Топливная система двигателя: типы, устройство и принцип работы

У топливной системы ДВС есть две задачи. Первая — переместить топливо из бака к мотору, вторая — подать его в камеры сгорания в должном состоянии и в строго определённом количестве. А ещё системы питания двигателя бывают разные. Рассказываем о каждой из них.

Для начала — о главных элементах топливной системы. Вот её основные узлы и агрегаты:

1. Топливный бак — ёмкость, где хранится запас горючего. Помимо пожароопасности, жидкость может и испаряться, поэтому устройство топливного бака сложнее, чем других резервуаров в автомобиле. Как правило, бак располагается в задней части авто и соединяется с другими компонентами системы питания топливопроводами.
2. Топливный насос — электрический или механический. Его задача — перекачка топлива из бака в карбюратор или инжектор. Насос отвечает и за создание  давления топлива, достаточного для работы системы.
3. Топливный фильтр — производит очистку бензина или солярки от механических примесей и загрязнений, попадающих вместе с ними в бак.
4. Карбюратор — устройство, которое готовит смесь из бензина и воздуха в нужном соотношении и подаёт её во впускной коллектор. 
5. Топливные жиклёры — детали карбюратора, дозирующие бензин при подаче в смесительную камеру. Прокачку топлива через них могут также регулировать клапаны карбюратора — механические или электрические.
6. Дроссельная заслонка — устройство, которое регулирует количество воздуха, попадающего во впускной коллектор.
7. Регулятор давления топлива — это, по сути, клапан, контролирующий давление, создаваемое насосом. При превышении штатного значения избыток топлива через регулятор сбрасывается обратно в бак.
8. Форсунка — устройство, отвечающее за подачу топлива в камеру сгорания в нужном количестве и за его распыление.
9. Впускной коллектор — если упрощённо, то это трубопроводы оригинальной формы, через которые к цилиндрам подаются воздух либо топливовоздушная смесь.

Для эффективной и безопасной работы во всех режимах топливная система двигателя и её компоненты должны быть не просто исправны, но и правильно настроены. Кроме того, системы питания дизеля и ДВС, работающего на бензине, заметно отличаются по конструкции. Топливные системы бензиновых двигателей бывают двух принципиально разных видов — инжекторная (с впрыском) и карбюраторная. Солярку можно только впрыскивать в цилиндры, но это более сложный процесс, чем в случае с бензином.

Топливная система автомобиля на основе карбюратора встречается только в старых моделях, но по-прежнему используется в бюджетных мотоциклах и садовой технике. Карбюраторная система относительно проста и надёжна, поскольку в ней минимум электроники. Правда, и довольно требовательна к регулировке. Ключевые элементы конструкции карбюратора:

• Дроссельная заслонка — устройство для регулировки потока поступающей к цилиндрам двигателя топливовоздушной смеси.
• Диффузор — воздушный канал перед дроссельной заслонкой, в котором смешиваются воздух и топливо. Его специфическая форма увеличивает скорость проходящего воздуха и одновременно снижает давление. За счёт разрежения бензин из поплавковой камеры попадает в диффузор, распыляется и перемешивается с воздухом.
• Жиклёры — детали, дозирующие подачу бензина в диффузор. Жиклёр представляет собой маленькое калиброванное отверстие, через которое проходит бензин. Сечение (диаметр) жиклёров подбирают в зависимости от характеристик мотора (рабочего объёма, максимальных и холостых оборотов и т.д.). Есть в карбюраторе и воздушные жиклёры, например для настройки холостого хода. Их сечение больше и может регулироваться для «тонкой» настройки карбюратора.
• Поплавковая камера — ёмкость, откуда бензин через жиклёры подаётся в диффузоры. Поплавок регулирует уровень жидкости в этой камере, открывая и закрывая игольчатый клапан.
• Игольчатый клапан — поддерживает постоянный уровень топлива в поплавковой камере, что необходимо для корректной работы карбюратора.

Карбюраторы не могут обеспечить столь же эффективное управление смесью воздуха и топлива, как современные системы впрыска топлива. Это приводит к менее эффективному сгоранию и более высоким выбросам вредных веществ, поэтому карбюраторные модели автомобилей в принципе не могут соответствовать современным экологическим стандартам.

Инжекторная система питания получила распространение в автомобильных двигателях из-за возможности намного точнее дозировать бензин и, соответственно, во всех режимах готовить правильную топливовоздушную смесь. 

Основные элементы инжекторной системы:

• Форсунки — по сути, те же жиклёры с клапанами, которые открываются в фазе впуска цилиндра и на определяемое блоком управления время, в течение которого топливо распыляется во впускной коллектор. Так в цилиндр попадает точно отмеренная порция бензина.
• Топливный насос — в отличие от карбюратора, для впрыска недостаточно просто подать бензин из бака. Насос должен создать в системе давление, за счёт которого происходит распыл топлива форсунками. А если впрыск бензина непосредственный (не в коллектор, а прямо в цилиндры), то давление должно быть намного больше. Чтобы его создать, в систему добавляют ТНВД (топливный насос высокого давления).
• Дроссель — заслонка, аналогичная карбюраторной. Отличие лишь в том, что в инжекторной системе через неё проходит только воздух (форсунки устанавливаются после дросселя). Кроме того, современные дроссельные заслонки совмещены с регулятором (датчиком) холостого хода, пропускающим небольшую порцию воздуха в мотор, когда педаль газа отпущена.
• Датчик расхода воздуха — устройство на впуске, которое определяет, сколько воздуха подаётся в цилиндры. Соответственно этому система дозирует и количество топлива, необходимое для приготовления оптимальной топливовоздушной смеси. 
• Электронный блок управления (ЭБУ) — «мозг» системы впрыска, который обрабатывает сигналы с датчиков двигателя (положения коленвала, его оборотов, температуры ОЖ, педали газа и прочего) и даёт команды форсункам, регулятору давления, ТНВД и остальным компонентам.

В инжекторной топливной системе бензинового двигателя всё начинается с топливного насоса, который подаёт бензин из бака к форсункам по топливопроводам. Если впрыск непосредственный, то сначала топливо подаётся в ТНВД, а оттуда уже в форсунки, но под большим давлением. Форсунка впрыскивает нужную порцию бензина, который сгорает в цилиндре. Дальше на фазе выпуска отработанные газы через каталитический нейтрализатор и резонатор отводятся в глушитель и, наконец, в атмосферу. По пути их состав замеряется кислородным датчиком (лямбда-зондом), и эти данные ЭБУ использует для более точной дозировки топлива, корректируя время открытия форсунок.

Дроссельная заслонка отмеряет, сколько воздуха попадает в цилиндры и, соответственно, до каких оборотов и мощности раскрутится двигатель. Сегодня она, как правило, уже не связана напрямую с педалью газа. Насколько открыть заслонку — тоже определяет блок управления двигателем.

Что получили конструкторы двигателей с переходом от карбюраторов на инжекторную систему питания? Основные преимущества такие: 

•  количество подаваемого топлива стало точнее;
• повысилась эффективность работы двигателя;
• снизился уровень выбросов вредных веществ;
• работа мотора сделалась более плавной;
• двигатель стал быстрее и точнее реагировать на педаль газа.

Дизельные моторы, в отличие от бензиновых, могут работать только при впрыске солярки в камеру сгорания. Такие двигатели функционируют на принципе самовоспламенения: в фазу сжатия воздух нагревается до высокой температуры и воспламеняет топливо, после чего происходит рабочий цикл. Причём давление в топливной системе дизеля должно быть намного выше, чем при непосредственном впрыске бензина, — в современных автомобилях оно уже превышает 2000 атмосфер. Поэтому один из главных элементов дизельной топливной системы — ТНВД.

Его работа — это не просто подача топлива в дизельный двигатель. Топливный насос дизельного мотора (ТНВД) отличается наличием двух рабочих контуров — низкого и высокого давления. Первый подаёт топливо из контура низкого давления (бака) в контур высокого. Далее топливо под большим давлением по трубопроводу перемещается на форсунки. А в старых дизелях сам ТНВД отвечал и за дозирование солярки, поэтому имел очень сложную конструкцию и настройку.

В настоящее время в двигателях в основном используется схема common rail (аккумуляторная система). В отличие от «классической», сommon rail больше похож на бензиновую систему впрыска. ТНВД подаёт топливо не напрямую к каждой форсунке, а в объединяющую их топливную рампу — своеобразный «аккумулятор» топлива под высоким давлением. В форсунки встроены электромагнитные или пьезоэлектрические клапаны, которые открываются по команде электронного блока. Схема common rail обеспечивает более эффективный и точный впрыск топлива, что повышает экономичность и мощность дизеля, одновременно снижая выбросы вредных веществ и шум.

Особенности работы дизеля влияют на конструкцию его компонентов. Например, дизельные форсунки сложнее и заметно дороже бензиновых — они нагружены сильнее, а также требуют более высокой точности изготовления деталей из прочных материалов.

Кроме того, компоненты дизельной топливной системы требовательнее к чистоте горючего. Поэтому регламент обслуживания дизеля предусматривает строгий контроль содержания воды в солярке (для этого в систему добавляют специальные влагоотделители) и более частые смены топливного фильтра, а сам он крупнее и дороже. Экономия на фильтре (как и игнорирование рекомендованных сроков его замены) может привести к выходу из строя ТНВД, ремонт которого очень недешёв, и форсунок — они часто не поддаются восстановлению.