Прямой впрыск BMW Di

BMW впервые применила систему прямого впрыска в 2003 году на флагманской модели 7й серии 760Li с двигателем N73. BMW выбрали технологию прямого впрыска, предложенную компанией BOSCH Di-Motronic.

Ее стали называть системой Первого Поколения. Она основана на использовании резервуара давления и рампы, где давление регулируется до 120бар. По причине использования высокого давления, топливо может впрыскиваться непосредственно в камеру сгорания через электромагнитные инжектора. Подача воздуха в двигатель регулируется электронным дросселем и измеряется с помощью измерителя массы воздуха. Для контроля смеси используется широкополосный кислородный датчик, который измеряет Лямбда между 0,8 и бесконечностью.

В системах Di-Motronic используется три рабочих режима:
1. Многослойный впрыск, где Лямбда больше 1(смесь воздуха и топлива больше чем 14,7:1)
2. Однородный впрыск, где лямбда 1(смесь воздуха и топлива равно 14.7 :1)
3. Обогащенный однородный впрыск, где Лямбда равна 0,8(т.е. отношение воздуха к топливу 11.8:1)


В системах прямого впрыска время впрыска значительно короче во время частичной нагрузки, при многослойном впрыске. Например, на холостых оборотах время впрыска менее 0,5миллисекунд. Это одна пятая от времени впрыска в традиционных двигателях. Но в такое короткое время топливо должно быть хорошо атомизировано на частицы для того, чтобы создать оптимальную смесь в момент между впрыском и зажиганием. Капли смеси имеют размер менее 20микросантиметров – это одна пятая от диаметра капли в традиционном двигателе и одна треть от толщины человеческого волоса.

Еще более важно распределение топливной смеси внутри камеры сгорания, чтобы обеспечить быстрое и одновременное сгорание. Поэтому пришлось изменить технологию и форму инжектора. Новый инжектор имел специальный распылитель, который был способен создать газовое облако по типу дизельного двигателя. Двигатель стал более эффективным.

Функционирование cистемы:
Поскольку в двигателях с прямым впрыском используется концепция частичной нагрузки и работы на обедненной смеси, достигается меньший расход топлива. Впрыск топлива происходит непосредственно перед воспламенением в область рядом со свечой зажигания в изолированную область. Это поднимает термодинамическую эффективность, поскольку температура не уйдет через стенки цилиндра. Двигатель может работать с полностью открытым дросселем, что позволяет избежать другие потери. В работе многослойного впрыска уровень Лямбда находится в пределах 1,5 и 3, отношение воздуха к топливу 22:1 и 44:1. По сравнению с традиционным впрыском, экономится на 40% больше топлива при работе на холостых оборотах. По мере увеличения нагрузки на двигатель, увеличивается уровень впрыска, многослойное облако становится более обогащенным и ухудшается показатель выброса. Как и в дизельном двигателе образуется нагар. Чтобы предотвратить его появление, система Di-Motronic начинает работать в однородном режиме. При этом используется более ранний впрыск и достигается уровень воздуха к топливу 14,7:1 и лямбда 1.



Количество воздуха задается с помощью дроссельной заслонки, которая регулируется с помощью педали газа водителем. Система DI-Motronic калькулирует количество впрыскиваемого топлива по датчику массы воздуха и проводит дополнительную коррекцию по кислородному датчику. Для гарантий точного контроля впрыска необходимо два важнейших фактора:
- Точка впрыска должна регулироваться между «поздним»(в момент компрессии) и ранним(в момент впуска воздуха).
- Регулировка по измерителю массы воздуха и по педали акселератора должна проходить независимо друг от друга, чтобы двигатель работал без дросселя на низких нагрузках и с помощью контроля дросселя на больших нагрузках.

При работе на низких нагрузках, уровень NOX нельзя сократить значительно, используя стандартный катализатор. Его выброс в атмосферу можно сократить значительно(на 70%), используя рециркуляцию перед тем, как газ попадет в катализатор. Но и этого мало , поэтому BMW использовали специальный аккумулятор в выхлопной системе, чтобы собирать окисел азота в форме нитратов(HNO3) на своей поверхности. Однако, его возможность лимитированы размером аккумулятора. Поэтому он должен время от времени регенерироваться. Поэтому система Мотроник переходит в третий режим работы время от времени: работа на обогащенной смеси с однородным впрыском и лямбда, равной 0,8 и отношением воздуха к топливу как 12:1. Нитраты и СО превращаются в азот кислород. При этом Система Управления Двигателем должна принимать решение по изменению режима работы двигателя в течение менее одно секунды и так, что бы это не было заметно водителю.

Двигатель N73 с прямым впрыском по технологии Di-Motronic был впервые установлен BMW на автомобили 7-й серию – 760i и 760Li. 6-ти цилиндровый мотор V12 имеет мощность 327кВт и 445лс на 6000оборотах. Он полностью соответствует стандартам Евро 4 в Европе. Среднее потребление топлива 13,4литра на 100км. Отличительной особенностью этого двигателя является не только возможность работы на обедненном топливе с прямым впрыском, но и наличие шести датчиков детонации, которые контролируют процесс сгорания в каждом цилиндре. Инжекторы расположены в двух рядах внутри камеры сгорания под впускными клапанами для доступа воздуха. Бензин в инжекторы подается через рампу в которой аккумулируется давление от 30 до 100бар в зависимости от нагрузки двигателя. Чем больше давление, тем тоньше струя и тем лучше проходит процесс сгорания. Давление создается двумя насосами, которые расположены над каждым рядом цилиндров над внешним распредвалом. Они приводятся в действие с помощью распредвалов между цилиндрами 4 и 5. В дополнение двигатели оснащены системой Valvetronic и регуляторами Vanos. Клапана открываются на полное открытии на высоту 9,8мм только на полной нагрузке, на холостом ходе только на 0,2мм, а на средних нагрузках на 1-2мм. Это значительно повышает плавность хода. Двигатель также обладает гораздо быстрой реакцией на педаль газа, поскольку нет задержки времени в течение которого газовая смесь достигает камеры сгорания в традиционном двигателе.

Блок цилиндров в N73 V12 сделан из алюминия, а коленчнатый вал из сплава алюминия и силикона и компактен. Каждый из поршней также сделан из алюминия и имеет вес всего 500грамм с вкладышем и кольцами. Это снижает общую массу двигающихся деталей внутри двигателя.

В 2007году система прямого впрыска BMW была усовершенствована и был воплощена в новом шестицилиндровом двигателе под номером N54. Это стало новой вехой в развитии двигателей с прямым впрыском в истории баварской фирмы. Новая технология получила название Технология Высокоточного Впрыска.

Технология Высокоточного впрыска (HPi - High Precision Injection). В новой серии 6-ти цилиндровых бензиновых двигателей технология HPI позволяет работу на обедненной смеси на протяжении всего цикла работы двигателя, что не только снижает потребление топлива в повседневной эксплуатации автомобиля, но и увеличивает мощность двигателя.

Двигатель с прямым впрыском для новой 120i на 14% снижает потребление топлива до 6.4 л/100км по сравнению со своим предшественником, и он мощнее на 15 kW. Двигатель с объемом 1,8литра потребляет меньше топлива на 19% до 5.9 л/100км и мощнее на 10 kW.

Пьезоинжекторы расположены непосредственно рядом со свечами зажигания и гарантируют многослойный впрыск и равномерное сгорание с точно определенным составом смеси на каждом слое.

Все двигатели оснащены рампой высокого давления, в которой аккумулируются 200бар и затем топливо распределяется по 4-м инжекторам, которые впрыскивают бензин непосредственно в камеру сгорания. Электрический погружной насос качает бензин по необходимости из топливного бака по линии подачи топлива(5) под давлением 5бар в рампу высокого давления. Давление на этом участке контролируется датчиком низкого давления (6). Если этот датчик выходит из строя, то электрический насос продолжает подавать топливо со 100% мощностью.

Насос высокого давления работает в тандеме с вакуумным насосом, который приводится в движение цепью от масляного насоса. Сжатие топлива происходит в ТНВД с тремя плунжерами(8) и подается по линии высокого давления(9) в рампу (3). Далее топливо распределяется по трубкам высокого давления(1) к пьезоинжекторам(2).

Необходимое давление определяется блоком ЭБУ в зависимости от нагрузки и скорости вращения. Уровень давления определяется датчиком давления (4), который передает сигнал на блок управления. Контрольный клапан подачи топлива(7) контролирует давление в рампе. Максимальное давление на высоких нагрузках равно 200бар.



Топливный насос высокого давления:
Бензин подается через линию подачи топлива (6) под давлением электрического насоса в насоса ТНВД. Далее топливо направляется к контрольному клапану(4) и невозвратный клапан низкого давления (2) внутрь цилиндра (14) плунжерного блока. Внутри цилиндра происходит сжатие топлива и оно направляется через невозвратный клапан (9) к порту высокого давления (7). Насос ТНВД соединен с вакуумным насосом через фланец (11) и он также приводится в движение цепью. Т.е. как только двигатель запускается, три плунжера (12) начинают двигаться вверх и вниз под влиянием диска (10). Топливо сжимается до тех пор, пока новая партия топлива не поступит через контрольный клапан (4). Контрольный клапан подачи топлива активируется коннектором (3) с блока управления и таким образом он понимает, какое количество топлива необходимо. Давление контролируется перепускным клапаном. Максимальное давление лимитировано на уровне 245бар. Если давление превышает максимум, то открывается обратный клапан и топливо переходит в область низкого давления через порты (8 и 5). Это возможно, поскольку топливо не изменяет свой объем в зависимости от давления. Пик давления компенсируется объемом топлива в области низкого давления. Изменения топлива в зависимости от температуры компенсируются термическим компенсатором (1), который находится рядом с каналом подачи масла.

Создание высокого давления:
Плунжер (2), который приводится в действие диском, прижимает масло(красный цвет) к металлической диафрагме (1) во мере своего движения вверх. Изменение формы диафрагмы изменяет пространство в цилиндре. Топливо под давлением(голубой цвет) подается в рампу. В рампе давление топливо контролируется с помощью контрольного клапана. Он активируется с помощью сигнала частотной модуляции блоком управления.

В зависимости от сигнала, открывается клапан и топливо подается в соответствии с заданным количеством. Также есть возможность понижать давление внутри самой рампы.

Режим Limp home:
Если в системе определяется код ошибки, например, неисправность датчика высокого давления, деактивируется клапан контроля топлива высокого давления и топливо направляется через перепускной клапан в рампу. В случае перехода в режим LIMP HOME, отключается турбина путем открытия перепускных клапанов. Причиной перехода в режим LIMP HOME может быть:
- Нестабильное давление в системе
- Проблема контрольного клапана подачи топлива
- Утечка в системе высокого давления
- Неисправность ТНВД
- Неисправность датчика высокого давления

Сервисное обслуживание двигателя N54 запрещено, если двигатель не остыл. Его температура не должна превышать 40градусов. Если температура выше, то может возникнуть опасность выплескивания топлива под влиянием остаточного давления в системе высокого давления. Кроме того, следует не допускать попадания грязи или пыли внутрь системы.

Пьезоинжектора:
Пьезоинжектора позволяют производить до шести впрысков в пределах одного цикла даже при давлении в 200бар, что делает двигатель N54 инновацией в мире двигателестроения. Они распыляют топливо в виде стабильного конуса внутри камеры сгорания. Конус остается стабильным вне зависимости от температуры или давления внутри камеры сгорания. Каждый инжектор имеет специальный завихряющий элемент внутри сопла, что позволяет проводить впрыск быстрее и более эффективно в области свечи, снижая потери от распределения топлива по стенкам блока цилиндра, как в традиционном двигателе. Таким образом, создается идеальное сочетание многослойного состава смеси, необходимого при работе на обедненном топливе, когда на разных слоях консистенция бензина и воздуха разная. Доля топлива в слое становится меньше по мере удаления слоя от свечи зажигания, а непосредственно у свечи зажигания концентрируется самый обогащенный слой. После того, как этот слой воспламеняется, происходит воспламенения остальных слоев, где доля воздуха больше. Для того, чтобы поддерживать стабильное сгорание на протяжении всех скоростей работы двигателя, BMW изменило дизайн цилиндра и место расположения пьезоинжекторов.

При работе с топливной системой двигателя N54 необходимо обращать внимание на то, чтобы на катушках зажигания не оставался нагар. Сопротивление силиконового материала значительно снижается под воздействием контакта с топливом. Это может привести к направлению искры в сторону изолятора свечи и пропуску зажигания.

Пьезоинжектор состоит из трех главных частей. Увеличение размера пьезоэлемента толкает иглу распылителя с седла клапана. Инжектор имеет термический компенсирующий элемент, который соотносит степень поднятия иглы с разным температурным режимом работы. Игла распылителя выдвигается и открывает отверстие по которому сжатое топливо подается в двигатель. Форма наконечника создает угол распыления и форму потока. Угол также зависит от обратного давления внутри камеры сгорания. Никогда нельзя чистить инжектора. Они могут повредиться и форма распыла изменится, что может привести к повреждению свечи или самого двигателя. Форма конуса распыления(1) может меняться во время работы двигателя(2). По причине образования нагара внутри двигателя, такое изменение является приемлемым. Однако если распыление происходит напрямую на свечи, они могут повредиться. После снятия инжектора необходимо установить тефлоновое кольцо, даже если это новый инжектор, который только установили и затем сняли опять. Кроме того, его необходимо устанавливать как можно быстрее, поскольку он может разбухнуть. После установки инжектора надо убедиться в том, что он сидит правильно. Крепление нужно снимать и одевать одновременно на два инжектора, чтобы не давать больше нагрузки на второй инжектор. Никогда не чистите иглу инжектора.

Стратегия впрыска:
Цикл впрыска состоит из трех фаз. Их использование зависит от нагрузок на двигатель. Особенно в ситуации, когда высокая нагрузка необходима на низкой скорости вращения. В таких случаях впрыск происходит посредством трех индивидуальных фаз. В результате происходит более эффективное формирование смеси, что приводит к экономии топлива и большей мощности.

Для быстрого прогрева катализатора в условиях холодного климата, двигатель оснащен специальной программой быстрого прогрева. При этом часть тепла из камеры сгорания переходит в выпускной тракт и не используется для поддержания мощности двигателя. Точка зажигания переносится на 30градусов распредвала после верхней точки. Основная часть топлива впрыскивается до верхней точки и смешивается с воздухом. Когда поршень находится в нижней точке, топливо смешивается с воздухом и понижается степень горючести смеси. Для гарантирования стабильного зажигания небольшое количество топлива впрыскивается на 25-м градусе после верхней точки и одновременно дает возможность догореть остаткам топливной смеси в камере сгорания. Надо заметить, что этот режим запускается блоком управления через 60секунд после включения двигателя, однако может быть отменен, если сигнал температуры с кислородного датчика получен ранее.

Пьезоэлемент:
Движение иглы инжектора теперь не управляется соленоидом. Теперь используется пьезоэлемент. Он представляет собой электромеханический конвертер и состоит из керамического материала, который трансформирует электрическую энергию в механическую силу. Такой же принцип используется в пьезо зажигалке – когда нажимается пьезо кристалл, появляется напряжение, которое накапливается, пока не появится искра и она воспламеняет газ. Но в инжекторе напряжение подается на кристалл и он начинает увеличиваться в размере. Чтобы лучше использовать способность пьезокристала увеличиваться в размере, его делают многослойным. Активационный модуль состоит из слоев пьезо-керамического материала, которые соединены механически и электрически параллельны. Чем больше напряжение, тем больше увеличивается пьезоэлемент.

Регулировка инжектора:
Во время производства инжектора, его калибровочные значения заносятся в специальный код. В шестизначный код вносится информация по допускам впрыска количества топлива, уровне подъема иглы и регулировке его по напряжению. На каждый инжектор подается индивидуальное количество напряжения. Уровень напряжения регулируется по комбинации шести цифр, нанесенных на корпус инжектора. Он вносится в память блока управления после замены инжектора и потом используется для компенсации работы инжектора. Поэтому при замене инжектора его необходимо кодировать в память блока управления.

Адаптация Инжектора:
Масса топлива впрыскивается в камеру сгорания с помощью пьезоинжектора. На ее объем влияют три фактора:
- давление в рампе
- время открытия инжектора
- уровень подъема иглы в инжекторе

Время открытия инжектора и уровень подъема иглы управляются непосредственно пьезоэлементом. Время открытия контролируется сигнальной линией и подъем иглы количеством энергии активированного пьезоинжектора.
Объем впрыскиваемого топлива и циклы впрыска закладываются в программу топливной карты в зависимости от нагрузок и скорости. Определяется необходимый уровень энергии и время открытия инжектора после анализа всех параметров датчиков. Оптимизация уровня выхлопа, мягкости хода, потребления топлива и выходной мощности контролируется посредством изменения уровня подачи энергии и временем открытия инжектора через контроль каждого банка в закрытом лямбда цикле. Остаток кислорода в выхлопном газе измеряется индивидуально по каждому блоку отдельно. Результат сравнивается с данными, заложенными в программу. Далее происходит адаптация данных. Адаптация сохраняется в памяти контроллера и используется на конкретном этапе работы двигателя. Однако при флэш-программировании, эти данные стираются и должны быть введены снова. Следующая адаптация данных по впрыску зависит от работы двигателя и времени. Адаптация по цилиндрам включает в себя проверку остатка кислорода применительно к цилиндру, который влияет на количество оставшегося воздуха. Это необходимо для того, чтобы часть выхлопного газа не направлялось в турбину. Поэтому заслонка выпускного клапана должна быть полностью открыта, чтобы не допустить утечки газа. Положение заслонки клапана превышает стандартное положение при нормальной работе двигателя. В зависимости от результатов мониторинга по цилиндрам, адаптируется необходимое для активации инжектора количество энергии. Адаптация по цилиндрам включает в себя, если необходимо, адаптацию сигнала открытия инжектора, которая основывается на мягкости работы двигателя N54. Полная адаптация инжекторов ограничена 15% дополнительного увеличения сигнала.

Свечи зажигания:
Поскольку свечи расположены недалеко от инжектора, изменение направления конуса распыла может повредить свечи зажигания. Поэтому диагностика свечей зажигания является важнейшим элементов диагностики двигателей N54. Информация по проблеме впрыска определяется по внешнему виду свечи зажигания. Интервал замены свечей не превышает каждые 60тыс км пробега.

Высокоэффективная подача по всем цилиндрам поддерживается с помощью традиционного привода клапанов с двумя распредвалами и с оптимизированными для минимального трения, роликовыми рокерами. По сравнению с системой VALVETRONIC, этот тип клапанов быстрее увеличивает скорость оборотов двигателя от 800 rpm до 7,000 rpm. Для точной регулировки времени открытия клапана для всех цилиндров, оба распредвала имеют систему двойного VANOS. Технология DISA или впускного коллектора с изменяемой длинной используется для того, чтобы обеспечить резкое увеличение оборотов на низких скоростях.

В выхлопной магистрали двигателя устанавливается два катализатора. Один непосредственно у выпускного коллектора и второй аккумулирующий катализатор для снижения уровня выхлопа NOx.