0 просмотров
Рейтинг статьи
1 звезда2 звезды3 звезды4 звезды5 звезд
Загрузка...

Toyota D-4 — система непосредственного впрыска

Система непосредственного впрыска топлива (GDI) является одним из видов систем впрыска, который распыляет бензин непосредственно в камеру сгорания. Как и у двигателей, оснащенных системой распределенного впрыска (MFI), в системе непосредственного впрыска есть отдельная топливная форсунка для каждого из цилиндров двигателя. Но вместо монтажа форсунки на впускном коллекторе, форсунки GDI установлены прямо на головке цилиндров и распыляют топливо непосредственно в камеру сгорания.

Топливо, минуя впускные клапана, поступает в цилиндр в виде тумана под высоким давлением. Топливо может быть подано в любой момент во время такта впуска, если нагрузка на двигатель низкая, подачу можно отключить или снизить до минимума.

Первый серийный двигатель с непосредственным впрыском был изготовлен Daimler – Benz. Mitsubishi первым применила электронно-управляемый непосредственный впрыск.

Принцип работы непосредственного впрыска топлива

Непосредственный впрыск топлива — разновидность распределенного впрыска, применяемая в наиболее современных двухтактных и четырехтактных двигателях внутреннего сгорания.

Наиболее широкое распространение система получила в современных дизельных двигателях, так как дизельное топливо тяжелее бензина, и проблема оптимизации сгорания для них более актуальна

В системах непосредственного впрыска топливо сначала аккумулируется в магистрали под высоким давлением (более высоким, чем в обыкновенных инжекторных системах), а затем при помощи форсунок впрыскивается непосредственно в цилиндры, то есть в камеру сгорания, куда заранее уже закачан воздух.

При непосредственном впрыске топливо-воздушная смесь преднамеренно обеднена, что способствует повышению экономичности двигателя. При этом проблема снижения мощности решается за счет более эффективного распрыскивания топлива. Одно и то же количество топлива в зависимости от размера капель при распрыскивании сгорает по разному. Мелкие капли, смешавшись с воздухом, образуют в камере сгорания туман, в котором пламя распространяется равномерно. Топливо при таком распрыскивании сгорает практически без остатка, и продуктов сгорания почти не остается. При таком сгорании меньшая доза топлива отдает столько же тепла, сколько отдает большая доза при распрыскивании относительно крупными каплями. В последнее время исследования по оптимизации сгорания продолжаются. Наиболее перспективным направлением считается развитие послойного впрыска. Топливо при послойном впрыске попадает в камеру сгорания несколькими частями с очень малым интервалом. Этот алгоритм позволил добиться дополнительной оптимизации сгорании топлива.

Единственный недостаток непосредственного впрыска — усложнение конструкции и увеличение себестоимости компонентов. Производителям приходится проводить отладку системы уже после начала продаж

Дополнительная экономия достигается за счет точной дозировки топлива и открытия форсунок в строго определенное время. Благодаря компьютерному управлению момент и период открытия форсунок могут оперативно изменяться в зависимости от текущей нагрузки на двигатель.

В системах непосредственного впрыска основной упор сделан на дозировку топлива, поэтому роль дроссельной заслонки в регулировке состава смеси постепенно сходит на нет. По сути, в системах, подобных Valvetronic компании BMW, VVEL фирмы Nissan, Valvematic фирмы Toyota или MultiAir производства Fiat, дроссельная заслонка перестала быть главным инструментом, регулирующим поток воздуха, попадающего в камеру сгорания. Помимо системы дозировки топлива, функцию дроссельной заслонки отчасти взяла на себя система интеллектуального контроля фаз газораспределения.

Непосредственный впрыск конструктивно сближает систему впуска бензинового и дизельного двигателей

Благодаря применению непосредственного впрыска топлива появилась возможность заложить в блок управления разные программы управления впрыском и зажиганием, регулирующие работу режима в основных режимах, как правило, в трех — холостые обороты (и близкие к ним), движение под большой нагрузкой, движение при малой нагрузке. В каждом из этих режимов количество топлива в смеси разное. В режиме преднамеренно обедненной смеси достигается наибольшая экономичность, в стехиометрическом (то есть близком к оптимальному) сохраняется уверенная тяга при средней нагрузке, в форсированном — двигатель развивает максимальную мощность. Во время движения автомобиля блок управления двигателем постоянно меняет эти режимы, в зависимости от ситуации.

Варианты решения: ГБО на прямой впрыск

Распространение моторов с непосредственным впрыском заставило производителей ГБО разрабатывать специальные комплекты оборудования. Газовые форсунки при этом подают топливо, как и в классической схеме, во впускной коллектор. Но при работе двигателя на газовом топливе, через бензиновую форсунку в камеру сгорания подается минимальная порция бензина. Управляет всем этим процессом специальный контроллер, который отвечает не только за впрыск газа, но и руководит работой бензиновой топливной системы, обеспечивая постоянное управление пропорциями подачи двух топлив.

При таком бинарном режиме смеси, бензина в камеру сгорания поступает всего 10-15%, но этого вполне достаточно, чтобы бензиновая форсунка охлаждалась. Соответственно оставшиеся 85-90% топлива это газ. Это соотношение незначительно изменяется в различных нагрузочных режимах двигателя, ведь газовый ЭБУ управляя работой и газовой и бензиновой системы впрыска, корректирует состав топливной смеси для обеспечения оптимальных эксплуатационных характеристик. Таким образом, работа на газовом топливе современных автомобилей с двигателями FSI, TSI, TFSI и т.д. позволяет добиться максимальной эффективности без потери мощности.

Toyota D-4 — система непосредственного впрыска

Идея непосредственного впрыска топлива в цилиндры достаточно давно и полно изучена и отработана в дизельном двигателе. В бензиновых ДВС непосредственный впрыск стал применяться совсем недавно. Этому есть ряд причин, главная из которых — высокая сложность реализации

1. Предварительные замечания

Непосредственный впрыск бензина в цилиндры (или в камеры сгорания) ДВС имеет ряд преимуществ по сравнению с впрыском во впускной коллектор (в системах группы «Mono») или на впускные клапаны (в системах группы «K» и «L»). Эти преимущества следующие:
— впрыск бензина в цилиндр реализуется под высоким давлением, чем достигается значительное измельчение его капель и высокая кинетическая энергия струи впрыска;
-имеет место полная равномерность распределения топлива по цилиндрам;
-происходит внутреннее смесеобразование;
-обеспечивается перемешивание компонентов топливовоздушной смеси на молекулярном уровне. Системы непосредственного впрыска бензина в цилиндры (или в камеры сгорания) объединяют в группу «D», которая получила свой индекс от немецкого слова «direkt», что означает «непосредственный».

Читать еще:  Тесты летних шин 2021 года

Двигатели с такой системой топливного питания исключительно экономичны. Но широкому внедрению систем впрыска группы «D» препятствует их высокая конструктивная сложность, а также значительная трудоемкость при ремонте и наладке.
Из-за низких смазывающих свойств бензина топливный насос высокого давления (основной компонент системы «D») обладает недостаточной надежностью.
Гидромеханические форсунки закрытого типа, которыми оснащаются системы группы «D», при работе под высоким давлением требуют их установки непосредственно в головке блока цилиндров с помощью резьбового сочленения, что исключает возможность их эффективного охлаждения потоком бензина.
Камера сгорания при реализации внутреннего смесеобразования должна иметь специальную конфигурацию, которая не поддается теоретическому расчету. Ее форму подбирают экспериментально в процессе конструктивной разработки двигателя.
Для систем впрыска группы «D» требуются специальные свечи зажигания.
Бензиновые трубопроводы и их сочленения должны обладать исключительно высокой эксплуатационной надежностью.

Преодолеть все эти трудности «под силу» не каждой моторостроительной фирме.

2. Система впрыска «Kugelfischer»

Бензин с помощью обычного электробензонасоса подается из топливного бака в механический многосекционный шестеренчатый бензонасос высокого давления (БНВД). БНВД приводится в действие от коленчатого вала двигателя посредством ременной передачи 3. К закрытым гидромеханическим форсункам 5 бензин поступает по трубопроводам 2 поочередно в соответствии с порядком работы двигателя. Давление во внутренних полостях форсунок может изменяться в диапазоне от 120 до 180 бар под воздействием регулятора 9, который в свою очередь управляется водительской педалью газа через систему регулируемых рычагов и тяг (поз. 1 на рис. 1).

Как и в обычной форсунке закрытого типа, изменение давления в ее внутренней полости приводит к изменению цикловой подачи бензина в каждый цилиндр в отдельности. БНВД получает топливо через входной штуцер 7, а излишки топлива возвращаются в бензобак через выходной штуцер 8. Все резьбовые сочленения БНВД и форсунок уплотнены специальными втулками 6. Практика эксплуатации системы «Kugelfischer» не показала заметных ее преимуществ перед механическими системами группы «K» и «KE» и поэтому быстро была снята с производства.

3. Современные системы непосредственного впрыска бензина

Новый стимул к внедрению систем непосредственного впрыска бензина на двигателе легкового автомобиля возник с разработкой насос-форсунок высокого давления (НФВД). Эти устройства обеспечивают возможность впрыска бензина с разделением цикловой подачи на отдельные порции. Объем каждой порции, момент и продолжительность ее впрыска в цилиндр, строго регламентируются электронной системой управления. При этом все три параметра изменяются по заложенной в ЭБУ программе в зависимости от нагрузочного, скоростного и теплового режимов двигателя.

Примером системы непосредственного впрыска с управляемой цикловой подачей бензина может служить система, разработанная фирмой TOYOTA для двигателя TD-4. Основным узлом этой системы является комбинированное устройство — насос-форсунка (рис. 2).

В этом устройстве односекционный одноплунжерный насос высокого давления (100. 150 бар) расположен непосредственно в корпусе закрытой гидромеханической форсунки и приводится в действие кулачком распределительного вала. Насосная часть форсунки содержит гладкую гильзу 4 с отверстием наполнительного канала 11, гладкий цилиндрический плунжер 3 и сливной канал 10. Рабочее движение плунжера вниз обеспечивается воздействием кулачка распредвала, а обратное — пружиной 2. Заполнение бензином подплунжерной полости 5 гильзы происходит при положении плунжера выше наполнительного отверстия и продолжается до тех пор, пока оно не окажется перекрытым опускаю¬щимся плунжером.

Давление под плунжером начнет возрастать только в том случае, если будут одновременно перекрыты отверстия как наполнительного, так и сливного каналов. Бензин для заполнения рабочей полости насос-форсунки подается обычным для систем впрыска способом — электробензонасосом низкого давления. Впрыск бензина в цилиндр произойдет только тогда, когда давление под плунжером превысит давление открывания клапана закрытой форсунки.

Впрыск несколькими порциями за один ход плунжера вниз реализуется за счет многократного (по числу порций) сброса давления в рабочей полости насос-форсунки ниже значения 100 бар (давление при котором запорный клапан форсунки закрывается). Сброс давления происходит тогда, когда открывается запорный электромагнитный клапан в сливном канале. Этот клапан управляется от электронной автоматики впрыска и срабатывает достаточно быстро для того, чтобы за один цикл подачи бензина успеть сформировать 3-4 порции топлива. Для повышения надежности порциального впрыска объем рабочей полости под плунжером больше объема максимальной цикловой подачи. При обратном ходе плунжера вверх запорный клапан сливного канала постоянно открыт и рабочая полость насос-форсунки наполняется бензином из обратной бензомагистрали до тех пор, пока плунжер не откроет отверстие прямого наполнительного канала. С этого момента бензин под напором подающего электробензонасоса начинает протекать через полость насос-форсунки от входного (подводящего) к сливному отверстию. Так реализуется промывка и охлаждение насос-форсунки в течение времени от конца предыдущего до начала очередного впрыска.

Основное преимущество порциального впрыска бензина состоит в том, что в камере сгорания к моменту воспламенения образуется послойная структура топливо-воздушного заряда с различным коэффициентом а в слоях. Это позволяет полностью сжигать топливо в очень бедных ТВ-смесях (с усредненным коэффициентом а=2). Экономия топлива достигает 30-35%. Повышаются равномерность крутящего момента и удельная мощность двигателя.

Читать еще:  Чем опасна шипованная резина со стертыми или вылетевшими шипами?

Возможности насос-форсунки и электронного управления цикловой подачей в двигателе «TD-4» дополнены тщательным подбором объема и формы камер сгорания в крышке цилиндров и в поршнях, местом и геометрией расположения форсунок и свечей зажигания, формой и дальнобойностью факела распыленного бензина.

Указанные схемно-конструктивные решения, реализованные в двигателе TD-4, позволили получить ряд принципиально новых эффектов:

— состав топливовоздушной смеси в цилиндре до момента принудительного воспламенения от свечи зажигания находится под контролем и управлением от ЭБУ впрыска и всегда неоднороден. Вблизи электродов свечи расположена сравнительно небольшая область, в которой состав ТВ-смеси близок к нормальному (а = 1). Это обеспечивает надежное воспламенение ТВ-смеси в цилиндре. Далее, по мере удаления от электродов свечи к периферии камеры сгорания состав ТВ-смеси обедняется, при этом среднее по объему камеры сгорания качество смеси соответствует значению а= 2. Выжигание такой бедной смеси обеспечивается факелом «открытого огня», который образуется при возгорании нормальной (стехиометрической) ТВ-смеси в области электродов свечи зажигания;

— порциальный впрыск топлива способствует образованию неоднородности ТВ-смеси не только по составу, но и по температуре заряда. Так температура смеси, по мере удаления от свечи зажигания, понижается, и около стенок камеры сгорания оказывается самой низкой благодаря тому, что на периферию бензин попадает в последний момент впрыска. Полученный эффект существенно снижает критический порог появления детонации. В результате оказалось возможным использовать низкооктановый бензин (типа АИ-92 вместо АИ-98) для двигателя с высокой степенью сжатия (более 10,5). Полученные результаты испытаний двигателя «Тоуоtа D-4» позволяют считать описанную систему непосредственного впрыска бензина перспективной для широкого внедрения на легковых автомобилях.

Однако двигатели, работающие на сильно обедненных топливовоздушных смесях, порождают исключительно сложную техническую проблему — необходимость нейтрализации оксидов азота NOx количество которых в выхлопных газах таких двигателей значительно повышено.

Неисправности: диагностика и ремонт

Конструкция мотора рассчитана на пробег не менее 300 тыс. км. Однако существуют образцы с пробегом более 600 тыс. км без капитального ремонта. При этом двигатель не относится к категории надежных силовых агрегатов.

Распространенные поломки двигателей:

  1. Проблемным местом на ранних сериях двигателя 3S-FSE является механический насос. Согласно заводской инструкции, узел имеет ресурс работы 100 тыс. км, после чего производится замена ТНВД. Проверка состояния насоса проводится по показаниям датчика давления. Для этого требуется подключить мультиметр к выходам датчика или колодке контроллера двигателя. Нормативное напряжение лежит в диапазоне 2,0-3,7В. При падении значения ниже 1,3В на холостом ходу происходит остановка мотора (с фиксацией ошибки Р0191).
  2. Привод насоса выполнен от распределительного вала, полость с топливом отделена от картера двигателя тонким уплотнительным кольцом. Вышедший из строя сальник насоса пропускает бензин в двигатель. Зафиксировать попадание топлива можно при помощи газоанализатора, чувствительный элемент размещается в горловине для заливки масла. Допустимое значение углеводородов СН составляет 200-250 ед.
  3. При работе двигателя с протекающим сальником насоса наблюдаются скачки оборотов холостого хода и внезапные остановки при перегазовке. Это связано с попаданием паров бензина через систему рециркуляции во впускной коллектор, что вызывает излишнее обогащение смеси. Электроника фиксирует проблему и пытается уменьшить подачу топлива. Из-за этого и возникают сбои в работе.
  4. Большой расход топлива является следствием загрязнения форсунок, клапана холостого хода и элементов дроссельной заслонки. После проведения чистки расход возвращается к нормативным значениям. В конструкции дроссельного узла имеется датчик ТРС, определяющий положение заслонки. Часто при разборке узла нарушается угол установки детали, что приводит к нестабильной работе двигателя и повреждению приводов. В этом случае приходится выполнять замену ТРС или дросселя в сборе.
  5. При использовании некачественного бензина и изношенной поршневой группе происходит засорение напорного клапана системы рециркуляции отработавших газов. Ремонт заключается в промывке узла или отключении.
  6. Затрудненный запуск при пониженной температуре является следствием выхода из строя датчика температуры воздуха на впуске. При проведении диагностики в памяти блока управления будет ошибка с кодом Р0115.
  7. Нестабильные обороты холостого хода или затрудненный набор оборотов на двигателе 3S FSE — признак загрязнения дросселя, который необходимо промыть. В отдельных случаях требуется снятие впускного коллектора и очистка внутренних полостей (в том числе регулировочных заслонок). Также причиной может стать засоренные топливный и воздушный фильтры.

Для проверки топливной системы необходимо выполнить действия:

  1. Давление первого насоса при диагностике проверяется манометром. Для проведения замера давления требуется подключить прибор на рейку. После включения зажигания давление должно войти в норму (4,0-4,5 кг/см²) за 2-3 секунды.
  2. Повышенное давление в рампе указывает на неисправность клапана аварийного сброса давления. В этом случае будут наблюдаться проблемы с пуском горячего двигателя. Поврежденную деталь необходимо промыть в ультразвуковой ванне или заменить.
  3. Пониженное давление создает проблемы при запуске двигателя с любой температурой. При низких значениях давления топливо просто не пройдет через распылители форсунок.
  4. Большое влияние на давление топлива оказывает состояние топливных фильтров, установленных в баке. При проведении замены элементов требуется провести разборку и сборку топливной кассеты, расположенной в баке. Ошибки при установке деталей приводят к прекращению подачи топлива.
Читать еще:  Как восстановить отражатель фары автомобиля своими руками

Проведение компьютерной диагностики позволяет определить поврежденные компоненты электроники, наиболее часто выходящие из строя:

  • датчики положения коленчатого и распределительного вала;
  • измеритель массы подаваемого в цилиндры воздуха;
  • лямбда-зонды;
  • датчики положения педали газа и заслонки в дроссельном узле;
  • клапаны управления заслонками и фазовращателем.

Регламентные работы включают в себя:

  • смену моторного масла и фильтра раз в год или через 10 тыс. км;
  • заливку свежей охлаждающей жидкости через 40 тыс. км пробега (либо через каждые 2 года);
  • установку новых свечей зажигания — каждые 20 тыс. км (срок службы свечей с платиновым электродом составляет 80 тыс. км);
  • фильтры топлива и воздуха меняются через 40 тыс. км;
  • каждые 100 тыс. км необходимо проводить замену ремня ГРМ.
  • Снятие впускного коллектора
  • Промывка печки

Советы по эксплуатации

Служба механизмов может быть существенно продлена, если избегать неблагоприятных условий эксплуатации:

  • Самое главное, что противопоказано двигателям D-4 — некачественный бензин. Даже небольшой избыток серы, содержащийся в топливе, приводит к износу прецизионных сопряжений, словно от абразивного порошка.
  • Чтобы не допустить аварийных протечек бензина из ТНВД в масляный картер, следует взять за правило регулярно проверять щупом уровень масла. Если последний начинает повышаться, есть повод отдать насос на диагностику.
  • Необходимо периодически очищать от сажи впускную систему, дроссельные заслонки и EGR, а через 1 — 2 тысячи км пробега прогнать двигатель пару минут на больших оборотах, чтобы выжечь нагар на деталях ШПГ.

Когда выполняется замена цепи, необходимо обращать внимание, чтобы не только метки звездочек совпадали с рисками на крышках передачи, но и метки ГРМ на цепи, выполненные в виде помеченных звеньев, с рисками на звездочках.

Распределенный

ИЛИ МНОГОТОЧЕЧНЫЙ впрыск топлива – сегодня самая распро¬страненная система питания двигателей на современных автомобилях. От предыдуще¬го типа она отличается прежде всего тем, что во впускном коллекторе каждого цилиндра стоит индивидуальная форсунка. В определенные моменты времени она впрыскивает необходимую порцию бензина прямо на впускные клапаны “своего” цилиндра.

Многоточечный впрыск бывает параллельным и последовательным. В первом случае в определенный момент времени срабатывают все форсунки, топливо перемешивается с воздухом, и получившаяся смесь ждет открытия впускных клапанов, чтобы попасть в цилиндр. Во втором случае период работы каждого инжектора рассчитывается индивидуально, чтобы бензин подавался за строго определенное время перед открытием клапана. Эффективность такого впрыска выше, поэтому большее распространение получили именно последовательные системы, несмотря на более сложную и дорогую электронную “начинку”. Хотя иногда встречаются и более дешевые комбинированные схемы (форсунки в этом случае срабатывают попарно).

Поначалу системы распределенного впрыска тоже управлялись механически. Но со временем электроника и здесь одержала верх. Ведь, получая и обрабатывая сигналы от множества датчиков, блок управления не только командует исполнительными механизмами, но и может сигнализировать водителю о неисправности. Причем даже в случае поломки электроника переходит на аварийный режим работы, позволяя автомобилю самостоятельно добраться до сервисной станции.

Распределенный впрыск обладает целым рядом достоинств. Помимо приготовления горючей смеси правильного состава для каждого режима работы двигателя такая система вдобавок точнее распределяет ее по цилиндрам и создает минимальное сопротивление проходящему по впускному коллектору воздуху. Это позволяет улучшить многие показатели мотора: мощность, экономичность, экологичность и т.д. Из недостатков многоточечного впрыска можно назвать, пожалуй, лишь только довольно высокую стоимость.

Он еще более мощный и устроен сложнее, чем экземпляры только с прямым впрыском. При этом его чувствительность к качеству топлива настолько высока, что после заправки где-нибудь под Таганрогом этот мотор лучше не заводить.

  • Skoda Octavia и Octavia II
  • Volkswagen Passat, Jetta, Golf, Scirocco
  • Audi Q5 2.0 TFSI, A5 Coupé 2.0 TFSI, A3 Sedan Sport 2.0 TFSI
  • BMW 335i (2007 – 2010), BMW 135i (2008 – 2010), BMW X6 xDrive 35i (2009), BMW Z4 sDrive35i (2009). BMW 335is (2011)
  • Opel. Astra GTC и OPC, Corsa OPC
  • Ford Focus, американские Fusion, Mustang и Transit
  • SEAT Leon

Безопасность

Важнейшим аспектом внесения изменений в конструкцию автомобиля является безопасность. Особенно это касается установки ГБО.

На что необходимо обязательно обращать внимание при установке ГБО на свой автомобиль для безопасности эксплуатации:

* запорная арматура баллона (мультиклапан) оснащена электромагнитным клапаном, пожарным клапаном и скоростным клапаном;

* газовый баллон при размещении внутри автомобиля должен быть оборудован газонепроницаемым кожухом (венткамерой) для исключения проникновения газа во внутреннее пространство автомобиля при возникновении утечки в запорной арматуре или повреждении газовой магистрали;

* тороидальный газовый баллон (в виде колеса) должен иметь, как минимум, 2 точки крепления для исключения вращения и смещения баллона. Подвешенный под кузовом тороидальный газовый баллон должен крепиться минимум на 4 точки. Цилиндрический газовый баллон должен иметь минимум 2 ленты крепления. Если баллон подвешивается на ленты, то их должно быть минимум 3 при объеме баллона до 100 литров и 4 ленты при объеме более 100 литров;

* газовые форсунки должны быть жестко прикреплены на двигателе или к кузову автомобиля (ни каких пластиковых хомутов!). Газовый клапан и газовый редуктор жестко крепятся на кузове автомобиля;

* выносное заправочное устройство (ВЗУ) должно находиться только снаружи автомобиля (лючок бензобака, бампер и т.п.) и его крепление должно исключать возможность вращения;

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
ВсеИнструменты
Adblock
detector