ДВС и его виды. Часть 5. Современные системы впрыска, применяемые датчики.⁠⁠

Всем привет, продолжаем.

Хочу отдельно поблагодарить читателей, которым не лень поправлять меня в комментариях. В дискуссии всегда рождается истина)

Внесем правки в предыдущую тему.

1. Да, я ошибся с ВАЗовскими моторами. Впуск с изменяемой геометрией стали устанавливать на моторы 1.6. На моторы 1.8 установили фазовращатель на впускной распределительный вал, в связи с чем увеличили маслонасос и модернизировали головку блока.

2.  И снова про крутящий момент и мощность.

Ходил я тут дня три и думал) Большое спасибо товарищу @daxiaoriben  , за наиболее содержательную и доходчивую наводку.

Да, если быть кратким, мощность - главное. Чтобы было проще это осознать,  я придумал пример.

Возьмем два двигателя с разными характеристиками, для простоты возьмем все факторы (сопротивление воздуха, вес маховика, вес машин и тд) одинаковыми, передаточное отношение трансмиссии равно 1. На графике цветными полосами я пометил скорости вращения коленвала с интервалом в 1000 об\мин.

На этой картинке нас интересует черный график

На картинках у нас два разных мотора, с одинаковым максимальным крутящим моментом. Один мотор (второй), с турбонагнетателем, поэтому у него кривая момента представляет из себя "полку" с 1500 по 4000 об\мин. У первого мотора пик момента достигается на 4500 об\мин, так как он атмосферный.  Теперь посмотрим на то, как они будут разгоняться. Ускорение машины зависит от приложенной к ней силы тяги, то есть от крутящего момента на колесе. У нас он будет равным на моменту на маховике (трансмиссионные потери для простоты не учитываем).

1. 1500 об\мин. У первого мотора момент на колесе составляет около 145 Нм, у второго 200Нм, соответственно второй мотор ускоряется резвее, так как тяга больше, смотрим на МОЩНОСТЬ. У первого 25 кВт, у второго 30 кВт, итого, выигрывает мотор, выдающий бОльшую мощность.

2. 2500 об\мин. У первого мотора момент на колесе около 160 Нм, у второго 200 Нм. Соответственно второй мотор продолжает уезжать, так как тяга все еще больше. Но больше и мощность, 50 кВт против 45.

3. 3500 об\мин. У первого мотора момент около 180 Нм, у второго также 200 Нм. Второй мотор продолжает отрыв, сохраняя преимущество в мощности, 75 кВт против 60 с копейками.

4. 4500 об\мин.  У первого мотора 200Нм, у второго около 190 Нм, и первый мотор начинает уходить,  теперь он преобладает в мощности. 90 кВт против 85 кВт.

5. Последняя метка в 5500 об\мин. Первый мотор выдает около 180 Нм, второй 150 и мощности соответственно 110 против 85 кВт.

Как видим, ускорение напрямую зависит от выдаваемой мощности, равно как и от крутящего момента, за одним маленьким НО. И это но расставляет точки в споре, или почему дизеля не валят.

Все очень просто. Берем дизель, допустим работает он на 2000 об\мин, и выдает крутящий момент в 200 Нм и мощность в 40 кВт, и есть бензин, работающий на 4000 об\мин, выдающий те-же 200Нм и, внимание, 80 кВт. Едут машины с одной скоростью, у дизеля передаточное число 1, у бензина 2. Мощность механических потерь, сопротивления движению машины и тд, примем в 40 кВт. Итого получаем : дизель достиг своей максимальной скорости и не разгоняется, а бензиновый мотор, выдавая тот-же момент, бодро уходит вперед, ибо он выдает вдвое больше мощности.  И тут дотошный читатель задаст вопрос, а как-же так, как тяговое усилие? А тут мы вспомним про передаточное отношение и увидим, что в то время как у дизеля на колесе 200Нм, у бензина аж 400, вдвое больше, вот сюда-то и делся двукратный избыток мощности. Поэтому дизели и не едут.

Отсюда итог. Да, машину разгоняет мощность, но ноги ее растут из крутящего момента, и в него-же она и уходит. И чем выше крутящий момент и чем более высокие при этом обороты, тем выше мощность и тем лучше.  И главное преимущество дизеля - это экономичность, в виду высокой тяговой характеристики на низких оборотах и НИЗКОЙ выдаваемой мощности, ибо топлива ест меньше. На этом думаю спор можно закрыть)

Итак. 

Современные системы управления двигателем, или ЭСУД.

Наибольшее количество изменений ЭСУД претерпели с введением норм токсичности выхлопных газов Евро-3. По сравнению с предыдущими вариациями, у данных систем появился электронно-управляемый дроссель и второй датчик кислорода, устанавливаемый после каталитического нейтрализатора, плюс катализаторов в большинстве случаев стало два, один в непосредственной близости от выпускных окон в головке, второй на отдалении.

С этого момента водитель полностью потерял механическую связь с двигателем, остались только провода. Мотор полностью управлялся электронным блоком управления, на педаль газа установили датчик ее положения. Теперь водитель не управлял дросселем, а лишь указывал ЭБУ, что он хочет получить от мотора. Введение электронного дросселя обусловлено тем, что при управлении дроссельной заслонкой при помощи ноги, происходила некоторая инерционность в смесеобразовании в переменных режимах, например при резком открытии дросселя смесь кратковременно обеднялась, а при закрытии - обогащалась. Все это ухудшало средние показатели токсичности выхлопа, из-за чего управление дросселем отдали ЭБУ.  Катализатор перенесли к головке для ускорения его прогрева, ведь как известно, рабочая температура нейтрализатора составляет больше 300 градусов, поэтому холодный запуск, да еще на переобогащенной смеси, сильно вредил экологии, плюс ко всему, дабы не убить долго прогревающийся катализатор несгоревшим топливом, производители устанавливали системы подачи воздуха во впускной коллектор, эдакий пылесос, который в течении пяти минут после запуска задувал по специальному каналу в коллектор сильный поток воздуха, для того, чтобы несгоревшее топливо имело возможность догореть в коллекторе, а не на сотах катализатора.

Второй датчик кислорода предназначался для контроля исправности нейтрализатора и на работу мотора не влиял.

Система подачи воздуха в выпускные коллекторы.

Выпускные кат-коллекторы.

Также с этого поколения системы управления в большинстве случаев распрощались с высоковольтными проводами и вынесенными катушками зажигания. Их место заняли единые или дискретные модули зажигания, различающиеся тем, что в едином несколько модулей залиты в один корпус. В таких модулях на каждый цилиндр была своя собственная катушка зажигания, что позволило уменьшить помехи от работы высоковольтной системы и увеличить стабильность работы системы зажигания в целом.

Единый модуль зажигания

Дискретные модули, или индивидуальные катушки.

Также благодаря этим модулям, фазированному впрыску топлива и датчику детонации, удалось осуществить поцилиндровый контроль работы двигателя. ЭБУ может "увидеть" пропуски зажигания в отдельном цилиндре и отключить его с соответствующей ошибкой, что сильно упростило диагностику неисправностей. Также наряду с внедрением этих систем,  пошла в массовое использование шина CAN-bus (Control Area Network) или сеть контроллеров. Это высокоскоростной интерфейс, связывающий в единую сеть контроллеры разных устройств автомобиля. С ее помощью блоки могут обмениваться данными и исполнять различные команды. Воедино все компоненты связывались модулем управления автомобилем, у разных производителей это называлось по разному, у опеля например, CIM-модуль, часто располагавшийся в рулевой колонке.

Данные системы впрыска существуют и здравствуют по сей день, к ним только добавили дополнительные возможности, такие как управление фазовращателями, воздушными заслонками, турбонагнетателями, вентиляторами, термостатами и тому подобным.

Ну и такие блоки как правило стали исполняться в литом корпусе с открытым монтажем на керамической плате, залитой компаундом, что люто усложнило их ремонт, а в некоторых случаях сделало его невозможным.

Системы непосредственного впрыска топлива

Следующим шагом стало внедрение систем непосредственного впрыска (именно электронно-управляемых). Пионерами в принципе можно назвать компанию Mitsubishi с ее системой GDI (Gasoline Direct Injection, непосредственный впрыск бензина). У разных производителей эти системы назывались по разному, например FSI у фольксвагена, SIDI у опеля, и тд.

Эти системы кардинально изменили все принципы и возможности управления двигателем.

Для поднятия КПД, нужно было повышать степень сжатия, что при классической схеме, со сжатием готовой топливо-воздушной смеси, приводило к повышению вероятности возникновения неконтролируемого воспламенения, или детонации, которая разрушительно влияла на ЦПГ. И тут инженеры прикрутили к бензиновому мотору подобие коммон-рейла от дизеля.

В системе впрыска появился ТНВД (топливный насос высокого давления) и форсунки, установленные непосредственно в камеру сгорания. Давление в топливной рампе выросло до 100 и более атмосфер, что позволило осуществлять впрыск в очень короткое время, и качественно распылять топливо.  А главное, позволило безболезненно поднять степень сжатия до 12 и выше. Например мазда в своих моторах подняла степень сжатия до 14, а это уже показатель их-же дизельного мотора.

Также данные системы позволили улучшить экономичность за счет принципа послойного смесеобразования, благодаря чему моторы стали работать на переобедненных смесях, на которых воспламенение с традиционными системами невозможно. Действует это очень просто, в режиме малых нагрузок и холостого хода, поршень сжимает воздух, и непосредственно перед моментом искрообразования в область свечи зажигания подается порция топлива, создающая зону с нормальным составом смеси, в то время как средний состав получается очень бедным, но воспламенение в таком случае возможно, что позволяет сильно экономить, складывая это с высокой степенью сжатия, поднимающей эффективность сгорания.  В поршень в таких моторах, имеет очень хитрую форму днища

Поршень Skyactive от мазды.

Моторы также получили второй режим работы на обедненной гомогенной (однородной) смеси, когда первый впрыск топлива осуществляется на такте в пуска, формируя очень бедную смесь, а перед воспламенение в область свечи опять-же подается дополнительная порция топлива, обеспечивающая воспламенение, такой режим используется на частичных нагрузках.

Ну и в режимах полной мощности впрысков становится больше, для формирования богатой "мощностной" смеси.

Плюсом к этому стали применять тотальное облегчение деталей двигателя, масляные и водяные насосы переменной производительности, для уменьшения отбора мощности на привод вспомогательных агрегатов, позволив поднять эффективность моторов на высокий уровень.

Также данная схема используется на моторах с компрессорами, только с уменьшенной степенью сжатия.

Кроме того, Экологичность моторов удалось повысить с помощью системы рециркуляции отработавших газов EGR (Exhaust Gas Recirculation).

Система появилась еще на заре развития систем управления впрыском, и клапаны рециркуляции были с вакуумным приводом. Позже они стали электронными, что увеличило точность их работы.

Данная система призвана уменьшить содержание окислов азота в выхлопных газах, образующихся при высокой температуре и избытке кислорода, поэтому с целью эту самую температуру понизить, и уменьшить количество кислорода, поступающего в цилиндры, на впуск стали подавать часть выхлопных газов на малых и частичных нагрузках. На режимах холостого хода и полной мощности  рециркуляция не осуществляется. С остальными вредными углеродосодержащими веществами в выхлопе отлично справляется каталитический нейтрализатор.

Отдельной, но параллельной тропой шли моторы с наддувом. Конструкторы подумали, зачем париться со всеми этими хитрыми резонансами и заслонками, когда можно прикрутить к мотору насос и задувать столько воздуха, сколько влезет? И сработало. Технология позволила меньше ломать голову, делаем ЦПГ покрепче, дуем побольше и получаем профит.

Моторы с наддувом отличаются очень простым впускным и выпускным трактом, и пониженной степенью сжатия, для предотвращения возникновения детонации. Ну и конечно наличием воздушного компрессора, приводимого в действие либо от энергии выхлопных газов (турбокомпрессор)

Либо нагнетателем с приводом от коленчатого вала двигателя, как правило шнековым или роторным.

Если в случае с приводными компрессорами все ясно,  и все хорошо, кроме отбора мощности от коленвала двигателя (до 1000лс на дрэговых моторах), и высокой стоимости, то с турбокомпрессорами появился такой гадкий эффект, как турбояма.

Турбояма возникает, когда энергии выхлопных газов не хватает, чтобы раскрутить крыльчатку компрессор до номинальных оборотов, и к примеру до 2000 об\мин мотор вялый, "не тянет", после чего происходит резкий подхват. Для решения этой проблемы крыльчатки турбокомпрессоров уменьшают, смещая "спул" (момент раскрутки компрессора), в зону более низких оборотов, но в этом случае маленького компрессора перестает хватать на верхах, для избежания этой гадости стали устанавливать два компрессора, маленький и большой. Маленький работает в нижнем диапазоне оборотов, большой - в верхнем.

Однако системы опять-же, оказались дорогими, и в нижнем ценовом диапазоне их не встретить.

Системы наддува позволили начать стихийно понижать рабочий объем моторов, выдувая из них максимум мощности, правда долго жить такие моторы отказываются, так как физику не обманешь.

Назначение датчиков систем впрыска

Датчик положения коленчатого вала, ДПКВ

Дает показания об угле поворота коленчатого вала, основополагающий датчик многих систем.

Датчик положения распределительного вала ДПРВ

Дает данные об очередности фаз и положении распределительных валов. На некоторых системах в аварийном режиме может заменить ДПКВ.

При выходе из строя ДПРВ отключается режим фазированного впрыска.

Датчик положения дроссельной заслонки ДПДЗ

Датчик дает показания о нагрузке на двигатель по степени открытия дроссельной заслонки.  На системах с электронным дросселем этот датчик встроен в корпус дроссельной заслонки, также их там может быть два.

Датчик температуры охлаждающей жидкости ДТОЖ

Сообщает в ЭБУ данные о температуре охлаждающей жидкости. По этим данным осуществляется коррекция состава смеси при холодном запуске и в режиме прогрева.

Датчик массового расхода воздуха ДМРВ

Дает данные о массе поступающего в двигатель воздуха, очень важен и является ключевым, в качестве смесеобразования.

Датчик абсолютного давления ДАД

Дает аналогичные с ДМРВ данные, но менее точные, его данные косвенно говорят о текущем расходе воздуха. Иногда используется совместно с ДМРВ.

Датчик кислорода или лямбда-зонд. ДК

Устанавливается в выхлопном тракте и реагирует на наличие кислорода в выхлопных газах, играет важнейшую роль в контроле качества смесеобразования.

Бывает три типа:

1. На основе диоксида циркония.

2. На основе диоксида титана.

3. Широкополосные ДК.

Первые два не могут анализировать точный состав смеси, они работают как выключатель богатая-бедная. Рабочий диапазон сигнала зонда первого типа 0.1-0.9В, второго типа - 0.1 - 4.9В. Также у датчиков второго типа два сигнальных провода, так как они резистивные.

Датчики на основе диоксида титана применяются редко и стоят в три раза дороже циркониевых (владельцы Simtec-ов меня поймут).

Циркониевые датчики бывают:

однопроводные (без подогрева)

двухпроводные (с отдельной массой на сенсор)

трехпроводные (с подогревом с отдельным питанием)

четырехпроводные (с дополнительной массой на нагревательный элемент)

Широкополосные датчики позволяют получить точную информацию о составе смеси, широко используются в некоторых современных системах впрыска, настройщиками и  виде дополнительных приборов.

Это основной набор датчиков, без которого не обходится ни один более-менее современный мотор.

Думаю, этого достаточно в серии постов про бензиновые моторы. И пора переходить к дизельным. До встречи!