Моторы непосредственного впрыска

ЭЛЕМЕНТЫ КОНСТРУКЦИИ

В предыдущих статьях были рассмотрены принципы построения камер сгорания данных двигателей и особенности работы их ТНВД (Топливных Насосов Высокого Давления). Напомню в двух словах: моторы непосредственного впрыска завоевывают автомобильный рынок благодаря своей экологичности. Увы, это требование времени. Несмотря на появление гибридных схем построения силового привода (электромотор + бензиновый двигатель), моторы GDI и FSI (наиболее распространены на данный момент) не сдают своих позиций. Классические системы впрыска уже не в состоянии обеспечить все более ужесточающиеся нормы выхлопа. ЕВРО-3 -уже давно пройденный этап для развитых стран. ЕВРО-4 (ЕВРО-5 и ЕВРО-6 не за горами) - реалии современных дней.

Двигатели непосредственного впрыска по принципам действия занимают промежуточное положение между бензиновыми и дизельными двигателями (впрыск во впускной коллектор и последующий воспламеняем от свечи зажигания и впрыск в цилиндр на такте сжатия при последующем его самовоспламенении). Применение дизельных технологий в построении бензиновых моторов (впрыск топлива под высоким давлением непосредственно в камеру сгорания) позволило резко улучшить качество распыла - как следствие, более полное сгорание смеси, недоступное для классических систем впрыска во впускной коллектор.

Дальше всех продвинулся немецкий концерн VAG вышедших на рынок с моторами TSI.

Это версия моторов FSI, оснащенных турбонаддувом. О повышении термодинамического КПД (как следствие, повышении мощности и снижении расхода топлива) писалось во многих периодических изданиях и Интернете. Распространенное заблуждение о том, что двигатель с турбонаддувом "кушает" больше своего атмосферного собрата - не более чем миф. Таким образом, моторы TSI завоевывают рынок как наиболее мощные, экономичные и не загрязняющие окружающую среду.

Итак, какие сложности возникли при разработке данных моторов? Сточки зрения теории, все просто: впрыснули бензин в камеру сгорания под высоким давлением, подожгли. На практике все оказалось не так просто. Разработать насос на основе плунжерных пар, работающих без смазки, оказалось достаточно сложно чисто технологически. ТНВД дизелей смазывается соляркой. На ощупь ее пробовали? Жирная, смазывает хорошо. А бензин? Все сушит! Высокий уровень современных технологий позволил решить этот вопрос - создать плунжерную пару, способную работать в среде бензина.

Осталось одно слабое звено.

ФОРСУНКА

Так же, как у дизельных моторов, ее распылитель располагается в камере сгорания. Подвергается высоким знакопеременным температурным нагрузкам и давлениям. Только в отличие от дизельной форсунки, ничем не смазывается. Но есть и другая беда. Если время открытия форсунки на обычных автомобилях составляет порядка 2-4 mS, то на моторах GDI в режиме сверхбедных смесей оно равно 0,5 mS! Так что, несмотря на свою кажущуюся простоту, это очень сложный узел. Думаю, не надо вам рассказывать его устройство. Электромагнит создает магнитное поле, оно втягивает сердечник, он открывает иглу распылителя, и бензин под давлением поступает в камеру сгорания.

При подаче напряжения на форсунку (по ее обмотке начинает протекать ток) возникает нарастающее магнитное поле. Это поле вызывает появление ЭДС противоиндукции. Как себя ведет магнитное поле (и ток) в катушке, и главное, как поднимается игла распылителя - лучше показать на графике. Она поднимается не сразу. И опускается не мгновенно. Время задержки поднимания и опускания иглы носит название "время отклика". Производительность форсунки, когда распылитель еще не открыт, но уже не закрыт, не ведома никому. Над уменьшением этого времени бьются производители как и бензиновых форсунок, так и дизельных форсунок Common Rail.

Для повышения быстродействия форсунок (уменьшения времени отклика) применяется метод управления, получивший название РЕАСК and HOLD.

Фаза РЕАСК

На форсунку подается повышенное напряжение. Магнитное поле нарастает быстро. Подъем иглы распылителя значительно ускоряется.

Фаза HOLD

Фаза удержания. Ток значительно уменьшается. Держится на уровне удержания иглы распылителя в открытом положении.

Принципиально разделяются 2 схемы построения управления данными форсунками.

1. Японские концерны (Моторы GDI) -применяют форсунки сопротивлением 2,0 Ома и 0,9 Ома. В фазе РЕАСК напряжение на них составляет порядка 100 вольт. Эта фаза по длительности кратковременна. Представляете себе, что будет, если она продлится долго?! Ток достигнет немыслимых величин, и форсунка выйдет из строя. В фазе HOLD падает до пары вольт. Этот ток удержания форсунка выдержать способна. Устройство, которое формирует эти импульсы, носит название Электронный Блок Управления Форсунками или Драйвер Инжекторов (Driver Injector). На моторах GDI располагается на полочке под ветровым стеклом либо рядом с чашкой амортизатора. При выходе его из строя выход из строя форсунок неизбежен.

2. Немецкие концерны (FSI) применяют очень низкоомные форсунки. Их сопротивление составляет порядка нескольких десятых долей Ома. В фазе РЕАСК напряжение на них составляет 12 вольт. В фазе HOLD подача 12 вольт становится прерывистой - средний ток уменьшается. Драйвер инжекторов располагают в блоке управления.

В обеих схемах ток через форсунку приобретает следующий вид:

При протекании тока через форсунку в ней образуется магнитное поле. Именно оно поднимает сердечник с иглой клапана-распылителя. При выключении форсунки это магнитное поле создает ЭДС самоиндукции. Прикладывается к переходу "коллектор - эмиттер" выходного каскада и создает на выходном транзисторе дополнительную нагрузку. Для ее уменьшения предусмотрен ограничительный стабилитрон. Порог ограничения выбран на уровне 75, 50 или 0,5 вольт. На приведенной схеме 2 (БОШ) очень хорошо видно это ограничение.

Отсутствие индуктивного выброса однозначно говорит о наличии короткозамкнутых витков в обмотке форсунки.

Снятие форсунок для промывки на моторах GDI (и других японских концернов) не представляет никаких сложностей.

Немецкие концерны не смогли обеспечить достаточную точность центрирования своих форсунок без помощи дополнительных приспособлений. В отличие от своих японских коллег; им пришлось применять пластиковые центрирующие втулки. В непосредственном контакте с камерой сгорания - затвердевает. Снятие форсунок моторов FSI и TSI влечет за собой замену этих втулок, так как при этой операции они очень часто разрушаются.

Чистка форсунок должна производиться химическим путем каждые 15-20 тыс. км. При невыполнении этого условия образуются твердые отложения, справиться с которыми может только ультразвук. Химия становится бессильной. Если форсунки японских концернов им очищать можно, то с форсунками немецких концернов надо быть осторожнее. Как правило, имеют тефлоновое покрытие. Без принятия определенных мер возможно его повреждение. Вот почему производителями моторов FSI при нарушениях норм обслуживания рекомендуют замену форсунок при пробеге 100 тыс. км.

И в заключении, нельзя не отметить непременный атрибут моторов непосредственного впрыска

Электронно-управляемый привод дроссельной заслонкой

Ставится на многих автомобилях. Fie только на моторах непосредственного впрыска. Flo для этих моторов является необходимой системой. Что это такое и для чего нужно?

Для обеспечения все возрастающих норм по экологии, появилось желание возложить на блок управления не только контроль подачи топлива, но и также контроль над подачей воздуха. Первоначально моторы GDI для привода дроссельной заслонки использовали обычный тросик. К сожалению, он не обеспечивал достаточной стабильности ее положения. Как следствие, состав смеси мог колебаться. Flaчинaя с 1997 года, было принято решение устанавливать на этих моторах электронный привод. Моторы FSI и TSI использовали его изначально.

Как построена эта система?

Нажимая на педаль газа, водитель с помощью датчика положения педали газа (APS - немецкие концерны любят ее называть АРР) сообщает блоку управления (ЭБУ) о своих намерениях: на какую величину он хочет открыть дроссель. Блок управления подает команду на мотор привода дроссельной заслонки (ЕТМ). Мотор ЕТМ крутит дроссельную заслонку до тех пор, пока датчик положения дроссельной заслонки (TPS) не сообщит ЭБУ, что заданное положение дросселя достигнуто.

Для повышения точности и надежности работы этой системы, датчики APS (АРР) и TPS сделаны двойными. Сравнивая показания обоих половинокэтихдатчиков, блок управления постоянно контролирует их исправность. Обработка сигнала ведется также по двум каналам (на схеме они обозначены (1) и (2)). Также реальное положение дросселя сравнивается с фактическим расходом воздуха. Исправность самого привода проверяется сравнением сигналов, подаваемым на ЕТМ и реакцией TPS.

При несоответствии хотя бы одного из этих параметров, двигатель переводится в аварийный режим. Держит постоянно 1000 оборотов в минуту и на педаль газа не реагирует.

Для вывода системы из аварийного режима требуется устранение всех дефектов и проведение адаптации дроссельной заслонки.

Ф. Рязанов, "Автомастер"