CC BY
11ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
УДК 621.43
ОСОБЕННОСТИ ЭЛЕКТРОННЫХ СИСТЕМ ВПРЫСКИВАНИЯ ТОПЛИВА
Голубев Д.Н., старший преподаватель. Научный руководитель: д.т.н., профессор Шуханов С.Н. ФГБОУ ВО Иркутский госуниверситет
АННОТАЦИЯ
Автомобили в настоящее время претерпевают бурное развитие. Транспортные средства нашли широкое применение в самых различных областях жизнедеятельности человека, включая промышленность и сельскохозяйственное производство. Например, без высокоразвитого автомобильного хозяйства трудно представить успешное функционирование агропромышленного комплекса страны. Этому во многом способствуют инновационные научные исследования. Надежную работу автотракторной техники обеспечивают новые разработки в этой области. Определение особенностей электронных систем впрыска горючего поршневых моторов и принципа их функционирования позволяет выявить положительные и отрицательные элементы с целью поиска дальнейших путей развития в этой области технических средств и технологий.
КЛЮЧЕВЫЕ СЛОВА
Агропромышленный комплекс, транспортные средства, впрыск топлива. ABSTRACT
Cars are currently undergoing rapid development. Vehicles have found wide application in a wide variety of areas of human life, including industry and agricultural production. For example, without a highly developed automotive economy, it is difficult to imagine the successful functioning of the country's agro-industrial complex. This is largely facilitated by innovative scientific research. Reliable operation of automotive technology is provided by new developments in this area. Determination of features of electronic systems of fuel injection of piston motors and principle of their functioning allows to identify positive and negative elements in order to find further ways of development of technical means and technologies in this area.
KEYWORDS
Agro-industrial complex, vehicles, fuel injection.
Введение. Автомобили в настоящее время претерпевают бурное развитие. Транспортные средства нашли широкое применение в самых различных областях жизнедеятельности человека, включая промышленность и сельскохозяйственное производство. Например, без высокоразвитого автомобильного хозяйства трудно представить успешное функционирование агропромышленного комплекса страны. Этому во многом способствуют инновационные научные исследования [1-4]. Надежную работу автотракторной техники обеспечивают новые разработки в этой области [5-9].
Цель исследования. Определить особенности электронных систем впрыска горючего поршневых моторов и принципа их функционирования.
Материалы и методы исследования. Изучение особенностей конструктивных элементов и принципа функционирования современных систем впрыска горючего на электронной основе. Обзор источников литературы и их анализ.
Результаты исследования. Поршневые двигатели внутреннего сгорания образуют энергию при сгорании топливовоздушной смеси. Система впрыска обеспечивает мотор максимально наилучшей смесью - наилучшим соотношением элементов горючей смеси - при непрерывно изменяющихся условиях эксплуатации двигателя.
1. Использование и принцип функционирования систем электронного впрыска топлива.
Предел обеднения смеси представляет собой неравномерность распределения ее по цилиндрам. В моторах с карбюраторным питанием неравномерность состава топливо-воздушной смеси может быть 10... 15 %. Использование систем впрыска топлива позволяет устранить этот недостаток. При этом улучшаются равномерность распределения горючего по цилиндрам, газодинамические характеристики впускного тракта, достигается более высокий коэффициент наполнения цилиндров свежим зарядом и т.д. Кроме того, мощность мотора повышается в среднем на 10... 12 %, улучшаются показатели топливной экономичности, а также снижается токсичность выпускных газов.
В состав системы электронного впрыска топлива входят топливный насос с электроприводом и регулятор давления, обеспечивающий постоянное рабочее давление в системе до 0,17...0,20 МПа [10,11].
Рисунок 1 - Электромагнитная форсунка 1 - конструкция корпуса; 2 - игольчатый клапан; 3 - гибкая мембрана; 4 - соленоид; 5 - распределительный механизм (устройство); 6 - отверстие (канал); 7 - топливная магистраль; 8 - схема факела топлива; 9 - сливной канал; 10 - клапан; 11 -электромагнитная форсунка; 12 - распиливающий конус; 13 - газопровод.
Электромагнитные форсунки осуществляют впрыск горючего во впускные каналы рабочих цилиндров, продолжительность открытия которых коррелирует с величиной давления во впускной системе мотора, а также с числом оборотов коленчатого вала.
В момент прижатия иглы к седлу распылителя, нагнетаемое из топливной магистрали 7 горючее поступает через корпус форсунки на слив. Согласно электрическому сигналу от распределительного устройства 5 соленоид 4 воздействует на гибкую мембрану 3, при этом сливной канал 9 запирается, а игла 2 под давлением горючего поднимается.
На выходе из устройства сопла форсунки факел горючего совершает вращательное движение и впрыскивается под давлением в виде широкого конуса. Часть горючего, проникшая в пространство между иглой и корпусом, убирается через
отверстие б в сливную магистраль. Значение максимального подъема иглы находится в пределах 0,15... 0,17 мм, а время подъема иглы варьирует в диапазоне 1,5...6,5 мс.
0 2000 3000 4000 5000 п. об/мин
Рисунок 2 - Характеристика мотора с системой впрыска топлива и карбюратором
Электронная топливо-впрыскивающая система функционирует во взаимосвязи с электронным блоком управления. При этом главным управляющим параметром для варьирования подачи горючего применяется величина расхода воздуха, подаваемого в цилиндры мотора. Количество горючего, впрыскиваемого в надклапанные пространства, находится в тесной связи с массовой скоростью воздушного потока, а также его объема во впускном тракте.
На (рис. 2) представлены усредненные характеристики эффективного удельного расхода горючего д^ в том числе среднее эффективное давление ре. на примере мотора легковой машины. Сплошными линиями проиллюстрированы кривые для системы впрыска топлива, а пунктирными линиям с карбюраторной (классической) системой питания. Сравнительная оценка этих кривых во всем диапазоне числа оборотов коленчатого вала демонстрирует неоспоримое преимущество системы впрыска горючего.
К настоящему времени системы впрыскивания топлива сводятся к двум видам: распределенное, а также центральное впрыскивание горючего.
При выполнении распределенного впрыскивания в зону впускных клапанов каждого действующего цилиндра горючее нагнетается отдельной форсункой в заданный момент времени, четко согласованный с моментом открытия соответствующих впускных клапанов рабочих цилиндров (называется согласованное впрыскивание), или же целым рядом форсунок без согласования момента впрыскивания с реальными процессами впуска в каждый рабочий цилиндр (имеет определение - несогласованное впрыскивание).
Системы распределенного впрыскивания горючего дают возможность повысить надежность пуска, ускорить прогрев, в том числе увеличить мощностные показатели мотора, а также позволяют использование газодинамического наддува, значительно расширяют возможности конструирования различных конструкций впускного газопровода.
При центральном впрыскивании горючее подается одной форсункой, смонтированной на участке до разветвления впускного газопровода. При этом конструкция мотора не имеет значительных изменений. Система центрального впрыскивания в реальности взаимозаменяема с карбюратором, а значит, может использоваться на уже эксплуатируемых моторах. При центральном впрыскивании по сравнению с карбюратором осуществляется большая точность, а также стабильность дозирования горючего.
2. Система распределенного впрыскивания топлива.
На рис. 3 проиллюстрирована система распределенного впрыскивания топлива Ше^опю. Топливо из бака 3 с помощью электрического насоса 1 через фильтр 2 поступает в топливный коллектор 4, в котором посредством стабилизатора 5 обеспечивается постоянный перепад давлений на входе, а также выходе горючего из форсунок 13. Стабилизатор перепада давлений обеспечивает значение постоянного давления впрыскивания, в том числе осуществляет возврат избыточного горючего обратно в бак. Этим поддерживается циркуляция горючего в системе, а также исключается образование паровых пробок. Из коллектора горючее направляется к рабочим форсункам, которые впрыскивают его в зону проходных отверстий впускных клапанов. Дозирование топлива определяется электронным блоком управления 6 (ЭБУ) в корреляции с температурой, давлением, в том числе объемом поступающего воздуха, числа оборотов коленчатого вала, а также нагрузки мотора. В процессе функционирования системы впрыскивания ЭБУ работает совместно, в том числе с датчиком-распределителем 17 системы зажигания.
Воздух подается в цилиндры через устройство 8, называемое измеритель расхода воздуха, а также специальный впускной газопровод. Воздушный поток оказывает воздействие на напорно-измерительную заслонку 7 специального измерителя расхода воздуха на заданный угол. При этом электрический сигнал поступает в блок управления, который в свою очередь задает необходимое количество топлива, в том числе выдает необходимые импульсы управления моментом подачи горючего. Электронная схема управления впрыскивания горючего получает питание от аккумуляторной батареи 19, а также функционирует при включении зажигания, вводя в действие систему впрыскивания выключателем 20.
Рисунок 3 - Принципиальная схема электронной системы впрыскивания горючего
Ь^гопю
1 - насос топливный; 2 - фильтр топливный; 3 - бак для горючего; 4 - коллектор горючего; 5 - стабилизатор значений перепада давлений; 6 - ЭБУ - блок управления электронный; 7 - заслонка напорно-измерительная; 8 - устройство для измерения действительного расхода воздуха; 9 - заслонка дроссельная; 10 - датчик определения положения заслонки дроссельной; 11 - винт регулировочный системы холостого хода; 12 - форсунка пусковая; 13 - форсунка с электронным управлением; 14 - датчик действительного количества кислорода; 15, 16 - датчики регистрирующие; 17 - датчик-распределитель; 18 - регулятор расхода количества воздуха при вращении
коленчатого вала мотора на холостых оборотах; 19 - АКБ-аккумуляторная батарея; 20 - тумблер (выключатель-включатель) зажигания.
За один или два оборота коленчатого вала в процессе функционирования поршневого дизельного мотора, в частности его системы питания, форсунки осуществляют впрыск горючего, причем независимо от действительного положения впускных клапанов. В случае, когда впускной клапан в момент впрыскивания горючего закрыт, то горючее собирается в пространстве перед клапаном, а затем подается непосредственно в рабочий цилиндр при следующем его открытии, образуя топливовоздушную смесь с одновременно поступающим воздухом.
Количество подаваемого к рабочим цилиндрам мотора воздуха варьируется посредством дроссельной заслонки 9, которая управляется из кабины мобильного технического средства с помощью педали. В системе смонтирован регулятор 18 расхода воздуха при совершении коленчатого вала дизеля холостых оборотов. Он осуществляет процесс дополнительной подачи воздуха во время пуска, а также при реализации прогрева мотора. По мере прогрева мотора, в диапазоне значения температуры охлаждающей жидкости в диапазоне 49...70°С, регулятор останавливает подачу дополнительного воздуха. Затем при закрытой дроссельной заслонке воздух подается лишь только через верхний байпасный (обводной) канал, необходимая площадь сечения которого варьируется специальным регулировочным винтом 11, что дает возможность изменения числа оборотов коленчатого вала в режиме холостого хода.
Стабилизатор 5 перепада значений давления обеспечивает постоянную величину избыточного давления горючего относительно давления воздуха внутри впускного газопровода. При этом цикловая подача горючего форсункой 13 коррелирует со временем, в течение которого клапан находится в открытом положении. Значит, суть электронного управления впрыскиванием горючего заключается в варьировании (модуляции) электрического импульса, управляющего форсункой при обеспечении постоянного перепада давления горючего.
Продолжительность импульсов управления временем впрыскивания горючего форсункой определяется в соответствии со значением температуры охлаждающей жидкости по информации, непосредственно поступающей от датчика 15. Введенный в систему датчик 14 кислорода информирует ЭБУ о необходимом составе топливовоздушной смеси.
На режимах максимального открытия дроссельной заслонки, а также разгона мобильного технического средства требуется обогащение топливовоздушной смеси, что выполняется ЭБУ по информации, поступающей от датчика 10 положения заслонки дроссельной. В случае, когда заслонка открыта, контактная система датчика образует импульсы, которые дают сигнал к обогащению горючей смеси в режиме разгона машины.
В датчике 10 положения дроссельной заслонки смонтирована контактная пара, от положения (разомкнуто или же замкнуто) которой осуществляется отключение или включение подачи горючего в режиме функционирования принудительного холостого хода.
Для облегчения реализации пуска холодного мотора в системе установлена дополнительная форсунка пусковая 12. Она представляет собой клапан электромагнитный, снабженный центробежным распылителем вихревого типа. Длительность открытого положения форсунки коррелирует со значением температуры охлаждающей жидкости в работающем моторе, фиксируемого датчиком 16.
5 6 7
Рисунок 4 - Электронная система центрального впрыскивания горючего Мопо-Мо1гопю 1 - катушки зажигания высокого напряжения; 2 - распределитель электронного зажигания; 3 - камера смесительная; 4 - регулятор числа оборотов коленчатого вала для работы в режиме холостого хода; 5 - диффузор с установленным датчиком температуры; 6 - форсунка электромагнитная; 7 - регулятор давления горючего; 8 -датчик положения дроссельной заслонки; 9 - возвратный клапан горючего; 10 -фильтр топливный; 11 - емкость с активированным углем для впитывания паров бензина (адсорбер); 12 - электрический топливный насос; 13 - ЭБУ-электронный блок управления; 14 - разъем для диагностики; 15 - датчик числа оборотов коленчатого вала; 16 - датчик значения температуры охлаждающей жидкости; 17 - датчик кислородный.
3. Система центрального впрыскивания топлива.
В качестве примера центрального впрыскивания горючего можно привести электронную систему Мопо-Мо^опю (рис. 4). Составляющими элементами ее являются: электронный блок управления (ЭБУ) 13 на основе микропроцессора; камера смесительная 3 с дроссельной заслонкой и смонтированным на ней датчиком 8, регистрирующим ее положение; форсунка электромагнитная 6; регулятор 7 давления горючего; электрический топливный насос 12; фильтр топливный 10; датчик 16, фиксирующий температуру охлаждающей жидкости; регулятор 4 числа оборотов коленчатого вала в режиме работы холостого хода.
Регулятор 4 варьирует положение дроссельной заслонки или перемещает воздух в обход этой заслонки. Затем электронный блок управления образует сигнал на исполнительный механизм. Все системы центрального впрыскивания горючего имеют кислородный датчик 17 (Л.-зонт), обеспечивающий в оптимальных соотношениях количество воздуха к горючему, поддерживая необходимый (стехиометрический) состав топливовоздушной смеси на разных режимах функционирования мотора.
Система центрального впрыскивания горючего не имеет распределенный впрыск, кроме того процесс подачи топлива осуществляется посредством центрального отсека (так называемого модуля), в котором смонтирована форсунка электромагнитная 6 (см. рис. 13), выполняющая впрыскивание топлива, включая варьирование подачи топливовоздушной смеси с помощью дроссельной заслонки, в том числе непосредственное распределение ее по рабочим цилиндрам мотора реализуется по принципу функционирования карбюраторной системы.
Также в этой системе отсутствует датчик массового расхода воздуха, но в диффузоре 5 смонтирован датчик, регистрирующий количество поступающего воздуха. Состав, а также функции других устройств и механизмов центральной системы впрыскивания в большинстве идентичны рассмотренной системе распределенного впрыска горючего.
Комплексная микропроцессорная система управления функционирования мотора предусмотрена для выработки приемлимого состава топливовоздушной смеси,
подачи горючего через форсунки в рабочие цилиндры мотора, в том числе для своевременного выполнения его воспламенения.
Вывод. Таким образом, управление функционированием мотора посредством современной комплексной системы позволяет добиться более экономичной работы силового агрегата при заметном повышении его мощностных характеристик, а также достижении установленных норм по токсичности выхлопных газов для сведения к минимуму вредного влияния на окружающую среду.
Библиография:
1. Ласточкин Д.М., Медяков А.А. Пути повышения скоростных характеристик автомобиля // Альтернативные источники энергии в транспортно-технологическом комплексе: проблемы и перспективы рационального использования. 2017. Т. 4. № 1 (7). С. 198-201.
2. Anisimov P.N., Medyakov A.A. The parameters of the off-grid power system with a biomass gasifier engine for the autonomous power supply of forest harvesters // В сборнике: Journal of Physics: Conference Series. 3. Сер. «3rd Conference «Problems of Thermal Physics and Power Engineering» Energy Saving - Theory and Practice» 2020. С. 052015.
3. Хабардин В.Н., Горбунова Т.Л. Математическое описание процесса технического обслуживания машин с учётом его надёжности // Известия Оренбургского государственного аграрного университета. 2021. № 1 (87). С. 124-129.
4. Шуханов С.Н., Аносова А.И., Хороших О.Н. Частная методика экспериментальных исследований функционирования поршневого двигателя узам-331.10, использующего бензин и газообразное топливо // Известия Международной академии аграрного образования. 2022. № 58. С. 54-57.
5. Егоров И.Б., Коваливнич В.Д. Анализ моечных установок деталей кузова автотракторной техники // В сборнике: Научные исследования студентов в решении актуальных проблем АПК: Материалы всерос. науч.-практ. конф.. Молодежный, 2021. С. 41-46.
6. Егоров И.Б., Коваливнич В.Д. Механизм осуществления коронного разряда и процесс функционирования проводов зажигания // В сборнике: Научные исследования студентов в решении актуальных проблем АПК: Материалы всерос. науч.-практ. конф.. Молодежный, 2021. С. 47-51.
7. Хараев Ю.А. Особенности конструкции и функционирования газобалонного оборудования первого поколения // Научный журнал молодых ученых. 2021. № 4 (25). С. 99-102.
8. Хазагаев Н.Н., Сухаева А.Р. Модернизация стенда для испытания насоса гидроусилителя руля автомобилей семейства камаз // В сборнике: Научные исследования и разработки к внедрению в АПК:Материалы Междунар. науч. практ. конф. молодых ученых. Молодежный, 2021. С. 379-387.
9. Shukhanov S.N., Kuzmin A.V., Polyakov G.N., Sukhaeva A.R., Kovalivnich V.D. Influence of air temperature on warming up the engine of automotive vehicles // В сборнике: IOP Conference Series: Earth and Environmental Science. Сер. «International Scientific and Practical Conference «Ensuring Sustainable Development in the Context of Agriculture, Green Energy, Ecology and Earth Science» - Green Energy and Earth Science», 2021. P. 052003.
10. Основы конструкции автомобиля / A.M. Иванов [и др.]. М. ООО «Книжное издательство «За рулем», 2005. 336 с.
11. Система зажигания: описание, принцип работы, устройство, фото, видео. / АВТОМАШИНЫ [Электронный ресурс]. URL: https://seite1.ru/zapchasti/sistema-zazhiganiyaopisanieprincip-rabotyustrojstvofotovideo/.html. (дата обращения 15.06.2022 г.).
