Обзор систем впрыска топлива

Задача впрысковых или карбюраторных систем подачи топлива состоит в дозировании рабочей смеси, наиболее оптимальной для каждого режима работы двигателя.

Системы впрыска топлива, особенно с электронным управлением, значительно более, чем карбюраторы, подходят для соблюдения жестких требований к подготовке смеси. Дополнительно они создают преимущества в отношении расхода топлива, динамических свойств и выходной мощности двигателя. Требования все более строгих нормативов привели к тому, что на автомобилях впрыск окончательно вытеснил карбюраторы.

До сих пор почти исключительно применялись системы, в которых образование смеси происходило за пределами камеры сгорания (впрыск во впускной трубоипровод). Системы с внутренним смесеобразованием, т. е. с впрыском непосредственно в камеру сгорания (непосредственный впрыск) в лучшей мере обеспечивают дальнейшее снижение расхода топлива, а потому преобретают все большее значение.

Обзор


Внешнее смесеобразование 

Системы впрыска топлива с внешним смесеобразованием отличаются тем, что рабочая смесь образуется за пределами камеры сгорания, т. е. во впускном трубопроводе. Такие системы постоянно развивались, с тем чтобы соответствовать растущим требованиям.
Сегодня получают развитие только электронное-управляемые системы многоточечного впрыска топлива.


Системы многоточечного впрыска топлива


В таких системах (рис. 1) каждый цилиндр имеет свою форсунку, впрыскивающую топливо непосредственно на впускной кланан этого цилиндра (Multi Point Injection — многоточечный впрыск). Системы многоточечного впрыска топлива создают идеальные условия для выполнения всех необходимых требований к системе подготовки смеси.

2375

Рис.1
1. Топливо
2. Воздух
3. Дроссельная заслонка
4. Впускной трубопровод
5. Форсунки
6. Двигатель

Механическая система впрыска топлива

В механической системе впрыска топлива К-Jetronic масса впрыскиваемого топлива определяется дозирующим топливораспределительным устройством, от которого топливо направляется к форсунке, открывающейся при определенном давлении и после этого постоянно (без перерывов) впрыскивающей топливо.

Комбинированная электронно-механическая система впрыска топлива


Такая система КЕ-Jetronic базируется на механической системе K-Jetronic, которая дополнена электронным блоком, управляющим режимом работы насоса и форсунок с дозирующим топливораспределительным устройством. Благодаря этому осуществляется более точное управление впрыскиванием топлива в соответствии с меняющимися рабочими режимами двигателя.

Электронные системы впрыска топлива


Электронноуправляемые системы впрыска обеспечивают впрыскивание топлива в прерывистом режиме через форсунки с электромагнитным управлением. Масса впрыскиваемого топлива определяется временем работы (открытия) форсунки (для заданного падения давления в форсунке).

Примеры: системы L-Jetronic, LH-Jetronic и Motronic как интегрированная система управления двигателем (М-Моtгоniс, МЕ-Моtronie).

Система впрыска топлива через одну форсунку (одноточечный или центральный впрыск)

В такой системе (рис. 2) топливо периодически впрыскивается во впускной трубопровод одной форсункой с электромагиитным при водом, расположеной во впускном трубопроводе перед дроссельной заслонкой (Single Point Injection — одноточечный впрыск). Системы одноточечного (центрального) впрыска топлива производства фирмы Bosch получили названия Mono-Jetronic и Mono-Motronic.

2376

Рис. 2
1. Подача топлива
2. Поступление воздуха
3. Дроссельная заслонка
4. Впускной трубопровод
5. Форсунка
6. Двигатель

Внутреннее смесеобразование


В системах непосредственного впрыска ьтопливо впрыскивается форсунками с электромагнитным управлением, размещенными в каждом цилиндре, непосредственно в камеру сгорания (рис. 3). Образование смеси в камере сгорания позволяет двигателю работать двумя совершенно разными способами. В условиях гомогенной смеси она распределена по своему составу однородно по всей камере сгорания, как и при внешнем смесеобразовании, — все количество находящейся в камере сгорания свежей смеси принимает участие в процессе сгорания. Поэтому такой режим используется, когда необходимо получение высокого крутящего момента. В условиях послойного распределения смеси она должна быть горючей только непосредственно возле свечей зажигания. В остальном объеме камеры сгорания находятся свежая смесь и остаточные ОГ без следов пестревшего топлива. Тем самым, на режимах холостого хода и частичной нагрузки создается, в общем, весьма бедная смесь, что обеспечивает снижение расхода топлива. Для управления двигателем с непосредственным впрыском используется система МЕD- Моtronic

2377

Рис. 3
1. Подача топлива
2. Поступление воздуха
3. Электронно-управяемая дроссельная заслонка EGAS)
4. Впускной трубопровод
5. Форсунки
6. Двигатель

История разработки систем смесеобразования.

Проблема образования горючей смеси появилась еще во времена, когда разрабатывались первые ДВС. В частности, от ее решения, а также от работоспособности механизма зажигания зависела вообще возможность работы такого двигателя.
В общих чертах карбюратор был создан еще в XVIII веке. Тогда проводились опыты с целью получить такие испарения жидких материалов, которые бы позволили улучшить работу отопительных и осветительных устройств.
Идею испарять жидкость для работы дивигателя впервые предложил в 1795 г. Роберт Стрит. Для этого он использовал скипидар или дегтярное масло. Сэмюэль Морей и Эскин Азар в 1825 г. создали двухцилиндровый двигатель, сконструировав для него первый корбюратор, который был запатентован в Великобритании под номером 5402. До того времени подробные системы смесеобразования работали по преимуществу на скипидаре или керосине.

Все изменилось в 1833 г., когда профессору химии Эйлхарду Мичерлиху из берлина удалось с помощью термокресинга расщепить бензойную кислоту, В результате реакции он получил так называемый «этилен Фарадея», который назвал бензолом, ставшим предшественником современного бензина.
Первый бензиновый карбюратор был сконструирован Уильямом Барнеттом, получившим в 1838 г. за это изобретение патент под номером 7615.
Такие разработки в те годы представляли собой фитильный (рис. 1) либо испарительный (рис. 2) карбюраторы. Первый корбюратор, примененный в автомобиле, был фитильным. Фитиль впитывал топливо примерно так же, как в керосиновой лампе. Этот фитиль находился в потоке всасываемого воздуха, благодаря чему происходило смешивание воздуха и топлива. В испарительном карбюраторе топливо подогревалось ОГ двигателя, в результате чего на поверхности топлива образовывался слой топливных паров, которые, попадая в воздушный поток, смешивались с воздухом до образования необходимой рабочей смеси.

2378

Рис. 1
1. Подача рабочей смеси к двигателю
2. Кольцевой золотник
3. Поступление воздуха
4. Фитиль
5. Поплавковая камера с поплавком
6. Подача топлива
7. Подача дополнительного воздуха
8. Дроссельная заслонка

2379

Рис.2
1. Поступление воздуха
2. Подача рабочей смеси к двигателю
3. Топливоразделитель
4. Поплавок
5. Топливо
6. Поступление ОГ от двигателя
7. Топливозаливная горловина

В 1882 г. в Берлине Зигфрид Маркус подал заявку на получение патента на изобретенный им карбюратор с вращающейся
щеткой (рис. 3). Быстро вращающаяся круглая щетка 3, приводимая от колеса 1, обеспечивала вместе со съемником 2 образование в щеточной камере 4 топливного тумана. Через патрубок 5 этот туман всасывался в двигатель. Щеточный карбюратор занимал у производителей двигателей ведущее положение примерно в течение 11 лег.

2380

Рис. 3
1. Приводное колесо
2. Съемник топлива
3. Щетка
4. Щеточная камера
5. Впускной патрубок

В 1885 г. Николаус Август Отто создал ДВС, работающий на углеводородном топливе (спирт/бензин) — этой цели Отто добивался с I860 г. Первый бензиновый двигатель (двигатель с искровым зажиганием или двигатель Отто), работающий по четырехтактному циклу и оснащенный испарительным карбюратором и электрическим магнето собственной конструкции того же Отто, был отмечен премией на Всемирной выставке в Антверпене. Большое количество этих двигателей (рис. 4) несколько лет выпускала и продавала фирма Otto & Langen, Deutz.

2381

Рис. 4
А — карбюратор
В — двигатель с искрооым зажиганием
1. Поступление воздуха
2. Воздуховод
3. Резервуар с гравием {для гашения пламени)
4. Воронка для заливания воды
5. Заливной потру бок для топлива
6. Поплавок
7. Емкость для бензина
8. Трубопровод для пропуска ОГ
9. Отсечной клапан
10. Поддон для подогрева
11. Охлаждающая водяная рубашка
12. Водяная магистраль
13. Поступление охлаждающей воды
14. Поступление рабочей смеси
15. Магнето
16. Кран отключения подачи смеси
17. Поступление воздуха
18. Кран отключения подачи воздуха

В том же году Карл Бенц установил на своем первом автомобиле (рис. 5) испарительный карбюратор собственной конструкции. Спустя некоторое время он усовершенствовал этот карбюратор, добавив поплавковый клапан, чтобы уровень бензина автоматически поддерживался постоянным.

2382 2383

В 1893 г. Вильгельм Майбах создал свой жиклерный карбюратор (рис. 7), в котором топливо впрыскивалось из жиклера на отражающую поверхность дефлектора, благодаря чему обеспечивался конусообразный распыл топлива (рис. 8).

2384

Рис. 7
1. Поступление воздуха
2. Подача топлива
3. Подпружиненный поплавок
4. Выход рабочей смеси
5. Стопорное устройство для поворотного золотника
6. Поворотный золотник для регулирования смеси
7. Поплавок
8. Жиклер

2385

Рис. 8
1. Подача рабочей смеси к двигателю
2. Поверхность дефлектора
3. Топливная форсунка (жиклер)
4. Поступление воздуха
5. Поплавковая камера с поплавком
6. Подача топлива
7. Дроссельная заслонка

В 1906-1907 гг. появились карбюратор Клоделя и проекты карбюраторов Франсуа Бавери, придавшие новые импульсы развитию производства карбюраторов. В этих карбюраторах (рис. 9), впоследствии ставших известными под маркой ZENITH, дополнительный или уравнительный (компенсационный) жиклер, обедняющий топливо, обеспечивает приготовление почти неизменной смеси, несмотря на возрастающую скорость потока всасываемого воздуха.

2386

В это же время патентные заявки на карбюраторы подали Меннесон и Гудар. Их конструкции (рис. 10) приобрели мировую известность под названием SOLEX.

2387

В течение последующих нескольких лет было создано огромное количество конструкций карбюраторов. Некоторые из них следует назвать: SUM, CUDELL, FAVORIT, ESCOMA, GRAETZIN. На фирме PALLAS производился запатентованный в 1906 т. карбюратор Хаака. В 1912 г. Шуттлер и Дитрих разработали карбюратор PALLAS (рис. 11) с кольцевым поплавком и комбинированным жиклером.

2388

В 1914 г. Королевское военное министерство Пруссии объявило конкурс на разработку бензолового (бензинового) карбюратора. Уже тогда ставились условия обеспечения при испытаниях низкой токсичности ОГ. Среди 14 различныхконкурирующих конструкций корбюраторов, которые проверялись на испытательном стенде Технического института в Шарлоттен бурге, а также в автомобилях с одинаковой мощностью, принадлежащих Германскому Управлению сухопутных войск и проехавших 800 км по тяжелым зимним дорогам, первое место было присуждено карбюратору ZENITH. В последующие годы началась многосторонняя детальная работа по совершенствованию карбюраторов. Выли разработаны различного рода конструкции и дополнительные устройства, например, поворотные золотники и воздушные заслонки в качестве устройств, облегчающих запуск, мембранные системы вместо поплавков для карбюраторов авиадвигателей, насосные системы, облегчающие разгон. Многообразие модификаций карбюраторов настолько велико, что их описание может выйти далеко за рамки этой главы.

В 20-е годы для достижения большей мощности двигателя использовались одинарные и сдвоенные карбюраторы, (карбюраторы с двумя дроссельными заслонками) в качестве систем многокамерных карбюраторов (несколько синхронно управляемых одинарных или сдвоенных карбюраторов). Это многообразие вариантов карбюраторов от разумных производителей во все большей степени увеличивалось в течение последющих десятилетий.

В 30-е годы на авиационных двигателях использовались и первые системы с непосредственным впрыском (рис. 12). Такому двигателю были необходимы два 12-цилиндровых рядных топливных насоса, размещавшихся в развале блока цилиндров (на рис. 12 насосы не видны).

2389

Рис. 12
Этот авиационный двигатель выпускала на заводах акционерного общества Daimler-Ben/, с 1939 по 1942 гг. Существовали варианты от рабочего объема 48.5 л и мощности 2350 л. с. (174.1 кВт) до рабочего объема 50.0 л и мощности 3500 л. с. (2593 кВт) все с системой непосредственного впрыска Bosch. Габаритная длина ДВ1 гателя — 2,15 м. 

Подобный насос изображен на рис. 13 —его габаритная длина составляет около 700 мм.

2390

Системы с непосредственным впрыском топлива на 9-цилиндровых звездообразных двигателях от BMW (рис. 14) применялись в конце 30-х годов на легендарных трехмоторных самолетах Юнкере Ju 52. Особого внимания заслуживает оппозитная конструкция механического топливного насоса фирмы Bosch (рис. 15).

2391 2392

В 50-е гг. такие системы непосредственного впрыска топлива появились и на легковых автомобилях. Необходимо отметить модели Gutbrod Superior 1952 года выпуска (рис. 16), а также Goliath GP700E 1954 года выпуска (рис. 17). Обе эти малолитражки оснащались двухцилиндровым двухтактным двигателем рабочим объемом менее 1 л. Соответствующих размеров были и топливные насосы (рис. 18).

2393 2394 2395

На этом двигателе была установлена с тем а непосредственного впрыска топлива (рис. 19), впервые примененная на автомобиле.

2396

Рис. 19
1. Выпускная трубка
2. Диафрагменный блок регулятора состава смеси
3. Выпускная трубка
4. От топливного бака
5. Форсунка
6. Топливный фильтр
7. Патрубок с дросселлем. регулирующим смесь
8. От масляного бака
9. Масляный насос
10. Топливный насос
11. Перепускной клапан

 

На спортивной модели Mercedes-Benz SL (рис. 20) также была установлена система непосредственного впрыска топлива фирмы Bosch. Этот автомобиль был представлен общественности 6 февраля 1954 г. На Международной выставке спортивных автомобилей в Нью-Йорке. Его 6-цилиндровый рядный двигатель (М198/11) с наклоном цилиндров в 50° к вертикальной оси развивал мощность 215 л. с. (159 кВт) при рабочем объеме 2996 см3. 

2397

Во время Второй мировой войны начал применяться принципиально другой способ смесеобразования для двигателей с искровым зажиганием — в газогенераторе, осуществляющем сухую перегонку древесины. Для образования горючей смеси использовался древесный газ, получаемый из тлеющих древесных углей (рис. 21). Газогенераторная установка больших размеров размещалась снаружи автомобиля, так что ее трудно было не заметить (рис. 22).

2398 

Рис. 21

1. Газогенератор
2. Очиститель
3. Отстойник
4. Газоохладитель
5. Фильтр тонкой очистки
е. Вентилятор розжига
7. Система регуляторов

2399

В заключение краткого обзора истории разработки систем смесеобразования следует упомянуть, что различные типы карбюраторов устанавливались на автомобилях вплоть до 90-х годов прошлого века. Карбюратор из-за своей невысокой стоимости особенно долго применялся на малолитражных автомобилях. Однако автомобилестроители все же отказались от карбюратора в связи с введением все более строгих норм, регламентирующих снижение токсичности ОГ. Хотя в начале 90-х годов и появилась успешная разработка фирм
Bosch и Pierburg — карбюратор Ecotronic, представляющий собой модицифицированный карбюратор, с набженный электрониыми исполнительными устройствами (рис. 23). Он позволил экономить топливо при соблюдении действующих в те годы норм по ограничению токсичности О Г.

2400

77