Исследование процесса технической эксплуатации топливных форсунок системы распределённого впрыска

Как известно, при сгорании бензина в двигателе в атмосферу  выбрасывается множество вредных  для человека и окружающей среды  веществ и соединений. Регламентируется пока (к счастью для автопроизводителей и к несчастью для всех остальных) выброс только трех компонентов выхлопа: окиси углерода (CO), углеводородов (НС) и окислов азота (NOx). Снизить их содержание можно совершенствованием двигателя, оптимизацией процесса сгорания топлива, а также установкой в системе выпуска специальных трехкомпонентных (по числу регламентируемых компонентов выхлопа) каталитических нейтрализаторов отработавших газов. Без них выполнить современные, а тем более планируемые в недалеком будущем нормы по токсичности выхлопа невозможно. А применение катализатора обязательно влечет за собой комплектацию автомобиля системой впрыска топлива.

Массовое внедрение каталитических устройств в системе выпуска  отработавших газов и, соответственно, систем впрыска топлива началось в США, где нормы на чистоту  выхлопа становились более жесткими, чем в Европе. Уже с 1980 года европейские  производители автомобилей были вынуждены поставлять свою продукцию  в США с системами впрыска, в то время как на местные рынки  по-прежнему шли автомобили с карбюраторными системами питания.

Разработанные к середине 80-х годов трехкомпонентные катализаторы предназначались для нейтрализации  продуктов, образующихся при сжигании в двигателе т. н. нормальной топливо-воздушной смеси (весовое соотношение бензин/воздух 1/14,7).

Любое отклонение состава  смеси от указанного приводило к  падению эффективности работы катализатора и увеличению токсичности выхлопа.

Поддержание нужного состава  смеси на различных режимах работы двигателя при наличии массы  возмущающих факторов возлагалось  на систему впрыска. Для карбюраторов, даже оснащенных электронным управлением, это была совершенно непосильная  задача. Да и упрощенные системы  впрыска, например, К-Jetronic или KE-модификация тоже не могли решить ее полностью.

Выход был найден следующий. В систему впрыска ввели обратную связь - в выпускную систему, непосредственно  перед катализатором, поставили  датчик содержания кислорода в выхлопных  газах, т. н. лямбда-сенсор. По сигналам этого датчика компьютер системы  управления регулировал подачу топлива  в двигатель, точно выдерживая нужный состав смеси.

Трехкомпонентный катализатор  в сочетании со снабженной лямбда-сенсором системой впрыска работал весьма эффективно - с точки зрения экологов. Но для конструкторов автомобильных двигателей такая схема обернулась серьезной проблемой - дело в том, что максимальная экономичность двигателя достигается при работе на обедненной или даже переобедненной смеси (отношение бензин/воздух 1/25), и конструкторами уже была проделана немалая работа по созданию именно таких двигателей. Однако на обедненных смесях катализатор работает плохо.  

За чистоту выхлопа, достигнутую  в результате внедрения катализаторов, пока приходится расплачиваться некоторым  увеличением расхода топлива  по сравнению с результатами, которых  удалось добиться к середине 80-х  годов на двигателях без катализаторов.

Но увеличение расхода  топлива приводит к увеличению общего количества выбросов в атмосферу, пусть  даже и более чистых. Круг замыкается. Решение - за экологами, экономистами и  политиками.

Тенденция работать на переобедненных смесях, по-видимому, сохранится. Потребуются, конечно, новые катализаторы, способные работать с такими смесями, а сокращение расхода топлива будет достигаться за счет дальнейшего совершенствования и усложнения систем управления двигателем: в конце концов принцип "Максимально достижимой технологии" - это получение наилучших результатов вне зависимости от сложности и стоимости технических решений.

Приверженность переобедненным смесям демонстрируют японские конструкторы. Первый двигатель такого типа Toyota выпустила на рынок в 1984 году. Соотношение бензин/воздух 1/25, многоточечный впрыск, мощная система зажигания, 2 впускных клапана/цилиндр, в системе управления двигателем - дополнительный датчик состава смеси или давления в камере сгорания. Экономия топлива 8 - 10%.

Похожие двигатели в 1991 году выпустили Mitsubishi и Honda, в 1994 году о завершении аналогичной разработки объявил Nissan. Одна из проблем в таких конструкциях - необходимость повышения турбуленции, или завихрения топливо-воздушной смеси в камере сгорания. Завихрение может происходить по-разному - swirl или tumble - как в стиральных машинах с вертикально или горизонтально расположенной осью барабана. В двигателях Toyota и Nissan для завихрения смеси в одном из двух воздушных впускных патрубков каждого цилиндра применен специальный клапан - swirl control valve. Honda для этих целей использует различающееся на 1 мм по высоте приоткрытие впускных клапанов каждого цилиндра,

Mitsubishi - особую конфигурацию впускных патрубков в сочетании с формой днища поршня.

Пока все созданные  двигатели имеют относительно небольшой (до 2,0 литра) объем, который можно  будет увеличить лишь после создания катализаторов, хорошо работающих с  переобедненными смесями. Определенный прогресс в этом направлении уже достигнут. Toyota, кроме того, небезуспешно экспериментирует с системой из двух датчиков кислорода в выпускной системе, один из которых установлен до катализатора, а второй после. Исследуется метод электроподогрева катализатора для улучшения его работы при пуске холодного двигателя. FIAT предлагает использование двух каталитических нейтрализаторов, один из которых установлен близко к выпускному коллектору и способен работать при более высокой температуре.

1.8 Выводы о системах  впрыска

Многие до сих пор настороженно относятся к автомобилям, оснащенным системами впрыска топлива. Напрасно. Во-первых, карбюраторные двигатели  все равно постепенно отходят в прошлое и волей-неволей к впрыску придется привыкать. Во-вторых, с точки зрения эксплуатации системы впрыска гораздо надежнее карбюраторов, требующих постоянной чистки и регулировки. О выигрыше с точки зрения ходовых качеств автомобиля можно не говорить. И о зимнем запуске двигателя тоже. И о многом другом. Но, конечно, неприятности тоже случаются.

В первую очередь, заправка этилированным бензином. Его продажа  в Москве запрещена, но кто не попадал  в ситуацию, когда заправляться приходится за городом? А в других городах? Одной  заправки этилированным бензином с  гарантией хватает на то, чтобы  вывести из строя катализатор. Можно, конечно, не думать об окружающей среде, но от содержащегося в этилированном  бензине тетраэтилсвинца страдает не только катализатор - из строя выходит  и датчик кислорода, лямбда-сенсор. Это уже хуже, поскольку нарушается управление двигателем. А это потеря мощности и другие прелести.

Бывают и курьезные  случаи. Один человек за городом  оборвал глушитель. Где-то в самой  передней части. Грохочет машина, естественно, жутко. И не едет совсем. Сначала  думал, что дело в психологии - не хотелось сильно шуметь. Превозмог  себя, нажал на газ как следует - все равно не едет, вернее едет, но плохо. Потом только в гараже разобрался - глушитель оборван перед самым цилиндром с катализатором, датчик кислорода торчит наружу. Естественно, сигнализирует, что кислорода много. Умный компьютер понял - подаваемая в двигатель смесь слишком бедная. И обогатил ее до отказа. С соответствующей потерей мощности двигателя.

Другой пример - добыл  себе человек Land Rover. Летом все было нормально, но как только чуть похолодало, начались проблемы. Когда разобрались, выяснилось, что человек из экономических соображений немного схитрил - купил машину по случаю, в исполнении для жарких стран. Естественно, компьютер был запрограммирован на совершенно другой температурный диапазон. Пришлось ставить новый. Этим и закончилась экономия.

Достаточно распространенное явление в отечественных условиях - загрязнение форсунок инжекторов. От плохого бензина. Проявляется  это в повышенной шумности холостого  хода, провале или неуверенном  наборе скорости при резком нажатии  на педаль газа, увеличении расхода  топлива, грязном выхлопе. Чаще происходит в небольших автомобилях с тесным подкапотным пространством при коротких поездках по городу с длительными остановками между ними: в неработающем горячем двигателе оставшиеся в соплах форсунок капли топлива испаряются, оставляя осадок, постепенно забивающий тонкий (около 0,05 мм) кольцевой канал. Профилактика - использование высокосортного топлива с хорошими моющими характеристиками. Проверка - только на стенде. Лечение - моющие добавки к бензину, причем использовать рекомендуется только те из них, которые специально предназначены для чистки инжекторов - добавки для карбюраторных двигателей не годятся.

И здесь мы переходим к  важному вопросу. В целом системы  впрыска устроены логичнее и даже проще карбюраторов. Но уровень их технического исполнения таков, что найти неисправность без специального диагностического оборудования сложно, а уж отремонтировать - тем более. И вряд ли здесь поможет умелец в робе с продранными локтями, который регулирует карбюраторы на улице. И хотя ломаются системы впрыска крайне редко, ищите хорошую станцию заранее.

1.9 Эксплуатация  современного впрыска

О том, что так называемый впрыск - вещь нужная, известно всем. Но как правильно с ним обращаться, знает отнюдь не каждый. Между тем, большинство автомобилей, катающихся по нашим дорогам, оснащены этими самыми инжекторами. Мы надеемся, что данная статья поможет автомобилистам разобраться в устройстве систем впрыска топлива.

Начнем с того, что инжекторные системы подачи топлива имеют целый ряд преимуществ над карбюраторными. Главное - это точное дозирование топлива и, как следствие, более экономичный его расход. Также нельзя забывать о снижении токсичности выхлопных газов и увеличении приемистости.

Эффективность работы инжекторного двигателя во многом определяет состояние форсунок - управляемые электромагнитные клапаны, обеспечивающие дозированную подачу топлива в цилиндры двигателя. Кстати, существуют форсунки для центрального (одноточечного) и распределенного (многоточечного) впрыска. Еще одна важная деталь - блок управления, которому и подчиняются все форсунки.

Как работает форсунка? К  ней под определенным давлением  подается топливо, а электрические  импульсы, поступающие от блока управления, открывают и закрывают игольчатый клапан. Таким образом и регулируется количество распыляемого топлива (оно пропорционально длительности импульса, задаваемой блоком управления). Причем большую роль в процессе смесеобразования играют форма и направление так называемого распыляемого факела (это зависит от расположения распылительных отверстий). Теперь самое время разобраться, чем различаются центральный и распределенный впрыски. Начнем с первого. Здесь для всех цилиндров двигателя топливо впрыскивается одной форсункой. Она устанавливается перед дроссельной заслонкой, на том самом месте, где должен стоять карбюратор. Эта форсунка имеет низкое сопротивление обмотки электромагнита - от 4 до 5 Ом.

В системах распределенного  впрыска топлива для каждого  цилиндра работает отдельная форсунка, которая располагается у основания  впускного коллектора. Такие форсунки имеют высокое сопротивление  обмотки электромагнита - от 12 до 16 Ом.

На новейших инжекторах топливо  подается непосредственно в камеру сгорания, поэтому такие системы  носят название - непосредственный впрыск. Здесь форсунки обладают очень  высоким рабочим напряжением  электромагнита - до 100 В.

Со временем, естественно, форсунки приходят в негодность. Об этом, кстати, вы сразу узнаете: недостаточная  мощность двигателя, повышенная токсичность  выхлопов, рывки и провалы при  увеличении нагрузки на двигатель, неустойчивая работа на малых оборотах.

Самая распространенная неисправность  форсунок - загрязнение. Причин тому огромное количество. Это и общее загрязнение  топливной системы, и закоксовывание содержащимися в топливе смолами, и... Но не пугайтесь - ведь чаще всего форсунки промывают, и они восстанавливают свою работоспособность. Хуже, когда из строя выходит электромагнит форсунки. В таком случае ее, вероятней всего, придется менять. А проверить его исправность можно на ощупь или, если хотите, с помощью стетоскопа.

Но вернемся к промывке. Весь смысл состоит в том, чтобы  удалить загрязнения. Существует три  основных способа промывки форсунок: промывка специальными присадками к  топливу, промывка без демонтажа  форсунок с помощью специальной  установки и промывка на ультразвуковом стенде с демонтажом форсунок.

2. Исследование работы  и процесса технической эксплуатации  форсунок бензиновых двигателей

2.1 Конструкция электромагнитных  форсунок

Рассмотрим устройство и  принцип действия форсунок на примере  форсунки фирмы Бош, а также неисправности которые она может вызвать.

Форсунка топливная EV1.3C 0280150902 (BOSCH)

Назначение электромеханизма. Принцип действия

1.         Форсунка предназначена для дозирования и тонкого распыления топлива в сторону впускного клапана цилиндра двигателя.

2.         Форсунка представляет собой прецизионный гидравлический клапан с приводом от быстродействующего электромагнита.

3.         Упрощенно конструктивная схема включает игольчатый клапан и электромагнит в общем корпусе. В обесточенном состоянии обмотки электромагнита клапан прижат пружиной к седлу клапана.

4.         Концы обмотки электромагнита выведены наружу через изолированные от корпуса электрические контакты. Топливо от топливной рампы через входной штуцер подводится вовнутрь корпуса форсунки через дополнительный сетчатый фильтр, предохраняющий полость форсунки, распылитель и отверстие клапана от загрязнения. Дозирующее сечение распылителя представляет собой кольцевую щель шириной 0,085 мм.

5.         Электропитание форсунки (второй вывод обмотки)

6.         осуществляется от бортовой сети через главное реле, а включение форсунки производится путем замыкания на массу первого вывода обмотки через силовой канал блока управления.

7.         При постоянном относительном давлении топлива в магистрали и напряжения питания электромагнита объем дозируемого топлива пропорционален длительности управляющего импульса включения форсунки. Длительность импульса управления форсункой (длительность впрыска) колеблется от сотен миллисекунд на запуске двигателя до нескольких миллисекунд на режиме холостого хода. В режиме ЭПХХ блок управления отключает форсунки, прекращая подачу топлива в двигатель, что обеспечивает дополнительную экономию топлива.