Система подачи топлива

Система подачи топлива

Система подачи топлива начинается с топливного бака и заканчивается топливными форсунками. Если одно звено в цепи подачи топлива выйдет из строя, в худшем случае это грозит необратимыми повреждениями двигателя, а в лучшем – значительным снижением мощности. Поэтому, если вы собираетесь устанавливать наддув на атмосферный двигатель или планируете модифицировать турбированный двигатель, прежде всего убедитесь, что каждая часть системы питания способна пропускать достаточное количество топлива, чтобы поддерживать необходимый состав топливовоздушной смеси.

На рис. 13.1 вы можете увидеть различные компоненты стандартной электронной системы впрыска топлива гоночного автомобиля. Простейшая система электронного впрыска топлива может быть разделена на три части: поток воздуха, электрическая/электронная системы, которые подробно рассматриваются в главах 10 и 18 соответственно, а также система подачи топлива, которая включает форсунки, регулятор давления, топливный насос, топливный фильтр, топливопроводы и топливную рампу.

Рабочий цикл форсунки

Мы не можем рассматривать интенсивность потока топлива в двигателе, учитывая только один аспект – размер форсунок. На самом деле интенсивность потока топлива во впускной заряд определяется размером форсунок, длительностью впрыска и давлением топлива. Так как интенсивность потока достигает пикового значения при максимальной мощности двигателя, важным фактором также является рабочий цикл форсунки, который выражается в максимальном процентном отношении времени впрыска топлива форсункой, чтобы удовлетворять требованиям интенсивности потока топлива. Если форсунка будет открыта постоянно, то есть 100% времени, она будет перегреваться и либо не будет точно реагировать на сигналы от электронного блока управления, либо перегорит. В легковых автомобилях, предназначенных для эксплуатации вусловиях городского движения, в форсунках Bosch рабочий цикл не должен превышать 85%, а в гоночных автомобилях он должен быть не больше 80%. В случае с форсунками ND и Rochester отнимите 5% от этих рекомендованных значений, а в случае с форсунками Lucas вы можете свободно прибавить 7%. Однако, прежде чем использовать максимальное значение рабочего цикла форсунок, проверьте их на испытательном стенде и посмотрите на форму распыла и расход, так как может произойти все, что угодно (вибрация форсунки, заклинивание вполуоткрытом состоянии, заклинивание в практически закрытом состоянии и т.д.). Это означает, что, если заводское статическое значение пропускной способности составляет 390 см³/мин под давлением 2,7 бар, максимальная пропускная способность одной форсунки с рабочим циклом 80% при этом давлении топлива составит 312 см³/мин (390 х 80% = 312).

Рис. 13.1. Система электронного впрыска топлива с датчиком абсолютного давления в коллекторе типа Speed Density для гоночного двигателя с наддувом. На иллюстрации изображены следующие компоненты.

1. Форсунки.
2. Дроссельная заслонка.
3. Датчик температуры воздуха.
4. Датчик положения дроссельной заслонки.
5. Датчик абсолютного давления в коллекторе.
6. Электронный блок управления.
7. Датчик температуры выхлопных газов.
8. Датчик температуры охлаждающей жидкости.
9. Датчик температуры топлива.
10. Датчик давления топлива.
11. Регулятор давления топлива.
12. Топливная рампа.
13. Топливный фильтр.
14. Топливный насос.
15. Возвратный топливопровод избытка топлива.
16. Шланг датчика разрежения в коллекторе/давления наддува.

Рис. 13.2. В парной системе впрыска все форсунки срабатывают при каждом обороте коленвала.

Отношение длительности впрыска и рабочего цикла форсунки

По мере увеличения частоты вращения двигателя время, за которое форсунка должна впрыскивать топливо в поток впускного заряда, становится все короче и короче. Естественно, двигатель, работающий при полностью открытой дроссельной заслонке с частотой вращения 9000об/мин, будет иметь лишь 2/3 времени, за которое должен произойти впрыск, по сравнению сдвигателем, работающим при частоте вращения 6000об/мин. Однако форсунку нельзя держать постоянно воткрытом положении, иначе она будет повреждена. В модифицированных автомобилях, предназначенных для использования в условиях городского движения, она может быть активной или иметь рабочий цикл до 85%. Конечно же, затем следует цикл «отдыха», когда на обмотку соленоида не подается электрический ток, что составляет 15% времени. Так как заводские легковые автомобили редко работают при высокой частоте вращения двигателя в течение продолжительного промежутка времени и при полностью открытой дроссельной заслонке, некоторые производители увеличивают рабочий цикл до 93%, но в двигателях гоночных автомобилей, которые работают при не полностью открытой дроссельной заслонке только в течение коротких промежутков времени, рабочий цикл форсунки не должен превышать 80%.

Необходимый цикл «отдыха» в 20% влияет на время, которое есть у форсунки, чтобы впрыскивать топливо в поток впускного заряда. Мы можем рассчитать максимально допустимую длительность впрыска, используя формулу:

М – рабочий цикл форсунки;

rpm – максимальная частота вращения для парной системы впрыска и половина от максимальной частоты вращения для последовательного впрыска.

Если во время тестирования на динамометрическом стенде мы обнаружим, что рабочий цикл форсунок превышает 80% при любой частоте вращения двигателя, придется установить форсунки большего размера или увеличить давление топлива. Однако запомните, что максимально допустимая длительность впрыска увеличивается при низкой частоте вращения.

Максимально допустимая длительность впрыска (миллисекунды)

^*Последовательный впрыск топлива; рабочий цикл 70% рекомендуется в качестве максимального значения для оптимальной мощности. Однако форсунки могут оставаться открытыми с рабочим циклом 80 или 85% при условии, что значение в 16 мс не будет превышено.

Учтите, что в стандартных форсунках длительность впрыска не будет превышать 16 мс. Это обычно не проблема для атмосферных двигателей с парным впрыском, но в турбированных двигателях спарным впрыском, которые обладают высоким крутящим моментом при низкой частоте вращения, могут возникнуть трудности, что также касается всех двигателей с последовательным впрыском топлива.

Однако часто во время тестирования на динамометрическом стенде обнаруживается, что двигатель будет производить оптимальную мощность справильно настроенным последовательным впрыском топлива (рис. 13.3 и 13.4), когда рабочий цикл будет составлять 60–70%. Более короткий рабочий цикл в 40–50%, который будет начинаться при открытии впускного клапана, часто будет слишком коротким, чтобы обеспечить оптимальное распыление и охлаждение двигателя. Учтите, что эти примечания касаются только последовательного впрыска топлива. В системах спарным впрыском топлива я не наблюдал различия в мощности при рабочем цикле от 65 до 80%.

Рис. 13.3. Системы последовательного впрыска топлива в заводских легковых автомобилях обычно начинают впрыск непосредственно перед открытием впускного клапана в соответствующем цилиндре.

Рис. 13.4. В системах последовательного впрыска гоночных автомобилей фазы впрыска обычно заканчиваются непосредственно перед закрытием впускного клапана.

Развивая тему рабочего цикла, стоит отметить, что, если мы хотим использовать систему последовательного впрыска топлива и хотим получить максимально возможную мощность, необходимо подбирать достаточно большие форсунки с высоким давлением топлива, чтобы выполнить проверку на динамометрическом стенде с рабочим циклом 60%. Увеличение будет незначительным, или его не будет вообще при установке системы последовательного впрыска топлива в гоночный автомобиль и использовании настолько маленьких форсунок или низкого давления топлива, что придется увеличить рабочий цикл на 75–80%, чтобы обеспечить подачу достаточного количества топлива в двигатель при высокой частоте вращения.

Расчет пропускной способности форсунок

Чтобы определить приблизительное количество топлива, которое должно подаваться в каждый цилиндр бензиновых двигателей, я использую следующую формулу:

HP – максимальная мощность, л.с.;

K – количество цилиндров;

C = 5,6 для двигателей с наддувом.

Поэтому двигатель мощностью 280л.с. с четырьмя цилиндрами потребует пропускную способность 392см³/мин в каждый цилиндр, чтобы развить эту мощность.

Затем следует определить размер форсунок, которые необходимы для обеспечения этой пропускной способности в 392 см³/мин, при соблюдении необходимого значения рабочего цикла. Для этого я использую формулу:

TF – теоретический поток;

N – количество форсунок на цилиндр;

M – рабочий цикл форсунки.

При условии, что мы хотим использовать систему последовательного впрыска топлива с одной форсункой на цилиндр и хотим проверить форсунку, чтобы получить оптимальную мощность при рабочем цикле до 60%, ламинарный поток форсунки составит:

TF = 392

N = 1

M = 60

Давление топлива влияет на пропускную способность форсунки

Но, прежде чем вы поспешите покупать четыре форсунки с ламинарным потоком как минимум 653,3 см³/мин, учтите, что подобные форсунки будут стоить недешево, и, возможно, той же интенсивности потока можно добиться, используя форсунки меньшего размера, хотя при этом придется увеличить давление топлива. Многие производители указывают значение ламинарного потока форсунок при давлении топлива 2,5; 2,7 и 3,0 бар. Но очень часто можно обеспечить увеличение пропускной способности, увеличив давление топлива до 4,0 бар. Ни в коем случае не поднимайте давление заводских форсунок выше 4,0 бар. В противном случае срок их службы может резко сократиться, а при давлении 0,5бар управлять форсунками будет невозможно. Я обнаружил, что лишь некоторые форсунки с высокой пропускной способностью показывают увеличение пропускной способности при увеличении давления топлива выше 4,0 бар. Небольшие форсунки часто не демонстрируют увеличение пропускной способности, или увеличение составит всего 2–3%, если давление увеличится с 4,1 до 4,8 бар, так как форсунке потребуется гораздо больше времени, чтобы открыться при более высоком давлении (рис. 13.5).

Рис.13.5. Внутренняя конструкция форсунок Bosch наглядно демонстрирует, почему при увеличении давления соленоид не может поднимать игольчатый клапан быстро.

При более низком давлении (то есть ниже 4,0 бар) мы можем рассчитать ламинарный поток форсунки при увеличении давления топлива, используя формулу:

SF – ламинарный поток форсунки при стандартном значении давления;

RP – измененное давление топлива в системе;

OP – стандартное значение давления топлива.

При помощи этой формулы мы можем рассчитать, будут ли форсунки «351» подходить нам по требованиям. Компания Bosch указывает пропускную способность 560 см³/мин при давлении 2,7бар. Мы рассчитаем, насколько может увеличиться интенсивность потока при давлении 4,0бар, зная, что эти форсунки обеспечивают отличную пропускную способность при более высоком давлении и не станут работать менее эффективно при последующих модификациях:

SF = 560

RP = 4,0

OP = 2,7

Конечно же, форсунка «315» сможет обеспечить двигатель необходимым количеством топлива при рабочем цикле 60%. В таблице 13.1 приведен список различных моделей форсунок компаний Bosch, Lucas и ND, а также указана приблизительная пропускная способность при различных значениях давления топлива, полученных при помощи формулы, приведенной выше. Учтите, что все значения пропускной способности приблизительные, и в действительности интенсивность потока может быть намного ниже, что показано в таблице 13.2, отражающей результаты тестирования двух форсунок с различными значениями давления топлива.

Таблица 13.1. Пропускная способность форсунок

Таблица 13.2. Влияние давления топлива на пропускную способность форсунки