В учебном бензиновом примере выбран распределённый впрыск во впускные каналы. При непосредственном впрыске бензин подаётся в цилиндр. У дизеля своя система высокого давления.
Топливная система: устройство и принцип работы
Хранит, очищает и отмеряет топливо.
Доставка
Насос подаёт топливо из бака через очистку.
Дозирование
Блок управления задаёт время открытия форсунки.
Смешивание
Распылённый бензин смешивается с воздухом.
Как двигатель получает ровно столько бензина, сколько нужно
Для полного сгорания на 1 кг бензина нужно 14,7 кг воздуха. Блок управления знает, сколько воздуха вошло в цилиндр, и открывает форсунку ровно на столько, чтобы получить эту пропорцию.
Насос и давление. Электронасос в баке гонит бензин через фильтр к рампе. Регулятор держит постоянное давление около 3,8 бар, чтобы через открытую форсунку за миллисекунду проходило одно и то же количество.
Время = количество. Форсунка 2,5 мг/мс: на холостых нужно около 4 мг на цикл — импульс 2,5 мс, при полной нагрузке около 33 мг — 14 мс. Ещё 0,7 мс уходит на то, чтобы игла успела подняться.
Порядок 1-3-4-2. Каждый цилиндр получает один впрыск за 720° коленвала, обычно перед открытием впускного клапана. Импульсы идут в порядке работы цилиндров.
Непосредственный впрыск. ТНВД поднимает давление обычно до 50–200 бар, у новых двигателей до 350 бар. Бензин впрыскивается прямо в цилиндр за 0,5–3 мс, испаряется и охлаждает заряд — можно больше сжатия и меньше расход.
Детали в модели «Топливная система»
Топливный бак. Пластиковый бак на 50 л со стенкой 5 мм. Сверху люк под модуль насоса, сбоку заливная горловина. Пары бензина уходят в адсорбер, а не в атмосферу.
Модуль бензонасоса. Электрический турбинный насос в стакане: 12 В, около 5 А, до 150 л/ч без давления. Стакан всегда полон, даже когда бензин в баке плещется. Регулятор держит 3,8 бар, лишнее сливает обратно.
Топливный фильтр. Бумажная штора в стальном корпусе задерживает частицы крупнее 8–10 мкм. Бензин идёт снаружи внутрь и выходит через центральную трубку.
Топливная рампа. Трубка-коллектор над форсунками. Объём бензина в ней сглаживает пульсации от открытия форсунок. Для непосредственного впрыска — толстостенная стальная, на 200 бар и выше.
Форсунки. Электромагнитный клапан: ток 1 А поднимает иглу на 0,06–0,1 мм, бензин распыляется через отверстия распылителя. Количество топлива задаётся временем открытия: 2–15 мс при распределённом впрыске.
Датчик давления топлива. Пьезорезистивный датчик в торце рампы: 0,5–4,5 В на выходе. По нему блок управления пересчитывает время открытия форсунок, а при непосредственном впрыске ещё и управляет ТНВД.
ТНВД (насос высокого давления). Плунжерный насос на головке блока. Кулачок с тремя выступами на распредвале даёт 3 хода плунжера за оборот распредвала. Клапан дозирования задаёт, сколько топлива сжимать: 50–200 бар (у новых двигателей до 350 бар).
Датчик уровня топлива. Поплавок на рычаге двигает ползунок по резистивной дорожке: около 10 Ом при полном баке и 180 Ом при пустом. По сопротивлению панель приборов показывает уровень.
Блок управления двигателем. Считает массу воздуха на цикл и нужное топливо, подаёт на каждую форсунку импульс точной длительности в нужный момент цикла — по одному на цилиндр за два оборота коленвала.
Показ по шагам
Бак и модуль насоса. Насос стоит в стакане модуля и всасывает бензин через сетчатый фильтр-сетку. Стакан всегда полон, поэтому насос не хватает воздух в поворотах.
Фильтр. Бензин идёт сквозь бумажную штору снаружи внутрь и выходит через центральную трубку. Здесь застревают ржавчина и грязь из бака.
Рампа и датчик. Рампа держит запас бензина под давлением 3,8 бар над всеми форсунками. Датчик в торце сообщает давление блоку управления.
Форсунка открывается. Импульс тока втягивает якорь, игла приподнимается, и бензин распыляется на тарелку впускного клапана. Форсунка открыта от 2 до 15 миллисекунд за цикл: на холостом ходу меньше, под нагрузкой больше.
Порядок 1-3-4-2. За два оборота коленвала каждая форсунка срабатывает один раз, в порядке работы цилиндров. На графике — импульсы всех четырёх цилиндров за 720°.
Непосредственный впрыск. ТНВД от кулачка распредвала сжимает бензин до 50–200 бар, форсунка стоит в головке и впрыскивает прямо в цилиндр на такте впуска.
Что ломается и как это проявляется
Слабый бензонасос. Признаки: на холостых и в городе машина едет нормально. При разгоне в пол, на подъёме или на трассе — рывки, провалы, двигатель может заглохнуть. Насос в баке воет громче обычного. Что проверить: давление манометром на рампе на холостых и при перегазовке (норма 3,5–4 бар и не должно падать), производительность насоса за 30 с в мерную ёмкость, ток насоса и напряжение на разъёме под нагрузкой.
Забит топливный фильтр. Признаки: машина не тянет на высоких оборотах и в подъём, на трассе дёргается. На холостых и в городе всё почти как обычно. Что проверить: пробег фильтра (обычно 30–60 тыс. км, в модуле насоса — дольше), давление на рампе под нагрузкой. Фильтр меняют, бак при сильной грязи промывают.
Подтекает форсунка. Признаки: на холостых троит, пахнет бензином из выхлопа, растёт расход. После короткой стоянки горячий двигатель долго крутится стартером: давление в рампе успело упасть. Что проверить: падение давления в рампе после остановки (за 10 минут должно оставаться больше 2–3 бар), форсунки на стенде: капель быть не должно. Свечи по цвету нагара.
Забита форсунка. Признаки: двигатель троит, вибрирует на холостых, мигает «Check Engine» с ошибкой пропусков в цилиндре 1. Тяга падает. Что проверить: ошибки пропусков по цилиндрам, баланс форсунок, перестановка форсунок между цилиндрами: пропуск «переезжает» вместе с форсункой. Форсунки промывают на стенде или меняют.
Врёт датчик давления. Признаки: горит «Check Engine», рывки при разгоне, двигатель работает неровно. При непосредственном впрыске машина может уйти в аварийный режим с вялым разгоном. Что проверить: сравнить показания датчика в сканере с механическим манометром, проводку и разъём (опорные 5 В, сигнал 0,5–4,5 В). Датчик меняют.
Врёт датчик уровня. Признаки: указатель долго показывает больше трети бака, а потом машина глохнет «без бензина». Или стрелка скачет на неровностях. Что проверить: сопротивление датчика при разных уровнях (10–180 Ом), ход рычага на снятом модуле. Пока не исправлено — заправляться по пробегу.
Упрощения модели
Двигатель показан упрощённо: без рубашки охлаждения, ремня ГРМ и датчиков. Разрезан только цилиндр 1, остальные форсунки видны снаружи.
Ход иглы форсунки увеличен в 100 раз, движение двигателя замедлено в 60 раз, а короткий впрыск в модели виден не меньше 45° поворота коленвала (на графике — настоящая длительность). Трасса от бака до двигателя короче настоящей (около 3 м).
Масса воздуха задана нагрузкой, а не датчиком расхода воздуха. Коррекция по лямбда-зонду и прогреву не моделируется, кроме общего предела коррекции 25 %.
Расход на 100 км пересчитан для 4-й передачи (1000 об/мин ≈ 30 км/ч). Система показана безвозвратной, с регулятором в модуле насоса; у многих машин есть обратная магистраль.
Связанные узлы и детали
Модель показывает принцип работы. Геометрия и режимы упрощены для обучения.