Особенности конструкции и параметры двигателей с впрыском топлива
29 апреля 2017
Современные автомобильные двигатели с впрыском топлива, как правило, являются модификациями серийных карбюраторных моделей. Такая унификация, ставшая возможной после перехода от непосредственного впрыска к впрыску во впускной тракт, позволяет значительно снизить стоимость двигателей с впрыском и создает предпосылки для более широкого применения впрыска топлива на автомобилях.
'Одной из основных задач, ставящихся при проектировании двигателей с впрыском топлива, является повышение литровой мощности за счет увеличения весового наполнения цилиндров. В отличие от двигателей с карбюраторной системой питания впускная система двигателя с впрыском топлива подает не топливовоздушную смесь, а воздух. Поэтому при ее проектировании отпадают затруднения, связанные с необходимостью предотвратить оседание капель топлива на стенки трубы, а также образование и неравномерное распределение топливной пленки, нет необходимости в интенсивном подогреве стенок. В конструкциях, где впускная и выпускная трубы расположены с одной и той же стороны головки блока, патрубки компонуются таким образом, чтобы свести к минимуму передачу тепла от выпускной трубы к впускной. В качестве примера такой конструкции можно указать на двигатель ГАЗ-327, специально спроектированный Горьковским автозаводом для работы с впрыском топлива и электронным управлением.
Поперечный разрез двигателя представлен на рис. 75. Двигатель был выполнен на базе двигателя ГАЗ-21 и отличался от карбюраторной модели главным образом конструкцией головки блока. Из рисунка видно, что впускной канал выведен на верхнюю плоскость головки 2 и что впускная труба 3 удалена от выпускной 1. На верхней части впускной трубы размещен одногорловой дроссельный патрубок 4. Прилив сверху дроссельного патрубка служит для крепления воздушного фильтра (на рисунке не показан). Дроссельный патрубок трубкой 9 соединен с вакуумным регулятором прерывателя-распределителя системы зажигания. Электромагнитные форсунки 7 установили на приливах головки блока таким образом, чтобы впрыскиваемое ими топливо попадало непосредственно на впускные клапаны двигателя. Впрыск топлива производился всеми форсунками одновременно один раз за два оборота двигателя. Топливо к форсункам поступало из магистрали 5, выполненной в виде сверления в приливе впускной трубы 3. Форсунки соединены с магистралью металлическими трубками 6. Для установки форсунок в приливы головки ввернуты втулки 8. В дальнейшем для уменьшения нагрева форсунок они изготавливались из текстолита. Опытные образцы двигателей ГАЗ-327 были испытаны в стендовых и дорожных условиях. Внешняя характеристика двигателя ГАЗ-327 приведена на рис. 76. Для сравнения на этом же графике нанесены кривые, полученные при испытании карбюраторного двигателя ГАЗ-21 с карбюратором К-124. При 4400 об/мин двигатель с впрыском имеет максимальную мощностью 93 л. с., а карбюраторный двигатель — 78 л. с. (степень сжатия для обоих двигателей 7,1—7,2). Таким образом, максимальная мощность при переходе от карбюраторного питания к впрыску топлива увеличилась примерно на 20%. Заметно изменилось протекание кривой крутящего момента, максимум которого, сместился с 2200 об/мин до 3000 об/мин. Рост крутящего момента в области высоких частот вращения сопровождается падением его на низких частотах (ниже 2600 об/мин). Протекание кривой крутящего момента в значительной мере определяется характеристикой впускной системы двигателя. Для двигателей с впрыском топлива типично использование впускных систем, обеспечивающих резонансный наддув цилиндров на тех или иных частотах вращения двигателя
В настоящее время имеются достаточно совершенные методы расчета резонансных явлений во впускных трактах, однако наиболее употребительны экспериментальные способы подбора сечений и длин элементов системы. На рис. 77 приведены данные об изменении крутящего момента Двигателя с впрыском топлива при изменении длины впускных патрубков. Работа была проведена на макетном образце впускной трубы, имевшем набор патрубков различных длин. Выбор длины патрубка в значительной мере обусловлен с компоновочными соображениями, ибо размещение впускной системы с длинными патрубками под капотом вызывает значительные трудности. По результатам проведенных работ была спроектирована и изготовлена труба для двигателя ГАЗ-21Э с длиной патрубков 380 мм. При этом удалось использовать серийную головку блока, так как электромагнитные форсунки были установлены на приливах трубы таким образом, чтобы подаваемое ими топливо поступало в зону впускных клапанов.
В 1964 г. Горьковским автозаводом была выпущена партия автомобилей ГАЗ-21, оборудованных двигателями ГАЗ-21Э с впрыском топлива и электронным управлением. Автомобили были направлены на длительные эксплуатационные испытания» За время испытаний пробег автомобилей составил в среднем по 110 тыс. км. В процессе испытаний было установлено, что автомобили с двигателями ГАЗ-21Э обладают хорошими динамическими показателями, но конструкция двигателя и аппаратуры требует ряда доработок. Повышение наполнения, явившееся результатом применения резонансного наддува, требовало использования топлива с большим октановым числом. Ввиду необходимости работы на массовом топливе — бензине А-72 —приходилось устанавливать более позднее зажигание, что ухудшило показатели двигателя. Кроме того, возникли трудности, связанные с большим весом литой впускной трубы, — наблюдались случаи нарушения герметичности стыка трубы с головкой. Поэтому было принято решение об уменьшении длины впускных патрубков, и дальнейшие партии автомобилей ГАЗ-21 с впрыском топлива, передаваемые на эксплуатационные испытания в 1965—1968 годах, имели впускную трубу измененной конструкции (рис. 78). Труба была выполнена в виде цельной отливки 1. Для удобства формовки боковые стенки ресивера 13 были сделаны съемными и крепились к трубе шпильками 14.
На приливах трубы монтировались электромагнитные форсунки 7. Теплоизоляция форсунок достигалась за счет установки их на текстолитовых колодках 3, которые крепились к трубе, шпильками 5 и нажимными планками 4.
Для точной фиксации положения колодок и, следовательно, форсунок относительно трубы были поставлены штифты 2. На верхнем фланце ресивера монтировался двухгорловой дроссельный патрубок 10. Введение второй заслонки и последовательного открытия заслонок было связано с необходимостью обеспечить более плавное изменение разрежения при резком трогании автомобиля Ленд Ровер с места. Дроссельный патрубок не имел отдельного канала холостого хода. Открытие заслонки на режиме малых оборотов холостого хода регулировалось изменением положения винта 8, упиравшегося в рычаг 9.
Рычаг 9 был соединен тягой 16 с рычагами 15,. связанными с педалью акселератора. Топливная магистраль, в отличие от двигателя ГАЗ-327, была выполнена в виде отдельной детали 12, которая крепилась шпильками к отлитым на ресивере бобышкам. Магистраль соединялась с форсунками гибкими резиновыми шлангами (на рисунке не показаны). Такое решение уменьшало нагрев магистрали и повышало стабильность работы системы в условиях высоких температур. Наличие эластичных шлангов позволяло уменьшить пульсации топлива в системе и, кроме того, было удобно в эксплуатации. При необходимости проверить работу форсунки можно было, отвернув крепящую ее накидную гайку 6, не отсоединяя шланга и проводов, поднять форсунку из гнезда колодки. На рис. 78 виден также штуцер 11, служащий для присоединения шланга, идущего к датчику разрежения.
Установленная на двигателе ГАЗ-21Э аппаратура впрыска значительно отличалась от используемой ранее на двигателе ГАЗ-327. Были применены малогабаритные электромагнитные форсунки с твердыми вставками якорей и неметаллической прокладкой, был введен бесконтактный датчик разрежения индуктивного типа, исключены контактные датчики экономайзера, ускорителя и отключения подачи, а также переработано устройство формирования импульсов. Общий пробег автомобилей ГАЗ-21 с впрыском топлива за время эксплуатационных испытаний составил около 5 млн. километров. Испытания подтвердили надежность аппаратуры и послужили базой для дальнейших работ по применению аппаратуры впрыска на перспективных автомобилях ГАЗ.
В дальнейшем при переходе завода на новую модель автомобиля ГАЗ-24 была спроектирована модификация двигателях с впрыском топлива ГАЗ-24ЭИ. При этом была поставлена задача добиться снижения токсичности отработавших газов при неизменной мощности двигателя.
В итоге экспериментальных работ, направленных в первую очередь на выбор положения форсунок и уточнение характеристик по зажиганию, были получены положительные результаты и токсичность отработавших газов была значительно снижена. Прорабатывался и вариант форсированного двигателя.
Проведение большого комплекса мероприятий, по проектированию новой впускной трубы, совершенствованию впускного тракта головки и повышению степени сжатия позволило получить на спортивных вариантах двигателя ГАЗ-24 мощность до 125 л. с. при 4800 об/мин.
На основе полученного опыта по проектированию и доводке двигателей с впрыском Горьковским автозаводом было принято решение о создании двигателя с впрыском топлива и электронным управлением для легкового автомобиля «Чайка» ГАЗ-14 (рис. 79). Двигатель ГАЗ-14 был спроектирован на базе карбюраторного двигателя автомобиля ГАЗ-13. На опытном образце двигателя ГАЗ-14 была применена новая впускная система, отличающаяся от прежней расширенными впускными каналами 2 и более плавной их конфигурацией. На впускной трубе 5 предусмотрели бобышки для установки на теплоизолирующих проставках 3 электромагнитных форсунок 4. Впрыск топлива производился по направлению потока воздуха в зону впускных клапанов 1. Впускная труба в отличие от трубы карбюраторного двигателя не имела подогрева. Применение впрыска топлива позволило расширить фазы газораспределения, что дало возможность получить более высокие мощностные показатели. На двигателе ГАЗ-14 с целью снижения шумности его работы применены гидравлические толкатели.
Результаты стендовых испытаний опытного образца двигателя представлены на рис. 80. Для сравнения на этом же рисунке приведены кривые, относящиеся к двигателю ГАЗ-13 с карбюратором К-114. При испытаниях двигателя ГАЗ-14 было установлено, что его максимальная мощность составляет 238 л. с. при 4500 об/мин, в то время как мощность карбюраторного двигателя равна 192 л. с. при 3900 об/мин. Таким образом, двигатель с впрыском топлива развивает мощность на 24% большую, чем карбюраторный двигатель с тем же рабочим объемом. Минимальный удельный расход топлива по внешней характеристике снизился с 230 г/э. л. с. ч. до 190 г/э. л. с. ч. Улучшение топливной экономичности наблюдается и по нагрузочным характеристикам.
Применение резонансного наддува возможно и на двигателях с V-образным расположением цилиндров. На рис. 81 показана экспериментальная впускная система, спроектированная для V-образного двигателя ЗИЛ. Впускная труба выполнена сборной. Она состоит из литой плиты 1, примыкающей к головкам блока, сварных патрубков 2 и штампованного ресивера 3. Дроссельный патрубок 4 установлен сбоку ресивера. Топливные магистрали 5 расположены с обеих сторон трубы; они соединены гибкими шлангами 6 с электромагнитными форсунками 7, установленными на приливах плиты таким образом, что впрыскиваемое топливо поступает в зону впускных клапанов. На более поздних вариантах впускной системы для двигателей ЗИЛ шланги форсунок были подключены не к топливным магистралям 5, а к корпусу центрально установленного редукционного клапана.
Применение описанной впускной системы на двигателе ЗИЛ-375 позволяет получить результаты, представленные на рис. 82. Здесь видно, что максимальная мощность двигателя с впрыском по сравнению с мощностью серийного карбюраторного двигателя увеличена с 180 до 220 л. с., так что прирост мощности составил 22%. Использование трубы, обеспечивающей инерционный наддув, позволило повысить максимальный крутящий момент с 46 до 48,5 кгс-м. Удельный расход топлива по внешней характеристике на всем диапазоне оборотов у двигателя с впрыском меньше, чем у двигателя с карбюраторной системой питания, на 15—20 г/э. л. с. ч. Проведенные исследования двигателя с системой впрыска показал и, что улучшение топливной экономичности в основном достигнуто за счет повышения равномерности распределения топлива между цилиндрами двигателя.
Описанная выше впускная система с вертикально стоящими патрубками может быть использована только на грузовом автомобиле или автобусе, имеющем достаточную высоту подкапотного пространства. Для двигателей легковых автомобилей, ввиду малой высоты капота, патрубки приходится изгибать, а ресивер выполнять в виде двух отдельных объемов, раздельных для левого и правого ряда цилиндров. Такая компоновка применена на опытных образцах двигателя ГАЗ 14.
Применение аппаратуры впрыска с электронным управлением возможно на двигателях малого литража. В зарубежной практике обычно аппаратура впрыска устанавливается на двигатели с рабочим объемом на менее 1,6 л. В качестве примера использования аппаратуры впрыска на двигателе с меньшим рабочим объемом можно указать на экспериментальный образец двигателя ВАЗ-2101 (рис. 83).
На серийной головке блока двигателя установлена опытная впускная труба с электромагнитными форсунками 4. Особенностью конструкции трубы является применение коротких литых патрубков 1, на которых смонтированы форсунки, и легких сварных труб 2, объединенных общим ресивером 3. Такая конструкция увеличивает точность установки форсунок и уменьшает вес впускной системы. На ресивере расположен дроссельный патрубок 5, сверху которого монтируется воздушный фильтр 6. На рисунке видны также теплоизолирующие колодки 7, уменьшающие нагрев форсунок на форсированных режимах. Испытания опытного образца аппаратуры на двигателе ВАЗ-2101 показали, что максимальная мощность по сравнению с мощностью карбюраторного двигателя увеличивается с 65 при 5600 об/мин до 74 л. с. при 6200 об/мин.
Аппаратура впрыска с электронным управлением была испытана также на двигателях A3ЛK-412. Опытная впускная система по своей конструкции была близка к системе, изображенной на рис. 83. В процессе испытаний на стенде (без воздушного фильтра) получены мощность 83 л. с. при 5600 об/мин и максимальный крутящий момент, равный 12,5 кгс-м.
