Компоненты двигателей внутреннего сгорания

Впрыск топлива в двигателях внутреннего сгорания

Впрыск топлива в ДВС: принцип работы, история развития и преимущества инжекторов в бензиновых и дизельных двигателях. От карбюраторов к современным системам.

10 мин чтения

100%

Источник: Fuel injection — Wikipedia

Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.

Содержание

Введение

Особенности двигателей внутреннего сгорания

Впрыск топлива — это подача топлива в двигатель внутреннего сгорания, чаще всего автомобильный, с помощью форсунки. В данной статье основное внимание уделяется впрыску топлива в поршневых и роторных двигателях Ванкеля. Все двигатели с принудительным зажиганием от сжатия (например, дизельные двигатели) и многие двигатели с искровым зажиганием (например, бензиновые двигатели, такие как двигатели Otto или Ванкеля) используют впрыск топлива того или иного типа. Серийное производство дизельных двигателей для легковых автомобилей (таких как Mercedes Benz OM 138) началось в конце 1930-х и начале 1940-х годов, и они стали первыми двигателями с впрыском топлива, предназначенными для использования в легковых автомобилях. В бензиновых двигателях легковых автомобилей впрыск топлива был внедрен в начале 1950-х годов и постепенно набирал популярность, пока к началу 1990-х годов в значительной степени не заменил карбюраторы. Основное различие между карбюрацией и впрыском топлива заключается в том, что впрыск топлива распыляет топливо через небольшое сопло под высоким давлением, в то время как карбюрация полагается на разрежение, создаваемое ускоряющимся потоком воздуха в трубе Вентури, для втягивания топлива в воздушный поток. Термин «впрыск топлива» является общим и охватывает различные системы с принципиально разными принципами работы. Как правило, единственное, что объединяет все системы впрыска топлива, — это отсутствие карбюратора. Существует два основных принципа работы систем смесеобразования для двигателей внутреннего сгорания: образование смеси внутри цилиндра и образование смеси вне цилиндра. Система впрыска топлива, использующая образование смеси вне цилиндра, называется системой распределенного впрыска. Существует два типа систем распределенного впрыска: многоточечный впрыск (или впрыск в впускной коллектор) и одноточечный впрыск (или впрыск в дроссельную заслонку). Системы образования смеси внутри цилиндра можно разделить на несколько разновидностей прямого и непрямого впрыска, наиболее распространенной из которых является система Common Rail, разновидность прямого впрыска. Термин «электронный впрыск топлива» относится к любой системе впрыска топлива, управляемой блоком управления двигателем.

Fuel injection is the introduction of fuel in an internal combustion engine, most commonly automotive engines, by the means of an injector. This article focuses on fuel injection in reciprocating piston and Wankel rotary engines. All compression ignition engines (e. g. diesel engines), and many spark ignition engines (i. e. petrol (gasoline) engines, such as Otto or Wankel), use fuel injection of one kind or another. Mass produced diesel engines for passenger cars (such as the Mercedes Benz OM 138) became available in the late 1930s and early 1940s, being the first fuel injected engines for passenger car use. In passenger car petrol engines, fuel injection was introduced in the early 1950s and gradually gained prevalence until it had largely replaced carburetors by the early 1990s. The primary difference between carburetion and fuel injection is that fuel injection atomizes the fuel through a small nozzle under high pressure, while carburetion relies on suction created by intake air accelerated through a Venturi tube to draw fuel into the airstream. The term "fuel injection" is vague and comprises various distinct systems with fundamentally different functional principles. Typically, the only thing all fuel injection systems have in common is a lack of carburetion. There are two main functional principles of mixture formation systems for internal combustion engines: internal mixture formation and external mixture formation. A fuel injection system that uses external mixture formation is called a manifold injection system. There exist two types of manifold injection systems: multi point injection (or port injection) and single point injection (or throttle body injection). Internal mixture formation systems can be separated into several different varieties of direct and indirect injection, the most common being the common rail injection system, a variety of direct injection. The term "electronic fuel injection" refers to any fuel injection system controlled by an engine control unit.

Функции системы

Основные функции системы впрыска топлива описаны в следующих разделах. В некоторых системах один компонент выполняет несколько функций.

Топливо для давления

Впрыск топлива осуществляется путем распыления топлива под давлением в двигатель. Следовательно, требуется устройство для создания давления топлива, такое как топливный насос.

Измерительное топливо

Система должна определять необходимое количество топлива для подачи и контролировать расход топлива для обеспечения этого количества. Ранние механические системы впрыска использовали относительно сложные насосы впрыска с управлением по спирали, которые одновременно дозировали топливо и создавали давление впрыска. Начиная с 1980-х годов, для управления дозировкой топлива стали использоваться электронные системы. В более современных системах применяется электронный блок управления двигателем, который дозирует топливо, управляет моментом зажигания и контролирует различные другие функции двигателя.

Впрыск топлива

Форсунка является, по сути, распылителем, выполняющим заключительный этап подачи топлива в двигатель. Форсунка располагается в камере сгорания, впускном коллекторе или, реже, в корпусе дроссельной заслонки. Форсунки, которые также регулируют количество подаваемого топлива, называются "инжекционными клапанами", а форсунки, выполняющие все три функции, – унифицированными форсунками (или форсунками-насосами).

Системы прямого впрыска

Прямой впрыск означает, что топливо впрыскивается непосредственно в основную камеру сгорания каждого цилиндра. Смешивание воздуха и топлива происходит только внутри камеры сгорания. Следовательно, во время такта впуска в двигатель поступает только воздух. Схема впрыска всегда является прерывистой (последовательной или индивидуальной для каждого цилиндра). Это может осуществляться либо с помощью воздушного потока, либо гидравлически, причем гидравлический метод более распространен в автомобильных двигателях. Как правило, гидравлические системы прямого впрыска распыляют топливо в воздух внутри цилиндра или камеры сгорания. Прямой впрыск может быть реализован с помощью обычного насоса впрыска с винтовой линией, блочных форсунок или сложной системы common rail. Последняя является наиболее распространенной системой в современных автомобильных двигателях.

Прямое впрыск для бензиновых двигателей

В течение 20-го века большинство бензиновых двигателей использовали либо карбюратор, либо систему впрыска топлива с предварительным смесеобразованием. В 21-м веке применение непосредственного впрыска топлива в бензиновых двигателях становится все более распространенным.

Инъекция в многократном виде

Системы впрыска во впускной коллектор широко распространены в бензиновых двигателях, таких как двигатель Отто и двигатель Ванкеля. В системе впрыска во впускной коллектор воздух и топливо смешиваются вне камеры сгорания, после чего воздушно-топливная смесь поступает в двигатель. Основные типы систем впрыска во впускной коллектор – многоточечный и одноточечный впрыск. Эти системы могут использовать как непрерывный, так и прерывистый принцип впрыска.

Многоточечная инъекция

Многоточечный впрыск (также называемый «впрыском в порты») впрыскивает топливо во впускные каналы непосредственно перед впускным клапаном каждого цилиндра, а не в центральную точку во впускном коллекторе. Обычно в системах многоточечного впрыска используется несколько форсунок.

Одноточечная инъекция

Впрыск в одну точку (также называемый «впрыском в дроссельный узел») использует один инжектор в дроссельном корпусе, установленном аналогично карбюратору на впускном коллекторе. Как и в системе впрыска с карбюратором, топливо смешивается с воздухом перед поступлением во впускной коллектор. Одноточечный впрыск был относительно недорогим способом для автопроизводителей снизить выбросы отработавших газов, чтобы соответствовать ужесточающимся нормам, одновременно обеспечивая лучшую «управляемость» (легкий запуск, плавную работу, отсутствие провалов двигателя), чем можно было достичь с помощью карбюратора. Многие вспомогательные компоненты карбюратора – такие как воздушный фильтр, впускной коллектор и трассировка топливопроводов – могли использоваться с минимальными или вообще без изменений. Это позволило отложить перепроектирование и затраты на оснастку этих компонентов. Одноточечный впрыск широко использовался на американских легковых автомобилях и легких грузовиках в период с 1980 по 1995 год, а также на некоторых европейских автомобилях в начале и середине 1990-х годов. В США двигатель G10 в Chevrolet Metro 2000 года выпуска стал последним двигателем, устанавливаемым на автомобили, продаваемые в Америке, использующим впрыск в дроссельный узел.

1940-е - 1950-е годы: самолеты Второй мировой войны и ранние бензиновые двигатели с прямым впрыском

Во время Второй мировой войны несколько бензиновых авиационных двигателей использовали системы прямого впрыска, такие как европейские Junkers Jumo 210, Daimler Benz DB 601, BMW 801 и Shvetsov ASh 82FN (M 82FN). Немецкие системы прямого впрыска были основаны на системах впрыска дизельного топлива, разработанных компаниями Bosch, Deckel, Junkers и l'Orange. К 1943 году Rolls Royce Merlin и Wright R 3350 перешли от традиционных карбюраторов к впрыску топлива (в то время называемому "карбюраторами под давлением"), однако в этих двигателях использовался впрыск во впускной коллектор, а не прямой впрыск, как в немецких двигателях. Начиная с 1940 года, двигатель Mitsubishi Kinsei 60-й серии использовал систему прямого впрыска, а также связанный с ним двигатель Mitsubishi Kasei, начиная с 1941 года. В 1943 году система впрыска топлива низкого давления была добавлена к радиальному двигателю Nakajima Homare Model 23. Первая серийно выпускаемая система прямого впрыска бензина была разработана компанией Bosch и первоначально использовалась в небольших двухтактных бензиновых двигателях для автомобилей. Впервые примененная в 1950 году на малолитражном седане Goliath GP700, она также была установлена на двигатель Gutbrod Superior в 1952 году. Эта механически управляемая система по сути представляла собой высоконапорный дизельный насос прямого впрыска особого типа, регулируемый вакуумом за дроссельной заслонкой впускного коллектора. Механическая система прямого впрыска Bosch также использовалась в рядном восьмицилиндровом двигателе гоночного автомобиля Mercedes Benz W196 Формулы-1 1954 года. Первый четырехтактный бензиновый двигатель с прямым впрыском для легкового автомобиля был представлен в следующем году на спортивном автомобиле Mercedes Benz 300SL. Однако двигатель страдал от проблем со смазкой из-за разбавления моторного масла бензином, и последующие двигатели Mercedes Benz перешли на систему впрыска во впускной коллектор. Аналогично, большинство систем впрыска бензина до 2000-х годов использовали менее дорогостоящую конструкцию впрыска во впускной коллектор.

1950-е - 1970-е годы: коллекторное впрыск для бензиновых двигателей

В течение 1950-х годов несколько производителей представили свои системы многоточечного впрыска для бензиновых двигателей. Lucas Industries начала разработку системы впрыска топлива в 1941 году, и к 1956 году она использовалась в гоночных автомобилях Jaguar. На 24 часах Ле-Мана 1957 года автомобили, занявшие с 1-го по 4-е место, были Jaguar D Type, использующие систему впрыска топлива Lucas. Также в 1957 году General Motors представила опцию Rochester Ramjet, состоящую из системы впрыска топлива для двигателя V8 в Chevrolet Corvette. В 1960-х годах системы впрыска топлива также производились компаниями Hilborn, SPICA и Kugelfischer. До этого момента системы впрыска топлива использовали механическую систему управления. В 1957 году была представлена американская система Bendix Electrojector, которая использовала аналоговую электронику для системы управления. Electrojector планировалось установить на автомобиль среднего класса Rambler Rebel, однако проблемы с надежностью привели к тому, что опция впрыска топлива не была предложена. В 1958 году Chrysler 300D, DeSoto Adventurer, Dodge D 500 и Plymouth Fury предлагали систему Electrojector, став первыми автомобилями, оснащенными системой электронного впрыска топлива (EFI). Патенты на Electrojector впоследствии были проданы компании Bosch, которая разработала на его основе Bosch D Jetronic. D Jetronic производился с 1967 по 1976 год и впервые был установлен на VW 1600TL/E. Система была системой, основанной на скорости и плотности, использующей скорость двигателя и плотность воздуха во впускном коллекторе для расчета необходимого количества топлива для впрыска. В 1974 году Bosch представила систему K Jetronic, которая использовала непрерывный поток топлива из форсунок (в отличие от импульсного потока системы D Jetronic). K Jetronic была механической системой впрыска, использующей плунжер, приводимый в действие давлением во впускном коллекторе, который затем контролировал поток топлива к форсункам. Также в 1974 году Bosch представила систему L Jetronic, импульсную систему, которая использовала датчик расхода воздуха для расчета необходимого количества топлива. L Jetronic широко применялась на европейских автомобилях в 1970-х и 1980-х годах. Поскольку система использует электронно управляемые форсунки, которые открываются и закрываются для контроля количества топлива, поступающего в двигатель, система L Jetronic использует те же основные принципы, что и современные системы электронного впрыска топлива (EFI).

Throughout the 1950s, several manufacturers introduced their manifold injection systems for petrol engines. Lucas Industries had begun developing a fuel injection system in 1941 and by 1956 it was used in the Jaguar racing cars. At the 1957 24 Hours of Le Mans, the 1st to 4th placed cars were Jaguar D Type entries using a Lucas fuel injection system. Also in 1957, General Motors introduced the Rochester Ramjet option, consisting of a fuel injection system for the V8 engine in the Chevrolet Corvette. During the 1960s, fuel injection systems were also produced by Hilborn, SPICA and Kugelfischer. Up until this time, the fuel injection systems had used a mechanical control system. In 1957, the American Bendix Electrojector system was introduced, which used analogue electronics for the control system. The Electrojector was intended to be available for the Rambler Rebel mid size car, however reliability problems meant that the fuel injection option was not offered. In 1958, the Chrysler 300D, DeSoto Adventurer, Dodge D 500 and Plymouth Fury offered the Electrojector system, becoming the first cars known to use an electronic fuel injection (EFI) system. The Electrojector patents were subsequently sold to Bosch, who developed the Electrojector into the Bosch D Jetronic. The D Jetronic was produced from 1967 1976 and first used on the VW 1600TL/E. The system was a speed/density system, using engine speed and intake manifold air density to calculate the amount of fuel to be injected. In 1974, Bosch introduced the K Jetronic system, which used a continuous flow of fuel from the injectors (rather than the pulsed flow of the D Jetronic system). K Jetronic was a mechanical injection system, using a plunger actuated by the intake manifold pressure which then controlled the fuel flow to the injectors. Also in 1974, Bosch introduced the L Jetronic system, a pulsed flow system which used an air flow meter to calculate the amount of fuel required. L Jetronic was widely adopted on European cars during the 1970s and 1980s. As a system that uses electronically controlled fuel injectors which open and close to control the amount of fuel entering the engine, the L Jetronic system uses the same basic principles as modern electronic fuel injection (EFI) systems.

1980-е годы настоящее время: цифровая электроника и впрыск общего рельса

До 1979 года в системах впрыска топлива для управления использовалась аналоговая электроника. Многоточечная система впрыска топлива Bosch Motronic (также одна из первых систем, в которой системой зажигания управляет то же устройство, что и системой впрыска топлива) стала первой системой массового производства, использующей цифровую электронику. Система впрыска топлива Ford EEC III, представленная в 1980 году, была еще одной ранней системой цифрового впрыска топлива. Эти и другие электронные системы впрыска во впускной коллектор (с использованием впрыска в порты или впрыска в дроссельный узел) получили более широкое распространение в 1980-х годах, и к началу 1990-х годов они заменили карбюраторы в большинстве новых автомобилей с бензиновыми двигателями, продаваемых в развитых странах. Все вышеупомянутые системы впрыска для бензиновых легковых автомобилей, за исключением Mercedes-Benz 300 SL 1954–1959 годов выпуска, использовали впрыск во впускной коллектор (то есть форсунки, расположенные во впускных каналах или в корпусе дроссельной заслонки, а не внутри камеры сгорания). Это начало меняться, когда первой массовой системой непосредственного впрыска бензина для легковых автомобилей стала система Common Rail, представленная в 1997 году в двигателе Mitsubishi 6G74 V6. Первой системой Common Rail для дизельного двигателя легкового автомобиля стала рядная четверка Fiat Multijet, представленная в 1999 году в модели Alfa Romeo 156 1.9 JTD. С 2010-х годов многие бензиновые двигатели перешли на непосредственный впрыск (иногда в сочетании с отдельными форсунками во впускной коллектор для каждого цилиндра). Аналогично, многие современные дизельные двигатели используют конструкцию Common Rail. В начале 2000-х годов в нескольких бензиновых двигателях, таких как Volkswagen 1.4 FSI, был использован расслоенный впрыск, представленный в 2000 году. Однако к концу 2010-х годов системы расслоенного заряда в значительной степени перестали использоваться из-за увеличения выбросов оксидов азота (NOx) и твердых частиц, а также увеличения стоимости и сложности систем.