Устройство автомобилей




Системы питания инжекторных двигателей




Система впрыска K-Jetronic

Система впрыска K-Jetronic, разработанная фирмой Bosch (Германия), представляет собой механическую систему постоянного впрыска топлива (от немецкого «Kontinuierlich» - постоянно, непрерывно), относящейся к инжекторым системам распределенного впрыска.

Наиболее известные модели автомобилей, использовавших в свое время эту систему - Porsche 911 turbo 75-89, Porsche 924/924 turbo, Porsche 928 78-85, Audi 80 GTE, Volkswagen Scirocco GTi/GLi, Audi 100 5E, Volkswagen Golf GTi, Mercedes-Benz W116 (SE), Ford Capri/Granada 2.8, Ford Escort RS/XR3i 1.6, Ferrari 512BB и другие.

Jetronic - коммерческое название систем подачи топлива (СВТ), разработанных и разрабатываемых немецкой компанией Robert Bosch GmbH для автомобильных бензиновых двигателей. Такие системы широко применялись в автомобилях европейских производителей с конца 1960-х до 2000-х годов.
Различные системы Jetronic в том или ином исполнении использовали все без исключения европейские производители автомобилей.

В настоящее время систему впрыска K-Jetronic почти полностью вытеснили более совершенные системы питания, управляемые электроникой. K-Jetronic оказалась очень сложной по устройству и изготовлению, а потому дорогой и требующей квалифицированного обслуживания системой. Её применяли лишь на относительно дорогих легковых автомобилях. И как только электронные цифровые модули управления вышли на новый уровень возможностей и надёжности, механическая система впрыска K-Jetronic почти сразу оказалась забыта.

В системе впрыска K-Jetronic топливо под давлением поступает к форсункам, установленным перед впускными клапанами во впускном трубопроводе (коллекторе). Форсунки непрерывно распыляют топливо, поступающее под давлением. При этом давление топлива и его расход зависят от нагрузки двигателя (разрежения во впускном коллекторе) и температуры охлаждающей жидкости.

система питания K-Jetronic

Количество подводимого воздуха постоянно измеряется расходомером, а количество впрыскиваемого топлива строго пропорционально (1:14,7) количеству поступающего воздуха (за исключением таких режимов работы двигателя, как пуск холодного двигателя, холостой ход, работа при полной нагрузке и т. д.) и регулируется дозатором-распределителем топлива.
Дозатор-распределитель (или регулятор состава и количества горючей смеси) состоит из регулятора количества топлива и расходомера воздуха. Регулирование количества топлива обеспечивается распределителем, управляемым расходомером воздуха и регулятором управляющего давления.
Воздействие регулятора управляющего давления определяется величиной подводимого к нему разрежения во впускном трубопроводе и температурой жидкости в системе охлаждения двигателя.

В поздних модификациях - KE-Jetronic - эта система была дополнена различными электроклапанами и лямбда-зондом для обратной связи в случае применения на автомобилях, оснащенных трёхкомпонентным катализатором. Тем не менее, в таких конструкциях электронике были отведены лишь вспомогательные функции.

Главная дозирующая система и система холостого хода

Топливный электронасос 11 (рис. 1) засасывает топливо из бака 8 и подает его под давлением примерно 0,5 МПа через накопитель 10 и фильтр 9 к каналу А дозатора-распределителя топлива 6. При карбюраторном питании управление двигателем осуществляется воздействием на дроссельную заслонку посредством педали акселератора, при этом дроссельная заслонка регулирует количество подаваемой в цилиндры двигателя горючей смеси, а при системе впрыска дроссельная заслонка 4 регулирует только подачу чистого воздуха.

система питания K-Jetronic

Для того, чтобы установить требуемое соотношение между количеством поступающего воздуха и впрыскиваемого топлива используется расходомер воздуха с напорным диском 5 и дозатор-распределитель топлива 6.
В действительности расходомер не замеряет буквально расход воздуха, просто его напорный диск перемещается пропорционально изменению расхода воздуха (т. е. в зависимости от напора воздуха диск может смещаться в большей или меньшей степени). В этом устройстве использован принцип действия физического прибора, известного под названием трубка Вентури и применяемого для измерения расхода жидкостей и газов.

Расходомер воздуха системы впрыска топлива представляет собой прецензионный (очень точный) механизм. Очень легкий напорный диск расходомера (толщина примерно 1 мм, диаметр 100 мм) крепится к рычагу, с другой стороны которого установлен балансир, уравновешивающий всю систему. Поскольку ось вращения рычага лежит в опорах с минимальным трением (на миниатюрных подшипниках качения), диск очень чутко реагирует ан изменения расхода воздуха.

На оси вращения рычага напорного диска 5 закреплен второй рычаг с роликом. Ролик упирается непосредственно в нижний конец плунжера дозатора-распределителя 6. Наличие второго рычага с регулировочным винтом позволяет менять относительное положение рычагов, а значит, напорного диска и упорного ролика (плунжера распределителя) и, как следствие, состав горючей смеси. Положение винта регулируется на предприятии-изготовителе. На некоторых автомобилях, например фирмы BMW, при необходимости этим винтом можно отрегулировать содержание оксида углерода (СО) в отработавших газах (при его завертывании смесь обедняется).

Механическая система расходомер воздуха – дозатор-распределитель обеспечивает только соответствие перемещений напорного диска и плунжера распределителя. Трубка Вентрури обеспечивает линейную зависимость перемещения напорного диска от расхода воздуха, а простейший по форме плунжера распределитель линейной зависимости между перемещением плунжера и расходом топлива не дает. Для получения линейной зависимости применяют специальную систему дифференциальных клапанов.

Из дозатора-распределителя топливо по каналам Е поступает к форсункам впрыска 1. Перемещение напорного диска 5 вызывает перемещение плунжера распределителя 6. Взаимосвязь перемещений плунжера и дифференциальных клапанов обеспечивает стехиометрическое (т. е. оптимальное) соотношение воздуха и топлива в горючей смеси. Поскольку автомобильный двигатель должен быть приспособлен к различным режимам работы, смесь при соответствующих режимах нужно или обогащать, или обеднять.

Для получения соответствия состава горючей смеси режиму работы двигателя в системе впрыска со стороны верхней части плунжера в распределитель по каналу С подходит управляющее давление, величина которого определяется регулятором управляющего давления 12. Управляющее давление в зависимости от режима работы двигателя имеет бόльшую или меньшую величину. В первом случае сопротивление перемещению плунжера увеличивается – смесь обедняется, во втором случае, напротив, сопротивление перемещению плунжера уменьшается – смесь становится богаче.

Одним из режимов работы автомобильного двигателя является резкое открытие дроссельной заслонки. При системе впрыска обогащение обеспечивается почти мгновенной реакцией напорного диска 5.

Топливный электронасос 11 начинает работать только при включенном зажигании и вращающемся коленчатом вале и продолжает работать независимо от частоты вращения коленчатого вала двигателя. Насос имеет двукратный запас по давлению и десятикратный по подаче, поэтому в системе впрыска в дозатор-распределитель 6 встроен специальный регулятор 7 давления питания. Регулятор соединен с каналом А (подвод топлива), по каналу В производится слив излишества топлива в бак. Канал D соединен с регулятором управляющего давления 12.

Холостой ход на инжекторных двигателях также регулируется двумя винтами: винтом качества (состава) горючей смеси, которым регулируют содержание оксида углерода в отработавших газах, и винтом количества смеси 2, которым устанавливается частота вращения коленчатого вала двигателя на холостом ходу.

Система пуска

При пуске двигателя топливный электронасос 11 практически мгновенно создает давление в системе. Если двигатель прогрет (температура не ниже 35 ˚С), термореле 14 выключает электромагнитную пусковую форсунку 13.
В момент пуска холодного двигателя и в течение определенного времени пусковая форсунка впрыскивает во впускной коллектор дополнительное количество топлива.
Продолжительность работы пусковой форсунки определяет термореле 14 в зависимости от температуры охлаждающей жидкости.
Клапан 3 обеспечивает подвод к двигателю дополнительного количества воздуха для повышения частоты вращения коленчатого вала холодного двигателя на холостом ходу.

Дополнительное обогащение горючей смеси при пуске и прогреве холодного двигателя достигается за счет более свободного подъема плунжера распределителя дозатора-распределителя благодаря тому, что регулятор управляющего давления 12 снижает над плунжером противодействующее давление возврата.
Таким образом, если двигатель уже прогрет, то питание осуществляется только через главную дозирующую систему и систему холостого хода, при этом термореле 14,электромагнитная пусковая форсунка 13 и клапан добавочно воздуха 3 в работе не участвуют.
При пуске и прогреве холодного двигателя все перечисленные элементы системы впрыска включаются в работу, обеспечивая надежный пуск и стабильную работу двигателя на холостом ходу.

Топливный насос

Топливный электронасос 11 – ротационного роликового типа, одно- или многосекционный. Роликовый насос отличается от ротационного лопастного насоса тем, что вместо лопастей в пазы ротора вставлены ролики (иголки), что позволяет снизить силы трения между рабочими элементами и статором насоса, поскольку трение скольжения заменяет трение качения. Для топливного бензонасоса это особенно важно в связи с отсутствием у бензина смазывающей способности.
Перекатываясь в статоре насоса, ролики, дважды попадая в цилиндрические выемки статора, обеспечивают всасывание и нагнетание топлива, перемещая его от одной полости к другой.

На входе топливного насоса предусмотрена фильтрующая сетка, которая предназначена для задержания крупных посторонних частиц. Топливный электронасос может располагаться как вне бака, так и быть непосредственно погруженным в топливо в баке.
Внешне топливный электронасос напоминает катушку зажигания и представляет собой единый агрегат, объединяющий электродвигатель постоянного тока и топливный насос. Особенностью такой конструкции является то, что топливо омывает все «внутренности» электродвигателя: якорь, коллектор, щетки, статор.
Насос имеет два клапана: предохранительный, соединяющий полости нагнетания и всасывания, и обратный, который препятствует сливу топлива из системы.
Давление, развиваемое электронасосом (или давление в системе), примерно 0,5 МПа.

Накопитель топлива

Накопитель топлива представляет собой пружинный гидроаккумулятор, предназначенный для поддержания давления в системе при остановленном двигателе и выключенном топливном насосе в течение некоторого времени. Поддержание остаточного давления препятствует образованию в трубопроводах паровых пробок, которые затрудняют пуск (особенно горячего двигателя).
Накопитель топлива устанавливается в системе вслед за топливным насосом и имеет в своей конструкции три полости: верхнюю, в которой размещена пружина; среднюю накопительную (вместимостью 20…40 см3); нижнюю с двумя (подводящим и отводящим) каналами или с одним каналом, выполняющим обе функции.
Накопительная и верхняя часть полости разделены гибкой диафрагмой, а накопительная и нижняя – перегородкой.

После включения топливного насоса накопительная полость чрез пластинчатый клапан в перегородке заполняется топливом, при этом диафрагма прогибается вверх до упора, сжимая пружину.
В связи с тем, что топливо, как и всякая жидкость, практически несжимаемо, малейшие утечки приводят к значительному падению давления в системе. Поэтому после остановки двигателя вступает в работу накопитель. Пружина, действуя на диафрагму, вытесняет топливо из накопительной полости через дросселирующее отверстие в перегородке накопителя 10 топлива.

При рабочем давлении в системе 0,54…0,62 МПа остаточное давление спустя 10 минут после остановки двигателя составляет не менее 0,34 МПа, а после 20 минут – 0,33 МПа; при рабочем давлении в системе 0,47…0,52 МПа через 10 минут - 0,18…0,26 МПа, через 20 минут – 0,16 МПа.

Топливный фильтр

Топливный фильтр 9 размещен в магистрали системы питания за топливным электронасосом, поэтому крупные частицы и посторонние механические примеси, содержащиеся в топливном баке, улавливает, преимущественно, сетчатый фильтр бензонасоса.
Тонкую очистку осуществляет специальный фильтр, значение которого в инжекторных двигателях исключительно велико. Не будет великим преувеличением, что от состояния топливного фильтра во многом зависят не только динамические и экономические показатели двигателя, но и срок его межремонтной службы.
По этой причине, эксплуатируя бензиновый двигатель с любой системой впрыска топлива, необходимо повышенное внимание уделять чистоте бензина и состоянию фильтрующих элементов системы питания в целом.

Топливный фильтр инжекторного двигателя по пропускной способности в несколько раз превышает фильтры тонкой очистки топлива карбюраторного двигателя, и внешне похож на масляный фильтр, поскольку имеет металлический неразборный корпус, оснащенный штуцерами входа и выхода.
При хорошем качестве используемого топлива срок службы топливного фильтра составляет до 50 тыс. км.

Поскольку в системах впрыска чистоте топлива уделяется особое внимание, кроме штатного топливного фильтра и сетки топливозаборника электронасоса предусмотрены фильтрующие сетки на входе в каждый элемент системы питания.
В системе впрыска K-Jetronic фильтрующие сетки обычно устанавливают на гильзе распределителя 6, а также в штуцерах каналов Е. Выпадению посторонних частиц из топлива способствует специальная конфигурация каналов в дозаторе-распределителе.




Дозатор-распределитель

Дозатор-распределитель (рис. 2, а) дозирует и распределяет топливо, поступившее через фильтр от насоса к каналу А, о форсункам (инжекторам) цилиндров двигателя (каналы Е). Перемещение плунжера распределителя происходит в соответствии с перемещениями напорного диска расходомера воздуха, который в свою очередь перемещается в соответствии с расходом воздуха или открытием дроссельной заслонки.
Плунжер 11 перемещается в гильзе 10 с отверстиями. Каких-либо уплотнений в этой паре не предусмотрено и герметичность обеспечивается минимальными зазорами в сопряжении, точностью формы и чистотой сопрягаемых поверхностей деталей.
Гильза вставляется в корпус с большим зазором, а уплотнение обеспечивается резиновым кольцом, установленным в канавке гильзы.

устройство и работа системы впрыска K-Jetronic

На плунжер снизу действует рычаг напорного диска 5 (см. рис. 1), сверху – управляющее давление. Между распределителем и выходными каналами Е (см. рис. 2, а) располагаются дифференциальные клапаны, которые необходимы для получения линейной зависимости между перемещением плунжера и расходом топлива, поступающего к форсункам.
Дифференциальный клапан – это клапан с двумя камерами с разным уровнем давления и разделенный гибкой диафрагмой.

Нижние камеры 12 дифференциальных клапанов соединены кольцевым каналом и находятся под рабочим давлением. На стальную диафрагму 8 снизу действует рабочее давление, а сверху – сила сжатия пружины, упирающейся вверху в корпус 3, а внизу – в специальное седло и диафрагму.
При поступлении топлива в верхнюю камеру 2 (рис. 2, б) к усилию пружины добавляется давление топлива и диафрагма прогибается вниз, увеличивая походное сечение. Вследствие этого давление в верхней камере падает, диафрагма выпрямляется, в результате получается динамическое равновесие или так самая необходимая линейная (прямо пропорциональная) зависимость между перемещением плунжера и поступлением топлива к форсункам.

Данное регулирование состава горючей смеси относится к частичным нагрузкам или обычной работе двигателя (по аналогии с работой главной дозирующей системы карбюратора). Существуют и другие режимы: холодный пуск, холостой ход, полная нагрузка (рис. 2, в). Приспособляемость к этим режимам «по воздуху» (т. е. по количеству поступившего в цилиндры воздуха) предусмотрена в расходомере благодаря форме и сечению направляющего устройства.

В дозаторе- распределителе предусмотрены также приспособляемость «по бензину», осуществляемая подводом к плунжеру сверху через демпфирующий дроссель 4 управляющего давления. Чем больше управляющее давление, тем больше усилие, препятствующее подъему плунжера, соответственно с уменьшением управляющего давления уменьшается сила, препятствующая его подъему.
Постоянное по величине давление топлива в системе поддерживает регулятор давления. В случае повышения давления поршень 6 регулятора давления, сжимая пружину, перемещается вправо и позволяет излишку топлива через канал В возвратиться в топливный бак (рис. 2, г). Давление топлива в системе уравновешивается пружиной поршня 6 и остается постоянным.

При остановке двигателя топливный насос выключается. Давление системы быстро снижается и становится ниже величины давления открытия клапанной форсунки, сливное отверстие закрывается с помощью подпружиненного поршня 6 регулятора давления.
В регулятор давления встроен толчковый клапан 5, который приводится в движение поршнем 6 регулятора давления (открывается). Толчковый клапан работает совместно с регулятором управляющего давления.

Регулятор управляющего давления

Регулятор управляющего давления (рис. 2, д) измеряет управляющее давление в основном на режимах холодного пуска, прогрева на холостом ходу и полной нагрузке. Регулятор имеет две диафрагмы – верхнюю 16 и нижнюю 18. В средней части верхней диафрагмы имеется клапан, перекрывающий канал слива топлива, по которому топливо через регулятор давления возвращается в топливный бак.

Регулятор крепится к блоку цилиндров и нагревается от него. Кроме того ,биметаллическая пружина 17 имеет электрический подогрев, чтобы при затрудненном пуске не допустить переобогащения горючей смеси. Регулятор управляющего давления без нижней диафрагмы 18 (без подвода разрежения) и внутренней цилиндрической пружины называется регулятором подогрева и работает только при прогреве двигателя.
Биметаллическая пластинчатая пружина 17 при температуре 35…40 ˚С прогибает диафрагму 16 вниз, соединяя два канала, расположенные над диафрагмой, при этом сжимаются две цилиндрические пружины у диафрагмы 18.
По мере прогрева двигателя управляющее давление повышается, так как биметаллическая пружина начинает постепенно выгибаться вверх, разгружая цилиндрические пружины и уменьшая прогиб диафрагмы 16 вниз.
При температуре примерно 35…40 ˚С пружина 17 полностью освобождает диафрагму и канал слива закрывается.

Положение нижней диафрагмы 18 определяется разрежением, подводимым через дроссель 9, и атмосферным давлением – через дроссель 20.

На холостом ходу и при частичных нагрузках дроссельная заслонка прикрыта, поэтому за ней устанавливается пониженное давление. Нижняя диафрагма 18 атмосферным давлением прижимается к верхнему упору, при этом внутренняя цилиндрическая пружина сжимается.

При работе прогретого двигателя при частичных нагрузках (обычный режим, соответствующий работе главной дозирующей системы карбюраторного двигателя) пластинчатая биметаллическая пружина 17 выгибается вверх и на верхнюю диафрагму уже не воздействует.
Нижняя диафрагма 18 при частичных нагрузках при подводе разрежения атмосферным давлением также прижимается к верхнему упору. При этом внутренняя цилиндрическая пружина находится в сжатом состоянии, внизу упирается в диафрагму 18, вверху через клапан верхней диафрагмы 16 – в корпус.
Верхняя диафрагма 16 находится под действием следующих сил: снизу – суммарного усилия двух пружин, сверху – усилия, определяемого давлением, подводимым через дроссель 20 в кольцевой канал над диафрагмой. Усилием двух сжатых пружин определяется максимальная величина управляющего давления.

Режим полной нагрузки

Режим полной нагрузки характеризуется тем, что дроссельная заслонка открыта полностью, разрежение за ней уменьшается, т. е. повышается давление. Нижняя диафрагма 18 перемещается в крайнее положение до упора, благодаря чему усилие внутренней цилиндрической пружины резко снижается.
Под действием давления верхняя диафрагма 16 прогибается вниз, в результате управляющее давление снижается и горючая смесь обогащается.

Для обеспечения пуска и прогрева двигателя в системе впрыска K-Jetronic предусмотрены электромагнитная пусковая форсунка 13 (см. рис. 1), термореле (тепловое реле времени) 14, клапан дополнительной подачи воздуха (клапан добавочного воздуха 3) и регулятор управляющего давления 12 (корректор подогрева).

Пусковая форсунка

Пусковая форсунка предназначена для впрыска во впускной коллектор дополнительного количества топлива в момент пуска холодного двигателя и работает совместно с термореле 14, которое управляет ее электрической цепью в зависимости от температуры двигателя и продолжительности его пуска.

Термореле

Термореле имеет нормально замкнутые контакты, один из которых соединен с «массой», другой установлен на биметаллической пластине. Электрический подогрев пластины осуществляется чрез клемму «50» (реле стартера) выключателя зажигания или через реле пуска холодного двигателя.
В первом случае подогрев действует только при включении стартера, во втором – более длительно. При замкнутых контактах термореле идет питание пусковой форсунки с электромагнитным управлением, т. е. при замкнутых контактах термореле пусковая форсунка открыта и осуществляется впрыск добавочного топлива.

Время впрыска топлива пусковой форсункой в зависимости от температуры двигателя (охлаждающей жидкости) составляет 1…8 с. За это время биметаллическая пластина вследствие электрического подогрева деформируется настолько, что контакты термореле размыкаются, электропитание пусковой форсунки прекращается и дальнейшего обогащения смеси не происходит.
При пуске теплого двигателя не включается подогрев биметаллической пластины и не включается пусковая форсунка, поскольку контакты термореле разомкнуты из-за положения биметаллической пластины. Питание при пуске теплого двигателя осуществляется рабочими форсунками.

Пуск холодного двигателя

При пуске холодного двигателя и его прогреве для устойчивой работы двигателя необходимо небольшое обогащение горючей смеси. Для этого в системе впрыска предусмотрены устройства, одним из которых является клапан добавочного воздуха 3.
На холодном двигателе диафрагма клапана добавочного воздуха удерживается биметаллической пластиной в верхнем положении, клапан открыт и воздух поступает в обход дроссельной заслонки.
По мере прогрева биметаллическая пластина изгибается вниз, в результате чего канал подачи дополнительного воздуха перекрывается. Биметаллическая пластина клапана добавочного воздуха обогревается за счет теплоты, выделяемой специальной электрической спиралью и работающим двигателем.

Клапан добавочного воздуха при прогреве увеличивает только количество подаваемого воздуха. Получение обогащенной смеси осуществляется двумя способами. Первый заключается в том, что добавочный воздух фиксируется расходомером, его напорный диск 5 перемещается и через рычаг действует на плунжер распределителя, поднимая его вверх, смесь обогащается.
Второй способ заключается в том, что на холодном двигателе включается в работу регулятор 7 давления питания. Биметаллическая пластина регулятора сжимает пружину диафрагменного клапана, открывая канал слива топлива, что приводит к уменьшению противодействия на плунжере распределителя. Уменьшение управляющего давления при неизменном расходе воздуха вызывает увеличение хода напорного диска 5.
Вследствие этого распределительный плунжер дополнительно приподнимается, увеличивая количество топлива, подаваемого к форсункам.

Форсунки впрыска

Форсунки впрыска 1 открываются автоматически под давлением и не осуществляют дозирование топлива. Угол конуса распыливания топлива составляет примерно 35˚ (у пусковой форсунки он равен 80˚).
Форсунки, выпускаемые для систем впрыска, очень разнообразны по конструкции и разрабатываются для каждой модели автомобиля или двигателя. Наиболее часто встречающиеся диапазон давления открытия форсунок (начало впрыска): 0,27…0,38; 0,30…0,41; 0,32…0,37; 0,43…0,46; 0,45…0,52 МПа.
Важным показателем форсунки впрыска является давление, соответствующее закрытому состоянию форсунок, например, на автомобиле с диапазоном начала открытия форсунок 0,45…0,52 МПа давление соответствующее закрытому состоянию (давление слива) установлено 0,25 МПа.

Для контроля давления слива нужно установить давление 0,2 МПа и подсчитать число капель топлива, появившихся из распылителя форсунки за одну минуту. Как правило, допускается только одна капля. При плохом качестве топлива давление слива резко падает, что может затруднить пуск двигателя, особенно горячего.

Иногда клапанные форсунки впрыска могут быть оснащены дополнительным подводом воздуха. Воздух забирается перед дроссельной заслонкой (давление здесь выше, чем у форсунки) и по специальному каналу подается в держатель каждой форсунки. Эта система способствует улучшению смесеобразования на холостом ходу, так как образование горючей смеси начинается уже в держателе форсунки. Лучшее смесеобразование обеспечивает лучшее сгорание и соответственно меньший расход топлива, и снижение токсичности отработавших газов.

Форсунки во впускной коллектор могут быть установлены на резьбе или запрессованы. В последнем случае их демонтаж требует приложения довольно значительного усилия или использования специальных приспособлений, а также нагрева демонтируемых узлов.

***

Система распределенного впрыска L-Jetronic