Автомобильный справочник

для настоящих любителей техники

Система подачи топлива бензинового двигателя

С истема подачи топлива в бензиновых двигателях служит для подачи топлива из топливного бака к топливной рейке, при этом избыток топлива через регулятор давления возвращается в бак. Система подачи топлива состоит из нескольких компонентов, обеспечивающих ее работоспособность. Вот о том, из каких элементов состоит система подачи топлива в бензиновом двигателе, мы и поговорим в этой статье.

Топливный фильтр

Назначением топливного фильтра является фильтрация топлива, поступающего в топливную систему. Для защиты компонентов системы, в особенности топливных форсунок, необходимо удалить из топлива загрязнения, которые могут попасть в топливный бак во время заправки авто­мобиля или вентиляции топливного бака.

Конструкция топливного фильтра

Топливные фильтры для двигателей с ис­кровым зажиганием (бензиновые фильтры) устанавливаются на стороне нагнетания на­соса подачи топлива. В последнее время все шире применяются фильтры, встраиваемые непосредственно в топливный бак. В этом случае фильтр не подлежит замене и должен быть рассчитан на весь срок службы автомо­биля. В то же время продолжают использо­ваться топливные фильтры, встраиваемые в линию подачи топлива. Отсюда следует, что фильтры могут представлять собой как смен­ные элементы, так и элементы, рассчитанные на весь срок службы автомобиля.

Корпус фильтра изготавливается из стали, алюминия или пластмассы. Фильтр соеди­няется с линией подачи топлива при помощи резьбового соединения, трубки или быстро­разъемного соединения. Корпус содержит фильтрующий элемент, задерживающий частицы грязи (см. рис. «Проходной топливный фильтр» ). Фильтрующий элемент встроен в контур подачи топлива таким образом, что топливо проходит через всю поверхность фильтрующей среды, насколько возможно, с одной и той же скоростью потока

Фильтрующие элементы топливного фильтра

В качестве фильтрующей среды используется специальная, пропитанная смолой бумага из целлюлозного волокна, в некоторых случаях (для работы в тяжелых условиях) сцепленная методом оплавления со слоем синтетического волокна. Этот слой призван обеспечить высокую температурную и химическую стойкость филь­трующего элемента. Эффективность фильтра­ции и сопротивление фильтра потоку определя­ются пористостью бумаги и распределением пор.

Фильтры для бензиновых двигателей имеют спиральную или радиальную форму. В фильтре спиральной формы тисненая фильтровальная бумага обернута вокруг несущей трубки. Топливо протекает через фильтр в продольном направлении.

В фильтре радиальной формы бумага сло­жена и вставлена в корпус в форме звезды. Устойчивость фильтрующего элемента обе­спечивается пластмассовыми, резиновыми или металлическими торцевыми кольцами и, при необходимости, внутренней защитной оболочкой. Топливо протекает через фильтр снаружи внутрь, при этом частицы грязи от­деляются от топлива фильтрующей средой.

Требования к топливным фильтрам

Система подачи топлива определяет требуемую тонкость фильтрации. Филь­трующий элемент для систем с впрыском то­плива во впускной трубопровод имеет среднюю ширину пор приблизительно 10 мкм. Для бензи­новых двигателей с прямым впрыском топлива требуется более тонкая фильтрация. В этом слу­чае средняя ширина пор составляет около 5 мкм При этом, фильтрующий элемент должен задер­живать до 85% частиц размером более 5 мкм Кроме того, новый фильтр для системы прямого впрыска топлива (бензина) должен отвечать следующему требованию: частицы металла, ми­нералов и пластмассы диаметром более 400 мкм не должны вымываться топливом из фильтра

Эффективность фильтра зависит от направ­ления потока. Поэтому при замене встраивае­мых в линию (проходных) фильтров следует соблюдать направление потока, указанное стрелкой на корпусе фильтра.

Интервал замены обычных проходных фильтров, в зависимости от объема фильтра и степени загрязнения топлива, составляет от 30 000 до 90 000 км. Фильтры, встраиваемые в топливный бак, рассчитаны не менее, чем на 160 000 км пробега. В настоящее время суще­ствуют проходные и встраиваемые в топлив­ный бак фильтры для систем прямого впрыска топлива, ресурс которых достигает 250 000 км.

Электроприводные топливные насосы

Топливный насос с электроприводом должен подавать достаточное количество топлива в двигатель и одновременно поддерживать нужное давление, обеспечивающее эффек­тивный впрыск топлива при всех условиях работы. Основными требованиями к насосу являются:

• Производительность при номинальном на­пряжении от 60 до 300 л/ч;
• Давление в топливной системе от 300 до 650 кПа (3,0 — 6,5 бар);
• Повышение давления в системе при напря­жении питания, составляющем 50-60 % от номинального напряжения. Определяю­щим фактором здесь является работа на­соса во время пуска холодного двигателя.

Кроме того, электрические топливные насосы все шире применяются в современных систе­мах прямого впрыска топлива для бензиновых и дизельных двигателей в качестве насосов предварительной подачи топлива. Для бензи­новых двигателей иногда, во время работы в условиях высоких температур, требуется обе­спечить давление топлива до 700 кПа.

Конструкция топливных насосов

Электроприводный топливный насос (см. рис. «Электроприводный топливный насос центробежного типа» ) приводится в действие электродвигателем. В ка­честве стандартного компонента в этом двига­теле используется медный коллектор. Для двига­телей насосов высокой мощности, специальных применений и дизельных систем применяются графитовые коллекторы. В настоящее время на новых автомобилях все шире применяются элек­тронные коммутирующие устройства, для кото­рых коллектор и угольные щетки не требуются.

Собственно, насос может быть центро­бежного или вытеснительного типа. Кроме того, насос включает торцевую крышку с электрическим контактом, обратный клапан (для поддержания давления в системе), при необходимости предохранительный клапан и выпускной патрубок. В большинстве случаев в торцевых крышках устанавливаются уголь­ные щетки коллектора электродвигателя и иногда помехоподавляющие элементы — катушки индуктивности и конденсаторы).

Вытеснительные топливные насосы

В вытеснительном насосе объемы жидкости засасываются и транспортируются в закрытой камере (за исключением утечек) на сторону высокого давления за счет вращения насо­сного элемента. В качестве электроприводного топливного насоса могут использоваться роторный роликовый насос (рис. а, «Принцип действия электроприводных топливных насосов» ), шестеренчатый насос с внутренним зацепле­нием (рис. b, «Принцип действия электроприводных топливных насосов» ) или центробежный насос.

Вытеснительные насосы имеют преимуще­ства при высоких давлениях (450 кПа и выше) и имеют хорошую низковольтную характеристику, т.е. производительность в опреде­ленном диапазоне напряжения изменяется незначительно. К.п.д. насоса составляет около 33 %. Присущие этому насосу импульсы дав­ления могут вызывать дополнительный шум, уровень которого зависит от конструктивных особенностей насоса и места его установки.

В то время как современная электронная система подачи топлива для бензиновых двигателей в основном использует насосы центробежного типа, отвечающие всем тре­бованиям, предъявляемым к электрическим топливным насосам, вытеснительные насосы нашли новую область применения в качестве предварительных насосов подачи топлива для систем прямого впрыска топлива (бензиновых и дизельных двигателей) с их значительно бо­лее высокими требованиями к рабочему дав­лению и диапазону вязкости топлива.

Центробежный топливный насос

Центробежный насос стал общепринятым вы­бором там где используется система подачи топлива с давлением до 600 кПа. Крыльчатка с большим количеством лопаток вращается в камере, состоящей из двух фиксированных секций. Каждая из этих секций имеет канал, расположенный вдоль пути перемещения лопаток крыльчатки; на одном конце канала предусмотрены отвер­стия, расположенные в плоскости всасываю­щих отверстий насоса. Отсюда они доходят до точки выпуска топлива из насоса под предва­рительным давлением. Маленькое отверстие для выпуска газов, расположенное на опреде­ленном угловом расстоянии от всасывающего отверстия, служит для улучшения работы на­соса при перекачке нагретого топлива; через это отверстие наружу выпускаются пузырьки газа (с минимальными утечками).

Давление возрастает вдоль канала в результате обмена импульсами давления между лопатками крыльчатки и частицами жидкости. Это приводит к движению по спи­ральной траектории объема жидкости, захва­ченного в крыльчатке и каналах.

Насосы центробежного типа отличаются низким уровнем шума, поскольку повышение давления происходит непрерывно и практи­чески без пульсаций. Конструкция этого насоса значительно проще по сравнению с насосом вытеснительного типа. Одноступен­чатые насосы позволяют получать давление в системе до 600 кПа; к.п.д. этих насосов до­стигает 26%.

Система подачи топлива — топливные модули

В то время как первая электронная система подачи топлива для бензиновых двигателей использовала электроприводный топливный насос, который устанавливался исключительно вне топливного бака, в настоящее время обще­принятой практикой является его установка в топливном баке. В этом случае электропри­водный топливный насос является частью топливного модуля (см. рис. «Модуль подачи топлива» ), который может также включать следующие элементы:

• Топливный резервуар для резерва топлива (обычно наполняемый всасывающим на­сосом или пассивно, через систему засло­нок, переключающий клапан и т.д.);
• Датчик уровня топлива;
• Регулятор давления топлива для топлив­ных систем без возврата топлива в бак;
• Фильтр на стороне всасывания для защиты насоса от загрязнения;
• Сетчатый фильтр тонкой очистки, не требу­ющий замены на протяжении всего срока службы автомобиля;
• Электрические и гидравлические соеди­нители;
• Модуль также может включать датчик давления паров топлива в топливном баке (для диагностики утечек из бака), датчик давления топлива (для систем с регули­руемой подачей топлива) и различные клапаны.

Насосы высокого давления для систем прямого впрыска топлива

Функцией насоса высокого давления является сжатие топлива, подаваемого в достаточном количестве электроприводным топливным на­сосом при давлении на впуске, зависимом от температуры и частоты вращения коленчатого вала (программно определенное значение) до уровня высокого давления впрыска топлива.

Регулируемый насос высокого давления

Система подачи топлива с прямым впрыском использует регулируемый насос высокого давления для создания давления впрыска до 20 МПа (система прямого впры­ска топлива 2-го поколения). Он представляет собой одноцилиндровый насос, работающий в масле (см. рис. «Одноцилиндровый регулируемый насос высокого давления для систем прямого впрыска топлива 2-го поколения» ) со встроенными клапаном регулирования подачи (также называемым до­зирующим устройством), клапаном сброса дав­ления на стороне высокого давления и демп­фером пульсаций давления топлива на стороне низкого давления. В целях соблюдения строгих стандартов качества топлива и требований за­конодательства в области снижения токсично­сти отработавших газов насос изготавливается из нержавеющей стали, и все соединения, от­носящиеся к системе снижения токсичности отработавших газов, сделаны сварными.

Насос высокого давления установлен как сменный компонент на головке блока цилин­дров. Воздействие распределительного вала двигателя на цилиндр насоса осуществляет ци­линдрический толкатель при использовании ку­лачка с двумя выступами или ро­ликовый толкатель в случае кулачка с тремя или четырьмя рабочими выступами (см. рис. «Элементы привода насоса высокого давления» ). Это обеспечивает подъем кулачка на подающий плунжер насоса высокого давления с выполне­нием требований в отношении смазки, вибраци­онных напряжений и механической инерции. Во время подъема кулачка толкатель перемещается в соответствии с его контуром. Это вызывает вертикальное перемещение или рабочий ход по­дающего плунжера. Во время хода нагнетания толкатель поглощает приложенное давление, силы инерции, усилие пружины и контактные усилия. Толкатель закреплен так, чтобы в ходе процесса не происходило его вращение.

При наличии кулачка с четырьмя высту­пами, на четырехцилиндровом двигателе возможна синхронизация подачи и впрыска топлива, т.е. сопровождение каждого впрыска подачей топлива. Таким образом, можно за счет снижения давления в топливной рампе с одной стороны снизить пульсации давления в контуре высокого давления, а с другой сто­роны уменьшить объем рампы.

Объемная производительность топливного насоса

В целях обеспечения достаточно быстрого достижения требуемого давления в системе, максимальная производительность насоса вы­сокого давления соответствует максимальной потребности двигателя с запасом, учитываю­щим различные дополнительные факторы, ока­зывающие влияние на условия подачи топлива (например, повышение давления при пуске двигателя, высокая температура бензина, износ насоса, динамическая характеристика).

Объемная производительность насоса определяется как отношение количества фак­тически подаваемого топлива к теоретически возможному максимальному количеству. Она зависит от диаметра и рабочего хода по­дающего плунжера. Объемная производитель­ность не является постоянной во всем диапа­зоне частоты вращения коленчатого вала. Она зависит от следующих факторов:

• В нижней части диапазона: утечки через плунжер и другие утечки;
• В верхней части диапазона: инерция и дав­ление открытия клапана;
• Во всем диапазоне частоты вращения ко­ленчатого вала: мертвый объем подающей камеры и зависимость сжимаемости то­плива от температуры.

Клапан регулирования подачи топлива

Современная система подачи топлива использует регулирование производительности насоса высокого давления осуществляется при помощи клапана регулирования подачи топлива (см. рис. «Принцип действия клапана регулирования подачи топлива» ). Топливо, нагнетаемое электроприводным топливным насосом, подается в напорную камеру через впускной клапан открытого клапана регулирования подачи топлива. Вовремя последующего рабочего хода подачи клапан регулирования подачи топлива остается откры­тым после прохождения нижней мертвой точки, и излишнее топливо, не требующееся при дан­ной нагрузке двигателя, возвращается в контур низкого давления. После открытия клапана ре­гулирования подачи топлива впускной клапан закрывается, топливо сжимается плунжером насоса и подается в контур высокого давления. Система управления двигателем вычисляет мо­мент включения клапана регулирования подачи топлива в зависимости от требуемой подачи и давления в топливной магистрали. Регулиро­вание осуществляется посредством изменения момента начала подачи топлива.

Демпфер пульсаций давления топлива

В насос высокого давления встроен регулиру­емый демпфер пульсаций давления топлива. Он вместе со ступенчатым плунжером (создающим эффект подкачки во время хода всасывания), сглаживает пульсации давления, создаваемые насосом высокого давления при высоких скоростях вращения, и обеспечивает требуемое наполнение напорной камеры. Демпфер давления забирает определенное количество топлива, отводимого в определен­ной рабочей точке двигателя, за счет дефор­мации его газонаполненных металлических диафрагм и выпускает его во время хода вса­сывания для заполнения напорной камеры. При этом возможна работа с регулируемым давлением на впуске, т.е. использование си­стем с регулированием низкого давления.

Насос высокого давления с непрерывной подачей топлива

Для создания давления впры­ска до 12 МПа (в системах прямого впрыска топлива 1-го поколения), система подачи топлива бензино­вых двигателей использует насос высокого давления с непрерывной по­дачей топлива. Он представляет собой радиально-поршневой насос с тремя подающими цилиндрами, расположенными по окружности со смещением 120° (см. рис. «Насос высокого давления с непрерывной подачей топлива для систем прямого впуска 1-го поколения» ).

На приводном вале насоса, приводимом во вращение от распределительного вала, установ­лен эксцентриковый кулачок. Он преобразует вращательное движение вала в радиальное перемещение плунжеров насоса. Приводная часть насоса работает в бензине, служащем для охлаждения и смазки.

Топливо, нагнетаемое электроприводным топливным насосом, поступает в насос высо­кого давления через впускной канал. В плунже­рах насоса имеются поперечные и продольные каналы, через которые топливо поступает в вытеснительные камеры трех цилиндров. Во время перемещения плунжера из верхней мерт­вой точки в нижнюю мертвую точку топливо всасывается через впускной клапан. Во время хода подачи, при перемещении плунжера из нижней мертвой точки в верхнюю мертвую точку топливо сжимается и через выпускной клапан подается в область высокого давления. Производительность насоса высокого дав­ления с непрерывной подачей топлива про­порциональна его скорости вращения.

Три цилиндра насоса, смещены относительно друг друга на 120° для обеспечения перекрытия и, следовательно, непрерывной подачи топлива. Это позволяет свести к минимуму пульсации давления. Благодаря этому, по сравнению с системами с регулированием подачи с одно­плунжерными насосами, к соединениям и то­пливопроводам предъявляются менее строгие требования. Кроме того, в данном случае от­сутствует необходимость в демпфере пульса­ций давления. К недостаткам можно отнести тот факт, что при непрерывной подаче топлива с высоким давлением имеют место более вы­сокие потери мощности по сравнению с систе­мами с регулируемой подачей.

Когда насос работает при постоянном давлении в топливной рампе или при частичной нагрузке двигателя, давление избыточного топлива снижается до уровня давления на впуске клапаном регулирования давления, установлен­ном на топливной рампе, и возвращается на сто­рону впуска насоса высокого давления. Уровень давления в контуре высокого давления регули­руется блоком управления двигателем, управ­ляющим клапаном регулирования давления.

Клапан регулирования давления

Клапан регулирования давления представляет собой пропорциональный регу­лирующий клапан, закрытый при отсутствии электрического тока и управляемый широтномодулированным импульсным сигналом. Во время работы при подаче питания на катушку клапана возникает электромагнитная сила. Преодолевая усилие пружины, она подни­мает шарик клапана из седла, тем самым изме­няя проходной сечение клапана.

Клапан регули­рования давления обеспечивает регулирование давления в топливной рампе в функции коэф­фициента заполнения импульсов. Избыточное топливо, подаваемое насосом высокого давле­ния, возвращается в контур низкого давления.

Пружина клапана выполняет функцию ограничения давления в целях защиты ком­понентов от чрезмерно высокого давления в топливной рампе, например, в случае сбоя в системе управления клапаном.

В случае выхода из строя одного или бо­лее цилиндров насоса, возможна работа на исправных цилиндрах или от электроприводного топливного насоса при давлении, рав­ном давлению на впуске.

Топливная рампа

Назначением топливной рампы является накопление топлива, требующегося для впрыска, сглаживание пульсаций давления форсункам и равномерное распределение топлива по всем форсункам. Топливные форсунки смонтированы непосредственно на рампе. В системах с возвратом топлива возможна установка рядом с топливными форсунками регулятора давления топлива и при необходимости, демпфера пульсаций давления топлива в топливной рампе.

Локальные пульсации давления, вызывае­мые резонансом, возникающим при откры­ли и закрытии топливных форсунок, пре­дотвращаются посредством точного расчета размеров топливной рампы. Это позволяет избежать разброса количества впрыскивае­мого топлива, который может возникать в за­висимости от частоты вращения коленчатого вала и нагрузки двигателя.

Системы прямого впрыска топлива для бензиновых двигателей

Назначением топливной рампы является на­копление и распределение объема топлива, требуемого для каждой рабочей точки двига­теля. Топливо запасается за счет его объема и сжимаемости. Таким образом, объем топлива зависит от мощности двигателя и должен быть адаптирован к потребностям того или иного двигателя (количеству впрыскивае­мого топлива) и диапазону давлений. Объем топлива обеспечивает демпфирование пуль­саций давления в топливной рампе.

На топливной рампе установлены следую­щие компоненты системы прямого впрыска топлива: топливные форсунки высокого дав­ления, датчик давления для регулирования высокого давления и клапан ограничения давления (для систем 1-го поколения).

Топливная рампа для систем впрыска то­плива 1-го поколения рассчитана на давление до 12 МПа (плюс запас 0,5 МПа до давления открытия клапана ограничения давления). Для систем 2-го поколения допустимое дав­ление в рампе составляет 20 МПа (плюс за­пас 0,5 МПа до давления открытия клапана ограничения давления). Разрывное давление, соответственно еще выше.

Регулятор давления топлива

В системах с впрыском топлива во впускной трубопровод количество топлива, впрыскива­емого форсункой, зависит от продолжитель­ности впрыска и разности между давлением топлива в топливной рампе и противодавле­нием во впускном трубопроводе. В топливных системах с возвратом топлива влияние дав­ления компенсируется регулятором давления топлива. Он поддерживает разность давлений в топливной рампе и впускном тру­бопроводе на постоянном уровне этот регу­лятор позволяет топливу возвращаться в бак в таком количестве, чтобы падение давления на топливных форсунках оставалось постоян­ным. Для этого через топливную рампу протекает интенсивный поток топлива, а регулятор давления устанавливается на конце рампы.

В системах без возврата топлива регуля­тор является частью встраиваемого в бак топливного модуля. Давление в топливной рампе поддерживается на постоянном уровне относительно внешнего давления. Это озна­чает, что перепад давления между топливной рампой и впускным трубопроводом не оста­ется постоянным и должен учитываться при вычислении продолжительности впрыска.

Конструкция и принцип действия регулятора давления

Регулятор давления топлива — диафрагменного переточного типа. Резино­вая диафрагма разделяет регулятор давле­ния на топливную камеру и камеру пружины. Через держатель клапана, встроенный в диафрагму, усилие пружины прижимает подвижную тарелку клапана к седлу, и кла­пан находится в закрытом положении. Как только давление, прилагаемое к диафрагме избыточным топливом, превышает усилие пружины, клапан открывается. Он позволяет перетекать в топливный бак топливу в коли­честве, достаточном для поддержания равно­весия сил, прилагаемых к диафрагме.

Камера пружины пневматически соеди­няется с впускным трубопроводом за дрос­сельной заслонкой. В результате разрежение во впускном трубопроводе также создается в камере пружины. Таким образом, отноше­ние давлений на диафрагме такое же, как на топливных форсунках. Это означает, что падение давления на топливных форсунках зависит только от усилия пружины и площади поверхности диафрагмы и, следовательно, остается постоянным.

Демпфер пульсаций давления топлива

Повторяющееся открытие и закрытие топлив­ных форсунок совместно с прерывистой по­дачей топлива при использовании топливных насосов вытеснительного типа приводит к колебаниям давления топлива. Это может вызывать резонанс давления, оказывающий неблагоприятное влияние на точность дози­рования топлива. При определенных усло­виях эти колебания могут вызывать шум, передающийся на топливный бак и кузов автомобиля через элементы крепления электроприводного топливного насоса, топливо­проводы и топливную рампу. Эти проблемы можно решить посредством использования элементов крепления специальной конструк­ции и демпферов пульсаций давления.

Демпфер пульсаций давления имеет кон­струкцию, подобную конструкции регулятора давления топлива. Здесь также подпружинен­ная диафрагма отделяет топливную камеру от воздушной камеры. Усилие пружины по­добрано таким образом, что мембрана подни­мается из своего седла, как только давление подачи топлива достигает своего рабочего диапазона. Это означает, что топливная камера имеет переменный объем, и не только погло­щает топливо при возникновении бросков дав­ления, но также выпускает его, когда давление снижается. Для обеспечения работы в наиболее благоприятном диапазоне при возникновении колебаний абсолютного давления топлива из-за условий, имеющих место во впускном трубопроводе, камера пружины может быть соединена с впускным трубопроводом.

https://press.ocenin.ru/sistema-podachi-topliva/