Система питания карбюраторных двигателей

Подсистема подачи и распределения топлива.

Подсистема обеспечивает подачу топлива в цилиндры в количестве, необходимом для работы двигателя  в заданном режиме. Топливом происходит охлаждение деталей топливной системы. 
Топливный насос относится к исполнительным элементам системы и обеспечивает подачу топлива к форсункам и циркуляцию топлива в системе. Насос имеет в своём составе рабочую (насосную) часть и электродвигатель, помещённые в общий корпус, закрытый крышкой. В крышке находятся контакты подключения в электрическую сеть автомобиля и нагнетательный штуцер с обратным клапаном. В крышку может встраиваться помехоподавительный резистор. Электродвигатель щёточного типа, омывается топливом. Насос может быть встроен в топливный бак (насос погружного типа), или располагаться снаружи на топливной магистрали (насос магистрального типа). Насосы погружного типа, как правило, изготавливаются в одном блоке с датчиком уровня топлива и завихрителем, служащим для отделения от топлива пузырьков воздуха (пара) в сливном трубопроводе. В блок может быть включён насос подкачки, подающий топливо к основному насосу. Производительность топливного насоса (до 2 л/мин.) с избытком перекрывает потребность двигателя в топливе на любом режиме работы. Это необходимо для поддержания необходимого давления в системе, в том числе, при предельном износе рабочей (насосной) части насоса. Электродвигатель насоса соединяется в электрическую цепь через реле. Реле обеспечивает включение и функционирование насоса только при одновременном выполнении двух требований: 1) включено зажигание и 2) коленчатый вал двигателя вращается. При несоблюдении хотя бы одного из требований насос работать не будет. В электрической схеме включения насоса также может присутствовать гравитационный датчик («датчик удара»), размыкающий цепь насоса при ударе автомобиля о препятствие. Рассмотренная схема является мерой безопасности, предотвращающей негативное развитие ситуации (например, пожар) при разгерметизации топливного бака в результате аварии. В полностью герметичной системе взрывоопасная смесь не образуется из-за ничтожно низкого содержания кислорода. 
В зависимости от требований, предъявляемых к системе, применяются роликовые, шестерёнчатые и лопастные насосы. 
Роликовые насосы и шестерёнчатые насосы с внутренним зацеплением зубьев шестерён относятся к классу объёмных насосов, принцип действия которых основан на изменении объёма рабочих полостей насоса – всасывающей и нагнетательной. Роликовые насосы способны развивать давление в системе до 6,5 атм. (650 кПа), шестерёнчатые – до 4 атм. (400 кПа). 
Ротор  роликового насоса расположен на оси  эксцентрично и при вращении, движется вдоль внутренней стенки корпуса с максимальным от неё удалением в зоне всасывающей полости, и с минимальным от неё удалением (т.е., с максимальным приближением) в зоне нагнетательной полости. За счёт увеличения рабочего пространства в зоне всасывающего канала топливо поступает (всасывается) внутрь насоса и переносится в пазах ротора к нагнетательной полости. Ролики ротора , под воздействием центробежных сил и топливного давления, выходят из пазов и прижимаются к поверхности статора, выполняя функцию подшипника качения. В зоне нагнетательной полости ротор максимально приближается к стенке статора, ролики ротора  утапливаются в паз и выдавливают из него топливо. Вследствие уменьшения рабочего пространства в нагнетательной полости создаётся давление, за счёт которого топливо выталкивается из насоса через выходное отверстие в топливную магистраль. 
Аналогичным образом работает топливный насос шестерёнчатого типа, с той лишь разницей, что топливо из всасывающей полости в нагнетательную полость переносится между зубьев шестерён. 
Лопастные насосы переносят топливо между лопастями турбинки. Находят применение лопастные насосы двух основных типов (конструкций) -  периферийные насосы и насосы с боковым каналом. Первые отличаются от вторых большим числом лопаток, формой турбины и наличием, радиальных (распределённых по окружности) выпускных отверстий. Периферийные насосы  развивают давление до 3 атм. (300 кПа). Лопастные насосы с боковым выпускным каналом создают давление до 1 атм. (100 кПа) и применяются в системах с моно впрыском, а также в качестве подкачивающего насоса в системах с магистральным насосом и как первая ступень в системах с двухступенчатым погружным насосом на автомобилях, склонных к проблемам при запуске горячего двигателя. По сравнению с роликовыми и шестерёнчатыми насосами лопастные насосы имеют пониженный уровень шума и ровную, почти без пульсаций, струю топлива на выходе. 

Аккумулятор топлива  предназначен для поддержания остаточного давления в топливной системе после выключения двигателя. Наличие остаточного давления предотвращает вскипание топлива и образование воздушных пробок в топливопроводах вследствие перегрева, упрощает запуск горячего двигателя. 
Прибор представляет собой элементарный мембранный гидроаккумулятор, в корпусе которого установлена диафрагма, нагруженная пружиной. Диафрагма делит корпус на две полости, верхнюю – где размещается пружина, и накопительную - в которую поступает топливо из нижней, третьей, части корпуса аккумулятора, отделённой от накопительной полости перегородкой со встроенным клапаном пластинчатого типа. В нижнюю полость топливо поступает через входной штуцер из топливной магистрали. 
При работающем двигателе, поступающее в корпус аккумулятора топливо воздействует на мембрану и прогибает её, сжимая пружину. После выключения двигателя закрываются форсунки и обратный клапан топливного насоса. Топливная система становится герметичной. Пружина аккумулятора, воздействуя через мембрану на топливо, заполняющее систему, создаёт в системе остаточное давление, величина которого будет изменяться во времени (уменьшаться) по мере остывания двигателя и топлива. 
Контрольные величины рабочего и остаточного давления в топливной системе приводятся в сервисной литературе.  

Топливный фильтр неразборный, одноразовый, имеет металлический корпус с входным и выходным штуцерами. В корпусе размещается бумажный фильтрующий элемент, имеющий пористость около 10 мкм, и мелкоячеистая фильтрующая сетка, расположенная перед выходным штуцером. Фильтрующая сетка предназначена для задержания частичек фильтровальной бумаги, которые отрываются от бумажного фильтрующего элемента в процессе эксплуатации (напомним, что давление в системе может достигать 650 кПа). 
Для правильной установки фильтра в топливную магистраль на корпусе фильтра рисуют стрелку, указывающую направление тока топлива. В случае неверной установки фильтра фильтрующая сетка окажется на входе топлива, что недопустимо. 
Периодичность замены топливного фильтра регламентируется производителем и зависит от объёма фильтра и некоторых других факторов. Средний срок службы составляет порядка 30 тыс. км.

Дозатор-распределитель топлива системы KE – Jetronic и расходомер воздуха. 
В отличие от более поздних и современных систем впрыска бензина механические и электромеханические системы с дозатором – распределителем и дисковым расходомером воздуха не располагают возможностью цикловой подачи топлива. Распыливание бензина в таких системах осуществляется непрерывно, как только давление топлива в системе превысит величину давления открытия форсунок (300 – 450 кПа). 
Дозирование топлива на режимах частичной нагрузки осуществляется следующим образом: Воздух, закачиваемый работающим двигателем, проходит через воздушный фильтр и попадает в корпус расходомера воздуха, воздействуя на напорный диск расходомера и, отклоняет его. Рычаг напорного диска воздействует на плунжер расходомера воздуха. Сверху на плунжер действует давление топлива, называемое «управляющим давлением». Величина управляющего давления может меняться (увеличиваться или уменьшаться) регулятором управляющего давления в зависимости от режима работы двигателя. Плунжер перемещается в гильзе, запрессованной в тело (корпус) дозатора – расходомера. В гильзе выполнены специальные, радиально расположенные щелевые отверстия, называемые «дозирующими отверстиями». Дозирующие отверстия располагаются в два уровня и через топливные каналы соединяются с дифференциальными клапанами, число которых равно числу цилиндров двигателя. Клапаны имеют пружину, жёсткость которой может быть, при необходимости, изменена вручную настроечным винтом,  и стальную мембрану, которая делит внутренний объём клапана на две части (полости) – верхнюю и нижнюю.  Верхняя полость дифференциального клапана через выходной канал посредством топливной трубки соединяется с форсункой. Нижние полости всех клапанов соединены между собой кольцевым каналом и находятся под рабочим давлением топлива, которое поступает из топливного бака по входному каналу. Нижняя полость клапанов сообщается с дозирующими отверстиями нижнего уровня гильзы, а верхняя полость с дозирующими отверстиями верхнего уровня. 
При «исходном» положении плунжера (напорный диск не перемещается и его рычаг не воздействует на плунжер) мембрана дифференциального клапана рабочим давлением топлива прижата к выходному отверстию. Топливо к форсункам не поступает. По мере увеличения поступления воздуха в двигатель напорный диск расходомера отклоняется под его напором и через рычаг с роликом воздействует на плунжер. Плунжер перемещается, преодолевая регулирующее давление, и приоткрывает дозирующие отверстия верхнего уровня, тем самым, способствуя перетеканию топлива из нижней полости дифференциального клапана по телу гильзы в верхнюю полость. Давление на мембрану в верхней полости клапана увеличивается, мембрана прогибается вниз, открывая выходное отверстие. Топливо поступает к форсунке. В случае увеличения нагрузки больше воздуха проходит через расходомер, плунжер перемещается на большую величину, больше топлива поступает в верхнюю полость дифференциального клапана и к форсунке. В случае уменьшения нагрузки давление на напорный диск снижается, и плунжер под воздействием регулирующего давления опускается вниз, выбирая образовавшийся зазор, и прикрывает дозирующие отверстия. При работе двигателя на устоявшихся режимах, между нижней и верхней полостью дифференциального клапана образуется динамическое равновесие. 
Дифференциальные клапаны обеспечивают линейную зависимость между величиной перемещения плунжера и количеством топлива, поступающего к форсункам и, как следствие, неизменность состава приготавливаемой рабочей смеси во всём диапазоне режима частичных нагрузок в независимости от степени открытия дроссельной заслонки.

Рабочее давление в механических системах впрыска  бензина поддерживается регулятором давления питания. Регулятор системы K – Jetronic и его модификацияй имеет встроенный толчковый клапан, управляемый поршнем. В случае повышения давления выше значения, заданного для данной конструкции, поршень перемещается, преодолевая сопротивление пружины, открывается сливное отверстие, и излишки топлива перепускаются в топливный бак по сливному каналу. Давление падает, поршень возвращается в исходное состояние под воздействием возвратной пружины и перекрывает сливное отверстие.

За величину управляющего давления отвечает регулятор управляющего давления. 
Манипулирование величиной управляющего давления, действующего на плунжер дозатора – распределителя позволяет управлять составом смеси, когда это необходимо, например, на режимах работы двигателя отличных от режима частичных нагрузок (режим пуска и прогрева холодного двигателя, режим полной мощности, переходные режимы, холостой ход). При уменьшении величины управляющего давления на плунжер и сохранении величины рабочего давления, ход плунжера увеличивается, что способствует необходимому обогащению смеси и, наоборот. 
Конструкция регулятора управляющего давления показана на рисунке. В корпусе регулятора размещаются две диафрагмы, верхняя и нижняя. Диафрагмы нагружены цилиндрическими пружинами. Верхняя диафрагма выполняет роль клапана, соединяющего/разъединяющего каналы, по которым топливо перетекает в топливный бак и подаётся в канал к регулятору давления питания. Нижняя диафрагма через пружину воздействует на опорную тарелку, которая посредством штока соединена с верхней диафрагмой. Положение нижней диафрагмы определяется величиной разрежения, подводимого от двигателя по каналу  и атмосферным давлением. На опорную тарелку сверху воздействует биметаллическая пружина, имеющая электрическую спираль собственного подогрева. Спираль включается в сеть при работе стартера через его тяговое реле или иным способом. Корпус регулятора управляющего давления крепится на блок цилиндров таким образом, чтобы воспринимать температуру двигателя. 
Управление составом смеси происходит следующим образом. 
На холодном двигателе (t < 50° C) пластинчатая биметаллическая пружина  воздействует на опорную тарелку, преодолевает усилие цилиндрических пружин и прогибает верхнюю мембрану вниз. Открытию клапана также способствует рабочее давление топлива, действующее на мембрану сверху через канал и разрежение, подаваемое от впускного коллектора внутрь корпуса регулятора через канал и, действующее на мембрану снизу. Каналы сообщаются между собой, часть топлива перетекает в топливный бак, за счёт чего снижается управляющее давление на плунжер расходомера воздуха. Это приводит к увеличению хода плунжера и, как следствие, к увеличению подачи топлива через форсунки и необходимому обогащению топливовоздушной смеси в режиме запуска и прогрева холодного двигателя. При этом, при запуске двигателя (т.е., во время работы стартера), на спираль подогрева биметаллической пластины подаётся питание. И если запуск двигателя затруднён (двигатель не пускается в течение 10 – 15 секунд), спираль нагревает пружину, пружина деформируется и разгружает тарелку. Верхняя мембрана прогибается под действием цилиндрических пружин и закрывает каналы, что способствует увеличению управляющего давления, обеднению смеси и предотвращает «заливание» свечей зажигания топливом. 
После пуска двигателя и по мере его прогревания биметаллическая пластина, нагреваясь от тепла двигателя, постепенно ослабляет нагрузку на тарелку. Верхняя мембрана прогибается вверх, преодолевая рабочее давление топлива, и прикрывает каналы. Управляющее давление постепенно возрастает, а приготавливаемая смесь обедняется до нормального или слабо обогащённого состава на полностью прогретом двигателе. 
При работе двигателя в режиме прогрева, нижняя мембрана  регулятора, вследствие высокого разрежения в корпусе регулятора, возникающего за счёт повышенных оборотов коленчатого вала и прикрытого дросселя, находится в верхнем положении. 
При работе прогретого двигателя на холостом ходе и частичных нагрузках нижняя мембрана также находится в верхнем положении, сжимая внутреннюю цилиндрическую пружину и препятствуя чрезмерному открытию верхнего клапана. 
С увеличением нагрузки (с открытием дроссельной заслонки и увеличением оборотов КВ) разрежение внутри корпуса регулятора падает. Сжатая цилиндрическая пружина, преодолевая атмосферное давление, действующее на нижнюю мембрану снизу через канал  распрямляется и разгружает тарелку с верхней мембраной – клапаном. Клапан открывается под воздействием рабочего давления топлива и сообщает каналы. Управляющее давление снижается, смесь обогащается.

В системах впрыска L – Jetronic и её аналогах с полностью  электронным управлением применяются регуляторы рабочего давления топлива мембранного типа. Регулятор обычно монтируется на конце топливной рейки (топливного распределителя), но может располагаться и на топливопроводе. 
Количество подаваемого через форсунку топлива в рассматриваемой системе должно зависеть только от времени впрыска. Для этого разница между давлением топлива на входе в инжектор (в топливном распределителе) и давлением воздуха во впускном трубопроводе должна быть постоянной. 
Мембрана делит корпус регулятора на две части: верхнюю – воздушную, и нижнюю – топливную. Снизу на мембрану действует давление топлива, создаваемое насосом. Так как скорость вращения электродвигателя насоса всегда постоянна, то и давление, развиваемое насосом, также постоянно. Сверху на мембрану оказывают воздействие пружина и разрежение во впускном трубопроводе. Эти силы воздействия разнонаправлены и, если давление пружины постоянно, то величина разрежения изменяется в зависимости от нагрузки на двигатель. 
При низких нагрузках (например, на холостом ходе), когда расход топлива мал, обороты коленчатого вала незначительны, дроссель прикрыт, а разрежение в задроссельном пространстве велико - клапан открыт полностью под воздействием давления топлива на мембрану снизу и разрежения сверху. В этом случае большая часть топлива возвращается в топливный бак. 
При максимальных нагрузках, когда дроссельная заслонка открыта полностью - разрежение в задроссельном пространстве падает и клапан закрывается. 
При работе двигателя в режиме частичных нагрузок, клапан будет занимать промежуточные положения. 
Из анализа работы регулятора можно увидеть, что с увеличением давления в задроссельном пространстве впускного трубопровода увеличивается давление на входе в форсунку и, наоборот, с прикрытием дросселя и уменьшением давления в задроссельном пространстве также уменьшается и давление в распределителе топлива. Данная зависимость практически линейна и обеспечивает постоянную разницу рассматриваемых давлений при любом положении дроссельной заслонки, следовательно, и постоянную дозу впрыскиваемого инжектором топлива за единицу времени. Пульсации топлива при срабатывании инжекторов и работе топливного насоса объёмного действия могут приводить к нежелательным явлениям и появлению «лишнего» шума. Для сглаживания пульсаций и устранения их негативного влияния на систему могут применяться демпферы пульсаций давления, устройство которых практически идентично устройству регулятора давления питания. В этом устройстве усилие от пружины, действующее на мембрану, тарировано относительно рабочего давления топлива. Мембрана открывается, когда давление становится чуть выше рабочего, принимая во внутрь корпуса топливо, и возвращается в исходное положение, отдавая топливо в систему, когда давление снижается.  Демпфер может располагаться как на топливопроводе, так и на топливной рельсе.

Топливная рельса (рампа) или топливный распределитель представляет собой полую трубку круглого, квадратного или треугольного сечения с отверстиями для крепления форсунок. Распределитель изготавливается из стали, алюминия или пластмассы и сконструирован таким образом, чтобы устранять локальные пульсации давления, возникающие при открытии и закрытии форсунок. На топливную рельсу крепится регулятор рабочего давления и, в некоторых случаях, демпфер пульсаций. В целях контроля над давлением топлива и сброса давления при обслуживании системы на рельсе может быть предусмотрен специальный клапан (клапан Шредера).

Рабочие форсунки обеспечивают подачу и распыление топлива во впускной трубопровод двигателя. В системах впрыска K – Jetronic, KE – Jetronic и их модификациях применяются механические клапанные форсунки. Открывание форсунок происходит, как только давление топлива в системе достигнет определённого значения. Давление «начала открытия» для форсунок разных производителей и разных типов двигателей варьируют от 2,5 до 5,5 технических атмосфер. Форсунки конструируются под конкретный двигатель и предназначаются только данной модели. Помимо величины давления «начала открытия», важным показателем является давление «закрытого состояния», находясь под воздействием которого форсунка должна быть полностью герметичной (т.е., не должна пропускать топливо). Для форсунок различных конструкций величина давления «закрытого состояния» составляет примерно 2,0 – 2,5 атм. Проверяемая форсунка, находящаяся под давлением «закрытого состояния», в течение одной минуты может пропускать не более одной капли топлива. Срок службы механической форсунки достаточно большой и в среднем составляет 150 – 200 тысяч км. пробега автомобиля. Неисправная форсунка подлежит замене. 
Электромагнитные форсунки системы L – Jetronic и её аналогов с дискретным и фазированным впрыском управляются ЭБУ. При подаче напряжения на обмотку соленоида форсунки, его сердечник намагничивается и притягивает якорь клапанной иглы. Игла преодолевает усилие запорной пружины, и приоткрывает выпускное отверстие. Топливо через распыливатель форсунки под давлением распрыскивается во впускной тракт двигателя. В зависимости от способа впрыска, частоты вращения коленчатого вала двигателя и степени открытия дроссельной заслонки время работы форсунки составляет 1,5 – 1,8 мс при частоте срабатывания от 3 до 125 Гц. В зависимости от сопротивления обмотки электроклапана форсунки делятся на низкоомные (1 – 7 Ом) и высокоомные (14 – 17 Ом).  При выборе того или иного способа впрыскивания бензина, для того или иного типа двигателя, конструкторы исходят из стратегии недопущения образования топливных плёнок на деталях ЦПГ и достижения гомогенности (однородности) топливовоздушной смеси. Топливо должно распыляться, по возможности, как можно мельче. Это может достигаться разными способами и совокупностью способов. 
На условия распыливания топлива форсунками, в частности, влияет форма и расположение калиброванных отверстий распыливателей, а также иные конструктивные особенности инжекторов. 
При кольцевом распылении часть запорной иглы - клапана (штифт) выступает за корпус распылителя. Штифт, на своём конце имеет небольшой выступ, образующий т.н. «отрывную кромку». Когда форсунка срабатывает, вокруг штифта образуется кольцевая щель, представляющая собой выпускное калиброванное отверстие, через которое под давлением вытекает топливо. Ударяясь об отрывную кромку штифта, топливо разбивается на очень мелкие капли. 
Однодырчатый распылитель представляет собой тонкую металлическую шайбу с единственным калиброванным отверстием, через которое подаётся тонкая, компактная, практически не распылённая топливная струя. 
Многодырчатый распылитель, также представляет собой тонкую металлическую шайбу, но с большим (в зависимости от конструкции) количеством отверстий. Отверстия расположены таким образом, что при распыливании формируют конусообразный топливный факел. Отверстия могут располагаться так, что образуется два (или более) факелов топлива, каждый из которых может быть «нацелен» на «свой» впускной клапан (в многоклапанных системах). 
Форсунки впрыска с обтеканием воздухом позволяют добиваться распыления топлива практически до размера молекул. Воздух, движущийся со скоростью звука из впускной трубы, вводится в специальную щель, расположенную непосредственно у шайбы распылителя. Данная схема наилучшим образом работает на режиме холостого хода и частичных нагрузок, когда разница давлений перед дросселем и во впускном коллекторе около сопла форсунки максимально. 
Срок службы электромагнитных форсунок составляет около 100 тыс. км. К основным неисправностям форсунок можно отнести: