;
Топливный фильтр 3;
Регулятор давления топлива 4;
Топливные линии 6 и 7.
При впрыске топлива во впускной коллектор топливоподкачивающий насос подаёт топливо к форсунке 8 через топливный коллектор 5. В двигателях с непосредственным впрыском бензина топливо подаётся в контур высокого давления ТНВД.
В старых системах электрический топливоподкачивающий насос располагался снаружи топливного бака непосредственно в линии подачи топлива (так называемый «встроенный» насос - «in-line» pump). В современных системах топливоподкачивающий насос устанавливается внутри топливного бака и может комбинироваться с другими компонентами (например, с предварительным фильтром, датчиком уровня топлива) в одном блоке («in-tank» unit).
Электрический топливоподкачивающий насос постоянно подаёт топливо из бака к двигателю через топливный фильтр. Регулятор давления поддерживает заданную величину давления в контуре в зависимости от типа топливной системы. Для того чтобы требуемое давление топлива поддерживалось на всех эксплуатационных режимах, топливоподкачивающий насос подаёт большее количество топлива, чем это действительно требует двигатель. Избыточное топливо возвращается обратно в топливный бак.
Для того чтобы необходимое давление топлива обеспечивалось при пуске двигателя, электрический топливоподкачивающий насос начинает работать сразу после включения зажигания. Если двигатель не запускается, то насос приблизительно через одну секунду после этого останавливается.
Давление, создаваемое топливоподкачивающим насосом, в значительной степени служит для предотвращения образования пузырьков пара в топливе. Топливная система оснащается встроенным обратным клапаном, который разъединяет её с топливным баком, препятствуя возврату в него топлива. После выключения топливоподкачивающего насоса обратный клапан в течение некоторого времени поддерживает давление в системе. Это предотвращает образование пузырьков пара в системе при нагреве топлива после остановки двигателя.

Подача топлива при впрыске во впускной коллектор
Существует два типа топливных систем, которые различаются в зависимости от наличия/отсутствия линии возврата топлива в бак.
Система подачи топлива с линией возврата в топливный бак
Избыточным является топливо, которое не было впрыснуто форсункой (8 на рис. 1 и 8 на рис. 2). Топливо возвращается обратно в топливный бак 1 через регулятор давления топлива 4, который обычно расположен на топливном коллекторе. Давление во впускном коллекторе поддерживается как эталонное для системы управления. Поскольку регулятор давления топлива располагается очень близко к впускному коллектору, вполне возможно обеспечивать соответствующее соединение прямо на коллекторе. В результате поддерживается постоянный перепад давлений между давлением в топливной системе и давлением во впускном коллекторе. Это даёт то преимущество, что количество впрыскиваемого топлива является функцией периода впрыска топлива. Оно не зависит от давления во впускном коллекторе и, следовательно, от заряда цилиндра.
Варианты: Существует множество вариантов топливных систем с линиями возврата топлива. Стандартный вариант с возвратом топлива из топливного коллектора показан на рис. 2а. На автомобильном рынке встречаются также варианты, в которых топливная линия 6 подсоединена к топливному коллектору вместе с регулятором давления, так что слив топлива из него отсутствует.
Давление в системе: В настоящее время на большинстве систем с возвтратом топлива в бак, величина давления в системе составляет около 0,3 МПа.

Рис. 1
Топливный бак 2-Электрический топливоподкачивающий насос (здесь размещён в топливном баке) 3-Топливный фильтр 4-Регулятор давления топлива 5-Топливный коллектор
6-Линия подачи топлива 7-Линия возврата топлива 8-Форсунка


Рис.2
а С линией возврата топлива b Без линии возврата топлива
Топливный бак 2-Электрический тoпливoпoдкaчвающий насос 3-Топливный фильтр
4а Регулятор давле ния топлива
(с использованием давления во впускном кол лекторе в качестве эталонного)
4б Регулятор давле ниятоплива
(с использованием атмосферного давления в качестве эталонного)
5-Топливныйколлектор 6-Линия подачи топлива
7-Линия возврата топлива 8-Форсунки

Топливная система без линии возврата топлива
Регулятор давления топлива (4Ь на рис. 2) в топливных системах без линии возврата топлива (RLFS) обычно устанавливается внутри или вблизи топливного бака. В таких системах можно обойтись без линии возврата топлива от топливного коллектора до топливного бака. Избыточное топливо, подаваемое насосом, возвращается непосредственно в бак через короткую возвратную линию от регулятора давления. При этом в топливный коллектор подаётся только то топливо, которое впрыскивается форсунками. Такая система имеет следующие два преимущества - меньшую стоимость и меньший подогрев топлива в баке, поскольку горячее топливо из деталей системы в моторном отсеке не возвращается в бак. Это приводит также к снижению эмиссии паров топлива из бака и, следовательно, уменьшает нагрузку на систему улавливания паров.
Варианты
Существует несколько вариантов топливных систем без линий возврата топлива:
Топливный фильтр и регулятор давления расположены снаружи топливного бака;
Топливный фильтр расположен снаружи, а регулятор давления внутри топливного бака;
Топливный фильтр и регулятор давления топлива оба расположены в одном блоке внутри топливного бака.
Давление в системе
Поскольку регулятор давления топлива располагается довольно далеко от впускного коллектора, обеспечивать соединение линии эталонного давления во впускном коллекторе с регулятором давления топлива практически невозможно. Следовательно, регулятор давления обеспечивает постоянный перепад давлений по отношению к давлению окружающей среды. Это означает, что количество впрыскиваемого топлива является функцией давления во впускном коллекторе. Это принимается во внимание при расчёте продолжительности впрыска топлива.
В топливных системах без линии возврата давление топлива поддерживается приблизительно в пределах 0,35...0,40 МПа (3,5... 4,0 бар).

Контур низкого давления при непосредственном впрыске бензина
В топливных системах с непосредственным впрыском бензина система подачи топлива разделяется на контур низкого давления (первичный контур) и контур высокого давления (вторичный). Устройство и работа контура высокого давления описывается в главе «Непосредственный впрыск бензина». В зависимости от требований, предъявляемых производителем автомобилей, контуры низкого давления в таких системах впрыска могут значительно различаться по конструкции. Подобно системам с впрыском топлива во впускной коллектор, здесь также имеются варианты:
Система с линией возврата топлива;
Система без линии возврата топлива (RLFS).
Примеры установки
На рис. 3 показана схема топливной системы, характеризующейся как возвратом топлива, так и переключением уровней давления в контуре низкого давления топлива. В такой системе величина низкого давления может переключаться между двумя разными значениями давления.
Высокое давление в первичном контуре При горячем топливе должны приниматься меры для предотвращения образования пузырьков пара в ТНВД 7 во время фазы пуска и последующей фазы работы на минимальном режиме холостого хода. Хорошим способом является увеличение давления в первичном контуре. В этом случае остаётся закрытым запорный клапан 3, и ограничитель давления, встроенный в электрический топливоподкачивающий насос 2, вступает в действие и повышает низкое давление до 0,5 МПа (5 бар). При расположении в топливном баке регулятор давления не только защищает детали системы от избыточного давления, но также принимает на себя функции регулирования низкого давления.
Низкое давление в первичном контуре По истечении 30...60 секунд ТНВД полностью наполняется топливом и достаточно хорошо охлаждается, так что опасности образования пузырьков пара больше не существует. Тогда запорный клапан открывается, и регулятор давления 4 начинает выполнять функцию регулирования, снижая давление в первичном контуре до 0,3 МПа (3 бара). В этом случае регулятор давления устанавливается в моторном отсеке. Это топливная система с линией возврата топлива.


Рис.3
Контур низкого давления
1-Топливный бак 2-Электрический топливоподкачивающий насос со встроенным ограничителем давления и топливным фильтром 3-Запорный клапан 4-Регулятор давления топлива 5-Линия подачи топлива 6-Линия возврата топлива
Контур высокого давления
7-ТНВД 8-Топливный коллектор 9-Форсунки высокого давления 10-Клапан-регулятор высокого давления 11-Датчик давления в топливном коллекторе

В первые годы применения электронных систем впрыска топлива электрический топливоподкачивающий насос устанавливался в линии подачи топлива («in-line») снаружи топливного бака. В настоящее время в большинстве систем электрические топливоподкачивающие насосы устанавливаются в топливном баке, в так называемом «модуле топливоподачи» («in-tank unit»), который включает в себя большое число и других компонентов:
Предварительный фильтр;
Датчик уровня топлива;
Электрические и гидравлические соединения;
Специальный резервуар топлива для обеспечения подачи топлива при поворотах и резких на клонах.
Обычно для поддержания указанного выше топливного резервуара используются струйный насос или отдельная секция в электрическом топливоподкачивающем насосе.
В системах без линии возврата топлива (RLFS) регулятор давления 4 обычно встраивается в интегрированный модуль внутри топливного бака, где выполняет также функцию возврата топлива. В интегрированный модуль, в линии нагнетания, также может устанавливаться фильтр тонкой очистки топлива. В будущем в модуль топливоподачи будут интегрированы дополнительные функции, например, в него будут включены устройства обнаружения утечек в баке или блок формирования пусковых сигналов для электрического топливоподающего насоса.


Рис.3а
Топливный фильтр
Электрический топливоподкачивающий насос
Струйный насос (в замкнутой системе управления)
Регулятор давления топлива
Датчик уровня топлива в баке
Предварительный топливный фильтр

Система улавливания паров топлива
Для выполнения законодательных норм по ограничению эмиссии углеводородов автомобили оснащаются системой улавливания паров топлива. Эта система предотвращает выход паров топлива (бензина) из топливного бака в атмосферу.
Образование паров топлива
Большое количество паров топлива выходит из топливного бака при следующих условиях:
При нагреве топлива в баке из-за высокой температуры окружающей среды или за счёт нагретого в моторном отсеке топ лива, возвращаемого в топливный бак;
При падении давления окружающей среды, например, при движении в горных условиях.
Устройство и принцип действия
Система улавливания паров топлива (рис.4) включает в себя бачок с активированным углем 3 с вентиляционной трубкой 2 из топливного бака 1 вместе с так называемым продувочным клапаном 5, соединённым с бачком и с впускным коллектором 8. Активированный уголь в бачке абсорбирует топливо, содержащееся в парах, и пропускает только воздух во впускной коллектор. Как только продувочный клапан открывает линию 6 между бачком и впускным коллектором, разрежение заставляет свежий воздух 4 проходить через активированный уголь. Абсорбированное топливо захватывается свежим воздухом и подаёт его для сгорания в нормальном процессе (продувка и регенерация активированного угля). Система управления двигателя уменьшает при этом количество впрыскиваемого топлива на величину его расхода, проходящего через продувочный клапан. Регенерация - это процесс, регулируемый системой управления с обратной связью (замкнутая система управления), в которой концентрация топлива в потоке газа из бачка/продувочного клапана постоянно рассчитывается на основе изменений в значениях величины коэффициента избытка воздуха А.
Количество регенерированного газа регулируется как функция рабочего режима двигателя и может очень точно дозироваться продувочным клапаном. Для того чтобы бачок с угольным абсорбером был всегда способен поглощать пары топлива, активированный уголь через определённые интервалы должен восстанавливаться.
Особенности применения системы улавливания паров топлива при непосредственном впрыске бензина
Во время работы двигателя с непосредственным впрыском бензина на топливовоздушной смеси с послойным зарядом регенерация абсорбера в бачке ограничена из-за низкого уровня разрежения во впускном коллекторе (что вызвано работой при практически полном открытии дроссельной заслонки) и неполным сгоранием гомогенной смеси из абсорбера. Результатом этого является уменьшение потока регенерированного газа по сравнению с работой на гомогенной смеси. Например, если расход регенерированного газа не соответствует высокому уровню испаряемости бензина, то двигатель должен работать на гомогенной смеси до тех пор, пока концентрация бензина в потоке газа из бачка не уменьшится до соответствующего уровня.

Рис.4
Топливный бак
Вентиляционная трубка топливного бака
Бачок с активированным углем
Свежий воздух
Продувочный клапан
Линия к впускному коллектору
Дроссельная заслонка
Впускной коллектор

Электрический топливоподкачивающий насос
Назначение
Электрический топливоподкачивающий насос (анг. ЕКР) должен постоянно подавать к двигателю достаточное количество топлива под давлением определённого уровня, чтобы обеспечивать эффективный впрыск топлива. Основные требования, предъявляемые к топливному насосу, заключаются в следующем:
Величина подачи при номинальном электрическом напряжении 60.. .200 л/ч;
Давление в топливной системе 300...450 кПа (3,0...4,5 бар);
Обеспечение повышения давления при падении напряжения до 50...60% от номинального уровня.
Кроме этого, электрический насос всё чаще служит в качестве топливоподкачивающего насоса низкого давления в современных системах с непосредственным впрыском топлива, используемых в дизелях и бензиновых двигателях.
Например, в системах с непосредственным впрыском бензина топливоподкачивающий насос должен обеспечивать давление 700 кПа при нагретом топливе.

Рис.5
Электрический разъём
Гидравлический вывод (выход топлива)
Обратный клапан
Графитовые щётки
Якорь электромотора с постоянным магнитом
Рабочее колесо центробежногонасоса
Вход топлива

Конструкция
Электрический насос состоит из следующих деталей:
Верхняя крышка А (рис. 5), в которой могут быть установлены детали для устранения помех от работы системы зажигания;
Электромотор В;
Насосный элемент С, спроектированный как объёмный или центробежный (описание насосов см. ниже).
Типы насосов
Объёмные насосы
В насосах такого типа всасываемое топливо сжимается в закрытой камере при вращении насосного элемента и подаётся на сторону нагнетания. В электрических насосах применяются шестерёнчатые с внутренним зацеплением или роликовые насосные элементы (рис.6а и 6б). Если в топливной системе требуется повышенное давление (400 кПа и выше), то применяются преимущественно топливные насосы объёмного типа. Такие насосы имеют хорошие характеристики при низких электрических напряжениях, то есть относительно плоские характеристики топливоподачи в функции рабочего напряжения. КПД насоса может быть выше 25%.
Неустранимые пульсации давления топлива могут вызывать шум определённой звуковой частоты, в зависимости от конструкции деталей и условий в месте установки. Другим недостатком может быть падение величины подачи при нагреве топлива, которое имеет место в исключительных случаях. Это происходит из-за наличия пузырьков пара в топливе, поэтому обычные насосы объёмного типа оснащаются периферийной ступенью в целях дегазации.
В настоящее время топливоподкачивающие насосы объёмного типа в значительной степени вытесняются центробежными насосами, которые в качестве классических топливоподкачивающих насосов завоевали новое поле применения в системах с непосредственным впрыском топлива, работающих со значительно более высокими давлениями.
Центробежные насосы. Такой тип насоса включает в себя рабочее колесо (крыльчатку) с множеством лопаток, вставленных в прорези по его периферии (6 на рис. 6с). Рабочее колесо вращается в камере, образованной двумя секциями корпуса, в каждой из которых рядом с лопатками имеется канал 7, начинающийся от впускного отверстия А и заканчивающийся в месте выхода топлива В под давлением в системе. Затвор 8 между началом и концом канала предотвращает внутренние утечки топлива.
На некотором расстоянии от впускного отверстия под определённым углом выполнено маленькое отверстие для дегазации, через которое могут выходить пузырьки газа при их образовании в топливе. Хотя это и улучшает характеристики подачи нагретого топлива, но происходит за счёт очень небольших внутренних утечек. Такое отверстие для дегазации не требуется в дизельных системах.
Рост давления вдоль канала 7 является результатом обмена импульсами между лопатками колеса и частицами жидкости. Это приводит к спиральному вращению жидкого объёма, захваченного крыльчаткой и находящегося также в каналах. В центробежном насосе (рис. 6с) лопатки по периферии колеса полностью окружены каналами (отсюда термин «центробежный»). В другой конструкции центробежного насоса на каждой стороне крыльчатки, рядом с лопатками, расположены два канала.
Центробежные насосы отличаются низким уровнем шума, поскольку рост давления происходит постоянно и практически без пульсаций. Значения КПД центробежных насосов находятся в пределах 10 - 20%. Следует отметить, что конструкция центробежных насосов значительно проще конструкции насосов объёмного типа.
Одноступенчатые насосы могут создавать давление в топливной системе до 450 кПа. В будущем центробежные насосы будут применяться для создания более высоких давлений в топливных системах двигателей с высокими давлениями наддува и двигателей с непосредственным впрыском бензина.
Из-за низкой стоимости и благодаря бесшумной работе во вновь создаваемых автомобильных бензиновых двигателях почти исключительно используются насосы центробежного типа.

Рис. 6
а Роторный роликовый насос (RZP)
b Шестерёнчатый насосе внутренним зацеплением (IZP)
с Центробежный насос (РР)
А Входное отверстие
В Выходное отверстие
1-Эксцентриковый ротор 2-Ролик 3-Внутренняя ведущая шестерня 4-Ротор 5-Рабочее колесо (крыльчатка) 6-Лопатки рабочего колеса 7-Канал (периферийный канал) 8-Затвор
Топливный фильтр
Высокая точность дозирования в системах впрыска топлива двигателей с искровым зажиганием требует применения прецизионных деталей систем, а для того чтобы не повредить их, требуется эффективная очистка топлива. Износ прецизионных деталей могут вызвать твёрдые частицы, содержащиеся в топливе, которые должны быть удалены топливными фильтрами. Топливные фильтры могут быть сменными, последовательно установленными в топливной линии, или встроенными в топливный бак на длительный срок службы («lifetime»). Кроме эффекта фильтрования, для удаления загрязняющих веществ из топлива может использоваться ряд других процессов, которые включают в себя эффекты импульсного воздействия, диффузии и блокировки.


Рис.7
Крышка корпуса фильтра
Корпус фильтра
Фильтрующий элемент
Опорная пластина



Эффективность фильтрации определяется размером задерживаемых частиц и скоростью их прохождения. Соответствующим образом должен быть выбран фильтрующий материал.
Одним из основных фильтрующих материалов является предварительно пропитанная гофрированная бумага (3 на рис. 7). Фильтрующий материал должен располагаться в корпусе фильтра таким образом, чтобы скорость прохождения потока топлива через все участки его поверхности была по возможности одинаковой. В то время как в системах впрыска топлива во впускной коллектор средний размер пор фильтрующего элемента равен 10 мкм, в системах непосредственного впрыска бензина требуется более тонкая фильтрация, при которой из топлива должно надежно отсеиваться до 85% частиц размером больше 5 мкм.
Кроме того, для двигателей с непосредственным впрыском бензина важным фактором является то, что в новых фильтрах после их изготовления не должны оставаться следы загрязняющих частиц в виде металла, минералов, пластика и стекловолокна размером больше 200 мкм.
В зависимости от объёма срок службы (гарантированный пробег) стандартных фильтров, последовательно установленных в топливной линии, составляет 60 000 -90 000 км. Гарантированный пробег фильтров, встроенных в топливный бак, составляет 160 000 км. Существуют топливные фильтры для топливных систем с непосредственным впрыском бензина, срок службы которых превышает 250 000 км.
Корпус топливного фильтра 2 выполняется из стали, алюминия или пластика (полностью без металла). В качестве соединений используются резьбовые штуцеры, шланги или самозажимные фитинги.
Эффективность топливного фильтра зависит от направления потока. При замене топливного фильтра нужно обратить внимание на стрелку, указывающую направление потока топлива.
Топливный коллектор
Впрыск топлива во впускной коллектор
Топливный коллектор имеет следующие назначения:
Установка и крепление форсунок;
Поддержание объёма топлива;
Обеспечение равномерного распределения топлива по форсункам.
Кроме форсунок, на топливном коллекторе обычно закрепляется регулятор давления топлива и, возможно, демпфер колебаний давления. Местные колебания давления, вызванные резонансом при открытии и закрытие форсунок, могут быть предотвращены тщательным выбором размеров топливного коллектора. В результате исключается неравномерность подачи топлива, которая может возникнуть как функция нагрузки и частоты вращения двигателя. В зависимости от конкретных требований, предъявляемых к данному автомобилю, топливные коллекторы могут изготовиться из пластика или нержавеющей стали. > топливный коллектор может встраиваться диагностический разъём (клапан) пя испытаний в мастерской автосервиса.
Непосредственный впрыск бензина
В топливных системах с непосредственным впрыском бензина топливный коллектор располагается после ТНВД и является встроенной частью ступени высокого давления.
Регулятор давления топлива
Впрыск топлива во впускной коллектор

Количество впрыскиваемого форсункой топлива (цикловая подача топлива) зависит от хода впрыска и перепада давлений между чтением топлива в топливном коллектором давлением во впускном коллекторе. В топливной системе с линией возврата топлива появление давления компенсируется регулятором давления топлива, который поддерживает указанный перепад давлений на постоянном уровне. Для этого регулятор давления возвращает такое количество топлива обратно в бак, что перепад давлений на форсунках остаётся постоянным. Для того чтобы обеспечивать эффективное наполнение топливного коллектора, регулятор давления обычно устанавливается на том его конце, который направлен к топливному баку. В системах без линии возврата топлива (RLFS) регулятор давления является частью интегрированного модуля, установленного в топливном баке. Давление в топливном коллекторе поддерживается на постоянном уровне по отношению к давлению в окружающей среде. Это означает, что разница между давлениями в топливном коллекторе и во впускном коллекторе не является постоянной и должна приниматься во внимание при расчёте продолжительности впрыска топлива форсункой.
Регулятор давления топлива (рис. 8) имеет в своей конструкции диафрагму 4 и клапан перепуска топлива на слив. Прорезиненная диафрагма разделяет внутреннюю полость регулятора на две камеры - топливную и пружинную. Посредством встроенного в диафрагму держателя 3 клапана пружина 2 своим усилием прижимает подвижную пластину клапана к седлу, закрывая клапан. Как только давление топлива, приложенное к диафрагме, превышает силу затяжки пружины, клапан открывается и позволяет части потока топлива возвращаться обратно в топливный бак, после чего на диафрагме снова возникает равновесие сил.

Рис.8
1-Ниппель соединения с впускным коллектором 2-Пружина 3-Держатель клапана
4-Диафрагма 5-Клапан 6-Вход топлива 7-Возврат топлива

В системах с многоточечным впрыском топлива для того чтобы разрежение во впускном коллекторе было приложено к пружинной камере, она соединяется с впускным коллектором пневматической линией в точке за дроссельной заслонкой. Таким образом, перепад давлений на форсунках и на диафрагме оказывается одинаковым. Это означает, что перепад давлений на форсунках является только функцией силы затяжки пружины и площади поверхности диафрагмы и, следовательно, остаётся постоянным.
Непосредственный впрыск бензина
В системах с непосредственным впрыском бензина необходимо регулировать величины давления в контурах высокого и низкого давления. Для этого используются такие же регуляторы низкого давления, как и в системах с впрыском топлива во впускной коллектор.
Демпфер давления топлива
Постоянное открытие и закрытие форсунок вместе с периодической подачей топлива, когда используются электрические объёмные насосы, приводит к колебаниям давления. Это может вызвать резонансные колебания давления, которые отрицательно влияют на точность дозирования подачи топлива. Возможно даже, что при определённых обстоятельствах эти колебания могут вызвать шум, поскольку через детали, закреплённые на топливном коллекторе, через топливные трубки и топливный насос передаются топливному баку и кузову автомобиля. Эти проблемы решаются путём использования специально спроектированных деталей крепления и демпферов колебаний давления. Демпфер по своей конструкции подобен регулятору давления топлива. В нём также имеется подпружиненная диафрагма, которая разделяет объём на две камеры -топливную и воздушную. Усилие затяжки пружины выбрано таким, чтобы подъём диафрагмы от седла начинался сразу, как только давление достигнет рабочей величины. Это означает, что топливная камера имеет переменный объём, и не только поглощает топливо, когда давление достигает своего пика, но также и выпускает топливо при падении давления. Для того чтобы всегда работать в наиболее благоприятном режиме при наличии колебаний абсолютного давления во впускном коллекторе, воздушная (пружинная) камера может быть соединена с впускным коллектором. Как и регулятор давления топлива, демпфер колебаний давления может быть подсоединён к топливному коллектору или установлен в топливной линии. В системе с непосредственным впрыском бензина демпфер может быть установлен на ТНВД.
Топливный бак
В соответствии со своим названием топливный бак служит как резервуар для хранения топлива. Он должен быть коррозионноустойчивым и сохранять герметичность при двукратном превышении рабочего давления, по крайней мере, до 0,03 МПа (0,3 бар) избыточного (манометрического) давления. Повышенное давление должно автоматически сбрасываться предохранительными клапанами. При движении в поворотах, наклонах и в случае столкновений топливо не должно выливаться через заливную горловину или через устройства компенсации давления. Топливный бак должен располагаться на достаточном удалении от двигателя, чтобы исключить воспламенение вылившегося топлива в случае аварии.
Топливные линии
Топливные линии служат для подачи топлива от бака к топливной системе. Для трубопроводов топливных линий должны использоваться бесшовные, гибкие металлические трубки или шланги из негорючих, устойчивых в топливной среде материалов. Прокладка трубопроводов должна осуществляться таким образом, чтобы исключить их повреждение, а при утечках в случае повреждения топливо не должно скапливаться и возгораться. Все компоненты топливоподачи должны быть защищены от нагрева, который может отрицательно влиять на их работоспособность. Подача топлива в топливных системах не должна происходить за счёт силы тяжести.


Рис. 9
Топливный бак
Электрический топливоподкачивающий насос (ЕКР)
Топливный фильтр
Топливный коллектор
4а Распределитель топлива (K-/KE-Jetronic)
Форсунка 6- Регулятор давления топлива
Аккумулятор топлива (K-/KE-Jetronic)

Впрыск топлива во впускной коллектор
Образование топливовоздушной смеси в двигателях с впрыском топлива во впускной коллектор происходит непосредственно в нём, а не в камере сгорания. Со времени своего появления на рынке эти двигатели вместе с системой управления были существенно модернизированы. Прекрасные характеристики по дозированию топлива позволили им полностью вытеснить карбюраторные двигатели, которые также работают с внешним образованием топливовоздушной смеси.
Обзор
К современным автомобилям для соответствия последним достижениям науки и техники предъявляются очень высокие требования, в частности, касающиеся плавности работы и состава отработавших газов. Это приводит к жёстким требованиям по составу топливовоздушной смеси. Кроме очень точного (прецизионного) дозирования массы впрыскиваемого топлива в функции количества воздуха, поступающего в двигатель, необходимо также обеспечивать, чтобы впрыск топлива происходил в точно заданный момент времени. Непосредственным результатом введения жёстких законодательных норм эмиссии вредных выбросов с отработавшими газами явились серьёзные шаги по развитию современных топливных систем. Такая топливная система должна обеспечивать перемежающийся (прерывистый) и индивидуальный для каждого цилиндра впрыск топлива непосредственно на впускные клапаны (рис. 1).
Механически управляемые системы постоянного многоточечного впрыска, как и системы одноточечного впрыска (англ. TBI) с одной форсункой, которая впрыскивает топливо во впускной коллектор перед дроссельной заслонкой, уже не соответствуют предъявляемым требованиям и в качестве топливных систем применяться не могут.

Рис. 1
1 Цилиндр с поршнем
Выпускные клапаны
Свеча зажигания с индукционной катушкой
Впускные клапаны
Форсунка
Впускной коллектор
Принцип работы
Системы впрыска бензина во впускной коллектор характеризуются тем, что образование топливовоздушной смеси происходит вне камеры сгорания, то есть во впускном коллекторе, как это показано на :. 1. Форсунка 5 впрыскивает топливо непосредственно на впускные клапаны 4,
вместе с воздухом на впуске образуется топливовоздушная смесь, которая через открытые впускные клапаны во время такта впуска поступает в цилиндр двигателя.
Число впускных клапанов для каждого цилиндра может варьироваться в пределах от одного до трёх. Впускные клапаны проектируются таким образом, чтобы потребности двигателя в топливе выполнялись независимо от эксплуатационных условий - при полной нагрузке и высоких значениях частоты вращения.
Образование топливовоздушной смеси

Впрыск топлива
Топливный насос подаёт топливо к форсункам под давлением, необходимым для обеспечения впрыска в данной топливной системе. Топливо впрыскивается при закрытом клапане и там «хранится». В каждый цилиндр установлена индивидуальная форсунка Это достигается соответствующей конструкцией впускного коллектора и формой факела распыливания топлива. Поскольку форсунка устанавливается непосредственно перед впускными клапанами, наличие плёнки топлива при многоточечном впрыске значительно менее опасно, чем это имело место в старых системах одноточечного впрыска и в карбюраторных системах. При условии стехиометрического состава топливовоздушной смеси (X = 1) вредные выбросы с отработавшими газами двигателя в значительной степени могут быть преобразованы при использовании трёхкомпонентного каталитического нейтрализатора. Бензиновые двигатели с впрыском топлива во впускной коллектор на большинстве эксплуатационных режимов работают на стехиометрическом составе топливовоздушной смеси.
Измерение массового расхода воздуха. Для точного приготовления топливовоздушной смеси необходимо, чтобы количество воздуха, который используется для сгорания, было точно измерено. Массовый расходомер воздуха, который устанавливается выше дроссельной заслонки, измеряет расход воздуха, поступающего во впускной коллектор, и посылает соответствующий электрический сигнал в электронный блок управления двигателя. Как альтернатива, имеются также системы, в которых используется датчик давления во впускном коллекторе. В этом случае расход воздуха рассчитывается вместе с данными по положению дроссельной заслонки и частоты вращения двигателя. Затем электронный блок управления, используя данные по расходу воздуха и текущего режима работы двигателя, рассчитывает необходимую величину массы подаваемого топлива.
Продолжительность впрыска топлива. Для обеспечения расчётной величины подачи топлива требуется установить необходимый период времени впрыска, который называется продолжительностью впрыска и является функцией проходного сечения в форсунке и перепада давлений между системой топливоподачи и впускным коллектором.

Электромагнитные топливные форсунки
Назначение
Электромагнитные топливные форсунки (с электромагнитными управляемыми клапанами) впрыскивают топливо во впускной коллектор под давлением, создаваемым в топливной системе. Такие форсунки обеспечивают очень точное дозирование количества топлива, требуемого двигателем. Пусковой сигнал рассчитывается системой управления и подаётся на форсунки задающими каскадами электронного блока управления двигателя.

Устройство и принцип действия
Электромагнитные форсунки (рис. 2) состоят из следующих основных компонентов:
Корпус форсунки 9 с электрическими разъёмами 8 и гидравлическими соединениями 1;
Катушка возбуждения электромагнита 4;
Игла форсунки 6 с якорем и сферическим запорным клапаном;
Седло клапана 10 с сопловыми отверстиями на пластине 7;
Пружина 5.
Для обеспечения бесперебойной работы форсунки её детали, которые контактируют с топливом, изготовлены из нержавеющей стали. Форсунка защищается от загрязнений сетчатым фильтром на впуске топлива.
Соединения
В современных форсунках подача к ним топлива обычно осуществляется в осевом направлении сверху вниз («top feed»). Трубопровод подачи топлива закрепляется на форсунке с использованием специальных зажимов, которые обеспечивают надёжное выравнивание и фиксацию. Уплотнительное кольцо 2 на гидравлическом соединении 1 герметично соединяет форсунку с топливным коллектором. Форсунка соединяется с электронным блоком управления через электрический разъём.
Работа форсунки
Когда напряжение на электромагнитный клапан не подаётся (клапан обесточен), игла форсунки с шаровым уплотнительным клапаном прижимается к коническому седлу под действием пружины и давления топлива. Система топливоподачи, таким образом, отсоединена от впускного коллектора. Как только на электромагнитный клапан подаётся напряжение (ток возбуждения), в нём возникает магнитное поле, которое втягивает иглу форсунки с якорем. В результате сферический запорный клапан поднимается с седла, и начинается впрыск топлива. Как только ток возбуждения выключается, игла форсунки под действием пружины снова опускается, и клапан садится на седло.
Впрыск топлива
Распыливание топлива осуществляется сопловыми отверстиями в пластине распылителя. Сопловые отверстия в пластине выполняются штамповкой, что обеспечивает высокий уровень воспроизводимости цикловой полдачи топлива. Пластина с сопловыми отверстиями невосприимчива к образованию отложений. Форма струи топлива, выходящей из форсунки, зависит от числа и расположения сопловых отверстий.
Очень хорошая герметичность форсунки обеспечивается принципом уплотнения коническое седло/шаровой клапан. Форсунка устанавливается в специальное отверстие во впускном коллекторе и герметизируется нижним уплотнительным кольцом. Величина подачи топлива в единицу времени определяется следующими факторами:
Давление в топливной системе;
Противодавление во впускном коллекторе;
Геометрия зоны выхода топлива.
Конструктивные типы
С течением времени форсунки всё больше и больше совершенствовались и адаптировались к постоянно повышающимся требованиям, касающимся технологии, качества, надёжности и снижения массы. В результате это привело к различным конструкциям форсунок.
Форсунка типа EV6
Форсунка EV6 - это стандартная форсунка для современных топливных систем (рис. 2 и За). Она отличается небольшими габаритами и незначительной массой, благодаря чему является предпосылкой создания компактных модулей в системах впрыска топлива.
Кроме того, форсунка EV6 прекрасно работает в условиях сильно нагретого топлива, то есть имеет малую склонность к образованию пузырьков пара топлива. Это облегчает применение систем без рециркуляции топлива (RLFS), в которых температура топлива в форсунках выше, чем в системах с линией возврата топлива. Благодаря износостойким поверхностям количество пива, впрыскиваемого форсункой типа 6, отличается высокой степенью воспроизводимости в течение длительного срока самой форсунки, благодаря очень хорошей герметичности такие форсунки способны выполнить все требования, которые в перспективе будут относиться к обеспечению нулевой испаряемости топлива.
достижения лучшего распыливания топлива был разработан вариант форсунки с пневматическим распылением («air shrouding»).
Тонкое распыливание и, соответственно, хорошее испарение топлива может быть достигнуто и другими способами. В будущем кроме пластин с четырьмя сопловыми отверстиями будут использоваться пластины с числом сопловых отверстий от десяти до двенадцати. Такие многосопловые форсунки будут способны создавать очень тонко распыленное топливо - «топливный туман».
Существует большой ряд форсунок, предназначенных для различных областей применения. Они отличаются различной длиной, величиной расхода топлива и электрическими характеристиками. Форсунки типа EV6 удобны также для работы с топливами, содержащими до 85% этанола.
Форсунка типа EV14
Дальнейшая модернизация привела к созданию форсунки типа EV14 (рис. ЗЬ), сконструированной на базе форсунки EV6. Эта форсунка отличается ещё большей компактностью, что позволяет интегрировать её в топливный коллектор. Форсунка EV14 выпускается в трёх разных вариантах по длине - компактная, стандартная, длинная. Это позволяет индивидуально адаптировать её к различной геометрии впускного коллектора двигателя.

Рис.2
1-Гидравлическое соединение 2-Уплотнительное кольцо 3-Сетчатый фильтр 4-Магнитная катушка возбуждения 5-Пружина 6- Игла форсунки с якорем и шаровым клапаном 7-Пластина с сопловыми отверстиями 8-Электрический разъём 9-Корпус форсунки 10-Седло клапана
Рис.3
а – Стандартная EV6 b – Компактная EV14

Образование факела распыливания топлива
Образование факела распыливания топлива форсункой, то есть форма факела распыливания, угол его раскрытия и размер капель в спектре распыливания оказывает значительное влияние на формирование топливовоздушной смеси. Для того чтобы соответствовать индивидуальным конструкциям впускных коллекторов и различной геометрии головки блока цилиндров, требуются различные варианты исполнения факелов распыливания топлива. На рис. 4 показаны наиболее распространённые формы факелов распыливания.
Узкая («карандашная») струя Тонкая, концентрированная, с высоким импульсом струя топлива образуется при истечении из одного соплового отверстия в пластине распылителя форсунки. Такая форма струи практически исключает смачивание стенок впускного коллектора. Такие форсунки наиболее удобны для использования в узких впускных коллекторах и там, где требуется длинный путь топлива от точки впрыска до впускного клапана.




Рис.4
а -Узкая струя b - Коническая струя
с - Двойная струя d - Смещённая струя

Такие форсунки имеют ограниченное применение из-за низкого уровня распыливания.
Коническая струя
В этом случае из пластины распылителя выходит определённое число отдельных струй, комбинация которых образует коническую струю.
Хотя форсунки с конической формой струи обычно используются при одном впускном клапане на цилиндр, но они подходят также и для
Двойная струя цилиндров с двумя впускными клапанами.
Форсунки с образованием двойных струй часто используются в двигателях с двумя впускными клапанами на цилиндр, а двигатели с тремя клапанами на цилиндр обязательно должны оснащаться форсунками с двумя факелами распыливания топлива. Сопловые отверстия в пластине расположены таким образом, что из форсунки выходят две топливные струи, которые направлены на соответствующие впускные клапаны или на разделительную поверхность между ними. Каждая из этих струй может быть составлена из нескольких индивидуальных струй.
Смещённая струя
В такой форсунке струя топлива (одиночная или двойная) впрыскивается под углом к продольной оси форсунки (угол у). Форсунки с такой формой факела распыливания топлива применяются в случаях затруднённой установки.
Виды впрыска топлива
Вместе с продолжительностью впрыска топлива другим важным параметром для оптимизации расхода топлива и состава отработавших газов является момент впрыска по углу поворота коленчатого вала. Возможные изменения зависят здесь от используемого вида впрыска топлива (рис. 5).
В современных системах впрыска топлива обеспечивается или последовательный впрыск, или индивидуальный впрыск для каждого цилиндра (SEFI и CIFI, соответственно).

Одновременный впрыск топлива
В этом виде впрыска топлива все форсунки открываются и закрываются одновременно. Это означает, что время, необходимое для испарения топлива, оказывается разным для каждого цилиндра. Тем не менее, для того чтобы обеспечить эффективное образование топливовоздушной смеси, количество необходимого для сгорания топлива впрыскивается двумя порциями, по одной на каждый оборот коленчатого вала. В этом виде впрыска топливо для некоторых цилиндров, как только впускной клапан открывается, поступает в открытый впускной канал. В этом случае момент впрыска топлива не изменяется.
Групповой впрыск топлива
В этом виде форсунки комбинируются с образованием двух групп. При одном повороте коленчатого вала одна группа форсунок впрыскивает всё количество топлива, предназначенное для данных цилиндров, а при следующем повороте впрыск топлива осуществляется другой группой форсунок.
Такая конфигурация допускает выбор угла опережения впрыска в зависимости от режима работы двигателя. Кроме того, исключается нежелательный впрыск топлива
в открытые впускные каналы. В этом виде время, имеющееся для испарения топлива, также разное для разных цилиндров.
Последовательный впрыск топлива (SEFI)
В этом виде топливо впрыскивается индивидуально в каждый цилиндр, то есть форсунки включаются в работу одна за другой в соответствии с порядком работы цилиндров. Продолжительность и угол опережения впрыска топлива относительно ВМТ одинаковы для всех цилиндров, а топливо накапливается перед входом в каждый цилиндр.
Угол опережения впрыска топлива программируется и может быть адаптирован к режиму работы двигателя.
Индивидуальный впрыск топлива в каждый цилиндр (CIFI)
Этот вид впрыска топлива предполагает наибольшую степень свободы проектирования. По сравнению с последовательным впрыском топлива способ CIFI имеет то преимущество, что продолжительность впрыска может быть индивидуально изменена для каждого цилиндра. Это позволяет компенсировать отклонения, например, в отношении заряда цилиндров.


Рис.5
а - Одновременный впрыск топлива
b - Групповой впрыск топлива
с - Последовательный впрыск топлива (SEFI)
и индивидуальный впрыск топлива в каждый цилиндр (CIFI)

Непосредственный впрыск топлива
В двигателях с непосредственным впрыском бензина образование топливовоз-душной смеси происходит в камере сгорания. Во время такта впуска в цилиндр через открытый впускной клапан поступает только воздух, а топливо впрыскивается специальными форсунками непосредственно в цилиндры.
Обзор
Требование достижения высокой мощности двигателей при низком расходе топлива привело к «реанимации» системы непосредственного впрыска бензина («rediscovery» - повторному открытию). Ещё в далёком 1937 году был создан авиационный двигатель с механической системой непосредственного впрыска бензина. В 1952 году был создан первый серийный легковой автомобиль «Gutbrod» с механической системой непосредственного впрыска бензина, а следом за ним в 1954 году «Mercedes SL».
В то время проектирование и изготовление двигателя с непосредственным впрыском бензина было делом очень сложным. Более того, такая технология предъявляла очень высокие требования к используемым материалам. Другой проблемой было обеспечение достаточного срока службы двигателя.
Все эти обстоятельства длительное время не допускали прорыва в создании двигателей с непосредственным впрыском бензина.

Рис. 1
1-Топливный насос высокого давления (ТНВД) 2-Соединенное линией низкого давления топлива 3-Линия высокого давления топлива 4-Топливный коллектор 5-Форсунки высокого давления топлива 6-Датчик высокого давления топлива 7-Свеча зажигания 8-Регулятор давления топлива 9-Поршень

Принцип работы
В системах непосредственного впрыска бензина топливо под высоким давлением впрыскивается прямо в камеру сгорания цилиндра двигателя. Следовательно, образование топливовоздушной смеси, подобно дизелям, происходит внутри цилиндра (внутреннее смесеобразование).
Создание высокого давления топлива
Электрический топливный насос низкого давления подаёт топливо к ТНВД (рис. 1) под давлением 0,3...0,5 МПа (3...5 бар). В зависимости от режима работы двигателя (крутящий момент и частота вращения) ТНВД создаёт необходимое высокое давление в топливной системе и подаёт топливо под этим давлением в топливный аккумулятор 4, где оно находится до момента впрыска в цилиндр.
Давление топлива измеряется датчиком 6 и регулируется в пределах 5... 12 МПа клапаном-регулятором давления 8.
Форсунки высокого давления 5 установлены на аккумуляторе топлива (как и в системе «Common Rail»), и по сигналу от электронного блока управления двигателя впрыскивают топливо непосредственно в камеры сгорания цилиндров двигателя.
Образование топливовоздушной смеси
Благодаря очень высокому давлению впрыска имеет место тонкое распыливание топлива, которое вместе с поступающим в цилиндр воздухом образует в камере сгорания топливовоздушную смесь. В зависимости от эксплуатационного режима работы двигателя топливо может впрыскиваться таким образом, что во всём пространстве камеры сгорания образуется равномерно распределённая богатая смесь с X < 1 (работа на гомогенной топливовоздушной смеси) или послойный заряд топливовоздушной смеси с А <1 вокруг свечи зажигания (работа на бедной смеси). При работе двигателя с послойным зарядом остальное пространство камеры сгорания заполнено или поступившим в цилиндр свежим воздухом с возвращёнными системой рециркуляции (EGR) отработавшими газами, или очень бедной топливовоздушной смесью. Общий коэффициент избытка воздуха такой топливовоздушной смеси X >1. Работа двигателя с перечисленными выше способами образования топливовоздушной смеси определяется конкретным эксплуатационным режимом. С одной стороны, выбор режима работы является функцией крутящего момента и частоты вращения, а с другой стороны, зависит от таких требований, как регенерация каталитического нейтрализатора аккумуляторного типа.
Крутящий момент
Во время работы на послойном заряде топливовоздушной смеси решающим фактором является масса впрыскиваемого топлива. Количество избыточного воздуха при работе на частичных нагрузках обеспечивается работой при полном открытии дроссельной заслонки, что уменьшает насосные потери и, следовательно, снижает расход топлива.
При работе на бедных (X >1) гомогенных топливовоздушных смесях полное открытие дроссельной заслонки также позволяет снизить расход топлива, хотя и не в такой степени, как при работе с послойным зарядом топливовоздушной смеси. При работе на гомогенных смесях с X < 1 двигатели с непосредственным впрыском бензина ведут себя практически так же как и двигатели с впрыском топлива во впускной коллектор.

Очистка отработавших газов
Каталитический нейтрализатор служит для удаления из отработавших газов вредных веществ. Для обеспечения максимальной эффективности трёхкомпонентный каталитический нейтрализатор требует стехиометрического состава топливовоздушной смеси. Работа двигателя на бедной смеси, то есть с избытком воздуха, приводит к повышенному уровню образования оксидов азота NOX, которые временно аккумулируются в каталитическом нейтрализаторе аккумуляторного типа. После этого азот, диоксид углерода и вода удаляются при кратковременной работе с избытком воздуха.

Топливный коллектор
Топливный коллектор хранит топливо, поступившее от ТНВД, и распределяет его по форсункам высокого давления. Объём топливного коллектора достаточен для компенсирования колебаний давления в топливной системе.
Обычно используются топливные коллекторы из алюминиевого сплава. Конструкция топливного коллектора (объём, размеры, масса и т.д.) определяется конструкцией двигателя и топливной системы.
Топливный коллектор оснащается соединениями для различных компонентов системы впрыска (ТНВД, датчик высокого давления, регулятор давления топлива, топливные форсунки). Конструкция топливного, коллектора гарантирует отсутствие утечек топлива как в самом коллекторе, так и в его соединениях.

Топливный насос высокого давления (ТНВД)
Назначение
Топливный высокого давления (ТНВД) служит для сжатия топлива, подаваемого к нему электрическим подкачивающим насосом под давлением 0,3... 0,5 МПа (низкое давление), до давления 5... 12 МПа, необходимого для впрыска топлива форсункой высокого давления насос
Вначале, сразу после пуска двигателя, топливо впрыскивается под низким давлением. Высокое давление создаётся, когда двигатель разгоняется до высокой частоты вращения. Минимальный уровень пульсаций давления в потоке означает, что колебания давления в топливном коллекторе практически отсутствуют. Для того чтобы предотвратить смешение топлива со смазочным маслом, ТНВД охлаждается и смазывается топливом.


Рис.2
1-Эксцентриковый кулачок 2-Контактный блок 3-Втулка насосного элемента с плунжером 4-Плунжер 5-Выпускнойшаровой клапан 6-Впускной клапан 7-Соединение с топливным коллектором 8-Выход топлива (высокое давление) 9-Впуск топлива 10-Контактное кольцо эксцентрика 11-Уплотнитель 12-Фиксатор 13-Вал привода

Рис.3
Номера позиций идентичны рис. 2.
1-Эксцентриковый кулачок 2-Контактный блок 3-Втулка насосного элемента с плунжером 4-Плунжер 5-Впускной клапан 6-Соединение с топливным коллектором
7-Контактное кольцо эксцентрика
Трёхплунжерный ТНВД HDP1
Существует много разных типов ТНВД. На рис. 2 и 3 показаны продольный и поперечный разрезы трёхплунжерного ТНВД типа HDP1. Вал привода 13 насоса от распределительного вала двигателя вращается вместе с эксцентриком 1, который создаёт возвратно-поступательное движение плунжеров 4 в их втулках 3. При движении плунжера вниз топливо из линии низкого давления (0,3- -0,5 МПа) через полые плунжеры и впускной клапан 6 поступает в цилиндр насосного элемента. Когда плунжер движется вверх, объём топлива сжимается, и после того как достигнуто высокое давление (выше, чем в топливном коллекторе), выпускной шаровой клапан открывается, и топливо поступает в линию высокого давления 7 (соединение с топливным коллектором). Применение трёхплунжерного ТНВД с расположением цилиндров под углом 120° обеспечивает очень низкий уровень остаточных пульсаций в топливном коллекторе. Количество подаваемого топлива пропорционально частоте вращения вала насоса. Таким образом, всегда имеется достаточное количество топлива, и для того чтобы ограничить нагрев топлива в топливном коллекторе, ТНВД подаёт несколько больше топлива, чем это требуется при максимальной подаче в двигатель. Регулятор давления топлива «сбрасывает» избыточное давление, и направляет лишнее топливо в линию возврата.
Одноплунжерный ТНВД HDP2
Одноплунжерный ТНВД HDP2 является радиальным поршневым насосом с приводом от кулачка. При движении плунжера вниз топливо из линии низкого давления (0,3...0,5 МПа) через впускной клапан поступает в цилиндр насоса. Когда плунжер движется вверх, данный объём топлива сжимается, и после того как достигнуто высокое давление (выше, чем в топливном коллекторе), выпускной шаровой клапан открывается, и топливо поступает в топливный коллектор.
Камера сжатия насоса и канал впуска топлива соединены между собой через клапан управления подачей топлива с внешним управлением. Если при получении пускового сигнала клапан открывается до конца хода нагнетания, то давление в камере сжатия падает, и топливо вытекает обратно на вход насоса. Это означает, что клапан управления подачей выполняет те же функции, что и клапан регулирования давления в трёхцилиндровом ТНВД HDP1. Для того чтобы регулировать величину топливоподачи, клапан управления подачей топлива остаётся закрытым от НМТ до завершения данного активного хода поршня. Как только достигается необходимое для топливного коллектора давление, клапан открывается и предотвращает дальнейшее повышение давления в коллекторе.
Максимальная величина подачи топлива (l/h) есть функция частоты вращения, числа кулачков и величины подъёма кулачка. Величина подачи топлива может регулироваться, чтобы соответствовать пусковым сигналам клапана управления подачей.
Обратный клапан между камерой давления ТНВД и топливным коллектором предотвращает падение давления во время открытия клапана управления подачей.

Рис.4
Электрический разъём 2-Пружина 3-Катушка электромагнита 4-Якорь
5-Уплотнительноекольцо 6-Выходной канал 7
3-Шаровой клапан 8-Седло клапана 9-Впуск с сетчатым фильтром

Регулятор давления топлива
Назначение
Регулятор давления топлива устанавливается между топливным коллектором и линией низкого давления ТНВД HDP1. Этот клапан служит для регулирования давления в топливном коллекторе путём изменения своего проходного сечения. Избыточное топливо направляется ТНВД HDP1 в линию низкого давления.
Устройство и принцип действия
При подаче на катушку электромагнитного клапана (3 на рис. 4) пускового широтно-модулированного сигнала шаровой клапан 7 поднимается с седла 8, изменяя при этом проходное сечение клапана в соответствии с требуемой величиной. При отсутствии электропитания клапан регулятора давления закрыт. Это защитная мера, обеспечивающая необходимое давление в топливном коллекторе в случае неисправности в цепи электрического пускового сигнала. Функция ограничения давления вводится для предотвращения большого превышения давления в топливном коллекторе, что может привести к повреждениям компонентов топливной системы.

Датчики давления в топливном коллекторе
Назначение
Датчики давления, используемые в системах Common Rail и MED-Motronic, измеряют высокое давление в топливном коллекторе. Точное поддержание обусловленного давления топлива в коллекторе является исключительно важным в отношении мощности двигателя, эмиссии вредных веществ и уровня шума. Давление топлива регулируется специальным контуром управления, отклонения от установленного значения компенсируются регулятором давления в системе с разомкнутой или замкнутой обратной связью. Датчики давления должны обеспечивать жёсткие допуски измерения, так на номинальном режиме точность измерения должна быть ниже 2% от диапазона измеряемой величины.
Датчики давления в топливном коллекторе используются в следующих системах двигателя:
Аккумуляторная топливная система дизелей Common Rail Максимальное рабочее давление р=200 МПа (2000 бар).
Непосредственный впрыск бензина Med-Motronic
Рабочее давление в системе непосредственного впрыска бензина есть функция крутящего момента и частоты вращения двигателя.
Величина давления впрыска 5... 12 МПа (50... 120 бар).
Конструкция и принцип работы
Основной деталью, «сердцем» датчика давления в топливном коллекторе является стальная диафрагма. Измеряющие резисторы в мостовой схеме реагируют на деформацию диафрагмы (3 на рис. 5). Диапазон измерения датчика есть функция толщины диафрагмы (диафрагмы с большей толщиной используются для измерения более высокого давления, а тонкие диафрагмы - более низкого). Как только измеряемое давление прикладывается к одной стороне диафрагмы через штуцер 4, сопротивление резисторов изменяется в зависимости от величины изгиба диафрагмы (приблизительно 20 мкм при 1500 бар). Электрическое напряжение 0...80 мВ, создаваемое в мостовой схеме, передаётся вычислительному контуру 2 датчика, где усиливается до 0...5 В и передаётся электронному блоку управления, который использует его вместе с тарировочной кривой для расчёта величины давления (рис. 6).





Рис.5
1-Электрический разъём 2-Вычислительный контур 3-Стальная диафрагма с резисторами
(сопротивление, которых зависит от деформации диафрагмы) 4-Канал подвода давления
5-Резьбовой штуцер

Форсунка высокого давления
Назначение
Форсунка высокого давления расположена между топливным коллектором и камерой сгорания и служит для тонкого распылива-ния и дозирования впрыскиваемого топлива с целью достижения управляемого процесса смесеобразования топлива с воздухом в определённой зоне камеры сгорания. В зависимости от режима работы двигателя топливо концентрируется вблизи свечи зажигания (послойный заряд) или равномерно распределяется по всему объёму камеры сгорания (гомогенная топливовоздушная смесь).

Рис.7
1-Вход топлива с сетчатым фильтром 2-Электрический разъём 3-Пружина 4-Электромагнит
5-Корпус форсунки 6-Игла распылителя форсунки с якорем электромагнита 7-Седло распылителя
8-Сопловое отверстие

Конструкция и принцип работы
Форсунка высокого давления (рис. 7) состоит из следующих деталей:
Корпус форсунки 5;
Седло клапана 7;
Игла распылителя 6 с якорем электромагнита;
Пружина 3;
Электромагнит 4.
Когда через обмотку катушки электромагнита проходит электрический ток, в ней создаётся магнитное поле, под действием которого игла распылителя, преодолевая сопротивление пружины, поднимается с седла и открывает сопловое отверстие 8 форсунки. В результате топливо впрыскивается в камеру сгорания под действием перепада давлений между топливным коллектором и камерой сгорания. Как только электрический ток отключается, игла распылителя форсунки под действием пружины снова садится на седло, и впрыск топлива прекращается. Очень быстрое открытие форсунки гарантирует постоянную площадь для прохода топлива в течение периода открытия. Следовательно, при данном открытом проходном сечении количество впрыскиваемого топлива зависит от давления в топливном коллекторе, противодавления в камере сгорания и длительности периода открытия форсунки. Очень тонкое распыливание топлива достигается благодаря специальной геометрии распылителя на конце форсунки.
По сравнению с впрыском топлива во впускной коллектор, при непосредственном впрыске бензина топливо поступает в камеру сгорания быстрее, обеспечивается более точная форма струи и лучшее образование топливовоздушной смеси.
Технические требования
По сравнению с впрыском топлива во впускной коллектор, непосредственный впрыск бензина происходит при более высоком давлении и за более короткое время. На рис. 8 даётся сравнение характеристик впрыска в системах с непосредственным впрыском бензина и впрыском во впускной коллектор. Впрыск топлива во впускной коллектор осуществляется в течение двух оборотов коленчатого вала. При частоте вращения 6000 мин1 продолжительность впрыска составляет 20 мс, а при непосредственном впрыске бензина продолжительность впрыска значительно меньше. При работе на гомогенной смеси топливо должно впрыскиваться во время такта впуска. Другими словами, процесс впрыска топлива происходит только в течение полоборота коленчатого вала. По отношению к той же, как при впрыске топлива во впускной коллектор, частоте вращения (6000 мин1' продолжительность впрыска составляет только 5 мс.
При непосредственном впрыске бензина потребность в топливе на минимальном режиме холостого хода и полном открытии дроссельной заслонки значительно меньше, чем при впрыске топлива во впускной коллектор (отношение 1:12). Продолжительность впрыска на минимальном режиме холостого хода равна приблизительно 0,4 мс.
Управление форсункой высокого давления (HDEV)
Для обеспечения определённого и воспроизводимого процесса впрыска топлива форсунка должна включаться в работу по сложной характеристике пускового электрического сигнала (рис. 9). Пусковой цифровой сигнал (а) на включение форсунки подаётся микропроцессором в электронном блоке управления двигателя. Специальный управляющий модуль использует этот сигнал для создания действующего пускового сигнала (Ь), по которому задающий каскад открывает форсунку.
Для создания высокого пускового напряжения 50.. .90 В используется бустерный (вольтодобавочный) конденсатор, который обеспечивает высокий пусковой ток и, соответственно, очень быстрый подъём иглы распылителя форсунки с седла (с). Как только игла форсунки открывается (максимальный ход иглы), для удерживания иглы в открытом положении достаточно небольшого пускового тока. При постоянном открытом положении форсунки количество впрыскиваемого топлива пропорционально продолжительности впрыска (d). В расчётах продолжительности впрыска учитывается время предварительного намагничивания перед началом подъёма иглы форсунки.


Рис.8
Количество впрыскиваемого топлива в функции продолжительности впрыска

Рис. 9
а - Пусковой сигнал b - Токовая характеристика
с - Подъём иглы форсунки d - Количество впрыскиваемого топлива


Процесс сгорания

Процесс сгорания определяется как физико-химический процесс в камере сгорания, протекающий с образованием топливовоздушной смеси и превращением энергии. Потоки воздуха, создаваемые в камере сгорания, зависят от конкретного процесса сгорания. Для того чтобы получить требуемое расслоение заряда топливовоздушной смеси, форсунка должна впрыскивать топливо в поток воздуха таким образом, чтобы оно испарялось в определённой зоне. Затем поток воздуха переносит пары топливо воздушной смеси в направлении свечи зажигания так, чтобы они достигли её в момент зажигания.

В принципе возможны два основных, и разных процесса сгорания.


Рис. 10
а Процесс с направленной струёй топлива
b Закрученный поток воздуха с отклоняющими стенками
с Вертикальный воздушный вихрь

Процесс сгорания с направленной струёй топлива

Процесс сгорания с направленной струёй топлива характеризуется тем, что топливо впрыскивается в зону непосредственной близости к свече зажигания, где происходит его испарение (рис. 10а). Для того чтобы обеспечить воспламенение топливовоздушной смеси в определённый момент времени (точка воспламенения), необходимо, чтобы свеча зажигания и форсунка были точно взаимно расположены и чтобы факел распыливания топлива был точно направлен.
В таком процессе свеча зажигания подвергается значительным термическим напряжениям, поскольку при определённых условиях горячая свеча может оказаться в непосредственном контакте с относительно холодной струёй впрыскиваемого топлива.
Процесс сгорания с отклоняющими стенками
В таком процессе возможно образование двух разных потоков воздуха, которые являются результатом специальной конструкции впускного канала и поршня. Форсунка впрыскивает топливо в поток воздуха, который переносит образующиеся пары топливовоздушной смеси к свече зажигания.
Закрученный поток воздуха Воздух, засасываемый поршнем в цилиндр через открытый впускной клапан, начинает вращаться, генерируя высокий уровень турбулентности вдоль стенок цилиндра (рис. 10Ь). Этот процесс называется также «процесс сгорания в закрученном потоке».
Вертикальный воздушный вихрь В таком процессе образуется цилиндрический воздушный вихрь (tumble), который сверху донизу отражается выемкой (углублением) в поршне таким образом, что движется вверх, к свече зажигания.

Образование топливовоздушной смеси
Назначение
Процесс образования горючей топливовоздушной смеси должен протекать таким образом, чтобы обеспечивалась максимально возможная её гомогенизация.
Технические требования
В режиме работы на гомогенной богатой (X < 1) и гомогенной бедной топливовоздушной смеси такая смесь равномерно распределяется по всему объёму камеры сгорания. С другой стороны, во время работы на послойном заряде топливовоздушная смесь является гомогенной только в ограниченной области, в то время как остальные зоны каме
· pА
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·
·ры сгорания заполнены негорючим газом или свежим воздухом. Для того чтобы топливовоздушная смесь стала гомогенной, топливо перед смешением с воздухом должно испариться. На этот процесс влияют следующие факторы:
Температура в камере сгорания;
Размер камель в спектре распыливания топлива;
Время, имеющееся для испарения топлива.
Факторы влияния
Влияние температуры. В зависимости от температуры, давления и геометрии камеры сгорания топливовоздушная смесь (воздух/бензин) является горючей в диапазоне значений коэффициента избытка воздуха X = 0,6... 1,6. Поскольку при низких температурах бензин полностью не испаряется, это означает, что в таких условиях, чтобы получить горючую топливовоздушную смесь, должно впрыскиваться больше топлива.
Образование топливовоздушной смеси при гомогенном распределении по камере сгорания
Для того чтобы получить достаточно длительный период времени для образования топливовоздушной смеси, топливо должно впрыскиваться с опережением. Поэтому при работе на гомогенной смеси топливо впрыскивается во время такта впуска. Поступающий в камеру сгорания воздух способствует достижению быстрого испарения топлива и эффективной гомогенизации топливовоздушной смеси.
Образование топливовоздушной смеси при послойном сгорании Решающим фактором послойного сгорания является образование горючего газа топливовоздушной смеси вблизи свечи зажигания в момент воспламенения (проскакивания искры). Именно поэтому топливо впрыскивается во время такта сжатия таким образом, чтобы «облако» топливовоздушной смеси подводилось к свече зажигания потоком воздуха в камере сгорания и поршнем при его движении вверх (к ВМТ). Момент воспламенения есть функция частоты вращения и крутящего момента двигателя.
Глубина проникновения струи топлива Размер капель в факеле распыливания топлива зависит от давления впрыска топлива и от давления в камере сгорания. Чем больше давление впрыска, тем меньше размер капель, которые быстрее испаряются. При постоянном давлении сгорания глубина проникновения факела струи топлива увеличивается при повышении давления впрыска. Глубина проникновения определяется как расстояние, проходимое индивидуальной каплей топлива до полного её испарения.
Если расстояние, необходимое для полного испарения капель, превышает расстояние от форсунки до стенки камеры сгорания, то стенки цилиндра и поверхность поршня будут смачиваться топливом. Если топливо на стенках цилиндра и на поршне не испаряется до момента зажигания, то будет иметь место либо пропуск воспламенения, либо неполное сгорание смеси.

Модели состава топливовоздушной смеси на рабочих режимах двигателя
Имеется шесть рабочих моделей состава топливовоздушной смеси на различных режимах работы двигателя (рис. 11);
Модель с послойным зарядом;
Гомогенная топливовоздушная смесь;
Гомогенная бедная топливовоздушная смесь;
Гомогенная смесь и послойный заряд;
Гомогенная смесь с антидетонационными свойствами;
Послойный заряд/нагрев каталитического нейтрализатора.
Эти рабочие модели обеспечивают максимально возможную адаптацию двигателей на каждом рабочем режиме. Во время управления автомобилем водитель даже не замечает перехода с одной модели состава смеси на другой, поскольку это происходит без скачков крутящего момента. Кривые на графике рис. 11 показывают режимы быстрого разгона двигателя (ярко выраженные изменения крутящего момента при разгоне с установившегося скоростного режима) и плавное ускорение (плавные изменения крутящего момента при увеличении частоты вращения).


Рис. 11
А Работа на гомогенной смеси с Х= 1; такой режим возможен во всех рабочих зонах
В Работа на гомогенной смеси с Х= 1 и рециркуляцией EGR; такой рабочий режим возможен в зонах С и D
С Послойный заряд при наличии рециркуляции (EGR)
Рабочие режимы с двойным впрыском топлива
С Послойный заряд/нагрев каталитического нейтрализатора (работа в том же диапазоне, что и в условиях послойного заряда cEGR)
D Гомогенная смесь и послойный заряд
Е Гомогенная смесь с антидетонационными свойствами

Работа с послойным зарядом топливовоздушной смеси
В области небольших крутящих моментов при частоте вращения приблизительно до 3000 мин двигатель работает в условиях послойного заряда топливовоздушной смеси. В этом случае форсунка впрыскивает топливо во время такта сжатия непосредственно перед моментом зажигания. В течение короткого периода времени до момента зажигания поток воздуха переносит рабочую смесь к свече зажигания. Поскольку имеет место поздний впрыск топлива, то для распределения топливовоздушной смеси по всему объёму камеры сгорания времени недостаточно. На режиме послойного заряда топливовоздушная смесь в объёме камеры сгорания является бедной. При большом избытке воздуха эмиссия NOX оказывается очень высокой, и лучшим способом её снижения на этом режиме является использование высокой степени рециркуляции отработавших газов (EGR), поскольку они снижают температуру в камере сгорания и, соответственно, зависящую от температуры эмиссию NOr Значения частоты вращения и крутящего момента определяют пределы работы с послойным зарядом рабочей смеси. На режиме высокого крутящего момента в локальных зонах богатой смеси образуется сажа. Кроме того, при очень высокой частоте вращения двигателя расслоение заряда и эффективный подвод топливовоздушной смеси к свече зажигания из-за высокого уровня турбулентности больше поддерживаться не может.
Работа на гомогенной топливовоздушной смеси
На режимах высокого крутящего момента и высокой частоты вращения двигатель работает на гомогенной топливовоздушной смеси с А = 1 (в исключительных случаях с X < 1). Впрыск топлива осуществляется во время такта впуска, так что имеется достаточно времени для распределения топливовоздушной смеси по всему объёму камеры сгорания. Масса впрыскиваемого топлива соответствует стехиометричес-кому составу топливовоздушной смеси или, в исключительных случаях, слегка обогащенному составу (К <1).
Поскольку в этом случае используется вся камера сгорания, гомогенная модель требуется при необходимости достижения высокого крутящего момента. На этом рабочем режиме эмиссия вредных веществ с отработавшими газами является достаточно низкой из-за стехиометрического состава топливовоздушной смеси. Процесс сгорания при работе на гомогенной смеси в большой степени соответствует процессу сгорания при впрыске топлива во впускной коллектор.
Работа на бедной гомогенной топливовоздушной смеси.
В переходной области между моделями с послойным зарядом и гомогенной смеси двигатель может работать на бедной гомогенной смеси с \ > 1. Поскольку насосные потери при полном открытии дроссельной заслонки на этом режиме уменьшаются, то расход топлива при работе на бедной гомогенной смеси оказывается меньше, чем при работе на гомогенной смеси с А < 1.
Работа на гомогенной топливовоздушной смеси и послойном заряде.
В этой модели смесеобразования вся камера сгорания заполнена бедной гомогенной топливовоздушной смесью, которая образуется при впрыске сравнительно небольшого количества топлива во время такта впуска.
Вторая фаза впрыска топлива (ступенчатый впрыск) осуществляется во время такта сжатия, что приводит к формированию зоны богатой смеси вблизи свечи зажигания. Такой послойный заряд легко воспламеняется, после чего сгорает остальная гомогенная смесь в объёме камеры сгорания. Модель гомогенной смеси с послойным зарядом активируется в течение нескольких циклов при переходе от модели послойного заряда к образованию гомогенной смеси. Это позволяет системе управления двигателя лучше регулировать величину крутящего момента на переходных режимах работы двигателя. Благодаря преобразованию энергии очень бедной топливовоздушной смеси с А > 2 уменьшается эмиссия NOX. Степень распределения между двумя впрысками топлива выглядит следующим
образом - 75% топлива впрыскивается в первой фазе, которая определяет основную гомогенную топливовоздушную смесь. В диапазоне перехода от модели послойного смесеобразования (ступенчатый впрыск топлива) к гомогенному составу смеси на установившемся режиме при низкой частоте вращения двигателя снижается образование сажи по сравнению с работой на послойном заряде, а также уменьшается расход топлива по сравнению с работой на гомогенной смеси.
Работа на гомогенной топливовоздушной смеси с антидетонационными свойствами.
Поскольку работа с послойным смесеобразованием препятствует детонации, то можно отказаться от использования ступенчатого впрыска топлива при полном открытии дроссельной заслонки вместе с регулированием угла опережения зажигания в сторону запаздывания, что обычно используется для исключения детонации. В то же самое время выбор оптимального угла опережения зажигания позволяет увеличить крутящий момент.
Работа с послойным зарядом и подогревом каталитического нейтрализатора.
Другая форма ступенчатого впрыска топлива делает возможным быстрый прогрев выпускной системы, хотя это должно быть оптимизировано до применения такого решения. Таким образом, при работе с послойным смесеобразованием и большим избытком воздуха первый впрыск происходит во время такта сжатия (подобно режиму «модель послойного заряда») и затем во время рабочего цикла, когда сгорание топлива происходит очень поздно и, следовательно, нагревает выпускную систему до очень высокой температуры. Другим важным применением этого режима является подогрев каталитического нейтрализатора NOX до температуры выше 650° С, что требуется для «десульфуризации» (удаления серы) из каталитического нейтрализатора. Следовательно, очень важно использовать именно ступенчатый впрыск топлива, поскольку обычными способами подогрева такую высокую температуру на всех рабочих режимах получить не удаётся.


Зажигание

Бензиновые двигатели с искровым зажиганием работают по термодинамическому циклу Отто. Для воспламенения сжатой топливовоздушной смеси и, следовательно, обеспечения процесса сгорания используется искровой разряд в форме искры между электродами свечи зажигания, установленной в камере сгорания. Система зажигания служит не только для создания высокого напряжения, необходимого для искрообразования, но также для образования искры в точно определённый момент времени.

Обзор
Наиболее важными характеристиками воспламенения топливовоздушной смеси являются:
Угол опережения зажигания;
Энергия искрового разряда.
Угол опережения зажигания определяется по отношению к ВМТ поршня. Он устанавливает момент зажигания и, следовательно, воспламенения и сгорания топливовоздушной смеси. Значение угла опережения зажигания оказывает значительное влияние на мощность и эмиссию вредных веществ с отработавшими газами бензинового двигателя. Напряжение зажигания между электродами свечи должно быть выше определённого значения, чтобы обеспечить искровой разряд в камере сгорания. В зависимости от рабочего режима двигателя и состояния свечей зажигания требуется напряжение зажигания не менее 30 000 В (двигатели с турбонаддувом). Энергия искрового разряда передаётся топливовоздушной смеси, и начинается процесс сгорания. Для применения на легковых автомобилях использовалась индуктивная система зажигания (с катушкой зажигания). В такой системе энергия зажигания временно сохранялась в магнитном поле катушки зажигания и затем трансформировалась в достаточно высокое напряжение для передачи топливовоздушной смеси в момент зажигания. Для применения в мощных двигателях гоночных автомобилей существуют системы зажигания с накоплением высокой энергии в магнитном поле конденсаторов.

Развитие систем зажигания
С самого начала своего появления не было перерывов в развитии систем зажигания. Как раньше, так и сейчас результатом этого были всё повышающиеся требования к мощности двигателей и снижению вредных выбросов с отработавшими газами. Поэтому всё более и более важную роль продолжают играть электронные системы зажигания (рис. 1).


Традиционная система с катушкой зажигания (О) (1934- 1993)
Механические контакты прерывателя управляют током, протекающим через качание). Механический центробежный автомат опережения зажигания и вакуумный регулятор угла опережения зажигания работают в функции частоты вращения и нагрузки двигателя, соответственно. Распределение высокого напряжения по свечам зажигания осуществляется вращающимся ротором внутри корпуса распределителя - прерывателя.
Транзисторное зажигание (TI) (1965 - 1993)
В этой системе зажигания механические контакты прерывателя заменены неподверженным износу силовым транзистором в коммутаторе. Транзистор управляется индуктивным датчиком Холла. Применение транзистора означает, что отрицательное влияние износа контактов прерывателя исключается.
Электронное зажигание (EI) (1983 - 1998)
В этой системе зажигания распределение высокого напряжения остаётся механическим, но механическое регулирование угла опережения зажигания больше не используется. Частота вращения и нагрузка двигателя измеряются электронной системой и являются входными координатами (параметрами) для карты характеристик, хранящейся в памяти полупроводникового устройства. Для включения и регулирования зажигания используется электронный блок управления зажиганием с микропроцессором.
Полупроводниковое зажигание без распределителя
(1983 - 1998)
В этой системе зажигания распределение высокого напряжения больше не является механическим, а осуществляется управляющим транзистором в электронном блоке управления зажиганием. Это означает, что система зажигания больше не содержит элементов, подверженных износу. Начиная с 1998 года, все вновь проектируемые двигатели оснащаются электронными блоками управления, которые комбинируются с полупроводниковой системой зажигания и системой управления впрыском бензина (Motronic, рис. 2).

Рис.2
1-Катушка зажигания 2-Свеча зажигания

Катушка зажигания
Система зажигания бензиновых двигателей с индуктивной катушкой зажигания служит для создания искрового разряда между электродами свечи зажигания и для обеспечения достаточной энергии искрового разряда.
Обзор
Электрический контур катушки зажигания включает в себя следующие компоненты:
Задающий каскад зажигания (1 на рис. 1);
Катушка зажигания 2;
Распределитель высокого напряжения;
Свеча зажигания 4;
Соединительные устройства и подавители помех.
Современные системы зажигания со статическим (электронным) распределением напряжения больше не оснащаются распределителями высокого напряжения. На рис. 11 в качестве примера показана принципиальная схема электрического контура зажигания со статическим распределением напряжения и катушкой зажигания с двумя выводами.


Рис. 11
1-Задающий каскад зажигания 2-Катушка зажигания
3-Диод EFU (EFU - подавитель помех при искрообразовании) 4-Свеча зажигания
15,1,4,4а – Выводы на пусковой сигнал задающего каскада зажигания
Задающий каскад зажигания
Назначение
Задающий каскад зажигания служит для управления током в катушке зажигания.
Устройство и принцип действия
Задающие каскады зажигания обычно выполняются в виде силовых транзисторов. Функции «ограничения первичного тока» и «ограничения первичного напряжения» интегрированы в задающий каскад зажигания и служат для защиты компонентов системы зажигания от перегрузки. Во время работы задающий каскад и катушка зажигания нагреваются. Для того чтобы не было превышения обычной рабочей температуры, должны быть приняты соответствующие меры для отвода тепловой энергии в окружающее пространство, даже если температура окружающей среды является довольно высокой. Функция ограничения тока в первичной цепи необходима как защитная мера в случае неисправности (например, при коротком замыкании).
Существуют внутренние и внешние задающие каскады зажигания. Первые интегрированы в электронный блок управления двигателя в виде печатной платы, а внешние каскады располагаются в своём собственном корпусе вне электронного блока управления. Однако из-за более высокой стоимости внешние задающие каскады в новых разработках не используются. Кроме того, общей тенденцией становится интегрирование задающих каскадов в катушку зажигания.

Катушка зажигания
Назначение
Катушка зажигания накапливает необходимую энергию зажигания и создаёт высокое напряжение для образования искрового разряда в момент воспламенения.
Устройство
Современные катушки зажигания, соответствующие передовому уровню техники, состоят из двух обмоток из медного провода (первичной и вторичной), магнитного сердечника, выполненного из отдельных пластин мягкого железа, и пластмассового корпуса. В зависимости от конструкции сердечник может быть закрытого типа (компактная катушка) или стержневого типа (стержневая катушка). Компоновка и расположение первичной и вторичной обмоток зависит от формы катушки. Для того чтобы повысить сопротивление изоляции, вторичная обмотка может быть выполнена в виде дисковой или камерной обмотки. Чтобы обеспечить надёжную изоляцию между первичной и вторичной обмотками, а также между обмотками и корпусом, последний заполняется эпоксидной смолой. Конструкция катушки зажигания адаптируется к данному применению.
Принцип действия
Катушка зажигания работает в соответствии с законом Фарадея. Энергия, накапливаемая в магнитном поле первичной обмотки, индуктивным путём передаётся вторичной обмотке. Ток и напряжение передаются от первичной обмотки к вторичной в зависимости от соотношения числа витков (рис. 2).
В катушках зажигания одноискрового типа для систем с распределителем зажигания один из выводов первичной обмотки подсоединён к одному из выводов вторичной обмотки и затем к выводу 15 от выключателя зажигания. Другой конец первичной обмотки подсоединён к выводу 1 задающего каскада зажигания. Вывод вторичной обмотки подсоединен к выводу 4 распределителя зажигания. В катушках зажигания с двумя выводами и в двухискровых катушках зажигания, которые используются без распределителя зажигания (электронное распределение высокого напряжения), первичная и вторичная обмотки друг с другом не соединяются. В катушке зажигания с двумя выводами один конец вторичной обмотки (вывод 4а) соединён с массой, в то время как другой конец соединён непосредственно со свечой зажигания. В двухискровой катушке зажигания каждый вывод вторичной обмотки соединяется со свечами зажигания.
Создание высокого напряжения
В современных системах зажигания электронный блок управления двигателя (ECU) переключает задающий каскад зажигания для расчёта периода времени протекания тока по первичной обмотке, в течение которого величина тока повышается до необходимого (предустановленного) значения с соответствующим генерированием магнитного поля.
Величина тока в первичной обмотке вместе с величиной индуктивности являются решающими факторами накопления энергии магнитного поля.
В момент зажигания задающий каскад зажигания прерывает ток в первичной обмотке. В результате изменение магнитного поля индуцирует во вторичной обмотке высокое напряжение. Максимально возможная величина вторичного напряжения является функцией количества энергии накопленной в катушке зажигания, электрической ёмкости обмотки, отношения числа витков в обмотках, нагрузки на вторичную обмотку (свеча зажигания) и ограничения первичного напряжения в задающем каскаде.


Рис. 2
С распределителем высокого напряжения и вращающимся ротором:
а -Катушка зажигания с одним выводом (одноис-кровая катушка)
Со статическим распределителем высокого напряжения b - Катушка зажигания с двумя выводами (одноискровая катушка) с - Двухискровая катушка зажигания
А - Первичная обмотка В - Вторичная обмотка
Вторичное напряжение в любом случае должно превышать уровень, необходимый для образования искры между электродами свечи зажигания (пробивное напряжение зажигания). Энергия искры должна быть достаточной для воспламенения топливовоздушной смеси, даже при последующем искрообразовании. Это происходит, когда искра «сдувается» турбулентным потоком смеси с соответствующим пропуском зажигания.

При включении первичного тока во вторичной обмотке индуцируется нежелательное напряжение приблизительно 1...2 кВ (напряжение включения), имеющее противоположную полярность высокому напряжению. Образование искры на свече зажигания (искра включения) в этот момент обязательно должно быть предотвращено. В системах с распределителем зажигания (с вращающимся ротором) искра включения эффективно подавляется искровым зазором между ротором и контактами в корпусе распределителя. В системах с электронным распределением высокого напряжения в одноискровых катушках с двумя выводами возникновение искры включения предотвращается диодом EFU (рис. 2) в контуре высокого напряжения. В системах со стационарным (электронным) распределением высокого напряжения и двухискровыми катушками зажигания искра включения эффективно подавляется высоким уровнем пробивного напряжения, необходимого для каскадного соединения двух свечей зажигания.
При отключении первичного тока во вторичной обмотке генерируется высокое напряжение самоиндукции в 200.. .400 В.

Распределение высокого напряжения
Назначение
В момент зажигания высокое напряжение, генерируемое в катушке зажигания, должно подаваться на электроды конкретной свечи зажигания. За это отвечает система распределения высокого напряжения.
Распределение высокого напряжения с использованием вращающегося ротора
При таком распределении высокое напряжение, создаваемое в одноискровой катушке зажигания (2 на рис. За), распределяется по индивидуальным свечам зажигания 5 механическим способом, то есть распределителем зажигания 3. Такой способ распределения высокого напряжения в современных системах зажигания не применяется

.Статическое (электронное) распределение напряжения
Механические компоненты при статическом (электронном) распределении высокого напряжения отсутствуют (рис. 4Ь). Катушки - зажигания в такой системе соединены непосредственно со свечами зажигания, и распределение напряжения происходит в первичном контуре катушек зажигания. Это позволяет осуществлять распределение напряжения без потерь на трение. Существуют два варианта такого вида распределения напряжения.



Рис.1
а - Распределение высокого напряжения вращающимся ротором
b - Статическое (электронное) распределение с одноискровыми катушками зажигания имеющими два вывода
1-Замок зажигания 2-Катушка зажигания 3-Распределитель зажигания 4-Провода высокого напряжения 5-Свечи зажигания 6-Электронный блок управления двигателя (ECU)
7-Аккумуляторная батарея
Системы с одноискровыми катушками зажигания, имеющими два вывода Каждый цилиндр имеет свою собственную катушку зажигания и свой задающий каскад зажигания. Электронный блок управления двигателя подаёт управляющий сигнал на задающий каскад в соответствии с порядком работы цилиндров. Поскольку потери на трение отсутствуют, катушки зажигания могут проектироваться с очень небольшими размерами. При этом они обычно устанавливаются прямо над свечами зажигания. Электронное распределение напряжения может быть применено независимо от числа цилиндров двигателя. Здесь нет ограничений на диапазон регулирования угла опережения зажигания, хотя эта система должна быть синхронизирована с распределительным валом посредством датчика частоты его вращения.
Системы с двухискровыми катушками зажигания
В такой системе каждые два цилиндра обслуживаются одним задающим каскадом и одной катушкой зажигания. Концы вторичной обмотки подключены к свечам зажигания разных цилиндров. Цилиндры должны быть выбраны так, чтобы при такте сжатия в одном цилиндре в другом происходил такт выпуска (применяется только при чётном числе цилиндров). В момент зажигания искрообразование происходит в обеих свечах зажигания. Только следует предусмотреть, чтобы искра на такте выпуска не воспламенила остаточный газ или свежий заряд, который только что мог войти в цилиндр. Такая превентивная мера ведёт к ограничению диапазона регулирования угла опережения зажигания, однако в этом случае нет необходимости синхронизировать систему с частотой вращения распределительного вала.

Свечи зажигания
Назначение
Свеча зажигания служит для образования искрового разряда между электродами свечи, который воспламеняет топливовоздушную смесь в камере сгорания.
Конструкция и принцип работы
Свеча зажигания (рис. 4) представляет собой керамический газонепроницаемый проводник высокого напряжения с электродами внутри камеры сгорания. Свеча зажигания имеет центральный электрод 1 и массовый (боковой) электрод (электроды) 2. Вид искрового разряда определяется расположением бокового(-ых) электрода. Если массовый электрод располагается напротив центрального электрода (рис. 4а), то имеется один воздушный зазор между электродами свечи. Когда массовый электрод(-ы) располагается (-ются) сбоку центрального электрода, то имеет (-ют) место боковой воздушный зазор (Ь) или поверхностный искровой разряд в зазоре (с), или полностью поверхностный искровой промежуток (d).

Рис.4
1- Центральный электрод 2-Массовый (боковой) электрод ЕА Искровой зазор между электродами
а - Прямой искровой разряд
b - Боковой искровой разряд
с - Возможны поверхностный или боковой искровые разряды
d - Поверхностный искровой разряд
После прерывания первичного тока в момент зажигания во вторичной обмотке катушки зажигания очень быстро (приблизительно в течение 30 мс) повышается напряжение зажигания (рис. 5). Как только высокое напряжение станет выше пробивного напряжения, воздушный зазор между центральным и боковым электродом становится токопроводящим. Ёмкость вторичного контура, который зарядился напряжением зажигания (свеча зажигания, высоковольтный провод и катушка зажигания), резко разряжается в виде искры между электродами. В течение обычной продолжительности искрового разряда 1...2 мс энергия, накопившаяся в катушке зажигания, преобразуется в тлеющий разряд (хвостовая искра). Остаточная энергия катушки зажигания полностью разряжается в фазе последующих колебаний напряжения.

Износ свечей зажигания
Во время нормальной работы двигателя электроды свечей зажигания подвергаются износу вследствие эрозии, возникающей из-за действия горячих газов в камере сгорания. Этот износ приводит к увеличению зазора между электродами свечи и соответствующему повышению пробивного напряжения. Независимо от режима работы двигателя до конца предусмотренного срока службы свечей зажигания система зажигания должна обеспечивать необходимое высокое напряжение.


Рис.5
К Головная часть разряда
S Хвостовая часть разряда
tr Продолжительность искрового разряда

Электрические соединения и устройства подавления помех
Высоковольтные провода
Высокое напряжение, генерируемое в катушке зажигания, должно подаваться к свече зажигания. Для этого в системах, в которых катушки зажигания не устанавливаются непосредственно на свечах зажигания, используются высоковольтные провода с пластмассовой изоляцией и специальными разъёмами для соединения с компонентами контура высокого напряжения. Поскольку каждая высоковольтная линия в системе зажигания представляет емкостное сопротивление, которая снижает располагаемое высокое напряжение, то высоковольтные провода должны быть по возможности максимально короткими.
Подавители помех и экранирование
Импульсный разряд, который имеет место при каждом искрообразовании в свече или распределителе зажигания (в случае применения распределителя с вращающимся ротором), является источником радиопомех. Для ограничения пикового тока в контуре высокого напряжения используются помехоподавляющие резисторы. Для минимизирования помех от контура высокого напряжения помехоподавляющие резисторы должны располагаться как можно ближе к источнику излучения помех. Обычно помехоподавляющие резисторы устанавливаются в разъёмах свечей зажигания, в соединительных разъёмах на других концах высоковольтных проводов и в распределителе высокого напряжения с вращающимся ротором, если применяется такая система зажигания. Кроме того, существуют также свечи зажигания с встроенным помехоподавляющим резистором. Однако повышение сопротивления вторичного контура приводит к увеличению потерь энергии зажигания и, следовательно, к снижению уровня энергии искрового разряда в свече зажигания.
Излучение помех может быть уменьшено частичным или полным экранированием системы зажигания.

Напряжение зажигания
Напряжение зажигания является уровнем, при котором на электродах свечи зажигания происходит искровой разряд. Величина напряжения зажигания зависит от нескольких факторов:
Плотность топливовоздушной смеси в камере сгорания и, следовательно, момент зажигания;
Состав топливовоздушной смеси (коэффициент избытка воздуха);
Скорость и уровень турбулентности потока;
Геометрия электродов;
Материал электродов;
Зазор между электродами.
Необходимое напряжение зажигания должно быть обеспечено независимо от режима работы двигателя.

Энергия зажигания

Ток прерывания и параметры катушки зажигания определяют энергию, которая накапливается в катушке зажигания и затем используется как энергия зажигания в искровом разряде. Энергия зажигания оказывает решающее влияние на воспламенение топливовоздушной смеси. Надёжное воспламенение топливовоздушной смеси является предпосылкой эффективной работы двигателя вместе с низким уровнем образования вредных веществ. Эти условия накладывают высокие требования к системе зажигания.
Баланс энергии в процессе зажигания
Энергия, хранящаяся в катушке зажигания, выделяется при искровом разряде. Эта энергия разделена на две разные части.
Головная часть искрообразования Энергия Е, которая накапливается во вторичном контуре с ёмкостью С, резко освобождается в момент зажигания и увеличивается в квадрате прилагаемого напряжения (Ј=1/2 CU2). Эта квадратичная зависимость представлена на рис. 6.

Рис.6
Энергетические характеристики гипотетической системы зажигания с катушкой зажигания ёмкостью 35 пФ, внешней нагрузкой 25 пФ и индуктивностью 15 Г

Хвостовая часть искрообразования. В конце процесса искрообразования высвобождается остаточная энергия, хранящаяся в катушке зажигания (индуктивная часть). Эта энергия является разницей между общей энергией, накопленной в катушке зажигания, и энергией, высвободившейся при емкостном разряде.
Это означает, что чем выше требуемое напряжение зажигания, тем больше головная часть общей энергии.
В определённых случаях, когда необходимо очень высокое напряжение зажигания, например, при сильно изношенных свечах зажигания энергии, сохраняющейся в хвостовой части искрообразования, больше недостаточно для полного сжигания уже воспламенившейся топливовоздушной смеси, или посредством дополнительного искрового разряда снова воспламенить погасшую топливовоздушную смесь. Дальнейшее увеличение требующегося напряжения приводит к достижению предела воспламеняемости, то есть к перебоям в зажигании. Располагаемая энергия в головной части характеристики искрообразования больше недостаточна для создания искрового разряда, и в результате затухает в виде демпфируемых колебаний (пропуск вспышек).
Потери энергии на шунтирование. На рис. 6 показано упрощенное представление существующих условий. Подавляющие резисторы сами по себе и электрическое сопротивление в катушках зажигания и проводах вызывают потери, которые снижают энергию зажигания. Другие потери вызваны шунтирующими сопротивлениями в высоковольтных соединениях, также как и наличием нагара на элементах свечи зажигания, входящих в камеру сгорания.
Величина потерь при шунтировании зависит от требуемого напряжения зажигания. Чем выше напряжение, поданное на свечу зажигания, тем больше потери тока из-за сопротивлений при шунтировании.

Воспламенение топливовоздушной смеси

В идеальных условиях для воспламенения стационарной, гомогенной и стехиометрической топливовоздушной смеси требуется приблизительно 0,2 МДж энергии электрической искры. В таких же условиях, но при богатой или бедной смеси, требуется уже больше 3 МДж энергии.
Энергия, которая действительно необходима для воспламенения топливовоздушной смеси (энергия зажигания), является только частью общей энергии искры зажигания. В традиционных системах зажигания, отличающихся высоким пробивным напряжением, для генерирования искрового разряда высокого напряжения в точке воспламенения требуется уровень энергии выше 15 МДж. Дополнительная энергия требуется для компенсации потерь, например, на шунтирующее сопротивление в свечах зажигания при загрязнениях или для того, чтобы поддерживать искрообразование в течение данного периода времени. На всё это требуется по крайней мере 30...50 МДж энергии. Всё это выражается в энергии порядка 60... 120 МДж, которая должна накапливаться в катушке зажигания. Высокий уровень турбулентности потока топливовоздушной смеси, такой как в послойном заряде двигателей с непосредственным впрыском бензина, может отклонять искру зажигания в такой степени, что может произойти пропуск зажигания. В этом случае для воспламенения топливовоздушной смеси потребуется дополнительное ис-крообразование, которое должно обеспечиваться энергией катушки зажигания.
Чем больше воздуха в бедной топливовоздушной смеси, тем труднее её воспламенить. Это означает, что требуется особенно высокий уровень энергии, чтобы обеспечить высокое напряжение зажигания и необходимую продолжительность искрообразования.
При недостаточном уровне энергии топливовоздушная смесь не воспламеняется, и процесс сгорания не происходит.
Всё сказанное выше означает, что надёжное воспламенение топливовоздушной смеси даже при самых неблагоприятных условиях должно обеспечиваться достаточным уровнем энергии зажигания. В таких случаях воспламенение небольшого объёма пара топливовоздушной смеси вблизи свечи зажигания может быть достаточным для начала воспламенения и сгорания остальной части топливовоздушной смеси в цилиндре.
Факторы, влияющие на характеристики воспламенения
Эффективное смесеобразование и лёгкий доступ топливовоздушной смеси к свече зажигания улучшают характеристики воспламенения, также как и продолжительность искрового разряда, длина искры при большом зазоре между электродами свечи. Благоприятным фактором является также турбулентность заряда смеси при условии достаточной располагаемой энергии, особенно если потребуется дополнительное искрообразование. Турбулентность поддерживает быстрое распространение фронта пламени в камере сгорания и обеспечивает полное сгорание топливовоздушной смеси.
Большое значение имеет также загрязнение свечей зажигания. Если свечи зажигания очень грязные, то возникает шунтирующее сопротивление, которое снимает энергию с катушки зажигания во время генерирования высокого напряжения. Это снижает высокое напряжение, сокращает продолжительность искрообразования и оказывает негативное влияние на состав отработавших газов. В исключительных случаях, если свечи зажигания очень сильно загрязнены или мокрые, это может привести к пропуску зажигания. Пропуск зажигания приводит к прекращению процесса сгорания, что повышает расход топлива и эмиссию вредных веществ с отработавшими газами. Возможно также повреждение каталитического нейтрализатора.

Момент зажигания (угол опережения зажигания)

Между моментом искрового разряда и началом процесса сгорания проходит около двух миллисекунд. Это время остаётся постоянным при неизменном составе топливовоздушной смеси. Следовательно, при увеличении частоты вращения момент воспламенения должен происходить раньше по углу поворота коленчатого вала.
При плохом наполнении цилиндра характеристики воспламенения топливовоздушной смеси также ухудшаются, что приводит к увеличению периода задержки воспламенения и требует ещё большего угла опережения зажигания. Для достижения максимально возможного крутящего момента угол опережения зажигания должен выбираться таким образом, чтобы основное сгорание и, соответственно, максимальное давление сгорания имели место сразу после ВМТ, но чтобы при этом не допускалась детонация (рис. 7).
В условиях послойного образования смеси (при непосредственном впрыске бензина) диапазон регулирования угла опережения зажигания ограничивается моментом окончания впрыска и временем, необходимым для формирования топливовоздушной смеси в течение такта сжатия.

Рис.7
Оптимальный момент зажигания Za
Слишком раннее зажигание Zb (детонационное сгорание)
Слишком позднее зажигание Zc

Каталитические нейтрализаторы для снижения эмиссии вредных веществ

Законодательные нормы определяют пределы эмиссии вредных веществ, образующихся во время процесса сгорания в двигателях с искровым зажиганием. Для того чтобы выполнить эти требования, необходима каталитическая очистка отработавших газов.
Обзор
Перед тем как покинуть выпускную трубу, поток отработавших газов проходит через каталитический нейтрализатор, установленный в выпускном тракте (3 на рис. 1). Специальное покрытие внутри каталитического нейтрализатора обеспечивает химическое преобразование вредных веществ в безопасные, нетоксичные субстанции. Для измерения содержания остаточного кислорода в отработавших газах используются кислородные датчики 2 и 4. Данные измерений затем используются для регулирования состава топливовоздушной смеси, чтобы каталитический нейтрализатор мог работать с наибольшей эффективностью. В последние годы применяются различные концепции каталитических нейтрализаторов. Современную конструкцию представляет трехкомпонентный каталитический нейтрализатор для двигателей, Работающих на смеси стехиометрического состава. Двигатели, которые работают на бедной топливовоздушной смеси, требуют установки каталитического нейтрализатора аккумуляторного типа для нейтрализации NOx.

Каталитический нейтрализатор окислительного типа

В каталитическом нейтрализаторе такого типа углеводороды и оксид углерода, содержащиеся в отработавших газах, преобразуются при окислении (дожигании) в пары воды и диоксид углерода. Кислород, который требуется для процесса дожигания, или уже присутствует в отработавших газах в случае бедной смеси , или подаётся в выпускной тракт выше нейтрализатора.. В настоящее время каталитические нейтрализаторы окислительного типа используются очень редко.


Рис.1
1-Двигатель 2-Кислородный датчик, установленный до каталитического нейтрализатора (узкополосный или широкополосный лямбда-зонд в зависимости от системы очистки отработавших газов) 3-Трёхкомпонентный каталитический нейтрализатор 4-Узкополосный кислородный датчик (лямбда-зонд) в потоке за каталитическим нейтрализатором (только в системах управления с двумя кислородными датчиками)

Трёхкомпонентный каталитический нейтрализатор
Трёхкомпонентный каталитический нейтрализатор устанавливается в системах регулирования эмиссии вредных веществ с отработавшими газами как двигателей с впрыском топлива во впускной коллектор, так и двигателей с непосредственным впрыском бензина.
Назначение
В процессе сгорания топливовоздушной смеси в бензиновых ДВС образуются три основных токсичных компонента - углеводороды СН, оксид углерода СО и оксиды азота NOx. Трёхкомпонентный каталитический нейтрализатор служит для преобразования этих вредных веществ в нетоксичные компоненты. Продуктами этого преобразования являются водяные пары (Н2О), диоксид углерода (СО2) и азот (N2).
Принцип действия
Преобразование токсичных компонентов осуществляется в две стадии. Сначала происходит окисление оксида углерода и углеводородов (таблица G, уравнения 1 и 2). Кислород, необходимый для процесса окисления, содержится в отработавших газах в виде остаточного кислорода по причине неполного сгорания или отбирается у оксидов азота, количество которых при этом уменьшается (G, уравнения 3 и 4). Концентрация вредных веществ в неочищенных отработавших газах есть функция коэффициента избытка воздуха А (рис. 2а). Для оксида углерода и углеводородов (СН) степень преобразования неуклонно повышается по мере увеличения коэффициента избытка воздуха (рис. 2Ь). При А = 1 концентрация этих вредных веществ в неочищенных отработавших газах очень мала, и при увеличении А (А > 1) остаётся на низком уровне. Преобразование оксидов азота (NOx) в области богатой смеси (А < 1) является вполне допустимым. Самый низкий уровень содержания NOx имеет место при стехиометрическом составе смеси (А. = 1), но даже небольшое увеличение содержания кислорода в отработавших газах, вызванное работой при А > 1, препятствует снижению оксидов азота и вызывает резкий рост их концентрации в отработавших газах. Для того чтобы поддерживать максимально возможный высокий уровень преобразования всех трёх токсичных компонентов в трёхкомпонентном каталитическом нейтрализаторе, они должны находиться в отработавших газах в химическом равновесии. Это означает, что состав топливовоздушной смеси должен быть стехиометрическим ), поэтому «окно» состава смеси, близкое к единице, является очень узким. Состав топливовоздушной смеси должен регулироваться замкнутым контуром управления с кислородным датчиком (обратной связью).
Уравнения химических реакций в трёхкомпонентном каталитическом нейтрализаторе
2 СО + О2 _х 2 СО,
2С2Н +7О2 _> 4СОг + 6Н2О
2 NO + 2 СО _^ N2 + 2 СО2
(4) 2NO2 +2CO_^ N2 + 2СО2 + О2

Рис.2
а - Перед каталитической очисткой отработавших газов
b - После каталитической очистки
с - Характеристическая кривая напряжения на узкополосном кислородном датчике

Устройство и конструкция
Каталитический нейтрализатор (рис. 3) состоит из стального корпуса 6, носителя (подложки) 5 и активного каталитического покрытия из благородных металлов 4.
Носитель (подложка)
Применяются два типа носителей - керамические и металлические монолиты.
Керамические монолиты
Керамические монолиты представляют собой керамические тела, содержащие тысячи узких каналов, через которые проходит поток отработавших газов. Керамика состоит из термостойкого магниево-алюминиевого силиката. Монолит, который чрезвычайно чувствителен к механическим напряжениям, закрепляется внутри металлического корпуса посредством минерального объёмного материала (типа матов) 2, который при первом нагревании расширяется, надёжно фиксируя монолит в данном положении. В то же самое время этот материал обеспечивает стопроцентное уплотнение для газов. Керамические монолиты наиболее часто используются как основание для каталитических покрытий.
Металлические монолиты Металлический монолит (металлический каталитический преобразователь) является альтернативой керамическому монолиту. Он изготовляется из гофрированной тонкой металлической фольги толщиной 0,05 мм, которая сворачивается и закрепляется в процессе высокотемпературной пайки. Благодаря тонким стенкам на одной и той же площади может размещаться значительно больше каналов, что означает меньшее сопротивление потоку отработавших газов. Это, в свою очередь, очень важно для мощных современных двигателей.
Покрытие
Керамические и металлические монолиты требуют подложки из оксида алюминия А12О3, абсорбционного слоя («Washcoat») 4. Это покрытие служит для увеличения эффективной каталитической поверхности практически в 7000 раз. В каталитическом нейтрализаторе окислительного типа каталитическое покрытие, наносимое на подложку, содержит благородные металлы платину и/или палладий. В трёхкомпонентных каталитических нейтрализаторах применяется также родий. Платина и палладий ускоряют окисление углеводородов СН и оксида углерода. Родий ускоряет снижение концентрации оксидов азота NOx. В зависимости от рабочего объёма двигателя содержание благородных металлов в каталитическом нейтрализаторе составляет 1...3 грамма.
Эксплуатационные условия
Рабочая температура
Температура в каталитическом катализаторе играет решающую роль в эффективности процесса снижения вредных выбросов. Реальное преобразование токсичных компонентов в трёхкомпонентном каталитическом нейтрализаторе начинается только после достижения температуры 300° С. Идеальной с точки зрения высокого уровня преобразования и длительного срока службы нейтрализатора является температура 400...80СГС. В диапазоне температур 8ОО...1ООО°С ускоряется термическое старение из-за спекания благородных металлов и слоя А12О3, что приводит к уменьшению эффективной поверхности нейтрализатора. Губительное влияние на нейтрализатор оказывает продолжительность работы в этом температурном диапазоне, поскольку при температуре свыше 1000° С термическое старение резко ускоряется и приводит к тому, что каталитический нейтрализатор становится практически полностью неэффективным.


Рис.3
1-Кислородный датчик 2-Объёмный слой минерального материала 3-Теплоизоляционный двойной слой 4-Подложка Al2O3 с покрытием из благородных металлов 5-Монолит 6-Корпус

Нарушения работы двигателя (пропуски зажигания) могут привести к повышению температуры в каталитическом нейтрализаторе больше 1400° С. Поскольку при этой температуре плавится материал подложки и полностью разрушается катализатор, необходимо обеспечить надёжную работу системы зажигания, которая не должна требовать технического обслуживания. Современные системы управления двигателей могут определять пропуски зажигания и нарушения процесса сгорания, и в таких случаях прекращать впрыск топлива в данный цилиндр, чтобы предотвратить поступление несгоревшей топливовоздуш-ной смеси в выпускную систему.
Неэтилированное топливо Другой предпосылкой долговременной работы является использование неэтилированного топлива. В противном случае соединения свинца осаждаются в порах активной поверхности нейтрализатора и уменьшают их число. «Отравлять» катализатор и полностью повреждать его могут также отложения моторного масла.
Место установки
Строгие законодательные нормы по контролю эмиссии вредных веществ требуют применения специальной концепции нагрева каталитического нейтрализатора при пуске двигателя. Такие концепции (например, подача дополнительного воздуха, уменьшение угла опережения зажигания, то есть позднее зажигание) определяют место установки каталитического нейтрализатора. Место установки каталитического нейтрализатора диктуется также его чувствительностью к температурному пределу его нагрева. Температурные условия, необходимые для обеспечения высокого уровня преобразования токсичных компонентов, делают обязательной установку трёхкомпонентного каталитического нейтрализатора близко к двигателю. Возможна конфигурация с двумя каталитическими нейтрализаторами, в которой первый нейтрализатор («pre-cat») устанавливается рядом с двигателем, а после него под днищем автомобиля устанавливается второй (главный) каталитический нейтрализатор. Каталитические нейтрализаторы, располагаемые близко к двигателю, требуют специальной технологии покрытия, которая должна быть оптимизирована для обеспечения стабильности при высокой температуре. С другой стороны, нейтрализаторы, расположенные под днищем автомобиля, требуют оптимизации при низких пусковых температурах (так называемые «low light-off») и обеспечения высокого уровня очистки от NOx. Альтернативой здесь может быть только «общий» каталитический нейтрализатор, который устанавливается близко к двигателю.
Эффективность
Для бензиновых двигателей, работающих на гомогенной топливовоздушной смеси с Л = 1, в настоящее время наиболее эффективным способом очистки отработавших газов является использование трёхкомпонентного каталитического нейтрализатора. В такую систему включён кислородный датчик с замкнутым контуром управления (с обратной связью), отслеживающий состав топливовоздушной смеси. При использовании трёхкомпонентного каталитического нейтрализатора вредные выбросы оксида углерода, углеводородов и оксидов азота могут быть практически устранены при условии, что двигатель работает на распределённой гомогенной топливовоздушной смеси стехиометрического состава. Несмотря на то, что эти идеальные условия не всегда могут выполняться, можно исходить из того, что средний уровень снижения концентрации вредных веществ при указанных эксплуатационных условиях составляет больше 98%.

Каталитический нейтрализатор NOX аккумуляторного типа
Назначение
При работе двигателя на бедной смеси трёхкомпонентный каталитический нейтрализатор не может полностью преобразовать оксиды азота, которые образовались в процессе сгорания. Именно в таких случаях кислород, который требуется для окисления оксида углерода и углеводородов, не расщепляется из оксидов азота, а используется остаточный кислород, который в большом количестве содержится в отработавших газах. Каталитический нейтрализатор NOx аккумуляторного типа снижает содержание оксидов азота другим способом.
Конструкция и специальное покрытие
Каталитический нейтрализатор NOx аккумуляторного типа по своей конструкции подобен обычному трёхкомпонентному нейтрализатору, только в дополнение к платиновому и родиевому покрытиям он оснащается специальными добавками, которые способны аккумулировать оксиды азота. Типичными накопительными материалами являются оксиды калия, кальция, стронция, циркония, лантана и бария. Покрытие для аккумулирования NO2 и покрытия для трёхкомпонентного каталитического нейтрализатора могут наноситься на общий носитель (подложку).
Принцип действия
При работе на смеси стехиометрического состава (X = 1) нейтрализатор NOx благодаря покрытиям из благородных металлов работает так же, как и трёхкомпонентный каталитический нейтрализатор, но также преобразует оксиды азота, содержащиеся в отработавших газах при работе на бедной смеси. Однако это преобразование не является постоянным процессом как при конвертировании углеводородов и оксида азота, а происходит в три стадии:
1. Аккумулирование (хранение) NOx;
Извлечение (высвобождение) NOx;
Преобразование.
Аккумулирование NOx На поверхности платинового покрытия оксиды азота каталитически окисляются в диоксид азота NO,, который затем реагирует со специальными оксидами на поверхности катализаторов и с кислородом О, с образованием нитратов. Например, NCX, при химическом соединении с оксидом бария ВаО образует нитрат бария Ba(NO3)2 (таблица G, уравнение 1). Такой процесс позволяет нейтрализатору аккумулировать оксиды азота, которые образуются во время работы двигателя на рабочей смеси с избытком воздуха.
Существуют два способа определения фазы полного накопления нейтрализатора NOx аккумуляторного типа:
Расчёт количества хранящихся оксидов азота путём моделирования с учётом температуры нейтрализатора (4 на рис. 4);
Непрерывное измерение концентрации NOx в отработавших газах датчиком NOx 6, установленным за нейтрализатором.
Извлечение и преобразование NOx Чем больше аккумулируется оксидов азота, тем меньше способность нейтрализатора их связывать. Это означает, что регенерация должна происходить сразу, как только превышается определённый уровень накопления, другими словами, аккумулированные оксиды азота должны высвобождаться и преобразовываться. Для этого в течение короткого времени двигатель работает в режиме использования богатой гомогенной смеси (X < 0,8). Процесс извлечения NOx и преобразования их в азот и диоксид углерода происходит отдельно один от другого. В качестве восстановителей используются Н2, СН и СО. Наименьшая скорость регенерации наблюдается при использовании СН, и наибольшая скорость при использовании Н2. Процесс извлечения NOx происходит следующим образом (следующее ниже описание даётся применительно к оксиду углерода СО как восстанавливающему агенту). Оксид углерода восстанавливает (раскисляет) нитрат (например, нитрат бария Ba(NO3)2) до оксида (например, оксид бария ВаО), что приводит к образованию диоксида углерода СО, и оксида азота NO (таблица G, уравнение 2).
Уравнения химических реакций для фазы накопления (1), фазы извлечения (2) и фазы преобразования (3)
(1) 2Ва +4NO, +0. > 2Вз(Ш,)? О.) 2 Ва (N01 + 3 СО>3 СО, + ВаО + 2 NO (3)
2 NO +2 СО >N2 +2CO2
Следовательно, при использовании оксида углерода СО покрытие родия преобразует NOx в азот и диоксид углерода СО2 (таблица G, уравнение 3).
Существуют два разных способа определения завершения фазы извлечения NOx:
Модель, базирующаяся на расчёте количества NOx, всё ещё остающегося в нейтрализаторе;
Измерение концентрации кислорода в отработавших газах кислородным дат чиком, установленным за нейтрализатором, по скачку выходного напряжения при переходе с режима работы на бедной смеси к работе на богатой смеси, что означает завершение фазы.
Рабочая температура и место установки нейтрализатора
Способность нейтрализатора аккумулировать/сохранять NOx в значительной степени зависит от температуры. Аккумулирование достигает максимума в диапазоне температур ЗОО...4ОО°С. Это означает, что оптимальный рабочий диапазон температур здесь значительно ниже, чем у трёхкомпонентного каталитического нейтрализатора. Следовательно, для полной очистки отработавших газов должны устанавливаться два отдельных каталитических нейтрализатора - трёхкомпонентный каталитический нейтрализатор около двигателя 3 (на рис. 4) и каталитический нейтрализатор NOx аккумуляторного типа 5 на отдалении от двигателя (под днищем автомобиля).
Влияние серы, содержащейся в бензине, на работу каталитического нейтрализатора NOx аккумуляторного типа
Сера, содержащаяся в бензине, оказывает негативное влияние на работу каталитического нейтрализатора аккумуляторного типа. Сера, содержащаяся в отработавших газах, реагирует с оксидом бария (аккумуляторный/накопительный материал) с образованием сульфата бария. В результате количество материала, необходимого для аккумулирования NOx, с течением времени уменьшается. Сульфат бария исключительно устойчив к действию высокой температуры, и по этой причине лишь немного вырождается в процессе регенерации NOx. Следовательно, при использовании бензина с содержанием серы должна регулярно, с определёнными интервалами.


Рис.4
1-Двигатель с системой рециркуляции отработавших газов 2-Кислородный датчик перед каталитическим нейтрализатором 3-Трёхкомпонентный каталитический нейтрализатор («pre-cat») 4-Температурный датчик 5-Каталитический нейтрализатор NOх аккумуляторного типа (основной нейтрализатор) 6-Узкополосный («two-step») кислородный датчик (как вариант интегрирован с датчиком NOx)
Контур управления с кислородным датчиком (лямбда-зонд)
Назначение
В системах, которые работают только с одним трёхкомпонентным каталитическим нейтрализатором, для того чтобы поддерживался максимально возможный уровень преобразования всех трёх токсичных составляющих, последние должны находиться в состоянии химического равновесия. Для этого необходимо обеспечивать стехиометрический состав топливовоздушной смеси (X = 1), что означает наличие для него очень узкого «окна». Единственным решением проблемы в этом случае является применение замкнутого контура управления с обратной связью (с кислородными датчиками), который регулирует состав топливовоздушной смеси (отношение воздух/топливо). Применение разомкнутого контура управления без обратной связи не обеспечивает достаточно точной работы.
Двигатели с непосредственным впрыском бензина работают на топливовоздушных смесях, которые отклоняются от стехиометрических. Поэтому в таких системах также должна применяться замкнутая система управления с обратной связью.
Устройство системы управления
Сигнал USa кислородного датчика. За (рис. 5), установленного до каталитического нейтрализатора предварительной очистки
4, принимается электронным блоком управления двигателя 7. Для этого может использоваться или узкополосный, или широкополосный (постоянного действия) кислородный датчик. Второй кислородный датчик может быть установлен за основным каталитическим нейтрализатором
5. Этот датчик, который всегда должен быть узкополосным, генерирует сигнал Usb. Таким образом, имеет место форма управления с двумя кислородными датчиками.


Рис.5
Массовый расходомер воздуха
Двигатель
3а Кислородный датчик, установленный до предварительного каталитического нейтрализатора (узкополосный или широкополосный датчик)
3b Узкополосный кислородный датчик, установленный после основного каталитического нейтрализатора (только при необходимости; на двигателях с непосредственным впрыском бензина интегрируется сдатчиком N0,)
Предварительный трёхкомпонентный каталитический нейтрализатор
Основной каталитический нейтрализатор (на двигателях с впрыском топлива во впускной коллектор – трёхкомпонентный каталитический нейтрализатор; на двигателях с непосредствен ным впрыском бензина - каталитический нейтрализатор N0 аккумуляторного типа)
Форсунки
Электронный блок управления двигателя (ECU)
Входные сигналы
Us Сигнал напряжения кислородного датчика
Uv Пусковой сигнал напряжения на форсунках l/f Количество впрыскиваемого топлива

Принцип действия
При использовании замкнутой системы управления с кислородным датчиком отклонение от заданного состава топливовоздушной смеси всегда может быть определено и скорректировано. Принцип управления основан на измерении содержания остаточного кислорода в отработавших газах, что является мерой состава топливовоздушной смеси, поступающей в двигатель 2.
Двухступенчатое управление Сигнал напряжения USa, генерируемый узкополосным кислородным датчиком, установленным до каталитического нейтрализатора 4 («pre-cat»), является высоким в зоне богатой рабочей смеси (X < 1) и низким в зоне бедной смеси (X > 1). Поскольку резкое изменение величины напряжения происходит при X = 1, то узкополосный кислородный датчик может только показывать, какая топливовоздушная смесь имеет место в данный момент.
Выходной сигнал датчика в электронном блоке управления двигателя преобразуется в двоичный сигнал и используется как входной сигнал замкнутого контура управления с кислородным датчиком в установленном программном обеспечении. Система управления с кислородным датчиком (датчиками) оказывает непосредственное влияние на формирование топливовоздушной смеси и устанавливает правильное отношение воздух/топливо путём адаптации количества впрыскиваемого топлива. Регулируемая переменная может изменяться скачком или по линейному закону, и направление управления изменяется с каждым скачком напряжения датчика. Другими словами, скачок регулируемой переменной вызывает изменение состава топливовоздушной смеси. Сначала это изменение является очень резким, а затем переходит в режим линейного изменения. При высоком сигнале напряжения (богатая топливовоздушная смесь) направление регулирования происходит в «бедную» сторону, а при низком сигнале напряжения - в «богатую». Это так называемое двухступенчатое управление позволяет замкнутому контуру управления с обратной связью поддерживать состав топливовоздушной смеси близко к стехиометрическому соотношению (X = 1).
Формирование характеристической кривой регулируемой переменной позволяет асимметрично компенсировать типичный ошибочный сигнал кислородного датчика, вызванный изменениями состава топливовоздушной смеси («богатое»/»бедное» переключение).
Непрерывное управление с кислородным датчиком
Широкополосный кислородный датчик выдаёт постоянный сигнал напряжения USa. Это означает, что может быть измерена не только зона работы датчика (богатая или бедная), но также отклонение от стехиометрического состава X =1, так что лямбда - управление может более быстро реагировать на изменение состава топливовоздушной смеси. Это позволяет улучшить динамические характеристики управления. Широкополосный кислородный датчик может измерять отклонения состава топливовоздушной смеси от значения X = 1. Это означает, в отличие от двухступенчатого управления, что можно регулировать состав таких смесей. Диапазон регулирования охватывает значения X = 0,7...3,0, так что управление широкополосным кислородным датчиком подходит как для «богатой», так и для «бедной» работы двигателей с непосредственным впрыском бензина.
Система управления с двумя кислородными датчиками Кислородный датчик, установленный перед первым каталитическим нейтрализатором (За на рис. 5), подвергается высоким температурным напряжениям и действию отработавших газов, что приводит снижению точности измерений. С другой стороны, расположение кислородного датчика после основного каталитического нейтрализатора (ЗЬ) существенно уменьшает влияние этих факторов. Единственной проблемой здесь является то, что действие датчика за каталитическим нейтрализатором становится слишком медленным из-за долгого пути прохождения до него отработавших газов. Принцип управления с двумя кислородными датчиками основан на том, что первый датчик контролирует переключение с богатой смеси на бедную, в то время как датчик за нейтрализаторами является элементом замкнутой системы управления, ответственной за «медленную» дополнительную коррекцию состава смеси.
Замкнутый контур управления с кислородным датчиком двигателей с непосредственным впрыском бензина Каталитически нейтрализатор NOx аккумуляторного типа имеет две разные функции. Во время работы на бедной топливовоздушной смеси происходят аккумулирование (накопление) NOx и окисление СО. Кроме того, при X = 1 необходимо выполнение функции стабильной трёхкомпонентной очистки, которая обеспечивает минимальный уровень накопления кислорода. Кислородный датчик, установленный выше по потоку, то есть перед каталитическим нейтрализатором, отслеживает стехиометрический состав топливовоздушной смеси.
Узкополосный «двухступенчатый» кислородный датчик, интегрированный с датчиком NOx, установленный за каталитическим нейтрализатором NO аккумуляторного типа, не только принимает участие в системе управления с двумя кислородными датчиками, но также регулирует работу комбинированного аккумулятора О2 и NOx (определение окончания фазы извлечения NOx).


Рис.6
Без подачи вторичного воздуха
С подачей вторичного воздуха
V - Скорость автомобиля, км/ч

Нагревание каталитического нейтрализатора
Установка позднего зажигания
Для того чтобы удерживать концентрацию вредных веществ в отработавших газах на минимальном уровне, необходимо, чтобы в каталитическом нейтрализаторе максимально быстро достигалась рабочая температура. Одним из способов этого является установка более позднего зажигания. Эта мера снижает КПД двигателя и в результате приводит к повышению температуры отработавших газов, что способствует нагреву каталитического нейтрализатора.
Подача дополнительного воздуха
Несгоревшие компоненты топливовоздушной смеси, всё ещё находящиеся в отработавших газах, сгорают в процессе дожигания. Кислород, необходимый для процесса дожигания, при работе на бедной топливовоздушной смеси содержится в отработавших газах в виде остаточного кислорода. При работе на богатой топливовоздушной смеси, что часто требуется для прогрева двигателя до рабочей температуры, дополнительный (вторичный) воздух подаётся в выпускную систему, чтобы ускорить подогрев каталитического нейтрализатора.
С одной стороны, экзотермическая реакция уменьшает концентрацию углеводородов и оксида углерода, а с другой стороны, в процессе дожигания происходит нагрев каталитического нейтрализатора, в котором быстро достигается рабочая температура. Во время периода прогрева двигателя этот процесс значительно повышает сте пень преобразования, так что каталитический нейтрализатор быстро становится готовым к работе. На рис. 6 показаны характеристики эмиссии углеводородов и оксида углерода в первые секунды испытаний с подачей и без подачи вторичного воздуха.
В современных системах подача вторичного воздуха осуществляется электрическими нагнетателями.
Дополнительный, после основного, впрыск топлива (POI)
В двигателях с непосредственным впрыском бензина для быстрого прогрева каталитического нейтрализатора до рабочей температуры может использоваться другой способ. На рабочем режиме «послойного смесеобразования/прогрева каталитического нейтрализатора», то есть при работе с послойным зарядом и большим общим избытком воздуха, осуществляется дополнительный впрыск топлива во время рабочего хода двигателя. Это топливо затем сгорает и вызывает значительное выделение тепла на стороне выпуска и в выпускном коллекторе двигателя. Это означает, что в тех случаях, когда обычные способы (например, регулирование зажигания в сторону запаздывания) оказываются недостаточными для достижения установленных предельных значений токсичных компонентов в отработавших газах, за счёт указанного дополнительного впрыска топлива можно отказаться от подачи дополнительного воздуха в выпускной коллектор.



Аккумуляторная топливная систем CommonRail
Обзор топливных систем
Области применения
Создание в 1927 году первого серийного многоплунжерного рядного ТНВД обозначило начало промышленного производства дизельных топливных систем фирмой Bosch. Основной областью применения рядных многоплунжерных ТНВД до сих пор остаются дизели различных размерностей для коммерческих автомобилей, стационарные, тепловозные и судовые дизели. Топливные системы, обеспечивающие давление впрыска топлива до 1350 бар, используются для достижения цилиндровой мощности порядка 160 кВт/цилиндр.
С течением лет широкий спектр требований, связанных, в частности, с установкой дизелей с непосредственным впрыском топлива (DI) на небольшие коммерческие и легковые автомобили, привел к созданию различных дизельных топливных систем, соответствующих требованиям конкретного применения. Наиболее важными достижениями, связанными с созданием таких систем, являются не только увеличение удельной мощности двигателей, но также снижение расхода топлива, уровня шума и эмиссии вредных веществ с ОГ.
По сравнению с обычными топливными системами (ТНВД с кулачковым приводом), топливная система Bosch "CommonRail" (CR-первое поколение для легковых и мало тонажных грузовых) для дизелей с непосредственным впрыском топлива обеспечивае:
широкаую область применения (легковые и легкие коммерческие автомобили
с цилиндровой мощностью до 30 кВт/цилиндр, как и форсированные автомобильные, тепловозные и судовые дизели цилиндровой мощностью до 200 кВт/цилиндр);
высокое давление впрыска до 1400 бар, даже до 3000 бар;
переменный угол опережения впрыска;
возможность формирования процесса двухфазного и многофазного впрыска;
соответствие давления впрыска скоростному и нагрузочному режимам.
Принцип работы
Создание давления и непосредственный процесс впрыска в аккумуляторной топливной системе CR полностью разделены. Высокое давление в топливной системе создается независимо от частоты вращения коленчатого вала двигателя и количества впрыскиваемого топлива. Топливо, готовое для впрыска, находится под высоким давлением в аккумуляторе. Количество впрыскиваемого топлива (цикловая подача) определяется действиями водителя, а угол опережения и давление впрыска определяются электронным блоком управления (ЭБУ) на основе программируемых матриц характеристик, хранящихся в памяти микропроцессора. ЭБУ выдает управляющий пусковой сигнал на соответствующие электромагнитные клапаны, в результате чего осуществляется впрыск форсункой в каждый цилиндр. Аккумуляторная топливная система CR включает в себя следующие элементы электронного управления:
ЭБУ;
датчик оборотов коленчатого вала;
датчик частоты вращения распределительного вала;
датчик положения педали акселератора;
датчик давления наддува;
датчик давления в аккумуляторе;
датчик температуры охлаждающей жидкости;
массовый расходомер воздуха. Используя входные сигналы указанных
выше датчиков, ЭБУ регистрирует положение педали акселератора и определяет на данный момент времени рабочую характеристику двигателя и автомобиля как единого целого. На основе полученной информации ЭБУ может через разомкнутые и замкнутые контуры осуществлять управляющие действия с автомобилем и, особенно, с двигателем. Частота вращения двигателя измеряется датчиком частоты вращения коленчатого вала, а порядок чередования вспышек - датчиком частоты вращения (положения) распределительного вала. Электрический сигнал, образующийся на потенциометре педали акселератора, информирует ЭБУ о том, как сильно водитель нажал на педаль, другими словами о его требованиях к величине крутящего момента.
Массовый расходомер воздуха обеспечивает ЭБУ данными о мгновенном расходе воздуха, чтобы адаптировать процесс сгорания соответствию нормам эмиссии вредных веществ с ОГ. Если на двигателе с турбонаддувом установлен турбокомпрессор с регулируемым давлением наддува, то измерение последнего осуществляется датчиком давления наддува. При низких температурах окружающей среды и при холодном двигателе ЭБУ использует информацию датчиков температуры охлаждающей жидкости и температуры воздуха, чтобы адаптировать полученные данные для установки угла опережения впрыска, использования дополнительного впрыска (после основного) и других параметров в зависимости от эксплуатационных условий. В зависимости от конкретного автомобиля, для того чтобы удовлетворять повышенным требованиям к безопасности и комфорту, могут использоваться другие датчики, посылающие сигналы в ЭБУ.
На рисунке 2 показана схема четырехцилиндрового дизеля, оснащенного аккумуляторной топливной системой CR.
Основные функции
Основные функции системы заключаются в правильном управлении процессом
впрыска дизельного топлива в нужный момент и в требуемом количестве, а также при необходимом давлении впрыска. Это обеспечивает плавную и экономичную работу дизеля.
Дополнительные функции
Дополнительные функции управления с учетом и без учета обратной связи служат для улучшения характеристик по снижению эмиссии вредных веществ с ОГ и расхода топлива или используются для повышения безопасности, комфорта и удобства управления. В качестве "примеров можно привести систему рециркуляции ОГ, регулирование давления наддува, систему поддержания постоянной скорости автомобиля (CruiseControl), электронный иммобилайзер.
Система передачи данных CAN позволяет проводить обмен данными между различными электронными системами автомобиля (например, антиблокировочной системой тормозов (ABS), системой управления коробкой передач). При проверке автомобиля в автосервисе диагностический интерфейс позволяет проводить оценку данных, хранящихся в памяти электронной системы управления.

Рис. 2
1- ДМРВ 2-ЭБУ, 3-ТНВД, 4- аккумулятор топлива, 5- форсунка. 6- датчик к/вала,
7- датчик температуры, 8- фильтр тонкой очистки, 9- датчик педали.


Характеристики впрыска топлива
Характеристики впрыска в традиционных топливных системах
В традиционных топливных системах, использующих многоплунжерные рядные или ТНВД распределительного типа, характеристика впрыска топлива включает в себя только один главный впрыск, без предварительного и вторичного, то есть является однофазным (рис. 3). В ТНВД распределительного типа с электромагнитным клапаном управления подачей может быть обеспечена организация двухфазного впрыска с фазой предварительного впрыска. В традиционных топливных системах дизелей процессы создания высокого давления и обеспечения требуемой подачи топлива связаны между собой работой кулачкового привода и плунжера (плунжеров) ТНВД.
Это оказывает следующее влияние на характеристики впрыска:
- давление впрыска увеличивается с увеличением частоты вращения и цикловой подачи;
- в период процесса впрыска давление впрыска увеличивается и затем падает при посадке иглы форсунки на седло.
Следствиями такого процесса являются:
- меньшее количество топлива впрыскивается при меньшем давлении, по сравнению с впрыском большого количества топлива (рис. 3);
- максимальная величина давления (пик кривой давления) более чем в два раза превышает среднее давление впрыска;
Характеристика давления впрыска в традиционных топливных системах рт - среднее давление впрыска, ps - максимальное давление впрыска.


Рис. 3



- в соответствии с требованиями для эффективного сгорания топлива кривая давления впрыска является практически треугольной.
Максимальная величина давления впрыска является решающим фактором, определяющим нагрузку на ТНВД и его компоненты. Для топливной системы в целом это важно с точки зрения качества топливовоздушной смеси, образующейся в камере сгорания.

Характеристики впрыска в топливной системе CommonRail
По сравнению с традиционными топливными системами, для получения идеальных характеристик впрыска к топливной системе CR предъявляются следующие требования:
- независимо друг от друга величина подачи (количество впрыскиваемого топлива) и давление впрыска топлива должны быть одинаковы для всех режимов работы ДВС (что обеспечивает свободу достижения идеального состава топливовоздушной смеси);
- в начале процесса впрыска величина подачи должна быть по возможности минимальной (предварительный впрыск) в период задержки воспламенения между началом впрыска и началом сгорания).
Эти требования выполняются в аккумуляторной топливной системе с сдвухфазным
впрыском (рис. 4 ).
Топливная система CommonRail является модульной системой, и следующие ее ком-поненты являются ответственными за обеспечение характеристик впрыска:
Рис. 4

Предварительный впрыск приводит к уменьшению задержки воспламенения основного впрыска, процесс сгорания происходит мягче, жескость работы двигателя снижается. мощность ДВС получает от основного впрыска, давление которого не падает до конца впрыска.

Топливная система
Аккумуляторная топливная система CommonRail включает в себя ступень низкого давления, ступень высокого давления и ЭБУ. Схема топливной системы CR показана на рис. 7.
Создание низкого давления
Ступень низкого давления в топливной системе CR включает в себя:
топливный бак (1) с фильтром-топливоприемником (2); топливоподкачивающий насос (3); фильтр тонкой очистки топлива (4); трубопроводы линии низкого давления (5).
Ступень высокого давления: ТНВД (6); трубопроводы высокого давления (7); аккумулятор (8); форсунку (9); линии возврата топлива (10); ЭБУ (11),


Рис. 7
Топливный бак. Как следует из его названия, топливный бак служит для хранения топлива. Он должен быть выполнен из материала, устойчивого к коррозии, и не иметь утечек топлива даже при давлении, в два раза превышающем рабочее, но, по крайней мере при превышении давления на 0,3 бар. топливный бак должен быть оснащен предохранительными клапанами, чтобы сбрасывать избыточное давление. Не должно быть утечек топлива ни после топливно-заливной горловины, ни через устройства выравнивания давления. Это также относится к случаям воздействия неровностей дороги, поворотам (закруглениям дороги) или наклонным положениям автомобиля. Топливный бак и двигатель должны отстоять достаточно далеко один от другого, чтобы в случае аварии была исключена опасность пожара. Это не относится к тракторам с открытой кабиной, мотоциклам и мопедам. Для транспортных средств с открытой кабиной, тракторов и автобусов принимаются специальные правила, касающиеся расположения топливных баков и защитных экранов.
Трубопроводы линий низкого давления топлива
В качестве альтернативы стальным трубкам, в линиях низкого давления могут использоваться пламезащитные армированные гибкие шланги. Они должны быть защищены от механических повреждений и проложены таким образом, чтобы исключить возможность появления капель или испарения топлива, скапливающегося на нагретых деталях, где оно может воспламениться. В случае деформирования кузова при аварии или перемещении двигателя не должны иметь место разрушающие последствия топливной системы. Все трубопроводы топливной системы должны быть защищены от нагрева. В автобусах топливные трубопроводы не должны располагаться в пассажирском салоне или в кабине водителя, и не должна осуществляться подача топлива под действием сил тяжести.
Компоненты ступени низкого давления
Подкачивающий насос
Подкачивающий насос может быть либо электрическим с фильтром-топливоприемником, либо шестеренчатым. Насос забирает топливо из топливного бака и непрерывно подает его в необходимом количестве в насос высокого давления.
Фильтр тонкой очистки топлива
Недостаточная фильтрация топлива может привести к повреждению элементов ТНВД, нагнетательных клапанов и форсунок. Топливный фильтр очищает топливо до его поступления в ТНВД и, таким образом, предотвращает преждевременный износ прецизионных деталей ТНВД.
Создание высокого давления
Ступень высокого давления в аккумуляторной топливной системе CommonRailвключает в себя следующие компоненты (рис.7):
ТНВД (6) с редукционным клапаном;
трубопроводы линии высокого давления (7);
аккумулятор топлива высокого давления (8) с датчиком давления, клапаном- регулятором давления и ограничителемподачи;
форсунки (9);
линии возврата топлива(10).
Компоненты ступени высокого давления
ТНВД повышает давление топлива в системе до 1350 бар и направляет его через топливопроводы высокого давления в аккумулятор топлива.
Аккумулятор топлива
Даже после осуществления впрыска топлива форсункой, давление в аккумуляторе остается практически постоянным. Этот эффект происходит в аккумуляторе в результате свойственной топливу сжимаемости. Давление топлива в аккумуляторе измеряется датчиком давления и поддерживается на требуемом уровне предохранительным клапаном (регулятором давления), который ограничивает давление в аккумуляторе с максимальным значением 1500 бар. Топливо под высоким давлением направляется из аккумулятора к форсункам через ограничитель подачи, который предохраняет от излишней подачи топлива в камеру сгорания.
Форсунки
Форсунки в системе CommonRail открываются по пусковому сигналу электромагнитного клапана и впрыскивают топливо непосредственно в камеру сгорания.
Избыточное топливо, которое требуется для открытия форсунки, направляется обратно в топливный бак по линии возврата топлива. Топливо, перепускаемое клапаном-регулятором давления, вместе с топливом из линии низкого давления и топливом, служащим для смазки деталей ТНВД, также направляется в линию возврата топлива.
Трубопроводы линии высокого давления
Через трубопроводы топливо подается под высоким давлением. Поэтому они должны выдерживать максимальное давление в топливной системе и возможные высокочастотные пики давления, возникающие в интервалах между впрысками. Трубопроводы линии высокого давления изготовляются из стальных трубок и обычно имеют наружный диаметр 6 мм и внутренний диаметр 2,4 мм.
Все трубки между аккумулятором и форсунками должны быть одинаковой длины. Разница в расстояниях между аккумулятором и конкретными форсунками компенсируется изгибами трубок, при этом трубопроводы линии высокого давления должны быть по возможности короткими.



Устройство и работа компонентов топливной системы
Ступень низкого давления
Ступень низкого давления (рис. 8) обеспечивает топливом ступень высокого давления. Наиболее важными компонентами ступени низкого давления являются:
топливный бак (1);
топливоподкачивающий насос (3) с фильтром-топливоприемником (2);
трубопроводы линии низкого давления и линии возврата топлива (5,7);
фильтр тонкой очистки топлива (4);
секция низкого давления в ТНВД (6);
7 - линия возврата топлива;
8 - ЭБУ
(устройство и работу узлов изучать)

Рис.8
Топливоподкачивающий насос
Топливоподкачивающий насос в ступени низкого давления топлива служит для обеспечения требуемой подачи топлива к элементам ступени высокого давления. В работе топливоподкачивающего насоса предусматривается:
независимость от режима работы двигателя;
минимальный шум;
обеспечение необходимого давления;
ресурс работы, соответствующий полному сроку службы автомобиля.
В настоящее время существуют два варианта топливоподкачивающих насосов: стандартный вариант - электрический роторный (роликовый) насос, и альтернативный - шестеренчатый насос с механическим приводом.
Электрический топливоподкачивающий насос
Топливоподкачивающий насос с автономным электрическим приводом (рис. 9 и 10) используется только в двигателях легковых и легких коммерческих автомобилей. Этот насос служит не только для подачи топлива в ТНВД, но и в составе системы текущего контроля прекращает подачу топлива в случае аварии.
Начиная с прокручивания двигателя стартером, электрический топливоподкачивающий насос работает с постоянной частотой вращения, независимо от частоты вращения двигателя. Это означает, что насос постоянно подает топливо из топливного бака в ТНВД через фильтр тонкой очистки топлива. Излишнее топливо направляется обратно в бак через перепускной клапан.
Контур безопасности служит для прекращения подачи топлива в случае, когда зажигание включено при неработающем двигателе.
Существуют два варианта установки топливоподкачивающих насосов с электрическим приводом - в линию низкого давления между топливным баком и фильтром тонкой очистки топлива, и внутри топливного бака. Первые крепятся к кузову автомобиля, а вторые устанавливаются на специальных опорах внутри топливного бака. Кроме наружных электрических и гидравлических соединений, на этих опорах также крепится фильтр-топливоприемник, индикатор уровня топлива и тангенциальная полость, служащая как резервуар топлива. Электрический топливоподкачивающий насос включает в себя три функциональных элемента (рис. 9):
насосную секцию (А);
электромотор (В);
крышку (С).

Рис.10
Рис. 9
Схема электрического топливоподкачивающего насоса
А - насосная секция, В - электромотор, С - крышка;
1 - сторона нагнетания, 2 - якорь электромотора, 3 - роликовый насос, 4 - перепускной клапан, 5 - сторона всасывания.
Имеется множество различных вариантов насосных элементов, применяемых в зависимости от конкретной области применения насоса. В топливной системе CR используется роторный топливоподкачивающий насос роликового типа (насос прямого вытеснения). Такой тип насоса включает в себя эксцентрично расположенную камеру с установленным в ней ротором и роликами, которые могут перемещаться в прорезях ротора. Вращение ротора вместе с создаваемым давлением топлива заставляют ролики перемещаться на периферию прорези, прижимаясь к рабочим поверхностям. В результате ролики действуют как вращающиеся уплотнители, посредством чего между роликами соседних прорезей и внутренней, рабочей поверхностью корпуса насоса, образуется камера.
Создание давления определяется тем, что при закрытии входной серпообразной полости объем камеры постоянно уменьшается, и когда выходное отверстие открывается, топливо течет через электромотор и выходит из штуцера в крышке на нагнетательной стороне насоса. определяется требуемой величиной подачи при данном давлении в линии низкого давления. Электромотор и насосный элемент расположены в общем корпусе. При работающем насосе они постоянно омываются топливом, так что постоянно охлаждаются. Такая конструкция позволяет получить хорошую характеристику электромотора без необходимости создания сложных уплотнительных элементов между насосной секцией и электромотором.
Крышка на нагнетательной стороне имеет электрические выводы и штуцер для гидравлического соединения. В ней также могут быть установлены помехоподавляющие элементы.

Электромотор (Рис. 10) включает в себя постоянный магнит и якорь.
Насосная секция роликового топливоподкачивающего насоса с электрическим приводом имеет:
1 - сторона всасывания, 2 - ротор, 3 - ролик, 4 - опорная плита, 5 - сторона нагнета


Топливоподкачивающий насос шестеренчатого типа
На легковых, коммерческих и вседорожных автомобилях с топливной системой CommonRail используются топливоподкачивающие насосы шестеренчатого типа. Они могут быть интегрированы в корпус ТНВД и, следовательно, иметь общий с ним привод или непосредственно устанавливаться на двигатель и иметь свой привод. Обычно применяются шестеренчатый привод или зубчатый ремень.
Основными элементами шестеренчатого насоса являются два шестеренчатых колеса (рис. 11), которые находятся в зацеплении между собой, посредством чего топливо "захватывается" в камеру, образующуюся между зубьями шестерен и стенкой корпуса насоса, и направляется к выходу на стороне нагнетания. Контактные поверхности между зубьями вращающихся шестерен обеспечивают уплотнение между сторонами всасывания и нагнетания и, таким образом, предотвращают перетекание топлива снова на всасывание.
Величина подачи шестеренчатым насосом практически пропорциональна частоте вращения коленчатого вала двигателя, поэтому величина подачи уменьшается дросселем на всасывающей стороне или ограничивается перепускным клапаном на стороне нагнетания.
Шестеренчатые насосы не требуют технического обслуживания. Для удаления воздуха из топливной системы перед пуском или в случае, когда топливный бак оказывается пустым, непосредственно на топливоподкачивающем насосе или в линии низкого давления может быть установлен насос ручной подкачки топлива

Рис. 11
Схема топливоподкачивающего насоса шестеренчатого типа
1 - сторона всасывания, 2 - ведущая шестерня, 3 - сторона нагнетания.

зубьями вращающихся шестерен обеспечивают уплотнение между сторонами всасывания и нагнетания и, таким образом, предотвращают перетекание топлива снова на всасывание.
Величина подачи шестеренчатым насосом практически пропорциональна частоте вращения коленчатого вала двигателя, поэтому величина подачи уменьшается дросселем на всасывающей стороне или ограничивается перепускным клапаном на стороне нагнетания.
Шестеренчатые насосы не требуют технического обслуживания. Для удаления воздуха из топливной системы перед пуском или в случае, когда топливный бак оказывается пустым, непосредственно на топливоподкачивающем насосе или в линии низкого давления может быть установлен насос ручной подкачки топлива.
Фильтр тонкой очистки топлива
Загрязняющие примеси в топливе могут привести к повреждению элементов ТНВД, нагнетательных клапанов и форсунок. Это требует установки топливного фильтра, который должен удовлетворять требованиям конкретной топливной системы дизеля, ибо в противном случае безошибочная работа и длительный срок службы компонентов системы не могут быть гарантированы. Дизельное топливо может также содержать воду или в виде эмульсии, или в свободном виде (конденсат из-за температурных перепадов) и, если вода присутствует в компонентах топливной системы, то это приводит к их повреждению в результате коррозии.
Подобно топливным системам других типов, система CommonRail также требует установки фильтра тонкой очистки топлива с сепаратором воды (рис. 12), откуда вода может удаляться через определенные интервалы времени. Все увеличивающееся число дизелей, устанавливаемых на легковые автомобили, привело к появлению автоматического индикатора наличия воды в виде контрольной лампы, которая сигнализирует о необходимости слива воды из камеры фильтра (это обязательно для стран, использующих дизельное топливо с большим содержанием воды).

Фильтр тонкой очистки топлива (рис. 12)
1 - крышка фильтра, 2 - вход топлива, 3 - бумажный фильтрующий элемент, 4 - корпус, 5 - камера - сепаратор воды (конденсата), 6 - пробка для слива воды, 7 - выход топлива.





Ступень высокого давления
Кроме создания высокого давления в ступени высокого давления предусматривается распределение топлива по цилиндрам и дозирование топлива. Наиболее важными компонентами ступени высокого давления являются (рис. 13):
- ТНВД (1) с клапаном прекращения подачи (2) и регулятором давления (3);
- аккумулятор топлива (5);
- датчик давления топлива (6) в аккумуляторе;
- предохранительный клапан (7) (регулятор давления);
- ограничитель подачи (8);
- форсунки (9);
- ЭБУ(10). (устройство и работу узлов изучать)
ТНВД
Назначение
ТНВД (рис. 14 и 15), установленный между линией низкого давления и ступенью высокого давления, служит для создания необходимого высокого давления в течение всего срока службы автомобиля.
Он также включает в себя устройство для обеспечения пусковой подачи и для быстрого повышения давления в аккумуляторе.
ТНВД постоянно создает высокое давление в топливной системе, как это требуется аккумулятором топлива. Это, следовательно, означает, что в отличие от обычных топливных систем дизелей, давление топлива не должно специально повышаться для совершения каждого рабочего цикла.

Рис. 13
Ступень высокого давления в аккумуляторной системе CommonRail
1 -ТНВД,
2 - клапан прекращения подачи топлива,
3 - регулятор давления,
4 - линия высокого давления,
5 - аккумулятор топлива,
6 - датчик давления топлива в аккумуляторе,
7 - клапан-регулятор давления,
8 - ограничитель подачи,
9 - форсунка,
10 - ЭБУ


Рис. 14
ТНВД (продольный разрез)
1 - вал привода, 2 - кулачок, 3 - насосный элемент с плунжером, 4 - надплунжерная камера, 5 - впускной клапан, 6 - электромагнитный клапан прекращения подачи топлива, 7 - выпускной клапан, 8 - уплотнитель, 9 - штуцер соединения с аккумулятором, 10 - регулятор давления, 11 - шариковый клапан, 12 возврат топлива, 13 - вход топлива от топливоподкачивающего насоса, 14 - противодренажный клапан с дросселем, 15 - канал низкого давления к насосному элементу.


Устройство и конструкция (читать все)
Установка ТНВД на двигатель должна быть предпочтительно на том же месте, что и для обычного ТНВД распределительного типа. Привод ТНВД осуществляется от коленчатого вала двигателя (половина частоты вращения вала двигателя, но не более 3000 мин-1) че¬рез муфту, шестеренчатую передачу, цепь или зубчатый ремень. Смазка осуществляет-ся подаваемым ТНВД дизельным топливом.
В зависимости от располагаемого пространства, редукционный клапан устанавливается непосредственно на ТНВД или отдельно.
Топливо внутри ТНВД сжимается тремя радиально расположенными плунжерами под углом 120° друг к другу. Поскольку имеют место три рабочих хода подачи на каждый оборот вала, то развивается только небольшой момент, и напряжения на привод насоса оказываются равномерными. Момент сопротивления привода ТНВД равен 16 Н-м, что составляет 1/9 часть от момента сопротивления привода сопоставимого ТНВД распределительного типа. Таким образом, в аккумуляторной топливной системе нагрузка на привод меньше, чем в дизелях с обычными топливными системами. Мощность, затрачиваемая на привод ТНВД, увеличивается пропорционально давлению, создаваемому в аккумуляторе, и частоте вращения вала ТНВД. Например, в двигателе с рабочим объемом 2,0 литра при номинальной частоте вращения и давлении в аккумуляторе 1350 бар на привод ТНВД требуется 3,8 кВт с учетом
механического КПД порядка 90%. Более высокая потребная мощность (больше теоретически необходимой) может быть результатом возврата топлива из форсунок и через регулятор давления.
Работа ТНВД (читать все)
Топливо из топливного бака подается на вход ТНВД (рис. 14 позиция 13) топливоподкачивающим насосом через фильтр тонкой очистки топлива с сепаратором воды. Далее топливо проходит через противодренажный клапан (14) с дросселем в контур смазки и охлаждения ТНВД. Вал привода (1) с кулачком (2) приводит в поступательно-возвратное движение три плунжера (3) в соответствии с формой выступов кулачка.
Поскольку давление подкачки больше давления открытия противодренажного клапана (14) (0,5 - 1,5 бар), топливоподкачивающий насос может подавать топливо через впускной клапан в камеру (4), расположенную над плунжером (рис. 14) насосного элемента, который в данный момент движется "вниз", то есть осуществляет ход всасывания топлива. Впускной клапан закрывается, когда плунжер проходит НМТ и, поскольку топливо не может выходить из надплунжерной камеры, оно теперь может быть сжато до давления подачи в аккумулятор. При достижении этого давления открывается выпускной клапан (7), и сжатое топливо поступает в линию высокого давления и аккумулятор.






















Рис. 15

Плунжер ТНВД продолжает подавать топ-ливо до тех пор, пока не достигнет ВМТ (ход нагнетания), после чего давление падает, и выпускной клапан закрывается. Давление топлива в надплунжерной камере также падает, и плунжер снова движется в сторону НМТ.
Как только давление в камере насосного элемента упадет ниже давления подкачки, впускной клапан открывается, и процесс создания высокого давления начинается снова.
Величина подачи топлива
Поскольку ТНВД проектируется для обеспечения большой подачи топлива, то на режимах холостого хода и частичных нагрузок подача топлива под высоким давлением будет избыточной. В этих случаях избыточное топливо возвращается в топливный бак через редукционный клапан. Давление топлива в баке падает, и энергия, затраченная на сжатие топлива, таким образом частично теряется. Общий КПД процесса также уменьшается вследствие необязательного подогрева топлива.
Выключение насосного элемента: Когда один из насосных элементов (3 на рис. 14) отключается, то количество топлива, подаваемого в аккумулятор, уменьшается. Отключение насосного элемента заставляет впускной клапан (5 на рис. 14) оставаться постоянно открытым. При получении электромагнитным клапаном пускового сигнала, шток, связанный с якорем электромагнитного клапана, удерживает впускной клапан постоянно открытым. В результате топливо, подаваемое в надплунжерную камеру, не может быть сжато во время хода нагнетания, и давление топлива в камере не повышается, поскольку топливо течет обратно в канал низкого давления. При одном выключенном насосном элементе, когда требуется небольшая мощность двигателя, ТНВД тем не менее продолжает постоянно подавать топливо, но только с короткими интервалами прекращения подачи.
Передаточное отношение привода: Величина подачи ТНВД пропорциональна частоте вращения его вала, что, в свою очередь, есть функция частоты вращения коленчатого вала двигателя. В ходе инженерной проработки топливной системы двигателя передаточное отношение привода ТНВД определяется так, чтобы, с одной стороны, количество избыточного топлива не было слишком большим, а с другой стороны, подача топлива должна соответствовать работе на режиме максимальной мощности двигателя. Передаточное отношение по отношению к коленчатому валу двигателя обычно равно 1:2 или 2:3.
Регулятор давления (читать все)
Назначение
Регулятор давления поддерживает рабочее давление в аккумуляторе в зависимости от нагрузки двигателя:
- при избыточном давлении в аккумулятореклапан регулятора открывается, и частьтоплива возвращается из аккумулятора в топливный бак по линии возврата топлива.
- если давление в аккумуляторе слишком
низкое, то клапан регулятора закрывается и перекрывает ступень высокого давления от линии низкого давления.

Регулятор давления
1 - шариковый клапан,
2 - якорь,
3 - электромагнит,
4 - пружина,
5 - электрические выводы


Рис. 16


Устройство и конструкция
Регулятор давления (рис. 16) имеет монтажный фланец для крепления к ТНВД или к аккумулятору давления.
Для герметичного разделения ступеней высокого и низкого давления имеется шариковый клапан, установленный на якоре электромагнита. Имеются две силы, действующие на якорь. Посадка шарика на седло осуществляется под действием пружины, а подъем клапана - при включении электромагнита. Для охлаждения и смазки электромагнит в сборе постоянно омывается топливом.
Работа регулятора давления
Регулятор давления включен в два управляющих контура:
- управляющий контур низкого быстродействия для установки переменного среднего давления в аккумуляторе;
- механический управляющий контур высокого быстродействия для компенсации
высокочастотных колебаний давления.
Если питание на электромагнит не подается: В этом случае высокое давление в аккумуляторе или на выходе ТНВД приложено к клапану-регулятору давления через входной штуцер высокого давления. Поскольку в этом случае электромагнитные силы не действуют, силы давления преодолевают сопротивление пружины, в результате чего управляющий клапан открывается и остается открытым в зависимости от величины подачи. Пружина спроектирована таким образом, что максимальное давление открытия клапана достигает 100 бар.
Если питание на электромагнит подается: если высокое давление должно быть увеличено, то к усилию пружины добавляется электромагнитная сила. При подаче питания на электромагнит шариковый клапан закрывается и остается закрытым до тех пор, пока не нарушится равновесие между силой высокого давления с одной стороны и комбинированными силами пружины и электромагнита с другой. Затем клапан открывается, и в результате давление топлива поддерживается постоянным. Изменение величины подачи ТНВД или слив топлива из ступени высокого давления компенсируется изменением положения клапана. Электромагнитные силы пропорциональны току питания, который изменяется под действием широтно-импульсной модуляции. Частота пульсирующих колебаний 1 кГц вполне достаточна для предотвращения нежелательного перемещения якоря электромагнита и/или колебаний давления в аккумуляторе.
Аккумулятор высокого давления
Назначение
Аккумулятор (рис. 17) служит для хранения топлива под высоким давлением и одновременно обеспечивает демпфирование колебаний давления, генерируемых при подаче ТНВД.
Высокое давление в аккумуляторе является общим для всех цилиндров, откуда и следует название топливной системы "CommonRail" ("Общий путь"). Даже при больших подачах в аккумуляторе поддерживается практически постоянное высокое давление, что обеспечивает постоянство давления во время впрыска топлива.

Аккумулятор высокого давления (Рис.17)
1 -аккумулятор, 2-впуск топлива от ТНВД, 3-датчик давления в аккумуляторе, 4 - клапан-регулятор давления, 5 - возврат топлива в топливный бак, 6 - ограничитель подачи, 7 - топливные трубки высокого давления к форсункам.

Рис. 17
Устройство и конструкция
Для обеспечения условий установки на множество различных двигателей система CRдолжна выполняться в различных модификациях по расположению и конструкции датчиков высокого давления, предохранительных клапанов и клапанов-ограничителей давления.
Работа аккумулятора
Внутренняя полость аккумулятора постоянно заполняется сжатым топливом. Эффект работы аккумулятора достигается в результате сжимаемости топлива, достигаемой при высоком давлении, которое во время впрыска остается в аккумуляторе практически постоянным. В аккумуляторе компенсируются также колебания давления топлива, являющиеся следствием работы ТНВД.


Датчик давления топлива в аккумуляторе
Назначение
Для того чтобы выходной сигнал напряжения, посылаемый ЭБУ, соответствовал приложенному давлению, датчик давления топлива в аккумуляторе должен измерять мгновенное значение давления с адекватными точностью и быстродействием.
Устройство и конструкция
Датчик давления топлива в аккумуляторе (рис. 19) включает в себя следующие элементы:
- встроенный чувствительный элемент,приваренный к корпусу датчика;
- печатная плата с электронной схемой обработки сигнала.
- корпус датчика с электрическими выводами.
Топливо попадает в датчик через отверстие в аккумуляторе и канал в корпусе датчика, закрытый на конце диафрагмой, то есть топливо под давлением воздействует на диафрагму. Чувствительный элемент датчика (полупроводник), смонтированный на диафрагме, преобразует давление в электрический сигнал. Этот сигнал усиливается в обрабатывающем контуре и посылается в ЭБУ.
Работа датчика
Датчик давления топлива в аккумуляторе работает следующим образом:
При изменении формы диафрагмы электрическое сопротивление слоев, прикрепленных к диафрагме, также изменяется. Изменение формы, то есть прогиб диафрагмы приблизительно на 1 мм при давлении 1500 бар, изменяет электрическое сопротивление и вызывает изменение напряжения в измерительном мосту, на который подается питание 5 В.
Первичный сигнал изменяется в диапазоне 0-70 мВ, в зависимости от прилагаемого давления, и затем усиливается в контуре обработки сигнала до 0,5-4,5 В.
Точное измерение давления топлива в аккумуляторе является определяющим (главным) фактором правильного функционирования топливной системы. Это одна из причин установки очень жестких допусков для датчика при измерении давления. Точность измерения давления датчиком в главном рабочем диапазоне составляет ±2% от полной шкалы. В случае неисправностидатчика давления клапан-регулятор давления оказывается "слепым", и система начинает работать в аварийном режиме ("limp-home" режим) при фиксированных значениях давления.

Датчик давления топлива в аккумуляторе (Рис. 19)
1 - электрические выводы, 2 - контур со схемой обработки сигнала, 3 -диафрагма с чувствительным элементом датчика, 4 - сторона высокого давления, 5 - резьба.

Клапан-регулятор давления
Назначение
Клапан-регулятор давления служит как предохранительный клапан. В случае сильного превышения расчетного давления клапан ограничивает давление в аккумуляторе путем открытия сливного канала. Максимальное давление, кратковременно допускаемое клапаном, равно 1500 бар (150 МПа).
Устройство и конструкция
Клапан-регулятор давления (рис.20) есть механическое устройство, включающее в себя следующие элементы:
- корпус с наружной резьбой для завинчивания в аккумулятор;
- внутренняя резьба для соединения с линией возврата топлива;
- плунжер;
- пружина.
На стороне подсоединения к аккумулятору в корпусе клапана имеется канал, закрываемый конической частью плунжера, который садится на седло внутри корпуса. При нормальных рабочих давлениях (до 1350 бар) пружина прижимает конус плунжера к седлу, и слив топлива из аккумулятора в линию низкого давления не осуществляется. Как только давление в системе становится

больше максимального, плунжер под действием силы давления "поднимается", преодолевая сопротивление пружины клапана, и топливо под высоким давлением вытекает из аккумулятора и через канал попадает во внутреннюю полость плунжера и далее в коллектор для возврата топлива в бак. В результате давление в аккумуляторе уменьшается.

Клапан-регулятор давления (Рис. 20)
1 - сторона высокого давления, 2 - клапан, 3 - отверстия для прохода топлива, 4 - плунжер, 5 - пружина, 6 - упор, 7 - корпус клапана, 8 - сторона возврата топлива.

2 3 4 5 6 7 8 9




Ограничитель подачи топлива
Назначение
Ограничитель подачи предотвращает выход топлива из аккумулятора через форсунку с зависшей иглой (постоянно открытой). Для обеспечения этой функции в случаях, когда количество топлива, выходящего из аккумулятора, превысит расчетное значение, ограничитель закрывает линию высокого давления неисправной форсунки.
Устройство и конструкция
Ограничитель подачи (рис. 21) состоит из металлического корпуса с наружной резьбой для завинчивания в аккумулятор (сторона высокого давления) и с наружной резьбой для соединения с линией высокого давления форсунки. Канал внутри корпуса обеспечивает гидравлическое соединение аккумулятора с трубопроводом линии высокого давления.
Плунжер плотно установлен в расточке корпуса и отжимается пружиной к стороне аккумулятора, продольный канал в плунжере служит для гидравлического соединения входа и выхода топлива. В конце плунжера продольный канал сужается, а в плунижере выполнено дроссельное отверстие.






Работа
Работа в обычном режиме (Рис. 22)
Плунжер ограничителя подачи в нормальном положении отжат пружиной от седла, другими словами, находится на упоре на стороне соединения с аккумулятором. После впрыска топлива давление в форсунке падает и заставляет плунжер перемещаться в сторону соединения с форсункой. Ограничитель подачи компенсирует объем топлива, взятый из аккумулятора форсункой, посредством располагаемого топлива в объеме плунжера. В конце процесса впрыска плунжер отходит от седла и под действием пружины занимает промежуточное положение, и топливо может теперь проходить через дроссельное отверстие.
Усилие пружины и диаметр дроссельного отверстия рассчитываются таким образом, чтобы даже при максимальной величине впрыскиваемого топлива (плюс резерв безопасности) плунжер мог перемещаться назад, на упор (на стороне аккумулятора) и оставаться там до начала следующего впрыска.
Нарушение нормальной работы при больших утечках:
При большом количестве выходящего из аккумулятора топлива плунжер ограничителя подачи сразу отходит от упора, садится на седло и закрывает проход топлива к форсунке.

Ограничитель подачи топлива
1 - сторона соединения с аккумулятором, 2 - уплотнительная шайба, 3 - плунжер, 4 - пружина, 5 - корпус, 6 - сторона соединения с форсункой, 7 - седло клапана, 8 - дроссельное отверстие

Рис. 21

Нарушение нормальной работы при небольших утечках (Рис. 22):
При небольших утечках топлива плунжер не может оставаться в положении на упоре на стороне аккумулятора, и после нескольких впрысков садится на седло на стороне форсунки. Плунжер остается в этом положении до тех пор, пока двигатель не будет остановлен.


Работа ограничителя подачи при нормальной работе и при небольших утечках топлива


Рис 22


Форсунки
Назначение
Угол опережения впрыска (начало впрыска топлива) и количество впрыскиваемого топлива (величина подачи) регулируются электрическим пусковым сигналом на форсунки. Такие форсунки вытесняют форсунки обычного типа с отдельным распылителем в корпусе.
Подобно уже существующим устройствам для дизелей с непосредственным впрыском топлива (DI), для установки форсунок в головке цилиндров преимущественно используются прижимы. Это означает, что форсунки системы CommonRail могут устанавливаться на существующие дизели с непосредственным впрыском топлива без особых изменений конструкции головки блока цилиндров.
Устройство и конструкция
Устройство форсунки (рис. 23) может быть подразделено на несколько блоков:
- распылитель с сопловыми отверстиями;
- гидравлическая сервосистема;
- электромагнитный клапан.
Топливо в форсунку подается через входной штуцер высокого давления (4) и далее в канал (10) и камеру гидроуправления (8) через жиклер (7). Камера гидроуправления соединяется с линией возврата топлива (1) через жиклер камеры гидроуправления (6), который открывается электромагнитным клапаном.
При закрытом жиклере (6) силы гидравлического давления, приложенные к управляющему плунжеру (9), превосходят силы давления, приложенные к заплечику иглы
(11) форсунки. В результате игла садится на седло и закрывает проход топлива под высоким давлением в камеру сгорания.
При подаче пускового сигнала на электромагнитный клапан жиклер (6) открывается, давление в камере гидроуправления падает, и в результате сила гидравлического давления на управляющий плунжер также уменьшается. Поскольку сила гидравлического давления на управляющий плунжер оказывается меньше силы, действующей на заплечикиглы форсунки, последняя открывается, и топливо через сопловые отверстиявпрыскивается в камеру сгорания. Такое косвенное управление иглой форсунки, использующее систему мультипликатора, позволяет обеспечить очень быстрый подъем иглы, что невозможно сделать путем прямого воздействия электромагнитного клапана. Так называемая "управляющая доза" топлива, необходимая для подъема иглы форсунки, является дополнительной по отношению к действительному количеству впрыскиваемого топлива, поэтому это топливо направляется обратно, в линию возврата топлива через жиклер камеры гидроуправления.
Кроме "управляющей дозы" в линию возврата топлива и далее в топливный бак также выходят утечки через направляющие иглы форсунки. К коллектору линии возврата топлива также подсоединяются предохранительный клапан (ограничитель давления) аккумулятора и редукционный клапан ТНВД.

Работа форсунки
Работа форсунки может быть разделена на четыре рабочих стадии при работающем двигателе и создании высокого давления ТНВД:
- форсунка закрыта с приложенным высоким давлением;
- форсунка открывается (начало впрыска);
- форсунка полностью открыта;
- форсунка закрывается (конец впрыска).
Эти рабочие стадии являются результа¬том действия сил, приложенных к деталям форсунки. При остановленном двигателе и отсутствии давления в аккумуляторе форсунка закрыта под действием пружины.
Форсунка закрыта:
При закрытой форсунке питание на электромагнитный клапан не подается (рис. 23, а).

При закрытом жиклере камеры гидроуправления пружина якоря прижимает шарик к седлу, высокое давление, подаваемое в камеру и к распылителю форсунки из аккумулятора, увеличивается. Таким образом, высокое давление, действующее на торец управляющего плунжера, вместе с усилием пружины держат форсунку закрытой, преодолевая силы давления в камере распылителя.
Форсунка открывается:
Перед началом процесса впрыска, еще при закрытой форсунке, на электромагнитный клапан подается большой ток, что обеспечивает быстрый подъем шарикового клапана (рис. 23, Ь). Шариковый клапан открывает жиклер камеры гидроуправления и, поскольку теперь электромагнитная сила превосходит силу пружины якоря, клапан остается открытым, и практически одновременно сила тока, подаваемого на обмотку электромагнитного клапана, уменьшается до тока, требуемого для удерживания якоря. Это возможно потому, что воздушный зазор для электромагнитного потока теперь уменьшается. При открытом жиклере топливо может вытекать из камеры гидроуправления в верхнюю полость и далее по линии возврата топлива в бак. Давление в камере гидроуправления уменьшается, нарушается баланс давлений, и давление в камере распылителя, равное давлению в аккумуляторе, оказывается выше давления в камере гидроуправления. В результате сила давления, действующая на торец управляющего плунжера, уменьшается, игла форсунки поднимается, и начинается процесс впрыска топлива.
Скорость подъема иглы форсунки определяется разностью расходов через жиклер и сопловые отверстия. Управляющий плунжер достигает верхнего упора, где остается,поддерживаемый "буферным" слоем топлива, образующимся в результате указанной выше разницы расходов через жиклер и сопловые отверстия. Игла форсунки теперь полностью открыта, и топливо впрыскивается в камеру сгорания под давлением, практически равным давлению в аккумуляторе. Распределение сил в форсунке подобно распределению в фазе открытия.
Форсунка закрывается (конец впрыска):
Как только прекращается подача питания на электромагнитный клапан, пружина якоря перемещает его вниз, и шариковый клапан закрывается. Якорь состоит из двух частей, поэтому, хотя тарелка якоря перемещается вниз заплечиком, она может оказывать противодействие возвратной пружиной, что уменьшает напряжение на якорь и шарик.
Закрытие жиклера приводит к повышению давления в камере гидроуправления при поступлении в нее топлива через "питающий" жиклер (7) (рис. 23). Это давление, равное давлению в аккумуляторе, действует на торец управляющего плунжера, и сила давления вместе с силой пружины преодолевают силу давления, действующую назап-лечик иглы форсунки, которая закрывается.
Скорость посадки иглы форсунки на седло, то есть скорость закрытия форсунки, определяется расходом через "питающий" жиклер. Впрыск топлива прекращается, как только игла форсунки садится на седло.





Форсунка (рис. 23)
а - форсунка закрыта, b- форсунка открыта (впрыск); 1 - возврат топлива, 2 - электрические выводы, 3 - электромагнитный клапан, 4 - вход топлива из аккумулятора, 5 - шариковый клапан, 6 - жиклер камеры гидроуправления, 7 - "питающий" жиклер, 8 - камера гидроуправления, 9 - управляющий плунжер, 10 - канал к распылителю, 11 - игла форсунки


Сопловые распылители форсунок
Назначение
Распылители, установленные в корпусах форсунок топливной системы CommonRail, должны быть тщательно подобраны к данному двигателю по условиям его работы. Конструкция распылителя определяет следующие важные показатели топливной системы:
- дозирование топлива - период впрыска иколичество впрыскиваемого топлива поуглу поворота коленчатого вала (в градусах п.к.в.);
- управление подачей топлива (число сопловых отверстий, форма факела струи и тонкость распыливания топлива), распределение топлива по объему камеры сгорания;
- уплотнение в камере сгорания.
Применение
В дизелях с непосредственным впрыском топлива (DI) и топливной системой CommonRail применяются сопловые распылители "Тип Р" с диаметром иглы форсунки 4 мм. Эти распылители бывают двух типов:
- распылители с подигольным объемом;
- распылители с запирающим конусом.
Устройство и конструкция
Сопловые отверстия располагаются на не конечникераспылителя (рис. 24). Количеств сопловых отверстий и их диаметр зависят oi
- количества впрыскиваемого топлива;
- формы камеры сгорания;
- закрутки потока в камере сгорания.
Входные кромки сопловых отверстий в обоих типах распылителей закругляются! методом гидроэрозионной обработки (та1 называемый НЕ-процесс). Указанный процесс скругления кромок имеет целью:
- предотвращение износа кромок абразивными частицами, имеющимися в топливе, и/или
- для ужесточения допуска по расходу.
Для снижения эмиссии углеводородов очень важно, чтобы объем, заполняемый топливом (остаточный объем) ниже кромки седла иглы форсунки, был сведен к минимуму. Это достигается использованием форсунок с запирающим конусом.
Устройство форсунок
Распылители с подигольным объемом: Сопловые отверстия распылителей с подигольным объемом (рис. 25) располагаются в этой полости. В случае форсунок с круглым наконечником сопловые отверстия, в зависимости от требуемого факела распыливания топлива, выполняются механическим сверлением или методом электроискровой обработки.
Сопловые отверстия распылителей с подигольным объемом и коническим наконечником иглы всегда выполняются методом электроэрозионной обработки.

Конус распылителя форсунки
- угол установки конуса распылителя, - угол распыливания топлива.
рис. 24



Форма подигольной полости этих распылителей может быть цилиндрической или конической с самими объемами различных размеров.
1. Распылитель с цилиндрической полостью подигольного объема и со скругленным наконечником иглы форсунки:
2 - упорная поверх подъема иглы форсунки, 3 - впускной , 4 - фаска (заплечик), 5 - игла распы-я форсунки, 6 - наконечник корпуса раселя, 7 - корпус распылителя, 8 - опорная поверхность корпуса распылителя, 9 - камера сгорания, 10 - направляющая иглы форсун-- верхняя часть корпуса распылителя, отверстие под фиксатор, 13 - уплотнения поверхность, 14 - контактная поверх нажимного штифта.

















Рис25










Рис 26
Такой распылитель имеет цилиндрическую и полусферическую части, что позволяет конструкторам иметь большую свободу выбора, касающегося:
- количества сопловых отверстий,
- длины сопловых отверстий;
- угла факела распыливания.
Полусферическая форма наконечника иглы вместе с формой подигольного объема
обеспечивают одинаковую длину сопловых
отверстий.
2. Распылитель с цилиндрической полостью подигольного объема и с коническим наконечником иглы форсунки:
Распылители с такой формой используется исключительно с сопловыми отверстиями длиной 0,6 мм. Коническая форма наконечника иглы форсунки позволяет увеличить толщину стенки между радиусом скругления корпуса распылителя и седлом иглы, что увеличивает прочность распылителя.
3. Распылитель с конической полостью подигольного объема и с коническим наконечником иглы форсунки:
Этот вариант распылителя имеет меньший объем, по сравнению с подигольным объемом цилиндрической формы. Такая конструкция находится как бы между распылителем с запирающим конусом и распылителем с подигольным объемом цилиндрической формы. Для того чтобы обеспечить стенку равной толщины, форма конического наконечника соответствует форме подигольного объема.
Распылители с запирающим конусом: Для того чтобы максимально уменьшить остаточный объем и, следовательно, снизить эмиссию углеводородов с ОГ, вход соплового отверстия располагается на конической поверхности седла и при закрытой форсунке запирается иглой. Это означает, что нет непосредственного соединения между подигольным объемом и камерой сгорания (рис. 26). Подигольный объем в таких распылителях значительно меньше, чем в рассмотренных выше распылителях с "подигольным объемом". По сравнению с ними, распылители с запирающим конусом имеют намного меньший предел нагрузки и, следовательно, изготовляются с размерами по типу "Р" с длиной сопловых отверстий 1 мм.
Из соображений прочности наконечник корпуса распылителя имеет конусную форму. Сопловые отверстия в этих распылителях всегда выполняются методом электро-эрозионной обработки.

Система электронного управления дизелей (EDC- система электронного управления дизеля)
Системные блоки
Система электронного управления дизелей (EDC) с топливной системой CommonRail включает в себя три главных системных блока:
1. Датчики и генераторы импульсов для регистрации эксплуатационных условий и
генерирования желаемых значений параметров. Они преобразуют различные физические параметры в электрические сигналы.
2. Электронный блок управления (ЭБУ) обрабатывает информацию, полученную от датчиков и генераторов в соответствии с данным алгоритмом управления для генерирования выходных электрических сигналов.
3. Исполнительные устройства, преобразуют
электрические выходные сигналы ЭБУ в механические величины.
ДатЧИКИ (рис. 28)
Датчик частоты вращения коленчатого вала (рис. 27)
Момент начала впрыска топлива в камеру сгорания определяется положением поршня в цилиндре двигателя. Все поршни соединяются с коленчатым валом с помощью шатунов и, следовательно, датчик частоты вращения коленчатого вала обеспечивает получение информации о положении всех поршней в цилиндрах. Частота вращения определяется числом оборотов коленчатого вала в минуту. Эта важная входная переменная рассчитывается в ЭБУ по сигналу индуктивного датчика частоты вращения коленчатого вала.

Генерирование сигнала
На коленчатом валу закреплен за датчик угловых импульсов - диск с 60-ю зубьями и с пропуском двух зубьев, образующим большой пропуск, расположение которого определяет положение поршня первого цилиндра. Датчик частоты вращения коленчатого вала регистрирует прохождение зубьев диска в их последовательности. Датчик включает в себя постоянный магнит и сердечник из магнито мягкого железа с медной обмоткой (рис. 27). Магнитный поток в датчике изменяется при прохождении зубьев и пропуска между ними, в результате чего генерируется синусоидальное переменное напряжение с амплитудой, резко увеличивающейся при увеличении частоты вращения коленчатого вала. Амплитуда напряжения регистрируется, начиная с частоты вращения 50 мин1.

Расчет частоты вращения
Чередование подхода поршней к ВМТ такта сжатия по углу п.к.в. соответствует двум полным оборотам коленчатого вала (720°), начиная от рабочего цикла первого цилиндра. В случае равномерного чередования вспышек это означает, что угол между вспышками в камерах сгорания равен 720°/число цилиндров.
В четырехцилиндровых двигателях этот период равен 180°, другими словами, датчик частоты вращения коленчатого вала должен сканировать 30 зубьев между двумя вспышками. Требуемый период времени для замера определяется временем прохождения пропуска зубьев, а средняя скорость его прохождения коленчатым валом есть частота вращения двигателя.




Датчик частоты вращения коленчатого вала

[\
1 - постоянный магнит, 2 - корпус, 3 - блок цилиндров двигателя, 4 - сердечник из магнитомягкого железа, 5 - обмотка, 6 - задатчик угловых импульсов (зубчатый диск).

Рис.27



Датчик частоты вращения распределительного вала
Распределительный вал управляет моментами открытия и закрытия впускных и выпускных клапанов двигателя. Частота вращения распределительного вала составляет половину частоты вращения коленчатого вала. Когда поршень движется в направлении ВМТ, положение распределительного вала определяется в зависимости от того, является ли этот момент тактом сжатия с последующим воспламенением, или тактом выпуска ОГ. Эта информация не может быть получена от коленчатого вала по его положению в моментначала впрыска топлива. С другой стороны, при нормальной работе двигателя информации, выдаваемой датчиком частоты вращения коленчатого вала, достаточно для определения состояния двигателя. Другими словами, это означает, что в случае неисправности датчика частоты вращения распределительного вала во время движения автомобиля, ЭБУ все равно будет получать информацию о состоянии двигателя от датчика частоты вращения коленчатого вала.
В датчике частоты вращения распределительного вала для определения положения вала используется эффект Холла. К распределительному валу прикреплен выступ (зуб) из ферромагнитного материала. Когда этот выступ проходит мимо полупроводниковых пластин датчика распределительного вала, его магнитное поле отклоняет поток электро-нов в полупроводниковых пластинах под прямым углом к направлению тока, протекающего через пластины. В результате появляется короткий импульс напряжения (напряжение Холла), который информирует ЭБУ, что в первом цилиндре начинается такт сжатия





Рис. 28
ТНВД,
электромагнитный клапан выключения подачи,
редукционный клапан ТНВД,
фильтр тонкой очистки топлива,
топливный бак с фильтром-топливозаборни- ком и подкачивающим насосом,
6ЭБУ,
аккумуляторная батарея,
аккумулятор топлива высокого давления,
датчик давления топлива в аккумуляторе,

датчик температуры топлива,
форсунка,
датчик температуры охлаждающей жидкости,
датчик частоты вращения коленчатого вала,
датчик положения педали акселератора,
датчик частоты вращения распределительного вала,
массовый расходомер воздуха,
датчик давления наддува,
датчик температуры воздуха на впуске,
турбокомпрессор



Температурные датчики
Температурные датчики устанавливаются в различных местах двигателя:
в системе охлаждения для измерения температуры охлаждающей жидкости (рис.29);
во впускном коллекторе для измерения температуры воздуха на впуске;
в системе смазки двигателя для измерения температуры масла (устанавливается в зависимости от комплектации);
- в линии возврата топлива для измерения температуры топлива (устанавливается взависимости от комплектации).
резистор с отрицательным температурным коэффициентом (NTC), сопротивление которыхзависит от температуры. Датчики есть часть схемы с делителем напряжения, шунтированным напряжением 5 В.
Падение напряжения на резисторе передается в ЭБУ черезаналого-цифровой преобразователь (АЦП) и является, таким образом, мерой измерения температуры. Температурная характеристика датчика хранится в памяти микропроцессора ЭБУ двигателя, который определяет температуру как функцию полученного значения напряжения (рис. 30).


Рис. 29 Рис. 30


Датчик температуры охлаждающей жидкости (рис. 29)
1 - электрические выводы, 2 - корпус, 3 - резистор (с отрицательным температурным коэффициентом), 4 - охлаждающая жидкость.
Кривая характеристика датчика охлаждающей жидкости с отрицательным температурным коэффициентом (NTC) (рис.30)




Массовый расходомер воздуха с пленочным термоанемометром
Для того чтобы соответствовать ограничениям по эмиссии вредных веществ с ОГ двигателя, накладываемым законодательно принятым правилам, необходимо точно обеспечивать требуемый состав топливовоздушной смеси в камере сгорания. Это особенно важно, когда двигатель работает на неустановившихся режимах. Поэтому необходимы датчики, которые могут точно измерять действительный массовый расход воздуха, подаваемого в цилиндры двигателя. Точность измерений датчиком не должна зависеть от пульсаций, обратных потоков, рециркуляции ОГ, переменных фаз газораспределения и от изменений температуры воздуха на
Все эти условия выполняются массовым расходомером воздуха с пленочным термоанемометром. В термоанемометрическом массовом расходомере воздуха датчик представляет собой нить термоанемометра, нагретую электрическим током и охлаждаемую потоком воздуха на впуске (рис. 31). Используемая здесь система микромеханического измерения регистрирует массовый расход воздуха и его направление. В этой системе также определяются обратные токи воздуха, имеющие место при наличии пульсаций потока.
Чувствительный элемент датчика микромеханической системы измерения располагается в канале в корпусе датчика (5 на рис. 31). Корпус датчика может быть расположен в воздушном фильтре или в измерительном патрубке во впускном коллекторе.
Имеются различные размеры измерительных патрубков, зависящие от величины максимального расхода воздуха. Характеристика сигнала напряжения как функция расхода воздуха разделена на секторы по сигналам прямого потока и обратного тока. Для того чтобы повысить точность измерений, измеряемый сигнал сопоставляется с эталонным напряжением, формируемым в системе управления двигателя. Форма характеристической кривой выполнена так, что позволяет сервисной мастерской использовать систему управления двигателя для диагностирования разомкнутой электрической цепи. Датчик может быть использован для измерения температуры воздуха на впуске.


Схема массового расходомера воздуха с пленочным термоанемометром (рис.31)
1 - выводы электрического разъема, 2 - внутренние электрические соединения, 3 - вычислительный контур (гибридная схема), 4 - вход воздуха, 5 - чувствительный элемент датчика, 6 - выход воздуха, 7 - корпус датчика.



Датчик положения педали акселератора
В отличие от обычных ТНВД, распределительного типа и многоплунжерных рядных, в электронных системах управления дизелей (EDC) педаль акселератора механически (тросом Боудена или другим механическим приводом) никак не связана с ТНВД. Положение педали акселератора определяется датчиком, сигнал которого передается в ЭБУ.
Сигнал напряжения генерируется потенциометром датчика как функция положения педали акселератора. Данное положение педали акселератора в процессе управления сопоставляется с запрограммированной кривой характеристики.
Датчик давления наддува
Датчик давления наддува (BPS - boost-pressuresensor) пневматически соединяется с впускным коллектором и, таким образом, измеряет абсолютное давление в пределах от 0,5 до 3,0 бар. Датчик разделен на камеру давления с двумя чувствительными элементами и на камеру для вычислительного контура. Чувствительные элементы и вычислительный контур монтируются на общем керамическом чипе.
Каждый чувствительный элемент включает в себя тонкую куполообразную диафрагму, определяющую исходный объем с определенным давлением. Перемещение диафрагмы является функцией давления наддува.
На поверхности диафрагмы расположены пьезорезисторы, сопротивление которых изменяется, когда к ним прикладывается механическое напряжение. Эти резисторы соединены в мостовую схему, так что перемещение диафрагмы вызывает изменение баланса моста, а это означает, что напряжение моста есть мера давления наддува.
Вычислительный контур служит для усиления напряжения моста, компенсации тем¬пературного влияния и линеаризации характеристики давления. Выходной сигнал оце¬ночного контура посылается в ЭБУ, где с помощью запрограммированной кривой характеристики используется для расчета давления наддува.

Топливная система Common Rail, вместе с другими различными компонентами




13 EMBED Word.Document.8 \s 1415
2.6.1 Устройство электронной системы управления двигателем ВАЗ-21114

Электронная система управления двигателем (ЭСУД) состоит из контроллера лада калина, датчиков параметров работы двигателя и автомобиля, а также исполнительных устройств. Контроллер системы впрыска является центральным устройством системы управления двигателем.
Для того чтобы человек мог реагировать на окружающую обстановку и, к примеру, уклоняться от приближающейся опасности, он должен воспринимать («сканировать») окружающее его пространство. Для этого он использует свои органы чувств. Оптические датчики (глаза), акустические датчики и датчики равновесия (уши), датчики, реагирующие на химические вещества (обоняние и вкус). Слух представляет собой своего рода «блок датчиков», т. е. комплекс из нескольких датчиков, поскольку он регистрирует не только шумы, но и ускорение.
Проще говоря, в ЭСУД имеется ряд датчиков, которые регистрируют определенные параметры работы двигателя. Они ничего не изменяют в его работе, а просто отправляют данные в контроллер. Контроллер, в свою очередь обрабатывает эти данные, как мозг человека обрабатывает информацию, полученную от ушей, глаз и так далее. Кроме того электронная система управления двигателем имеет исполнительные механизмы, такие как бензонасос, форсунки. По аналогии человек имеет ноги и руки. Наглядно это изображено на рисунке 17.

Рисунок 17 – принципиальная схема системы управления


Соответственно, ЭСУД ВАЗ-21114 состоит из контроллера, датчиков положения коленчатого вала, фаз, температуры охлаждающей жидкости, положения дроссельной заслонки, расхода воздуха, детонации, концентрации кислорода, скорости, неровной дороги. Исполнительными механизмами являются модуль электробензонасоса, модуль зажигания, свечи зажигания, регулятор холостого хода, форсунки, электронная дроссельная заслонка (на последних моделях с нормами токсичности Евро-4).
Схема ЭСУД представлена на рисунке 18.
На Рисунке 2 представлены следующие элементы:
1 аккумуляторная батарея;2 главное реле;3 замок зажигания;
4 блок управления иммобилайзера;5 датчик скорости;6* диагностический датчик кислорода;7 датчик положения коленчатого вала;8 катколлектор;9 управляющий датчик кислорода;10 воздушный фильтр;11 диагностический разъем (колодка диагностики);12 тахометр;13 датчик массового расхода воздуха;14 спидометр;15 датчик положения дроссельной заслонки;16 регулятор холостого хода;17 сигнализатор неисправности системы управления двигателем;18 топливная рампа;19 форсунка; 20 датчик неровной дороги;21 катушка зажигания;22 контроллер;23 датчик температуры охлаждающей жидкости;24 датчик фаз;25 свеча зажигания;26 датчик детонации;27 электровентилятор системы охлаждения;28 реле электровентилятора системы охлаждения;29 топливный фильтр;30 реле электробензонасоса;31 топливный модуль
Рисунок 18 – Схема ЭСУД ВАЗ-21114
Расположение элементов ЭСУД под капотом автомобиля представлено на рисунке 19.

Рисунок 19 - Расположение элементов ЭСУД

На Рисунке 3 представлены следующие элементы:
1 свеча зажигания; 2 датчик положения коленчатого вала; 3 датчик концентрации кислорода;4 датчик детонации; 5 контроллер и блок реле системы управления; 6 диагностический разъем и блок предохранителей; 7 сигнализатор неисправности;8 датчик положения дроссельной заслонки;9 датчик фаз;10 датчик температуры охлаждающей жидкости; 11 датчик скорости;12 датчик массового расхода воздуха;13 катушка зажигания

На двигателе ВАЗ-21114 применена система распределенного фазированного впрыска: топливо подается форсунками в каждый цилиндр поочередно в соответствии с порядком работы двигателя.
Электронная система управления двигателем (ЭСУД) состоит из контроллера, датчиков параметров работы двигателя и автомобиля, а также исполнительных устройств. Контроллер системы впрыска является центральным устройством системы управления двигателем. Контроллер изображен на рисунке 20.




2.6.3 Контроллер и датчики электронной системы управления двигателем


Рисунок 20 – Контроллер ЭСУД ВАЗ-11183

Контроллер, изображенный на рисунке 20, прикреплен к корпусу отопителя внизу, под панелью приборов. Контроллер получает информацию от датчиков и управляет исполнительными устройствами, такими как топливные форсунки, катушка зажигания, регулятор холостого хода, нагревательный элемент датчика концентрации кислорода, электромагнитный клапан продувки адсорбера, электровентилятор системы охлаждения и различными реле системы При включении зажигания контроллер включает главное реле, через которое напряжение питания подводится к элементам системы (кроме электробензонасоса, катушки зажигания, электровентилятора, блока управления и сигнализатора состояния иммобилайзера).
При выключении зажигания контроллер задерживает выключение главного реле на время, необходимое для подготовки к следующему включению (для завершения вычислений, установки регулятора холостого хода, управления электровентилятором системы охлаждения).
Контроллер представляет собой мини-компьютер специального назначения Он содержит три вида памяти оперативное запоминающее устройство (ОЗУ), программируемое постоянное запоминающее устройство (ППЗУ) и электрически перепрограммируемое запоминающее устройство (ЭРПЗУ).
ОЗУ используется микропроцессором для временного хранения текущей информации о работе двигателя (измеряемых параметров) и расчетных данных. Также в ОЗУ записываются коды возникающих неисправностей. Эта память энергозависима, т. е. при прекращении питания (отключении аккумуляторной батареи или отсоединении от контроллера жгута проводов) ее содержимое стирается.
В ППЗУ хранится программа управления, которая содержит последо
вательность рабочих команд (алгоритм) и калибровочные данные (настройки). Таким образом, ППЗУ определяет важнейшие параметры работы двигателя: характер изменения момента и мощности, расход топлива и т. п. ППЗУ энергонезависимо, т. е. его содержимое не изменяется при отключении питания.
ЭРПЗУ используется для хранения идентификаторов контроллера, двигателя и автомобиля (записываются коды иммобилайзера при обучении ключей) и других служебных кодов. Кроме того, в ЭРПЗУ записываются эксплуатационные параметры (общий пробег автомобиля и время работы двигателя, общий расход топлива), а также нарушения режимов работы двигателя и автомобиля (время работы двигателя: с перегревом, на низкооктановом топливе, с превышением максимально допустимых оборотов, неисправными датчиками детонации, концентрации кислорода и скорости). ЭРПЗУ является энергонезависимой памятью и может хранить информацию при отсутствии питания контроллера.
Контроллер также выполняет диагностические функции системы управления двигателем (бортовая система диагностики). Контроллер определяет наличие неисправностей элементов системы управления, включает сигнализатор неисправности в комбинации приборов и сохраняет в своей памяти коды неисправностей. При обнаружении неисправности, во избежание негативных последствий (прогорание поршней из-за детонации, повреждение каталитического нейтрализатора в случае возникновения пропусков воспламенения топливовоздушной смеси, превышение предельных значений по токсичности отработавших газов и пр.), контроллер переводит систему на аварийные режимы работы. Суть их состоит в том, что при выходе из строя какого-либо датчика или его цепи контроллер для управления двигателем применяет замещающие данные, хранящиеся в ППЗУ.
Сигнализатор неисправности системы управления двигателем расположен в комбинации приборов. Если система исправна, то при включении зажигания сигнализатор должен загореться таким образом ЭСУД проверяет исправность сигнализатора и цепи управления. После пуска двигателя сигнализатор должен погаснуть, если в памяти контроллера отсутствуют условия для его включения. Включение сигнализатора при работе двигателя информирует водителя о том, что бортовая система диагностики обнаружила неисправность и дальнейшее движение автомобиля происходит в аварийном режиме. При этом могут ухудшиться некоторые параметры работы двигателя (мощность, приемистость, экономичность), но движение с такими неисправностями возможно, и автомобиль может самостоятельно доехать до СТО. Единственным исключением является датчик положения коленчатого вала, при неисправности датчика или его цепей двигатель работать не может.
После устранения причин неисправности сигнализатор будет выключен контроллером через определенное время задержки, в течение которого неисправность не проявляется, и при условии, что в памяти контроллера отсутствуют другие коды неисправностей, требующие включение сигнализатора. Коды неисправностей (даже если сигнализатор погас) остаются в памяти контроллера и могут быть считаны с помощью диагностического прибора DST-2M, подключаемого к диагностическому разъему.
При удалении кодов неисправностей из памяти контроллера с помощью диагностического прибора или посредством отключения аккумуляторной батареи (не менее чем на 10 с) сигнализатор гаснет.
Датчики системы впрыска выдают контроллеру информацию о параметрах работы двигателя и автомобиля, на основании которых он рассчитывает момент, длительность и порядок открытия топливных форсунок, момент и порядок искрообразования.

Датчик положения коленчатого вала (ДПКВ) установлен на корпусе масляного насоса. Датчик положения коленчатого вала изображен на рисунке 21.


Рисунок 21 – Датчик положения коленчатого вала

Датчик выдает контроллеру информацию о частоте вращения и угловом положении коленчатого вала. Датчик индуктивного типа, реагирует на прохождение вблизи своего сердечника зубьев задающего диска, объединенного со шкивом привода генератора. Шкив привода генератора изображен на рисунке 6. Зубья расположены на диске с интервалом 6°. Для синхронизации с ВМТ поршней 1 и 4 цилиндров два зуба из 60 срезаны, образуя впадину. При прохождении впадины мимо датчика в нем генерируется так называемый опорный импульс синхронизации. Установочный зазор между сердечником и вершинами зубьев должен находиться в пределах 1±0,4 мм. При вращении задающего диска изменяется магнитный поток в магнитопроводе датчика в его обмотке наводятся импульсы напряжения переменного тока. По количеству и частоте этих импульсов контроллер рассчитывает фазу и длительность импульсов управления форсунками и катушкой зажигания.


Рисунок 22 – Шкив генератора

Датчик фаз (ДФ) установлен на заглушке головки блока цилиндров.
Принцип действия датчика основан на эффекте Холла. В отверстие хвостовика распределительного вала запресован штифт Когда штифт вала проходит мимо сердечника датчика, датчик выдает на контроллер импульс напряжения низкого уровня (около 0 В), соответствующий положению поршня 1-го цилиндра в конце такта сжатия. Сигнал датчика фаз контроллер использует для последовательного впрыска топлива в соответствии с порядком работы цилиндров. При выходе из строя датчика фаз контроллер переходит в режим нефазированного впрыска топлива. Он изображен на рисунке 23.


Рисунок 23 – датчик фаз

Датчик температуры охлаждающей жидкости (ДТОЖ) установлен в выпускном патрубке на головке блока цилиндров, изображен на рисунке 8.
Датчик представляет собой терморезистор с отрицательным температурным коэффициентом, т. е. его сопротивление уменьшается при повышении температуры. Контроллер подает на датчик через резистор (около 2 кОм) стабилизированное напряжение +5 В и по падению напряжения на датчике рассчитывает температуру охлаждающей жидкости, значения которой используются в большинстве функций управления двигателем. При возникновении неисправностей цепей ДТОЖ загорается сигнализатор неисправности системы управления двигателем, контроллер включает вентилятор системы охлаждения на постоянный режим работы и рассчитывает значение температуры по обходному алгоритму.

Рисунок 24 – Датчик температуры охлаждающей жидкости


Датчик положения дроссельной заслонки (ДПДЗ) установлен на оси дроссельной заслонки и представляет собой резистор потенциометрического типа и изображен на рисунке 25.

На один конец его обмотки подается от контроллера стабилизированное напряжение +5 В, а другой соединен с «массой» контроллера С третьего вывода потенциометра (ползунка) снимается сигнал для контроллера. Периодически измеряя выходное напряжение сигнала ДПДЗ, контроллер определяет текущее положение дроссельной заслонки для расчета угла опережения зажигания и длительности импульсов впрыска топлива, а также для управления регулятором холостого хода.
При выходе из строя ДПДЗ или его цепей контроллер включает сигнализатор неисправности и рассчитывает предполагаемое значение положения дроссельной заслонки по частоте вращения коленчатого вала и массовому расходу воздуха.


Рисунок 25 - Датчик положения дроссельной заслонки

Датчик массового расхода воздуха (ДМРВ) термоанемометрического типа расположен между воздушным фильтром и шлангом подвода воздуха к дроссельному узлу. Он изображен на рисунке 10.
В зависимости от расхода воздуха напряжение выходного сигнала датчика изменяется от 1,0 до 5,0 В. При выходе из строя датчика или его цепей контроллер рассчитывает значение массового расхода воздуха по частоте вращения коленчатого вала и положению дроссельной заслонки ДМРВ имеет встроенный датчик температуры воздуха (ДТВ), чувствительным элементом которого является термистор, установленный в потоке воздуха. Выходной сигнал датчика изменяется в диапазоне от 0 до 5,0 В в зависимости от температуры воздуха, проходящего через датчик. При возникновении неисправности цепи ДТВ контроллер включает сигнализатор неисправности и заменяет показания датчика фиксированным значением температуры воздуха (33 °С).


Рисунок 26 – Датчик массового расхода воздуха

Датчик детонации (ДД) закреплен в передней верхней части блока цилиндров, изображен на рисунке 27.
Пьезокерамический чувствительный элемент датчика генерирует сигнал напряжения переменного тока, амплитуда и частота которого соответствуют параметрам вибраций двигателя. При возникновении детонации амплитуда вибраций определенной частоты возрастает. При этом для гашения детонации контроллер корректирует угол опережения зажигания.

Рисунок 27 – Датчик детонации

Управляющий датчик концентрации кислорода (УДК) установлен в катколлекторе до каталитического нейтрализатора отработавших газов.
Контроллер рассчитывает длительность импульса впрыска топлива по таким параметрам, как массовый расход воздуха, частота вращения коленчатого вала, температура охлаждающей жидкости, положение дроссельной заслонки. По сигналу от УДК о наличии кислорода в отработавших газах контроллер корректирует подачу топлива форсунками, так чтобы состав отработавших газов был оптимальным для эффективной работы каталитического нейтрализатора.
Кислород, содержащийся в отработавших газах, создает разность потенциалов на выходе датчика, изменяющуюся приблизительно от 50 до 900 мВ. Низкий уровень сигнала соответствует бедной смеси (наличие кислорода), а высокий уровень богатой (кислород отсутствует). Когда УДК находится в холодном состоянии, выходной сигнал датчика отсутствует, т. к. его внутреннее сопротивление в этом состоянии очень высокое несколько МОм (система управления двигателем работает по разомкнутому контуру). Для нормальной работы датчик концентрации кислорода должен иметь температуру не ниже 300 °С, поэтому для быстрого прогрева после запуска двигателя в него встроен нагревательный элемент, которым управляет контроллер. По мере прогрева сопротивление датчика падает и он начинает генерировать выходной сигнал. Контроллер постоянно выдает в цепь датчика стабилизированное опорное напряжение 450 мВ Пока датчик не прогреется, его выходное напряжение находится в диапазоне от 300 до 600 мВ. При этом контроллер управляет системой впрыска, не учитывая напряжение на датчике. По мере прогрева датчика его внутреннее сопротивление уменьшается и он начинает изменять выходное напряжение, выходящее за пределы указанного диапазона Тогда контроллер отключает нагрев датчика и начинает учитывать сигнал датчика концентрации кислорода для управления топливоподачей в режиме замкнутого контура.
Датчик концентрации кислорода может быть отравлен в результате применения этилированного бензина или использования при сборке двигателя герметиков, содержащих в большом количестве силикон (соединения кремния) с высокой летучестью. Испарения силикона могут попасть через систему вентиляции картера в камеру сгорания. Присутствие соединений свинца или кремния в отработавших газах может привести к выходу датчика из строя.
В случае выхода из строя датчика или его цепей контроллер включает сигнализатор неисправности, заносит в свою память соответствующий код неисправности и управляет топливоподачей по разомкнутому контуру.
Диагностический датчик концентрации кислорода (ДДК) применяется в системе управления двигателем, выполненной под нормы токсичности Euro-З. ДДК установлен в катколлекторе после каталитического нейтрализатора отработавших газов. Принцип работы ДДК такой же, как и УДК. Сигнал, генерируемый ДДК, указывает на наличие кислорода в отработавших газах после нейтрализатора. Если нейтрализатор работает нормально, показания ДДК будут значительно отличаться от показаний УДК. Напряжение выходного сигнала прогретого ДДК при работе в режиме замкнутого контура и исправном нейтрализаторе должно находиться в диапазоне от 590 до 750 мВ. При возникновении неисправности датчика или его цепей контроллер заносит в свою память код неисправности и включает сигнализатор. Он изображен на рисунке 28.

Рисунок 28 – Датчик кислорода
Датчик скорости автомобиля установлен сверху на картере коробки передач. Его изображение представлено на рисунке 29.
Принцип его действия основан на эффекте Холла. Задающий диск датчика установлен на коробке дифференциала. Датчик выдает на контроллер прямоугольные импульсы напряжения (нижний уровень не более 1 В, верхний - не менее 5 В) с частотой, пропорциональной скорости вращения ведущих колес. Количество импульсов датчика пропорционально пути, пройденному автомобилем. Контроллер определяет скорость автомобиля по частоте импульсов. При выходе из строя датчика или его цепей контроллер заносит в свою память код неисправности и включает сигнализатор.


Рисунок 29 – Датчик скорости

Датчик неровной дороги (ДНД) применяется в системе управления двигателем, выполненной под нормы токсичности Euro-З. Датчик установлен в моторном отсеке на правой чашке брызговика. Он изображен на рисунке 30.
Датчик предназначен для измерения амплитуды колебаний кузова Принцип его работы основан на пьезоэффекте. Возникающая при движении по неровной дороге переменная нагрузка на трансмиссию влияет на угловую скорость вращения коленчатого вала двигателя При этом колебания частоты вращения коленчатого вала похожи на аналогичные колебания, возникающие при пропусках воспламенения топливовоздушной смеси в цилиндрах двигателя. В этом случае для предупреждения ложного обнаружения пропусков воспламенения контроллер отключает эту функцию бортовой системы диагностики при превышении сигнала ДНД выше определенного порога. При выходе из строя датчика или его цепей контроллер заносит в свою память код неисправности и включает сигнализатор.

Рисунок 30 – Датчик неровной дороги

Четырехвыводная катушка зажигания представляет собой блок из двух катушек. Она представлена на рисунке 31.

Рисунок 31 – Катушка зажигания

Система зажигания состоит из катушки зажигания, высоковольтных проводов и свечей зажигания. При эксплуатации она не требует обслуживания и регулирования, за исключением замены свечей.
Управление током в первичных обмотках катушек осуществляется контроллером в зависимости от режима работы двигателя. К выводам вторичных (высоковольтных) обмоток катушек подключены свечные провода: к одной обмотке 1-го и 4-го цилиндров, к другой 2-го и 3-го. Таким образом, искра одновременно проскакивает в двух цилиндрах (1-4 или 2-3) в одном во время такта сжатия (рабочая искра), в другом - во время такта выпуска (холостая). Катушка зажигания неразборная, при выходе из строя ее заменяют.
В состав модуля зажигания входят две катушки зажигания, а также два высоковольтных ключа-коммутатора. Катушки зажигания обеспечивают накопление энергии достаточного количества, которое затем подается на свечи зажигания. Катушки зажигания состоят из двух обмоток (первичной и вторичной), которые индуктивно связанны. Принцип работы катушек зажигания основывается на законе индукции. При протекании тока по первичной обмотке сердечник намагничивается и создается сильное магнитное поле вокруг обеих обмоток. Величиной тока, который проходит через первичную обмотку (зависит от времени накопления) и индуктивностью первичной обмотки определяется накопленная в магнитном поле энергия системы зажигания, которая составляет более 40 мДж.
В определенный момент времени протекание тока по первичной обмотке прерывается и созданное им магнитное поле исчезает. В случае изменения магнитного потока, который пронизывает витки вторичной обмотки, в ней наводится ЭДС – электродвижущая сила самоиндукции. Ее величина зависит от коэффициента трансформации катушки зажигания, накопленной энергии, качества намотки катушек и является пропорциональной скорости изменения магнитного потока.
Свечи зажигания А17ДВРМ или их аналоги, с помехоподавительным резистором сопротивлением 4-10 кОм и медным сердечником. Зазор между электродами свечи 1,0-1,1 мм Размер шестигранника под ключ 21 мм. В связи с постоянным направлением тока во вторичных обмотках катушки, ток искрообразования у каждой пары свечей, работающих одновременно, всегда протекает с центрального электрода на боковой для одной свечи и с бокового электрода на центральный для другой. Электроэрозионный износ свечей пары будет разным.
Блок реле системы управления, состоящий из главного реле, реле электробензонасоса и реле электровентилятора системы охлаждения расположен под консолью панели приборов, рядом с контроллером. Он изображен на рисунке 32.

Рисунок 32 – Блок реле

При включении зажигания контроллер на 2 с запитывает реле электробензонасоса для создания необходимого давления в топливной рампе Если в течение этого времени проворачивание коленчатого вала стартером не началось, контроллер выключает реле и вновь включает его после начала проворачивания. Если зажигание включалось три раза подряд без проворачивания стартером коленчатого вала, то следующее включение реле электробензонасоса произойдет только с началом проворачивания.
При работе двигателя состав смеси регулируется длительностью управляющего импульса, подаваемого на форсунки (чем длиннее импульс, тем больше подача топлива). При пуске двигателя контроллер обрабатывает сигнал датчика температуры охлаждающей жидкости для определения необходимой для пуска длительности импульсов впрыска Во время пуска двигателя топливо подается в цилиндры двигателя «асинхронно» независимо от положения коленчатого вала.
Необходимым условием пуска двигателя является достижение оборотов коленчатого вала при его прокрутке стартером не ниже 80 мин-1. При этом напряжение в бортовой сети автомобиля должно быть не менее 6 В.
Как только обороты коленчатого вала двигателя достигнут определенной величины (зависящей от температуры охлаждающей жидкости), контроллер формирует импульс фазированного включения форсунок топливо подается в цилиндры «синхронно» (в зависимости от положения коленчатого вала). При этом контроллер по информации, поступающей от датчиков
системы, рассчитывает момент включения каждой форсунки: топливо впрыскивается один раз за один полный рабочий цикл соответствующего цилиндра.
При отсутствии сигнала с датчика положения коленчатого вала (вал не вращается или неисправен датчик и его цепи) контроллер отключает подачу топлива в цилиндры. Подача топлива отключается и при выключении зажигания, что предотвращает самовоспламенение смеси в цилиндрах двигателя.
В случае определения контроллером пропусков воспламенения топливовоздушной смеси в одном или нескольких цилиндрах подача топлива в эти цилиндры прекращается и сигнализатор неисправности системы управления начинает мигать. Во время торможения двигателем (при включенных передаче и сцеплении), когда дроссельная заслонка полностью закрыта, а частота вращения коленчатого вала двигателя велика, впрыск топлива в цилиндры не производится для снижения токсичности отработавших газов.
При падении напряжения в бортовой сети автомобиля контроллер увеличивает время накопления энергии в катушке зажигания (для надежного поджигания горючей смеси) и длительность импульса впрыска (для компенсации увеличения времени открытия форсунки). При возрастании напряжения в бортовой сети время накопления энергии в катушке зажигания и длительность подаваемого на форсунки импульса уменьшаются Контроллер управляет включением электровентилятора системы охлаждения (через реле) в зависимости от температуры двигателя, частоты вращения коленчатого вала и работы кондиционера (если он установлен).
Электровентилятор системы охлаждения включается, если температура охлаждающей жидкости превысит допустимое значение. В системе управления двигателем выполненной под нормы токсичности Euro-З, используется два реле включения электровентилятора. В зависимости от условий работы двигателя и кондиционера контроллер может включить электровентилятор на высокую скорость или на низкую через другое реле и дополнительный резистор.
При обслуживании и ремонте системы управления двигателем всегда выключайте зажигание (в некоторых случаях необходимо отсоединить клемму провода от «минусового» вывода аккумуляторной батареи). При проведении сварочных работ на автомобиле отсоединяйте жгуты проводов системы управления двигателем от контроллера. Перед сушкой автомобиля в сушильной камере (после покраски) снимите контроллер. На работающем двигателе не отсоединяйте и не поправляйте колодки жгута проводов системы управления двигателем, а также клеммы проводов на выводах аккумуляторной батареи. Не пускайте двигатель, если клеммы проводов на выводах аккумуляторной батареи и наконечники «массовых» проводов на двигателе не закреплены или загрязнены.


2.6.4Технология проверки работы электронной системы управления двигателем автомобиля Лада Калина

На Рисунке 18 изображена принципиальная схема ЭСУД Лада калина, где под номером 17 находится сигнализатор неисправности системы. Он называется «Checkengine». В автомобиле он представлен в виде лампочки на панели приборов, которая загорается при включении зажигания и гаснет после запуска двигателя. Если «Checkengine» не гаснет, значит электронный блок управления двигателем зарегистрировал ошибку в работе системы. По коду ошибки определяется предполагаемая неисправность. Ниже описаны алгоритмы проверки элементов ЭСУД.

2.6.5 Проверка модуля зажигания и его цепей

Для проверки катушки зажигания и высоковольтных проводов на автомобиле Лада Калина ВАЗ 1118 вам потребуется омметр.

Рисунок 33 – Проверка катушки зажигания
Проверка замыкания на «массу» обмоток катушки зажигания выполняется следующим образом: подсоедините один провод омметра к выводу «15» катушки зажигания (средний вывод катушки зажигания), а другой - к металлической части корпуса катушки зажигания. Если омметр показывает бесконечность, значит, замыкания нет и цепь исправна. Данная операция изображена на рисунке 33.

Рисунок 34 – Проверка катушки зажигания на обрыв
Проверка на обрыв первичных цепей катушки зажигания выполняется так: подключите один провод омметра к выводу «1а», а второй провод к выводу «1b». Если омметр показывает бесконечность, значит, в цепи произошел обрыв и катушка зажигания неисправна.

Рисунок 35 – Проверка вторичных обмоток катушки зажигания

Проверка на обрыв вторичных обмоток катушки зажигания состоит в следующем: подсоедините один вывод омметра к высоковольтному выводу 1-го цилиндра, а второй - к высоковольтному выводу 4-го цилиндра. Если омметр показывает бесконечность, значит, в цепи есть обрыв и катушка зажигания неисправна. Аналогичную проверку проведите для цепи 2-го и 3-го цилиндров. Данная операция изображена на рисунке 35.


Рисунок 36 – Проверка высоковольтных проводов

Проверка высоковольтных проводов выполняется следующим образом: подсоедините провода омметра к клеммам высоковольтного провода, сопротивление проводов должно быть менее 15 000 Ом. Если сопротивление больше, то высоковольтный провод неисправен. Даная операция показана на рисунке 36.

2.6.6Проверка датчика положения коленчатого вала и его цепей

При выключенном зажигании отсоединяем колодку жгута проводов системы управления двигателем от датчика положения коленчатого вала Подсоединяем щупы тестера к выводу «В» колодки жгута проводов и «массе» двигателя. При включенном зажигании и неподвижном коленчатом вале. Данная проверка изображена на рисунке 37.

Рисунок 37 – Проверка проводки ДПКВ

Тестер должен зафиксировать напряжение около 2,5 В.
Аналогичное напряжение должно быть между выводом «А» колодки жгута проводов и «массой» двигателя. Если значения напряжений не со­ответствуют норме, проверяем ис­правность цепей (обрыв и замыкание на «массу») между выводом «В» ко­лодки жгута проводов и выводом «34» контроллера, а также между вы­водом «А» колодки и выводом «15» контроллера. При несоответствии значений напряжения и исправных цепях неисправен контроллер.
Для проверки датчика снимаем его. Подключив щупы тестера к выводам датчика измеряем сопротивление его обмотки. Оно должно быть рав­ным 550-750 Ом. Переключаем те­стер в режим измерения напряжения переменного тока.

Рисунок 38 – Проверка ДПКВ
И несколько раз подносим к торцу датчика стальной стержень. При исправном датчике положения коленчатого вала прибор должен зафиксировать скачки напряжения.

2.6.7 Проверка датчика положения дроссельной заслонки и ее цепей
При выключенном зажигании отсоединяем колодку жгута проводов системы управления двигателем от датчика положения дроссельной заслонки.

Рисунок 39 – Маркировка выводов колодки жгута ДПДЗ
Маркировка выводов колодки жгута проводов «А» и «В» нанесена на фиксаторе колодки.
Маркировка вывода «С» нанесена с противоположной стороны на кор­пусе колодки жгута проводов. Для проверки цепи питания датчика подключаем щупы тестера к выво­дам «А» и «В» колодки. При включенном зажигании прибор должен зафиксировать напряжение 4,8-5,2 В. Данная операция изображена на рисунке 40.

Рисунок 40 – Проверка проводки ДПДЗ

При отсутствии напряжения проверяем исправность цепи (обрыв и замыкание на «массу») между выво­дом «32» контроллера и выводом «А» колодки жгута проводов («+» питания). Также проверяем цепь между выводом «17» контроллера и выводом «В» колодки заземление датчика. Если цепи исправны, а напряжение не соответствует но­ме, значит неисправен контроллер. Для проверки датчика подсоединяем к нему колодку жгута проводов Для наглядности проверку показываем на дроссельном узле, отсоединенном от ресивера.

Рисунок 41 – Подготовка к проверке ДПДЗ
Со стороны входа проводов в колодку вставляем в ее гнезда, соответствующие выводам «В» и «С», два отрезка проволоки (или иглы), так чтобы появился контакт между ними и наконечниками проводов, как изображено на

рисунке 41.
Подсоединяем к отрезкам проволоки щупы тестера. При включенном зажигании измеряем напряжение между выводами «В» и «С» У исправного датчика при закрытой дроссельной заслонке напряжение должно быть равным 0,35-0,7 В. Данная операция показана на рисунке 42.

Рисунок 42 – Проверка ДПДЗ при закрытой заслонке

а при открытой заслонке 4,05-4,75 В.
Если напряжение выходного сигнала датчика выходит за пределы указанных диапазонов, датчик необходимо заменить. Проверка при открытой заслонке изображена на рисунке 43.

Рисунок 43 – Проверка ДПДЗ при открытой заслонке
2.6.8 Проверка датчика фаз, датчика скорости и их цепей

Принципы работы датчика фаз и датчика скорости аналогичны. Датчик импульсно замыкает цепь на «массу» при прохождении вблизи его торца штифта распределительного вала (датчик фаз) или стальных элементов задающего диска (датчик скорости).
Проверку показываем на примере датчика фаз.
При выключенном зажигании отсоединяем колодку жгута проводов системы управления двигателем от датчика фаз.

Рисунок 44 – Маркировка жгута проводов датчика фаз

Маркировка выводов колодки жгута проводов «А», «В» и «С» нанесена на корпусе колодки, как показано на рисунке 44.
Для проверки цепи питания датчика подсоединяем щупы тестера к выводам «В» и «А» колодки жгута проводов.
При включенном зажигании и в течении 10 с после его выключения напряжение должно быть равным напряжению бортовой сети.

Рисунок 45 – Проверка напряжения на колодке датчика фаз
В противном случае проверяем исправность цепей (обрыв и замыкание на «массу») между выводом «В» колодки жгута проводов и выводом «45» контроллера («+» питания), а также между выводом «А» колодки и точкой заземления. При исправности цепей и отсутствии напряжения - неисправен контроллер. Данная операция изображена на рисунке 46.
Подсоединяем щупы тестера к выводам «С» и «А» колодки жгута проводов.При включенном зажигании (и при отсутствии сигнала датчика фаз) контроллер через свой внутренний резистор должен выдавать напряжение бортовой сети на вывод «С» колодки жгута проводов.

Рисунок 46 – Проверка цепи датчика фаз

В противном случае проверяем исправность цепи (обрыв и замыкание на «массу») между выводом «79» контроллера и выводом «С» колод­ки жгута проводов. Для проверки датчика фаз демонтируем его и подсоединяем к датчику колодку жгута проводов. Со стороны входа проводов в колодку вставляем в ее гнезда, соответствующие выводам «А» и «С», два отрезка проволоки, так чтобы появился контакт между ними и наконечниками проводов.
Подсоединяем щупы тестера к отрезкам проволоки. Включив зажигание подносим несколько раз к торцу датчика стальной стержень. Это действие изображено на рисунке 47.

Рисунок 47 – Проверка датчика фаз

При этом у исправного датчика прибор должен зафиксировать скачкообразно меняющиеся значения напряжений. Датчик скорости и его цепи проверяем аналогично. Колодка жгута проводов системы управления двигателем, подсоединяемая к датчику скорости, имеет нумерацию выводов «1», «2» и «3». На вывод «1» колодки жгута проводов подается от главного реле напряжение, равное напряжению бортовой сети автомобиля. Сигнал от датчика скорости через вывод «2» колодки подводится к выводу «59» контроллера. Вывод «3» колодки соединен с «массой».

2.6.9 Проверка датчика температуры охлаждающей жидкости и его цепей

При выключенном зажигании отсоединяем колодку жгута проводов системы управления двигателем от датчика температуры охлаждающей жидкости. Маркировка колодки показана на рисунке 48

Рисунок 48 – Маркировка колодки ДТОЖ
Подсоединив щупы тестера к выводу «В» колодки и к «массе» двигателя, при включенном зажигании измеряем напряжение цепи входного сигнала датчика. Прибор должен зафиксировать напряжение 4,8-5,2 В.

Рисунок 49 – Проверка цепей ДТОЖ
При несоответствии напряжения проверяем исправность цепи (обрыв и замыкание на «массу») между выводом «В» колодки жгута проводов и выводом «39» контроллера. Если цепь исправна неисправен контроллер. Данная проверка показана на рисунке 49.

Рисунок 49 –Проверка датчика температуры охлаждающей жидкости
Присоединив щупы тестера к выводу "А" колодки и к "массе" двигателя, измеряем сопротивление.
При исправной цепи заземления датчика прибор должен зафиксиро­вать сопротивление менее 1 Ом Причиной повышенного сопротив­ления может быть ненадежное со­единение в колодках, подсоединен­ных к датчику или к контроллеру Для проверки датчика отсоединяем от него колодку жгута проводов системы управления двигателем. Тестером измеряем сопротивление датчика для двух значений температуры охлаждающей жидкости непрогретого и прогретого двигателя. Сравниваем полученные значения с контрольными, см. таблицу 1.
Таблица 1 – Сопротивление датчика температуры
Температура охлаждающей жидкости, °С
Сопротивление. Ом

100
180

90
240

80
330

70
470

60
670

50
970

45
1200

40
1460

35
1800

30
2240

25
2800


Продолжение Таблицы 1 – Сопротивление датчика температуры
20
3520

15
4450

10
5670

0
9420

-4
12300

-10
16180

-15
21450

-20
28680


Если замеренные значения сопротивлений не совпадают с контрольными датчик необходимо заменить.

2.6.10 Проверка датчика детонации и его цепей

При выключенном зажигании отсоединяем колодку жгута проводов системы управления двигателем от датчика детонации. Демонтируем датчик детонации.
Для проверки датчика вставляем его отверстие болт крепления датчика. Навинчиваем на болт гайку М8 и затягиваем ее.
Подсоединяем к выводам датчика щупы тестера. Устанавливаем на тестере режим измерения напряжения переменного тока.

Рисунок 50 – Проверка датчика детонации
Слегка постукивая стержнем из мягкого металла по головке болта, измеряем значения напряжения, как показано на рисунке 50.
У исправного датчика детонации прибор должен зафиксировать быстро сменяющие друг друга значения напряжения от 30 до 200 мВ.
Для проверки цепей входных сигналов датчика отсоединяем от контроллера колодку жгута проводов (при отсоединенном проводе от «минусового» вывода аккумулятор­ной батареи). Тестером измеряем сопротивление провода, соединяющего вывод «1» колодки датчика с выводом «19» колодки контроллера Аналогично измеряем сопротивление провода, соединяющего вывод «2» колодки датчика детонации с выводом «20» колодки контроллера. Сопротивление проводов должно быть менее 1 Ом. Причиной повышенного сопротивления может быть ненадежное соединение в колодках, подсоединенных к датчику или к контроллеру.

















13PAGE 15


13PAGE 1417415



0
Впрыск бензина

1.1
Непосредственно в
камеру сгорания

1.2
Во впускной
коллектор

2.1
Точечный

2.2
Распределенный

3.1
Непрерывный

3.2
Периодический



Рисунок 2Рисунок 1Рисунок 7Рисунок 24Рисунок 9Рисунок 1Рисунок 13Рисунок 19Рисунок 22Рисунок 25Рисунок 31Рисунок 40Рисунок 67Рисунок 73Рисунок 1Рисунок 3Ремонт Kalina-102-1.jpgРисунок 5Рисунок 6

Приложенные файлы

  • doc 4233618
    Размер файла: 8 MB Загрузок: 2

Добавить комментарий