Впрыск во впускной коллектор — это система смесеобразования для двигателей внутреннего сгорания с внешним смесеобразованием. Она обычно используется в двигателях с искровым зажиганием , использующих бензин в качестве топлива, таких как двигатель Отто и двигатель Ванкеля . В двигателе с впрыском во впускной коллектор топливо впрыскивается во впускной коллектор, где оно начинает образовывать горючую воздушно-топливную смесь с воздухом. Как только впускной клапан открывается, поршень начинает всасывать все еще формирующуюся смесь. Обычно эта смесь относительно однородна и, по крайней мере, в серийных двигателях для легковых автомобилей, приблизительно стехиометрична ; это означает, что топливо и воздух равномерно распределены по камере сгорания, и достаточно, но не больше воздуха, чем требуется для полного сгорания топлива. Время впрыска и измерение количества топлива можно контролировать либо механически (распределителем топлива), либо электронным способом (блоком управления двигателем ). С 1970-х и 1980-х годов впрыск во впускной коллектор заменил карбюраторы в легковых автомобилях. Однако с конца 1990-х годов автопроизводители начали использовать непосредственный впрыск бензина , что привело к снижению числа установок впрыска во впускной коллектор на новых выпускаемых автомобилях.
Существует два различных типа впрыска в коллектор:
В этой статье используются термины многоточечный впрыск (MPI) и одноточечный впрыск (SPI). В системе MPI имеется одна топливная форсунка на цилиндр, установленная очень близко к впускному клапану (клапанам). В системе SPI имеется только одна топливная форсунка, обычно установленная сразу за дроссельной заслонкой. Современные системы впрыска во впускной коллектор обычно являются системами MPI; системы SPI в настоящее время считаются устаревшими.
В двигателе с впрыском во впускной коллектор топливо впрыскивается под относительно низким давлением (70...1470 кПа) во впускной коллектор для образования мелкодисперсного парового топлива. Затем этот пар может образовать горючую смесь с воздухом, и эта смесь всасывается в цилиндр поршнем во время такта впуска. Двигатели Отто используют технику, называемую контролем количества , для установки желаемого крутящего момента двигателя , что означает, что количество смеси, всасываемой в двигатель, определяет величину производимого крутящего момента. Для управления количеством смеси используется дроссельная заслонка , поэтому контроль количества также называется дросселированием впускного воздуха. Дросселирование впускного воздуха изменяет количество воздуха, всасываемого в двигатель, что означает, что если требуется стехиометрическая ( ) воздушно-топливная смесь, количество впрыскиваемого топлива должно быть изменено вместе с дросселированием впускного воздуха. Для этого системы впрыска во впускной коллектор имеют по крайней мере один способ измерения количества воздуха, которое в данный момент всасывается в двигатель. В механически управляемых системах с распределителем топлива используется вакуумный поршень, напрямую соединенный с рейкой управления, тогда как в системах впрыска в коллектор с электронным управлением обычно используются датчик расхода воздуха и лямбда-зонд . Только системы с электронным управлением могут сформировать стехиометрическую топливовоздушную смесь достаточно точно для того, чтобы трехкомпонентный катализатор работал должным образом, поэтому системы впрыска в коллектор с механическим управлением, такие как Bosch K-Jetronic, в настоящее время считаются устаревшими. [1]
Как следует из названия, двигатель с одноточечным впрыском (SPI) имеет только одну топливную форсунку. Обычно она устанавливается сразу за дроссельной заслонкой в корпусе дроссельной заслонки. Одноточечный впрыск был относительно недорогим способом для автопроизводителей сократить выбросы выхлопных газов , чтобы соответствовать ужесточающимся нормам, обеспечивая при этом лучшую «управляемость» (легкий запуск, плавный ход, отсутствие колебаний), чем можно было бы получить с карбюратором. Многие из вспомогательных компонентов карбюратора, такие как воздушный фильтр, впускной коллектор и топливная магистраль, могли использоваться с небольшими изменениями или без них. Это отложило затраты на перепроектирование и оснастку этих компонентов. Однако одноточечный впрыск не позволяет формировать очень точные смеси, требуемые современными нормами выбросов, и поэтому считается устаревшей технологией в легковых автомобилях. [1] 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.
Одноточечный впрыск был известен с 1960-х годов, но долгое время считался уступающим карбюраторам, поскольку для него требовался инжекторный насос, и, таким образом, он был более сложным. [2] Только с появлением недорогих цифровых блоков управления двигателем ( ЭБУ ) в 1980-х годах одноточечный впрыск стал разумным вариантом для легковых автомобилей. Обычно использовались системы прерывистого впрыска с низким давлением впрыска (70...100 кПа), что позволяло использовать недорогие электрические топливные насосы. [3] Очень распространенной одноточечной системой впрыска, используемой во многих легковых автомобилях, является Bosch Mono-Jetronic, которую немецкий автомобильный журналист Олаф фон Ферзен считает «комбинацией впрыска топлива и карбюратора». [4]
Система получила название Throttle-body Injection или Digital Fuel Injection у компании General Motors , Central Fuel Injection у компании Ford , PGM-CARB у компании Honda и EGI у компании Mazda ).
В двигателе с многоточечным впрыском каждый цилиндр имеет собственную топливную форсунку, и топливные форсунки обычно устанавливаются в непосредственной близости от впускного клапана(ов). Таким образом, форсунки впрыскивают топливо через открытый впускной клапан в цилиндр, что не следует путать с прямым впрыском. Некоторые системы многоточечного впрыска также используют трубки с тарельчатыми клапанами, питаемыми центральным инжектором вместо отдельных инжекторов. Однако обычно двигатель с многоточечным впрыском имеет одну топливную форсунку на цилиндр, электрический топливный насос, распределитель топлива, датчик расхода воздуха [5] и, в современных двигателях, блок управления двигателем . [6] Температура вблизи впускного клапана(ов) довольно высока, такт впуска вызывает завихрение всасываемого воздуха, и для образования воздушно-топливной смеси требуется много времени. [7] Поэтому топливо не требует большого распыления. [2] Качество распыления зависит от давления впрыска, что означает, что для двигателей с многоточечным впрыском достаточно относительно низкого давления впрыска (по сравнению с прямым впрыском). Низкое давление впрыска приводит к низкой относительной скорости воздуха и топлива, что приводит к образованию крупных и медленно испаряющихся капель топлива. [8] Поэтому время впрыска должно быть точным, чтобы минимизировать несгоревшее топливо (и, следовательно, выбросы углеводородов). Из-за этого системы непрерывного впрыска, такие как Bosch K-Jetronic, устарели. [1] Современные многоточечные системы впрыска используют вместо этого прерывистый впрыск с электронным управлением. [6]
С 1992 по 1996 год General Motors внедрила систему под названием Central Port Injection или Central Port Fuel Injection. Система использует трубки с тарельчатыми клапанами от центрального инжектора для распыления топлива в каждом впускном отверстии, а не в центральном корпусе дроссельной заслонки [ требуется ссылка ] . Давление топлива аналогично системе одноточечного впрыска. CPFI (использовалась с 1992 по 1995 год) — это система пакетного зажигания, в то время как CSFI (с 1996 года) — это последовательная система. [9]
В двигателях с впрыском топлива в коллектор существуют три основных метода дозирования топлива и управления моментом впрыска.
В ранних двигателях с впрыском во впускной коллектор с полностью механическими системами впрыска использовался шестеренчатый, цепной или ременной приводной насос впрыска с механической «аналоговой» картой двигателя. Это позволяло впрыскивать топливо прерывисто и относительно точно. Обычно такие насосы впрыска имеют трехмерный кулачок, который отображает карту двигателя. В зависимости от положения дроссельной заслонки трехмерный кулачок перемещается в осевом направлении на своем валу. Роликовый механизм захвата, который напрямую соединен с рейкой управления насосом впрыска, ездит на трехмерном кулачке. В зависимости от положения трехмерного кулачка он вдавливает или выталкивает плунжеры насоса впрыска, приводимые в действие распредвалом, что контролирует как количество впрыскиваемого топлива, так и время впрыска. Плунжеры впрыска создают давление впрыска и действуют как распределители топлива. Обычно имеется дополнительный регулировочный стержень, который соединен с барометрической ячейкой, и термометр охлаждающей воды, так что массу топлива можно корректировать в соответствии с давлением воздуха и температурой воды. [10] Системы впрыска Kugelfischer также имеют механический центробежный датчик частоты вращения коленчатого вала. [11] Многоточечные системы впрыска с механическим управлением использовались до 1970-х годов.
В системах без управления синхронизацией впрыска топливо впрыскивается непрерывно, поэтому синхронизация впрыска не требуется. Самым большим недостатком таких систем является то, что топливо впрыскивается также и при закрытых впускных клапанах, но такие системы намного проще и дешевле, чем механические системы впрыска с картами двигателя на трехмерных кулачках. Необходимо определить только количество впрыскиваемого топлива, что можно сделать очень легко с помощью довольно простого распределителя топлива, который управляется вакуумным датчиком расхода воздуха во впускном коллекторе. Распределителю топлива не нужно создавать давление впрыска, поскольку топливный насос и так обеспечивает давление, достаточное для впрыска (до 500 кПа). Поэтому такие системы называются «безприводными», и им не требуется привод от цепи или ремня, в отличие от систем с механическими насосами впрыска. Также не требуется блок управления двигателем. [12] «Безмоторные» многоточечные системы впрыска без управления моментом впрыска, такие как Bosch K-Jetronic, широко использовались с середины 1970-х до начала 1990-х годов в легковых автомобилях, хотя примеры существовали и раньше, например, Rochester Ramjet, предлагавшийся на высокопроизводительных версиях двигателей Chevrolet Small-Block с 1957 по 1965 год.
Двигатели с впрыском во впускной коллектор и электронным блоком управления двигателем часто называют двигателями с электронным впрыском топлива (EFI). Обычно двигатели EFI имеют карту двигателя, встроенную в дискретные электронные компоненты, такие как постоянное запоминающее устройство . Это и надежнее, и точнее, чем трехмерный кулачок. Схема управления двигателем использует карту двигателя, а также данные датчика расхода воздуха, дроссельной заслонки, частоты вращения коленчатого вала и температуры всасываемого воздуха для определения как количества впрыскиваемого топлива, так и времени впрыска. Обычно такие системы имеют одну напорную топливную рампу и инжекторные клапаны, которые открываются в соответствии с электрическим сигналом, посылаемым из схемы управления двигателем. Схема может быть полностью аналоговой или цифровой. Аналоговые системы, такие как Bendix Electrojector , были нишевыми системами и использовались с конца 1950-х до начала 1970-х годов; цифровые схемы стали доступны в конце 1970-х годов и с тех пор используются в электронных системах управления двигателем. Одним из первых широко распространенных цифровых блоков управления двигателем был Bosch Motronic . [13]
Для того чтобы правильно смешать воздух и топливо, чтобы образовалась правильная воздушно-топливная смесь, система управления впрыском должна знать, сколько воздуха всасывается в двигатель, чтобы она могла определить, сколько топлива должно быть впрыснуто соответственно. В современных системах измеритель массы воздуха, встроенный в корпус дроссельной заслонки, измеряет массу воздуха и посылает сигнал в блок управления двигателем, чтобы он мог рассчитать правильную массу топлива. В качестве альтернативы можно использовать датчик вакуума в коллекторе. Сигнал датчика вакуума в коллекторе, положение дроссельной заслонки и скорость коленчатого вала затем могут использоваться блоком управления двигателем для расчета правильного количества топлива. В современных двигателях используется комбинация всех этих систем. [5] Механические системы управления впрыском, а также системы без питания обычно имеют только датчик вакуума во впускном коллекторе (мембрану или пластину датчика), который механически соединен с рейкой топливного насоса или распределителем топлива. [14]
Двигатели с впрыском во впускной коллектор могут использовать как непрерывный, так и прерывистый впрыск. В непрерывно впрыскивающей системе топливо впрыскивается непрерывно, поэтому режимов работы нет. Однако в прерывисто впрыскивающих системах обычно есть четыре различных режима работы. [15]
В системе с одновременным прерывистым впрыском существует один фиксированный момент впрыска для всех цилиндров. Поэтому момент впрыска идеален только для некоторых цилиндров; всегда есть по крайней мере один цилиндр, в который топливо впрыскивается в закрытый впускной клапан(ы). Это приводит к тому, что время испарения топлива для каждого цилиндра разное.
Системы с прерывистым групповым впрыском работают аналогично системам с одновременным впрыском, упомянутым ранее, за исключением того, что они имеют две или более групп одновременно впрыскивающих топливных форсунок. Обычно группа состоит из двух топливных форсунок. В двигателе с двумя группами топливных форсунок впрыск происходит каждые пол-оборота коленчатого вала, так что по крайней мере в некоторых областях карты двигателя топливо не впрыскивается против закрытого впускного клапана. Это улучшение по сравнению с системой с одновременным впрыском. Однако время испарения топлива по-прежнему различно для каждого цилиндра.
В последовательной системе впрыска каждая топливная форсунка имеет фиксированный, правильно установленный момент впрыска, который синхронизирован с порядком зажигания свечей зажигания и открытием впускного клапана. Таким образом, больше не впрыскивается топливо при закрытых впускных клапанах.
Впрыск по цилиндрам означает, что нет ограничений на время впрыска. Система управления впрыском может устанавливать время впрыска для каждого цилиндра индивидуально, и нет фиксированной синхронизации между инжекторами каждого цилиндра. Это позволяет блоку управления впрыском впрыскивать топливо не только в соответствии с порядком зажигания и интервалами открытия впускных клапанов, но и позволяет ему корректировать неравномерность заряда цилиндров. Недостатком этой системы является то, что она требует определения массы воздуха, специфичной для цилиндров, что делает ее более сложной, чем система последовательного впрыска.
Первая система впрыска во впускной коллектор была разработана Йоханнесом Шпилем в Hallesche Maschinenfabrik. [16] Deutz начал серийное производство стационарных четырехтактных двигателей с впрыском во впускной коллектор в 1898 году. Grade построил первый двухтактный двигатель с впрыском во впускной коллектор в 1906 году; первые серийные четырехтактные авиационные двигатели с впрыском во впускной коллектор были построены Райтом и Антуанеттой в том же году ( Antoinette 8V ). [17] В 1912 году Bosch оснастил двигатель водного судна самодельным инжекторным насосом, сделанным из масляного насоса, но эта система оказалась ненадежной. В 1920-х годах они попытались использовать инжекторный насос дизельного двигателя в двигателе Отто, работающем на бензине. Однако они не добились успеха. В 1930 году Moto Guzzi построил первый двигатель Отто с впрыском во впускной коллектор для мотоциклов, который в конечном итоге стал первым двигателем наземного транспортного средства с впрыском во впускной коллектор. [18] С 1930-х по 1950-е годы коллекторные системы впрыска не использовались в легковых автомобилях, несмотря на то, что такие системы существовали. Это было связано с тем, что карбюратор оказался более простой и менее дорогой, но достаточной системой смесеобразования, которая пока не нуждалась в замене. [14]
Около 1950 года Daimler-Benz начал разработку системы непосредственного впрыска бензина для своих спортивных автомобилей Mercedes-Benz. Однако для легковых автомобилей система впрыска во впускной коллектор была признана более целесообразной. [14] В конечном итоге легковые автомобили Mercedes-Benz W 128 , W 113 , W 189 и W 112 были оснащены двигателями Otto с впрыском во впускной коллектор. [19] [20]
С 1951 по 1956 год компания FAG Kugelfischer Georg Schäfer & Co. разработала механическую систему впрыска Kugelfischer. [18] Она использовалась во многих легковых автомобилях, таких как Peugeot 404 (1962), Lancia Flavia iniezione (1965), BMW E10 (1969), Ford Capri RS 2600 (1970), BMW E12 (1973), BMW E20 (1973) и BMW E26 (1978). [21]
В 1957 году корпорация Bendix представила Bendix Electrojector , одну из первых систем впрыска с электронным управлением. [22] Bosch построила эту систему по лицензии и продавала ее с 1967 года как D-Jetronic . [21] В 1973 году Bosch представила свои первые самостоятельные системы многоточечного впрыска, электронную L-Jetronic и механическую, безмоторную K-Jetronic . [23] Их полностью цифровая система Motronic была представлена в 1979 году. Она нашла широкое применение в немецких седанах класса люкс. В то же время большинство американских автопроизводителей придерживались электронных систем одноточечного впрыска. [24] В середине 1980-х годов Bosch модернизировала свои не-Motronic системы многоточечного впрыска с помощью цифровых блоков управления двигателем, создав KE-Jetronic и LH-Jetronic. [23] Volkswagen разработал цифровую систему впрыска «Digijet» для своих двигателей с водяным охлаждением «Wasserboxer» , которая в 1985 году превратилась в систему Volkswagen Digifant. [4]
Дешевые одноточечные системы впрыска, работающие как с двух-, так и с трехкомпонентными каталитическими нейтрализаторами, такие как Mono-Jetronic, представленный в 1987 году, [23] позволили автопроизводителям экономично предлагать альтернативу карбюраторам даже в своих экономичных автомобилях, что способствовало широкому распространению систем впрыска в коллектор во всех сегментах рынка легковых автомобилей в 1990-х годах. [25] В 1995 году Mitsubishi представила первый двигатель Отто с непосредственным впрыском бензина для легковых автомобилей, и с тех пор непосредственный впрыск бензина заменяет впрыск в коллектор, но не во всех сегментах рынка; несколько новых двигателей для легковых автомобилей по-прежнему используют многоточечный впрыск. [26]
