Dlaczego wasze samochody nie mają już gaźników

Przepisy dotyczące emisji i wymagania dotyczące oszczędności paliwa zmusiły przemysł samochodowy do całkowitego przemyślenia sposobu dostarczania benzyny do silnika. Ta zmiana nie jest nowa. Stało się to stopniowo, podyktowane koniecznością inżynieryjną, a nie wyborem. Subaru Justy z 1990 roku zajmuje dziwne miejsce w historii amerykańskiej motoryzacji. Był to ostatni masowo produkowany samochód sprzedawany w Stanach Zjednoczonych z gaźnikiem. Następny rok modelowy? Justy otrzymał układ wtrysku paliwa.

To sprawia, że ​​​​chronologia jest myląca dla niektórych entuzjastów. Wtrysk paliwa nie jest technologią nową. Jego początki sięgają lat pięćdziesiątych XX wieku. Europejscy producenci szeroko stosują elektroniczny wtrysk paliwa od około 1980 roku. Obecnie, jeśli kupujesz nowy samochód w Stanach Zjednoczonych, jest on wyposażony w wtrysk paliwa. Kropka.

Przyjrzymy się szczegółowo, w jaki sposób paliwo dostaje się do cylindra. Wyjaśnimy także terminy takie jak „wielopunktowy wtrysk paliwa” i „wtrysk paliwa do korpusu przepustnicy”, abyś wiedział, co naprawdę dzieje się pod maską.

Złożone wznoszenie i opadanie gaźnika

Przez prawie cały okres użytkowania silnika spalinowego większość pracy wykonał gaźnik. Mieszał powietrze i paliwo dla silnika. Nadal można je spotkać w kosiarkach i pilarkach łańcuchowych. Oni pracują. Są proste. Ale samochody stały się skomplikowane. Gaźnik musiał obsługiwać więcej trybów pracy niż kiedykolwiek wcześniej.

Aby poradzić sobie z tym obciążeniem, te urządzenia mechaniczne stały się złożone. Typowy projekt wymagał pięciu oddzielnych obwodów:

• Obwód główny – Dostarcza dokładną ilość paliwa potrzebną do wydajnej jazdy przy prędkościach podróżnych.
• Obieg powietrza na biegu jałowym – Zapewnia płynną pracę silnika po zatrzymaniu na światłach.
• Pompa przyspieszenia – Zapewnia szybki zastrzyk paliwa po pierwszym naciśnięciu pedału. Eliminuje to opóźnienie reakcji.
• Obwód wzbogacania mocy – Dodaje dodatkowe paliwo podczas wspinaczki pod górę lub holowania ciężkiej przyczepy.
• Ssanie – Wzbogaca mieszankę, gdy silnik jest zimny, aby zapewnić niezawodny rozruch.

Samo zmieszanie paliwa nie wystarczyło. Środowisko się zmieniło. Normy środowiskowe stały się bardziej rygorystyczne. Katalizator stał się obowiązkowy. To urządzenie wymaga bardzo specyficznego stosunku powietrza do paliwa, aby działać skutecznie. Za dużo paliwa i nie działa. Za mało i też nie działa.

Inżynierowie musieli monitorować poziom tlenu w spalinach w czasie rzeczywistym. Wykorzystali czujniki tlenu do przesyłania danych do jednostki sterującej silnika (ECU). Następnie ECU natychmiast dostosowało mieszankę. Nazywa się to sterowaniem w pętli zamkniętej. Gaźniki po prostu nie były w stanie osiągnąć takiego poziomu precyzji. Są mechaniczne. Nie potrafią „myśleć”.

Był krótki, nieprzyjemny okres, kiedy producenci próbowali zelektryzować gaźnik. Gaźniki sterowane elektrycznie były jeszcze bardziej złożone niż ich czysto mechaniczne odpowiedniki. Nie udało im się. Wtrysk paliwa przejął kontrolę.

Od wtrysku punktowego do precyzji wielopunktowej

Przejście nie nastąpiło z dnia na dzień. Pierwszym krokiem był wtrysk paliwa do korpusu przepustnicy. Znany również jako jednopunktowy lub centralny wtrysk paliwa. System ten umieścił sterowane elektrycznie zawory wtryskiwaczy bezpośrednio w korpusie przepustnicy.

To był niemal bezpośredni zamiennik. Fabryki samochodów nie musiały przeprojektowywać swoich silników. To była szybka decyzja. Ale nie było idealnie.

Wraz z ewolucją konstrukcji silników producenci przeszli w kierunku wielopunktowego wtrysku paliwa. Nazywa się to również wtryskiem do kolektora, wtryskiem wielokrotnym lub sekwencyjnym wtryskiem paliwa. Różnica jest znacząca. Każdy cylinder ma swój własny wtryskiwacz. Dysze te rozpylają paliwo bezpośrednio na zawór wlotowy.

Rezultatem jest lepsza dokładność. Dawkowanie staje się bardziej rygorystyczne. Silnik reaguje szybciej. To jest bardziej efektywny system. Era jednego wtryskiwacza na wszystkie cylindry dobiegła końca.

Zrozumienie danych wejściowych

Kiedy w samochodzie naciskasz pedał gazu, nie masz bezpośredniej kontroli nad paliwem. Sterujesz przepustnicą. Zawór ten reguluje ilość powietrza wpływającego do silnika. Układ paliwowy reaguje na to powietrze.

Zatem pedał gazu jest w rzeczywistości pedałem powietrza.

Naciśnij pedał przyspieszenia. Otwiera się przepustnica. Powietrze napływa do środka. Jednostka sterująca silnika (ECU) natychmiast wykrywa ten ruch. On nie tylko patrzy. Reaguje. ECU zwiększa dopływ paliwa jeszcze zanim dodatkowe powietrze dostanie się do komory spalania.

Dlaczego synchronizacja jest tak ważna?

Ponieważ opóźnienie jest wrogiem. Jeżeli dopływ paliwa nie nadąża za dopływem powietrza, powstaje bogata w paliwo mieszanka z nadmiarem powietrza. Silnik zaczyna nierówno pracować. Czujesz to jak palant. ECU zapobiega temu, synchronizując wtrysk paliwa z przepływem powietrza. To ciasny taniec pomiędzy przepływem masy powietrza a atomizacją paliwa.

Anatomia wtryskiwacza

Wtryskiwacz paliwa to zasadniczo zawór sterowany elektronicznie. Zachowaj prostotę. Jest to „stróż”, który kontroluje dopływ paliwa pod ciśnieniem z pompy. Otwiera się i zamyka wiele razy na sekundę. Dokładność jest kluczowa.

Kiedy ECU wysyła sygnał elektryczny, elektromagnes przesuwa tłok. Zawór otwiera się. Paliwo wtryskiwane jest pod ciśnieniem przez maleńką dyszę. Dysza ta przeznaczona jest do opryskiwania. Zamienia płyn w delikatną mgiełkę. Dlaczego? Ponieważ mgła wypala się. Płyn – nie. Do całkowitego spalania wymagana jest duża powierzchnia. Im drobniejsza mgła, tym lepsze spalanie.

ECU kontroluje czas trwania tego otwarcia. Nazywamy to szerokością impulsu. Dłuższy impuls oznacza więcej paliwa. Krócej znaczy mniej. Prosta fizyka.

Wtryskiwacze te montowane są w kolektorze dolotowym. Wtryskują paliwo bezpośrednio do zaworów dolotowych. Szyna paliwowa rozprowadza paliwo pod ciśnieniem do każdego wtryskiwacza. To jest zamknięty system. Ciśnienie jest stałe. Kontrola dynamiczna.

Sieć czujników

ECU nie może podejmować decyzji w próżni. Potrzebuje danych. Dużo danych. Silnik pracuje w stale zmieniających się warunkach. Temperatura, obciążenie, prędkość, przepływ powietrza. ECU monitoruje wszystkie te parametry za pomocą sieci czujników.

Oto czego słucha ECU:

• Czujnik masowego przepływu powietrza (MAF): Informuje ECU dokładnie, ile powietrza dostaje się do silnika. Jest to główny sygnał wejściowy do obliczenia bazowej dawki paliwa.
• Czujnik tlenu (sonda lambda): Znajduje się w układzie wydechowym. Mierzy zawartość tlenu w spalinach. Ta informacja zwrotna informuje ECU, czy mieszanka jest bogata (za dużo paliwa), czy uboga (za dużo powietrza). ECU dostosowuje działanie w oparciu o te dane w czasie rzeczywistym.
• Czujnik położenia przepustnicy: Monitoruje kąt obrotu przepustnicy. Sygnalizuje ECU o zamiarach kierowcy. Nagłe naciśnięcie pedału? ECU natychmiast to widzi i dostosowuje dostawę paliwa, aby zapobiec opóźnieniom.
• Czujnik temperatury płynu chłodzącego: Silnik wymaga innego stosunku powietrza do paliwa, gdy jest zimny i gdy jest gorący. Ten czujnik informuje ECU o stanie termicznym silnika. Zimne silniki wymagają bogatszej mieszanki, aby zapewnić płynną pracę.
• Czujnik napięcia: Układ elektryczny ma znaczenie. Jeśli napięcie w systemie spada, często oznacza to, że występuje duże obciążenie elektryczne (na przykład sprężarka klimatyzacji lub generator pracuje pod napięciem). ECU może zwiększyć prędkość biegu jałowego, aby skompensować obciążenie.
• Czujnik ciśnienia bezwzględnego w kolektorze dolotowym (MAP): Mierzy podciśnienie w kolektorze dolotowym. Mniejsze ciśnienie oznacza, że ​​zasysane jest więcej powietrza. ECU wykorzystuje to do oszacowania obciążenia silnika i mocy wyjściowej. Więcej powietrza wlotowego, więcej paliwa wylatującego.
• Czujnik prędkości silnika: Obroty (RPM) są krytycznym czynnikiem przy obliczaniu szerokości impulsu. Im szybciej obraca się silnik, tym częściej muszą uruchamiać się wtryskiwacze, aby utrzymać przełożenie.

Wstrzykiwanie sekwencyjne a wsadowe

Wielopunktowe układy wtrysku paliwa można ogólnie podzielić na dwie kategorie. Odpalają wszystkie jednocześnie lub sekwencyjnie.

Wstrzykiwanie okresowe jest prostsze. Wszystkie wtryskiwacze otwierają się w jednym zdarzeniu lub w grupie zdarzeń. To działa. Ale jest opóźnienie.

Sekwencyjny wielopunktowy wtrysk paliwa działa inaczej. Każdy wtryskiwacz otwiera się tuż przed otwarciem zaworu wlotowego odpowiedniego cylindra. Czas jest synchronizowany indywidualnie dla każdego cylindra.

Co jest lepsze? Wtrysk sekwencyjny charakteryzuje się większą responsywnością.

Rozważ nagłą zmianę położenia przepustnicy. W przypadku układu awaryjnego ECU może być zmuszone poczekać na następny pełny obrót silnika, zanim nastąpi kolejne zdarzenie wtrysku. To jest opóźnienie. W układzie sekwencyjnym ECU czeka tylko do momentu otwarcia zaworu dolotowego dla konkretnego cylindra. Może to być milisekundy wcześniej.

Rezultatem jest szybsza adaptacja. Silnik reaguje na polecenia kierowcy z mniejszym opóźnieniem. Stosunek powietrza do paliwa pozostaje bardziej stabilny w warunkach dynamicznych. Nie chodzi tylko o władzę. Chodzi o płynność. Chodzi o precyzję.

Technologie wciąż się rozwijają. Ale podstawowa zasada pozostaje ta sama. Zmierz powietrze. Dodaj paliwo. Spal to do czysta. Zrób to szybko.

Oprogramowanie znajdujące się w jednostce sterującej silnika (ECU) wykonuje dużą część pracy. To nie jest tylko prosty przełącznik. Algorytmy muszą spełniać rygorystyczne wymagania dotyczące emisji na dystansie 160 000 km, spełniać cele w zakresie zużycia paliwa określone przez EPA i zapobiegać zniszczeniu silnika. Istnieje wiele innych ograniczeń, które należy wziąć pod uwagę.

ECU wykorzystuje wzór w połączeniu z ogromnymi tabelami danych w celu określenia szerokości impulsu wtryskiwaczy paliwa. Jest to czas, w którym dysza pozostaje otwarta. Równanie mnoży wiele czynników. Większość tych czynników pochodzi z tabel. Możemy to uprościć, aby zrozumieć, jak to działa. Prawdziwy system może wykorzystywać sto czynników. W naszym przykładzie używamy trzech.

Szerokość impulsu = (podstawowa szerokość impulsu) x (współczynnik A) x (współczynnik B)

Najpierw ECU określa szerokość impulsu podstawowego. Zależy to od prędkości obrotowej silnika (obr/min) i obciążenia. Obciążenie zależy od ciśnienia bezwzględnego w kolektorze dolotowym. Powiedzmy, że masz prędkość 2000 obr/min i obciążenie 4. Punkt przecięcia znajdziesz w tabeli. Podstawowa szerokość impulsu wynosi 8 milisekund.

RPM\Obciążenie	1	2	3	4	5
1000	1	2	3	4	5
2000	2	4	6	8	10
3000	3	6	9	12	15
4000	4	8	12	16	20

Przyjrzyjmy się teraz czynnikom A i B. Pochodzą one z czujników. Czynnikiem A jest temperatura płynu chłodzącego. Czynnik B – poziom tlenu. Jeśli temperatura płynu chłodzącego wynosi 100 stopni, a poziom tlenu wynosi 3, tabele podają nam konkretne mnożniki.

Parametr A (temperatura)	Czynnik A
0	1.2
25	1.1
50	1,0
75	0,9
100	0,8
125	0,75

Parametr B (O2)	Czynnik B
0	1,0
1	1,0
2	1,0
3	1,0
4	0,75

Zatem matematyka jest prosta. 8 x 0,8 x 1,0 równa się 6,4 milisekundy. System dostosowuje parametry w oparciu o te dane wejściowe. Czynnik B dotyczy zawartości tlenu w spalinach. Jeśli tlenu jest za dużo, ECU zmniejsza dopływ paliwa. Jest to pętla sprzężenia zwrotnego zaprojektowana w celu zapewnienia wydajności.

Prawdziwe systemy mają ponad 100 parametrów. Niektóre tabele zmieniają się z biegiem czasu, aby uwzględnić zużycie części, takich jak katalizator. ECU może wykonywać te obliczenia sto razy na sekundę.

Do czego właściwie służą chipy zwiększające moc

To prowadzi nas do chipów zwiększających moc. Jeśli rozumiesz logikę ECU, staje się jasne, dlaczego istnieją te chipy innych firm. Zwiększają moc silnika.

Standardowy ECU posiada chip zawierający tabele danych. Producenci chipów zastępują ten chip, aby zwiększyć moc. Nowe tabele zawierają wartości, które w określonych warunkach zapewniają więcej paliwa. Mogą dodać więcej paliwa, gdy pedał przyspieszenia zostanie całkowicie wciśnięty w całym zakresie obrotów. Mogą również zmienić czas zapłonu. Istnieją tabele dla tych ustawień.

Kluczową różnicą są priorytety. Producenci samochodów martwią się niezawodnością, zużyciem paliwa i emisją spalin. Producenci chipów nie przejmują się tym zbytnio. Używają agresywnych ustawień na mapach wtrysku paliwa. Chcą władzy. Kropka.

Przyszłość bezpośredniego wtrysku

Wtrysk bezpośredni zmienił zasady gry. Paliwo dostarczane jest bezpośrednio do komory spalania, a nie do kolektora dolotowego. To precyzyjne podawanie poprawia atomizację. Otrzymujesz bardziej efektywne spalanie. Więcej mocy. Mniej emisji.

Pojazdy elektryczne zdobywają udział w rynku. Popyt na silniki spalinowe będzie spadał. Podobnie jak popyt na wtryskiwacze paliwa. Ale to nie stanie się z dnia na dzień. Silniki spalinowe będą dostępne przez wiele lat. Hybrydy ich potrzebują. Potrzebują ich specjalistyczne aplikacje.

Technologie wciąż się rozwijają. Widzimy systemy wtrysku o wyższym ciśnieniu. Algorytmy sterujące stają się coraz inteligentniejsze. Rozpoczyna się już integracja z systemami trakcji elektrycznej. Te kroki obiecują jeszcze większą wydajność i mniejsze zanieczyszczenie. Krajobraz się zmienia.

Aby dowiedzieć się więcej o układach wtrysku paliwa, skorzystaj z łączy znajdujących się na następnej stronie.

Często zadawane pytania dotyczące układów wtrysku paliwa

Czy gaźnik można przerobić na wtrysk paliwa?
Tak. Komponenty do konwersji innych producentów mogą zastąpić gaźnik z wtryskiwaczami.

Ile kosztuje system konwersji wtrysku paliwa?
Niektóre systemy kosztują mniej niż 1000 dolarów. Większość z nich jest znacznie droższa.

Czy wtrysk paliwa zwiększa moc?
To zależy od silnika. Można spodziewać się wzrostu mocy o 10–20 koni mechanicznych.

Czy starsze samochody mają wtryskiwacze?
Większość samochodów amerykańskich wyprodukowanych przed 1990 rokiem korzystała z gaźników. Wtrysk paliwa istnieje od lat pięćdziesiątych XX wieku. Samochody europejskie używają go szeroko od 1980 roku.

Jakie są rodzaje układów wtrysku paliwa?
Nowoczesne systemy dzielą się na cztery kategorie: wtrysk centralny, wtrysk wielopunktowy, wtrysk sekwencyjny i wtrysk bezpośredni.

Powiązane artykuły z HowStuffWorks

• Jak działają układy zapłonowe w samochodach?

• Jak działają silniki samochodowe?

• Jak działają katalizatory?

• Jak działają układy chłodzenia samochodu?

• Z jaką prędkością należy jechać, aby maksymalnie zmniejszyć zużycie paliwa?

• Jak działa benzyna?

• Jak działa gospodarka wodorowa?

• Jak działa samochód hybrydowy Aptera

Dodatkowe przydatne linki

• Układ zasilania paliwem

• Rozwiązywanie problemów z elektronicznym układem wtrysku paliwa

• Wskazówki dotyczące serwisowania układu wtrysku oleju napędowego

• Film GM Goodwrench