По месту подачи топлива различают системы впрыска во впускной тракт или непосредственно в цилиндры двигателя.
По числу ЭМФ и схеме их размещения выделяют системы центрального (одноточечного, моновпрыска) и распределенного (многоточечного, группового) впрыска топлива. Система центрального впрыска топлива обеспечивает подачу топлива одной форсункой в ВТ, а распределенного - подачу топлива отдельными форсунками в ВТ или непосредственно в каждый цилиндр двигателя.
По принципу подачи различают системы впрыска с непрерывной, циклической и фазированной схемами подачи топлива.
По типу конструктивного выполнения узлов дозирования выделяют системы с различными плунжерными насосами, электромагнитными форсунками и регуляторами давления топлива.
По времени подачи топлива различают системы с одновременным, попарно-параллельным (групповым) и фазированным впрыском.
Одновременный впрыск сопровождается подачей топлива отдельными форсунками вместе во все цилиндры независимо от совершаемого такта двигателя, т.е. все форсунки открываются одновременно.
При попарно-параллельном (групповом) впрыскивании половина ЭМФ впрыскивают топливо одновременно. Так, на четырехцилиндровом двигателе при первом обороте КВ впрыскивают топливо две ЭМФ, а при втором обороте КВ - следующие две ЭМФ, т.е. каждая форсунка подает общую порцию топлива для одного цилиндра за два впрыска. Впрыск топлива форсунками различных групп соответствует определенной величине угла поворота КВ двигателя. Независимо от положения впускных клапанов впрыск топлива производится дважды на каждый оборот КВ двигателя. Если впускной клапан закрыт, то топливо остается в ВТ до следующего открытия впускного клапана данного цилиндра.
Двойной впрыск топлива в такой системе осуществляют все ЭМФ одновременно при каждом обороте КВ двигателя. Однако они впрыскивают лишь половину требуемого количества топлива.
При последовательном впрыске подача топлива осуществляется по очереди в порядке работы цилиндров двигателя.
Фазированный впрыск обеспечивает подачу топлива каждой форсункой в конкретный момент времени для каждого цилиндра двигателя.
Известные системы центрального и значительная часть систем распределенного впрыска представляют собой схемы дискретного действия. В импульсных системах подача топлива производится порциями (дискретно) в определенные моменты положения КВ двигателя. В системах непрерывного впрыска форсунка работает постоянно, но изменяется лишь ее производительность. Непрерывная подача топлива имеет ряд серьезных недостатков и для современных двигателей ее считают устаревшей. В системах с прямым (непосредственным) впрыском топлива каждая форсунка размещена в стенке или головке цилиндра и подает топливо непосредственно в цилиндр на такте сжатия.
Величина давления топлива в системах распределенного впрыска составляет 0,3 МПа, а при непосредственном - 5,0 МПа. Систему центрального впрыска топлива в ряде случаев дополнительно оснащают пусковой форсункой, работающей при холодном двигателе и отключающейся автоматически по мере его прогрева. В современных конструкциях пусковую форсунку не применяют.
Система распределенного впрыска отличается многообразием технических решений. В основе своей работы они используют механический и гидравлический принципы подачи топлива. Подобные системы представляют собой схемы непрерывного действия. Они разработаны и выпускаются фирмой «Bosch». Наиболее широкое распространение получили системы «К-Jetronic», «КЕ-Jetronic», «КЕ-Motronic» различных версий. Наиболее перспективной может быть система впрыска топлива в полость цилиндра.
Схема распределенного впрыска обеспечивает подачу топлива в ВТ, на впускной клапан или на перемычку между впускными клапанами. Регулирование количества подаваемого топлива осуществляется путем изменения продолжительности открытия дозирующего клапана электромагнитной форсунки.
Фазированный впрыск осуществляют во впускной патрубок, непосредственно в цилиндр или в дополнительную камеру (вихревую, форкамеру). Регулирование подачи топлива при циклическом впрыске осуществляется аналогично путем изменения продолжительности открытия клапана ЭМФ.
Одновременный распределенный впрыск топлива обеспечивает его подачу во все цилиндры двигателя. В системах одновременного впрыска форсунки соединены параллельно в одну или несколько групп и управляются общим импульсом ЭБУ. Одновременный впрыск осуществляют синхронно или асинхронно.
При синхронном впрыске топлива начало его подачи определяется сигналами задающего генератора, т.е. синхронизированными с частотой вращения КВ. Синхронный впрыск является основным способом подачи топлива в современных системах как центрального, так и одновременного распределенного впрыска. При синхронном впрыске подача топлива форсунками обычно происходит один или два раза за оборот КВ. В некоторых режимах (пуск, режим холостого хода, полная нагрузка, режим ускорения) может быть переход на асинхронный впрыск, при котором моменты начала впрыска не связаны с частотой вращения КВ двигателя, а следуют через равные интервалы времени.
Последовательный впрыск топлива осуществляется раздельно в каждый цилиндр после открытия соответствующего впускного клапана в порядке работы цилиндров. В системах последовательного впрыска каждая форсунка связана с ЭБУ индивидуальной электрической цепью. Последовательная работа форсунок осуществляется по сигналам задающего генератора и фазового дискриминатора.
Распределенный впрыск топлива осуществляется в каждый цилиндр отдельной форсункой, установленной в соответствующий патрубок ВТ. Распыленная струя топлива, выходящая из форсунки, направлена в сторону впускного клапана. Распределенная подача топлива может быть одновременной или последовательной, а также синхронной или асинхронной.
Центральный впрыск топлива осуществляется одной форсункой, расположенной во впускном тракте между воздухоочистителем и дроссельной заслонкой. Распыленное форсункой топливо смешивается с воздухом в ВТ и далее поступает в порядке их работы. Впрыск топлива обычно осуществляется один или два раза за один оборот КВ двигателя, а состав смеси регулируется длительностью впрыскивания.
По типу регулирования различают системы впрыска с разомкнутыми цепями управления двигателем и замкнутыми с обратной связью (λ-зонд).
Разомкнутая схема системы управления представляет собой линейную цепь ряда взаимодействующих элементов, соединенных и действующих последовательно один за другим.
Цепь управления содержит функциональные, системные и передающие элементы (рис. 1.1). В общем виде разомкнутая цепь содержит систему управления 3 и исполнительное устройство 7 с входным 1 и выходным 8 параметром. Электронный блок 10 и устройство управления 4 связаны между собой электрической цепью 9 с образованием системы управления 3.
Рис. 1.1. Структурная схема системы управления двигателем с разомкнутой цепью: 1 - входной параметр; 2 - внешний фактор; 3 - система управления; 4 -устройство управления; 5 - выходной параметр; 6 - внешний параметр исполнительного устройства; 7 - исполнительное устройство; 8 - выходной параметр исполнительного устройства; 9 - электрическая цепь; 10 - блок управления
Внешний фактор 2 представляет собой возмущающее воздействие внешней среды на систему управления. Управление исполнительным устройством 7 осуществляется по состоянию выходного параметра 5 системы управления 3 и внешнего входного фактора 6.
Выходной параметр 8 исполнительного устройства 7 представляет собой переменную электрическую величину, обеспечивающую его контролирование в соответствии с функциональными параметрами системы управления.
В разомкнутой цепи система управления 3 регистрирует возмущения, измеряемые блоком управления 10. На другие внешние воздействия система не реагирует. Система управления 3 содержит необходимые функциональные элементы, обеспечивающие решение заданных условий, выполняемых разомкнутой цепью управления. На вход системы управления 3 поступает входной параметр 1, проходящий последовательно через ряд промежуточных звеньев и преобразуемый в выходной параметр 5 системы управления 3.
Разомкнутая линейная цепь системы управления функциональных элементов не обеспечивает получение оптимальных характеристик. Она более требовательна к точности изготовления функциональных элементов и поддержания режимов ее работы.
Функции управления разомкнутой системой подачи топлива и опережения зажигания в традиционных системах управления двигателем возложены на водителя. Применение программы с жестким алгоритмом управления в разомкнутых системах впрыска топлива двигателя не обеспечивает получение необходимого уровня топливной экономичности и минимального выброса вредных веществ (ВВ). Система не учитывает многообразие комплекса взаимосвязанных факторов. В этом случае происходит значительное рассогласование действующей и оптимальной программ управления.
Подобные технические решения в виде разомкнутых систем использовали практически на всех автомобилях недавнего времени. Большинство современных систем впрыска топлива снабжены замкнутой цепью управления двигателем.
Автоматическое регулирование системы впрыска топлива обеспечивают путем превращения разомкнутой схемы управления в замкнутую, т.е. в систему управления с жесткой обратной связью. Современные автоматические системы управления двигателем выполнены адаптивными (самоприспосабливающимися, от лат. «adapto» - приспосабливать). Подобная схема обеспечивает необходимый уровень надежной работы системы впрыска топлива в условиях быстрого изменения характеристик объекта управления.
Структурная схема системы управления с обратной замкнутой связью (рис. 1.2) содержит управляющее устройство 14, параметрический датчик 13 и ЭБУ 4, связанный через электрическую цепь 3 с датчиком 2 положения дроссельной заслонки и через выходной сигнал 6 ЭБУ, передающий командный параметр на привод 7 системы управления. Полученный выходной сигнал 8 привода системы управления поступает на регулируемую систему 9 (двигатель). Система управления через выходной сигнал 12 связана с датчиком (λ-зондом), размещенным в канале электрической цепи 15 обратной связи.
Рис. 1.2. Структурная схема системы управления двигателем с обратной связью: 1 - входной параметр; 2 - датчик положения дроссельной заслонки; 3 -электрическая цепь сигнала управления; 4 - ЭБУ; 5 - внешний фактор; 6 - выходной сигнал; 7 - электрический привод системы управления; 8 - выходной сигнал привода; 9 - регулируемая система (двигатель); 10 - выходной параметр системы управления; 11 - возмущающий фактор; 12 - выходной сигнал системы управления; 13 - параметрический датчик; 14 - управляющее устройство; 15 - электрическая цепь обратной связи
Входной управляющий параметр 1 через ряд промежуточных элементов формирует необходимую величину выходного сигнала 12 замкнутой системы управления. Выходной сигнал 6 электрической цепи блока управления 4 формируется под воздействием входного 1 и внешнего факторов 5. Возмущающий параметр 11 параметрического датчика 13 оказывает на замкнутую систему переменное возмущающее воздействие.
Параметрический датчик 13 по электрической цепи 15 передает сигналы выходного параметра 12, величина которого пропорциональна значениям выходного параметра соуправляющего устройства 14. Регулируемая система (двигатель) 9 снабжена системой управления процессами подачи топлива двигателя и исполнительным механизмом управления.
Величина выходного сигнала 12 изменяется адекватно изменению входного параметра 1. Дроссельная заслонка обеспечивает изменение сигнала 12 обратной связи адекватно изменению сигнала входного управляющего параметра 1 и выдает сигнал на вход промежуточных устройств замкнутой системы управления.
Электрический привод 7 регулируемой системы 9 получает обобщенный сигнал от различных датчиков через промежуточные элементы. Входным параметром рассматриваемой системы управления является величина открытия дроссельной заслонки, момент зажигания и состав горючей смеси. Законы управления этими параметрами различны. Водитель изменяет величину угла открытия дроссельной заслонки. Изменение величины расхода воздуха сопровождается изменением количества топлива и величины угла опережения зажигания.
Выходной параметр 12 представляет собой переменную электрическую величину, которая непрерывно измеряется и сравнивается с входным параметром. Управление в замкнутом контуре обеспечивает действие возмущающего фактора 11 параметрического датчика 13 в замкнутой цепи управления. Водитель со своего рабочего места через воздушную заслонку воздействует на электрическую цепь 3 системы управления, входным параметром которой является электрический сигнал датчика устройства подачи воздуха.
Система управления двигателем по обратной электрической связи 15 сообщена с датчиком положения дроссельной заслонки (ДПДЗ) 2. Приведенная система по электрическим цепям получает сигналы действий водителя через датчик расхода воздуха, связанный с педалью управления. В процессе движения водитель по желанию изменяет величину угла открытия дроссельной заслонки, обеспечивающей необходимый расход воздуха. В качестве первичной информации служат сигналы датчиков верхней мертвой точки (ВМТ), положения распределительного вала, углового положения КВ двигателя, массового расхода воздуха (или давления в ВТ) и детонации. Замкнутая система обеспечивает необходимую точность поддержания требуемых параметров по сравнению с разомкнутой системой.
Структурная схема замкнутой системы топливоподачи двигателя с обратной связью приведена на рис. 1.3. Система снабжена нейтрализатором ОГ с датчиком кислорода 4 (λ-зонд), размещенным в цепи обратной связи, и исполнительным органом 8 подачи топлива. Двигатель 2 через электрическую цепь 1 получает сигнал состава горючей смеси от исполнительного органа 8 и через электрическую цепь 3 сообщается с датчиком кислорода 4. Электронный блок управления 6 с помощью электрического сигнала через цепь обратной связи 7 связан с исполнительным органом 8.
Рис. 1.3. Упрощенная структурная схема системы топливоподачи с обратной связью: 1 - электрическая цепь передачи сигнала исполнительного органа (а); 2 - двигатель; 3 - электрическая цепь передачи сигнала управления (αог); 4 - датчик кислорода; 5 - электрический сигнал датчика кислорода; 6 - ЭБУ; 7 - электрический сигнал обратной связи; 8 - исполнительный орган подачи топлива
Исполнительный орган 8 обеспечивает изменение состава горючей смеси (а) входного сигнала. Величина концентрации отдельных компонентов вредных веществ ОГ двигателя 2 позволяет оценить коэффициент избытка воздуха прореагировавшей горючей смеси. Датчик 4 кислорода вырабатывает электрический сигнал 5, зависящий от состава ОГ двигателя 2. ЭБУ 6 по сигналам датчика кислорода поддерживает необходимое соотношение воз-дух/топливо, обеспечивающее наиболее эффективную работу нейтрализатора. При этом электронный блок 6 вырабатывает электрический сигнал 7, приводящий в действие исполнительный орган 8, который обеспечивает регулирование величины подачи топлива (а), поступающего в двигатель 2. Мгновенное значение коэффициента избытка воздуха поддерживается на уровне α=1.
В системе регулирования αог определяют путем измерения концентрации кислорода в ОГ с помощью λ-зонда, на выходе которого появляется напряжение, пропорциональное величине коэффициента избытка воздуха. Полученную величину аог система сравнивает с заданным значением а. При наличии отклонения расчетной величины а от заданной исполнительный сигнал регулятора по сигналам ЭБУ изменяет продолжительность впрыскивания. Регулирование осуществляется с помощью перемножающего звена ЭБУ, учитывающего различные корректировочные факторы. ЭБУ 6 по сигналу λ-зонда усиливает и корректирует длительность импульса впрыска ЭМФ, обеспечивая получение необходимой величины управляемого параметра.