Устройство топливного насоса бензинового двигателя

ТОПЛИВО

Чтобы проделать путь от топливного бака к топливным форсункам на топливо со стороны бака должно воздействовать определенное давление. Давление, которого будет достаточно, чтобы топливо доходило в нужном количестве с бака до форсунок при любых условиях эксплуатации (спокойная езда, резкое ускорение). Эту функцию выполняет топливный насос с электроприводом, который у Honda Civic погружен в топливный бак (погружной).

Чтобы подавать на каждую форсунку топливо в одинаковом количестве и с одинаковым давлением, топливо подается на форсунки через топливную рейку (рампу). Топливная рейка не что иное как литая пустотелая деталь с боковыми отверстиями под каждую форсунку для установки последних и подачи на них топлива. Получается, что с одной стороны форсунки насажены на топливную рейку, а другой стороной (которая распыляет) вставляются в отверстия во впускном коллекторе.

Топливная форсунка

Работа форсунки достаточно проста – при подаче на нее электрического импульса форсунка открывается и топливо начинает впрыскиваться в воздух. Процесс впрыскивания топлива в воздух происходит во впускном коллекторе непосредственно перед впускными клапанами. В момент смесеобразования топливно-воздушная смесь всасывается через впускные клапана в цилиндр за счет движения поршня вниз. Момент и длительность впрыска каждой форсунки определяет ECU, подавая на них электрические импульсы.

Поддерживать необходимое давление в топливной системе, в конечном итоге в топливной рейке, нужно на постоянной основе, а на это топливный насос не способен, т.к. качает только в одну сторону. Как быть, если насос накачает топлива больше чем требуется? Форсунки по команде ECU закроются в требуемый момент, а чтобы нормализовать повышенное давление в системе необходимо слить излишек топлива обратно в бак. Кроме того, откуда узнать какое давление необходимо системе в конкретной ситуации? Эту работу выполняет регулятор топливного давления.

Как правило, регулятор топливного давления расположен на топливной рейке с противоположной стороны от подачи топлива. Т.е если подача топлива в рейку осуществлена с левой стороны, то регулятор топливного давления находится в правой части, после форсунок.

Топливная рейка в сборе с форсунками

Принцип действия регулятора достаточно прост. Как только давление в топливной рейке превышает необходимый уровень клапан открывается и пропускает излишек топлива обратно в топливный бак («обратка»).

Однако, кроме связи с топливом регулятор давления топлива посредством вакуумного шланга подсоединяется и к впускному коллектору. Сделано это для того, чтобы регулятор топливного давления определял давление не только в топливной рейке, но и во впускном коллекторе и на основе полученных данных при необходимости корректировал давление в топливной рейке. Предполагается, что чем выше давление (меньше разрежения) во впускном коллекторе, тем больше нагрузка на двигатель, а чем больше нагрузка, тем большее давление необходимо обеспечить в топливной рампе.

Последняя составляющая топливной системы абсорбер паров топлива. Малозначимый в техническом плане, однако вносящий значимый вклад в чистоту воздуха и экологию. Назначения абсорбера – поглощать (абсорбировать) пары бензина с бака и передавать в необходимый момент времени во впускной коллектор, тем самым не выпуская вредные пары в атмосферу, дожигая их.

Абсорбер паров топлива (EVAP canister) выполнен в виде канистры заполненной углем и находится в моторном отсеке. С топливным баком абсорбер сообщается напрямую, а вот с впускным коллектором через клапан абсорбера, который открывается и пропускает пары бензина во впускной коллектор после того как двигатель прогреется до рабочей температуры, разбавляя топливно-воздушную смесь во впускном коллекторе накопившимися парами из бака. При каких именно режимах эксплуатации автомобиля клапан абсрбера открывается сказать затрудняюсь. В конечном итоге пары бензина замещают воздух, тем самым обогащая смесь. Хочется верить в то, что в этот момент ECU учитывает «лишнее» топливо с абсорбера и уменьшает подачу топлива с форсунок, чтобы удержать смесь в оптимальной пропорции. Следуя логике можно сказать, что в момент подачи паров бензина с абсорбера во впускной коллектор отдача от двигателя уменьшается, т.к. объем чистого воздуха уменьшается за счет замещения его парами и топлива, соостветсвенно, тоже.

Механический и электрический бензонасос

Бензонасос представляет собой важнейший элемент топливной системы. Главной его задачей становится доставка горючего из топливного бака в задней части автомобиля к системе дозированной подачи в подкапотном пространстве. Такой системой считается карбюратор или инжектор. Бензонасос может быть представлен как механической конструкцией, так и электрическим бензонасосом.

Бензонасосы механического типа нашли свое применение в  автомобилях с карбюратором и обеспечивают подачу топлива под невысоким давлением. Электрические бензонасосы  применяются в авто с инжектором, так как отвечают за подачу  топлива под высоким давлением и поддерживают  рабочее давление в системе.

Механический бензонасос закреплен снаружи топливного бака или вблизи карбюратора, так как нет необходимости в создании высокого давления в системе топливоподачи.  Электрический бензонасос обязательно  находится внутри топливопровода  или резервуара с горючим.

Существует также схема установки сразу двух бензонасосов. Один бензонасос установлен в баке и работает с большими объемами топлива, прокачивая его под низким давлением. Другой бензонасос работает с малым объемом горючего и создает высокое давление перед системой впрыска. Такой насос имеет название топливный насос высокого давления. Его зачастую располагают в подкапотном пространстве вблизи силовой установки или прямо на ней.

Стоит отметить, что карбюраторные двигатели считаются устаревшими, давно уступив место более производительным, экономичным и экологичным инжекторным ДВС. Существует ряд моделей, где электрический насос находится под контролем ЭБУ. Система учитывает  положение дроссельной заслонки, качество топливно-воздушной смеси и состав выхлопа, тем самым параллельно корректируя работу бензонасоса.

Электрические бензонасосы самого современного типа в процессе поддержания высокого давления демонстрируют излишние шумы при работе и склонны к быстрому нагреву. Это обусловило место их расположения именно в топливном баке. Горючее охлаждает сам бензонасос, а стенки бензобака  значительно поглощают шум от работы устройства.

Что такое топливные элементы

Видео: Документальный фильм, топливные элементы для транспорта: прошлое, настоящее, будущее

Топливные элементы интересны производителям автомобилей, интересуются ими и создатели космических кораблей. В 1965 году они даже были испытаны Америкой на запущенном в космос корабле «Джемини-5», а позже и на «Аполлонах». Миллионы долларов вкладываются в исследования топливных элементов и сегодня, когда  существуют проблемы, связанные с загрязнением окружающей среды, усиливающимися выбросомами парниковых газов, образующихся при сгорании органического топлива, запасы которого тоже не бесконечны.

Схема работы Топливного элемента на водороде

Являясь, как аккумуляторы и батарейки гальваническим элементом, но с тем отличием, что хранятся в нем активные вещества отдельно. На электроды они поступают по мере использования. На отрицательном электроде сгорает природное топливо или любое вещество из него полученное, которое может быть газообразным (водород, например, и окись углерода) или жидким, как спирты. На электроде положительном, как правило, реагирует кислород.

Но простой на вид принцип действия, в реальность воплотить не просто.

Процесс смесеобразования для инжектора

Двигатели инжекторного образца характеризуются размещением топливного насоса в топливном баке. Взамен карбюратора здесь используется линейка с форсунками. Владельцы легковых автомобилей в качестве топлива чаще всего используют бензин.

На отечественных просторах нефтеперерабатывающей промышленности снабжение автомобилистов бензином представлено следующими сортами: А76, А92, А95, А98. Расшифровка буквы «А» говорит о том, что этот бензин для автомобилей. Число, стоящее рядом с буквой, соответствует характеристике его октанового числа. Этот показатель отвечает за определение детонационной стойкости горючей смеси двигателя внутреннего сгорания. Непосредственно цифры отображают антидетонационную стойкость бензина, чем выше число которых, тем и выше его свойство стойкости.

Автомобили с бензином, имеющий катализатор, не предусматривает использование подобной смеси, так как этилированный бензин разрушает его. Двигатели дизельного образца в качестве этого показателя ориентируются на цетановое число.

Теоретические стандарты свидетельствуют о том, что полное сгорание 1 кг топлива требует около 15 кг воздуха. Смесь в таком соотношении характеризуется нормальной горючей стандартизацией. На практике работа двигателя основывается на обедненной, либо на обогащенной смеси.

Вариант обедненной горючей смеси представлен соотношением: 1 кг топлива/16–17 кг воздуха. Свойства сгорания у неё хорошие, которые в состоянии обеспечить работу мотор на небольших и средних нагрузках, и наибольшей экономией горючего материала. Вариант обогащенной горючей смеси представлен соотношением: 1 кг топлива/12–13 кг воздуха. Свойство сгорания у неё намного лучше, однако, показатель экономичности ниже. Моторная работа на такой смеси обеспечивает развитие наибольшей мощности, благодаря чему ее именуют мощностной смесью.

Известны также варианты:

• богатой горючей смеси, соотношение которой имеет вид 1 кг топлива/˂12 кг воздуха,;
• бедной смеси, соотношение которой имеет вид: 1 кг топлива/˃17 кг воздуха.

Свойства сгорания этих смесей медлительные, и обеспечить двигатель достаточной мощностью они не в состоянии. Эти характеристики ограничивают их применение для питания системы. Исключением выступает этап пуска и прогрева мотора, которым необходима богатая смесь.

Как это работает

Как уже отмечалось, топливные элементы похожи на традиционные химические источники тока (гальванические батареи и аккумуляторы): все они вырабатывают электричество в результате химической реакции. Однако при этом аккумуляторные батареи и топливные элементы выполняют две совершенно разные функции. Обычные химические источники тока – устройства с накопленной энергией. Электричество, которое они вырабатывают, является результатом химической реакции вещества, которое уже находится внутри них. Топливные элементы не хранят, а преобразуют часть энергии топлива, поставляемого извне, в электричество. В этом отношении топливный элемент скорее похож на обычную электростанцию. Таким образом, можно выделить два основных отличия топливных элементов:

• они функционируют до тех пор, пока топливо и окислитель поступают из внешнего источника;
• химический состав электролита в процессе работы не изменяется (топливный элемент не нуждается в перезарядке).

Простейший топливный элемент состоит, например, из специальной мембраны, используемой как электролит, по обе стороны которой нанесены порошкообразные электроды. Такая конструкция (электролит, окруженный двумя электродами) представляет собой отдельный элемент. Водород поступает на одну сторону (анод), а кислород (воздух) – на другую (катод). На каждом электроде происходят разные химические реакции. На аноде водород распадается на смесь протонов и электронов. В некоторых топливных элементах электроды окружены катализатором, обычно выполненным из платины или других благородных металлов, способствующих протеканию реакции диссоциации:

2H₂ -> 4H+ + 4e–

где H₂ – двухатомная молекула водорода (форма, в которой водород присутствует в виде газа); H+ – ионизированный водород (протон); е– – электрон.

Работа топливного элемента основана на том, что электролит пропускает через себя протоны (по направлению к катоду), а электроны – нет. Электроны движутся к катоду по внешнему проводящему контуру. Это движение электронов и есть электрический ток, который может быть использован для приведения в действие внешнего устройства, подсоединенного к топливному элементу (нагрузка, например, лампочка).

С катодной стороны топливного элемента протоны (прошедшие через электролит) и электроны (которые прошли через внешнюю нагрузку) воссоединяются и вступают в реакцию с подаваемым на катод кислородом с образованием воды:

4H+ + 4e– + O₂ -> 2H₂O

Суммарная реакция в топливном элементе записывается так:

2H₂ + O₂ -> 2H₂O

В своей работе топливные элементы используют водородное топливо и кислород из воздуха. Водород может подаваться непосредственно или путем выделения его из внешнего источника топлива (природного газа, бензина или метилового спирта – метанола. В случае внешнего источника его необходимо химически преобразовать, чтобы извлечь водород. В настоящее время большинство технологий топливных элементов, разрабатываемых для портативных устройств, задействуют именно метанол.

Процесс, происходящий в водородно-кислородном топливном элементе, по своей природе является обратным хорошо известному процессу электролиза, при котором происходит диссоциация воды при прохождении через электролит электрического тока. Действительно, в отдельных типах топливных элементов процесс может быть обратимым: приложив к электродам напряжение, можно разложить воду на водород и кислород, собираемые на электродах. Если прекратить зарядку элемента и подключить к нему нагрузку, такой регенеративный топливный элемент сразу начнет работать в нормальном режиме.

По отдельности топливные элементы создают электродвижущую силу около 1 В каждый. Чтобы увеличить напряжение, элементы соединяют последовательно. Если требуется выдать больший ток, наборы каскадных элементов соединяют параллельно.

Стоит еще раз отметить, что КПД топливных элементов может оставаться на довольно высоком уровне, даже когда они работают не на полную номинальную мощность. Для топливных элементов нет термодинамического ограничения коэффициента использования энергии. В существующих топливных элементах от 60 до 70% энергии топлива непосредственно превращается в электричество. Модульный принцип устройства топливных элементов означает, что мощность источника на них можно увеличить, просто добавив еще несколько каскадов. Это обеспечивает минимизацию коэффициента недоиспользования мощности, что позволяет приводить в соответствие спрос и предложение. При применении топливных элементов практически не бывает вредных выбросов. Ведь при работе двигателя на чистом водороде в качестве побочных продуктов образуются только тепло и чистый водяной пар.

Устройство ТЭ

Топливные элементы — это электрохимические устройства, которые теоретически могут иметь высокий коэффициент преобразования химической энергии в электрическую.

Принцип разделения потоков горючего и окислителя

Обычно в низкотемпературных топливных элементах используются: водород со стороны анода и кислород на стороне катода (водородный элемент) или метанол и кислород воздуха. В отличие от топливных элементов, одноразовые гальванические элементы и аккумуляторы содержат расходуемые твёрдые или жидкие реагенты, масса которых ограничена объёмом батарей, и, когда электрохимическая реакция прекращается, они должны быть заменены на новые либо электрически перезаряжены, чтобы запустить обратную химическую реакцию, или по крайней мере в них нужно поменять израсходованные электроды и загрязнённый электролит. В топливном элементе реагенты втекают, продукты реакции вытекают, и реакция может протекать так долго, как поступают в неё реагенты и сохраняется реакционная способность компонентов самого топливного элемента, чаще всего определяемая их «отравлением» побочными продуктами недостаточно чистых исходных веществ.

Пример водородно-кислородного топливного элемента

Водородно-кислородный топливный элемент с протонообменной мембраной (например, «с полимерным электролитом») содержит протонопроводящую полимерную мембрану, которая разделяет два электрода — анод и катод. Каждый электрод обычно представляет собой угольную пластину (матрицу) с нанесённым катализатором — платиной или сплавом платиноидов и др. композиции.

На катализаторе анода молекулярный водород диссоциирует и теряет электроны. Катионы водорода проводятся через мембрану к катоду, но электроны отдаются во внешнюю цепь, так как мембрана не пропускает электроны.

На катализаторе катода молекула кислорода соединяется с электроном (который подводится из внешних коммуникаций) и пришедшим протоном и образует воду, которая является единственным продуктом реакции (в виде пара и/или жидкости).

Топливные элементы не могут хранить электрическую энергию, как гальванические или аккумуляторные батареи, но для некоторых применений, таких как работающие изолированно от электрической системы электростанции, использующие непостоянные источники энергии (солнце, ветер), они совместно с электролизёрами, компрессорами и ёмкостями для хранения топлива (например, баллоны для водорода) образуют устройство для хранения энергии.

Мембрана

Мембрана обеспечивает проводимость протонов, но не электронов. Она может быть полимерной (Нафион (Nafion), полибензимидазол и др.) или керамической (оксидной и др.). Впрочем, существуют ТЭ и без мембраны.

Анодные и катодные материалы и катализаторы

Анод и катод, как правило, — это просто проводящий катализатор — платина, нанесенная на высокоразвитую углеродную поверхность.

Устройство электрического топливного насоса

Электробензонасос конструктивно в некоторых частях  напоминает по ряду элементов механический. Работает такой насос благодаря специальному сердечнику, который втягивается в электромагнитный клапан до того момента, пока не происходит отключение контактов для подачи электрического тока.

Поворот ключа в замке зажигания перед запуском является сигналом для бортового компьютера автомобиля. В бензонасос на данном этапе уже подается электрический ток. Двигатель еще не запускали, а  электродвигатель внутри бензонасоса за пару секунд уже поднимает давление в топливной системе до рабочего. Вот почему рекомендовано выждать 2-3 секунды перед тем, как начать крутить стартер и запускать мотор.

Если ЭБУ не получит сигнал об успешном запуске двигателя, тогда  бензонасос отключается в автоматическом режиме. Это сделано в целях обеспечения безопасности. Некоторые автомобили устроены так, что бензонасос включается уже в момент открытия двери водителя.

Электрический топливный насос способен  создавать давление топлива на отметке в 0,3-0,4 МПа, а в двигателях с системой непосредственного впрыска этот показатель доходит до 0,7 МПа. В данной статье мы не будем подробно говорить о топливном насосе высокого давления (ТНВД) для дизеля и бензиновых двигателей с прямым впрыском. Читайте о такой системе в соответствующем разделе сайта.

Особенностью бензинового электронасоса можно считать использование модульной системы в его конструкции. Это обусловлено его непосредственным контактом с топливом. Среди ключевых элементов насоса также находится топливозаборник, топливный фильтр и датчик, указывающий на расход топлива.

В электрическом насосе имеется диафрагма, которая движется вверх и вниз. Результатом становится то, что над диафрагмой при ходе вниз создается разрежение. Это позволяет открыться всасывающему клапану электронасоса. Через такой клапан бензин проходит через фильтр и оказывается в камере над диафрагмой.  Когда диафрагма движется вверх, тогда образующееся давление закрывает впускной клапан и открывает нагнетающий, что и проталкивает горючее дальше в систему.

Основные элементы простейшего электронасоса

Электрический бензонасос состоит из:

• камеры;
• впускного и выпускного клапана;
• диафрагмы;
• возвратной пружины;
• электромагнитного клапана;
• сердечника;
• электрических контактов;

Обратный клапан отвечает за запирание топливной системы в том случае, когда двигатель остановлен. Редукционный клапан осуществляет поддержку высокого рабочего давления в топливной системе.

Распространенные неисправности

Электрический топливный насос имеет достаточно большой ресурс, который заложен в него инженерами. Но такой ресурс становится реальным только при соблюдении ряда условий, которых в процессе эксплуатации добиться удается далеко не всегда. Хотите знать где играет Lord Treputin ? Тогда переходите по ссыллке и присоединяйтесь к дружному сообществу. Замок Трепутина ждет тебя!

Учтите, что топливный насос является далеко не самым дешевым элементом, так что будет лучше создать для работы насоса условия, максимально приближенные к идеальным. Добавим, что любому ответственному автовладельцу сделать это будет очень даже не сложно.

Главными врагами насосов являются:

1. Езда с практически пустым топливным баком;
2. Загрязненный топливный фильтр или сетка бензонасоса;

В первом случае насос плохо охлаждается по причине отсутствия должного количества топлива в баке, а также возрастает риск захватить из бака осевшую в самый низ грязь и даже воздух. Все это может послужить  поводом для сокращения ресурса и/или выхода топливного насоса из строя. Старайтесь сразу же и немедленно заправляться после загорания сигнальной лампочки, а еще лучше держите в баке не менее 5-10 литров  неприкосновенного запаса.

Второй  причиной неполадок с бензонасосом является использование грязного топлива низкого качества и несвоевременная замена фильтров. Топливному  насосу необходимо постоянно поддерживать рабочее давление. Протолкнуть топливо через забитые фильтры устройству намного сложнее, а это говорит о неизбежном возрастании нагрузки на насос и повышенном его износе.

Топливный агрегат

Топливные агрегаты современных машин имеют большое количество различных по назначению и конструкции золотниковых и плунжерных пав, которые осуществляют автоматическое регулирование подачи топлива в двигатель. Изготавливают их из легированных сталей высокой твердости, таких, как ШП5, ХВГ, XI2M, 95П8 и др. Однако данные материалы, как показал опыт эксплуатации, не обеспечивают длительной и надежной работы топливной аппаратуры. В этой связи ваншм становится вопрос разработки методов упрочнения поверхности прецизионных пар с целью повышенш ресурса их работы. Авторами проведены исследования износостойкости стали ШХ15 с нанесенным пленочным покрытием вольфрама толщиной 10 — 12 мкм с последующей обработкой покрытия лазерным аз-лучением.
 

В топливных агрегатах топливо одновременно является смазочным материалом.
 

Коррозия деталей топливных агрегатов ВРД зависит не только от присутствия в топливе коррозионно-активных сернистых соединений, но и от химического состава еплавов, из которых изготовлены эти детали. Изучение коррозии бронз различного химического состава под влиянием топлив ТС-1 и Т-2 с повышенным содержанием меркаптанов даяо возможность установить, что увеличение в составу бронз таких компонентов, как алюминий, железо и особенно никеле и цинк, резко повышает их коррозионную устойчивость.
 

Слоеные в конструкционном исполнении топливные агрегаты современных машин имеют множество различных по конструкции и назначению прецизионных пар, которые применяются для автоматического регулирования подачи топлива в двигатели, поддержания ими изменения по заданной программе давления в топливных системах и регулирования производительности насосов.
 

Условия эксплуатации плунжерных пружин топливного агрегата характеризуются нестационарной переменной нагруженностью. Для определения их работоспособности необходимо иметь характеристики сопротивления усталости, которые могут быть получены при построении кривых равной вероятности усталостного разрушения. Однако построение кривой усталости при испытании плунжерных пружин затруднено, так как большое количество витков и малый шаг не позволяют создать в поперечных сечениях витков достаточно высокие напряжения.
 

Статистический анализ замены элементов топливных агрегатов в процессе ремонта свидетельствует, что наибольшее число отбракованных деталей связано с повышенными взносами прецизионных пар. Следовательно, износостойкость трущихся пар во многом определяет надежность и долговечность агрегатов.
 

Топлива могут нагреваться в топливных агрегатах двигателей: цилиндрах, теплообменниках, топливных насосах, форсунках, камерах сгорания. Температура топлива при длительном ( 2 — 3 ч) сверхзвуковом полете повышается до 100 — 120 С в топливных баках и до 150 — 250 С в теплообменниках, насосах и на входе в топливные форсунки.
 

От противоизносных свойств топлив зависит ресурс работы топливных агрегатов и прежде всего их качающих узлов.
 

Наиболее чувствительны к коррозионному воздействию меркаптанов детали топливных агрегатов из цветных металлов.
 

Выбор методов снижения образования оксидов азота в топливных агрегатах в каждом конкретном случае должен определяться технологическими и экономическими расчетами.
 

Предназначена для оценки влияния топлива на износ деталей топливных агрегатов, изготовленных из сплавов; меди.
 

Агрегатная система топливопитания и регулирования состоит из блока топливных агрегатов и крана пускового газа.
 

Улучшение противоизносных свойств топлива позволяет повысить ресурс работы топливных агрегатов до уровня ресурса работы самого двигателя. Улучшение антистатических — свойств топлива создает безопасные условия эксплуатации авиатехники при высоких скоростях перекачки топлива и заправки самолетов.
 

Агрегатная система топливопитания и регулирования состоит из блока топливных агрегатов и крана пускового газа.
 

В итоге

Итогом нашей статьи станет небольшой список основных признаков, которые помогут диагностировать проблемы с бензонасосом или неполадками в топливной системе:

• Приходится очень долго крутить мотор стартером при запуске как холодного, так и ранее прогретого двигателя. Это может говорить о том, что насосу сразу не удается создать необходимое рабочее давление в системе;
• Сложности при разгоне, двигатель с большим трудом набирает обороты, запоздалая реакция на нажатие педали газа, провалы и рывки в движении;
• Вы уверены, что в баке есть бензин, машина заводится, но затем непредсказуемо глохнет;
• Повышение шума, который слышен в салоне и исходит от топливного насоса. Насос может сильно гудеть, издавать треск, писк или хлопки;
• Наблюдается увеличение расхода топлива по непонятным причинам;
• Неустойчивая работа мотора в разных режимах работы, плавающие обороты и другие признаки, похожие на троение;
• Полное отсутствие звука работающего бензонасоса в момент включения зажигания;

Теперь Вы познакомились с устройством различных типов топливных насосов, которые повсеместно встречаются на отечественных автомобилях и иномарках  различного года выпуска.

Не забывайте своевременно менять топливный фильтр и другие фильтрующие элементы топливной системы. Заправляйтесь качественным топливом на проверенных АЗС и не катайтесь на остатках топлива «до лампочки».

Соблюдение этих простых рекомендаций может служить надежной гарантией того, что бензонасос определенно не доставит Вам в процессе эксплуатации автомобиля никаких проблем.