ΣΥΣΤΗΜΑ ΨΕΚΑΣΜΟΥ ΚΑΥΣΙΜΟΥ

Το σύστημα τροφοδοσίας καυσίμου στους σύγχρονους κινητήρες είναι ένα ηλεκτρονικά ελεγχόμενο σύστημα ψεκασμού καυσίμου (έκχυσης), το οποίο έχει αντικαταταστήσει τα παραδοσιακά μηχανικά συστήματα τροφοδοσίας καυσίμου με καρμπυρατέρ σε όλα τα οχήματα. Μέχρι την καθιέρωση των καταλυτικών αυτοκινήτων, το βασικό σύστημα τροφοδοσίας για τα αυτοκίνητα και τις μοτοσικλέτες ήταν το σύστημα με εξαερωτήρα (καρμπυρατέρ). Οι εξελίξεις όμως της σύγχρονης τεχνολογίας και οι ολοένα αυστηρότερες προδιαγραφές των χωρών για μηδενικές εκπομπές ρύπων οδήγησαν τους κατασκευαστές στα ηλεκτρονικά ελεγχόμενα συστήματα ψεκασμού τα οποία, σε σχέση με τα παραδοσιακά συστήματα με καρμπυρατέρ, παρουσιάζουν σημαντικές διαφορές στον τρόπο ελέγχου και λειτουργίας.

Αρχή λειτουργίας

Τα συστήματα ηλεκτρονικής έγχυσης διακρίνονται, ως προς τον τρόπο ενσωμάτωσής τους στο ηλεκτρικό σύστημα του αυτοκινήτου, σε:

1. Απλά ηλεκτρονικά συστήματα ψεκασμού, στα οποία υπάρχουν δύο ξεχωριστές ηλεκτρονικές μονάδες, μία για τον έλεγχο του ψεκασμού και άλλη μία για την ανάφλεξη.
2. Τα συνδυασμένα συστήματα ανάφλεξης ψεκασμού. Στα συστήματα αυτά υπάρχει μια μόνο ηλεκτρονική μονάδα (εγκέφαλος) που ελέγχει ταυτοχρόνως και την ανάφλεξη και τον ψεκασμό.

Ως προς τον τρόπο έγχυσης, οι δύο βασικές διατάξεις είναι:

1. O έμμεσος ψεκασμός μονού ή πολλαπλών σημείων (μονός ή πολλαπλός ψεκασμός).
2. Ο άμεσος ψεκασμός (direct injection).

Ανάλυση λειτουργίας μονού ψεκασμού

Τα συστήματα ψεκασμού ενός σημείου χρησιμοποιούν μια μονάδα κεντρικής ανάμιξης καυσίμου, όπως τα καρμπυρατέρ, μαζί με μια βαλβίδα για τον ψεκαστήρα η οποία ελέγχεται με ηλεκτρονικό τρόπο. Μερικά συστήματα έχουν μόνο ένα ψεκαστήρα (σε μικρούς εξακύλινδρους και οκτακύλινδρους κινητήρες, χρειάζονται δυο ψεκαστήρες). Ο ψεκαστήρας ή οι ψεκαστήρες, οι οποίοι βρίσκονται μέσα σε ένα κουτί που αντιστοιχεί με το σώμα του καρμπυρατέρ, με εντολή από τον υπολογιστή ψεκάζουν το καύσιμο, μέσα σε μια ουσιαστικά συμβατική πολλαπλή εισαγωγής. 

Ο χρόνος λειτουργίας (ή πλάτος παλμού) στον ψεκαστήρα είναι η χρονική διάρκεια (που μετριέται σε χιλιοστά του δευτερολέπτου) στην οποία ο εγχυτήρας ψεκάζει καύσιμο ή παραμένει ανοικτός. Ο χρόνος λειτουργίας του ψεκαστήρα καθορίζεται από τον μικροϋπολογιστή. Ο μικροϋπολογιστής δέχεται ηλεκτρικά σήματα από αισθητήρες οι οποίοι εποπτεύουν τις διάφορες συνθήκες λειτουργίας. Επεξεργάζεται τις πληροφορίες από τους αισθητήρες, και με βάση αυτές στέλνει σήματα στους ψεκαστήρες καυσίμου, ελέγχοντας τους παλμούς λειτουργίας και διακοπής λειτουργίας. Όταν ο κινητήρας είναι κρύος, κατά την διάρκεια της επιτάχυνσης και με μεγάλο φορτίο και το γκάζι πατημένο, αυξάνει το πλάτος του παλμού. Στο ρελαντί και με σταθερό γκάζι (κίνηση με μεγάλη σταθερή ταχύτητα) με θερμό κινητήρα, το πλάτος παλμού στον ψεκαστήρα ελαττώνεται.

Ανάλυση λειτουργίας ψεκασμού πολλών σημείων

Τα συστήματα ψεκασμού πολλών σημείων χρησιμοποιούν ένα ψεκαστήρα (μπεκ) για κάθε κύλινδρο. Οι ψεκαστήρες σε σύστημα ψεκασμού πολλών σημείων μπορεί να λειτουργήσουν με παλμούς σκανδαλισμού με αρκετούς διαφορετικούς τρόπους:

• Με ταυτόχρονο (διπλό) ψεκασμό: Στο σύστημα αυτό, όλοι οι ψεκαστήρες ανοίγουν και κλείνουν ταυτόχρονα. Οι ψεκαστήρες λαμβάνουν παλμούς λειτουργίας όλοι μαζί. Ενεργοποιούνται όλα μαζί τα μπεκ του 4χρονου βενζινοκινητήρα και ψεκάζουν μια φορά σε κάθε περιστροφή του στροφαλοφόρου άξονα του κινητήρα ή δυο φορές σε ένα πλήρη κύκλο λειτουργίας (720 μοίρες ), για αυτό και ονομάζεται και διπλός)
• Με ψεκασμό σε ομάδες ή εναλλασσόμενο (μονό ή διπλό) ψεκασμός ή ψεκασμό σε δύο γκρουπ: Στο σύστημα αυτό, αρκετοί, αλλά όχι όλοι, ψεκαστήρες λαμβάνουν παλμούς λειτουργίας και διακοπής λειτουργίας μαζί. Για παράδειγμα, ένας κινητήρας V-6 λαμβάνει εναλλάξ παλμούς για κάθε πλευρά του V. Στον εναλλασσόμενο διπλό ψεκασμό τα μπεκ ενεργοποιούνται και ψεκάζουν σε γκρουπ (ψεκασμός δύο γκρουπ), μια φορά για κάθε περιστροφή του στροφαλοφόρου άξονα ή δυο φορές σε ένα πλήρη κύκλο λειτουργίας (720 μοίρες).
• Με διαδοχικό (μονός – σε σειρά ) ψεκασμός ή ανεξάρτητος: Στο σύστημα αυτό κάθε ψεκαστήρας λαμβάνει παλμούς με την ίδια σειρά όπως και η ανάφλεξη στα μπουζί. Ο ψεκαστήρας ψεκάζει καύσιμο στον κινητήρα λίγο πριν ή μόλις ανοίγει η βαλβίδα εισαγωγής. Αυτό το είδος ψεκασμού γίνεται όλο και περισσότερο δημοφιλές επειδή βελτιώνει την απόδοση του κινητήρα. Επίσης το κάθε μπεκ ψεκάζει όλη την απαιτούμενη ποσότητα μια μόνο φορά σε κάθε κύκλο λειτουργίας και μάλιστα πριν ανοίξει η βαλβίδα εισαγωγής (δηλαδή στο χρόνο εξαγωγής). Η σειρά με την οποία πραγματοποιείται ο διαδοχικός ψεκασμός είναι ίδια με την σειρά ανάφλεξης του συγκεκριμένου κινητήρα (1 – 3 – 4 – 2). Από την ιδιότητα αυτή προκύπτει και η ονομασία σε σειρά ψεκασμός. 

Ανάλυση λειτουργίας άμεσου ψεκασμού

Η βασική διαφορά ανάμεσα στον έμμεσο και στον άμεσο ψεκασμό, είναι ότι ο έμμεσος ψεκάζει μέσα στους αυλούς, πριν από τις βαλβίδες εισαγωγής, για αυτό και χαρακτηρίζεται σαν έμμεσος ψεκασμός ενώ στον άμεσο ψεκασμό τα μπέκ ψεκάζουν μετά τις βαλβίδες εισαγωγής, κατευθείαν μέσα στο θάλαμο καύσης. Όπως ακριβώς ο ψεκασμός μονού και πολλαπλών σημείων βελτίωσε την παροχή καυσίμου σε σύγκριση με τα καρμπυρατέρ, έτσι και ο άμεσος ψεκασμός βελτίωσε την παροχή καυσίμου, παρέχοντας ακριβής ποσότητα σε κάθε κύλινδρο, με αποτέλεσμα την βελτίωση της καύσης, την αύξηση του βαθμού απόδοσης και την μείωση καυσαερίων και κατανάλωσης.

Μέρη

Κάθε ηλεκτρονικό σύστημα ψεκασμού αποτελείται από τρία βασικά υποσυστήματα:

• Υποσύστημα τροφοδοσίας καυσίμου.
• Υποσύστημα εισαγωγής και μέτρησης αέρα.
• Υποσύστημα ηλεκτρονικού ελέγχου (αισθητήρες – εγκέφαλος).

Υποσύστημα τροφοδοσίας καυσίμου

Το υποσύστημα τροφοδοσίας καυσίμου παρέχει το απαιτούμενο καύσιμο με πίεση (πχ 2,5 bar) και αποτελείται από τα εξής μέρη:

• Δοχείο καυσίμου (ρεζερβουάρ)
• Φίλτρο καυσίμου
• Ηλεκτρική αντλία καυσίμου
• Διακλαδωτήρας σωληνώσεων των μπέκ (για πολλαπλό ψεκασμό μόνο)
• Ρυθμιστής πίεσης καυσίμου
• Ηλεκτρομαγνητικός ψεκαστήρας (μπεκ).
• Φίλτρο καυσίμου 

Αντλία καυσίμου

Αποτελείται από δυο τμήματα, τον ηλεκτρικό κινητήρα και την κυρίως αντλία η οποία περιλαμβάνει μια βαλβίδα αντεπιστροφής ή βαλβίδα ελέγχου, μια ανακουφιστική βαλβίδα και το πρώτο φίλτρο καυσίμου. Ο κινητήρας δίνει κίνηση στην αντλία και αποτελούν μαζί μια ενιαία μονάδα. Το καύσιμο περνάει μέσα από το εσωτερικό της αντλίας (ρότορας – τυλίγματα, ψήκτρες κλπ), φροντίζοντας για την ψύξη τους.

Η βαλβίδα αντεπιστροφής δεν επιτρέπει την επιστροφή του καυσίμου όταν σβήσει ο κινητήρας πίσω στο ρεζερβουάρ διευκολύνοντας έτσι την επανεκκίνηση του κινητήρα. Η ανακουφιστική βαλβίδα επιτρέπει την διαφυγή του καυσίμου πίσω στο ρεζερβουάρ, όταν κάποιο σωληνάκι βουλώσει ή δημιουργηθεί υπερπίεση στο κύκλωμα τροφοδοσίας. Με τον τρόπο αυτό προστατεύεται το σύστημα τροφοδοσίας. Η πίεση ανοίγματος είναι περίπου 5 bar.

Διακλαδωτήρας

Ο διακλαδωτήρας των σωληνώσεων των μπεκ εξασφαλίζει την ίδια πίεση σε όλα τα μπεκ ψεκασμού. Ο όγκος του είναι σχετικά μεγάλος για να μπορεί να μειώνει και τις μικρές διακυμάνσεις της πιέσεις που προέρχονται από τον ψεκασμό των μπεκ σε κάθε κύκλο λειτουργίας. Επιπλέον διευκολύνει την αφαίρεση και επανατοποθέτηση των μπεκ.

Ρυθμιστής πίεσης καυσίμου

Ο ρυθμιστής πίεσης ρυθμίζει την πίεση του καυσίμου. Στα συστήματα πολλαπλού ψεκασμού, βρίσκεται όπως ήδη προαναφέρθηκε τοποθετημένος στο άκρο του διακλαδωτήρα και εξασφαλίζει μια σταθερή πίεση στο σύστημα περίπου 2,5 bar ή 3,0 bar. Η πίεση του συστήματος παροχής καυσίμου εξαρτάται από την επικρατούσα υποπίεση σε κάθε κατάσταση λειτουργίας του κινητήρα.

Όπως στα συστήματα πολλαπλού ψεκασμού είναι απαραίτητος ο ρυθμιστής πίεσης, έτσι είναι απαραίτητος, λειτουργώντας με παρόμοιο τρόπο, και στα συστήματα με μονό ψεκασμό. Η πίεση λειτουργίας όμως εδώ είναι 1 έως 1,2 bar. Στο μονό ψεκασμό, υπάρχουν ρυθμιστές πίεσης καυσίμου χωρίς χρήση υποπίεσης.

Ηλεκτρομαγνητικό μπέκ ψεκασμού

Τα μπεκ ψεκασμού είναι ηλεκτρομαγνητικές βαλβίδες οι οποίες ανοιγοκλείνουν σύμφωνα με τα σήματα που λαμβάνουν από τον εγκέφαλο (ECU). Η αρχή λειτουργίας τους στηρίζεται στην κίνηση ενός πυρήνα ο οποίος όπως φαίνεται στο σχήμα καταλήγει σε μια βεληνοειδή βαλβίδα, μέσα σε ένα πηνίο. ¨Όταν η ECU στείλει ηλεκτρικό σήμα, τροφοδοτείται με ρεύμα το πηνίο, έλκεται ο πυρήνας, ο οποίος υπερνικά την δύναμη του ελατηρίου και ανοίγει η οπή ψεκασμού από τη βελονοειδή βαλβίδα. Όταν η ECU διακόψει το σήμα, τότε το ελατήριο σπρώχνει τον πυρήνα και η βελονοειδής βαλβίδα κλείνει την οπή ψεκασμού. Τα μπεκ τοποθετούνται στην πολλαπλή εισαγωγής ή στην κυλινδροκεφαλή μαζί με μια ελαστική μόνωση, ώστε να αποφεύγονται:

• Η δημιουργία υψηλών θερμοκρασιών στο άκρο των μπεκ.
• Η εξάτμιση του καυσίμου, η οποία έχει ως αποτέλεσμα τη δημιουργία φυσαλίδων.

Τα μπεκ συνδέονται μεταξύ τους παράλληλα και τροφοδοτούνται από το διακλαδωτήρα, ώστε να ψεκάζουν σε συγκεκριμένη γωνία ψεκασμού. Η διάρκεια του χρόνου ψεκασμού καθορίζεται από τον εγκέφαλο (ECU), συναρτήσει πολλών παραγόντων.

Υποσύστημα εισαγωγής και μέτρησης αέρα

Το υποσύστημα εισαγωγής αέρα είναι αυτό που επιτρέπει την εισαγωγή και τη μέτρηση της ποσότητας και της θερμοκρασίας του αέρα που εισέρχεται στους θαλάμους καύσης του κινητήρα. Αποτελείται από τα εξής κύρια μέρη:

• Φίλτρο αέρα
• Μετρητής ροής αέρα
• Σώμα πεταλούδας γκαζιού
• Βαλβίδα πρόσθετου αέρα
• Θάλαμος εισαγωγής αέρα
• Πολλαπλή εισαγωγής

Στο μονό ψεκασμό, η πεταλούδα και η βαλβίδα πρόσθετης παροχής αέρα βρίσκονται ενσωματωμένα στο σώμα της μονάδας ψεκασμού.

Ο μετρητής αέρα έχει ως προορισμό τη μέτρηση του εισερχόμενου αέρα στον κινητήρα. Η πληροφορία αυτή μεταφέρεται, με τη μορφή ηλεκτρικού σήματος, στον εγκέφαλο  για τον υπολογισμό της αναλογίας αέρα – καυσίμου.

Το σώμα της πεταλούδας του γκαζιού ψεκασμού είναι το επόμενο κατά σειρά εξάρτημα μετά από την ποσότητα του εισερχόμενου αέρα.

Πολλαπλές εισαγωγής

Έχει αποδειχθεί θεωρητικά και πρακτικά ότι το μήκος της πολλαπλής εισαγωγής επηρεάζει σημαντικά την απόδοση του κινητήρα. Σήμερα χρησιμοποιούνται πολλαπλές εισαγωγής αέρα με δυνατότητα να κατευθύνεται ο αέρας μέσα από πολλά κανάλια αυξάνοντάς ή μειώνοντας τη διαδρομή του και έτσι να επιτυγχάνεται αύξηση της απόδοσης του κινητήρα σε περισσότερες από μία περιοχές στροφών. Αυτό επιτυγχάνεται τοποθετώντας μέσα στην πολλαπλή, σε διάφορα σημεία, πεταλούδες (περιστροφικά διαφράγματα) τα οποία ελέγχονται από την υποπίεση του κινητήρα και την ECU.

Υποσύστημα ηλεκτρονικού ελέγχου

Τα κύρια μέρη του ηλεκτρονικού συστήματος ελέγχου είναι:

• Αισθητήρες
• Ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου (εγκέφαλος, ECU)

 Αισθητήρες

Οι παρακάτω αισθητήρες μετατρέπουν φυσικά μεγέθη σε ηλεκτρικά σήματα τα οποία διαβάζονται από τον εγκέφαλο του οχήματος:

• Ο αισθητήρας θερμοκρασίας εισερχόμενου αέρα μετράει τη θερμοκρασία του αέρα που εισέρχεται στον κινητήρα.
• Ο αισθητήρας θερμοκρασίας νερού μετράει τη θερμοκρασία του ψυκτικού υγρού.
• Ο αισθητήρας οξυγόνου (αισθητήρας λ) μετράει την ποσότητα οξυγόνου στα καυσαέρια.
• Ο αισθητήρας στροφών κινητήρα και άνω νεκρού σημείου (ΑΝΣ) ανιχνεύει την ταχύτητα περιστροφής του κινητήρα, καθώς και την τρέχουσα θέση του εμβόλου. Η τελευταία χρησιμεύει στον προσδιορισμό της γωνίας προπορείας ανάφλεξης (αβάνς).
• Ο αισθητήρας θερμοκρασίας καυσίμου.
• O αισθητήρας κρουστικής καύσης (knock sensor) παράγει σήμα ανάλογο των στιγμιαίων κραδασμών των τοιχωμάτων του κυκλινδρου. Από αυτό το σήμα, η προσδιορίζει αν συμβαίνει κρουστική καύση (αυτό που οι τεχνίτες αποκαλούν «χτυπάει πειράκια»).
• Ο αισθητήρας ταχύτητας οχήματος ανιχνεύει την πραγματική ταχύτητα και δίνει τις πληροφορίες στην ECU για να ελέγξει κυρίως το σύστημα διατήρησης ρελαντί, τον απαραίτητο εμπλουτισμό του μίγματος κατά την επιτάχυνση και την αναγκαία αποκοπή του καυσίμου κατά την επιβράδυνση.

Ηλεκτρική μονάδα ελέγχου (ECU)

Η ηλεκτρονική μονάδα ελέγχου (εγκέφαλος) του οχήματος είναι ένας υπολογιστής ο οποίος δέχεται δεδομένα από αισθητήρες και τα επεξεργάζεται για να δίνει τις εντολές που είναι απαραίτητες για τη λειτουργία του συστήματος ψεκασμού και των άλλων υποσυστημάτων του οχήματος.

Πηγή: WIKIPEDIA