§ 3.5. Конструкція елементів систем

Паливні насоси. У системах впорскування робочий тиск у паливній магістралі форсунок треба забезпечити безпосередньо перед моментом запуску двигуна, тому бензонасос діафрагмового типу від карбюраторних двигунів, який має продуктивність і робочий тиск у кілька разів менше необхідних значень, має механічний привід від двигуна та починає подавати паливо тільки після включення стартера й запуску ДВЗ, застосовувати неможливо. Тому застосовують конструкції, де насос не залежить від двигуна. Він приводиться в дію електромотором постійного струму від акумуляторної батареї.

Електробензонасос (рис. 41) сконструйовано як єдине ціле в одному корпусі — до електродвигуна додано насосний вузол. Якір, колектор і щітки електричного бензонасоса постійно перебувають у бензині (у рідинах, які не проводять струм (до них відноситься і бензин), іскріння неможливо). Бензин проходить через електродвигун й одночасно охолоджує весь вузол. Таке конструктивне рішення дозволило відмовитися від підшипників кочення — їх замінили підшипники ковзання, змащенням для яких служить бензин.

Рис. 41. Електричний паливний насос: 1 — підвідний штуцер; 2 — основа; 3 — статор насоса; 4 — запобіжний клапан; 5 — кришка; 6 — вихідний канал; 7 — статор електродвигуна; 8 — якір електродвигуна; 9 — корпус; 10 — колектор; 11 — зворотний клапан; 12 — напірний штуцер; 13 — щітка; 14 — муфта; 15 — вал; 16 — сепаратор; 17 — ролик

Рис. 42. Типи паливних насосів: а — шестеренний; б — роликовий; в — пластинчастий; г — схема роботи шестеренного насоса; д — відцентровий; е — з боковими каналами; 1 — корпус; 2 — зона усмоктування; 3 — ротор; 4 — зона нагнітання; 5 — напрямок обертання

За принципом дії електробензонасоси діляться (рис. 42) на об’ємні (рис. 42, а-в) і відцентрові (рис. 42, д-е). Відмінності в конструкціях стосуються, в основному, їхніх насосних вузлів.

Робота насосів об’ємного типу заснована на циклічній зміні об’ємів порожнин усмоктування і нагнітання. Наприклад, роликовий гідронагнітач (Bosch) має диск із п’ятьма прорізами, у кожній з яких перебуває циліндричний ролик. Диск розташований на одній осі з електромотором, але зміщений (ексцентричний) стосовно обойми нагнітача, усередині якої він обертається. Ролики відіграють роль рухливих ущільнень між секціями ротора та обоймою. При обертанні кожна секція ротора за рахунок ексцентриcитета збільшує свій об’єм у зоні забору палива. Створюється розрідження, що сприяє засмоктуванню бензину у насос. Подальше обертання викликає зменшення об’єму (зона нагнітання палива), і відбувається виштовхування бензину через випускний отвір під тиском. Зворотний клапан у вихідному штуцері насоса перешкоджає зливу палива із системи після вимикання запалювання.

Принцип роботи шестеренних насосів (Pierburg) аналогічний, але замість дискового ротора використовуються дві шестерні — зовнішня і внутрішня.

Роликові насоси здатні розвивати максимальний тиск до 0,6–1,0 МПа, шестеренні — до 0,4 МПа. ККД насосів становить близько 0,25. Насоси такого типу використовують у якості насосів низького тиску у системах безпосереднього впорскування (потрібний тиск — 0,7 МПа). У ДВЗ з впорскуванням у впускний трубопровід об’ємні насоси зараз менш популярні, ніж відцентрові.

Відцентрові насоси діляться на турбінні і вихрові, а елементом нагнітання служить крильчатка з лопатами різної конфігурації. У турбінних насосів лопати плоскі. Максимальний тиск, що розвиває цими насосами, не перевищує 0,4 МПа, а ККД — 0,10–0,15, однак вони відрізняються стабільним потоком і працюють практично без пульсацій тиску.

Вихровий насос має крильчатку з виїмками сферичної форми — така конструкція лопаток при обертанні створює додаткові завихрення рідини. За один оберт крильчатки така саме кількість палива під дією відцентрової сили багаторазово відкидається від центра до периферії, у результаті чого послідовно нарощується його кінетична енергія. Вихрові насоси розвивають тиск в 4–9 разів вище порівняно з турбінними, а їх ККД становить 0,30–0,45. Такі насоси підходять для перекачування не тільки бензину, але й інших малов’язких рідин — спирту, ефіру тощо. Однак при перекачуванні сумішей з абразивними включеннями, наприклад, неякісного бензину, вони швидко виходять із ладу.

Для гарантованого прокачування бензину через фільтр тонкого очищення бензонасос повинен забезпечувати тиск у 1,3–2 рази більше за необхідний робочий тиск у системі впорскування. Продуктивність насоса повинна істотно перевищувати потребу двигуна навіть на режимах максимальної потужності і, залежно від об’єму двигуна, становити 1–3 л/хв. Незалежно від режиму роботи мотора, насос постійно включений. У результаті електродвигун насоса споживає від акумуляторної батареї однакову потужність (≈ 60 Вт) і при незмінному числі обертів перекачує бензин. Потрібна подача палива у форсунки забезпечується регулятором тиску, а зайвий бензин повертається в бензобак.

Електробензонасоси можуть установлюватися як поза бензобаком, так й усередині нього. Відповідно, існує два їхні типи — зовнішній і внутрішній (рис. 43). Зовнішні (підвісні) бензонасоси кріпляться під днищем автомобіля на гумових «амортизаторах» і мають захисний металевий картер.

Конструкція внутрішнього (заглибного) бензонасоса (рис. 44) містить у собі бачок з резервним паливом, що забезпечує сталість подачі палива (заповнюється струминним насосом або додатковим ступенем бензонасоса), датчик рівня палива та необхідні електричні і гідравлічні з’єднання. Блок насоса має убудований регулятор тиску і сітчастий фільтр грубого очищення, що установлюють на вході нагнітальної секції. Регулятор тиску скидає зайвий бензин у бак. При цьому відпадає необхідність у наявності довгого оборотного трубопроводу. Фільтр тонкого очищення також може бути інтегровано у цей блок.

Рис. 43. Електробензонасоси: зовнішні — Bosch (а), Walbro (б); заглибні — VDO (в), Walbro (г)

Рис. 44. Модуль заглибного паливного насоса: 1 — паливний фільтр; 2 — паливний насос; 3 — струминний насос бачка з резервним паливом; 4 — регулятор тиску палива; 5 — датчик рівня палива; 6 — фільтр попереднього очищення палива

Паливні насоси високого тиску. У системах безпосереднього впорскування використовують три- або одноциліндрові насоси (рис. 45).

Трициліндровий насос — радіально-плунжерного типу, з приводом від розподільного вала. Ексцентрик забезпечує зворотно-поступальний рух плунжерів. При ході плунжера донизу паливо подається через порожній плунжер та впускний клапан у нагнітальну камеру. При русі плунжера угору паливо стискається і тече через випускний клапан у паливну рампу.

Одноциліндровий насос має безпосередній привод від розподільного вала через штовхач у головці циліндрів. Цей насос має клапан регулювання кількості палива з електричним переключенням і рециркуляцією палива на вхід насоса. Він забезпечує подачу лише необхідної кількості палива у рампу. Для згладжування пульсацій тиску встановлено демпфер.

а	б
Рис. 45. Конструкції паливних насосів високого тиску: трициліндрових HDP1 (а) та одноциліндрових HDP2 (б): 1 — ексцентрик; 2 — контактний башмак; 3 — циліндр; 4 — плунжер; 5 — запірна кулька; 6 — випускний клапан; 7 — впускний клапан; 8 — демпфер тиску; 9 — клапан регулювання кількості палива; 10 — кулачкова шайба; 11 — ущільнювальна шайба; 12 — прокладка; 13 — приводний вал.

Паливні фільтри виконують у вигляді змінних з послідовним розташуванням після насоса або інтегрованими у паливний бак на весь термін служби. Через суворіші вимоги до якості палива порівняно з карбюраторними ДВЗ фільтроелементи виконують паперовими з пластин, які розташовані радіально або складені у гармошку.

Рис. 46. Паливні фільтри з паперовим фільтроелементом складчастого типу (а) та радіального розташування (б): 1 — кришка; 2 — корпус; 3 — фільтроелемент; 4 — опорна пластина

Паливна рампа (рис. 47). Виконує наступні функції:

• установка і фіксація форсунок;

• накопичення палива;

• забезпечення рівномірного розподілу палива по форсунках.

Крім форсунок, на рампі (рис. 48) часто закріплено регулятор тиску і, іноді, демпфер тиску. Виготовляють рампу, у залежності від вимог, з високоякісної сталі або з пластмаси.

Рис. 47. Паливна рампа

Рис. 48. Паливна рампа у зборі: 1 — впускний трубопровід; 2 — форсунка; 3 — штуцер; 4 — рампа; 5 — регулятор тиску

Регулятор тиску. Призначений для підтримання необхідного сталого тиску палива. У більшості систем його встановлено у паливній рампі, а у системах без рециркуляції палива — у паливному баці. Конструктивно він являє собою (рис. 49) мембранний регулятор з клапаном зливу. Діафрагма поділяє внутрішню порожнину на дві — паливну (поєднана з паливопроводом від насоса) і вакуумну (поєднана з задросельним простором). У залежності від різниці тисків діафрагма або закриває клапан, або відкриває та зливає зайве паливо у бак.

а	б
Рис. 49. Регулятор тиску: а — клапан закритий; б — клапан відкритий; 1 — корпус; 2 — клапан; 3 — кришка; 4 — діафрагма .

У механічних системах впорскування K-Jetronic та KЕ-Jetronic з безперервним впорскуванням регулятор тиску встановлюють на розподільнику (дозаторі) палива. За конструкцією він — плунжерного типу (рис. 50,а).

У системах центрального впорскування регулятор тиску (рис. 50,б) встановлюють перед форсункою у єдиному блоці.

У системах безпосереднього впорскування регулювання тиску здійснюється електромагнітним клапаном (рис. 50,в), який повертає зайве паливо у контур низького тиску.

Рис. 50. Регулятори тиску систем K-Jetronic (а), Mono-Jetronic (б) та MED-Motronic (в): 1 — подача палива; 2, 17, 20 — кільцеве ущільнення; 3 — злив у бак; 4 — плунжер; 5 — пружина; 6 — пластина клапана; 7 — нижня камера; 8 — верхня камера; 9, 14 — натискна пружина; 10 — опора клапана; 11 — діафрагма; 12 — вентиляційний отвір; 13 — електричний контакт; 15 — обмотка соленоїда; 16 — якір соленоїда; 18 — випускний канал; 19 — кульковий клапан; 21 — сідло клапана; 22 — сітчастий фільтр впуску палива

Розподільник (дозатор) палива. Використовується у механічних системах безперервного впорскування K-Jetronic та KЕ-Jetronic для подачі необхідної кількості палива до форсунок.

Він являє собою золотниковий механізм, що змінює кількість палива, яке подається до форсунок, через співвідношення керуючого тиску та впливу тиску повітря від витратоміра (рис. 52,а). Диференційний нагнітальний клапан (рис. 11.52,б) забезпечує керувальний тиск та подачу палива до форсунок, підтримуючи постійний перепад тиску між верхньою та нижньою камерами діафрагмового механізму, що забезпечує більш точне дозування палива.

У системі KЕ-Jetronic дозатор постачений електрогідравлічним коректором тиску (рис. 52,в), який являє собою диференційний регулятор тиску, що діє від блока керування.

а	б	в
Рис. 51. Розподільник-дозатор палива: а — дозатор системи K-Jetronic; б — диференційний нагнітальний клапан K-Jetronic; в — дозатор з коректором тиску системи KЕ-Jetronic; 1 — повітря; 2 — золотниковий розподільник; 3 — корпус; 4 — дозувальні щілини; 5 — дроселювальний канал; 6 — трубка до регулятора збагачення палива; 7 — пружина; 8 — роз’єднувальний дросельний канал; 9 — діафрагма; 10 — електрогідравлічний коректор тиску; 11 — пластина мембранного типу; 12 — повітряний зазор; 13 — полюс магніту; 14, 15 — жиклер; 16 — витратомір повітря; А — керуючий тиск; Б — подача палива (робочий тиск); В — дозована кількість палива; Г — вплив тиску повітря; Д — тиск у нижній камері (робочий тиск); Е — тиск у верхній камері (на 0,1 бар менший за робочий тиск); Ж — подача палива у форсунку; З — магістраль до регулятора тиску.

Форсунки.

При центральному впорскуванні форсунку об’єднано у єдиний агрегат з регулятором тиску та дросельною заслінкою (рис. 11.52). Форсунка (рис. 53) електромагнітна, у виключеному стані голка притиснена до сідла пружиною; при збудженні обмотки голка підіймається на висоту ≈0,06 мм, і паливо впорскується крізь зазор. Розпилювання палива забезпечується формою розпилювача. Кількість впорскнутого палива залежить лише від тривалості відкриття форсунки.

Рис. 52. Блок центрального впорскування: 1 — форсунка; 2 — датчик температури повітря; 3 — дросельна заслінка; 4 — регулятор тиску палива; 5 — потенціометр дросельної заслінки; 6 — привод дросельної заслінки

Рис. 53. Форсунка центрального впорскування: 1 — електричні контакти; 2 — обмотка електромагніта; 3 — якір соленоїда; 4 — голка клапана; 5 — розпилювач

Електромагнітна форсунка розподіленого впорскування (рис. 54, а) та форсунка високого тиску систем безпосереднього впорскування (рис. 54, в) за принципом дії аналогічні попередній, але дещо відрізняються за конструкцією. Механічна форсунка (K-Jetronic) (рис. 54, б) — штифтова, відкривається під тиском палива.

а	б	в
Рис. 54. Форсунки — електромагнітна розподіленого впорскування (а), механічна розподіленого впорскування (б) та високого тиску (в): 1 — насадка; 2 — голка; 3 — корпус; 4 — соленоїд; 5 — фільтр; 6 — кришка; 7 — пружина; 8 — сердечник; 9 — сідло; 10 — контакт.

Адсорбер. Призначений для уловлювання парів палива, що випаровуються з бака. Для поглинання парів використовують активоване вугілля (рис. 55).

Рис. 55. Схема роботи адсорбера: 1 — паливний бак; 2 — сосуд з активованим вугіллям; 3 — повітря; 4 — сигнал від блоку керування; 5 — клапан продувки сосуду

Дросельна заслінка. У більшості систем впорскування керування дросельною заслінкою — електронне. На педалі акселератора встановлено датчик положення, а заслінка повертається шаговим електродвигуном з редуктором (рис. 56). Поширюється тенденція встановлювати індивідуальну дросельну заслінку на кожний циліндр (рис. 57).

Рис. 56. Дросельна заслінка з електроприводом (GM)

Рис. 57. Індивідуальні дросельні заслінки (BMW)

Регулятори холостого ходу. Існують декілька конструктивних рішень забезпечення роботи ДВЗ при прикритій дросельній заслінці.

Клапан додаткового повітря (рис. 58). Використовувався у системі K-, КЕ-, L-Jetronic та виконував роль системи холостого ходу. Являє собою байпасний канал навколо дросельної заслінки. Перетин каналу регулюється клапаном з біметалічною пластиною, яка при нагріванні вигинається та зменшує перетин каналу, зменшуючи частоту обертання по мірі прогріву.

Регулятор на основі моментного двигуна (рис. 59) керує регулювальним сегментом від імпульсного сигналу блока керування.

У інших конструкціях (рис. 60) використовують шаговий електродвигун (Opel-Multec), клапан-соленоїд (Hitachi).

У сучасних конструкціях з приводом дросельної заслінки від електромотора робота забезпечується подачею сигналу з блока керування та поворотом заслінки.

Рис. 58. Клапан додаткового повітря: 1 — повітряний канал; 2 — керувальна пластина; 3 — біметалічна пластина; 4 — електричний контакт; 5 — спіраль нагрівача; 6 — дросельна заслінка; 7 — гвинт регулювання частоти обертання колінчастого вала

а	б
Рис. 7. 59. Регулятор холостого ходу на основі моментного двигуна (а) та його робота (б): 1 — електричний контакт; 2 — корпус; 3 — постійний магніт; 4 — якір; 5 — повітряний канал; 6 — регулювальна заслінка.

Рис. 60. Регулятори холостого ходу: на основі клапана-соленоїда (а) та на основі шагового електродвигуна (б): 1 — електричні контакти; 2 — соленоїд; 3 — повітряні канали; 4 — рухомий шток; 5 — корпус; 6 — пружина; 7 — регулятор з шаговим електродвигуном; 8 — байпасний канал; 9 — впускний канал; 10 — дросельна заслінка; 11 — моноблок центрального впорскування

Датчики. Сучасні ДВЗ з комплексними системами керування робочим процесом функціонують на основі великої кількості параметрів роботи ДВЗ. Основні з них:

• температура ДВЗ;

• витрата повітря;

• тиск у впускному трубопроводі;

• кут повороту дросельної заслінки;

• коефіцієнт надлишку повітря;

• частота обертання колінчастого вала;

• положення розподільного вала;

• склад відпрацьованих газів;

• температура відпрацьованих газів;

• температура повітря;

• тиск наддуву.

Розглянемо конструкції датчиків, що визначають деякі з цих параметрів.

Витратомір повітря. Витрата повітря є основним параметром, що визначає подачу палива.

У системах K-, КЕ-Jetronic використовувався витратомір з висхідним потоком (рис. 61), що працював за принципом поплавка. Повітря, що поступає у циліндри, підіймає пластину затвора. Через важелі зусилля передається на розподільник палива. У випадку зворотних спалахів у впускному тракті пластина вигинається у іншу сторону та відкриває розвантажувальний отвір.

Рис. 61. Витратомір повітря з висхідним потоком у первісному (а) та робочому (б) стані: 1 — воронка; 2 — пластина затвора; 3 — розвантажувальний отвір; 4 — гвинт регулювання складу суміші на холостому ході; 5 — вісь повороту; 6 — важіль; 7 — пластинчаста пружина

Більш розповсюджений флюгерний датчик витрати повітря (рис. 62). Поворот лопати флюгера-датчика під впливом повітря викликає зміну сигналу потенціометра. Для згладжування коливань призначений демпфер.

Рис. 62. Флюгерний датчик витрати повітря: 1 — лопата датчика; 2 — датчик температури повітря; 3 — контакт потенціометра; 4 — спіральна пружина; 5 — потенціометр; 6 — обвідний канал; 7 — камера демпфера; 8 — лопата демпфера; 9 — гвинт регулювання складу суміші на холостому ході

У сучасних системах керування отримали поширення термоанемометричні датчики (рис. 63): з ниткою, що нагрівають, та плівковий. Нитка або плівковий резистор утворюють з датчиком температури повітря мостову схему, у якій вони виконують роль термісторів.

Рис. 63. Термоанемометричні датчики: з ниткою, що нагрівають (а) та плівковий (б): 1 — гібридна схема; 2 — кришка; 3 — металічний вкладиш; 4 — трубка Вентурі з ниткою; 5 — корпус; 6 — захисна решітка; 7 — кільце; 8 — тепловідвідний елемент; 9 — проміжний модуль; 10 — сенсор (нагрівальний елемент); 11 — задавальний щабель

Датчик рівня палива у баці. Найчастіше датчик (рис. 64) включає потенціометр з підпружиненим движком, до якого приєднано поплавок. По мірі витрати палива поплавок переміщується, повертаючи движок, що змінює величину електричного опору та напруги живлення.

Аналогічну конструкцію має датчик положення дросельної заслінки.

Датчик концентрації кисню у відпрацьованих газах (λ-зонд, λ-датчик). Принцип дії (рис. 65) базується на здатності пропускати крізь себе іони кисню. Одна з активних поверхонь контактує з атмосферним повітрям, друга — з відпрацьованими газами. При значній відмінності вмісту кисню на них різко змінюється напруга на виводах.

Рис. 64. Датчик рівня палива: 1 — електричні контакти; 2 — контактна пружина; 3 — контактний виступ; 4 — плата опору; 5 — опорний штифт; 6 — подвійний контакт; 7 — важіль поплавка; 8 — поплавок; 9 — паливний бак	Рис. 65. Датчик концентрації кисню у відпрацьованих газах: 1 — ущільнювальне кільце; 2 — металічний корпус; 3 — керамічний ізолятор; 4 — проводи; 5 — манжета; 6 — контакт проводу живлення нагрівача; 7 — зовнішній захисний екран з отвором для атмосферного повітря; 8 — струмознімач; 9 — електричний нагрівач; 10 — керамічний наконечник; 11 — захисний екран з отвором для відпрацьованих газів.

Датчик детонації (рис. 66). Встановлюється у такому місці блока, де забезпечується оптимальне визначення детонації від усіх циліндрів. Коливання блока при детонації передається кільцевому п’єзокерамічному диску, де вони індуцюють перемінну напругу. При виникненні детонації блок керування зміщує момент запалювання у бік запізнення, після чого плавно повертає до первісного стану.

Рис. 66. Датчик детонації: 1 — інерційна маса; 2 — корпус; 3 — п’єзокерамічний елемент; 4 — контакти; 5 — виводи