Система питания двигателя

Система питания двигателя — это комплекс узлов и механизмов, обеспечивающих подачу топлива в цилиндры и его смешивание с воздухом в нужных пропорциях. От правильной работы этой системы зависит мощность мотора, его экономичность и экологичность выхлопа. Современные двигатели оснащаются электронными системами управления впрыском, которые точно дозируют топливо в зависимости от режима работы. Разберёмся детально, как устроены системы питания бензиновых и дизельных двигателей, какие неисправности встречаются чаще всего и как их устранить.

Содержание

Общие сведения

Любой двигатель внутреннего сгорания нуждается в топливовоздушной смеси определённого состава. Система питания включает в себя бак для хранения топлива, насос, фильтры, магистрали и устройства дозирования — карбюратор, инжектор или топливный насос высокого давления. В бензиновых моторах смесь образуется во впускном коллекторе или непосредственно в цилиндре; в дизелях топливо впрыскивается под высоким давлением в сжатый горячий воздух, где самовоспламеняется.

Точное дозирование топлива критически важно: слишком богатая смесь увеличивает расход и загрязняет выхлоп, слишком бедная может привести к перегреву и детонации. Современные системы управления постоянно корректируют подачу, опираясь на данные датчиков кислорода, массового расхода воздуха, температуры и положения дроссельной заслонки.

Классификация систем питания

Системы питания классифицируются по нескольким признакам:

по способу смесеобразования: карбюраторные, инжекторные с распределённым впрыском, с непосредственным впрыском топлива в цилиндр, дизельные с различными типами впрыска;
по способу подачи воздуха: атмосферные и с наддувом (турбированные, компрессорные);
по типу управления: механические, электромеханические и полностью электронные.

Карбюраторные системы практически вытеснены инжекторными из-за низкой экологичности и сложности настройки. Инжекторы позволяют точнее контролировать состав смеси на всех режимах работы двигателя. Дизельные системы отличаются более высоким давлением впрыска и отсутствием искрового зажигания.

Состав смеси

Стехиометрическая смесь бензина и воздуха имеет соотношение примерно 1:14,7 по массе. Это оптимальное соотношение для полного сгорания топлива. На практике двигатель работает в широком диапазоне составов смеси:

богатая смесь (коэффициент избытка воздуха меньше единицы) даёт больше мощности, но увеличивает расход и токсичность выхлопа;
бедная смесь экономичнее, но может вызвать перегрев и нестабильную работу;
переобеднённая смесь приводит к пропускам зажигания и повреждению катализатора.

Электронный блок управления двигателем регулирует состав смеси с точностью до долей процента, ориентируясь на показания лямбда-зонда. В дизелях смесь всегда бедная, а мощность регулируется количеством впрыскиваемого топлива.

Дозирование топлива

В карбюраторных системах дозирование происходит механически за счёт разрежения во впускном коллекторе. В инжекторных системах топливо подаётся форсунками под давлением 3–5 бар (при распределённом впрыске) или до 200 бар (при непосредственном впрыске). Электронный блок управления рассчитывает длительность открытия форсунок на основе данных множества датчиков.

В дизельных двигателях давление впрыска значительно выше — от 200 до 2500 бар в системах Common Rail. Такое высокое давление необходимо для качественного распыления топлива и его самовоспламенения в сжатом воздухе. Точность дозирования влияет не только на мощность и экономичность, но и на уровень шума и вибраций дизеля.

Момент зажигания впрыскивания топлива

Момент впрыска топлива не менее важен, чем его количество. В бензиновых двигателях с распределённым впрыском топливо подаётся на впускной такт или в конце такта сжатия, а зажигание происходит от свечи в заранее рассчитанный момент. В моторах с непосредственным впрыском топливо может подаваться несколько раз за цикл — для прогрева катализатора, основного сгорания и дожига.

В дизелях момент начала впрыска определяет характер сгорания. Ранний впрыск увеличивает жёсткость работы и шум, поздний снижает мощность и увеличивает дымность. Современные системы управления используют многофазный впрыск:

предварительный впрыск малой порции топлива для плавного начала сгорания;
основной впрыск для получения мощности;
дополнительный впрыск для снижения токсичности и регенерации сажевого фильтра.

Состав и функции системы подачи топлива

Система подачи топлива состоит из нескольких ключевых элементов. Топливный бак служит хранилищем горючего и обычно располагается в задней части автомобиля для безопасности. Топливный насос создаёт необходимое давление для транспортировки топлива к двигателю; в инжекторных системах он электрический и погружается в бак, в дизелях часто устанавливается дополнительный насос низкого давления.

Топливные фильтры удаляют механические примеси и воду, защищая форсунки и насос высокого давления от износа. В дизельных системах фильтрация особенно важна из-за высокой чувствительности прецизионных элементов. Топливопроводы соединяют все компоненты; обратная магистраль возвращает излишки топлива в бак, что помогает охлаждать систему и поддерживать стабильное давление.

Регулятор давления топлива поддерживает постоянный перепад давления между топливной магистралью и впускным коллектором. В современных системах он может быть интегрирован в насос или управляться электронно. Форсунки впрыскивают топливо в двигатель; их производительность и качество распыла напрямую влияют на мощность, экономичность и чистоту выхлопа.

Общее устройство системы питания инжекторного двигателя

Инжекторная система питания бензинового двигателя включает топливный бак с датчиком уровня, электрический бензонасос, топливный фильтр, топливную рампу с форсунками, регулятор давления и электронный блок управления. Воздух поступает через воздушный фильтр, датчик массового расхода воздуха и дроссельную заслонку во впускной коллектор.

Электронный блок управления получает сигналы от множества датчиков: положения коленвала и распредвала, температуры охлаждающей жидкости и воздуха, давления во впускном коллекторе, кислорода в выхлопе, детонации. На основе этих данных контроллер рассчитывает оптимальный момент и длительность впрыска, угол опережения зажигания, состав смеси.

Форсунки открываются электромагнитным клапаном на строго определённое время — от нескольких миллисекунд на холостом ходу до 10–15 миллисекунд при полной нагрузке. Точность срабатывания форсунок обеспечивает плавную работу двигателя и минимальные выбросы вредных веществ.

Электрический бензонасос

Электрический бензонасос устанавливается непосредственно в топливном баке и погружается в бензин. Такое расположение имеет несколько преимуществ: топливо охлаждает насос, снижается вероятность образования паровых пробок, уменьшается шум. Насос создаёт давление от 3 до 5 бар в системах с распределённым впрыском и до 7–10 бар в системах с непосредственным впрыском (где дополнительно устанавливается насос высокого давления).

Производительность насоса выбирается с запасом, чтобы обеспечить подачу топлива даже при максимальной нагрузке. Регулятор давления сбрасывает излишки топлива обратно в бак, поддерживая постоянное рабочее давление. Современные насосы отличаются высокой надёжностью и способны пройти 200–300 тысяч километров без замены при использовании качественного топлива.

Признаки неисправности бензонасоса включают затруднённый запуск двигателя, падение мощности, провалы при разгоне. Причинами выхода из строя чаще всего становятся загрязнённое топливо, работа с пустым баком (насос перегревается без охлаждения) и естественный износ щёток электродвигателя.

Общее устройство системы питания дизельного двигателя

Система питания дизельного двигателя сложнее бензиновой из-за необходимости создания высокого давления впрыска. Основные компоненты включают топливный бак, топливоподкачивающий насос низкого давления, фильтры грубой и тонкой очистки, топливный насос высокого давления, форсунки, топливопроводы высокого и низкого давления, систему удаления воздуха.

Топливоподкачивающий насос забирает дизельное топливо из бака и подаёт его через фильтры к насосу высокого давления. Фильтрация в дизельных системах особенно критична: даже мелкие частицы размером в несколько микрон могут повредить прецизионные пары плунжеров и распылители форсунок. Многие дизельные фильтры оснащаются системой подогрева для предотвращения замерзания парафинов зимой и сепаратором для удаления воды.

Топливный насос высокого давления — сердце дизельной системы питания. Он создаёт давление от 200 до 2500 бар (в зависимости от типа системы), необходимое для качественного распыления топлива. Существует несколько типов ТНВД: рядные, распределительные, насос-форсунки и аккумуляторные системы Common Rail. Каждый тип имеет свои особенности конструкции и применения.

Топливоподводящая аппаратура системы питания дизельного двигателя

Топливоподводящая аппаратура низкого давления обеспечивает подачу очищенного топлива к ТНВД. Топливоподкачивающий насос может быть механическим (приводится от распредвала или ТНВД) или электрическим. Механические насосы шестерёнчатого или диафрагменного типа надёжны, но их производительность зависит от оборотов двигателя. Электрические насосы обеспечивают стабильную подачу независимо от режима работы мотора.

Фильтр грубой очистки удаляет крупные частицы и воду, скапливающуюся в отстойнике. Периодически отстойник необходимо сливать через специальный кран. Фильтр тонкой очистки задерживает частицы размером до 2–5 микрон; его замена — обязательная процедура при каждом ТО. Засорённый фильтр вызывает падение давления, затруднённый запуск и потерю мощности.

Топливопроводы низкого давления обычно изготавливаются из стальных или медных трубок, соединённых резиновыми шлангами в местах подвижных соединений. Важно следить за герметичностью системы: любая негерметичность приводит к подсосу воздуха, что нарушает работу ТНВД и форсунок. Обратная магистраль возвращает излишки топлива в бак, при этом топливо нагревается, проходя через систему, что улучшает его текучесть зимой.

Виды впрыска в системах питания дизельного двигателя

Рядный ТНВД

Рядный топливный насос высокого давления — классическая конструкция, применявшаяся на дизелях с момента их изобретения. Насос содержит несколько плунжерных пар (по числу цилиндров двигателя), расположенных в одном корпусе и приводимых общим кулачковым валом. Каждая секция обслуживает один цилиндр и имеет индивидуальную регулировку подачи топлива.

Преимущества рядных ТНВД — высокая надёжность, простота ремонта, способность создавать очень высокое давление (до 1800 бар). Они используются на тяжёлых грузовиках, тракторах, судовых дизелях. Недостатки — большие размеры и масса, сложность точной настройки подачи топлива по цилиндрам, ограниченные возможности электронного управления.

Момент впрыска в рядных ТНВД регулируется механической или гидравлической муфтой опережения впрыска, которая поворачивает кулачковый вал относительно привода в зависимости от оборотов. Количество подаваемого топлива изменяется поворотом плунжеров, управляемым рейкой насоса, связанной с педалью акселератора через регулятор или электронный актуатор.

Распределительный ТНВД

Распределительный насос компактнее рядного: один или два плунжера создают давление для всех цилиндров, а распределение топлива осуществляется вращающимся распределителем. Такая конструкция значительно уменьшает размеры и массу насоса, что важно для легковых автомобилей и лёгких коммерческих машин.

Различают несколько типов распределительных ТНВД: с торцевым кулачком (типа VE от Bosch), с внутренним кулачком (типа DPC от Delphi), с радиальными плунжерами. Все они обеспечивают равномерную подачу топлива по цилиндрам за счёт точной механической обработки распределительной головки.

Преимущества распределительных насосов — компактность, меньший вес, равномерность подачи по цилиндрам, возможность интеграции электронного управления. Недостатки — сложность ремонта (часто требуется полная замена насоса), меньший ресурс по сравнению с рядными ТНВД, чувствительность к качеству топлива. Распределительные насосы широко применялись на легковых дизелях 1990-х – начала 2000-х годов, но постепенно вытесняются системами Common Rail.

Насос-форсунка

Система насос-форсунка (Unit Injector) объединяет в одном узле насос высокого давления и форсунку. Каждый цилиндр имеет свою насос-форсунку, установленную в головке блока и приводимую индивидуальным кулачком распредвала через толкатель или коромысло. Такая конструкция позволяет исключить топливопроводы высокого давления и связанные с ними потери давления.

Преимущества системы насос-форсунка — очень высокое давление впрыска (до 2200 бар), точное управление моментом и количеством впрыскиваемого топлива, возможность многофазного впрыска, компактность. Эта система применялась на дизелях Volkswagen, Audi, Skoda конца 1990-х – 2000-х годов и обеспечивала отличные характеристики по мощности и экономичности.

Недостатки — высокая нагрузка на привод газораспределительного механизма, сложность обслуживания (требуется специальное оборудование для проверки), дороговизна ремонта (при выходе из строя одной насос-форсунки часто рекомендуется менять все). Шум от работы насос-форсунок также выше, чем у других систем. Сейчас эта технология уступает место системам Common Rail, более гибким в настройке и тихим.

Common Rail

Система Common Rail (аккумуляторная топливная система) стала стандартом для современных дизельных двигателей. Принцип её работы заключается в разделении процессов создания давления и впрыска топлива. Топливный насос высокого давления постоянно нагнетает топливо в общую топливную рампу (аккумулятор), где поддерживается высокое давление (от 200 до 2500 бар в зависимости от поколения системы).

Форсунки с электромагнитными или пьезоэлектрическими клапанами открываются по команде электронного блока управления, впрыскивая топливо в цилиндры. Момент, длительность и количество впрысков полностью контролируются электроникой, что обеспечивает исключительную гибкость управления. За один цикл может осуществляться до семи впрысков: предварительные, основной, дополнительные для регенерации сажевого фильтра.

Преимущества Common Rail:

высокая топливная экономичность;
низкий уровень шума и вибраций;
отличные экологические показатели;
широкие возможности настройки характеристик двигателя программно.

Недостатки — высокая стоимость компонентов, повышенные требования к чистоте топлива, сложность и дороговизна ремонта. Система чувствительна к качеству дизельного топлива: попадание воды или грязи быстро выводит из строя форсунки и насос.

Основные неисправности системы питания дизельного двигателя

Сложности при запуске двигателя

Затруднённый запуск дизеля — распространённая проблема, особенно в холодное время года. Причины могут быть различными: недостаточная компрессия, неисправность свечей накаливания, завоздушивание системы питания, засорение топливного фильтра, загустевшее топливо, износ плунжерных пар ТНВД или форсунок.

Если двигатель плохо заводится на холодную, но нормально работает после прогрева, стоит проверить свечи накаливания и компрессию. При холодном пуске воздух в цилиндрах должен нагреваться до температуры самовоспламенения дизтоплива (около 300–350 °C), и свечи накаливания помогают достичь этой температуры. Износ цилиндропоршневой группы снижает компрессию, что также затрудняет холодный старт.

Завоздушивание системы питания нарушает подачу топлива к форсункам. Воздух попадает через негерметичные соединения топливопроводов, повреждённые уплотнения насоса или трещины в корпусе фильтра. Признаки завоздушивания — неравномерная работа, глохнущий двигатель, необходимость длительного прокручивания стартером. Устранение завоздушивания требует прокачки системы и устранения мест подсоса воздуха.

Отсутствие полной мощности и наличие дыма

Потеря мощности дизельного двигателя часто сопровождается повышенным дымлением. Цвет дыма указывает на характер неисправности. Белый или сизый дым свидетельствует о попадании охлаждающей жидкости в камеру сгорания (пробой прокладки головки блока, трещина в головке), неполном сгорании топлива из-за низкой компрессии или плохого качества солярки.

Синий дым указывает на попадание масла в камеру сгорания — изношены поршневые кольца, маслосъёмные колпачки, направляющие втулки клапанов, турбокомпрессор. Чёрный дым — признак переобогащённой смеси: излишнее количество впрыскиваемого топлива не успевает сгорать. Причины — неправильная регулировка ТНВД, «зависшие» форсунки, засорённый воздушный фильтр, неисправность турбины.

Падение мощности без дымления может быть связано с засорением топливного фильтра, завоздушиванием системы, низким давлением наддува (утечки в интеркулере, неисправность турбины), забитым сажевым фильтром. Диагностика начинается с проверки давления топлива, компрессии, герметичности системы наддува и считывания ошибок электронного блока управления.

Самопроизвольное увеличение частоты вращения коленчатого вала

Самопроизвольное повышение оборотов дизеля — опасная неисправность, которая может привести к разрушению двигателя. Причины чаще всего связаны с регулятором ТНВД или турбокомпрессором. В механических ТНВД заедание рейки или неисправность регулятора приводит к неконтролируемой подаче топлива. В электронных системах виноват может быть неисправный актуатор или датчик положения педали акселератора.

Другая распространённая причина — попадание моторного масла в цилиндры через изношенную турбину. Дизель может работать на масле, и если его поступает много (например, при разрушении уплотнений турбокомпрессора), обороты растут неконтролируемо. Единственный способ остановить двигатель в этом случае — перекрыть подачу воздуха, заткнув впускной патрубок плотной тканью или перекрыв воздушный фильтр.

В системах Common Rail самопроизвольный рост оборотов может быть вызван неисправностью регулятора давления топлива или форсунок. Электронный блок управления обычно имеет защиту от таких ситуаций, отключая подачу топлива при превышении критических оборотов, но в случае механического заклинивания защита может не сработать.

Двигатель стучит и дымит

Жёсткая работа дизеля с металлическим стуком и дымлением указывает на проблемы со сгоранием топлива. Наиболее вероятные причины — неправильный момент впрыска, неисправность форсунок, низкая компрессия. Слишком ранний впрыск приводит к тому, что топливо воспламеняется до достижения поршнем верхней мёртвой точки, создавая резкий рост давления — отсюда характерный металлический стук.

Неисправные форсунки могут подавать топливо неравномерно или в виде струи вместо мелкодисперсного тумана. Плохое распыление ухудшает смесеобразование, часть топлива не сгорает, что вызывает дымление и жёсткую работу. Износ распылителей форсунок — естественный процесс, ускоряющийся при использовании некачественного топлива. Проверка и очистка форсунок на специальном стенде входит в регламент обслуживания дизелей.

Низкая компрессия из-за износа цилиндропоршневой группы также вызывает жёсткую работу и дымление. При недостаточном сжатии воздух не нагревается до нужной температуры, самовоспламенение запаздывает, топливо накапливается и затем сгорает со взрывом. Измерение компрессии — первый этап диагностики при подобных симптомах.

Чёрный цвет отработанных газов

Чёрный дым из выхлопной трубы дизеля — явный признак неполного сгорания топлива и образования сажи. Основные причины: переизбыток подаваемого топлива, недостаток воздуха, низкая температура сгорания, неисправность форсунок. Проверка начинается с воздушного фильтра — его засорение ограничивает поступление воздуха и обогащает смесь.

У турбированных дизелей чёрный дым может быть связан с неисправностью турбокомпрессора: утечки воздуха из интеркулера, повреждение патрубков, заклинивание изменяемой геометрии турбины. Если давление наддува падает, в цилиндры поступает меньше воздуха при том же количестве впрыскиваемого топлива — смесь обогащается.

Неправильная настройка ТНВД или неисправность электронного блока управления могут вызвать излишнюю подачу топлива. В системах Common Rail подтекающие форсунки впрыскивают больше топлива, чем нужно. Диагностика включает проверку давления впрыска, баланса форсунок, тестирование турбины и измерение давления наддува под нагрузкой.

Как устранить завоздушивание системы питания дизельного двигателя

Прокачка фильтрующего элемента

После замены топливного фильтра или при подсосе воздуха систему питания необходимо прокачать для удаления воздушных пробок. Многие дизельные автомобили оснащаются ручным топливоподкачивающим насосом, расположенным на корпусе фильтра или отдельно на топливопроводе. Процедура прокачки выполняется следующим образом:

открутить клапан выпуска воздуха на корпусе фильтра (обычно на его верхней части);
качать ручным насосом до появления из клапана топлива без пузырьков воздуха;
закрутить клапан выпуска воздуха;
при необходимости повторить процедуру на следующих точках удаления воздуха (если они есть).

В системах без ручного насоса прокачка осуществляется электрическим топливоподкачивающим насосом. Для этого включают зажигание (не запуская двигатель) на 10–15 секунд, давая насосу поработать. Процедуру повторяют несколько раз, затем пробуют запустить двигатель. Первые попытки запуска могут быть неудачными, так как воздух постепенно выходит из системы.

Удаление воздуха из системы питания дизельного двигателя

При серьёзном завоздушивании (например, после полной выработки топлива из бака) может потребоваться удаление воздуха из топливного насоса высокого давления. На разных типах ТНВД процедура различается, но общий принцип одинаков: ослабить штуцер на выходе насоса или на форсунках, прокачать систему до появления чистого топлива, затянуть штуцер.

Для рядных и распределительных ТНВД последовательность такая:

прокачать систему низкого давления до топливного насоса;
ослабить штуцер топливопровода на выходе ТНВД;
прокручивать двигатель стартером короткими импульсами (по 5–10 секунд с паузами) до появления топлива без пузырьков;
затянуть штуцер;
запустить двигатель, дать ему поработать до стабилизации оборотов.

В системах Common Rail завоздушивание менее критично, так как насос высокого давления самостоятельно вытесняет воздух в обратную магистраль. Тем не менее после замены фильтра рекомендуется дать электрическому насосу низкого давления поработать перед запуском двигателя. Если воздух попал в топливную рампу, может потребоваться несколько минут работы двигателя на переменных оборотах для полного удаления пузырьков.

Схема устройство и принцип работы для дизельного двигателя

Common Rail

Система Common Rail состоит из топливного бака, электрического насоса низкого давления, фильтра тонкой очистки, насоса высокого давления с регулятором производительности, топливной рампы (аккумулятора) с датчиком давления, форсунок с электромагнитными или пьезоэлектрическими клапанами, обратных топливопроводов, электронного блока управления и комплекса датчиков.

Принцип работы: электрический насос подаёт топливо через фильтр к насосу высокого давления. ТНВД (обычно трёхплунжерный радиального типа) нагнетает топливо в рампу, создавая давление от 200 до 2500 бар в зависимости от режима работы двигателя. Датчик давления в рампе передаёт информацию в электронный блок управления, который корректирует производительность насоса через регулятор.

Форсунки подключены к рампе и находятся под постоянным высоким давлением. По команде ЭБУ открывается электромагнитный или пьезоэлектрический клапан форсунки, топливо впрыскивается в цилиндр. Пьезоэлектрические форсунки срабатывают быстрее (менее 0,1 миллисекунды), что позволяет осуществлять до семи впрысков за цикл для плавной и тихой работы. Излишки топлива и топливо, используемое для управления форсунками, возвращаются в бак по обратной магистрали.

Электронное управление позволяет точно регулировать момент начала впрыска, его длительность и количество фаз. Предварительный впрыск малой порции топлива (0,5–1,5 мг) за несколько градусов до верхней мёртвой точки сглаживает нарастание давления при основном сгорании, снижая шум и нагрузки на детали. Основной впрыск обеспечивает необходимую мощность. Дополнительные впрыски после основного используются для регенерации сажевого фильтра или снижения оксидов азота в выхлопе.

Разделённая и насос-форсунка

Система с разделённой подачей топлива — общее название для конструкций, где насос высокого давления и форсунка разнесены и соединены топливопроводом. К таким системам относятся рядные и распределительные ТНВД. Преимущество — возможность централизованного расположения насоса и его обслуживания. Недостаток — потери давления в длинных топливопроводах и ограничения по максимальному давлению впрыска.

Система насос-форсунка устраняет эти недостатки, объединяя насос и форсунку в одном корпусе. Каждая насос-форсунка обслуживает один цилиндр. Привод осуществляется от распределительного вала через толкатель. При набегании кулачка на толкатель плунжер насос-форсунки перемещается вниз, создавая давление до 2200 бар непосредственно перед иглой распылителя.

Электромагнитный клапан, управляемый ЭБУ, регулирует начало и конец впрыска. Пока клапан открыт, топливо перетекает в сливную магистрль и давление не растёт. При закрытии клапана давление резко возрастает, игла форсунки поднимается и начинается впрыск. Открытие клапана прекращает впрыск. Такая конструкция обеспечивает очень точное управление и высокую интенсивность впрыска, но создаёт высокие нагрузки на привод ГРМ и издаёт характерный шум при работе.

Особенности и требование к дизельному топливу

Дизельное топливо существенно отличается от бензина по составу и свойствам. Главные характеристики солярки — цетановое число, фракционный состав, вязкость, температура застывания и содержание серы. Цетановое число характеризует воспламеняемость топлива: чем оно выше, тем легче происходит самовоспламенение и тем мягче работает двигатель. Для современных д