Чому у ваших автомобілях більше немає карбюраторів

Правила викидів та вимоги до економії палива змусили автомобільну промисловість повністю переглянути підхід до подачі бензину у двигун. Це зрушення відбулося нещодавно. Він відбувався поступово, керований інженерною необхідністю, а не вибором. Subaru Justy 1990 займає дивне місце в історії американського автопрому. Це був останній масовий автомобіль, який продавався в США з карбюратором. Наступного модельного року? Justy отримав систему упорскування палива.

Це робить хронологію заплутаною для деяких ентузіастів. Упорскування палива — це не нова технологія. Її витоки сягають 1950-ті роки. Європейські виробники широко використовували електронне упорскування палива приблизно з 1980 року. Сьогодні, якщо ви купуєте новий автомобіль у Сполучених Штатах, він оснащений упорскуванням палива. Крапка.

Ми докладно розберемо саме як паливо потрапляє в циліндр. Ми також розшифруємо такі терміни, як багатоточковий впорскування палива і впорскування палива в дросельну заслінку, щоб ви розуміли, що насправді відбувається під капотом.

Складний зліт і падіння карбюратора

Протягом усього життя двигуна внутрішнього згоряння карбюратор виконував основну роботу. Він змішував повітря та паливо для двигуна. Ви все ще бачите їх на газонокосарках та бензопилах сьогодні. Вони працюють. Вони прості. Але автомобілі стали складнішими. Карбюратору доводилося керувати більшою кількістю робочих режимів, ніж будь-коли раніше.

Щоб впоратися із цим навантаженням, ці механічні пристрої стали складними. Типова конструкція вимагала п’яти окремих контурів:

• Основний контур – Поставляє точну кількість палива, необхідну для ефективної їзди на крейсерських швидкостях.
• Контур холостого ходу – Підтримує плавну роботу двигуна, коли ви стоїте на світлофорі.
• Прискорювальний насос – Поставляє швидкий сплеск палива при першому натисканні педалі. Це усуває затримку реакції.
• Контур збагачення потужності – Додає додаткове паливо під час підйому в гору або буксирування важкого причепа.
• Заслінка (choke) – Збагачує суміш при холодному двигуні для забезпечення надійного запуску.

Було замало просто змішувати паливо. Змінилося довкілля. Екологічні норми посилилися. Каталітичний нейтралізатор став обов’язковим. Цей пристрій вимагає дуже певного співвідношення повітря та палива для ефективної роботи. Занадто багато палива, і воно не працює. Занадто мало, і воно також не працює.

Інженерам довелося реально контролювати рівень кисню у вихлопних газах. Вони використовували датчики кисню для передачі даних у блок керування двигуном (ЕБУ). Потім ЕБУ миттєво коригував суміш. Це називається управлінням із зворотним зв’язком (closed loop control). Карбюратори просто не могли досягти такого рівня точності. Вони механічні. Вони не можуть “думати”.

Був короткий, неприємний період, коли виробники намагалися електрифікувати карбюратор. Електрично керовані карбюратори були навіть складнішими, ніж їх суто механічні аналоги. Вони зазнали невдачі. Упорскування палива взяв гору.

Від точкового впорскування до багатоточкової точності

Перехід не стався відразу. Першим кроком стало упорскування палива в дросельну заслінку. Також відомий як одноточковий або центральний упорскування палива. Ця система розміщувала електрично керовані клапани форсунок безпосередньо в дросельній заслінці.

Це було майже прямою заміною. Автомобільним заводам не потрібно було перепроектувати свої двигуни. Це було швидке рішення. Але воно не було ідеальним.

У міру еволюції конструкцій двигунів виробники перейшли до багатоточкового упорскування палива. Це також називається упорскуванням у впускний колектор, багаторазовим упорскуванням або послідовним упорскуванням палива. Різниця суттєва. Кожен циліндр отримує свою форсунку. Ці сопла розпорошують паливо прямо біля впускного клапана.

Результатом є найкраща точність. Дозування стає суворішим. Двигун реагує швидше. Це ефективніша система. Епоха однієї форсунки на всі циліндри минула.

Розуміння вхідних даних

Коли ви натискаєте педаль газу у своєму автомобілі, ви не керуєте паливом безпосередньо. Ви керуєте дросельною заслінкою. Цей клапан регулює кількість повітря, що надходить у двигун. Паливна система реагує на це повітря.

Так що педаль газу насправді є педаллю повітря.

Натисніть на педаль акселератора. Дросельна заслінка розкривається. Повітря спрямовується всередину. Блок керування двигуном (ЕБУ) миттєво фіксує цей рух. Він не просто спостерігає. Він реагує. ЕБУ збільшує подачу палива ще до того, як додаткове повітря потрапить до камери згоряння.

Чому така важлива синхронізація?

Тому що затримка – це ворог. Якщо подача палива відстає від надходження повітря, утворюється багата паливом суміш із надлишком повітря. Двигун починає працювати нерівно. Ви відчуваєте це як ривок. ЕБУ запобігає цьому, синхронізуючи впорскування палива з потоком повітря. Це тісний «танець» між масовою витратою повітря та розпорошеним паливом.

Анатомія форсунки

Паливна форсунка – це, по суті, клапан із електронним керуванням. Чи не ускладнюйте. Це «сторож», який контролює подачу палива під тиском від насоса. Він відкривається і закривається багато разів на секунду. Ключове значення має точність.

Коли ЕБУ надсилає електричний сигнал, електромагніт переміщає плунжер. Клапан відчиняється. Паливо під тиском упорскується через крихітне сопло. Це сопло спроектоване для розпилення. Воно перетворює рідину на дрібнодисперсний туман. Чому? Бо туман згорає. Рідина – ні. Для повного згоряння потрібна велика площа поверхні. Чим дрібніший туман, тим краще згоряння.

ЕБУ контролює тривалість цього відкриття. Ми називаємо це завширшки імпульсу. Довший імпульс означає більше палива. Коротший — менше. Проста фізика.

Ці форсунки встановлені у впускному колекторі. Вони впорскують паливо безпосередньо у впускні клапани. Паливна рампа розподіляє паливо під тиском з кожної форсунки. Це замкнута система. Тиск постійно. Управління динамічне.

Мережа датчиків

ЕБУ не може приймати рішення у вакуумі. Йому потрібні дані. Багато даних. Двигун працює в мінливих умовах. Температура, навантаження, швидкість, витрата повітря. ЕБУ відстежує ці параметри за допомогою мережі датчиків.

Ось що слухає ЕБУ:

• Датчик масової витрати повітря (ДМРВ): Повідомляє ЕБУ, скільки саме повітря надходить у двигун. Це основний вхідний сигнал розрахунку базової дози палива.
• Кисневий датчик (лямбда-зонд): Розташований у вихлопній системі. Вимірює вміст кисню у відпрацьованих газах. Цей зворотний зв’язок повідомляє ЕБУ, чи є суміш багатою (надто багато палива) або бідною (надто багато повітря). ЕБУ коригує роботу на основі цих даних у реальному часі.
• Датчик положення дросельної заслінки: Відстежує кут повороту дросельної заслінки. Він сигналізує ЕБУ про наміри водія. Різке натискання на педаль? ЕБУ бачить це негайно і коригує подачу палива, щоб запобігти затримці.
• Датчик температури охолоджуючої рідини: Двигуну потрібне інше співвідношення повітря-паливо в холодному стані порівняно з гарячим. Цей датчик повідомляє ЕБУ тепловий стан двигуна. Холодним двигунам потрібна багатша суміш для плавної роботи.
• Датчик напруги: Електрична система має значення. Якщо напруга в системі падає, це часто означає високе електричне навантаження (наприклад компресор кондиціонера або генератор працюють з напругою). ЕБУ може підвищити оберти неодруженого ходу, щоб компенсувати навантаження.
• Датчик абсолютного тиску у впускному колекторі (ДАД): Вимірює вакуум у впускному колекторі. Найменший тиск означає, що всмоктується більше повітря. ЕБУ використовує це для оцінки навантаження на двигун та вихідний потужності. Більше повітря на вході – більше палива на виході.
• Датчик швидкості двигуна: Обороти (RPM) є критичним фактором при розрахунку ширини імпульсу. Що швидше обертається двигун, то частіше повинні спрацьовувати форсунки, щоб підтримувати співвідношення.

Послідовне впорскування проти пакетного

Системи багатопортового упорскування палива зазвичай поділяються на дві категорії. Вони або спрацьовують все одночасно, або послідовно.

Пакетне упорскування простіше. Усі форсунки відкриваються в одну подію чи групу подій. Це працює. Але є затримка.

Послідовне багатопортове впорскування палива працює інакше. Кожна форсунка відкривається безпосередньо перед відкриттям клапана впуску свого конкретного циліндра. Час синхронізований для кожного циліндра індивідуально.

Що краще? Послідовне упорскування виграє за рахунок чуйності.

Розглянемо різку зміну положення дросельної заслінки. У пакетній системі ЕБУ може вимушено чекати наступного повного обороту двигуна, перш ніж відбудеться наступна подія уприскування. Це – затримка. У послідовній системі ЕБУ чекає лише до моменту відкриття впускного клапана для конкретного циліндра. Це може бути на мілісекунди раніше.

Результат – швидша адаптація. Двигун реагує на дії водія із меншою затримкою. Співвідношення повітря-паливо залишається більш стабільним у динамічних умовах. Йдеться не лише про потужність. Йдеться про плавність. Йдеться про точність.

Технології продовжують розвиватись. Але основний принцип залишається незмінним. Виміряйте повітря. Додати паливо. Спаліть його чисто. Зробіть це швидко.

Програмне забезпечення всередині блоку управління двигуном (ЕБУ) виконує велику роботу. Це не просто перемикач. Алгоритми повинні відповідати суворим вимогам до викидів протягом 100 000 миль, задовольняти цільові показники витрати палива Агентства з охорони навколишнього середовища (EPA) та запобігати руйнуванню двигуна. Існує багато інших обмежень, які необхідно враховувати.

ЕБУ використовує формулу разом із величезними таблицями даних визначення ширини імпульсу для паливних форсунок. Це час, протягом якого форсунка залишається відкритою. Рівняння збільшує ряд факторів. Більшість цих факторів беруться із таблиць. Ми можемо спростити це, аби зрозуміти принцип роботи. Реальна система може використати сто факторів. У прикладі використовується три.

Ширина імпульсу = (Базова ширина імпульсу) x (Фактор A) x (Фактор B)

Спочатку ЕБУ визначає базову ширину імпульсу. Вона залежить від швидкості двигуна (об/хв) та навантаження. Навантаження визначається абсолютним тиском у впускному колекторі. Допустимо, ви перебуваєте на 2 000 об/хв з навантаженням 4. Ви знаходите перетин у таблиці. Базова ширина імпульсу становить 8 мілісекунд.

Про/хв \ Навантаження	1	2	3	4	5
1 000	1	2	3	4	5
2 000	2	4	6	8	10
3 000	3	6	9	12	15
4 000	4	8	12	16	20

Тепер розглянемо Фактори A та B. Вони надходять від датчиків. Фактор A – це температура охолоджуючої рідини. Чинник B – рівень кисню. Якщо температура рідини, що охолоджує, становить 100 градусів, а рівень кисню дорівнює 3, таблиці дають нам конкретні множники.

Параметр A (температура)	Чинник A
0	1,2
25	1,1
50	1,0
75	0,9
100	0,8
125	0,75

Параметр B(O2)	Чинник B
0	1,0
1	1,0
2	1,0
3	1,0
4	0,75

Таким чином, математика проста. 8 x 0,8 x 1,0 дорівнює 6,4 мілісекунди. Система коригує параметри з урахуванням цих вхідних даних. Чинник B стосується вмісту кисню у вихлопних газах. Якщо кисню надто багато, ЕБУ скорочує подачу палива. Це петля зворотний зв’язок, призначена для забезпечення ефективності.

Реальні системи мають понад 100 параметрів. Деякі таблиці з часом змінюються, щоб врахувати зношування таких деталей, як каталітичний нейтралізатор. ЕБУ може виконувати ці розрахунки сто разів на секунду.

Що насправді роблять чіпи для підвищення потужності

Це підводить нас до чіпів для підвищення потужності. Якщо ви розумієте логіку роботи ЕБУ, стає ясно, навіщо існують ці чіпи від сторонніх виробників. Вони збільшують потужність двигуна.

У штатному ЕБУ є чіп, що містить таблиці даних. Виробники чіпів для підвищення потужності замінюють цей чіп. Нові таблиці містять значення, які забезпечують подачу більшої кількості палива за певних умов. Можливо, вони додають більше палива при повному натисканні на педаль акселератора у всьому діапазоні обертів. Вони можуть змінювати кут випередження запалювання. Для цих опцій існують свої таблиці.

Ключова відмінність полягає у пріоритетах. Автомобільні виробники турбуються про надійність, витрату палива та викиди. Виробники чіпів не так сильно дбають про ці речі. Вони використовують агресивні налаштування в картах паливів уприскування. Вони хочуть потужності. Крапка.

Майбутнє прямого упорскування

Пряме впорскування змінило правила гри. Паливо подається безпосередньо в камеру згоряння, а не у впускний колектор. Така точна подача покращує розпилення. Ви отримуєте ефективніше згоряння. Більше потужності. Менше викидів.

Електромобілі відбирають частку ринку. Попит на двигуни внутрішнього згоряння знижуватиметься. Як і попит на паливні форсунки. Але це не станеться відразу. Двигуни внутрішнього згоряння існуватимуть ще багато років. Гібриди потребують їх. Спеціалізовані додатки потребують їх.

Технології продовжують розвиватись. Ми бачимо системи упорскування з вищим тиском. Алгоритми управління стають розумнішими. Інтеграція із електричними системами тяги вже починається. Ці кроки обіцяють ще більшу ефективність та менше забруднення навколишнього середовища. Ландшафт змінюється.

Щоб дізнатися більше про системи упорскування палива, перейдіть за посиланнями на наступній сторінці.

Часті питання про системи впорскування палива

Чи можна переобладнати карбюратор на впорскування палива?
Так. Комплектуючі для переобладнання від інших виробників можуть замінити карбюратор на форсунки.

Скільки коштує система переобладнання на упорскування палива?
Деякі системи коштують менше 1000 доларів. Більшість коштують значно дорожче.

Чи збільшує впорскування палива потужність?
Це залежить від двигуна. Очікується приріст потужності на 10–20 кінських сил.

Чи є форсунки у старих автомобілях?
Більшість автомобілів США, випущених до 1990 року, використали карбюратори. Упорскування палива існувало з 1950-х років. Європейські автомобілі широко використовували його, починаючи з 1980 року.

Які існують типи систем упорскування палива?
Сучасні системи діляться на чотири категорії: центральне впорскування, багатопортове впорскування, послідовне впорскування і пряме впорскування.

Статті HowStuffWorks по темі

• Як працюють системи запалення автомобілів

• Як працюють двигуни автомобілів

• Як працюють каталітичні нейтралізатори

• Як працюють системи охолодження автомобілів

– З якою швидкістю треба їхати для максимальної паливної ефективності?

• Як працює бензин

• Як працює воднева економіка

• Як працює гібридний автомобіль Aptera

Додаткові корисні посилання

• Система подачі палива

• Усунення несправностей системи електронного упорскування палива

• Поради щодо обслуговування дизельної системи упорскування палива

• Відео GM Goodwrench