Устройство форсунки бензинового двигателя: Топливные форсунки: устройство и принцип действия

виды, устройство и принцип работы

Использование форсунок (инжекторов) позволило сделать работу автомобильного двигателя более экономичной и контролируемой в сравнении с карбюраторными системами. Их главная задача — обеспечение точной дозировки топлива, подаваемого в камеру сгорания, в определенный момент времени и образование оптимальной топливовоздушной смеси. Применяются форсунки и на бензиновых, и на дизельных моторах. Конструктивно они представляют собой сложные устройства высокой точности обработки.

Содержание

• 1 Где в автомобиле находятся форсунки?
• 2 Устройство и принцип работы
• 3 Функции и виды форсунок
  • 3.1 Как устроена электромагнитная форсунка двигателя
  • 3.2 Принцип действия электрогидравлической форсунки
  • 3.3 Особенности работы пьезоэлектрической форсунки
• 4 Основные неисправности

Где в автомобиле находятся форсунки?

Тип впрыска топлива	Расположение форсунок
Центральный впрыск	Одна или две форсунки располагаются во впускном трубопроводе перед дроссельной заслонкой. Таким образом, форсунка заменяет устаревшую технологию – карбюратор.
Распределенный впрыск	Для каждого цилиндра установлена своя форсунка, которая осуществляет впрыск топлива во впускной трубопровод цилиндра. Форсунка располагается у основания впускного трубопровода
Непосредственный впрыск	Форсунки располагаются в верхней части стенок цилиндра и впрыскивают топливо непосредственно в камеру сгорания.

Устройство и принцип работы

Конструктивно, форсунка включает в себя следующие элементы:

Плунжер – создаёт давление топлива. Его движение происходит при вращении кулачков рапредвала, а обратное движение – при помощи пружины плунжера.

Клапан управления – регулирует впрыск топлива в двигатель. Клапаны бывают электромагнитные и пьезоэлектрические. Основной элемент клапана управления – это игла клапана.

Запорный поршень – реализует поддержку давления топлива на иглу распылителя при необходимости.

Обратный клапан – также поддерживает давление топлива на иглу распылителя.

Игла распылителя – непосредственно обеспечивает впрыск топливной смеси в камеру возгорания.

Пружина форсунки – с её помощью игла распылителя «садится» на седло. Силу пружины поддерживает давление топлива.

Форсунки управляются с помощью системы управления двигателем на основе сигналов от датчиков инжекторной системы.

Топливная форсунка способствует правильному приготовлению воздушно-топливной смеси, для чего в процессе впрыска существует три фазы:

Предварительный впрыск – необходим, чтобы смесь при основном впрыске сгорала плавно. Сгорание небольшого количества топлива повышает давление и температуру в камере, что помогает ускорить воспламенение топлива при основном впрыске.

Основной впрыск – эта фаза обеспечивает качественное приготовление смеси при разных режимах работы двигателя. Высокое давление, достигающееся на этой фазе, помогает получить однородную горючую смесь. А полное сгорание уменьшает выброс вредных веществ и увеличивает мощность двигателя.

Дополнительный впрыск – нужен для очистки сажевого фильтра. На этой фазе давление резко падает, а игла возвращается на начальную позицию. Это предотвращает поступление топлива в камеру с плохим распылом и под низким давлением.

Рассмотрим этапы процесса работы топливной форсунки.

Кулачок распредвала передвигает плунжер форсунки вниз.

Топливо течёт в каналы форсунки.

Происходит закрытие клапана и отсечка топлива, начинает нагнетаться давление.

Когда давление достигает 13 МПа, то игла поднимается и при этом осуществляется предварительный впрыск горючей смеси. Может быть 1-2 предварительных впрыска, что зависит от режима работы.

Клапан открывается и предварительный впрыск заканчивается, а топливо переходит в питающую магистраль, и его давление снижается.

Клапан закрывается и давление снова начинает возрастать.

Когда давление достигнет 30 Мпа, игла распылителя поднимется, преодолевая силу пружины, и производит основной впрыск топлива. Чем больше давление, тем больше топлива сожмётся и больше поступит в камеру. Максимальное давление – 220 МПа. Оно обеспечивает самую высокую мощность двигателя.

Клапан открывается, и основной впрыск завершается, при этом снижается давление, и закрывается игла распыления.

При дальнейшем передвижении плунжера вниз, происходит дополнительный впрыск топлива. Обычно осуществляется два дополнительных впрыска.

Основные характеристики форсунок:

Динамический диапазон работы – характеризует минимальное время впрыска топлива.Время открытия / закрытия форсунки – характеризует время, которое необходимо для открытия / закрытия форсунки.

Угол распыла – характеризует, под каким углом осуществляется распыление топливной смеси.

Дальнобойность факела топлива – характеризует процесс распыления.Мелкость распыления и распределения топлива в факеле – характеризует качество приготовления горючей смеси и работы самой форсунки.

Функции и виды форсунок

Топливная форсунка, или инжектор, представляет собой своеобразный клапан, работа которого контролируется блоком управления (ЭБУ) двигателя. Это позволяет подавать топливо, находящееся под высоким давлением, строго ограниченными порциями и в заданный момент времени. В зависимости от типа системы впрыска форсунка может устанавливаться в различных местах. Так, при моновпрыске она располагается перед дросселем во впускном трубопроводе. В системе с распределенным впрыском форсунки устанавливаются в ГБЦ перед клапанами. При этом для каждого цилиндра предусматривается свой отдельный инжектор. В двигателях с непосредственным впрыском форсунки находятся в верхней части цилиндра, подавая топливо сразу в камеру сгорания.

По способу управления (типу привода) инжекторы разделяют на следующие типы:

• механические;
• электромагнитные;
• электрогидравлические;
• пьезоэлектрические.

Устройство механической форсунки

Механические форсунки применяются на дизелях. Принцип их работы основан в воздействии усилия давления топлива на запорную пружину. Когда давление в системе выше сопротивления пружины, игла поднимается и происходит впрыск.

После того как давление падает, игла возвращается в исходное положение. Стоит отметить, что давление таких форсунок дизельных двигателей очень низкое, а потому они редко применяются в современном автомобилестроении.

Электромагнитные и гидромеханические инжекторы могут иметь:

• клапан форсунки со сферическим профилем;
• штифтовой клапан;
• дисковый клапан.

Как устроена электромагнитная форсунка двигателя

Такой тип инжекторов используется преимущественно в бензиновых системах, включая двигатели с непосредственным впрыском. По функциональному назначению электромагнитные форсунки разделяются на пусковые (например, в системе «K-Jetronic») и рабочие. Последние могут быть центральными (выполняют точечный впрыск) и индивидуальными (распределяют топливо по цилиндрам).

Читайте также:  Конструктивные особенности топливного бака автомобиля

Устройство электромагнитной форсунки

Конструктивно электромагнитная форсунка самая простая.

Ее основными элементами являются:

• герметичный корпус;
• разъем для подключения к электрической цепи;
• запирающая пружина;
• обмотка возбуждения клапана;
• якорь электромагнита;
• игла;
• уплотнители;
• сопло;
• фильтр-сеточка форсунки;
• распылитель.

В заданный момент времени ЭБУ двигателя подает напряжение на обмотку возбуждения, что обеспечивает формирование электромагнитного поля, воздействующего на якорь с иглой. В этот момент усилие сжатия пружины становится меньше магнитной силы, якорь втягивается, игла поднимается и освобождает сопло инжектора. Управляющий клапан форсунки двигателя открывается, и происходит впрыск топлива под высоким давлением. Когда блок управления прекращает подачу энергии на обмотку, пружина возвращает иглу в исходное положение.

Вопреки расхожему заблуждению, сама электромагнитная форсунка бензинового двигателя не создает давление. Давление в системе создается топливным насосом.

Электромагнитные инжекторы подбираются в зависимости от мощности двигателя. Прежде всего, необходимо знать, какое сопротивление у форсунок. В заводском исполнении они бывают низкоомные (2-6 Ом) и высокоомные 12-16 Ом.  При низком сопротивлении может быть установлен дополнительный резистор в 6-8 Ом, который снизит потребление тока.

Принцип действия электрогидравлической форсунки

Устройство электрогидравлической форсунки двигателя

Электрогидравлический инжектор (насос-форсунка) — это форсунки топливные дизельные. Они подходят для типовых ТНВД и систем Common Rail. Состоят такие форсунки из следующих элементов:

• сопло;
• пружина;
• камера управления;
• дроссель слива;
• якорь электромагнита;
• магистраль слива топлива;
• разъем для подключения к электрической цепи;
• обмотка возбуждения;
• штуцер подачи топлива;
• дроссель на впуске;
• поршень;
• игла распылителя.

В момент начала цикла управляющий электромагнитный клапан форсунки полностью закрыт. Топливо в системе давит на поршень, находящийся в камере управления, а игла инжектора плотно прижата к седлу. ЭБУ двигателя подает напряжение на обмотку возбуждения электромагнитного клапана. Дроссель слива открывается, и топливо поступает в сливную магистраль.

Дроссель впуска, в свою очередь, не позволяет мгновенно выровнять давление на впуске и в камере управления. Таким образом, на некоторый промежуток времени усилие, воздействующее на поршень, уменьшается, а давление на иглу остается высоким. Эта разность давлений и обеспечивает подъем иглы и впрыск топлива.

Особенности работы пьезоэлектрической форсунки

Устройство пьезоэлектрической форсунки двигателя

Это исключительно дизельная форсунка, которая считается наиболее прогрессивной, поскольку обеспечивает более быстрое срабатывание, максимально точную дозировку и позволяет выполнять многократный впрыск на протяжении одного цикла. Она применяется в дизельных двигателях Common Rail. Пьезоэлектрические форсунки двигателя состоят из таких деталей:

• игла;
• уплотнители;
• блок дросселей;
• пружина запора иглы;
• переключающий клапан форсунки;
• пружина клапана;
• поршень клапана;
• пьезоэлемент;
• сливная магистраль;
• поршень толкателя;
• фильтр;
• разъем для подключения к цепи питания;
• нагнетательная магистраль.

Принцип работы такого инжектора основан на изменении длины пьезоэлемента при подаче на него напряжения. В начальном положении игла под воздействием давления топлива посажена на седло. Когда ЭБУ двигателя посылает сигнал на пьезоэлемент, последний, изменяя длину, воздействует на поршень толкателя. 

Переключающий клапан форсунки открывается, и топливо подается на слив. Аналогично электрогидравлическим системам, создается разность низкого давления над иглой и высокого под ней, и она поднимается, выполняя впрыск дизтоплива. Количество последнего при этом регулируется длительностью подачи напряжения на пьезоэлемент пьезофорсунки и давлением в топливной рампе двигателя.

Основные неисправности

Неисправность форсунок – это основная причина остановок и поломок двигателя автомобиля. При включённом двигателе такие неисправности очень просто заметить.

Признаки неисправности форсунок:

На неполных нагрузках появился дымный выхлоп (увеличилась токсичность).

Мощность двигателя снизилась.

Высокая температура и стуки отработанных газов.

При увеличенных нагрузках появились рывки и провалы в работе двигателя.

На небольших оборотах работа двигателя стала неустойчивой.

Неисправность форсунок может привести к потере её качеств: нарушиться герметичность, появятся подтёки, изменится угол распыления топлива, прекратится любая подача топлива в камеру возгорания, топливо будет неравномерно распределяться в камере.

Эксплуатационные неисправности разделяются на две категории:

Неисправности, вызваны использованием некачественного топлива, что нарушает распыление и становится причиной перегрева (износ элементов форсунки, заедания иглы, оплавление металла и др. ).

Неисправности, вызваны неверной сборкой аппаратуры или её неправильным монтажом (перекосы деталей, закупорка топливных каналов, отсутствие плотности соединительных деталей, защемление иглы и др.)

Рассмотрим основные варианты неисправности форсунок.

Сама распространённая неисправность форсунок – это их загрязнение. Так как они находятся при воздействии высокой температуры, то при использовании некачественного топлива, на них образовываются твёрдые отложения, перекрывающие отверстия и нарушающие герметичность. Общее загрязнение топливной системы ведёт за собой засорение фильтра и каналов форсунок. Чтобы восстановить нормальную работу форсунок, их следует промыть.

Нарушение герметичности иглы – также довольно частая причина выхода форсунок из строя. Она обусловливается износом иглы. Решить эту проблему можно заменив иглу и распылитель.

Нарушение регулировки давления – происходит из-за износа пружины и её ослабления или износа иглы и штанги. Устранить такую проблему можно изменив натяжение пружины при помощи винта регулировки.

Заедание иглы – это следствие перегрева или работы с иглой, которая неплотно закрывается. Поэтому в пространство распылителя попадают газы из цилиндра. Для решения такой проблемы либо очищают детали, либо производят замену иглы.

Заменять форсунки рекомендуется после каждых 100-150 тыс. км пробега. Но, как правило, они ещё могут поработать 30-50 тыс. км после истечения официальной гарантии.

Чтобы форсунки не засорялись и работали исправно, их необходимо периодически обслуживать. Периодичность обслуживания дизельных форсунок для различных двигателей разная и находится в пределах от 500 до 5000 часов.

Не течь, а распылять: почему перестаёт работать форсунка бензинового двигателя

Главаня » Статьи » Не течь, а распылять: почему перестаёт работать форсунка бензинового двигателя

Форсунка бензинового двигателя — очень сложная и, как ни странно, противоречивая деталь. Вроде бы он должен быть очень точным, но в то же время стараются сделать его максимально простым. Он должен быть максимально легким и быстрым, но в то же время не должен изнашиваться в неблагоприятных условиях эксплуатации при высоких температурах. И надо признать, что современные электромагнитные форсунки обычно хорошо справляются со своей задачей. Но со временем они тоже ломаются и могут испортить еще работающий двигатель. Сейчас мы расскажем вам, как.

Содержание

1. От башни к электроклапану​
2. Быстро, точно, экономно
3. Льёт – не льёт
4. Смотреть и слушать

От башни к электроклапану​

Не очень люблю мотаться по историческим экскурсам, но история инжектора довольно интересная. Некоторые могут вспомнить, что изначально Рудольф Дизель хотел сжигать не дизельное топливо, а угольную пыль. Вышло плохо: у этого порошка не очень хорошая теплоотдача. Впрочем, идея разбрызгивания пороха в виде топлива посещала не только Дизеля: Александр Иванович Шпаковский изготовил первую пороховую форсунку в 1864 году. Но успеха не было больше, чем у Дизеля. Пришлось изобретать что-то новое — форсунку для жидкого топлива.

И здесь снова отличился наш соотечественник Владимир Григорьевич Шухов. Да-да, тот самый Шухов, по проекту которого построена знаменитая телебашня на Шаболовке. Но это было гораздо позже, и в 1880 году, тогда еще студентом, Шухов изобрел форсунку для жидкого топлива. Это изобретение было высоко оценено братом Альфреда Нобеля Людвигом. Ему это так понравилось, что он купил патент и стал ставить шуховские насадки на морские суда. Ну а за дальнейшую разработку форсунок надо сказать спасибо Роберту Бошу. Он придумал сразу несколько типов форсунок для жидкого топлива, а главное «подружил» с насосом высокого давления.

Шухов Владимир Григорьевич (1853-1939)

Конечно, на дизелях форсунки появились раньше, чем на бензиновых, где располагались карбюраторы. Однако уже в 1970-х годах, с появлением так называемых инжекторных систем, на бензиновые двигатели пришлось устанавливать форсунки. Сейчас, наверное, не все вспомнят первые версии инжектора с однократным впрыском — форсунка во впускном коллекторе вместо карбюратора. Сегодня форсунки устанавливаются на каждый цилиндр отдельно и есть как простой распределенный впрыск во впускной коллектор, так и непосредственный впрыск в цилиндры. Существуют также двигатели с комбинированным впрыском, где форсунки находятся на каждом цилиндре и одна на впускном коллекторе. Проблемы с форсунками прямого впрыска немного специфичны.

При разработке форсунки были разделены по принципу работы на несколько типов: механические, пьезоэлектрические, электрогидравлические и электромагнитные. Первые три обычно используются на дизелях (в то же время пьезоэлектрические можно встретить и на бензиновых двигателях), а вот относительно простые и надежные электромагнитные форсунки работают на бензиновых двигателях с распределенным впрыском. Однако так ли они просты?

Быстро, точно, экономно

Так как же работает электромагнитный распылитель? Теоретически это не очень сложно. Форсунки расположены в топливной рампе, куда топливный насос подает бензин под приличным давлением. Задача форсунки — вовремя открываться, впрыскивать топливо и закрываться по команде от ЭБУ.

Для этого на обмотку соленоида подается электрический импульс. Под его воздействием возникает магнитное поле, сжимающее якорь. Якорь (стержень) соединен со стопорным штифтом. Как только якорь входит в катушку, игла открывает форсунки распылителя и форсунка впрыскивает топливо. Щелчки, издаваемые форсунками (даже не щелчки, а отчетливо слышимый стук коленчатого вала на холостом ходу), вызваны циклическим движением соленоида и якоря внутри форсунки. 

Вроде бы все просто, но весь мундштук — это большой компромисс. С одной стороны игла должна быть очень прочной и надежно закрывать сопла распылителя в момент, когда на обмотке нет напряжения. С другой стороны, утяжелить иглу нельзя: чем она массивнее, тем больше у нее инерция, а значит, и скорость работы ниже. При этом производительность форсунки определяется общим временем открытия клапана, ведь за цикл впрыска современная форсунка успевает открыться и закрыться несколько раз. Поэтому сделать идеальный мундштук не так просто, как кажется.

Многое зависит от точности насадки, это очевидно. Не совсем очевидно, что к этому устройству вообще попали экологи — они заставляют современные двигатели работать на обедненной смеси, а для этого требуется максимально точная работа форсунки. К сожалению (или к счастью), работоспособность форсунки в конкретный период времени зависит только от времени, в течение которого форсунки открыты. Форсунка не может изменить диаметр сопла или давление в топливной рампе, поэтому ее единственным инструментом является время отклика. При этом форсунка должна выдерживать миллионы циклов без замены, что тоже достаточно сложно. Поэтому еще раз повторюсь: несмотря на внешнюю простоту, насадка очень технологичное устройство.

Льёт – не льёт

Форсунка может иметь три типичных неисправности: она может не пропускать топливо, когда это необходимо; вы можете пропустить, когда не нужно; вы можете опустить, когда это необходимо, но это неправильно. Теперь о трех ситуациях более подробно.

Как не пропустить топливо, когда это необходимо? В первую очередь может просто пропасть сигнал открытия — возможно обрыв и короткое замыкание в проводке форсунки. Во-вторых, в бензине всегда есть примеси, которые образуют отложения на форсунке. Отложения могут забить распылитель, и тогда форсунка тоже не сможет пропускать бензин. Однако загрязнение часто приводит к тому, что форсунка может пропускать топливо, но делает это плохо.

Вторая ситуация – потеря герметичности. В этом случае закрывающая игла не может перекрыть форсунки распылителя, поэтому форсунка начинает подтекать. Эта ошибка встречается гораздо чаще, чем первая. Да и объясняется это проще: тут целый комплекс причин, начиная от самих отложений и заканчивая износом самой иглы. Приятно, что не так уж сложно обнаружить течь на форсунке. Кроме того, вы можете обнаружить утечки в корпусе форсунки. При этом внутренние уплотнения высыхают, и бензин поступает в обмотку, а оттуда уходит

Ну и третий потенциальный сюрприз — неправильный распыл бензина. Теоретически он должен быть мелкодисперсным, но в некоторых случаях форсунка срывается до такой степени, что бензин начинает вытекать, причем сбоку. А может и не течь, а наоборот — действовать в меньшем количестве. Да и форма форсунки может просто сломаться, что тоже плохо — не получится создать однородную смесь топлива и воздуха, и ее сгорание будет неправильным. 

Как понять, что с форсункой что-то не так?

Смотреть и слушать

Разумеется, полностью проверить форсунки можно только на стенде. Для этого их необходимо снять и передать специалистам для нормальной диагностики. Но, может быть, есть более простой способ сделать что-то? Способ конечно есть, но он не очень. Хотя должен признать, что это может помочь.

Начнем с самого простого: проверьте ушные форсунки. На некоторых двигателях (например, на всех корейцах) очень хорошо слышен шум форсунок. Единственная сложность понять, это стук всех форсунок, или одна из них решила застучать? Хорошо с шумными форсунками «четверки» в очереди — можно просто послушать каждую и понять, что все они рабочие. Но часто для этого теста потребуется стетоскоп, который можно заменить любым куском дерева или железа, проводящим звук лучше, чем воздух. Просто нужно внимательно слушать и убедиться, что все форсунки не просто щелкают, а щелкают одинаково. Никаких посторонних звуков в виде шипения или шипения быть не должно.

Если какая-либо форсунка не работает, можно проверить, подается ли на нее напряжение. Для этого последовательно с катушкой нужно подключить светодиод. Если он мигает в такт движку, то питание есть. Правда, это не говорит о стопроцентной исправности — точно сигнал можно проследить только осциллографом. 

Негерметичная форсунка косвенно связана с неуверенным запуском и быстро загорающей свечой зажигания. Если в одном из цилиндров свеча зажигания быстро покрывается черным нагаром, появляются пропуски зажигания, которые исчезают после чистки или замены свечи, и снова появляются в этом цилиндре, то, скорее всего, форсунка потеряла герметичность. Еще один способ выявить проблемы с форсунками — анализ топливной смеси: богатая смесь может указывать на перепускную форсунку. Но, во-первых, причина богатой смеси может быть разной, а во-вторых, без опыта работы со сканером сложно разобраться в нюансах топливной коррекции, поэтому «узнать» топливную форсунку сразу не получится.

К сожалению, без снятия форсунок больше ничего интересного сделать нельзя. Если есть очень сильное желание практически бесполезных действий, можно измерить сопротивление обмотки соленоида, но вряд ли автомобилист знает, какое оно должно быть по номиналу. Тут можно будет найти только обрыв или короткое замыкание обмотки, но с форсункой такое случается очень редко. Поэтому лучше снять всю рампу и посмотреть, как патрубки выглядят сбоку. При этом отсоединять рампу от топливопровода не нужно; нам нужно увидеть утечку или нарушение схемы распыления.

Самый простой способ — просмотреть текущую форсунку. Обычно достаточно включить зажигание и подождать, пока топливный насос нагнетает давление в рампу. Если после этого какая-либо форсунка начала подтекать, ее придется заменить. Затем можно положить рампу в какую-нибудь емкость и провернуть коленчатый вал стартером. В момент запуска двигателя форсунки уже работают, поэтому будет хорошо видно, как они распыляют топливо. Главное не распылять его сигаретой в рот. Если в одной из форсунок форма факела сильно отличается от формы распыла других форсунок, ее тоже лучше заменить или хотя бы промыть. Однако не все так просто с промывкой форсунок и иногда промывка может стать последним событием в жизни форсунки.

На всякий случай повторюсь еще раз: полностью проверить форсунки (в том числе и их работоспособность) можно только на стенде. Ну а если форсунки придется снимать, обратите внимание на состояние уплотнительных колец: переустанавливать их лучше не из-за возможного появления подсоса воздуха.

• Об авторе
• Хотите связаться со мной?

Главный редактор , wekauto.ru

Василий Штормин

Знаю что такое авто от А до Я. Люблю интересоваться гонками, конструкцией автомобилей, ремонтом. Знакомые советовали поделиться своими знаниями в интернете. Давайте вместе окунемся в мир авто и всего, что с ним связано.

Впрыск топлива | инженерные технологии

• Развлечения и поп-культура
• География и путешествия
• Здоровье и медицина
• Образ жизни и социальные вопросы
• Литература
• Философия и религия
• Политика, право и правительство
• Наука
• Спорт и отдых
• Технология
• Изобразительное искусство
• Всемирная история

• Этот день в истории
• Викторины
• Подкасты
• Словарь
• Биографии
• Резюме
• Популярные вопросы
• Обзор недели
• Инфографика
• Демистификация
• Списки
• #WTFact
• Товарищи
• Галереи изображений
• Прожектор
• Форум
• Один хороший факт

• Развлечения и поп-культура
• География и путешествия
• Здоровье и медицина
• Образ жизни и социальные вопросы
• Литература
• Философия и религия
• Политика, право и правительство
• Наука
• Спорт и отдых
• Технология
• Изобразительное искусство
• Всемирная история

• Britannica объясняет
  В этих видеороликах Britannica объясняет различные темы и отвечает на часто задаваемые вопросы.
• Britannica Classics
  Посмотрите эти ретро-видео из архивов Encyclopedia Britannica.
• #WTFact Видео
  В #WTFact Britannica делится некоторыми из самых странных фактов, которые мы можем найти.
• На этот раз в истории
  В этих видеороликах узнайте, что произошло в этом месяце (или любом другом месяце!) в истории.
• Demystified Videos
  В Demystified у Britannica есть все ответы на ваши животрепещущие вопросы.

• Студенческий портал
  Britannica — лучший ресурс для учащихся по ключевым школьным предметам, таким как история, государственное управление, литература и т. д.
• Портал COVID-19
  Хотя этот глобальный кризис в области здравоохранения продолжает развиваться, может быть полезно обратиться к прошлым пандемиям, чтобы лучше понять, как реагировать сегодня.
• 100 женщин
  Britannica празднует столетие Девятнадцатой поправки, выделяя суфражисток и политиков, творящих историю.
• Britannica Beyond
  Мы создали новое место, где вопросы находятся в центре обучения. Вперед, продолжать. Просить. Мы не будем возражать.
• Спасение Земли
  Британника представляет список дел Земли на 21 век. Узнайте об основных экологических проблемах, стоящих перед нашей планетой, и о том, что с ними можно сделать!
• SpaceNext50
  Britannica представляет SpaceNext50. От полёта на Луну до управления космосом — мы изучаем широкий спектр тем, которые подпитывают наше любопытство к космосу!

Содержание

• Введение

Краткие факты

• Связанный контент

GDI — Прямой впрыск бензина

Переключатель навигации

Поиск

Будьте в курсе последних достижений в области технологий двигателей и узнайте больше о новейшей платформе двигателей — системе прямого впрыска.

Предварительное фото: Вот головка блока цилиндров LT1, конструкция чаши которой похожа на LS. Большая разница в топливной форсунке, которая находится напротив свечи зажигания.

Впервые опубликовано в журнале Hot Rod.

Появилась новая аббревиатура, которая сейчас витает в индустрии производительности — GDI — она означает непосредственный впрыск бензина. Среди двигателей отечественного производства, которые активно продвигаются в сегменте GDI, есть новые двигатели LT1 и LT4, но Ford был первым, кто взял на вооружение бензиновый двигатель с искровым зажиганием и непосредственным впрыском в своей серии двигателей EcoBoost, дебютировавших на внутреннем рынке в 2010 году.0128 Chevy LT4 был их первым форсированным серийным вариантом двигателя V8. Конструкция поршня на этом двигателе практически плоская.

Так что же такое GDI и почему он может стать будущим для всех серийных бензиновых двигателей? Все дело в эффективности сгорания. На протяжении десятилетий большая часть внимания производителей двигателей была сосредоточена на настройке впускных и выпускных трубопроводов и повышении объемной эффективности. Но в конечном итоге все эти усилия сводятся к физическому акту горения. Важнейшая часть этого процесса требует максимально эффективной подачи правильного количества топлива в камеру сгорания. В то время, когда динозавры перестали бродить по земле, карбюраторы были предпочтительным устройством для смешивания топлива. Затем появился многоточечный электронный впрыск топлива (MEFI), но даже это сейчас считается рудиментарным по сравнению с впрыском топлива непосредственно в камеру сгорания.

Преимущества GDI многочисленны. Во-первых, даже при многоточечном впрыске топлива определенное количество топлива оседает на стенках впускного канала перед впускным клапаном. Это топливо в конечном итоге способствует сгоранию, но не обязательно в нужное время или в лучшем состоянии. Состояние топлива так же важно, как и его соотношение с окисляющим воздухом. Жидкое топливо плохо горит. Вместо этого только испаренное топливо способствует процессу сгорания.

Чаша DI оказывает большое влияние на смешивание топлива и воздуха в камере и необходима для эффективности, а также для чистого сгорания. OEM потратил огромное количество исследований и разработок на чашу DI, чтобы двигатель работал чисто и при этом сохранял хорошую мощность. При разработке индивидуального поршня форма чаши остается неизменной.

Крайний пример этого можно найти в гонках Top Fuel. Нитрометан очень горюч, но скорость воспламенения нитрометана не сильно отличается от бензина. Однако в двигателях Top Fuel угол опережения зажигания обычно превышает 50 градусов до ВМТ. Причина такого невероятно раннего воспламенения заключается в том, что испаряется только 10 процентов топлива в камере сгорания. Остальное остается жидкостью. Это потому, что эти двигатели работают при соотношении воздух-топливо очень близком к 1:1! Цилиндру требуется искра на 50 с лишним градусов до ВМТ, чтобы инициировать процесс горения достаточно рано, чтобы произвести достаточно раннего тепла, чтобы в конечном итоге испарить и сжечь большое количество топлива в камере.

Бензиновые двигатели работают на значительно более обедненных топливно-воздушных смесях, но принцип остается тем же – полностью сгорает только испаренное топливо. При непосредственном впрыске топливо может подаваться в цилиндр под давлением, превышающим 2200 фунтов на квадратный дюйм, так что, по крайней мере, большая часть топлива быстро испаряется. Даже в этом случае непосредственный впрыск при очень высоком давлении требует изменения пространства сгорания.

(слева) 2,3-литровый двигатель Ford Ecoboost был основан на 2,0-литровом Focus ST. Немного более мощная версия 2,3-литрового двигателя теперь используется в Focus RS. (Справа) Ford использует второе поколение 3,5-литрового двигателя Ecoboost, который был их первой основной платформой двигателя Ecoboost.

Вы, возможно, заметили, что в двигателях GDI обычно используется совершенно другая конструкция днища поршня, чем в сопоставимых двигателях без GDI. Идея заключается в использовании желоба или углубления в днище поршня, которое будет направлять топливо после его впрыска. Целью этого желоба является нацеливание послойного или направленного заряда относительно богатой топливной смеси на свечу зажигания для инициирования процесса сгорания. Как только происходит воспламенение, оставшееся топливо может быть сожжено для получения в целом эффективной смеси.

Даже при добавлении наддува к LT1 с высокой степенью сжатия соотношение воздух-топливо при полностью открытом дросселе будет находиться в диапазоне 11,8-12:1. Двигатели могут безопасно работать на обедненной смеси благодаря повышенной эффективности двигателя с непосредственным впрыском топлива.

Как правило, топливная форсунка высокого давления расположена ближе к центру цилиндра. Исследования показывают, что поздний впрыск топлива в цилиндр полезен для выбросов и эффективности использования топлива, когда поршень находится вблизи ВМТ. Центральный желоб в днище поршня имеет тенденцию перенаправлять брызги топлива вверх к выпускной стороне камеры возле свечи зажигания. Это генерирует то, что инженеры-исследователи горения называют турбулентной кинетической энергией (ТКЭ). Более высокий TKE, как правило, поддерживает улучшенный тепловой КПД, когда при сгорании используется больше топлива.

Этот подход имеет несколько преимуществ. Во-первых, это снижает вероятность детонации, поскольку топливо больше концентрируется ближе к центру камеры сгорания возле свечи зажигания. Детонация обычно возникает из-за отходящих газов с достаточным количеством топлива, которые самовоспламеняются ближе к концу процесса сгорания. Благодаря концентрации топлива вокруг свечи зажигания это значительно снижает потребность в увеличении времени опережения зажигания. За счет подачи топлива за микросекунды до требуемого момента зажигания преждевременное зажигание практически исключается, а двигатель получает меньше отрицательной работы. Это важно, поскольку опережающее зажигание требует, чтобы двигатель затрачивал отрицательную работу, чтобы сжать начальное начало сгорания из-за опережающего опережения зажигания.

Топливная система двигателя GDI намного совершеннее. Механический насос высокого давления питает форсунки высокого давления, которые способны обеспечить давление топлива более 2000 фунтов на квадратный дюйм.

Подход послепродажного обслуживания

По словам инженера JE Pistons Клейтона Стотерса, кроме конструкции днища поршня, нет существенной разницы в конфигурации поршня между кованым поршнем GDI и поршнем, разработанным для карбюраторных двигателей или двигателей EFI. Очевидно, что прочность является серьезной проблемой для того, чтобы приспособиться к более высокому давлению в цилиндре, которое будет генерировать большую мощность. Конструкция JE Pistons Forged Side Relief FSR) сочетает в себе дополнительную прочность и снижение веса для превосходной конструкции поршня.

Дополнительным преимуществом правильной конструкции верхней части поршня является то, что большая часть топлива концентрируется в центре камеры сгорания, что обеспечивает меньшее количество топлива, потенциально остающегося вблизи внешней окружности цилиндра. Топливо, которое имеет тенденцию собираться вокруг внешнего края камеры сгорания, часто не сгорает и, следовательно, не способствует выработке мощности. Эти несгоревшие углеводороды также просто выходят с выхлопными газами и способствуют снижению теплового КПД.

(слева) 3,5-литровый поршень Ecoboost компании JE Pistons слева и 2,3-литровый Ecoboost справа. (Справа) Гнезда выпускных клапанов на 2,3-литровом Ecoboost больше, чем впускные клапаны из-за углов расположения клапанов головки цилиндров 2,3-литрового двигателя.

Двигатели GDI постоянно уменьшают количество топлива, которое задерживается по окружности поршня, что означает, особенно при частичной нагрузке, что улучшенная эффективность сгорания позволяет двигателю работать на гораздо более бедных топливовоздушных смесях, что повышает эффективность использования топлива. Конечным результатом этого являются примеры современных двигателей GDI, работающих с соотношением воздух-топливо более 30:1!

Опять же, из-за этой улучшенной эффективности сгорания, двигатели GDI также могут работать с более высокой степенью статического сжатия. Например, GM LT1 использует преимущества конструкции GDI для увеличения статического сжатия до 11,5:1. Поршни JE EcoBoost V6 с турбонаддувом имеют впечатляющее соотношение 10,0:1. Обычные многоточечные двигатели EFI не могли бы работать с турбонаддувом с такой высокой статической компрессией на насосном бензине. Конечно, преимуществом этой более высокой степени сжатия является дополнительная мощность, поскольку считается, что одна полная точка сжатия обеспечивает дополнительную мощность примерно на три-четыре процента для двигателя без наддува.

«Эта конструкция с кованым боковым рельефом (FSR) уже достаточно прочна для применения, — говорит ведущий инженер JE Pistons Клейтон Стотерс. — Обычно поршень GDI выдерживает более высокое давление в цилиндре в целом, но эта конкретная поковка была разработана для приложений с большим наддувом. поэтому мы выбрали его для поршня Ecoboost. Этот FEA помогает нам обосновать это решение и убедиться, что поковка и конструкция головки хорошо сочетаются друг с другом». вес поршня с диаметром отверстия 3,661 дюйма по-прежнему составляет всего лишь 400 г, сохраняя при этом превосходную долговечность поршня. Конструкция смещенного штифта снижает шум поршня, а входящий в комплект комплект колец 1,0/1,2/2,8 мм также способствует снижению паразитных потерь на трение.

Известный производитель двигателей с турбонаддувом Кенни Даттвайлер в настоящее время экспериментирует с 2,3-литровым двигателем Ecoboost и, как он сказал журналу Hot Rod, ожидает, что с более крупным турбокомпрессором двигатель потенциально может развивать мощность до 1100 л.с.

Таким образом, мы можем с уверенностью предположить, что двигатели GDI будут по-прежнему оставаться в тренде среди высокопроизводительных двигателей в ближайшем будущем. Bosch прогнозирует, что к 2020 году 20 процентов всех производимых двигателей легковых автомобилей будут использовать систему прямого впрыска бензина. С учетом этого JE Pistons продолжит предлагать поршни с высокими эксплуатационными характеристиками для решения новых задач будущего высокой производительности.