Що таке інжектор і як він працює

Сучасні двигуни внутрішнього згоряння для поєднання високої віддачі та економічності потребують виключно точного дозування палива. Ця делікатна місія – завдання паливних інжекторів. Як вони влаштовані

Що таке інжектор

Паливні інжектори (форсунки) - це виконавчий механізм системи упорскування, за допомогою якого виконується дозування і розпилення палива, що подається під тиском.

Паливні інжектори розташовані в гніздах в районі клапанного механізму, а власне розпилювачі палива у сучасних ДВС виведені у впускний колектор або у випадку з двигунами з безпосереднім упорскуванням у камери згоряння кожного циліндра.

Спочатку інжектори, винайдені в середині XIX століття у Франції, застосовувалися для подачі води до парових котлів паровозів. В автомобільних дизельних двигунах форсунки почали використовувати з 1920-х років, а в бензинових - з другої половини 1950-х. Це були механічні пристрої з деякими електричними елементами, але вже в 1958 компанія Chrysler представила Electrojector, першу систему електронного впорскування. Пристрої такого типу стали домінуючими. Що стосується власне розпилювача (сопла), то на зміну надтонким свердлам для виконання каналів паливоподачі прийшли лазери.

Інжектор та карбюратор: у чому різниця

Карбюратор (від французького carburation – робоча суміш) – це чисто механічний пристрій для змішування у певній пропорції повітря та бензину, а також для регулювання кількості отриманої суміші перед її подачею в камеру згоряння двигуна.Процес змішування компонентів робочої суміші відбувається в карбюраторі під дією розрідження, що створюється у впускному колекторі, коли поршень у циліндрі рухається вниз.

Порівняно з карбюраторами, що раніше застосовувалися на бензинових моторах, інжектори відрізняються більшою точністю, що особливо важливо для легкопаливних двигунів, що вимагають строго певного співвідношення компонентів робочої суміші.

Основні плюси форсунок у практичному плані:

1. Покращують відгук ДВЗ на газ
2. За інших рівних скорочують витрату палива, у тому числі за рахунок відключення паливоподачі в частину циліндрів при часткових навантаженнях та використання функції Старт/Стоп
3. Дозволяють зробити вихлоп чистішим
4. Можуть бути інтегровані з протиугінною системою

Основні мінуси форсунок щодо карбюраторів:

1. Більш висока вартість системи упорскування, частиною якої є інжектори, і власне форсунок у ДВС з безпосереднім упорскуванням
2. Велика складність та вартість ремонту

Пристрій та принцип роботи інжектора

Як було зазначено вище, інжектори є частиною системи упорскування палива. У ній обов'язково присутні також:

1. Паливний насос. Оскільки в справному ДВС тиск, що створюється насосом, в системі паливоподачі залишається постійним, кількість пального, яке подається в циліндри, регулюється тільки тривалістю відкритого стану інжекторів.
2. Електронний блок керування двигуном (ЕБУ). Виходячи із показань різних датчиків, ЕБУ, зокрема, визначає момент спрацьовування та тривалість знаходження інжекторів у відкритому стані.
3. Лямбда-зонд.Цей кисневий датчик, вбудований у корпус каталітичного нейтралізатора відпрацьованих газів, забезпечує зворотний зв'язок та дозволяє ЕБУ коригувати склад робочої суміші, зокрема, за рахунок зміни періоду спрацьовування інжекторів.

Найкращого змішування компонентів робочої суміші, підвищення віддачі дизельних ДВЗ, а також зниження шумності їх роботи досягають за допомогою багатофазного упорскування. У цьому випадку необхідна кількість палива впорскується кількома порціями, кількість яких може сягати дев'яти за один такт роботи ДВС.

Інжекторна система прямого упорскування палива в циліндр у розрізі (Фото: Ton1~commonswiki / CC BY-SA 3.0 / Wikipedia Commons)

У найзагальнішому вигляді конструкція паливного інжектора сучасних ДВЗ виглядає так:

1. Корпус, в канали якого подається паливо
2. Електропривод голки, що відкриває/закриває шлях палива до розпилювача
3. Підпружинена голка/клапан. Клапан закритий, якщо на подачу не подається живлення
4. Розпилювач

Форсунки дизельних моторів більші, ніж у бензинових.

За типом приводу голчастого клапана форсунки поділяються на:

1. Електромагнітні. Тут функцію приводу виконує індукційна котушка з рухомим осердям.
2. Електрогідравлічні. Тут індукційна котушка керує поршнем, який регулює тиск палива на голчастий клапан, під дією якого останній відкривається або закривається.
3. П'єзоелектричні. За переміщення голчастого клапана відповідає п'єзоелемент, розмір якого збільшується при подачі на нього напруги.

Часті несправності інжектора

До типових несправностей форсунок ставляться:

1.Засор, викликаний попаданням в паливо різних сторонніх частинок або нагаром, що утворився, що характерно для ДВС з безпосереднім упорскуванням.
2. Вироблення ресурсу (як правило, на пробігу 150 000-200 000 км). У цьому випадку форсунку заїдає в якомусь положенні.
3. Некоректна робота через збій у роботі датчиків системи паливоподачі

Наслідком виходу форсунок з ладу є:

1. Нестійка робота двигуна, що проявляється у його вібраціях та стрибках стрілки тахометра
2. Зниження потужності двигуна
3. Ривки при натисканні на газ
4. Зростання витрати палива

Внаслідок складності систем упорскування їх ремонт вимагає спеціальної апаратури та відповідної кваліфікації, тому для усунення проблем, що виникли, потрібно звернутися на сервіс.

Профілактика несправностей інжектора

Щоб максимально довго підтримувати форсунки у працездатному стані, необхідно:

1. Заправлятися якісним паливом на перевірених АЗС
2. Міняти паливні фільтри відповідно до регламенту технічного обслуговування
3. Періодично використовувати спеціальні присадки, що заливаються в паливний бак, після чого автомобіль експлуатується у звичайному режимі

Як почистити інжектор

При серйозному забрудненні інжекторів на спеціалізованих сервісах використовують:

1. Ультразвукову ванну, заповнену спеціальною рідиною. У неї занурюють демонтовані інжектори, на які впливає як хімічні речовини, так і ультразвук, що володіє ударним ефектом.
2. Пневматичну станцію (компресор), яка при працюючому двигуні і відключеному паливному насосі подає в інжектори спеціальну рідину, що чистить.Цей метод не вимагає демонтажу форсунок і застосовується для очищення всіх типів інжекторів.

Як працює інжектор?

У замітці йтиметься про роботу «мозків», що керують двигуном вашого автомобіля чи мотоцикла. Спробую на пальцях і загалом пояснити, що ж і як відбувається.

Чим займаються ті самі «мозки» і для чого вони потрібні? Електроніка — альтернатива іншим системам, які виконують самі функції. Дозуванням палива займався карбюратор, запалюванням керував механічний або вакуумний коректор кута випередження запалення. Загалом не єдиною електронікою можна реалізувати все це і досить тривалий час саме так і було. На автомобілях, мотоциклах, бензопилах, бензогенераторах та багатьох інших місцях працювали і продовжують працювати ті самі системи, які покликаний замінити інжектор.
Навіщо знадобилося щось міняти? Навіщо зносити існуючі перевірені та надійні системи? Все просто - гонка за економічністю, екологічністю та потужністю. Точність роботи описаних вище систем недостатня для забезпечення бажаного рівня екологічності та потужності, а власними силами електронні системи управління двигуном почали з'являтися досить давно.

Я опущу принцип роботи поршневих ДВС, багато хто знайомий з тим, як працює двигун, а ті хто не знайомі — не надто постраждають. У розрізі роботи системи живлення та системи запалення двигун це просто перетворювач повітряно-паливної суміші на механічну енергію. Можна розглядати його як чорну скриньку, з деякими особливостями.

Отже, у нас є паливо (бензин, етанол, пропан чи метан), є повітря та бажання отримати з цього механічну енергію.Складність полягає в тому, що для отримання характеристик, що цікавлять нас, треба змішувати паливо і повітря в точно визначених пропорціях і підпалювати їх у досить точно визначений момент часу. Більше того, при недостатній точності ми отримаємо погіршення характеристик.

Вся суть роботи «мозків» зводиться до дозування палива та підпалом суміші в циліндрах двигуна. Це є основні функції. Крім них є ще й додаткові — керування турбіною, керування трансмісією.

Підсистема, що займається дозуванням палива називається інжектор, підпалом палива запалювання. Повітря в двигун надходить «природним» порядком. Двигун сам всмоктує повітря, його кількість може обмежуватися, для зниження потужності двигуна. Нам не потрібна максимальна потужність весь час, більшу частину часу потужність обмежується. У випадку з турбіною повітря потрапляє в двигун примусово, але це не змінює суті. Повітря стільки скільки є і ми керуємо його кількістю за допомогою педалі.
Скільки палива нам треба подати у двигун і як його дозувати? Є так зване стехіометричне ставлення, що показує, що для повного спалювання кілограма палива нам потрібна певна кількість повітря. Для бензину це співвідношення дорівнює 14,7:1. також його називають AFR (Air Fuel Rate англійською) Це не аксіома, це якийсь оптимум. Суміш може бути «бідніша», в ній може бути менше палива. Така суміш гірше горить, двигун сильніше гріється, але все згоряє повністю. Це значення у велику сторону - AFR 15 і більше. Може бути і «багатшим», коли палива більше — AFR 14 або менше. При такому співвідношенні суміш згоряє в повному обсязі, але потужність двигуна максимальна.І в той і в інший бік є обмеження — якщо занадто захопитися, двигун не працюватиме. Не можна просто налити 20 частин палива та очікувати пропорційного приросту потужності.

Отже, щоб визначити скільки ж палива нам треба подати в двигун, нам треба знати скільки повітря в нього надходить. Далі все просто — із кількості повітря за співвідношенням визначаємо кількість бензину і справа зроблена!
Зачекайте, а як же нам визначити скільки повітря надходить у двигун? Для цього є кілька шляхів. Зазвичай використовують один із наступних датчиків:

ДМРВ або MAF — датчик масового рсходу вповітря. Датчик цей вимірює кількість повітря, що проходить через нього. Як підказує вікіпедія - Датчик складається з двох платинових ниток, що нагріваються електричним струмом. Через одну нитку, охолоджуючи її, проходить повітря, друга є контрольною. За зміною струму платину, що проходить через охолоджувану повітряним потоком, обчислюється кількість повітря, що надходить у двигун.». Датчики такого типу найчастіше встановлюються у цивільні автомобілі. Загалом все досить просто. Схоже, це саме те, що потрібне! Приблизно так і є.

Інший тип датчиків

ДАТ або MAP — датчик абсолютного давлення. Цей датчик підключений до впускного колектора і вимірює розрідження (або надмірний тиск, у випадку з наддувом) в колекторі. На підставі показань цього датчика і датчиків температури, частоти обертання коленвала теж можна обчислити обсяг повітря, що надходить, що нам і потрібно. Для коригування його показань треба знати тиск навколишнього повітря.Для вимірювання атмосферного тиску або ставлять ще один такий датчик, який безперервно його вимірює, або просто до запуску двигуна вимірюють тиск. У другому випадку може вийти неприємність, якщо ви з берега моря рвонули прямісінько на Еверест.
MAP часто ставлять на спортивні автомобілі.

Встановлюється один із цих датчиків, наявність одного з них обов'язково.
Ну що ж, скільки повітря надходить у двигун, ми приблизно можемо обчислити.
Інший обов'язковий датчик
ДПКВ або датчик покладення дооленвала. Цей датчик дозволяє мозку точно знати, в якому положенні знаходиться коленвал. Навіщо нам це потрібне? Мало знати, скільки палива треба подати в двигун, треба подавати його в певний момент часу. Та й запалювати суміш у циліндрах теж треба вчасно. Тож без цього датчика — ніяк. Є кілька типів таких датчиків, але більшість з них або індукційні, або датчики Холла, або подібні до них. Загалом — безконтактні датчики, подібні до тих, які працюють, наприклад, у двигуні вашого вінчестера. Або у кулерах.
Наступний датчик, який разом із ДПКВ дає ще більше інформації про те, що відбувається в двигуні в даний конкретний момент. ДПРВ — датчик покладення распредвала. Також його називають датчиком фаз. За допомогою цього датчика можна зрозуміти в якому з циліндрів зараз такт впуску, куди ж нам треба подавати паливо, в якому циліндрі у нас такт стиснення і час підпалювати суміш. За принципом роботи він подібний до ДПКВ, але часто дещо простіше. Загалом те саме, але на распредвале.

Цього набору датчиків має вистачити для запуску двигуна.Худо бідно, але цього достатньо, щоб приблизно зрозуміти, скільки треба подавати палива, коли це робити і коли підпалювати отриманий коктейль.
Тож давайте ж тоді подавати і підпалювати! (Не плутати з розпалювати і нацьковувати)

Виконавчі механізми

Паливо дозується форсунками або іншими словами "інжекторами". Так, саме за назвою цього вузла все це неподобство нами так і називається. Форсунка із себе нічого особливо цікавого не уявляє. Легко електромеханічний клапан. Два дроти та трубопровід з паливом під тиском. Подали напругу на висновки – форсунка відкрилася, припинили пропускання струму – форсунка закрилася. Для простоти давайте спочатку приймемо, що форсунка відкривається і моментально закривається. Тоді для оцінки обсягу палива, що проходить через неї, нам достатньо знати її статичну продуктивність. Це просто обсяг палива, що пройде через форсунку за хвилину. Відкрили форсунку, виміряли об'єм бензину, який через неї за хвилину виплив — отримали основний параметр. Тепер нам для точного дозування треба просто відкривати та закривати форсунку на певний час. Виходить, що дозування проводиться «витримкою», якщо говорити термінами фотографів. Чим довший час, на який ми відкриваємо форсунку, тим більше палива ми наллємо в двигун.
А підпал суміші здійснює та сама незмінна свічка запалювання, яка вірою і правдою служила цієї мети. І котушка запалювання також на місці. Ось тільки керується вона вже «мозками». Запалювання не змінилося, але для його роботи важливий ДПКВ та ДПРВ, тож без цих датчиків справи не буде.

Загалом це, можна вважати, і є в загальних рисах як працює інжектор.Дивимося на показання датчиків, відміряємо потрібну кількість палива та відкриваємо форсунку на обчислений час. І так кожний такт. Тобто. залежно від частоти — 100 разів на секунду на частоті 6000об/хв коленвала. Часто? Та не так, щоб і дуже.

У реальних двигунах дещо складніше. Точно обчислити скільки повітря потрапляє в двигун не так просто. Для коригування значень потрібні датчики температури охолоджувальної рідини - Просто термодатчик, аналогічний тому, що показує температуру на панелі приладів. І датчик температури повітря, що надходить. Загалом трохи відрізняється від першого, а функціонально і зовсім його брат близнюк - теж просто вимірює температуру, але вже не двигуна, а повітря, що надходить у двигун. Навіщо нам щось коригувати? Справа в тому, що поки що двигун холодний, поки він не нагріється до певної температури — паливо випаровується не так добре, а горять саме пари. Відповідно, нам потрібно палива подавати більше, щоб двигун працював. Значить, беремо наше значення для оптимального співвідношення, вимірюємо двигуну температуру і коригуємо це наше значення. Також потрібно відкоригувати момент запалювання суміші в циліндрах – з тих самих причин. І тут також коригуємо.

Інший не зовсім приємний момент – форсунка, яку ми прийняли ідеальною – насправді такою не є. По-перше, потрібен час, щоб вона відкрилася, а потім закрилася. Відповідно, у цей час вона теж подає паливо, але в меншій кількості. На це також робиться поправка. Саме час відкриття та закриття залежить від напруги бортової мережі. Одна справа коли генератор шпарить на всю і в мережі 14В, а інша справа, коли генератор помер, а акумулятор розряджений до непристойних 10В.Час відкриття форсунки змінюється, і його треба коригувати. Мало померлого генератора, їхати треба і двигун не повинен перестати працювати в таких умовах.

Мало нам було виконавчих механізмів, для роботи на неодруженому ходу, коли педаль ми зовсім не чіпаємо — двигун не повинен глухнути, його роботу треба підтримувати. Для цього є спеціальний виконавчий пристрій. РХХ — регулятор холостого хода. Це такий кроковий двигун (рідше просто електромагніт), який через спеціальний канал дає двигуну «зітхнути» дросельної заслінки, що повз перекриває повітря. Розумний мозок не дає двигуну зачахнути і відкриває цей клапан, коли оберти знижуються. Але й розійтися не дає — прикриває його, коли обороти зростають занадто сильно.

Добре б нам також знати на скільки сильно водій давить на педаль акселератора. Для цих цілей дивляться не так на положення педалі, але в положення заслінки, якою ця педаль управляє. Датчик так і називається ДПДЗ — датчик покладення дросільної заслонки. Технічно це просто потенціометр, який вимірює на який кут повернута вісь дросельної заслінки. Це навіщо це нам треба знати, як сильно водій тисне у підлогу, запитаєте ви? Все просто, нам треба знати коли вмикати режим холостого ходу (пам'ятаємо про РХХ), коли водій прагне гострих відчуттів і енергійно тисне на педаль - не час економити, ллємо від душі!

Екологічні норми досить строго контролюють що ж «видихає» (нехай уже видихає) наш двигун. Тож за всього бажання лити «на око» — не можна. Необхідно контролювати склад вихлопних газів. Як це зробити? Для цієї мети є так званий лямбда зонд або датчик кисню - датчик, що показує згоріла суміш цілком, чи є вихлопних газах паливо або вільний кисень. За показаннями цього датчика інжектор може коригувати свою поведінку, або збільшуючи або зменшуючи кількість палива, що подається. Потрібно це досить часто – бензин скрізь різний і навіть просто зберігаючись у каністрі чи баку – старіє. А вже про наші заправки можна легенди складати. Відповідно, і режими його горіння зовсім не постійні. До того ж і продуктивність форсунок може «плавати». Адже як ви зрозуміли - розрахунок ведеться виходячи з їхньої постійної продуктивності, а форсунка з часом може забитися, продуктивність її може знизитися.
А норми суворі, а бензин дорогий, та й їхати треба. Уважний читач зауважив, що цього датчика достатньо для забезпечення зворотного зв'язку. Дивимось на склад вихлопних газів, якщо згоріло не все — ллємо менше. Якщо згоріло зовсім — ллємо більше.
Лямбда зонди бувають двох видів - вузькосмугові та широкосмугові. Відрізняються вони точністю. Перші лише показують багата чи бідна в нас суміш, другі показують на скільки вона багата чи бідна. Навіть точно вказують цей AFR згадуваний на початку статті. Ну і ціна, звісно. Перші коштують 25 $, другі - 200 $. З лямбдами теж не все просто - вони досить примхливі, вимагають певної температури для роботи, а це не завжди можливо, у деяких типах зондів робочий елемент спеціально підігрівають від бортової мережі. Так, лямбда може бути не одна, але це вже тонкощі.

Ще один сенсор, який використовується для аналізу того, що відбувається в двигуні, - датчик детонації. Детонація це процес згоряння палива, який протікає вибухоподібно. У нормальному режимі паливо просто згоряє, при детонації паливо вибухає.Це шкідливо для двигуна — все одно, що бити по поршню молотком. Ніхто не любить, коли по ньому б'ють молотком — поршень не виняток. Явище це вкрай небажане і визначення того, що суміш детонує і застосовують такий датчик. Він за принципом роботи схожий на мікрофон, який «слухає» двигун (датчик закріплений на блоці циліндрів) і почутим намагається відфільтрувати шум роботи двигуна і зрозуміти де детонація, а де нормальна робота. Все не просто тут. Для полегшення роботи цього датчика ставлять датчик нерівної дороги, який покаже, що це наші дороги так шумлять, а не двигун. Потреба цього датчика зростає на турбованих двигунах.

У результаті самі собою мізки працюють приблизно так:
Є так звана паливна карта - таблиця, в якій записано якого складу має бути суміш. У таблиці три виміри – частота обертання колінвала двигуна, навантаження на двигун та власне AFR. Просто беремо з таблиці значення, покладене туди досвідченим товаришем.
Коригуємо це значення відповідно до показань датчиків температур, лямбда зонда, датчика детонації, зміною положення дросельної заслінки і відповідно до всіх цих поправок (частина з них теж у табличках) обчислюємо необхідну кількість палива. Перераховуємо обсяг палива під час відкриття форсунки відповідно до її продуктивності, коригуємо час відповідно до напруги бортової мережі та в момент впуску – відкриваємо форсунку на обчислений час.

Як бачите, нічого складного і мудрого тут немає. Просто таблиці, можливо місцями ПІД регулятор, коефіцієнти впливу тих чи інших чинників й у результаті просто час відкриття форсунки.
Із запаленням теж саме, тільки там карта кутів, аналогічна паливній карті (теж таблиця) і також коригування відповідно до показань датчиків.

У штатному режимі все працює, але що робити, якщо один із датчиків вийшов з ладу? І як це збагнути? Якщо датчик температури, наприклад, показує, що двигун нагрітий до 200 градусів, або що суміш детонує незважаючи на всі коригування? У цьому полягає продуманість мізків. Обчислити, що датчик бреше, не брати до уваги його показання, запалити "check engine" на панелі та продовжити роботу. Завдяки такій поведінці двигун збереже працездатність при виході з експлуатації деяких датчиків (не всіх, як ви розумієте) і дозволить доїхати до СТО.

Так, багато хто з вас помітить, що інжектор по суті досить простий пристрій. І схематично там немає нічого військового — вхідні значення зчитуються за АЦП, що виходять і зовсім чисто бінарні. Ну, вихідні транзистори, ну досить жорсткі умови роботи. Але це далеко не космос.
Щодо роботи прошивки — теж начебто все не так і складно. На мій погляд простіше будь-яких алгоритмів розпізнавання зображень і таке інше. У процесі налаштування саму прошивку ніхто не чіпає зазвичай. У тому сенсі, що відкривати вихідні джерела, коригувати алгоритми, оптимізувати щось — такого немає. Просто софт який дозволяє змінювати ті самі паливні карти та інші коефіцієнти. А прошивками займаються вже інженери на заводах. Або прості смертні, яким це цікаво.
Так так, не кожен готовий платити за «мозки» космічні гроші, а комусь може бути просто хочеться більше контролю над тим, що відбувається. Все це призвело до того, що є кілька проектів цілком доступних «мозків».Є megasquirt - www.megamanual.com/index.html, для цієї апаратної бази згодом була написана і підтримується кастомна прошивка з розширеним функціоналом - msextra.com/doc/index.html На останньому сайті є навіть схеми цих "мозків", може бути комусь із електронників буде цікаво. А програмістам може бути цікаво глянути на код. Якщо не помиляюся, то він тут. msextra.com/doc/ms2extra/files/release/ms2extra_3.2.1_release.zip
Є ще VEMS - www.vems.hu/wiki, який спочатку називався megasquirtAVR, але тепер сам по собі. Бачив ще таких хлопців — forum.diyefi.org там у них якийсь свій проект FreeEMS. На мій погляд все це показує, що все не так вже й складно і місцями навіть дуже доступно.

Сподіваюся, вийшло досить цікаво і в міру зрозуміло. Про помилки прошу писати в особу. Якщо де помилився - виправте.