Впрыск топлива — это подача топлива в двигатель внутреннего сгорания , чаще всего в автомобильные двигатели , с помощью форсунки . В данной статье основное внимание уделяется впрыску топлива в поршневых и роторных двигателях Ванкеля .
Все двигатели с воспламенением от сжатия (например, дизельные двигатели ) и многие двигатели с искровым зажиганием (например, бензиновые двигатели , такие как Отто или Ванкеля ) используют тот или иной тип впрыска топлива. Дизельные двигатели массового производства для легковых автомобилей (например, Mercedes-Benz OM 138 ) стали доступны в конце 1930-х - начале 1940-х годов и стали первыми двигателями с впрыском топлива для легковых автомобилей. [1] В бензиновых двигателях легковых автомобилей система впрыска топлива была внедрена в начале 1950-х годов и постепенно приобретала широкое распространение, пока к началу 1990-х годов она в значительной степени не заменила карбюраторы . [2] Основное различие между карбюрацией и впрыском топлива заключается в том, что впрыск топлива распыляет топливо через небольшую форсунку под высоким давлением, тогда как карбюратор основан на всасывании , создаваемом всасываемым воздухом, ускоряемым через трубку Вентури, чтобы втягивать топливо в воздушный поток.
Термин «впрыск топлива» расплывчат и включает в себя различные системы с принципиально разными функциональными принципами. Обычно единственное, что объединяет все системы впрыска топлива, — это отсутствие карбюратора . Существует два основных принципа функционирования систем смесеобразования двигателей внутреннего сгорания: внутреннее смесеобразование и внешнее смесеобразование. Система впрыска топлива, использующая внешнее смесеобразование, называется системой впрыска с коллектором . Существует два типа систем впрыска в коллектор: многоточечный впрыск (или впрыск через порт) и одноточечный впрыск (или впрыск через корпус дроссельной заслонки ). Внутренние системы смесеобразования можно разделить на несколько различных разновидностей прямого и непрямого впрыска, наиболее распространенной из которых является система впрыска common-rail , разновидность прямого впрыска. Термин «электронный впрыск топлива» относится к любой системе впрыска топлива, управляемой блоком управления двигателем .
Основные функции системы впрыска топлива описаны в следующих разделах. В некоторых системах один компонент выполняет несколько функций.
Впрыск топлива осуществляется путем распыления топлива под давлением в двигатель. Поэтому необходимо устройство для создания давления топлива, например топливный насос.
Система должна определить необходимое количество подаваемого топлива и контролировать расход топлива для подачи этого количества.
В некоторых ранних системах механического впрыска использовались относительно сложные ТНВД со спиральным управлением, которые дозировали топливо и создавали давление впрыска. С 1980-х годов для контроля дозирования топлива используются электронные системы . В более поздних системах используется электронный блок управления двигателем , который дозирует топливо, контролирует момент зажигания и контролирует различные другие функции двигателя.
Топливная форсунка по сути представляет собой распылительную форсунку , выполняющую заключительный этап подачи топлива в двигатель. Форсунка расположена в камере сгорания , впускном коллекторе или, реже, в корпусе дроссельной заслонки .
Топливные форсунки, которые также контролируют дозирование, называются «клапанами впрыска», а форсунки, выполняющие все три функции, называются насос-форсунками .
Непосредственный впрыск означает, что топливо впрыскивается в основную камеру сгорания каждого цилиндра. [3] Воздух и топливо смешиваются только внутри камеры сгорания. Таким образом, во время такта впуска в двигатель всасывается только воздух. Схема впрыска всегда прерывистая (либо последовательная, либо поцилиндро-индивидуальная).
Это можно сделать либо с помощью струи воздуха [4] , либо гидравлически, причем последний метод более распространен в автомобильных двигателях. Обычно гидравлические системы прямого впрыска распыляют топливо в воздух внутри цилиндра или камеры сгорания. Непосредственный впрыск может быть достигнут с помощью обычного ТНВД с винтовым управлением, насос-форсунок или сложной системы впрыска Common Rail. Последняя является наиболее распространенной системой в современных автомобильных двигателях.
В 20 веке в большинстве бензиновых двигателей использовался либо карбюратор , либо непрямой впрыск топлива. Использование прямого впрыска в бензиновых двигателях становится все более распространенным в 21 веке.
В системе Common Rail топливо из топливного бака подается в общий коллектор (называемый аккумулятором ) , а затем по трубкам направляется к форсункам, которые впрыскивают его в камеру сгорания. Аккумулятор имеет предохранительный клапан высокого давления для поддержания давления и возврата излишков топлива в топливный бак. Топливо распыляется с помощью форсунки, которая открывается и закрывается игольчатым клапаном с электромагнитным управлением . [5] В дизелях Common Rail третьего поколения для повышения точности используются пьезоэлектрические форсунки с давлением топлива до 300 МПа или 44 000 фунтов на квадратный дюйм . [6]
Типы систем Common Rail включают впрыск с воздушным управлением [7] и впрыск с распылением . [7]
Эти системы, используемые в дизельных двигателях, включают в себя:
Этот метод впрыска ранее использовался во многих дизельных двигателях. Типы систем включают в себя:
M -система , использовавшаяся в некоторых дизельных двигателях с 1960-х по 1980-е годы, распыляла топливо на стенки камеры сгорания [12] в отличие от большинства других систем прямого впрыска, которые распыляют топливо в середину камеры сгорания. .
Системы впрыска в коллектор распространены в бензиновых двигателях, таких как двигатель Отто и двигатель Ванкеля . В системе впрыска коллектора воздух и топливо смешиваются вне камеры сгорания, так что смесь воздуха и топлива всасывается в двигатель. Основными типами систем впрыска в коллектор являются многоточечный впрыск и одноточечный впрыск .
В этих системах используется либо непрерывный впрыск , либо прерывистый впрыск . [13] В системе непрерывного впрыска топливо постоянно течет из топливных форсунок, но с переменной скоростью. Наиболее распространенной автомобильной системой непрерывного впрыска является система Bosch K-Jetronic , представленная в 1974 году и использовавшаяся до середины 1990-х годов различными производителями автомобилей. Системы прерывистого впрыска могут быть последовательными , в которых время впрыска совпадает с тактом впуска каждого цилиндра; пакетный , при котором топливо впрыскивается в цилиндры группами, без точной синхронизации с тактом впуска конкретного цилиндра; одновременный , при котором топливо впрыскивается одновременно во все цилиндры; или индивидуально-цилиндровый , при котором блок управления двигателем может регулировать впрыск для каждого цилиндра индивидуально. [13]
Многоточечный впрыск (также называемый «впрыском в порт») впрыскивает топливо во впускные каналы непосредственно перед впускным клапаном каждого цилиндра , а не в центральную точку впускного коллектора. [14] Обычно в системах с многоточечным впрыском используются несколько топливных форсунок, [15] но в некоторых системах, таких как система впрыска с центральным портом GM, вместо нескольких форсунок используются трубки с тарельчатыми клапанами, питаемые от центральной форсунки. [16]
При одноточечном впрыске (также называемом «впрыск через дроссельную заслонку») [17] используется одна форсунка в корпусе дроссельной заслонки , установленная аналогично карбюратору на впускном коллекторе . Как и в карбюраторной системе впуска, топливо смешивается с воздухом перед попаданием во впускной коллектор. [15] Одноточечный впрыск был для автопроизводителей относительно дешевым способом снизить выбросы выхлопных газов в соответствии с ужесточающимися правилами, обеспечивая при этом лучшую «управляемость» (легкий запуск, плавность хода, отсутствие заиканий двигателя), чем можно было получить с помощью карбюратора. Многие из поддерживающих компонентов карбюратора, такие как воздушный фильтр, впускной коллектор и топливопровод, можно было использовать с небольшими изменениями или без них. Это отложило затраты на модернизацию и оснастку этих компонентов. Одноточечный впрыск широко использовался на легковых автомобилях и легких грузовиках американского производства в 1980–1995 годах, а также на некоторых европейских автомобилях в начале и середине 1990-х годов.
В двигателях с непрямым впрыском, применяемых в дизелях (как и в двигателях Акройда), имеются две камеры сгорания: основная камера сгорания и предкамера ( также называемая предкамерой) [18] , соединенная с основной камерой сгорания. один. Топливо впрыскивается только в предкамеру (где оно начинает сгорать), а не непосредственно в основную камеру сгорания. Поэтому этот принцип называется непрямым впрыском. Существует несколько несколько разных систем непрямого впрыска, имеющих схожие характеристики. [19]
Типы непрямого впрыска, используемые в дизельных двигателях, включают:
В 1872 году Джордж Бейли Брайтон получил патент на двигатель внутреннего сгорания, в котором использовалась пневматическая система впрыска топлива, также изобретенная Брайтоном: впрыск воздуха . [21] : 413 В 1894 году Рудольф Дизель скопировал систему впрыска воздуха Брайтона для дизельного двигателя, но также усовершенствовал ее. [22] : 414 Он увеличил давление УВВ с 4–5 кп/см 2 (390–490 кПа) до 65 кп/см 2 (6400 кПа). [23] : 415 Тем временем, первая система впрыска коллектора была разработана Йоханнесом Шпилем в 1884 году, когда он работал на заводе Hallesche Maschinenfabrik в Германии. [24]
В 1891 году британский масляный двигатель Герберта-Акройда стал первым двигателем, в котором использовалась система впрыска топлива под давлением. [25] [26] В этой конструкции, называемой двигателем с горячей лампой , использовался «рывковый насос» для подачи топлива под высоким давлением в форсунку. Еще одной разработкой первых дизельных двигателей была камера предварительного сгорания, изобретенная в 1919 году Проспером Л'Оранжем [27] , чтобы избежать недостатков систем впрыска воздушного дутья. Камера предварительного сгорания позволила производить двигатели, подходящие по размерам для автомобилей, а компания MAN Truck & Bus представила первый дизельный двигатель с непосредственным впрыском для грузовиков в 1924 году. [20] В 1927 году компания Bosch представила дизельные ТНВД высокого давления .
В 1898 году немецкая компания Deutz AG начала производство четырехтактных бензиновых стационарных двигателей [28] с коллекторным впрыском. [ нужна цитата ] Авиационный двигатель Antoinette 8V 1906 года (первый в мире двигатель V8) был еще одним ранним четырехтактным двигателем, в котором использовался впрыск в коллектор. Первым бензиновым двигателем с непосредственным впрыском был двухтактный авиационный двигатель, разработанный Отто Мадером в 1916 году. [29] Еще одним ранним двигателем с искровым зажиганием, в котором использовался непосредственный впрыск, был двигатель Hesselman 1925 года , разработанный шведским инженером Йонасом Хессельманом. [30] [31] Этот двигатель мог работать на различных видах топлива (например, масле, керосине, бензине или дизельном топливе) [32] и использовал принцип послойного заряда , при котором топливо впрыскивается ближе к концу такта сжатия, а затем воспламеняется. со свечой зажигания .
Дизельный двигатель для грузовых автомобилей Cummins Model H был представлен в Америке в 1933 году . машина. [34]
Во время Второй мировой войны несколько бензиновых двигателей для самолетов использовали системы непосредственного впрыска, например, европейский Junkers Jumo 210 , Daimler-Benz DB 601 , BMW 801 и Швецовский АШ-82ФН (М-82ФН) . Немецкие системы прямого впрыска были основаны на дизельных системах впрыска, используемых компаниями Bosch, Deckel, Junkers и l'Orange. [35] Примерно к 1943 году Rolls-Royce Merlin и Wright R-3350 перешли с традиционных карбюраторов на систему впрыска топлива (в то время называемую «карбюраторами под давлением»), однако в этих двигателях использовался впрыск через дроссельный коллектор, а не прямой -системы впрыска немецких двигателей. С 1940 года в двигателе серии Mitsubishi Kinsei 60 использовалась система непосредственного впрыска вместе с родственным двигателем Mitsubishi Kasei 1941 года. В 1943 году к радиальному двигателю Nakajima Homare Model 23 была добавлена система впрыска топлива под низким давлением . [36]
Первая серийная система непосредственного впрыска бензина была разработана компанией Bosch и первоначально использовалась в небольших автомобильных двухтактных бензиновых двигателях. Представленная в небольшом седане Goliath GP700 1950 года , она также была добавлена к двигателю Gutbrod Superior в 1952 году. Эта система с механическим управлением представляла собой, по сути, специально смазанный дизельный насос прямого впрыска высокого давления, который управляется вакуумом позади впускной дроссельный клапан. [37] 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 непосредственным впрыском для легкового автомобиля был выпущен в следующем году на спортивном автомобиле Mercedes-Benz 300SL . [38] Однако у двигателя возникли проблемы со смазкой из-за того, что бензин разбавлял моторное масло, [39] [40] и последующие двигатели Mercedes-Benz перешли на конструкцию впрыска в коллектор. Аналогичным образом, в большинстве систем впрыска бензина до 2000-х годов использовалась менее дорогая конструкция впрыска через коллектор.
На протяжении 1950-х годов несколько производителей представили свои системы впрыска коллектора для бензиновых двигателей. Lucas Industries начала разработку системы впрыска топлива в 1941 году, и к 1956 году она использовалась в гоночных автомобилях Jaguar. [41] На гонке «24 часа Ле-Мана» 1957 года с 1 по 4 места занимали автомобили Jaguar D-Type , использующие систему впрыска топлива Lucas. [42] Также в 1957 году General Motors представила вариант Rochester Ramjet , состоящий из системы впрыска топлива для двигателя V8 в Chevrolet Corvette. В 1960-х годах системы впрыска топлива также производились компаниями Hilborn , [43] SPICA [44] и Kugelfischer .
До этого времени в системах впрыска топлива использовалась механическая система управления. В 1957 году была представлена американская система Bendix Electrojector , в системе управления которой использовалась аналоговая электроника. Предполагалось, что Electrojector будет доступен для среднеразмерного автомобиля Rambler Rebel , однако из-за проблем с надежностью опция впрыска топлива не предлагалась. [45] [46] [47] [48] [49] В 1958 году Chrysler 300D , DeSoto Adventurer , Dodge D-500 и Plymouth Fury предложили систему Electrojector, став первыми автомобилями, в которых использовался электронный впрыск топлива (EFI). ) система. [50]
Патенты на электрожектор были впоследствии проданы компании Bosch, которая разработала на основе электрожектора Bosch D-Jetronic . [51] D-Jetronic производился в 1967-1976 годах и впервые использовался на VW 1600TL/E . Система представляла собой систему скорости/плотности, которая использовала частоту вращения двигателя и плотность воздуха во впускном коллекторе для расчета количества впрыскиваемого топлива. В 1974 году компания Bosch представила систему K-Jetronic , в которой использовался непрерывный поток топлива из форсунок (а не импульсный поток, как в системе D-Jetronic). K-Jetronic представлял собой механическую систему впрыска, в которой использовался плунжер, приводимый в действие давлением во впускном коллекторе, который затем контролировал подачу топлива к форсункам. [52]
Также в 1974 году компания Bosch представила систему L-Jetronic , систему импульсного потока, которая использовала расходомер воздуха для расчета необходимого количества топлива. L-Jetronic получил широкое распространение на европейских автомобилях в 1970-х и 1980-х годах. В качестве системы, в которой используются топливные форсунки с электронным управлением, 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).
До 1979 года в электронике систем впрыска топлива использовалась аналоговая электроника системы управления. Система многоточечного впрыска топлива Bosch Motronic (также одна из первых систем, в которых система зажигания управляется тем же устройством, что и система впрыска топлива) была первой системой массового производства, в которой использовалась цифровая электроника . Система одноточечного впрыска топлива Ford EEC-III , представленная в 1980 году, была еще одной ранней цифровой системой впрыска топлива. [53] [54] Эти и другие системы впрыска с электронным коллектором (с использованием либо впрыска в порт, либо впрыска через дроссельную заслонку) получили более широкое распространение в 1980-х годах, а к началу 1990-х годов они заменили карбюраторы в большинстве новых автомобилей с бензиновым двигателем, продаваемых в развитых странах. страны.
Все вышеупомянутые системы впрыска для бензиновых двигателей легковых автомобилей, за исключением Mercedes-Benz 300 SL 1954–1959 годов , использовали впрыск через коллектор (т.е. форсунки, расположенные во впускных отверстиях или корпусе дроссельной заслонки, а не внутри камеры сгорания). Ситуация начала меняться, когда первой серийной системой непосредственного впрыска бензина для легковых автомобилей стала система Common Rail , представленная в двигателе Mitsubishi 6G74 V6 1997 года. [55] [56] Первой системой Common Rail для дизельного двигателя легкового автомобиля был рядный четырехцилиндровый двигатель Fiat Multijet , [57] представленный в модели Alfa Romeo 156 1.9 JTD 1999 года . С 2010-х годов многие бензиновые двигатели перешли на непосредственный впрыск (иногда в сочетании с отдельными форсунками коллектора для каждого цилиндра). Точно так же многие современные дизельные двигатели используют конструкцию Common Rail.
В начале 2000-х годов в нескольких бензиновых двигателях использовался послойный впрыск топлива , например, в двигателе Volkswagen 1.4 FSI , представленном в 2000 году. Однако к концу 2010-х системы послойного наддува практически больше не использовались из-за увеличения выбросов NOx в выхлопные газы. и твердых частиц, а также увеличение стоимости и сложности систем.
