Инжекторный двигатель- устройство и принцип работы

Что это

Первым делом следует точно понять, что такое инжекторы на современных автомобилях. Инжекторными автомобильными системами называют современные ДВС, которые оснащаются специальной инжекторной системой для осуществления впрыска топлива. Происходит от слова injection, то есть инъекция или впрыск.

Все современные автомобили оснащаются только инжектором, что стало достойной альтернативой для уже морально и технически устаревших карбюраторных моторов. С их помощью достигается необходимый уровень производительности, экономичности и экологичности.

При выборе нового авто покупателей интересует, что же такое инжекторная машина и для чего в конструкции двигателя нужен инжектор. Это специальная система для подачи внутрь камеры сгорания необходимого количества воздуха и самого топлива, которая существенно отличается от карбюратора, где подача осуществляется самотёком.

Здесь же формируется смесь топлива и кислорода (воздуха), которая впрыскивается в рабочие цилиндры с помощью форсунок. Причём система сама определяет, в каких пропорциях нужно смешивать эти компоненты, опираясь на показания датчиков и контроллеров. Путём распыления, а не самотёка, удаётся значительно сэкономить топливо, повысить эффективность сгорания, снизить объём вырабатываемых выхлопных газов, а также поднять мощность силовой установки.

Дабы разобраться в том, что значит инжекторная машина, её стоит сравнить с карбюраторными аналогами, изучить разновидности имеющихся инжекторных автомобильных систем, а также понять их принцип работы и само устройство.

Про инжекторные моторы

У них есть еще одно название – впрысковые двигатели что, в общем-то, никоим образом не изменяет сути происходящих явлений. По выполняемой работе впрыск напоминает принцип, реализуемый в работе дизеля. В двигатель в нужный момент через форсунки инжектора впрыскивается строго дозированное количество топлива, и оно поджигается искрой со свечи, хотя при работе дизеля свеча не используется.

Как это происходит, можно в деталях увидеть на видео ” alt=””> Подобное устройство мотора позволяет решить те проблемы, которые возникают при работе карбюратора. Использование инжектора обеспечивает по сравнению с карбюраторным вариантом следующие преимущества мотору:

• повышение мощности на 7-10%;
• улучшение показателей топливной экономичности;
• снижение уровня токсичных веществ в составе выхлопных газов;
• обеспечение оптимального количества топлива, зависящее от режима движения автомашины.

Это только основные достоинства, которые позволяет получить инжекторный двигатель. Однако у каждого достоинства есть и свои недостатки. Если карбюраторный мотор чисто механический и его можно отремонтировать практически в любых условиях, то для управления инжекторным требуется сложная электроника и целая система датчиков, из-за чего работы (регламентные и ремонтные) необходимо проводить в условиях сервисного центра.

Схема системы питания

Схема системы питания дизельного двигателя включает в себя основные компоненты, в число которых входят:

• Бак для топлива;
• Фильтры очистки топлива (грубой и тонкой);
• Насос топливный, подкачивающий;
• Насос топливный, создающий высокое давление (ТНВД);
• Форсунки;
• Трубопровод для перекачки топлива под низким давлением;
• Трубопровод высокого давления;
• Фильтр воздушный

Схема топливной системы имеет вспомогательные компоненты, к которым можно отнести электрические насосы, детали выпуска отработанных газов, фильтры очистки от сажи, глушители и т.п. Общее устройство системы питания предполагает деление топливной аппаратуры на две группы:

• Аппаратура, подводящая топливо;
• Аппаратура, подводящая воздух.

Топливная аппаратура дизельных двигателей может иметь различное устройство, система разделённого типа, на сегодняшний день является наиболее распространенной. Для этой системы характерно разделение ТНВД и форсунок на отдельно функционирующие устройства.

Топливо проходит путь по путепроводам высокого и низкого давления. Проверка шлангов подачи топлива является обязательным условием эксплуатации силовой установки.

Хранение, фильтрация и подача к ТНВД происходит при невысоком давлении. После чего, топливный насос поднимает давление в системе для правильного дозирования и подачи порции топлива в камеру сгорания в нужный момент.

Систему питания дизельного мотора обслуживает два насоса:

• Насос, создающий высокое давление;
• Насос, подкачки топлива.

Насос подкачки топлива осуществляет подачу солярки из бака к фильтрам грубой и тонкой очистки и дальше к насосу, создающему высокое давление. Этот путь жидкость проходит с относительно невысоким показателем давления.

Проходя ТНВД, давление топлива нагнетается до высокого уровня. Порядок работы цилиндров определяет подачу рабочей смеси. Насос, создающий высокое давление имеет несколько секций, каждая из которых отвечает за определённый цилиндр двигателя.

Устройство системы питания дизельного двигателя, осуществляющего два такта, может иметь неразделённый тип. Для таких систем применяется специальное устройство, насос-форсунка. Это своего рода объединение топливного насоса, создающего высокое давление и форсунки в один прибор.

Конструктивный принцип работы системы питания дизельного двигателя, получившего наибольшее распространение, предусматривает расположение форсунок в головке блока цилиндров. Основная задача такого расположения, точное распыление топлива в камере сгорания. К ТНВД, поступает большой объём солярки, её излишки отводятся обратно в бензобак по дренажным трубам.

Форсунки могут быть двух типов:

• Закрытого типа;
• Открытого типа.

Более широкое применение имеют форсунки закрытого типа. В устройстве таких форсунок есть специальная запорная игла, которая закрывает отверстие подачи топлива. Поэтому, полость форсунки соединяется с камерой сгорания только при открытии отверстия и впрыске жидкости.

Как работает ДВС

Чтобы ясно понимать различие между двумя типами силовых устройств, необходимо предварительно коснуться того, как вообще работает ДВС. Существует несколько отличающихся типов, из которых самыми распространенными будут:

Принцип работы мотора лучше всего можно понять на примере бензинового двигателя. Самый популярный из них – четырехтактный. Это означает, что весь цикл преобразования энергии, образующейся при сгорании топлива, в механическую осуществляется за четыре такта. Устройство двигателя таково, что последовательность выполнения тактов следующая:

• впуск – заполнение цилиндров топливом:
• сжатие – подготовка топлива к сгоранию;
• рабочий ход – преобразование энергии сгорания в механическую;
• выпуск – удаление продуктов сгорания топлива.

Для обеспечения работы двигателя у каждого из них своя задача. Во время первого такта поршень опускается из верхнего положения до крайнего нижнего, открывается клапан (впускной) и цилиндр начинает заполняться топливно-воздушной смесью. Во втором такте клапана закрыты, а движение поршня происходит от нижнего положения к верхнему, смесь в цилиндре сжимается. Когда он доходит до верхнего положения, на свече проскакивает искра и поджигается смесь.

При ее сгорании образуется повышенное давление, которое заставляет двигаться поршень от верхнего положения к нижнему. После его достижения под действием инерции вращения коленвала поршень начинает двигаться опять вверх, при этом срабатывает выпускной клапан, продукты сгорания топлива выводятся наружу из цилиндра. Когда поршень дойдет до верхнего положения, закрывается выпускной, но зато открывается впускной клапан и весь цикл работы повторяется.

Все описанное выше можно увидеть на видео ” alt=””>

Датчики инжекторного двигателя

Все элементы можно поделить на исполнительные и датчики. 

Датчик массового расхода воздуха (ДМРВ)

Этот элемент устанавливается перед воздушным фильтром, прямо на входе. В основе его работы лежит принцип разницы показаний. Так, через две платиновые нити проходит электричество. В зависимости от температуры их сопротивление меняется. Одна из нитей надежно укрыта от потока воздуха, что делает ее сопротивление неизменным. Вторая же охлаждается потоком, и на основании разницы величин, по тем же таблицам, о которых сказано выше, ЭБУ рассчитывает количество воздуха.

Датчик абсолютного давлении и температуры двигателя (ДАД)

Он используется либо в качестве альтернативы, либо вместе с вышеописанным для более высокой точности снятия показаний. Если вкратце, в нем имеется две камеры, одна из которых герметична и имеет внутри абсолютный вакуум. Вторая же камера подсоединяется к впускному коллектору, где создается разрежение во время такта впуска. Между этими камерами имеется диафрагма, а так же пьезоэлементы. Они вырабатывают напряжение при движении диафрагмы. Далее сигнал идет на ЭБУ.

Датчик положения коленчатого вала (ДПКВ)

Если посмотреть на шкив коленвала инжекторного двигателя, то можно рассмотреть на нем гребенку. Она магнитная. По всему периметру установлены зубцы. Всего их должно быть 60 штук, через каждые 6 градусов. Но двух из них нет, они нужны для синхронизации. Датчик положение коленчатого вала имеет в своем составе намагниченный стальной сердечный, а так же медную обмотку. При прохождении зубцов в обмотке возникает индукционный ток, напряжение которого зависит от скорости вращения шкива.

Датчик фаз (ДФ)

Не все двигатели им оснащались раньше, но сейчас его можно встретить практически везде. Он работает по принципу датчика Холла, то есть имеет диск с катушкой, а так же прорезь. Как только прорезь попадает на датчик, выходное напряжение на нем нулевое. Этот момент означает верхнюю мертвую точку такта сжатия первого цилиндра. Нужно это для того, чтобы ЭБУ мог генерировать напряжение для зажигания в нужном цилиндре, а так же контролировать такты. Чтобы, например, форсунка не открылась во время рабочего хода.

Датчик детонации

Он устанавливается на блоке цилиндров инжекторного двигателя. Как только в двигателе возникает детонация, по блоку передается вибрация. Датчик представляет собой пьезоэлемент, который генерирует напряжение, чем сильнее вибрации, тем выше напряжение. Соответственно, ЭБУ на основании его показаний корректирует момент зажигания. Но об этом позже.

Датчик положения дроссельной заслонки (ДПДЗ)

По сути своей, это обычный потенциометр. Опорное напряжение на нем, как правило, составляет 5 вольт. Так вот, в зависимости от того, на какой угол отклоняется дроссельная заслонка, меняется напряжение на контрольном выводе. Все просто.

Датчик температуры охлаждающей жидкости (ДТОЖ)

Этот датчик нужен для определения температуры двигателя. Если на карбюраторном двигателе он нужен просто для включения и выключения электровентилятора, то здесь он представляет собой более сложное устройство. Это термосопротивление, величина которого меняется в зависимости от температуры. Соответственно, меняется и напряжение, при прохождении через него.

Датчик кислорода

Он устанавливается в выхлопной системе, существуют системы с двумя датчиками. Его задача – отслеживать количество свободного кислорода в выхлопных газах. Например, если его слишком много, то это значит, что смесь вся не сгорает, а значит, надо обогатить. Если же кислорода меньше, чем значится в нормативных таблицах ЭБУ, то ее надо обеднить.

Режимы работы

Сейчас можно встретить восемь режимов работы силового агрегата:

1. При холодном пуске топливная смесь очень сильно обедняется. Это случается из-за того, что топливо очень плохо смешивается с воздухом. В результате не происходит того испарения, которое нужно. Такой способ работы двигателя очень сильно вредит деталям. То есть большое количество топлива оседает на стенках цилиндра и выпускных труб;
2. Если вы заводите авто при низкой температуре, то на начальном этапе требуется очень обогащенная смесь. Для этого нужно подавать большее количество топлива, пока температура в камере сгорания не повысится до нужного значения;
3. После пуска идет процесс прогрева инжекторного двигателя. Вы знаете, что во время пуска в мороз смесь очень бедная, образуется некая топливная пленка в выпускной трубе. Она исчезает только после достижения очень высокой температуры. В связи с этим топливную смесь нужно очень сильно обогащать;
4. При частичной нагрузке необходимо поддерживать определенный состав топливовоздушной смеси. Если двигатель инжекторный не оснащен нейтрализатором, то обогащенность должна быть в пределах 1,05 – 1,2;
5. При полной нагрузке дроссельная заслонка полностью открыта. Поступает большое количество воздуха, что очень хорошо. В этом режиме достигается максимальная мощность и крутящий момент;
6. Во время ускорения заслона то открывается, то закрывается. В результате этого смесь кратковременно обедняется и происходит ограничение подачи топлива. Для предотвращения такого явления обогащение должно быть меньше 1;
7. В холостом режиме происходит замедление, автомобиль двигается по инерции. В этом случае подача топлива полностью перекрывается;
8. Если происходит увеличение высоты, то плотность воздуха уменьшается. Из этого следует, что двигаться в горах очень сложно, топливная смесь будет очень обогащена. Это может привести к трудному пуску силового агрегата и увеличению расхода топлива.

Как работает инжектор

Устройство впрыска топлива (Fuel Injection System) на самом деле более примитивно, чем у карбюратора, являющегося средоточием сложнейших систем, подчиняющихся законам истечения жидкости. Фактически здесь один рабочий элемент — это инжектор или форсунка, что одно и то же.

Форсунка имеет всего два состояния: открыто и закрыто. Открывается она с помощью встроенного электромагнита, закрывается пружиной. Количество подаваемого топлива определяется продолжительностью включения. Бензин подается насосом из бака в общую магистраль (топливную рампу), от которой запитаны инжекторные форсунки.

Для поддержания постоянного давления на рампе имеется клапан, сбрасывающий излишки топлива обратно в бак. Существует несколько вариантов подключения форсунок:

• Одноточечный (моновпрыск).
• Многоточечный (распределенный). Разделяется на параллельный (одновременный), попарно-параллельный и фазированный.
• Прямой или непосредственный впрыск.

Управляет работой инжекторов электронный блок управления (ЭБУ). В его памяти «зашита» микропрограмма, выдающая команды различным исполнительным механизмам двигателя, среди которых и электромагниты форсунок.

Величина подачи бензина регулируется согласно многочисленным параметрам: нагрузке, температуре двигателя, составу выхлопных газов и так далее. Момент впрыска задается датчиками: положения коленвала (ДПКВ), распредвала (датчик Холла), дроссельной заслонки (ДПДЗ) и корректируется в соответствии с условиями движения.

В чём особенности устройства?

Изучение конструкции позволит подробнее разобраться, как работает инжекторный двигатель. Компоненты, характерные для этого типа:

• Блок электронного управления (ЭБУ);
• Регулятор давления;
• Форсунки;
• Бензонасос;
• Датчики.

Взаимодействие перечисленного: датчики получают данные о состоянии механики или процессах, их обрабатывает процессор и передает управляющие команды. Форсункам выделяется ограниченный заряд, который их открывает. Результат — смесь из топливного отдела попадает в отсек впускного коллектора.

Чтобы схема этого процесса стала более понятной, проведем краткий экскурс по устройству некоторых узлов, из которых состоит двигатель инжектор.

Чем отличается инжектор от карбюратора

Принцип, по которому карбюратор подает смесь бензина с кислородом в камеры сгорания двигателя, – разница в давлении. Принудительного впрыска здесь нет, и топливоподача происходит с помощью всасывания топлива. Значит, часть мощности силового агрегата тратится на этот процесс.

Количество воздуха в топливной смеси автоматически не регулируется. Карбюратор настраивается механическим путем еще до поездки, и эта настройка универсальная. Но в этом есть некоторые недостатки. Двигатель в определенные моменты способен получать от карбюратора больше топлива, чем он может переработать. В итоге часть бензина не сгорает, а выходит вместе с выхлопными газами, что наносит вред окружающей среде и не экономит топливо.

В случае же с инжектором происходит принудительная подача топлива в камеры сгорания при помощи форсунок, а количество бензина регулируется электроникой, которая и отвечает за приготовление топливовоздушной смеси.

Выхлоп инжекторного автомобиля менее токсичен, не так вреден для окружающей среды, как карбюраторный, потому что в нем меньше несгоревшего бензина.

В этом и заключаются отличия системы питания карбюраторного двигателя от инжекторного. Теперь перейдем к вопросу «что лучше» не для экологии, а для водителя и автомобиля.

Ещё кое-что полезное для Вас:

• Что такое объем двигателя автомобиля?
• Устройство, виды и назначение фильтра тонкой очистки топлива
• Датчик коленвала: признаки неисправности

 Плюсы двигателя с инжекторной топливоподачей

1. Если допустить, что остальные устройства в двух автомобилях идентичны и различны только способы подачи топлива, то большая мощность остается у инжекторного мотора. Разница в лошадиных силах между карбюраторным и инжекторным ДВС может составлять 10%. Эти отличия достигаются за счет другого впускного коллектора, точно выставляемого в каждый момент угла опережения зажигания, и другого способа подачи топлива.
2. Инжекторные моторы, по сравнению с карбюраторными аналогами, отличаются топливной экономичностью за счет точной дозированной подачи бензина. При таком способе 100% бензина сгорает в камерах двигателя, превращая тепловую энергию в механическую.
3. Основная причина перехода всех мировых автопроизводителей на инжекторную систему –  экологичность. Карбюраторные выхлопы более токсичны.
4. В морозную погоду инжекторный двигатель не нуждается в дополнительном прогреве перед запуском.
5. Инжекторы намного надежнее карбюраторов, их выход из строя встречается реже, по сравнению с неисправностями карбюраторов.
6. Инжекторные двигатели не имеют катушку-трамблер. Эта деталь часто выходит из строя на машинах с карбюраторной топливоподачей.

Минусы инжекторов

1. Хоть инжектор надежен, но он выходит из строя. А для его диагностики и последующего ремонта необходимо специализированное оборудование.  Ремонт в условиях «гаража» невозможен, для этого нужен опыт и квалификация. Ремонт этого устройства на СТО, как и обслуживание с профилактикой – работа дорогостоящая.
2. Инжектор требует только качественного топлива. Если топливо содержит некоторое количество механических примесей, то нормальная его работа затруднена. Он быстро засорится и выйдет из строя. А чистка и ремонт стоят недешево.
3. Следующий недостаток касается двигателей, на которые вместо карбюратора установили инжектор. В результате доработки повысится количество сгораемого в двигателе топлива, что повышает его рабочую температуру. Это чревато возможным перегревом ДВС со всеми вытекающими последствиями.

Плюсы карбюраторных систем

1. В плане обслуживания карбюраторы считаются простыми устройствами. Для их ремонта не нужно специализированное оборудование и инструмент. Все необходимое для этого найдёте в гараже.
2. Стоимость деталей – невысока. В случае невозможности ремонта можно купить новый карбюратор. По сравнению с инжектором его стоимость низкая.
3. Карбюратор не требует высокого качества топлива. Он нормально работает на бензине с низким октановым числом. Небольшое количество механических примесей несильно затруднит его работу. Максимум – забьются жиклеры.

Минусы карбюраторов

Недостатков у карбюраторных систем намного больше, чем достоинств, и поэтому существует тенденция на их замещение инжекторами.

1. Автомобиль, двигатель которого оснащен карбюратором, потребляет больше бензина, чем инжекторный аналог. Причем излишнее потребление топлива не переходит в дополнительную мощность. Топливо не догорает и выбрасывается в атмосферу;
2. Карбюратор не любит перепадов температур. Он чувствителен и к повышенной, и к пониженной температуре окружающей среды. Зимой его детали примерзают друг к другу. Это происходит из-за образования внутри него конденсата;
3. Низкая экологичность.

Принцип работы инжектора и его конструкция

Думаю что будет лучше всего, если мы рассмотрим принцип работы инжектора на распределенной системе впрыска, так как именно она установлена на большинстве автомобилей и считается одной из самых удачных и распространенных.

Для удобства предлагаю разделить систему подачи топлива на две основные составляющие – электронную и механическую. Роль механической системы достаточно простая – обеспечение непрерывной и дозированной подачи топлива в цилиндры. А вот управление и контроль системы производится электроникой.

Механическая часть

Механическая составляющая инжекторной системы включает в себя следующие компоненты:

• бензонасос (электрический);
• топливный бак;
• фильтр очистки бензина;
• топливную рампу;
• топливопроводы высокого давления;
• форсунки;
• дроссельный узел;
• воздушный фильтр.

Этот список составляющих не исчерпывающий. В зависимости от конструктивных особенностей двигателя и системы управления в механическую часть могут включатся и другие элементы. Приведенный выше список является списком обязательных элементов для любого двигателя.

https://www.youtube.com/watch?v=XhSyHJkh4xg

Принцип работы

Теперь давайте рассмотрим зачем все эти составляющие нужны и какую работу выполняет каждая из них. Думаю все и так знают, что топливный бак это емкость для бензина. Электрический бензонасос, который расположен в баке, обеспечивает непрерывную подачу топлива под давлением.

После чего топливо попадает в фильтр, где очищается от примесей и прочего мусора. Топлипроводы высокого давления позволяют бензину беспрепятственно двигаться по системе подачи топлива.

Регулятор давления не позволяет достигать критической отметки давления во всей системе. Через регулятор топливо попадает в топливную рамку, которая подводит его к форсункам. Форсунки расположены во впускном коллекторе.

Несколько лет назад форсунки срабатывали под давлением топлива и их конструкция была полностью механической. Тут принцип работы достаточно прост – бензин оказывает давление на пружину форсунки и открывает её, а уже через неё и впрыскивается в цилиндры.

Сейчас на большинстве автомобилей устанавливают электромагнитные форсунки. Основной составляющей, которой являются обычный якорь и обмотка. Канал подачи топлива открывается благодаря получению сигнала от электронной системы управления.

С обратной стороны в систему принудительно подается воздух, через воздушный фильтр. Дроссельный узел с заслонкой располагается в патрубке по которому идет воздух. Когда водитель нажимает на педаль газа, он воздействует на заслонку. Но водитель осуществляет контроль только над воздухом, который подается в цилиндр, топливо регулирует электронная система управления.

Электронная часть

Блок памяти и контролер являются основными составляющими в электронной системе управления, которая в свою очередь выполняет роль основы электронной части инжекторной системы. Блок управления осуществляет контроль над системой подачи топлива благодаря целому ряду датчиков, которые входят в конструкцию инжектора.

Основные датчики, которые дают электронному блоку управления информацию о работе топливной системы являются:

1. Лямбда-зонд. Задача этого датчика определение остатков воздуха в выхлопных газах. На основе получаемых данных блок управления регулирует подачу воздуха в топливную смесь.
2. Датчик массового расхода воздуха. Задачей этого датчика является определение объема воздуха, который проходит через дроссельную заслонку. Обычно этот датчик устанавливается внутри корпуса воздушного фильтра.
3. Датчик положения дроссельной заслонки. Подача сигнала о положении педали газа – вот основное предназначение данного датчика.
4. Датчик температуры силовой установки. В зависимости от температуры мотора, о которой сообщает этот датчик, блок управления регулирует топливную смесь.
5. Датчик положения коленчатого вала. Этот датчик ответственный за выбор цилиндра в который нужно подать топливо и время подачи искры.
6. Датчик детонации. Располагается в блоке цилиндров и предназначен для выявления и устранения детонаций.
7. Датчик скорости. Создает импульсы, благодаря которым рассчитывается скорость движения автомобиля. Корректируется топливная смесь, опираясь на показания от него.
8. Датчик фаз. Он определяет угловое расположение распредвала.

Система управления инжектора

Системы, координирующие действия каждой отдельной форсунки- инжектора двигателя, бывают как механическими, так и электронными. Собственно, первые массовые системы впрыска на легковых автомобилях появились в пятидесятых годах двадцатого века и довольно долгое время были исключительно механическими (как, например, целое семейство систем Bosch D-Jetronic).

Но по-настоящему эпоха инжекторного впрыска началась только с распространением микроконтроллеров — стоимость их разработки, производства и настройки гораздо ниже в сравнении с аналогичными процессами для механических систем с теми же функциональными возможностями.

Сегодня система управления инжекторным двигателем далеко ушла от алгоритмов работы первых механических систем. Соблазн относительно недорого использовать возможность оперативного изменения дозировки и времени подачи топлива на каждый отдельный инжектор двигателя (форсунку – ведь именно так переводится слово «инжектор») сделал своё – микроконтроллер сейчас собирает данные со множества дополнительных датчиков (от температурных и ДМРВ(Датчик Массового Расхода Воздуха) до датчиков включения кондиционера и отслеживания неровностей дороги). В зависимости от результата анализа этих данных контроллер выдаёт указания целому ряду устройств помимо, собственно, связки «бензонасос-инжектор» — системе зажигания, регулятору холостого хода, системе охлаждения и тому же кондиционеру.

Лучшие инструкторы по вождению: