Впрыск топлива — это введение топлива в двигатель внутреннего сгорания , чаще всего автомобильный , с помощью топливного инжектора. В этой 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 (т. е. бензиновые двигатели , такие как Отто или Ванкель ) используют впрыск топлива того или иного вида. Дизельные двигатели массового производства для легковых автомобилей (например, Mercedes-Benz OM 138 ) стали доступны в конце 1930-х и начале 1940-х годов, став первыми двигателями с впрыском топлива для легковых автомобилей. [1] В бензиновых двигателях легковых автомобилей впрыск топлива был введен в начале 1950-х годов и постепенно приобретал распространение, пока в значительной степени не заменил карбюраторы к началу 1990-х годов. [2] 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 основана на всасывании, создаваемом всасываемым воздухом, ускоряемым через трубку Вентури, чтобы втянуть топливо в воздушный поток.
Термин «впрыск топлива» является расплывчатым и включает в себя различные отдельные системы с принципиально разными принципами функционирования. Как правило, единственное, что есть общего у всех систем впрыска топлива, — это отсутствие карбюрации . Существует два основных принципа функционирования систем смесеобразования для двигателей внутреннего сгорания: внутреннее смесеобразование и внешнее смесеобразование. Система впрыска топлива, использующая внешнее смесеобразование, называется системой впрыска с коллектором . Существует два типа систем впрыска с коллектором: многоточечный впрыск (или впрыск во впускной канал) и одноточечный впрыск (или впрыск через дроссельную заслонку ). Системы внутреннего 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 нагнетания давления топлива, например, топливный насос.
Система должна определять необходимое количество подаваемого топлива и контролировать его расход для подачи этого количества.
Несколько ранних механических систем впрыска использовали относительно сложные инжекторные насосы с винтовым управлением, которые как дозировали топливо, так и создавали давление впрыска. С 1980-х годов электронные системы использовались для управления дозированием топлива. Более поздние системы используют электронный блок управления двигателем , который дозирует топливо, управляет моментом зажигания и контролирует различные другие функции двигателя.
Топливный инжектор фактически является распылительной форсункой , которая выполняет конечную стадию подачи топлива в двигатель. Инжектор расположен в камере сгорания , впускном коллекторе или - реже - в корпусе дроссельной заслонки .
Топливные форсунки, которые также управляют дозированием, называются «инжекторными клапанами», а форсунки, которые выполняют все три функции, называются насос-форсунками .
Прямой впрыск означает, что топливо впрыскивается в основную камеру сгорания каждого цилиндра. [3] Воздух и топливо смешиваются только внутри камеры сгорания. Поэтому во время такта впуска в двигатель всасывается только воздух. Схема впрыска всегда прерывистая (либо последовательная, либо поцилиндровая).
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. Прямой впрыск может быть достигнут с помощью обычного спирального инжекторного насоса, насос-форсунок или сложной системы впрыска Common Rail. Последняя является наиболее распространенной системой в современных автомобильных двигателях.
В 20 веке большинство бензиновых двигателей использовали либо карбюратор , либо непрямой впрыск топлива. Использование непосредственного впрыска в бензиновых двигателях стало 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 в инжекторы, 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 соленоидным управлением . [5] Дизельные двигатели Common Rail третьего поколения используют пьезоэлектрические инжекторы для повышения точности, с давлением топлива до 300 МПа или 44 000 фунтов на квадратный дюйм . [6]
Типы систем Common Rail включают в себя впрыск с воздушным управлением [7] и впрыск с распылительным управлением [7] .
Эти системы, используемые в дизельных двигателях, включают в себя:
Этот метод впрыска ранее использовался во многих дизельных двигателях. Типы систем включают:
Система M , 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 непосредственного впрыска, которые распыляют топливо в середину камеры.
Системы впрыска во впускной коллектор распространены в бензиновых двигателях, таких как двигатель Отто и двигатель Ванкеля . В системе впрыска во впускной коллектор воздух и топливо смешиваются вне камеры сгорания, так что смесь воздуха и топлива всасывается в двигатель. Основными типами систем впрыска во впускной коллектор являются многоточечный впрыск и одноточечный впрыск .
Эти системы используют либо непрерывный впрыск , либо прерывистый впрыск . [13] В системе непрерывного впрыска топливо постоянно поступает из топливных инжекторов, но с переменной скоростью потока. 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 впрыск синхронизирован с тактом впуска каждого цилиндра; пакетными , в которых топливо впрыскивается в цилиндры группами, без точной синхронизации с тактом впуска какого-либо конкретного цилиндра; одновременными , в которых топливо впрыскивается одновременно во все цилиндры; или индивидуальными для каждого цилиндра , в которых блок управления двигателем может регулировать впрыск для каждого цилиндра индивидуально. [13]
Многоточечный впрыск (также называемый «впрыском во впускные каналы») впрыскивает топливо во впускные каналы непосредственно перед впускным клапаном каждого цилиндра , а не в центральную точку впускного коллектора. [14] Обычно системы многоточечного впрыска используют несколько топливных форсунок, [15] но некоторые системы, такие как система впрыска во впускные каналы GM, используют трубки с тарельчатыми клапанами, питаемыми центральным инжектором вместо нескольких инжекторов. [16]
Одноточечный впрыск (также называемый «впрыском в дроссельную заслонку») [17] использует одну форсунку в корпусе дроссельной заслонки , установленном аналогично карбюратору на впускном коллекторе . Как и в карбюраторной индукционной системе, топливо смешивается с воздухом перед поступлением во впускной коллектор. [15] 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 рывков двигателя), чем можно было бы получить с карбюратором. Многие из вспомогательных компонентов карбюратора, такие как воздушный фильтр, впускной коллектор и маршрутизация топливной магистрали, могли использоваться с небольшими изменениями или вообще без них. Это отложило затраты на перепроектирование 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 США двигатель G10, установленный на Chevrolet Metro 2000 года, стал последним двигателем, доступным для автомобилей, продаваемых в Америке, в котором использовался впрыск через дроссельную заслонку.
В дизельных двигателях с непрямым впрыском (а также двигателях Akroyd) есть две камеры сгорания: основная камера сгорания и предкамера ( также называемая антекамерой) [18] , которая соединена с основной. Топливо впрыскивается только в предкамеру (где оно начинает гореть), а не напрямую в основную камеру сгорания. Поэтому этот принцип называется непрямым впрыском. Существует несколько немного отличающихся систем непрямого впрыска, которые имеют схожие характеристики. [19]
Типы непрямого впрыска, используемые в дизельных двигателях, включают в себя:
В 1872 году Джордж Бейли Брайтон получил патент на двигатель внутреннего сгорания, который использовал пневматическую систему впрыска топлива, также изобретенную Брайтоном: впрыск воздуха струей . [21] : 413 В 1894 году Рудольф Дизель скопировал систему впрыска воздуха Брайтона для дизельного двигателя, но также улучшил ее. [22] : 414 Он увеличил давление воздуха струей с 4–5 кПа/см 2 (390–490 кПа) до 65 кПа/см 2 (6400 кПа). [23] : 415 Тем временем, первая система впрыска коллектора была разработана Йоханнесом Шпилем в 1884 году во время работы на Hallesche Maschinenfabrik в Германии. [24]
В 1891 году британский двигатель Herbert-Akroyd Oil стал первым двигателем, использовавшим систему впрыска топлива под давлением. [25] [26] Эта конструкция, называемая двигателем с горячим баллоном, использовала «рывковый насос» для подачи топлива под высоким давлением в инжектор. Еще одной разработкой в ранних дизельных двигателях была камера предварительного сгорания, которая была изобретена в 1919 году Проспером Л'Оранжем [27] для того, чтобы избежать недостатков систем впрыска с воздушным дутьем. Камера предварительного сгорания сделала возможным производство двигателей в размерах, подходящих для автомобилей, и MAN Truck & Bus представила первый дизельный двигатель с прямым впрыском для грузовиков в 1924 году. [20] Насосы для впрыска дизельного топлива более высокого давления были представлены Bosch в 1927 году.
В 1898 году немецкая компания Deutz AG начала производство четырехтактных бензиновых стационарных двигателей [28] с впрыском во впускной коллектор. [ требуется ссылка ] Авиационный двигатель Antoinette 8V 1906 года (первый в мире двигатель V8) был еще одним ранним четырехтактным двигателем, который использовал впрыск во впускной 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, использовавшим непосредственный впрыск, был двигатель Hesselman 1925 года , разработанный шведским инженером Йонасом Хессельманом. [30] [31] Этот двигатель мог работать на различных видах топлива (таких как масло, керосин, бензин или дизельное топливо) [32] и использовал принцип послойного заряда , при котором топливо впрыскивалось ближе к концу такта сжатия, а затем воспламенялось с помощью свечи зажигания .
Дизельный двигатель Cummins Model H для грузовиков был представлен в Америке в 1933 году. [33] В 1936 году дизельный двигатель Mercedes-Benz OM 138 (использующий предкамеру) стал одним из первых двигателей с впрыском топлива, используемых в легковых автомобилях массового производства. [ 34]
Во время Второй мировой войны несколько бензиновых двигателей для самолетов использовали системы непосредственного впрыска, такие как европейские Junkers Jumo 210 , Daimler-Benz DB 601 , BMW 801 и Швецов АШ-82ФН (М-82ФН) . Немецкие системы непосредственного впрыска были основаны на системах впрыска дизельного топлива, используемых Bosch, Deckel, Junkers и l'Orange. [35] Примерно к 1943 году Rolls-Royce Merlin и Wright R-3350 перешли с традиционных карбюраторов на впрыск топлива (называемые в то время «карбюраторами давления»), однако эти двигатели использовали впрыск через коллектор дроссельной заслонки, а не системы непосредственного впрыска немецких двигателей. С 1940 года двигатель Mitsubishi Kinsei 60 серии использовал систему непосредственного впрыска, как и родственный двигатель Mitsubishi Kasei с 1941 года. В 1943 году система впрыска топлива низкого давления была добавлена к радиальному двигателю Nakajima Homare Model 23. [36]
Первая система непосредственного впрыска бензина массового производства была разработана Bosch и первоначально использовалась в небольших автомобильных двухтактных бензиновых двигателях. Представленная в малолитражном автомобиле Goliath GP700 1950 года , она также была добавлена в двигатель Gutbrod Superior в 1952 году. Эта механически управляемая система по сути представляла собой специально смазанный дизельный насос непосредственного впрыска высокого давления того типа, который управляется вакуумом за впускным дросселем. [37] Механическая система непосредственного впрыска Bosch также использовалась в рядном восьмицилиндровом двигателе, используемом в гоночном автомобиле Формулы-1 Mercedes-Benz W196 1954 года . Первый четырехтактный бензиновый двигатель с непосредственным впрыском для легкового автомобиля был выпущен в следующем году в спортивном автомобиле Mercedes-Benz 300SL . [38] Однако двигатель испытывал проблемы со смазкой из-за разбавления моторного масла бензином, [39] [40] и последующие двигатели Mercedes-Benz перешли на конструкцию впрыска во впускной коллектор. Аналогично, большинство систем впрыска бензина до 2000-х годов использовали менее дорогую конструкцию впрыска через коллектор.
В течение 1950-х годов несколько производителей представили свои системы впрыска во впускной коллектор для бензиновых двигателей. Lucas Industries начала разрабатывать систему впрыска топлива в 1941 году, и к 1956 году она использовалась в гоночных автомобилях Jaguar. [41] В 1957 году на гонке 24 часа Ле-Мана автомобили, занявшие 1-е и 4-е места, были представлены автомобилями Jaguar D-Type , использующими систему впрыска топлива Lucas. [42] 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 производили Hilborn , [43] SPICA [44] и Kugelfischer .
До этого времени системы впрыска топлива использовали механическую систему управления. В 1957 году была представлена американская система Bendix Electrojector , которая использовала аналоговую электронику для системы управления. Electrojector предназначался для среднеразмерного автомобиля Rambler Rebel , однако проблемы с надежностью привели к тому, что опция впрыска топлива не была предложена. [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 использовалась система электронного впрыска топлива (EFI). [50]
Патенты Electrojector впоследствии были проданы Bosch, который переработал Electrojector в Bosch D-Jetronic . [51] D-Jetronic производился с 1967 по 1976 год и впервые использовался на VW 1600TL/E . Система представляла собой систему скорости/плотности, которая использовала скорость двигателя и плотность воздуха во впускном коллекторе для расчета количества впрыскиваемого топлива. В 1974 году Bosch представила систему K-Jetronic , которая использовала непрерывный поток топлива из инжекторов (а не импульсный поток системы D-Jetronic). K-Jetronic была механической системой впрыска, использующей плунжер, приводимый в действие давлением во впускном коллекторе, который затем контролировал поток топлива к инжекторам. [52]
Также в 1974 году Bosch представила систему L-Jetronic , систему импульсного потока, которая использовала расходомер воздуха для расчета необходимого количества топлива. L-Jetronic была широко принята на европейских автомобилях в 1970-х и 1980-х годах. Как система, которая использует электронно-управляемые топливные инжекторы, которые открываются и закрываются для управления количеством топлива, поступающего в двигатель, система L-Jetronic использует те же основные принципы, что и современные системы электронного впрыска топлива (EFI).
До 1979 года электроника в системах впрыска топлива использовала аналоговую электронику для системы управления. Многоточечная система впрыска топлива Bosch Motronic (также одна из первых систем, где система зажигания управляется тем же устройством, что и система впрыска топлива) была первой серийно выпускаемой системой, использующей цифровую электронику . Одноточечная система впрыска топлива Ford EEC-III , представленная в 1980 году, была еще одной ранней цифровой системой впрыска топлива. [53] [54] Эти и другие электронные системы впрыска во впускной коллектор (использующие либо впрыск во впускной канал, либо впрыск через дроссельную заслонку) стали более распространенными в 1980-х годах, и к началу 1990-х годов они заменили карбюраторы в большинстве новых автомобилей с бензиновым двигателем, продаваемых в развитых странах.
Вышеупомянутые системы впрыска для бензиновых двигателей легковых автомобилей - за исключением Mercedes-Benz 300 SL 1954-1959 годов - все использовали впрыск во впускной коллектор (т. е. инжекторы, расположенные во впускных отверстиях или корпусе дроссельной заслонки, а не внутри камеры сгорания). Это начало 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 [ сломанный якорь ] , [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 инжекторами во впускном коллекторе для каждого цилиндра). Аналогично, многие современные дизельные двигатели используют конструкцию Common Rail.
В начале 2000-х годов система послойного впрыска заряда использовалась в нескольких бензиновых двигателях, например, в двигателе Volkswagen 1.4 FSI, представленном в 2000 году. Однако к концу 2010-х годов системы послойного впрыска заряда практически перестали использоваться из-за увеличения выбросов выхлопных газов и твердых частиц NOx, а также из-за возросшей стоимости и сложности систем.
