Обзор технологических инноваций топливных систем

Топливные системы автомобилей развиваются. Ежегодно появляются различные технологии, которые позволяют улучшить характеристики двигателей, а также сократить количество вредных выбросов в атмосферу. В этом материале рассмотрим инновации в топливных системах.

Технология i-ART от DENSO

В 1995 году, компания DENSO впервые выпустила на рынок топливную систему подачи дизельного топлива с общей магистралью высокого давления. Данная инновация позволила улучшить показатели моторов. В течение пары лет технология стала использоваться как отраслевой стандарт. В свою очередь, системы, имеющие механический впрыск ушли с рынка.

Сегодня компания DENSO производит топливные системы с общей магистралью четвертого поколения. Их используют ведущие автоконцерны Европы и Японии. Постоянный поиск решений, которые бы позволяли поднять характеристики дизельных двигателей, привел к внедрению технологии интеллектуального впрыска i-ART.

Старые поколения топливных систем DENSO имели показатель давления в магистрали на уровне 1,200 бар. Если обратить внимание на последнее поколение (четвертое), то значение давления уже выросло и составило 2,500 бар. Для создания впрыска под высоким давлением современные системы оснащаются насосами. Можно выделить два типа топливных насосов HP5S c одним плунжером и HP5D – с двумя. Каждый из них подходит только к определенному типу дизельного мотора. Получается, что увеличение давления впрыска, позволило эффективно снизить расход топлива, а также заметно улучшить мощность движков и дополнительно уменьшить количество вредных выбросов.

Чтобы повысить эффективность работы двигателей под высоким давлением, компания разработала несколько типов форсунок:

1. С пьезоэлементом. Этот вид форсунок показал максимальное быстродействие. Они отличаются тем, что могут обеспечить порядка 1000 разделенных впрысков в секунду в течение одного цикла работы двигателя. Это решение улучшило характеристики мотора и снизило уровень шумности при работе движка. Кроме этого, форсунки с пьезоэлементом помогли снизить расход топлива, а также обеспечить соответствие экологическому стандарту ЕВРО-6.
2. С электромагнитным приводом. Форсунка представляет собой быстродействующий гидравлический клапан с приводом от электромагнита. Она также способна разделять впрыск, но ее эффективность ниже по сравнению с форсунками с пьезоэлементом.

Для современных топливных систем были разработаны форсунки с датчиками давления и температуры топлива. Данная разработка получила наименование DENSO i-ART (интеллектуальная коррекция впрыска). Далее подробно поговорим о принципе ее работы.

Принцип работы i-ART

Новые топливные форсунки оснащены датчиками давления и температуры топлива, а также имеют собственную плату. Контролирует их функционирование автомобильный электронный блок управления (ЭБУ). Он в режиме реального времени отслеживает количество впрыска топлива. Кроме этого, форсунки являются самообучаемыми. В них, помимо датчиков, встроен еще и сенсор, который позволяет вести мониторинг температурных изменения.

Таким образом, топливные системы последних лет, которые оснащены i-ART позволяют дизельным двигателям достигнуть высоких показателей мощности и в то же самое время сократить количество выбросов вредных газов в атмосферу. Стоит отметить, что легковые транспортные средства от автоконцерна Volvo, которые оснащены моторами серии E-DRIVE, также используют технологию i-ART.

Топливная система без дымного горения

Новая топливная система имеет совершенно другой способ получения энергии из бензина. Особенность в том, что в двигателе происходит без дымное горение. Таким образом, получится снизить расход топлива и увеличить мощность движка. Кроме этого, существенно увеличивается динамика транспортного средства, разгон будет происходить за более короткое время. Главное – будет снижен порог выбросов вредных газов в атмосферу.

Система работает в автономном режиме. При этом ее можно использовать на карбюраторных двигателях внутреннего сгорания. Топливная система уже прошла все необходимые испытания, но в серийное производство пока не поступила.

Автомобильные турбины

Турбонаддув – это один из методов агрегатного наддува. Принцип его работы базируется на использовании энергии отработанных газов. Он устанавливается как на бензиновые, так и на дизельные движки.

Турбина устроена достаточно просто:

• компрессор;
• корпус турбины;
• подшипники;
• колесо (крыльчатка) компрессора;
• колесо (крыльчатка) турбины;
• вал ротора.

Кроме этого, турбина может оснащаться электронным блоком управления. Устройство устанавливается, если применяется электронное управление сброса лишнего газа в коллектор. Если на автомобиле установлена механическая турбина, то газы сбрасываются с помощью клапанов.

Корпус турбины и ротор изготавливаются из специальных износостойких сплавов, чтобы обеспечить их надежность, так как элементы находятся в постоянном контакте с повышенными температурами. Принцип работы устройства следующий:

• отработанные газы сбрасываются во впускной коллектор;
• затем лишние газы поступают в канал, который находится на корпусе нагнетателя (похожий по виду на улитку);
• в нагнетателе газы начинают разгоняться до большой скорости и после этого подаются на ротор;
• ротор обеспечивает вращение турбины.

Автомобильная турбина позволяет увеличить мощность двигателя внутреннего сгорания без вреда для экономичности. Хотя при возникновении неисправностей их устранение иногда может потребовать основательных вложений (источник: https://remont-turbin.com/).

Сколько турбин устанавливается на двигатель

Как правило, на двигатель устанавливается только одна турбина. Это решение простое, но имеет недостаток. Работать наддув начинает только на средних оборотах движка. Такой эффект получил наименование – турбояма (небольшая задержка, возникающая при повышении количества поступившего топлива, во время нажатия на педаль газа). Причина появления турбоямы в том, что ротору требуется время, чтобы газы его смогли раскрутить.

Помогает избавиться от турбоямы – двойной наддув. В данном случае устанавливается дополнительный небольшой компрессор, который быстро может раскрутиться на малых оборотах работы двигателя.

Есть вариант установки сразу нескольких турбин на мотор так называемая параллельная схема. Одинаковые турбокомпрессоры работают только со своей группой цилиндров.

Электронный впрыск (EFI)

Производители практически не применяют механический впрыск топлива, а переходят на другие технологии. Наиболее продвинутой разработкой является система электронного впрыска топлива (EFI). Она представляет собой комплекс управляемых топливных клапанов, которые открываются после получения электрического сигнала. Принцип работы электронного впрыска следующий:

• электронный регулирующий блок (микрокомпьютер) собирает и обрабатывает данные с датчиков;
• после получения информации о том, на каких оборотах работает двигатель, компьютер определяет, сколько времени держать форсунки открытыми.

Сама система электронного впрыска оснащена следующими видами датчиков:

• расхода воздуха – позволяет измерить количество воздуха в системе;
• температуры воздуха – отслеживает колебания температуры;
• биометрическим – обнаруживает колебания атмосферного давления;
• температуры охлаждающей жидкости – отражает рабочую температуру мотора;
• кислорода – собирает данные об остаточном кислороде в выхлопных газах;
• частоты вращения – собирает информацию об оборотах двигателя;
• положения распредвала – определяет, каким образом осуществлять впрыск;
• положения дроссельной заслонки – позволяет определить, в каком положении находится дроссельная заслонка и скорость изменения ее положения;
• давления во впускном коллекторе – собирает информацию о давлении в самом коллекторе.

Главное преимущество технологии EFI – улучшение параметров экономичности двигателя.

Водородные топливные ячейки

Водородный топливный элемент – эта разработка последних лет, заменяющая классическую топливную систему. В обычном двигателе внутреннего сгорания углеводородное топливо окисляется, в результате появляется тепловая энергия. Конечно, в классическом движке можно сжигать водород, но переоснащение будет дорогим, поэтому были разработаны топливные ячейки – энергия вырабатывается именно в них.

Состоит водородная топливная система из следующих элементов:

• батарея топливных элементов;
• вторичный источник энергии;
• блок контроля и управления;
• преобразователь;
• система подачи атмосферного воздуха;
• прогрессивная система охлаждения.

Сам топливный элемент похож на АКБ. В нем идет выработка постоянного тока за счет происходящей химической реакции. Внутри элемента находится анод, катод и электролит. Главное отличие от батареи в электромобилях – ячейка не накапливает заряд и не может разряжаться. Кроме этого, не нужно ставить автомобиль на заряд. Водородные ячейки могут в постоянном режиме вырабатывать энергию.

Еще один плюс – водородное топливо практически не выбрасывает вредные газы в атмосферу. При работе оно выделяет воду и пар, а количество углекислого газа при этом, минимальное. Разработкой водородных ячеек (элементов) занимаются DENSO, Volkswagen, BOSH, BMW.

Топливные системы автомобилей улучшаются. Инженеры ищут способы, как снизить расход топлива, улучшить характеристики двигателей и уменьшить количество выхлопных газов, выбрасываемых в атмосферу. Разрабатываются и альтернативные виды топливных систем, которые используют вместо горючих смесей, водород.