На что влияет длительность импульса впрыска
Принципы работы, применение и модификация EFI будут предметом дальнейшего обсуждения. Ни CIS (continuous injection system, система непрерывного впрыска), тип системы впрыска топлива, использующей пневматическое и гидравлическое управление, ни другие архаичные системы впрыска топлива не обсуждаются в этой книге. Электронная система впрыска топлива полностью доказала свое превосходство от экономичных городских автомобилей до автомобилей WRC и Формулы 1.
Прошло много времени, с тех пор как автомобили-победители больших дорожных гонок были оборудованы топливной системой отличной от EFI. Конечно, теперь любой серьезный проект системы турбонаддува будет оборудован системой электронного впрыска топлива. Никакие другие системы не могут сравниться здесь с системой электронного впрыска топлива. Начните с лучшего из того, что имеется, и Вы не увязнете со своим проектом и не будете загнаны в угол.
Принципы работы системы электронного впрыска топлива.
Датчик массового расхода воздуха/датчик расхода воздуха.
Система впрыска, работающая с датчиком массового расхода воздуха или датчиком расхода воздуха, названа системой впрыска «с массовым расходом». Чувствительный элемент измеряет число молекул воздуха, попадающих в систему в любой момент времени. Если это число разделить на обороты двигателя, это даст точное значение количества топлива, необходимого для одного рабочего цикла в двигателе.
Датчик температуры воздуха.
Плотность воздуха изменяется как функция температуры. Поэтому, компьютер должен знать, что необходимо изменить длительность импульса, если датчик температуры воздуха обнаруживает изменение температуры воздуха.
Современная система управлеп и я двигателем.
Барометрический датчик.
Плотность воздуха также изменяется с высотой. Датчик атмосферного давления сообщает компьютеру об изменении высоты.
Датчик температуры охлаждающей жидкости.
Количество топлива, требуемое двигателю, обратно пропорционально температуре двигателя. Датчик температуры охлаждающей жидкости отражает рабочую температуру двигателя. Холодному двигателю требуется большее количество топлива для того, чтобы получить достаточно паров топлива для воспламенения. Чем более нагрет двигатель, тем легче парообразование, и меньше количество требуемого топлива.
Датчик давления во впускном коллекторе.
Не все системы EFI оборудованы датчиком давления во впускном коллекторе. Те, в которых он присутствует, называются системами EFI, работающими на принципе «плотность/скорость». Когда используется датчик давления во впускном коллекторе, датчик массового расхода воздуха или датчик расхода воздуха становится не нужен. Давление во впускном коллекторе в любой данный момент достаточно точно отражает нагрузку на двигатель. Следовательно, датчик давления во впускном коллекторе сообщает компьютеру данные о текущем эксплуатационном режиме.
Система электронного впрыска топлива, установленная на 2 JZ-GTE
Датчик кислорода.
Датчик кислорода измеряет количество остаточного кислорода в выхлопных газах после процесса горения. Он установлен в выпускном коллекторе и таким образом становится для компьютера «сторожевым псом» фактического качества смеси. Если датчик обнаруживает слишком большое количество кислорода, компьютер, на основе информации в его памяти, будет немного увеличивать длительность импульсов впрыска, таким образом, добавляя топливо и используя избыточный кислород. Контролируя оставшийся кислород, компьютер может непрерывно поддерживать необходимую длительность импульсов, для обеспечения запрограммированного соотношения воздух/топливо. В жизни датчик кислорода нужен для поддержания соотношения воздух/топливо в рамках, необходимых для работы трехкомпонентного катализатора. Это не устройство для экономии топлива или обеспечения мощности.
Датчик частоты вращения.
Импульсы впрыска каждый рабочий цикл должны, конечно, всегда соответствовать частоте вращения двигателя. Датчик оборотов двигателя обеспечивает это, контролируя низковольтные импульсы на катушке зажигания.
Датчик положения распределительного вала.
В системе последовательного впрыска датчик положения распределительного вала сообщает блоку управления, в каком порядке работают цилиндры двигателя. По сигналам этого датчика блок управления определяет, в каком порядке осуществлять впрыск.
Датчик положения дроссельной заслонки.
Последовательный впрыск топлива и длительность импульса
Максимальная длителъность импульса системы впрыска топлива, располагаемая за оборот, функция от оборотов двигателя в минуту.
Изменение штатной системы впрыска топлива
Увеличение длительности импульса впрыска.
Перед любой попыткой увеличить расход топлива путем увеличения длительности импульса, необходимо определить время оборота двигателя на максимальных оборотах (оборотах максимальной мощности) и максимальную продолжительность импульса форсунки. Это позволит нам понять, располагаем ли мы дополнительным временем для увеличения длительности импульса. Длительность импульса форсунки может быть определена измерителем длительности импульса или осциллографом. Это измерение должно быть произведено на автомобиле, при полностью открытой дроссельной заслонке, на оборотах максимального момента, которые составляют приблизительно две третьих максимальных оборотов двигателя.
При увеличении оборотов более 3000 оборотов в минуту, когда форсунки с каждым оборотом открываются на более длительное время, последовательная система впрыска превращается в непоследовательную. Поэтому различие между этими двумя типами систем может игнорироваться при вычислении дополнительного количества топлива, пока длительность импульса не будет проверена на оборотах более чем 4000 оборотов в минуту. Тогда возможно проанализировать располагаемое увеличение длины импульса на основании длительности одного импульса за оборот.
Время, требуемое для одного оборота на максимальной частоте вращения, определяет, имеем ли мы время для увеличения длительности импульсов EFI. Оно может быть получено графика на рисунке или путем расчетов:
Допустим максимальные обороты = 5000. Тогда
Как только время одного оборота на максимальной частоте вращения известно, и длительность импульса на максимальной частоте вращения была измерена, может быть рассчитано располагаемое увеличение. В миллисекундах,
Возможное увеличение = Длительность одного оборота-Длительность импульса
Длительность одного оборота ^ Возможное увеличение =—-7 Длительность импульса
Пример 1: Допустим максимальные обороты = 5000 и длительность импульса на максимальных оборотах = 6,2 мс. Тогда
Пример 2: Допустим максимальные обороты = 7500 и длительность импульса на максимальных оборотах = 8,0 мс.
В этом примере длительностью импульса на максимальных оборотах является все располагаемое время на максимальных оборотах; поэтому мы не располагаем каким либо возможным увеличением.
Если расчеты показывают, что возможно увеличение длительности импульса, то могут быть рассмотрены методы дня реализации этого:
Изменение сигнала датчика.
Длительность импульса может быть увеличена, путем увеличения сопротивления в цепи датчика температуры охлаждающей жидкости. Величина сопротивления определяется опытным путем. Сопротивление должно быть увеличено только в момент наличия давления наддува. Это требует разного рода потенциометров и выключателей, и всегда будет давать меньше толку, чем ожидается.
Система управления, основанная на изменении сигнала температуры ОЖ.
Замечание: это неработоспособная система управления.
Перепрограммирование блока управления.
Существует слишком много проблем, чтобы ожидать, что перепрограммирование блока управления можно предложить как способ обеспечения дополнительного количества топлива. Этот метод сложен для реализации в системе с расходомером воздуха. Этот метод не будет работать в системе «плотность/скорость», если датчик давления не предназначен для работы с давлением выше атмосферного. Специалист со знаниями для декодирования программы управления и оборудованием для перепрограммирования блока управления может сделать такую работу. Такие специалисты довольно редки. В общем, это сложная задача для реализации. Но в последнее время появилось достаточно много технических решений для перепрограммирования тем или иным образом блоков управления различных производителей.
Перехват сигнала.
Субкомпьютер HKS разработан, чтобы использовать заводской автомобильный турбонагнетатель при давлениях наддува выше штатных.
Управляющий субкомпьютер F-CON изменяет сигнал штатной системы EFI, основываясь на величене сигнала давлениея наддува.
Увеличение размера форсунки.
Изменение размера форсунки станет причиной того, что при отсутствии других изменений, система впрыска будет подавать большее количество топлива все время при любых условиях.
Это неприемлемо. Таким образом, необходим способ возвращения расхода топлива к его первоначальному уровню на низких оборотах. Возможно делать это или изменяя сигнал расходомера воздуха или увеличивая усилие возвратной пружины заслонки расходомера. Последнее производится внутри расходомера и достаточно просто для реализации. Форсунки с производительностью до 50 % большей обычно могут настраиваться на нормальную работу на низких оборотах любым методом.
Регулятор с повышающейся характеристикой, установленный в топливной системе.
Регулятор давления топлива, повышает давление топлива вместе с ростом наддува.
Увеличение давления топлива.
Регулятор давления топлива может обеспечить значительно более высокое давление топлива как функцию давления наддува.
Дополнительные форсунки
В идеальном случае, для серьезной мощности, требуется одна дополнительная форсунка на цилиндр. В противном случае рассматривайте это как механизм «для низкого давления наддува». Предшествующие параграфы описывают методы, которыми система впрыска топлива может быть модифицирована для работы под наддувом. До выбора метода, который удовлетворяет вашим требованиям, Вы должны быть уверенны, что Ваши измерения и вычисления верны. Не занимайтесь всякими глупостями вроде включения форсунок холодного запуска или любых других одинаково глупых схем, без соответствующего исследования, подтверждающего, что схема отвечает всем требованиям, предъявляемым к должным образом задуманной топливной системе.
Одна или две дополнительных форсунки для системы могут обеспечить подачу топлива в системах с низким давлением наддува, но не подходят для серьезной мощности.
Расчет размеров форсунок
Топливные форсунки системы впрыска имеют расход топлива в единицу времени, измеряемый в см3/мин. Существует огромное разнообразие размеров. Также большое число единиц объема или массового расхода используется, чтобы оценить пропускную способность форсунки. Вычисления, необходимые для поиска форсунок требуемого размера, не являются сложными. В них нет никакой ракетной науки. Одно простое вычисление и работа выполнена
Расход топлива на форсунку = желаемая мощность х 5,775 \ колличество форсунок
В общем случае, число форсунок равно числу цилиндров. Понятно, что нужно выбирать следующий больший размер форсунки, чем расчетная величина. Больший размер может обеспечить некоторую свободу для будущих усовершенствований двигателя
Тестирование форсунок
Форсунка может быть протестирована на фактический расход топлива. Для этого нужно подать на форсунку давление топлива 2,5 бара (стандартное давление топлива для большинства автомобилей и стандартное давления для измерения расхода форсунки), обеспечивая открытие форсунки от источника напряжения. Топливо сливается в градуированную мензурку в течении одной минуты. Результатом испытания будет расход топлива, измеренный в см 3 /мин. Пары 1,5-вольтовых батареек будет достаточно, чтобы форсунка открылась, но лучше использовать источник питания с напряжением близким к напряжению бортовой сети автомобиля.
Простая схема для определения расхода топливной форсунки.
Требования к топливному насосу
Любой насос имеет график зависимости расхода от давления. Такие данные, возможно, трудно достать, но это не единственная возможность для получения расходной характеристики конкретного насоса.
Топливные системы для турбодвигателей, особенно управляемые повышающим регулятором давления топлива, требуют топливных насосов с высоким давлением и высоким расходом.
Типичная кривая расхода топливного насоса относительно давления топлива. Топливные насосы обеспечивают меньший расход с увеличением давления. Требуемый расход топлива для двигателя должен всегда находиться ниже этой кривой.
Одинаково легко моделировать расход топлива при работе под давлением. Подайте сигнал давления на регулятор давления топлива, равный желаемому давлению наддува, и снова измерьте количество топлива, вытекающего из возвратной трубки регулятора. Эта может быть выполнено при помощи баллона с воздухом и регулятором давления воздуха. Давление топлива будет равно давлению наддува плюс 2,5 бара. Из вычисления размеров форсунок, необходимых при максимальной нагрузке, известен полный требуемый расход топлива. В сумме это производительность форсунки, умноженная на число форсунок. Количество кубических сантиметров в минуту, разделенное на 1000 это число литров в минуту. Если точка на графике, представляющая ваши требования к расходу топлива относительно давления топлива лежит ниже линии, все хорошо. Если точка лежит выше линии, требуется два или более насоса, работающие параллельно.
Системы управления двигателем сторонних производителей
Замечательная сторона системы впрыска, это ее высокая степень настройки, позволяющая настроить правильную подачу топлива в широком диапазоне изменения давления во впускном коллекторе. Для сравнения, самый прекрасный в мире карбюратор имеет четыре камеры, которые могут быть рассчитаны в диапазоне, в котором ему предстоит работать. В этом же самом диапазоне, система впрыска предлагает буквально сотни вариантов подачи топлива для, фактически, каждой сотни оборотов в минуту и каждой единицы давления во всасывающем.
Топливные насосы, работающие параллельно должны иметь отдельные топ-ливоприемники.
Приблизительные требования к расходу топливного насоса относительно мощности двигателя.
Это эквивалентно наличию 500 вариантов размера главного жиклера в карбюраторе, каждый из которых идеально подобран для определенной нагрузки на двигатель при определенной частоте вращения. Сегодня на рынке существует несколько, хорошо зарекомендовавших себя, систем. Полностью программируемые блоки предлагают АЕМ, Motec, Hal-tech, Apexi и другие производители. Такие системы управления могут поставляться с уже установленным программным обеспечением и картами топливоподачи и зажигания для конкретного выбранного двигателя.
Система управления двигателем Apexi Power FC поставляется со стандартным и топливными таблицами и таблицами зажигания для выбранного двигателя.
Для удобства настройки к блоку управления подключается портативный пульт.
Система управления двигателем АЕМ.
Кроме основных функций управления двигателем эти системы обеспечивают множество дополнительных функций, таких как запись параметров работы двигателя или управление давлением наддува. Кроме систем управления, разработанных специализированными компаниями, появились и системы, создание которых стало результатом усилий энтузиастов. Вооруженные знаниями в области систем управления и разработки программного обеспечения группы энтузиастов разработали такие системы управления как Megasquirt и VEMS. Эти системы конечно проще, чем Мотес или Apexi, но со своими задачами справляются и позволяют создавать работоспособные, гибко настраиваемые системы турбонаддува. Система VEMS доказала свою прекрасную работоспособность на соревнованиях.
Установка систем впрыска сторонних производителей.
Установки системы впрыска на двигатель означает обеспечение подачи воздуха и подачи топлива. Поставленные задачи, по сути, являются теми же самыми, которые были обсужденные ранее в этой главе, плюс несколько новых вопросов. Задача подачи топлива аналогична этому же вопросу в штатной системе впрыска. Нужно рассмотреть конструкцию впускного коллектора, корпус дроссельной заслонки, а так же количество и расположение форсунок.
Итоги главы
Есть ли смысл в установке дроссельной заслонки с протяжкой воздуха на автомобиле с электронным впрыском топлива?
Заметное улучшение приемистости между переключениями передач может быть достигнуто путем установки дроссельной заслонки перед турбонагнетателем, если в системе не используется промежуточный охладитель. Закрытие дроссельной заслонки перекрывает поток из турбонагнетателя, и дает большую потерю оборотов турбонагнетателя. Эти потерянные обороты должны быть повторно набраны, прежде чем снова будет создано давление наддува. Дроссельная заслонка на выходе турбонагнетателя с промежуточным охладителем, в конечном счете, окажется лучшим вариантом если в системе имеется байпасный клапан компрессора.
Почему необходимы изменения в существующих топливных системах?
Системы турбонаддува с карбюратором не предъявляют никаких требований к дополнительным систем подачи тоштива. Чем больше количество протягиваемого через карбюратор воздуха, тем больше падение давления в трубке Вентури, и таким образом большее количество топлива подается через главный жиклер. Необходим только правильно подобранный и настроенный карбюратор, и э го все.
Абсолютно другая ситуация с системами впрыска топлива. Обычно утверждается, что когда будет установлен турбонагнетатель, системы впрыска топлива будут заботиться о себе сами. Это совершенно не так. Система впрыска топлива настроена для данного двигателя. Блок управления от 2-литрового двигателя не будет работать на 4-литровом двигателе. Причина этого в том, что датчики расхода воздуха и топливные форсунки подобраны в соответствии с расходом воздуха через двигатель, и любое существенное увеличение расхода воздуха от штатного выйдет за пределы измерения датчика расхода воздуха. Датчик расхода воздуха от 2-литрового двигателя, испытывающий на себе бесконечно большой расход воздуха, мог бы думать некоторое время, что это мотор объемом 2,2 литра, но неизвестно, насколько это время может растянуться. Теперь добавьте турбонагнетатель, и Вы можете легко сделать 3-литровый двигатель из 2-лигрового с наддувом всего лишь 0,5 бара. Очевидно, измеритель расхода воздуха системы впрыска топлива достигнет своего предела измерения и не сможет справляться с увеличенным расходом воздуха. Двигателю с турбонагнетателем никогда нельзя позволять работать на обедненной смеси, поэтому необходимы соответствующие изменения системы впрыска для обеспечения необходимым количеством топлива того дополнительного воздуха, который будет подан в систему турбонагнетателем.
Как подобрать газовый инжектор (Часть 2). Оценка пригодного для впрыска временного интервала
Рассмотрим работу бензинового инжектора автомобиля. Определим интервал длительностей импульсов впрыска во всём диапазоне нагрузок, от режима холостого хода (далее ХХ) до режима полной нагрузки.
В режиме фазированного впрыска (на современных автомобилях это основной тип топливоподачи) бензин впрыскивается один раз в два оборота двигателя и синхронизирован с фазой открытого состояния впускного клапана. Длительность управляющего электрического импульса в режиме ХХ обычно колеблется от 3,0 до 6,0 мс (0,003 – 0,006 секунды). В режиме полной нагрузки длительность управляющего импульса достигает 12,0 – 15,0 мс.
Современные двигатели легковых автомобилей обычно могут развивать обороты до 6000 – 7000 об/мин., следовательно и топливная система должна быть рассчитана на дозирование при таких оборотах вне зависимости используются такие режимы в реальной эксплуатации или нет.
Проведем небольшой расчет соответствия скорости вращения двигателя и возможного времени впрыска топлива в режиме фазированного впрыска.
обороты ХХ – 700 об/мин или 1 оборот за 85,7 мс.
Время одного полного цикла двигателя в режиме ХХ (четыре такта за два оборота) 85,7 мс * 2 = 171,4 мс.
Среднее время бензинового впрыска на ХХ около 4,0 мс, что значительно меньше пригодного для впрыска интервала, равного 171,4 мс. Из этого можно заключить, что в режиме ХХ интервал времени пригодного для топливоподачи значительно больше требуемого времени впрыска.
Теперь оценим доступное время впрыска в режиме максимальных оборотов и максимальной нагрузки.
Максимальные обороты двигателя – 6000 об/мин или 1 оборот в 10 мс
Время полного цикла двигателя в режиме максимальной нагрузки (четыре такта за два оборота) 10 мс * 2 = 20 мс
Время впрыска в режиме полной нагрузки должно быть менее 20 мс
Для большей точности необходимо учесть еще несколько факторов:
О времени открытия и закрытия инжектора мы говорили в статье «Как подобрать газовый инжектор (Часть 1). Характеристики инжектора».
Длительность электрического сигнала управления инжектором – длительность электрического импульса, рассчитанная электронным блоком ГБО (ЭБУ ГБО) для управления инжектором.
Минимальный временной интервал между соседними импульсами – интервал между окончанием закрытия инжектора и началом подачи следующего электрического импульса управления инжектором.
Разница между электрическим сигналом впрыска и истинным временем впрыска заключается в том, что инжектор отстаёт от сигнала ЭБУ на величину времени открытия и продолжает подачу топлива после окончания сигнала управления инжектором, запаздывая на время закрытия.
Рассчитаем длительность электрического импульса и истинное время впрыска, исходя из рассчитанного ранее интервала времени, пригодного для впрыска топлива в режиме максимальных оборотов и максимальной нагрузки.
Рассчитанное ранее доступное для впрыска время при 6000 об/мин и максимальной нагрузке не более 20 мс. Примем минимальный временной интервал между соседними импульсами, исключающий слияние впрысков, равным 1 мс, время открытия инжектора 2 мс и время закрытия инжектора 2 мс.
Длительность электрического импульса при максимальной нагрузке не более 17 мс.
Теперь рассчитаем истинное время впрыска.
Для определения истинного времени впрыска необходимо учесть, что истечение газа отсутствует во время открытия инжектора (2 мс)
Истинное время впрыска равно 15 мс
Вывод
При максимальных оборотах двигателя и максимальной нагрузке, времени открытия инжектора 2 мс и времени закрытия инжектора 2 мс у газовой системы есть 15 мс чтобы подать необходимое количество топлива в двигатель.
Теперь, когда мы в достаточной степени разобрались с временными аспектами впрыска газа, остается разобраться с производительностью газового инжектора.
Учитывая изложенное можно сформулировать первое правило подбора газового инжектора для двигателя, с которого начинается серия статей:
Правильно подобранный газовый инжектор должен обеспечивать количественно необходимую топливоподачу в тех же временных интервалах что и бензиновый инжектор на двухтопливном двигателе.