руководство по ремонту
  MAZDA 3


 
 
 
Эксплуатация    Двигатель    двигатель Z6    Трансмиссия    Ходовая    Рулевое    Тормоза    Электрика    Кузов
 
 

Общая информация о системах впрыска

             

 Образование топливно-воздушной смеси в значительной степени влияет на расход топлива, состав отработавших газов и шум, создаваемый в дизельном двигателе в процессе сгорания топлива. В смесеобразовании и процессе сжигания топлива в камере сгорания двигателя принимают участие следующие параметры:

— Соотношение компонентов топливно-воздушной смеси

— Момент начала впрыска топлива

— Характеристики впрыска топлива

— Давление впрыска

— Направление впрыска

Характеристики топливно-воздушной смеси

 Эффективная мощность дизельного двигателя управляется за счет количества впрыскиваемого топлива. Поэтому дизельные двигатели, как правило, работают с избытком воздуха, то есть стехиометрическое отношение масс составляет приблизительно 14,5 : 1. Это значит, что для полного сжигания 1 килограмма топлива требуется около 14,5 килограммов воздуха. Коэффициент избытка воздуха А указывает на то, насколько фактическая воздушно-топливная смесь отличается от теоретического соотношения масс, необходимого для полного сжигания топлива:

А = реальная масса воздуха / теоретически необходимое количество воздуха

 На холостых оборотах дизельный двигатель работает со значительным избытком воздуха, составляющим более А ~ 3,4, поэтому в камере сгорания происходит чистое сгорание топлива. Концентрация таких компонентов отработавших газов, как СО (Carbon Monoxide = окись углерода) и сажа (РМ - Particulate Matter = твердые частицы) чрезвычайно мала. При увеличении количества впрыскиваемого топлива избыток воздуха в камере сгорания двигателя сокращается. Таким образом, при высокой нагрузке на двигатель он работает с незначительным избытком воздуха равным А ~ 1,4.

 При коэффициенте избытка воздуха равном А < 1,4 выбросы сажи, NOx (Oxides of Nitrogen = оксиды азота) и окиси углерода (СО) значительно возрастают. Причина этого кроется во внутреннем смесеобразовании дизельного двигателя, то есть топливно-воздушная смесь в цилиндре не однородна, в особенности при высокой нагрузке на двигатель. При незначительном избытке воздуха необходимо ограничить выброс вредных веществ, то есть количество впрыскиваемого топлива должно быть очень точно адаптировано к имеющемуся количеству воздуха и дозировано в зависимости от частоты вращения двигателя. При низком атмосферном давлении (например, на большой высоте над уровнем моря) количество впрыскиваемого топлива необходимо адаптировать к меньшему количеству имеющегося воздуха.

X - Коэффициент избытка воздуха

Y - Выбросы вредных веществ

Момент начала впрыска топлива

 Начало впрыска топлива представляет собой четко установленный момент (угол поворота коленчатого вала) в который открывается форсунка и происходит впрыск топлива в камеру сгорания. Фактическое положение плунжера воздействует на перемещение воздуха в камере сгорания, его плотность и температуру. Следовательно, скорость движения и качество топливно-воздушной смеси зависят от момента начала впрыска топлива.

 Момент начала впрыска топлива в значительной степени влияет на начало сжигания топливно-воздушной смеси. Поскольку впрыскиваемому топливу для распыления и смешивания с воздухом до начала самовоспламенения необходимо некоторое время, этот фактор следует учитывать при задании момента впрыска топлива. Промежуток между началом впрыска топлива и началом сжигания смеси называется задержкой самовоспламенения. На задержку самовоспламенения воздействуют следующие факторы:

— Воспламеняемость топлива (выражается цетановым числом)

— Степень сжатия

— Температура всасываемого воздуха

— Температура двигателя

— Температура топлива

— Распыление топлива (на распыление воздействуют, момент начала впрыска топлива, давление открытия форсунки и температура двигателя).

X - Угол поворота коленчатого вала

Y - Давление в цилиндре

1. Начало впрыска топлива

2. Начало сжигания смеси

3. Задержка самовоспламенения

4. Нижняя мертвая точка

5. Верхняя мертвая точка

 Задержка самовоспламенения не зависит от частоты вращения двигателя и составляет приблизительно 1 мс. Вследствие этого, при увеличении частоты вращения двигателя угол поворота коленчатого вала между моментом начала впрыска топлива и началом сжигания топливной смеси увеличивается, и сжигание топливной смеси начинается не в нужный момент (при неизменном начале впрыска топлива). Следовательно, для компенсации задержки самовоспламенения, при увеличении частоты вращения двигателя начало впрыска топлива необходимо перенести вперед.

 При перенесении момента впрыска топлива вперед в камере сгорания создается давление, противодействующее перемещению плунжера вверх. В результате этого резко возрастает давление, что значительно повышает температуру сжигания топливной смеси, а, следовательно, выбросы оксидов азота (NOx). Кроме того, такое сжигание топливной смеси становится причиной возникновения сильного шума при воспламенении, в особенности на холодном двигателе.

 Если начало впрыска топлива смещается назад, то вследствие задержки самовоспламенения процесс сжигания топлива протекает во время перемещения плунжера вниз. В результате этого уменьшается давление в цилиндре, что приводит к снижению температуры сжигания топлива, и повышению уровня выброса углеводородов НС (Hydro Carbon = углеводород) и сажи. Помимо этого, процесс сжигания топлива должен быть завершен до раскрытия выпускного клапана.

X - Угол поворота коленчатого вала 

Y - Выбросы отработавших газов

1. Раннее начало впрыска топлива впрыска топлива

2. Позднее начало впрыска топлива 

3. Оптимальный момент для начала

Противоположно направленные кривые выбросов оксидов азота (NOX) с одной стороны и остаточных углеводородов (НС) с другой, требуют минимальных допусков для начала впрыска топлива, что позволит оптимизировать соответствующие значения.

Характеристики впрыска топлива

 Характеристики впрыска определяют способ впрыска заданного количества топлива в камеру сгорания в зависимости от угла поворота коленчатого вала. На начальном этапе впрыскивается небольшое количество топлива, тогда как на завершающем этапе количество впрыскиваемого топлива возрастает. Вследствие этого количество топлива, находящегося в камере сгорания при задержке самовоспламенения, незначительно, что вызывает медленное возрастание давления сгорания. Такие характеристики впрыска топлива обеспечивают его бесшумное сгорание.

 На завершающем этапе впрыска топлива форсунка должна закрываться максимально быстро и надежно. Особенно нежелателен впрыск дополнительного топлива в виде так называемой «утечки», причиной которой становится повторное раскрытие иглы форсунки после ее первоначального закрытия. Вследствие этого в камеру сгорания попадает плохо распыленное топливо, которое сгорает не полностью или не сгорает совсем, становясь причиной повышенных выбросов остаточных углеводородов (НС) и сажи.

 В двигателях, оборудованных системой впрыска топлива Common Rail, процесс создания давления и количества впрыскиваемого топлива разделены, то есть при впрыске топлива давление впрыска остается постоянным, в то время как количество впрыскиваемого топлива увеличивается. На начальном этапе впрыска топлива, его количество в камере сгорания ограничивается блоком управления двигателем, что позволяет разделить общее количество впрыскиваемого топлива на предварительный и основной впрыск.

 Предварительный впрыск топлива происходит до впрыска основного объема топлива, то есть на такте сжатия в камеру сгорания впрыскивается относительно небольшое количество топлива (от 1 до 4 мм3). Это уменьшает период задержки воспламенения основной фазы впрыска топлива и дает возможность получения более плавной кривой увеличения давления, что положительно влияет на шумность работы двигателя.

X - Время 

Y - Давление впрыска 

1. Предварительный впрыск

2. Основной впрыск

3. Давление в общей магистрали



X  - Угол поворота коленчатого вала
Y - Давление в цилиндре / Впрыск

1. Без предварительного впрыска

2. С предварительным впрыском

3. Резкое возрастание давления в цилиндре

4. Контролируемое возрастание давления в цилиндре

Кроме того, большинство двигателей, оборудованных системой впрыска топлива Common Rail, работают с завершающим впрыском топлива. Завершающий впрыск топлива осуществляется после основного впрыска, то есть на такте выпуска впрыскивается четко дозированное количество топлива. Вследствие остаточного тепла, содержащегося в потоке отработавших газов, впрыскиваемое топливо испаряется, снижая выбросы оксидов азота (NOx). Завершающий впрыск топлива также используется для регенерации сажевых фильтров дизельных двигателей. В этом случае он используется для повышения температуры отработавших газов, обеспечивая сжигание сажи, накопившейся в сажевом фильтре.

Давление впрыска

 Давление впрыска определяет скорость потока топлива, поступающего в камеру сгорания, то есть высокое давление впрыска задает высокую скорость потока топлива. Чем выше относительная скорость между топливом и воздухом, а также плотность воздуха в камере сгорания, тем тоньше распыление дизельного топлива.

 В двигателях с прямым впрыском топлива скорость воздуха в камере сгорания относительно невысока. Таким образом, при впрыске топлива в камеру сгорания под высоким давлением смесеобразование значительно улучшается. За счет высокого давления впрыска (до 200 МПа), в особенности при низкой частоте вращения двигателя, возможно значительное снижение выбросов сажи.

Направление впрыска

Как правило, двигатели с прямым впрыском работают с 4-10 струями

впрыскиваемого топлива, направление впрыска которых очень точно адаптируется к соответствующей камере сгорания. Отклонения от оптимального направления впрыска, составляющие около 2°, становятся причиной измеримого увеличения выбросов сажи и расхода топлива.

Продукты сгорания дизельного топлива

 При сжигании дизельного топлива в двигателе образуются:

— Окись углерода (угарный газ) (СО)

— Остаточные углеводороды (НС)

— Оксиды азота (NOx)

— Диоксид серы (S02)

— Серная кислота (H2S04)

— Частицы сажи (РМ)

 В дизельных двигателях при правильном смесеобразовании выбросы окиси углерода (СО) и несгоревших углеводородов (НС) снижаются за счет катализатора и преобразуются в воду Н20 и углекислый газ С02 (Carbon Dioxide = углекислый газ).

 Из-за избытка воздуха снижение уровня выброса оксидов азота (NOx) в катализаторе окисления невозможно. Ввиду высоких температур сгорания топлива, оксиды азота образуются в первую очередь в дизельных двигателях с прямым впрыском топлива и наддувом. Их выброс следует снижать за счет четко согласованной рециркуляции отработавших газов. Дополнительным методом снижения выбросов оксидов азота являются системы селективной каталитической нейтрализации.

 Доля диоксида серы S02 (Sulphur Dioxide = диоксид серы) и серной кислоты H2S04 (Sulphuric Acid = серная кислота) в отработавших газах в значительной степени зависит от качества топлива и содержащихся в нем присадок.

 Частицы сажи в первую очередь образуются при неполном сгорании. Наряду с изменениями, вносимыми в двигатель, снижению выбросов сажи способны эффективно содействовать системы фильтрации твердых частиц в выхлопе дизельного двигателя.

Выброс сажевых частиц

 При ускорении, холодном запуске двигателя или при высоких нагрузках на него, в дизельном двигателе происходит неполное сгорание топлива, что приводит

к образованию значительного количества сажевых частиц. Диаметр этих микроскопических частиц составляет приблизительно 0,05 мкм. Сажевые частицы или твердые частицы выхлопа дизельных двигателей также называются полициклическими ароматическими углеводородами РАН (Polycyclic Aromatic Hydrocarbons).

 Сама по себе сажа не оказывает вредного воздействия на организм человека. Однако углеводороды, содержащиеся в топливе и смазочных материалах, а также вода и сульфаты присоединяются к частицам сажи, увеличивая их диаметр до 0,09 мкм. Таким образом, образуются сажевые частицы, способные нанести вред человеческому организму.

 Нос и бронхи человека не в состоянии удерживать частицы, диаметр которых меньше 2,5 мкм (для сравнения: толщина человеческого волоса составляет около 70 мкм). Следовательно, такие частицы через дыхательные пути способны проникать в легкие человека, представляя собой опасность для его здоровья,

в особенности для детей и взрослых, страдающих определенными заболеваниями. Сажевые частицы предположительно способны вызывать некоторые аллергические реакции, и даже рак. В первую очередь это касается частиц, диаметр которых составляет от 0,1 до 1,0 мкм.

 Евросоюз вводит все более строгие нормы, которые призваны снизить загрязнение воздуха, вызываемое выбросом вредных веществ, содержащихся в отработавших газах автомобилей. В рамках этих законодательных норм, все новые легковые автомобили, оборудованные дизельным двигателем, подлежащие сертификации, начиная с 1 сентября 2009 года, должны соответствовать стандарту Euro 5. Кроме того, все автомобили, оборудованные дизельным двигателем и официально допущенные к эксплуатации после 1 января 2011 года, должны соответствовать стандарту Euro 5.

 В сравнении с автомобилями, соответствующими стандарту Euro 4 (0,025 г/км), предельное значение по выбросу сажевых частиц для автомобилей, отвечающих стандарту Euro 5 (0,005 г/км) было снижено на 80%. В целях соответствия строгим требованиям стандарта выбросов автомобили Mazda, оборудованные дизельными двигателями, были оснащены дизельными сажевыми фильтрами (Mazda3 (ВК), Mazda6 (GG/GY) Facelift и Mazda5 (CR) были первыми автомобилями с дизельным двигателем от компании Mazda, оборудованными дизельными сажевыми фильтрами в 2005 году).

 В настоящий момент дизельными сажевыми фильтрами оборудованы автомобили Mazda3 (BL) с двигателем Y6 (1,6 MZ-CD), Mazda3 (BL), Mazda5 (CR), Mazda6 (GH) с двигателем RF-T (2,0 MZR-CD) и Mazda6 (GH), Mazda3 (BL), а также CX-7 (ERH) с двигателем R2 (2,2 MZR-CD).

 Следующий пример призван подчеркнуть преимущества сажевого фильтра для дизельных двигателей: Современный дизельный двигатель, оборудованный системой впрыска топлива Common Rail без дизельного сажевого фильтра, на 80000 километров пробега выбрасывает в среднем около 3 килограммов сажи. При таком же пробеге дизельный двигатель, оборудованный дизельным сажевым фильтром, выбрасывает менее 100 граммов сажевых частиц, что соответствует снижению выброса на 95%.

Дизельный сажевый фильтр

Фильтр DPF (Diesel Particulate Filter = фильтр твердых частиц) представляет собой монолит, изготовленный из карбидокремниевой керамики. Отдельные каналы фильтра имеют пористые перегородки и не имеют других выходов. В результате, отработавшие газы вынуждены проходить через перегородки, которые удерживают на себе твердые частицы, состоящие преимущественно из сажи, а также из остатков масла, топлива и присадок.

1. Очищенные отработавшие газы

2. Фильтр DPF

3. Отработавшие газы, поступающие от двигателя

4. Катализатор окисления

 Чтобы избежать засорения фильтра DPF частицами сажи, его нужно очищать с регулярными интервалами, т.е. выжигать осевшие в фильтре частицы сажи. Этот процесс называется регенерацией.

 Регенерация фильтра выполняется в зависимости от степени его загрязнения, длины пробега автомобиля и эксплуатационных условий.

 Для регенерации фильтра необходимо добиться температуры воспламенения сажевых частиц, которая в обычных условиях составляет около 600° С. Поскольку такая температура выхлопных газов практически никогда не достигается, а в обычных условиях, в особенности при езде на короткие расстояния, не превышает 250° С, регенерация фильтра должна сопровождаться дополнительными мерами.

 В зависимости от устройства фильтра принимаются меры, с одной стороны снижающие температуру, необходимую для выжигания сажевых частиц (за счет присадок или нанесения специального покрытия на фильтр), а с другой стороны, повышающие температуру выхлопных газов (дополнительный впрыск и повышение температуры сгорания). После достижения температуры воспламенения, сажевые частицы превращаются в углекислый газ.

 После регенерации остатки золы, которые образовались из моторного масла и дизельного топлива, остаются в фильтре и не могут преобразовываться дальше. Эти остатки уменьшают полезный объём фильтра, укорачивая интервалы между циклами регенерации. Поскольку поры фильтра засорены зольными остатками, то давление отработавших газов и, следовательно, расход топлива, увеличиваются.

 Сажевый фильтр необходимо заменять на определенных этапах техобслуживания или при преждевременном насыщении фильтра.

Выбросы NOx

 Оксиды азота (NOx) - это собирательный термин для всех соединений азота (N) и кислорода (О), в основном, соединение моноксида азота (N0) и диоксида азота (N02), вырабатываемых во время сгорания. N0X является вредным веществом и вырабатывается, главным образом при высоких температурах. Поскольку современные высокоэффективные двигатели внутреннего сгорания, особенно, дизельные двигатели с турбонаддувом и прямым впрыском, имеют высокие температуры сгорания, это приводит к конфликту между выбросами N0X и сокращением потребления топлива.

 Системы двигателей, такие как сложная и точно подогнанная рециркуляция выхлопных газов, оптимизированный наддув и прямой впрыск уже близки к своим пределам по снижению выбросов N0X ,без влияния на эффективность, производительность или другие выбросы, подобные твёрдым частицам.

 Это приводит к необходимости внедрения системы дополнительной обработки выхлопных газов. Таковой является система селективной каталитической нейтрализации, эффективно снижающая содержания N0X с целью соответствия всё более строгим стандартам по выбросам.

 После введения системы селективной каталитической нейтрализации для модернизированной модели СХ-7 компания Mazda стала первым японским производителем автомобилей, который вводит эту систему в автомобиль массового производства, достигая общего снижения выбросов N0X примерно на 40 процентов.

Система селективной каталитической нейтрализации

Система SCR (Selective Catalytic Reduction = селективная каталитическая нейтрализация) - это система дополнительной обработки выхлопных газов для снижения выбросов NOx (Nitrogen Oxides = оксиды азота). Она преобразует NOx при помощи катализатора с применением аммиака в качестве восстановителя, вырабатываемого из карбамида, который добавляется в отработавшие газы.

1. Бак для карбамида

2. Насос для карбамида

3. Модуль управления SCR

4. Форсунка для карбамида

5. Смеситель карбамида

6. Преобразователь SCR

7. Датчик NOx

           





  Системы управления и основы диагностики дизельных двигателей
Введение
О системах впрыска

Система впрыска Common Rail фирмы Denso
Впускная система
Датчик массового расхода воздуха
Турбокомпрессор
Охладитель воздуха наддува
Датчик температуры всасываемого воздуха
Датчик абсолютного давления во впускном коллекторе
Топливная система
Система низкого давления
Система высокого давления
Система регулировки давления топлива
Система управления впрыском топлива
Система выпуска ОГ
Система рециркуляции ОГ
Система дизельного сажевого фильтра
Система селективной каталитической нейтрализации
Система управления
Блок управления двигателем
Датчики
Система предпускового подогрева
Электрические вентиляторы радиатора
Компрессор кондиционира
Интеллектуальная система зарядки
Круиз-контроль
Иммобилайзер

Система впрыска Common Rail фирмы Bosch
Впускная система
Датчик массового расхода воздуха
Турбокомпрессор
Байпас наддувочного воздуха
Запорные клапаны управления завихрением воздушного потока
Топливная система
Система низкого давления
Система высокого давления
Система регулирования давления топлива
Система управления впрыском топлива
Система выпуска ОГ
Система дизельного сажевого фильтра
Система управления
Блок управления двигателем
Датчики

Система бортовой диагностики
Механические компоненты двигателя
Процесс диагностики

Список сокращений