Системы впрыска топлива для бензиновых двигателей1. Предварительные замечания
Топливное питание бензиновых двигателей на современных легковых автомобилях реализуется с применением систем впрыска. Эти системы по принципу действия принято подразделять на пять основных групп (рис. 1): K, Mono, L, M, D.
2. Преимущества систем впрыска
 Топливовоздушная смесь (ТВ-смесь) подается от карбюратора к цилиндрам двигателя внутреннего сгорания (ДВС) по длинным трубам впускного коллектора. Длина этих труб к различным цилиндрам двигателя неодинакова, а в самом коллекторе имеет место неравномерность нагрева стенок, даже на полностью прогретом двигателе (рис. 2). Это приводит к тому, что из однородной ТВ-смеси, созданной в карбюраторе, в разных цилиндрах ДВС образуются неодинаковые топливовоздушные заряды. Как следствие, двигатель не отдает расчетную мощность, теряется равномерность крутящего момента, расход топлива и количество вредных веществ в выхлопных газах увеличиваются. Бороться с этим явлением в карбюраторных двигателях очень сложно. Следует также отметить, что современный карбюратор работает на принципе пульверизации, при которой распыление бензина происходит в струе всасываемого в цилиндры воздуха. При этом образуются достаточно крупные капли топлива (рис. 3, а), что не обеспечивает качественного перемешивания бензина и воздуха. Плохое перемешивание и крупные капли облегчают оседание бензина на стенках впускного коллектора и на стенках цилиндров во время всасывания ТВ-смеси. Но при принудительном распылении бензина под давлением через калиброванное сопло форсунки частицы топлива могут иметь значительно меньшие размеры по сравнению с распылением бензина при пульверизации (рис. 3, б). Особенно эффективно бензин распыляется узким пучком под высоким давлением (рис. 3, в).
Установлено, что при распылении бензина на частицы диаметром менее 15…20 мкм его перемешивание с кислородом воздуха происходит не как взвешивание частиц, а на молекулярном уровне. Это делает ТВ-смесь более устойчивой к воздействию перепадов температуры и давления в цилиндре и длинных трубах впускного коллектора, что способствует более полному ее сгоранию. Так родилась идея заменить пульверизационные жиклеры механического инерционного карбюратора на центральную безынерционную форсунку впрыска (ЦФВ), открывающуюся на заданное время по электроимпульсному сигналу управления от блока электронной автоматики. При этом, помимо качественного распыления и эффективного перемешивания бензина с воздухом, легко получать более высокую точность их дозирования в ТВ-смеси на всех возможных режимах работы ДВС.
Таким образом, за счет применения системы топливного питания с впрыском бензина двигатели современных легковых автомобилей не имеют вышеуказанных недостатков, присущих карбюраторным двигателям, т.е. они более экономичны, обладают более высокой удельной мощностью, поддерживают постоянство крутящего момента в широком интервале частот вращения, а выброс вредных веществ в атмосферу с отработавшими газами минимален.
3. Система впрыска бензина „Mono-Jetronic”
Впервые система центрального одноточечного импульсного впрыска топлива для бензиновых двигателей легковых автомобилей была разработана фирмой BOSCH в 1975 году. Эта система получила название „Mono-Jetronic” (Monojet — одиночная струя) и была установлена на автомобиле „Volkswagen”.
• На рис. 4 показан центральный впрыскивающий узел системы „Mono-Jetronic”. Из рисунка видно, что центральная форсунка впрыска (ЦФВ) устанавливается на стандартном впускном коллекторе вместо обычного карбюратора.
Но в отличие от карбюратора, в котором автоматика смесеобразования реализуется механическим управлением, в моносистеме впрыска применяется чисто электронное управление.
На рис. 5 показана упрощенная функциональная схема системы „Mono-Jetronic”.
 Электронный блок управления (ЭБУ) работает от входных датчиков 1—7, которые фиксируют текущее состояние и режим работы двигателя. По совокупности сигналов от этих датчиков и с использованием информации из трехмерной характеристики впрыска в ЭБУ вычисляются начало и продолжительность открытого состояния центральной форсунки 15.
На основании расчетных данных в ЭБУ формируется электроимпульсный сигнал S управления для ЦФВ. Этот сигнал воздействует на обмотку 8 магнитного соленоида форсунки, запорный клапан 11 которой открывается, и через распылительное сопло 12 бензин принудительно под давлением 1,1 бар в топливоподающей магистрали 19 распыляется во впускной коллектор через открытую дроссельную заслонку 14.
При заданных размерах диафрагмы дроссельной заслонки и калиброванного сечения распылительного сопла массовое количество пропущенного в цилиндры воздуха определяется степенью открытия дроссельной заслонки, а массовое количество впрыснутого в воздушный поток бензина — продолжительностью открытого состояния форсунки и подпорным (рабочим) давлением в топливоподающей магистрали 19.
• Для того чтобы бензин сгорал полностью и
наиболее эффективно, массы бензина и воздуха в ТВ-смеси должны находиться в
строго определенном соотношении, равном 1/14,7 (для высокооктановых сортов
бензина). Такое соотношение называется стехиометрическим, и ему
соответствует коэффициент a избытка воздуха, равный единице. Коэффициент a = Мд/М0, где М0 — количество массы воздуха, теоретически необходимой для полного сгорания данной порции бензина, а Мд — масса фактически выгоревшего воздуха.
Отсюда ясно, что в любой системе впрыска топлива обязательно должен иметься измеритель массы воздуха, впущенного в цилиндры двигателя при всасывании.
• В системе „Mono-Jetronic” масса воздуха рассчитывается в ЭБУ по показаниям двух датчиков (см. рис. 4): температуры всасываемого воздуха (ДТВ) и положения дроссельной заслонки (ДПД). Первый расположен непосредственно на пути воздушного потока в верхней части центральной форсунки впрыска и представляет собой миниатюрный полупроводниковый термистор, а второй является резистивным потенциометром, движок которого насажен на поворотную ось (ПДЗ) дроссельной заслонки.
Так как конкретному угловому положению дроссельной заслонки соответствует строго определенное объемное количество пропущенного воздуха, то дроссельный потенциометр выполняет функцию расходомера воздуха. В системе „Mono-Jetronic” он является также датчиком нагрузки двигателя.
Но масса всасываемого воздуха в значительной степени зависит от температуры. Холодный воздух более плотный, а значит более тяжелый. По мере повышения температуры плотность воздуха и его масса уменьшаются. Влияние температуры учитывается датчиком ДТВ.
• Датчик ДТВ температуры всасываемого воздуха, как полупроводниковый термистор с отрицательным температурным коэффициентом сопротивления, изменяет величину резистивности от 10 до 2,5 кОм при изменении температуры от –30 до +20°С. Сигнал датчика ДТВ используется только в таком температурном диапазоне. При этом базовая продолжительность впрыска бензина корректируется с помощью ЭБУ в интервале 20…0%. Если температура всасываемого воздуха выше +20°С, то сигнал датчика ДТВ блокируется в ЭБУ и датчик не используется.
Сигналы от датчиков положения дроссельной заслонки (ДПД) и температуры всасываемого воздуха (ДТВ) в случаях их отказов дублируются в ЭБУ сигналами датчиков частоты вращения (ДОД) и температуры охлаждающей жидкости (ДТД) двигателя.
• По рассчитанному в ЭБУ объему воздуха, а также по сигналу о частоте вращения двигателя, который поступает от датчика числа оборотов системы зажигания, определяется требуемая (базовая) продолжительность открытого состояния центральной форсунки впрыска.
Так как подпорное давление Рт в топливоподающей магистрали (ПБМ) постоянно (для „Mono-Jetronic” Рт = 1…1,1 бар), а пропускная способность форсунки задана суммарным сечением отверстий распылительного сопла, то время открытого состояния форсунки однозначно определяет количество впрыснутого бензина. Момент впрыска (на рис. 5 сигнал от датчика ДМВ) обычно задается одновременно с сигналом на воспламенение ТВ-смеси от системы зажигания (через 180° поворота коленвала ДВС).
Таким образом, при электронном управлении процессом смесеобразования обеспечение высокой точности дозировки впрыскиваемого бензина в измеренное количество массы воздуха является легко решаемой задачей и, в конечном счете, точность дозирования определяется не электронной автоматикой, а точностью изготовления и функциональной надежностью входных датчиков и форсунки впрыска.
• На рис. 6 показана главная деталь системы „Mono-Jetronic” — центральная форсунка впрыска (ЦФВ).
 Центральная форсунка впрыска представляет собой бензоклапан, который открывается электрическим импульсом, поступающим от электронного блока управления. Для этого в форсунке имеется электромагнитный соленоид 8 с подвижным магнитным керном 14. Основной проблемой при создании клапанов для импульсного впрыска является необходимость обеспечения высокой скорости срабатывания запорного устройства 9 клапана как на открывание, так и на закрытие. Решение проблемы достигается облегчением магнитного керна соленоида, увеличением тока в импульсном сигнале управления, подбором упругости возвратной пружины 13, а также формой притертых поверхностей для распылительного сопла 10.
Сопло форсунки (рис. 6, а) выполнено в виде раструба капиллярных канальцев, число которых обычно не менее шести. Углом при вершине раструба задается раскрыв струи впрыска, которая имеет форму воронки. При такой форме струя бензина не попадает на дроссельную заслонку даже при малом ее открытии, а пролетает в два тонких полумесяца открывшейся щели.
Центральная форсунка системы „Mono-Jetronic” надежно обеспечивает минимальную продолжительность открытого состояния распылительного сопла 11 в течение 1±0,1 мс. За такое время и при рабочем давлении в 1 бар через распылительное сопло площадью в 0,08 мм2 впрыскивается около одного миллиграмма бензина. Этому соответствует расход топлива 4 л/ч на минимальных холостых оборотах (600 об/мин) прогретого двигателя. При пуске и прогреве холодного двигателя форсунка открывается на более продолжительное время (до 5…7 мс). Но с другой стороны максимальная продолжительность впрыска на прогретом двигателе (время открытого состояния форсунки) ограничивается предельной частотой вращения коленвала ДВС (6500…7000 мин—1) в режиме полного дросселя и не может быть более 4 мс. При этом тактовая частота срабатывания запорного устройства форсунки на холостом ходу не менее 20 Гц, а при полной нагрузке — не более 200…230 Гц.
• С особой тщательностью изготавливается датчик ДПД положения дроссельной заслонки (дроссельный потенциометр), показанный на рис. 7. Его чувствительность к повороту движка должна отвечать требованию ±0,5 угловых градусов поворота оси 13 дросселя. По строгому угловому положению оси дросселя определяются начала двух режимов работы двигателя: режима холостого хода (3±0,5°) и режима полной нагрузки (72,5±0,5°).
 Для обеспечения высокой точности и надежности резистивные дорожки потенциометра, которых четыре, включены по схеме, показанной на рис. 7, б, а ось движка потенциометра (движок двухконтактный) посажена в безлюфтовый тефлоновый подшипник скольжения.
Потенциометр и ЭБУ соединены между собой четырехпроводным кабелем через контактный разъем. Для повышения надежности соединений контакты в разъеме и в фишке потенциометра позолочены. Контакты 1 и 5 предназначены для подачи опорного напряжения 5±0,01 В. Контакты 1 и 2 — для снятия сигнального напряжения при повороте дроссельной заслонки на угол от 0 до 24° (0…3° — режим холостого хода; 3…24° — режим малых нагрузок двигателя). Контакты 1 и 4 — для снятия сигнального напряжения при повороте дроссельной заслонки на угол от 18 до 90° (18…72,5° — режим средних нагрузок, 72,5…90° — режим полной нагрузки двигателя).
Сигнальное напряжение с дроссельного потенциометра дополнительно используется:
• для обогащения ТВ-смеси при разгоне автомобиля (регистрируется быстрота изменения сигнала от потенциометра);
• для обогащения ТВ-смеси в режиме полной нагрузки (регистрируется значение сигнала с потенциометра после 72,5° поворота дроссельной заслонки в сторону увеличения);
• для прекращения впрыска топлива в режиме принудительного холостого хода (регистрируется сигнал потенциометра, если угол открытого состояния дроссельной заслонки менее 3°. Одновременно контролируется частота w вращения двигателя: если wі2100 мин–1, то подача топлива прекращается и восстанавливается вновь при wЈ1500 мин–1).
• Интересной особенностью системы впрыска „Mono-Jetronic” является наличие в ее составе подсистемы стабилизации оборотов холостого хода с помощью электросервопривода, который воздействует на ось дроссельной заслонки (рис. 8). Электросервопривод снабжен реверсным электродвигателем 11 постоянного тока.
Сервопривод включается в работу в режиме холостого хода и совместно со схемой отключения вакуумного регулятора угла опережения зажигания (стабилизации холостого хода — рис. 2) обеспечивает стабилизацию частоты вращения двигателя в этом режиме.
Такая подсистема стабилизации холостого хода работает следующим образом.
Когда угол открытого состояния дроссельной заслонки менее 3°, сигнал К (см. рис. 9) является для ЭБУ сигналом режима холостого хода (замыкается концевой выключатель ВК штоком сервопривода). По этому сигналу запорный пневмоклапан ЗПК срабатывает и канал разрежения от задроссельной зоны впускного коллектора к вакуумному регулятору ВР перекрывается. Вакуумный регулятор с этого момента не работает и угол опережения зажигания становится равным значению установочного угла (6° до ВМТ). При этом двигатель на холостых оборотах работает устойчиво. Если в это время включается кондиционер или другой мощный потребитель энергии двигателя (например, фары дальнего света опосредствованно через генератор), то его обороты начинают падать. Двигатель может заглохнуть. Чтобы этого не происходило, по команде от электронной схемы управления холостым ходом (ЭСХХ) в контроллере включается электросервопривод, который несколько приоткрывает дроссельную заслонку. Обороты увеличиваются до номинального значения для данной температуры двигателя. Ясно, что при снятии нагрузки с двигателя его обороты уменьшаются до нормы тем же электросервоприводом.
• В ЭБУ системы „Mono-Jetronic” имеется микропроцессор МКП (см. рис. 5) с постоянной и оперативной памятью (блок ЗУ). В постоянную память „зашита” эталонная трехмерная характеристика впрыска (ТХВ). Эта характеристика в какой-то мере подобна трехмерной характеристике зажигания, но отличается тем, что ее выходным параметром является не угол опережения зажигания, а время (продолжительность) открытого состояния центральной форсунки впрыска. Входными координатами характеристики ТХВ являются частота вращения двигателя (сигнал поступает от контроллера системы зажигания) и объем всасываемого воздуха (рассчитывается микропроцессором в ЭБУ впрыска). Эталонная характеристика ТХВ несет в себе опорную (базовую) информацию о стехиометрическом соотношении бензина и воздуха в ТВ-смеси при всех возможных режимах и условиях работы двигателя. Эта информация выбирается из памяти ЗУ в микропроцессор ЭБУ по входным координатам характеристики ТХВ (по сигналам датчиков ДОД, ДПД, ДТВ) и корректируется по сигналам от датчика температуры охлаждающей жидкости (ДТД) и кислородного датчика (КД).
• О кислородном датчике надо сказать отдельно. Наличие его в системе впрыска позволяет удерживать состав ТВ-смеси постоянно в стехиометрическом соотношении (a=1). Это достигается тем, что датчик КД работает в цепи глубокой адаптивной обратной связи от системы выпуска отработавших газов к системе топливного питания (к системе впрыска).
Он реагирует на разность концентрации кислорода в атмосфере и в выхлопных газах. По сути дела датчик КД является химическим источником тока первого рода (гальваническим элементом) с твердым электролитом (специальная сотовая металлокерамика) и с высокой (не ниже 300°С) рабочей температурой. ЭДС такого датчика почти по ступенчатому закону зависит от разности концентрации кислорода на его электродах (платино-радиевое пленочное покрытие с разных сторон пористой керамики). Наибольшая крутизна (перепад) ступеньки ЭДС приходится на значение a=1.
Датчик КД вворачивается в трубу выпускного канала (например, в выхлопной коллектор) и его чувствительная поверхность (положительный электрод) оказывается в потоке выхлопных газов. Над крепежной резьбой датчика имеются щели, через которые наружный отрицательный электрод сообщается с атмосферным воздухом. На автомобилях с каталитическим газонейтрализатором кислородный датчик устанавливается перед нейтрализатором и имеет спираль электроподогрева, так как температура выпускных газов перед нейтрализатором может быть ниже 300°С. Кроме того, электроподогрев кислородного датчика ускоряет его подготовку к работе.
Сигнальными проводами датчик соединен с ЭБУ впрыска. Когда в цилиндры поступает бедная смесь (a>1), то концентрация кислорода в выхлопных газах чуть выше штатной (при a=1). Датчик КД выдает низкое напряжение (около 0,1 В) и ЭБУ по этому сигналу корректирует время продолжительности впрыска бензина в сторону его увеличения. Коэффициент a снова приближается к единице. При работе двигателя на богатой смеси кислородный датчик выдает напряжение около 0,9 В и работает в обратном порядке.
Интересно отметить, что кислородный датчик участвует в процессе смесеобразования только на режимах работы двигателя, при которых обогащение ТВ-смеси ограничено значением aі0,9. Это такие режимы как нагрузка на низких и средних оборотах и холостой ход на прогретом двигателе. В противном случае датчик КД отключается (блокируется) в ЭБУ и коррекция состава ТВ-смеси по концентрации кислорода в отработавших газах не осуществляется. Это имеет место, например, в режимах пуска и прогрева холодного двигателя и на его форсированных режимах (разгона и полной нагрузки). В этих режимах требуется значительное обогащение ТВ-смеси и поэтому срабатывание кислородного датчика („прижимающего” коэффициент a к единице) здесь недопустимо.
• На рис. 10 приведена функциональная схема системы впрыска „Mono-Jetronic” со всеми составными ее компонентами.
Любая система впрыска в своей топливоподающей подсистеме обязательно содержит замкнутое топливное кольцо, которое начинается от бензобака и заканчивается там же. Сюда входят: бензобак ББ, электробензонасос ЭБН, фильтр тонкой очистки топлива ФТОТ, распределитель топлива РТ (в системе „Mono-Jetronic” — это центральная форсунка впрыска) и регулятор давления РД, работающий по принципу стравливающего клапана при превышении заданного рабочего давления в замкнутом кольце (для системы „Mono-Jetronic” 1…1,1 бар).
Замкнутое топливное кольцо выполняет три функции:
• с помощью регулятора давления поддерживает требуемое постоянное рабочее давление для распределителя топлива;
• с помощью подпружиненной диафрагмы в регуляторе давления сохраняет некоторое остаточное давление (0,5 бар) после выключения двигателя, благодаря чему не допускается образование паровых и воздушных пробок в топливных магистралях при остывании двигателя;
• обеспечивает охлаждение системы впрыска за счет постоянной циркуляции бензина по замкнутому контуру.
В заключение следует отметить, что система „Mono-Jetronic” используется только на легковых автомобилях среднего потребительского класса, например таких как западно-германские автомобили: „Volkswagen-Passat”, „Volkswagen-Polo”, „Audi-80”. | 
