Структура инжекторной системы: Устройство автомобиля: инжектор

Устройство автомобиля: инжектор

Споры о преимуществах инжекторного двигателя над карбюраторным, давно не актуальны – инжекторные системы воцарились на рынке, а новый автомобиль с карбюратором теперь попросту не найти. И все же не лишним будет разобраться, что же такое «инжектор», и чем обеспечено его тотальное господство на рынке легкового автотранспорта?

История инжектора

Впервые о замене карбюратора принципиально новой системой задумались ещё в самом начале 20-го века авиационные инженеры. Перепробовав все известные типы карбюраторов, они уже к сороковым годам прошлого века пришли с готовой к серийному производству системой инжектора, под давлением подающей топливо в камеру сгорания независимо от гравитации (что важно для самолётов) и точно в требуемом количестве (что позволяет получать меньший расход топлива, большую мощность и снижение уровня вибраций).

К концу второй мировой войны инжекторный двигатель с механическим впрыском можно было встретить на истребителях и бомбардировщиках Германии, Японии, Великобритании, СССР и США.

Кстати, тогда же появилась и столь знакомая многим современным автолюбителям процедура, как промывка инжектора — легендарный японский истребитель А6М «Зеро» требовал чистки форсунок после каждого вылета.

Затем автопроизводители оценили возможности применения впрыска для увеличения мощности двигателя при сохранении его экономичности: в 1940 году итальянцы из Alfa Romeo на своём купе 6C тестируют экспериментальную систему электронного впрыска, а Mercedes-Benz в 1954 году запускает в серию своё легендарное купе 300SL «Крыло Чайки», где была установлена механическая система прямого впрыска топлива.

Впрочем, никто из них не был пионером в создании «инжектора» – те или иные технические решения, примененные в этих автомобилях, отрабатывались на множестве экспериментальных конструкций, начиная с французских двигателей Леона Левассера с механическим впрыском образца 1902 года.

В России же системами инжекторного впрыска на автомобильной технике занимались и в Центральном научно-исследовательском автомобильном и автомоторном институте «НАМИ» и на Горьковском автомобильном заводе. Впрочем, некоторое отставание в области электронных компонентов не позволило удачно развернуть производство электронных систем впрыска в шестидесятых годах. Механический же впрыск в СССР, к сожалению, массово не вышел за рамки авиационных и дизельных двигателей.

Схема работы инжектора

Схема инжектора и закономерности его работы, пожалуй, даже проще для понимания, чем принципы работы карбюратора. Если карбюратор – это изящное техническое воплощение целого ряда физических законов в металле, то даже самая современная система инжектора таит в себе всего-лишь насос, подающий топливо сначала в находящуюся под небольшим давлением систему топливных каналов (топливную рампу), а потом (через электрический клапан) в сопло форсунки. Сопло, в свою очередь, распыляет топливо, которое смешивается с воздухом внутри впускного коллектора и через впускной клапан попадает в цилиндр уже в виде топливо-воздушной смеси. Собственно, терминами «инжектор» и «форсунка» сейчас чаще всего обозначают устройство, совмещающее в одном корпусе сопло-распылитель и электрический клапан.

Для понимания принципов работы инжекторного двигателя можно представить себе обычный цикл работы цилиндра четырёхтактного двигателя. При установке на нём карбюратора можно вполне налить топлива в сам карбюратор и отключить его от топливной системы вовсе – двигатель сможет завестись сам, так как топливно-воздушная смесь формируется в карбюраторе под действием втягивающего потока воздуха, который «засасывает» с собой смесь, и она уже готовой попадает во впускной коллектор. Не нужно ни давления, ни особого управления – схема проста и характеризуется тем, что топливная смесь формируется ещё до попадания к впуску в цилиндр.

В схеме с применением инжекторных форсунок смесь «готовится» непосредственно во впускном коллекторе (а в случае прямого впрыска – вообще в самой камере сгорания). В точно заданный системой управления момент открывается электроклапан, разделяющий топливную систему и впускной коллектор. Под давлением, созданным бензонасосом, инжектор распыляет топливную смесь в количестве, строго необходимом для поддержания близкого к стехиометрическому (читай-оптимальному) составу смеси. При этом воздух в коллектор на большей части нетурбированных автомобилей попадает под воздействием разряжения, созданного цилиндром – что позволяет, зная текущую его температуру, точно понимать, сколько топлива можно сжечь, имея данный объем воздуха.

Минус схемы инжектора в том, что смесь получается не настолько гомогенной (однородной и хорошо перемешанной), как на дорогих спортивных карбюраторах, а система управления форсунками требует точной настройки для оптимальной синхронизации работы топливных форсунок, впускных клапанов и цилиндров. Но плюсов системы всё же оказывается больше:

  • растёт экономичность и одновременно мощность за счёт точной дозировки топлива в зависимости от текущей потребности и ситуации.
  • равномернее распределяется топливо и между цилиндрами (мы не берем сейчас многокарбюраторные системы и ранние инжекторы с одной форсункой на несколько цилиндров),
  • автоматизируются процессы настройки двигателя в зависимости от условий эксплуатации,
  • понижается уровень вредных выбросов в атмосферу,
  • расширяются возможности для тюнинга двигателя
  • облегчается диагностика двигателя (с учетом использования электронных технических средств)
  • сборка и настройка инжекторных двигателей в производстве обходится дешевле, чем сборка и настройка карбюраторных систем

С точки зрения водителя, автомобиль с инжекторной системой впрыска, как правило, быстрее реагирует на изменение положения педали газа, легче заводится в условиях, отличных от идеальных, потребляет меньше топлива и обладает более высокой мощностью по сравнению с аналогичным двигателем с карбюраторной системой питания.

Кстати, возможность выбирать – карбюратор или инжектор, когда-то была: на раннем этапе развития систем впрыска применялся в основном центральный (моно, одноточечный, Single-Point injection, SPi) впрыск, форсунка легко ставилась на место карбюратора как опция и работала одновременно на все цилиндры двигателя. Система была проста, надёжна и предполагала расположение форсунки вне зоны высоких температур.

При такой схеме не требовалось сложной электроники или механики для синхронизации работы форсунок на нескольких цилиндрах, но за это приходилось платить отсутствием той универсальности, которую дают более современные системы с распределенным, или многоточечным (Multi-Point Injection, MPi), впрыском.

В итоге именно распределенный впрыск получил наибольшее распространение и сейчас эволюционировал во множество подвидов, как то непосредственный впрыск в камеру сгорания (Direct Fuel injection, DFI) и несколько подвидов обычного распределенного впрыска в зависимости от времени открытия форсунок:

  • при параллельном, или одновременном, впрыске (SMPI) все форсунки в двигателе срабатывают одновременно и независимо от тактов цилиндров, дважды за цикл впрыскивая топливо во впуск соответствующего цилиндра. При данном способе впрыска, часто встречавшемся на автомобилях 90-х годов, форсунки нужны в основном для более точной – по сравнению с центральным впрыском — дозировки топлива. Тем не менее, время между впрыском и попаданием топлива в цилиндр для разных цилиндров оказывается разным (пусть мы и говорим о миллисекундах), что сказывается на неравномерности смеси от цилиндра к цилиндру.
  • при попарно-параллельном – форсунки делятся на группы, срабатывающие в разное время. Таким образом, точка срабатывания форсунки приближается к оптимальному времени впрыска топлива для подготовки смеси – что позволяет сократить разницу в качестве смеси в цилиндрах. За цикл работы двигателя топливо впрыскивается дважды, как и при одновременном впрыске – более того, на время пуска двигатель с попарно-параллельной схемой впрыска переходит в режим одновременного впрыска.
  • при фазированном впрыске или (CIFI) – каждая форсунка управляется независимо от остальных и открывается точно перед тактом впуска. Именно эта система в данный момент является наиболее распространенной, так как позволяет обеспечить точное управление каждой форсункой и использовать оптимальное для каждого цилиндра время впрыска.

Отдельно следует отметить, что система инжекторного впрыска сама по себе универсальна и используется не только для бензиновых автомобилей. Механический впрыск на дизельных двигателях появился едва ли не раньше, чем на бензиновых – с двадцатых годов двадцатого века и поныне только на модельных дизелях и некоторых тракторных моторах используется схема, отличная от инжекторного впрыска.

Например, для дизельных силовых агрегатов крайне распространена прогрессивная система прямого впрыска Common Rail (она же известна как TDI, VCDi, CDI, TCDi, i-DTEC, CRDi – в зависимости от производителя), фактически превращающая топливную рампу в замкнутый аккумулятор для хранения топлива под более высоким, по сравнению с другими системами впрыска, давлением. В результате форсунки подают топливо с ещё большим давлением, что положительно сказывается, в частности, на расходе топлива. Но между прочим, впервые эта «современная» система была применена на британских двигателях для подводных лодок Vickers в 1916 году и в дальнейшем развивалась в основном по пути повышения давления в топливном аккумуляторе.

Система управления инжектора

Системы, координирующие действия каждой отдельной форсунки- инжектора двигателя, бывают как механическими, так и электронными. Собственно, первые массовые системы впрыска на легковых автомобилях появились в пятидесятых годах двадцатого века и довольно долгое время были исключительно механическими (как, например, целое семейство систем Bosch D-Jetronic).

Но по-настоящему эпоха инжекторного впрыска началась только с распространением микроконтроллеров — стоимость их разработки, производства и настройки гораздо ниже в сравнении с аналогичными процессами для механических систем с теми же функциональными возможностями.

Сегодня система управления инжекторным двигателем далеко ушла от алгоритмов работы первых механических систем. Соблазн относительно недорого использовать возможность оперативного изменения дозировки и времени подачи топлива на каждый отдельный инжектор двигателя (форсунку – ведь именно так переводится слово «инжектор») сделал своё – микроконтроллер сейчас собирает данные со множества дополнительных датчиков (от температурных и ДМРВ(Датчик Массового Расхода Воздуха) до датчиков включения кондиционера и отслеживания неровностей дороги). В зависимости от результата анализа этих данных контроллер выдаёт указания целому ряду устройств помимо, собственно, связки «бензонасос-инжектор» — системе зажигания, регулятору холостого хода, системе охлаждения и тому же кондиционеру.

Промывка инжектора

Есть целый ряд проблем, характерных именно для инжекторных двигателей. Это могут быть проблемы, общие для всех типов двигателей, а могут появляться и проблемы с электронными датчиками, вышедшими из строя по разным причинам.
Но главная проблема даже самого надежного инжекторного двигателя в России — сбои из-за засорения системы топливоподачи.

Троение, не связанное с состоянием свечей зажигания, катушек и высоковольтных проводов, трудности запуска зимой, заметное ухудшение приемистости двигателя, разница в нагаре на свечах зажигания из разных цилиндров, повышенный расход топлива и неполное сгорание смеси – всё это действительно может указывать в том числе и на закоксовывание форсунок.

Большая часть операций с системой впрыска инжекторного двигателя, с точки зрения многих официальных производителей, сводится к замене неразборных форсунок новыми, но существуют и методики чистки, охотно предлагаемые различными автосервисами.

Их условно можно разделить на два типа – промывку инжектора и ультразвуковую чистку форсунок. И та, и другая операция выполняется как со снятием топливных форсунок, так и прямо на двигателе.

У каждого способа свои нюансы, но следует помнить, что при промывке форсунок жидкостью без снятия их с двигателя после завершения процедуры рекомендуется заменить свечи и масло (и соответствующий фильтр) в двигателе, предварительно промыв его — что делает операцию весьма накладной. Кроме того, следует учитывать, что ввиду наличия в форсунках сеточки-уловителя, промывка некоторых форсунок может быть возможна только в направлении, обратном обычному распылению.

При снятии форсунок с двигателя замене подлежат уплотнительные резиновые прокладки этих форсунок. При этом для самой чистки потребуется специальный промывочный стенд либо самодельные приспособления, которые заставят форсунку открыть клапан для промывки.

В любом случае есть серьёзный риск повреждения двигателя в результате неверных действий. А в случае обслуживания дизельных двигателей следует учитывать еще и возможность наличия в системе серьёзного остаточного давления.

И все же нельзя сказать, что диагностика и обслуживание инжекторного двигателя существенно сложнее диагностики и обслуживания карбюраторного.

Конечно, для обслуживания карбюраторного двигателя не нужен сканер ошибок или бортовой компьютер. В нем не присутствует того количества датчиков и подсистем, которое мы встречаем в системе управления инжекторным двигателем.

С другой стороны – при наличии нужного оборудования компьютер инжекторного двигателя тут же объясняет, где искать неисправность – и для этого не надо вызывать опытного специалиста-диагноста, а достаточно подключить бортовой компьютер или OBD-сканер.

На ряд же неисправностей, не улавливаемых сканером, существует управа в виде внимательного отношения к собственному авто – изменение поведения автомобиля на дороге, смена звучания двигателя, сбои в работе отдельных систем или внезапно проснувшийся аппетит – всё это указывает на возникшие проблемы и необходимость диагностики. А еще, самый страшный враг «инжектора» — некачественное топливо. Так что внимательно стоит отнестись и к выбору заправочной станции.

Автор
Дмитрий Лонь, корреспондент MotorPage.ru
Издание
MotorPage.Ru

Инжекторная система питания

На всех современных автомобилях с бензиновыми моторами используется инжекторная система подачи топлива, поскольку она является более совершенной, чем карбюраторная, несмотря на то, что она конструктивно более сложная.

Инжекторный двигатель – не новь, но широкое распространение он получил только после развития электронных технологий. Все потому, что механически организовать управление системой, обладающей высокой точностью работы было очень сложно. Но с появлением микропроцессоров это стало вполне возможно.

Инжекторная система отличается тем, что бензин подается строго заданными порциями принудительно в коллектор (цилиндр).

Устройство ДВС

Основным достоинством, которым обладает инжекторная система питания, является соблюдение оптимальных пропорций составных элементов горючей смеси на разных режимах работы силовой установки. Благодаря этому достигается лучший выход мощности и экономичное потребление бензина.

Устройство системы

Инжекторная система подачи топлива состоит из электронной и механической составляющих. Первая контролирует параметры работы силового агрегата и на их основе подает сигналы для срабатывания исполнительной (механической) части.

К электронной составляющей относится микроконтроллер (электронный блок управления) и большое количество следящих датчиков:

  • лямбда-зонд;
  • положения коленвала;
  • массового расхода воздуха;
  • положения дроссельной заслонки;
  • детонации;
  • температуры ОЖ;
  • давления воздуха во впускном коллекторе.

Датчики системы инжектора

На некоторых авто могут иметься еще несколько дополнительных датчиков. У всех у них одна задача – определять параметры работы силового агрегата и передавать их на ЭБУ

Что касается механической части, то в ее состав входят такие элементы:

  • бак;
  • электрический топливный насос;
  • топливные магистрали;
  • фильтр;
  • регулятор давления;
  • топливная рампа;
  • форсунки.

Простая инжекторная система подачи топлива

Как все работает

Теперь рассмотрим принцип работы инжекторного двигателя отдельно по каждой составляющей. С электронной частью, в целом, все просто. Датчики собирают информацию о скорости вращения коленчатого вала, воздуха (поступившего в цилиндры, а также остаточной его части в отработанных газах), положения дросселя (связанного с педалью акселератора), температуры ОЖ. Эти данные датчики передают постоянно на электронный блок, благодаря чему и достигается высокая точность дозировки бензина.

Поступающую с датчиков информацию ЭБУ сравнивает с данными, внесенными в картах, и уже на основе этого сравнения и ряда расчетов осуществляет управление исполнительной частью.В электронный блок внесены так называемые карты с оптимальными параметрами работы силовой установки (к примеру, на такие условия нужно подать столько-то бензина, на другие – столько-то).

Первый инжекторный двигатель Toyota 1973 года

Чтобы было понятнее, рассмотрим более подробно алгоритм работы электронного блока, но по упрощенной схеме, поскольку в действительности при расчете используется очень большое количество данных. В целом, все это направлено на высчитывание временной длины электрического импульса, который подается на форсунки.

Поскольку схема – упрощенная, то предположим, что электронный блок ведет расчеты только по нескольким параметрам, а именно базовой временной длине импульса и двум коэффициентам – температуры ОЖ и уровне кислорода в выхлопных газах. Для получения результата ЭБУ использует формулу, в которой все имеющиеся данные перемножаются.

Для получения базовой длины импульса, микроконтроллер берет два параметра – скорость вращения коленчатого вала и нагрузку, которая может высчитываться по давлению в коллекторе.

К примеру, обороты двигателя составляют 3000, а нагрузка 4. Микроконтроллер берет эти данные и сравнивает с таблицей, внесенной в карту. В данном случае получаем базовую временную длину импульса 12 миллисекунд.

Но для расчетов нужно также учесть коэффициенты, для чего берутся показания с датчиков температуры ОЖ и лямбда-зонда. К примеру, температура составляется 100 град, а уровень кислорода в отработанных газах составляет 3. ЭБУ берет эти данные и сравнивает с еще несколькими таблицами. Предположим, что температурный коэффициент составляет 0,8, а кислородный – 1,0.

Получив все необходимые данные электронный блок проводит расчет. В нашем случае 12 множиться на 0,8 и на 1,0. В результате получаем, что импульс должен составлять 9,6 миллисекунды.

Описанный алгоритм – очень упрощенный, на деле же при расчетах может учитываться не один десяток параметров и показателей.

Поскольку данные поступают на электронный блок постоянно, то система практически мгновенно реагирует на изменение параметров работы мотора и подстраивается под них, обеспечивая оптимальное смесеобразование.

Стоит отметить, что электронный блок управляет не только подачей топлива, в его задачу входит также регулировка угла зажигания для обеспечения оптимальной работы мотора.

Теперь о механической части. Здесь все очень просто: насос, установленный в баке, закачивает в систему бензин, причем под давлением, чтобы обеспечить принудительную подачу. Давление должно быть определенным, поэтому в схему включен регулятор.

По магистралям бензин подается на рампу, которая соединяет между собой все форсунки. Подающийся от ЭБУ электрический импульс приводит к открытию форсунок, а поскольку бензин находится под давлением, то он через открывшийся канал просто впрыскивается.

Виды и типы инжекторов

Инжекторы бывают двух видов:

  1. С одноточечным впрыском. Такая система является устаревшей и на автомобилях уже не используется. Суть ее в том, что форсунка только одна, установленная во впускном коллекторе. Такая конструкция не обеспечивала равномерного распределения топлива по цилиндрам, поэтому ее работа была сходной с карбюраторной системой.
  2. Многоточечный впрыск. На современных авто используется именно этот тип. Здесь для каждого цилиндра предусмотрена своя форсунка, поэтому такая система отличается высокой точностью дозировки. Устанавливаться форсунки могут как во впускной коллектор, так и в сам цилиндр (инжекторная система непосредственного впрыска).

На многоточечной инжекторной системе подачи топлива может использовать несколько типов впрыска:

  1. Одновременный. В этом типе импульс от ЭБУ поступает сразу на все форсунки, и они открываются вместе. Сейчас такой впрыск не используется.
  2. Парный, он же попарно-параллельный. В этом типе форсунки работают парами. Интересно, что только одна из них подает топливо непосредственно в такте впуска, у второй же такт не совпадает. Но поскольку двигатель – 4-тактный, с клапанной системой газораспределения, то несовпадение впрыска по такту на работоспособность мотора влияния не оказывает.
  3. Фазированный. В этом типе ЭБУ подает сигналы на открытие для каждой форсунки отдельно, поэтому впрыск происходит с совпадением по такту.

Примечательно, что современная инжекторная система подачи топлива может использовать несколько типов впрыска. Так, в обычном режиме используется фазированный впрыск, но в случае перехода на аварийное функционирование (к примеру, один из датчиков отказал), инжекторный двигатель переходит на парный впрыск.

Обратная связь с датчиками

Одним из основных датчиков, на показаниях которого ЭБУ регулирует время открытия форсунок, является лямбда-зонд, установленный в выпускной системе. Этот датчик определяет остаточное (не сгоревшее) количество воздуха в газах.

Эволюция датчика лямбда-зонд от Bosch

Благодаря этому датчику обеспечивается так называемая «обратная связь». Суть ее заключается вот в чем: ЭБУ провел все расчеты и подал импульс на форсунки. Топливо поступило, смешалось с воздухом и сгорело. Образовавшиеся выхлопные газы с не сгоревшими частицами смеси выводится из цилиндров по системе отвода выхлопных газов, в которую установлен лямбда-зонд. На основе его показаний ЭБУ определяет, правильно ли были проведены все расчеты и при надобности вносит корректировки для получения оптимального состава. То есть, на основе уже проведенного этапа подачи и сгорания топлива микроконтроллер делает расчеты для следующего.

Стоит отметить, что в процессе работы силовой установки существуют определенные режимы, при которых показания кислородного датчика будут некорректными, что может нарушить работу мотора или требуется смесь с определенным составом. При таких режимах ЭБУ игнорирует информацию с лямбда-зонда, а сигналы на подачу бензина он отправляет, исходя из заложенной в карты информации.

На разных режимах обратная связь работает так:

  • Запуск мотора. Чтобы двигатель смог завестись, нужна обогащенная горючая смесь с увеличенным процентным содержанием топлива. И электронный блок это обеспечивает, причем для этого он использует заданные данные, и информацию от кислородного датчика он не использует;
  • Прогрев. Чтобы инжекторный двигатель быстрее набрал рабочую температуру ЭБУ устанавливает повышенные обороты мотора. При этом он постоянно контролирует его температуру, и по мере прогрева корректирует состав горючей смеси, постепенно ее обедняя до тех пор, пока состав ее не станет оптимальным. В этом режиме электронный блок продолжает использовать заданные в картах данные, все еще не используя показания лямбда-зонда;
  • Холостой ход. При этом режиме двигатель уже полностью прогрет, а температура выхлопных газов – высокая, поэтому условия для корректной работы лямбда-зонда соблюдаются. ЭБУ уже начинает использовать показания кислородного датчика, что позволяет установить стехиометрический состав смеси. При таком составе обеспечивается наибольший выход мощности силовой установки;
  • Движение с плавным изменением оборотов мотора. Для достижения экономичного расхода топлива при максимальном выходе мощности, нужна смесь со стехиометрическим составом, поэтому при таком режиме ЭБУ регулирует подачу бензина на основе показания лямбда-зонда;
  • Резкое увеличение оборотов. Чтобы инжекторный двигатель нормально отреагировал на такое действие, нужна несколько обогащенная смесь. Чтобы ее обеспечить, ЭБУ использует данные карт, а не показания лямбда-зонда;
  • Торможение мотором. Поскольку этот режим не требует выхода мощности от мотора, то достаточно, чтобы смесь просто не давала остановиться силовой установке, а для этого подойдет и обедненная смесь. Для ее проявления показаний лямбда-зонда не нужно, поэтому ЭБУ их не использует.

Как видно, лямбда-зонд хоть и очень важен для работы системы, но информация с него используется далеко не всегда.

Напоследок отметим, что инжектор хоть и конструктивно сложная система и включает множество элементов, поломка которых сразу же сказывается на функционировании силовой установки, но она обеспечивает более рациональный расход бензина, а также повышает экологичность автомобиля. Поэтому альтернативы этой системе питания пока нет.

Ремонт системы зажигания

Стоимость ремонта системы зажигания в KOLOBOX зависит от вида неисправности и степени сложности выполняемых работ.

Зажигание автомобиля — система, включающая в себя множества элементов и отвечающая за воспламенение топлива в цилиндрах карбюратора. Контактная структура зажигания автомобиля включает в себя следующие элементы:

  • АКБ — аккумуляторная автомобильная батарея;
  • Генератор;
  • Катушка зажигания;
  • Свечи зажигания;
  • Прерыватель-распределитель;
  • Выключатель зажигания;

Каковы признаки неисправности системы зажигания?

Рассмотрим основные обстоятельства, свидетельствующие о необходимости ремонта этой структуры:

  • Невозможность или прерывистая работа двигателя автомобиля.
  • Остановка двигателя во время движения на холостом ходу.
  • Двигатель не способен достичь отметки максимальной мощности.

Вышеперечисленные неисправности говорят о выходе из строя одного или нескольких элементов системы зажигания автомашины. В этом случае детали подлежат ремонту или замене.

Наиболее часто замены требуют следующие детали:

  • Катушки зажигания;
  • Свечи зажигания;
  • Прерыватель-распределитель.

Для точного выявления сломавшегося элемента необходимо обратиться в сервис для диагностики и ремонта системы зажигания двигателя.

Каким образом происходит ремонт структуры зажигания?

Большинство деталей, который входят в эту систему, требуют замены для повышения эффективности работы мотора. Но есть и элементы, которым требуется только ремонт или корректировка их работы при помощи определенного оборудования.

Как часто нужно обращаться в компанию KOLOBOX за диагностикой и ремонтом системы зажигания?

Ответ на этот вопрос связан с автомобильным пробегом:

  • Прерыватель-распределитель проверяют каждые 10 тыс. км пробега. В сервисе происходит его проверка, чистка и смазка оси контакта.
  • Спустя 20 тыс. км пробега автомобиля прерыватель снова смазывают, проверяют контакты, защищают их при необходимости. Контроль проходят в этот период и свечи зажигания.
  • Срок свечей зажигания подходит к концу через 30 тыс. км пробега. Их необходимо заменить, проверить и очистить все контакты.

Система зажигания -отвечает за “сердце” автомобиля, его корректную работу, поэтому так важно доверять ее стабильное функционирование компании KOLOBOX!

Перейти к прайс-листу

Записаться на шиномонтаж (услуги)

Адреса торговых точек

Содержание Введение……………………………………………………………………………3

Министерство
образования и науки Российской Федерации

Сыктывкарский
лесной институт филиал

Федерального
государственного бюджетного
образовательного учреждения

высшего
профессионального образования

Санкт-Петербургского
государственного лесотехнического
университета

им.
С.М.Кирова

Факультет
ЛТФ

Кафедра
АиАХ

Лабораторная
работа № 1,2

Отчёт

Дисциплина:
ТЭА

Тема:
Система
питания инжекторного двигателя.

Выполнил

Артеева Т. П., гр. 141

Проверил

Юшков А. Н., к.т.н.

Зав.
кафедрой
Чудов В. И., к.т.н.

Сыктывкар
– 2011

  1. Устройство
    системы питания инжекторного
    двигателя…..………………….4

  2. Основные
    неисправности системы питания.………………………………7

    1. Датчики………………………………………………………………….7

    2. Форсунки………………………………………………………………..9

    3. Бензонасос……………………………………………………………..11

  3. ТО
    системы питания………….………………..………………………….12

Введение

На
сегодняшний день инжекторный двигатель
практически полностью заменил устаревшую
карбюраторную систему.

Инжекторный
двигатель улучшает эксплуатационные
и мощностные показатели автомобиля
(динамика разгона, экологические
характеристики, расход топлива и т.д.).

Инжектор
позволяет длительное время соблюдать
высокие экологические стандарты, без
ручных регулировок, благодаря самонастройки
по датчику кислорода.

Инжекторный
двигатель. Основные достоинства.

Основные
достоинства инжектора по сравнению с
карбюратором: уменьшенный расход
топлива, улучшенная динамика разгона,
уменьшение выбросов вредных веществ,
стабильность работы. Изменение параметров
электронного впрыска может происходить
буквально «на лету», так как
управление осуществляется программно,
и может учитывать практически большое
число программных функций и данных с
датчиков. Также современные системы
электронного впрыска способны адаптировать
программу работы под конкретный экземпляр
мотора, под стиль вождения водителя, и
т.п.

Инжекторный
двигатель. Недостатки.

Основные
недостатки инжекторных двигателей по
сравнению с карбюраторными: высокая
стоимость ремонта, высокая стоимость
узлов, неремонтопригодность элементов,
высокие требования к качеству топлива,
необходимо специализированное
оборудование для диагностики, обслуживания
и ремонта.

Инжекторные
системы питания двигателя классифицируются
следующим образом. Моновпрыск или
центральный впрыск — одна форсунка на
все цилиндры, расположенная на месте
карбюратора (во впускном коллекторе).
В современных двигателях не встречается.
Распределённый впрыск — каждый цилиндр
обслуживается отдельной изолированной
форсункой во впускном коллекторе.
Одновременный — все форсунки открываются
одновременно. Попарно-параллельный —
форсунки открываются парами, причём
одна форсунка открывается непосредственно
перед циклом впуска, а вторая перед
тактом выпуска.

  1. Устройство системы питания инжекторного двигателя

Рис.1.
Схема подачи топлива двигателя с системой
впрыска топлива

1
– форсунки; 2 – пробка штуцера для
контроля давления топлива;3 – рампа
форсунок; 4 – кронштейн крепления
топливных трубок;5 – регулятор давления
топлива; 6 – адсорбер с электромагнитным
клапаном; 7 – шланг для отсоса паров
бензина из адсорбера;8 – дроссельный
узел; 9 – двухходовой клапан;10 –
гравитационный клапан; 11 – предохранительный
клапан;12 – сепаратор; 13 – шланг сепаратора;
14 – пробка топливного бака; 15 – наливная
труба; 16 – шланг наливной трубы; 17 –
топливный фильтр; 18 – топливный бак; 19
– электробензонасос; 20 – сливной
топливопровод; 21 – подающий топливопровод.

Топливо
подается из бака, установленного под
днищем в районе задних сидений. Топливный
бак ваз 2111 – стальной, состоит из двух
сваренных между собой штампованных
половин. Заливная горловина соединена
с баком резиновым бензостойким шлангом,
закрепленным хомутами. Пробка герметична.
Бензонасос – электрический, погружной,
роторный, двухступенчатый, установлен
в топливном баке. Развиваемое давление
— не менее 3 бар (3 атм).

Бензонасос
ваз 2110 включается по команде контроллера
системы впрыска (при включенном зажигании
ваз 2112) через реле. Для доступа к насосу
под задним сиденьем в днище автомобиля
имеется лючок. От насоса по гибкому
шлангу топливо под давлением подается
к фильтру тонкой очистки и далее – через
стальные топливопроводы и резиновые
шланги – к топливной рампе.

Фильтр
тонкой очистки топлива – неразборный,
в стальном корпусе, с бумажным фильтрующим
элементом. На корпусе фильтра нанесена
стрелка, которая должна совпадать с
направлением движения топлива.

Топливная
рампа служит для подачи топлива к
форсункам и закреплена на впускном
коллекторе. С одной стороны на ней
находится штуцер для контроля давления
топлива, с другой – регулятор давления.
Последний изменяет давление в топливной
рампе – от 2,8 до 3,2 бар (2,8-3,2 атм) – в
зависимости от разрежения в ресивере,
поддерживая постоянный перепад между
ними. Это необходимо для точного
дозирования топлива форсунками.

Регулятор
давления топлива ваз 2111, ваз 2112 представляет
собой топливный клапан, соединенный с
подпружиненной диафрагмой. Под действием
пружины клапан закрыт. Диафрагма делит
полость регулятора на две изолированные
камеры – «топливную» и «воздушную».
«Воздушная» соединена вакуумным
шлангом с ресивером, а «топливная»
– непосредственно с полостью рампы.
При работе двигателя разрежение,
преодолевая сопротивление пружины,
стремится втянуть диафрагму, открывая
клапан. С другой стороны на диафрагму
давит топливо, также сжимая пружину. В
результате клапан открывается, и часть
топлива стравливается через сливной
трубопровод обратно в бак. При нажатии
на педаль «газа» разрежение за
дроссельной заслонкой уменьшается,
диафрагма под действием пружины
прикрывает клапан – давление топлива
возрастает. Если же дроссельная заслонка
закрыта, разрежение за ней максимально,
диафрагма сильнее оттягивает клапан –
давление топлива снижается. Перепад
давлений задается жесткостью пружины
и размерами отверстия клапана, регулировке
не подлежит. Регулятор давления –
неразборный, при выходе из строя его
заменяют.

Форсунки
крепятся к рампе через уплотнительные
резиновые кольца. Форсунка представляет
собой электромагнитный клапан,
пропускающий топливо при подаче на него
напряжения, и запирающийся под действием
возвратной пружины при обесточивании.
На выходе форсунки имеется распылитель,
через который топливо впрыскивается
во впускной коллектор. Управляет
форсунками контроллер системы впрыска.
При обрыве или замыкании в обмотке
форсунки ее следует заменить. При
засорении форсунок их можно промыть
без демонтажа на специальном стенде
СТО.

В
системе впрыска с обратной связью
применяется система улавливания паров
топлива ваз 2110. Она состоит из адсорбера,
установленного в моторном отсеке,
сепаратора, клапанов и соединительных
шлангов. Пары топлива из бака частично
конденсируются в сепараторе, конденсат
сливается обратно в бак. Оставшиеся
пары проходят через гравитационный и
двухходовой клапаны. Гравитационный
клапан предотвращает вытекание топлива
из бака при опрокидывании автомобиля
ваз 2111, а двухходовой препятствует
чрезмерному повышению или понижению
давления в топливном баке.

Затем
пары топлива попадают в адсорбер ваз
2110, где поглощаются активированным
углем. Второй штуцер адсорбера соединен
шлангом с дроссельным узлом, а третий
– с атмосферой. Однако на выключенном
двигателе третий штуцер перекрыт
электромагнитным клапаном, так что в
этом случае адсорбер не сообщается с
атмосферой. При запуске двигателя
контроллер системы впрыска начинает
подавать управляющие импульсы на клапан
с частотой 16 Гц. Клапан сообщает полость
адсорбера с атмосферой и происходит
продувка сорбента: пары бензина
отсасываются через шланг в ресивер. Чем
больше расход воздуха двигателем, тем
больше длительность управляющих
импульсов и тем интенсивнее продувка.

В
системе впрыска без обратной связи
система улавливания паров топлива
состоит из сепаратора с двухходовым
обратным клапаном. Воздушный фильтр
ваз 2111 установлен в передней левой части
моторного отсека на трех резиновых
держателях (опорах). Фильтрующий элемент
– бумажный, при установке его гофры
должны располагаться параллельно оси
автомобиля. После фильтра воздух проходит
через датчик массового расхода воздуха
и попадает во впускной шланг, ведущий
к дроссельному узлу. Дроссельный узел
закреплен на ресивере. Нажимая на педаль
«газа», водитель приоткрывает
дроссельную заслонку, изменяя количество
поступающего в двигатель воздуха, а
значит, и горючей смеси – ведь подача
топлива рассчитывается контроллером
в зависимости от расхода воздуха. Когда
двигатель работает на холостом ходу и
дроссельная заслонка закрыта, воздух
поступает через регулятор холостого
хода – клапан, управляемый контроллером.
Последний, изменяя количество подаваемого
воздуха, поддерживает заданные (в
программе компьютера) обороты холостого
хода. Регулятор холостого хода ваз 2112
– неразборный, при выходе из строя его
заменяют.

Понятие об инжекторном двигателе.

Системы питания с впрыском бензина



Понятие об инжекторных двигателях

Инжекторными называются двигатели с искровым зажиганием топливной смеси, в которых в качестве топлива используют бензин, а процесс смесеобразования происходит с помощью форсунки или форсунок, впрыскивающих топливо под давлением во впускной трубопровод или в цилиндр двигателя.

Впрыск топлива вместо использования процесса карбюрации позволил получить ряд определенных выгод, поэтому в последние годы все системы питания, использующие впрыск все больше вытесняют карбюраторные системы питания двигателей, особенно на легковых автомобилях.

Широкому применению систем впрыска топлива на грузовых автомобилях в настоящее время препятствуют такие их недостатки, как повышенная сложность обслуживания и дороговизна используемых приборов и узлов. Однако, с учетом несомненных преимуществ, позволяющих получить ощутимую долгосрочную выгоду, можно предположить, что и на грузовом автотранспорте, особенно малой и средней грузоподъемности, системы впрыска бензина найдут широкое применение в ближайшие годы. На грузовых автомобилях повышенной грузоподъемности и автобусах достойной конкуренции дизельным двигателям пока нет.

***

Достоинства и недостатки систем впрыска топлива

Несомненным преимуществом систем впрыскивания топлива по сравнению с карбюраторными системами питания являются следующие:

  • отсутствие устройств, создающих сопротивление потоку воздуха на впускном трубопроводе (карбюратора) и вследствие этого более высокий коэффициент наполнения цилиндров, что обеспечивает получение более высокой «литровой» мощности;
  • возможность использования большего перекрытия клапанов, когда открыты одновременно впускной и выпускной клапаны, что улучшает процесс продувки камеры сгорания чистым воздухом, а не горючей смесью;
  • более точное дозирование количества топлива, необходимого для работы двигателя на различных режимах его работы;
  • снижение температуры стенок цилиндров, днища поршней и выпускных клапанов из-за лучшей продувки и более равномерного состава горючей смеси, что позволяет без опасности детонации поднять степень сжатия смеси в цилиндре на 2…3 единицы;
  • снижение количества оксидов азота при сгорании топлива, т. е. снижение токсичности отработавших газов;
  • улучшение смазывания зеркала цилиндров двигателя и, как следствие, снижение уровня механических потерь на трение.



Таким образом, благодаря перечисленным достоинствам системы питания с впрыском топлива позволяют обеспечить по сравнению с карбюраторной системой (при прочих равных условиях) более высокую мощность двигателя, улучшенную экономичность, снижение выбросов вредных веществ в атмосферу и повышение степени сжатия, а также повысить ресурс двигателя.

Особенно ценным качеством бензиновых систем питания, использующих впрыск, является возможность объединить управление систем питания и зажигания посредством единого управляющего центра (компьютера), что открывает широкие динамические и экономические перспективы для инжекторных двигателей, а также возможность существенной автоматизации многих процессов в их работе.

Не лишены системы впрыска воздуха и недостатков:

  • относительно высокая стоимость;
  • сложность технического обслуживания, требующая специального оборудования и высокой квалификации обслуживающего персонала;
  • повышенные требования к качеству и очистке бензина.

***

Классификация систем питания с впрыском бензина



Главная страница
Дистанционное образование

Специальности

Учебные дисциплины

Олимпиады и тесты

АЛГОРИТМ АДАПТИВНОГО УПРАВЛЕНИЯ КРУТЯЩИМ МОМЕНТОМ ИНЖЕКТОРНОГО ДВИГАТЕЛЯ ВНУТРЕННЕГО СГОРАНИЯ

Ключевые слова: адаптивное управление, нелинейная система, инжекторный двигатель, крутящий момент двигателя.

Благодарности. Работа выполнена при государственной финансовой поддержке ведущих университетов Российской Федерации
(субсидия 074-U01) и поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (проект 14.Z50.31.0031)

Список литературы


1. Двигатели внутреннего сгорания. Кн. 1. Теория рабочих процессов / Под ред. В.Н. Луканина, М.Г. Шатрова. М.: Высшая школа, 2005. 479 с.


2. Герасимов Д.Н., Джавахериан Х., Ефимов Д.В., Никифоров В.О. Инжекторный двигатель как объект управления: I. Схема двигателя и синтез математической модели // Известия РАН. Теория и системы управления. 2010. № 5. С. 135–147.


3. Stefanopoulou A.G., Grizzle J.W., Freudenberg J.S. Engine air-fuel ratio and torque control using secondary throttles // Proc. of IEEE Conf. on Decision and Control. 1994. V. 3. P. 2748–2753.


4. Jankovic M., Frischmuth F., Stefanopoulou A., Cook J.A. Torque management of engines with variable cam timing // IEEE Control Systems Magazine. 1998. V.18. N 5. P. 34–42. doi: 10.1109/37.722251


5. Jankovic M., Magner M., Hsieh S., Koncsol J. Transient effects and torque control of engines with variable cam timing // Proceedings of the American Control Conference. 2000. V. 1. P. 50–54.


6. Karnik A.Y., Buckland J.H., Freudenberg J.S. Electronic throttle and wastegate control for turbocharged gasoline engines // Proceedings of the American Control Conference. 2005. V. 7. P. 4434–4439.


7. Ali A., Blath J.P. Nonlinear torque control of a spark-ignited engine // Proceedings of the American Control Conference. 2006. P. 3266–3271.


8. Ali A., Blath J.P. Application of modern techniques to SI-engine torque control // Proc. of the IEEE International Conf. on Control Applications. Munich, Germany, 2006. P. 2405–2410. doi: 10.1109/CACSD-CCAISIC. 2006.4777017


9. Hong M., Ouyang M., Shen T., Li J. Model-based PI feedback control of engine torque // IEEE International Conference on Control and Automation. Xiamen, China, 2010. P. 12–15. doi: 10.1109/ICCA.2010.5524184


10. Kolmanovsky I.V., Druzhinina M., Sun J. Speed-gradient approach to torque and air-to-fuel ratio control in DISC engines // IEEE Transactions on Control Systems Technology. 2002. V. 10. N 5. P. 671–678. doi:


10.1109/TCST.2002.801803


11. Hong M., Shen T., Ouyang M. Nonlinear observer-based torque control for SI engine // Proc. ICROS-SICE International Joint Conference. Fukuoka, Japan, 2009. P. 4114–4119.


12. Vermillion C., Butts K., Reidy K. Model predictive engine torque control with real-time driver-in-the-loop simulation results // Proceedings of the 2010 American Control Conference. Baltimore, USA, 2010. P.1459– 1464.


13. Sakai Y., Kanai M., Yamakita M. Torque demand control by nonlinear MPC with constraints for vehicles with variable valve lift engine // Proceedings of the IEEE International Conference on Control Applications. Yokohama, Japan, 2010. P. 1642–1647. doi: 10.1109/CCA.2010.5611240


14. Javaherian H., Liu D., Kovalenko O. Automotive engine torque and air-fuel ratio control using dual heuristic dynamic programming // IEEE International Conference on Neural Networks. Vankuver, Canada, 2006. Art. 1716137. P. 518–525.


15. Zweiri Y.H., Seneviratne L.D. Diesel engine indicated torque estimation based on artificial neural networks // Proc. IEEE/ACS Int. Conf. on Computer Systems and Application (AICCSA 2007). Amman, Jordan, 2007. Art. 4231051. P. 791–798. doi: 10.1109/AICCSA.2007.370723


16. Huang K., Wang S., Jin Z., Jiang D. Feedforward method of engine torque estimation // IEEE International Conference on Vehicular Electronics and Safety (ICVES). Shanghai, China, 2006. P. 246–249. doi: 10.1109/ICVES.2006.371592


17. Nagata T., Tomizuka M. Robust engine torque control by iterative learning control // Proceedings of the American Control Conference. 2009. P. 2064–2069. doi: 10.1109/ACC.2009.5159841


18. Колюбин С.А., Ефимов Д.В., Никифоров В.О., Бобцов А.А. Двухканальное адаптивное гибридное управление соотношением воздух-топливо и крутящим моментом автомобильных двигателей // Автоматика и телемеханика. 2012. № 11. С. 42–59.


19. Герасимов Д.Н., Колюбин С.А., Никифоров В.О Адаптивное управление соотношением воздух- топливо и крутящим моментом в инжекторных двигателях внутреннего сгорания // Научно-технический вестник СПбГУ ИТМО. 2009. № 1 (59). С. 14–21.


20. Герасимов Д.Н., Джавахериан Х., Ефимов Д.В., Никифоров В.О. Инжекторный двигатель как объект управления. Часть II: Задачи автоматического управления двигателем // Известия РАН. Теория и сис- темы управления. 2010. № 6. С. 170–181.


21. Герасимов Д.Н., Никифоров В.О. Адаптивное управление крутящим моментом в инжекторных двига- телях внутреннего сгорания // Мехатроника, автоматизация, управление. 2013. № 3. С. 47–55.


22. Герасимов Д.Н., Никифоров В.О., Парамонов А.В., Серов Д.С. Адаптивное управление крутящим моментом в инжекторных двигателях с переменными фазами газораспределения // Изв. вузов. Прибо- ростроение. 2014. Т. 57. № 12. С. 28–33.


23. Никифоров В.О., Герасимов Д.H. Адаптивный регулятор стабилизации простой структуры // Научно-технический вестник информационных технологий, механики и оптики. 2012. № 5 (81). С. 48–52.


24. Gerasimov D.N., Nikiforov V.O. Simple adaptive output control of linear systems // Proc. IEEE Int. Conf. on Intelligent Control (ISIC 2014). Juan Les Pins, France, 2014. P. 566–571. doi: 10.1109/ISIC.2014.6967606


25. Ginoux S., Champoussin J. Engine torque determination by crankangle measurements: state of the art, future prospects // SAE Technical Paper. 1997. Report 970532. doi: 10.4271/970532


26. Park S., Sunwoo M. Torque estimation of spark ignition engines via cylinder pressure measurement // Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers, Part D: Journal of Automobile Engineering. 2003. V. 217. N 9. P. 809−817.

Инжектор: описание,виды,устройство,неисправности,плюсы и минусы,фото

Инжекторный двигатель (двигатель с инжектором, англ. electronic fuel injection engine) — современный тип ДВС, оснащенный инжекторной системой топливного впрыска, которая пришла на смену моторам с карбюратором. Сегодня новые бензиновые автомобили оснащаются исключительно инжектором, так как данное решение способно обеспечить силовой установке необходимое соответствие строгим нормам касательно экономичности и токсичности отработавших газов.

Карбюратор проигрывает инжектору по общим показателям эффективности, так как инжекторные двигатели стабильнее работают, автомобиль получает улучшенную динамику разгона. Инжекторный агрегат потребляет меньше топлива, содержание вредных веществ в выхлопе снижается, так как топливо сгорает более полноценно. Управление системой полностью автоматизировано (в отличие от карбюратора), то есть не требует ручной подстройки во время эксплуатации. Что касается дизельных двигателей, система впрыска дизтоплива на таких моторах имеет ряд конструктивных отличий, хотя общий принцип работы инжектора на дизеле остается похожим на бензиновые аналоги.

Содержание статьи

  • Как работает инжектор
  • Плюсы и минусы инжектора
  • Схема работы инжектора
  • Устройство простейшего инжектора
  • Чем отличается инжекторный двигатель от карбюраторного
  • Частые неисправности инжектора
      • Датчик дроссельной заслонки: предназначение,типы,виды,неисправности,фото
      • Датчик холостого хода: принцип действия,устройство,виды,фото,назначение
      • Датчик расхода воздуха: принцип работы,виды,неисправности,фото
      • Обратный клапан топливной системы:функции,виды,устройство и принцип действия

Как работает инжектор

Инжекторная система включает в себя несколько дополнительных элементов, среди которых датчики, контроллер, бензонасос, регулятор давления. На контроллер поступает информация от многочисленных датчиков, которые сообщают электронике о расходе воздуха, оборотах коленвала, температуре охлаждающей жидкости, напряжении в сети авто, положении дроссельной заслонки и много других важных данных. На основе полученной информации контроллер (или ЭБУ – электронный блок управления) производит дозирование подачи топлива и управляет другими системами, приборами авто, обеспечивая наиболее оптимальный режим работы двигателя.

Схему работы инжектора можно рассмотреть и по-другому: электрический насос качает топливо, регулятор давления обеспечивает разницу давления в форсунках и впускным коллектором, а контроллер, получая информацию от датчиков, управляет системами двигателя, в т.ч. подачей топлива, распределением зажигания.

Плюсы и минусы инжектора

Одно из основных достоинств – более низкий по сравнению с карбюраторным двигателем расход топлива, обусловленный точечным впрыском. Также точное дозирование обеспечивает практически полное сгорание топлива в цилиндрах, что уменьшает токсичность выхлопных газов. В результате работы инжектора мотор работает в наиболее оптимальном режиме, что увеличивает его мощность (примерно на 5-10%) и продлевает срок службы.

К другим плюсам относится облегченный запуск в зимнее время (подогрев не требуется) и быстрое реагирование на изменение нагрузки, что улучшает динамические свойства авто. Но не обошлось и без минусов: инжектор обходится дороже карбюраторной системы, а его ремонт достаточно сложен и дорог. Если обслуживание карбюратора нередко сводится к промывке, продувке, то для одной только качественной диагностики инжектора требуется специальное оборудование, которое, учитывая российскую специфику, имеется далеко не в каждом автосервисе.

Схема работы инжектора

Если не влазить в дебри «электронного мозга» нашего автомобиля, то схема работы инжектора выглядит следующим образом. На многочисленные датчики поступает информация о: вращении коленвала, о расходе воздуха, о том, какая температура охлаждающей жидкости двигателя, о дроссельной заслонке, о детонации в двигателе, о расходе топлива, о скоростном режиме, о напряжении бортовой сети авто и так далее.

Контроллер, получая данную информацию о параметрах автомобиля, производит управление системами и приборами, в частности: подачей топлива, системой зажигания, регулятором холостого хода, системой диагностики и так далее. Изменение рабочих параметров инжекторной системы впрыска меняется систематически, исходя из полученных данных.

Устройство простейшего инжектора

Инжектор включает в себя такие исполнительные элементы, как:

  • бензонасос (электрический),
  • ЭБУ (контроллер),
  • регулятор давления,
  • датчики,
  • форсунка (инжектор).

Соответственно, схема инжектора: электробензонасос подает топливо, регулятор давления поддерживает разницу давления в инжекторах (форсунках) и воздухом впускного коллектора. Контроллер, обрабатывает информацию от датчиков: температуры, детонации, распредвала и коленвала, и управляет системами зажигания, подачи топлива и так далее.

Всем хороша инжекторная система впрыска топлива, но и она не обошлась без своих особенностей. Приверженцы карбюраторов, называют их недостатками. Особенностями инжектора смело можно назвать: достаточно высокая стоимость узлов инжектора, низкая ремонтопригодность, высокие требования к качеству и составу топлива, необходимость специального оборудования для диагностики, и высокая стоимость ремонтных работ.

Теперь, перейдем от рассказа о том, как работает и выглядит инжектор к наглядному пособию. Вы увидите на  видео, принцип работы инжектора, и вам сразу же станет понятно всё, о чем написано выше.

НЕМНОГО ИСТОРИИ

Активно устанавливаться такая система питания на автомобилях стала со средины 80-х годов, когда начали вводиться нормы экологичности выбросов. Сама идея инжекторной системы питания появилась значительно раньше, еще в 30-х годах. Но тогда основная задача крылась не в экологичном выхлопе, а повышении мощности.

Первые инжеторные системы применялись в боевой авиации. На то время, это была полностью механическая конструкция, которая вполне неплохо выполняла свои функции. С появлением реактивных двигателей, инжекторы практически перестали использоваться в военной авиатехнике. На автомобилях же механический инжектор особо распространения не получил, поскольку он не мог полноценно выполнять возложенные функции. Дело в том, что режимы двигателя автомобиля меняются значительно чаще, чем у самолета, и механическая система не успевала своевременно подстраиваться под работу мотора. В этом плане карбюратор выигрывал.

Но активное развитие электроники дало «вторую жизнь» инжекторной системе. И немаловажную роль в этом сыграла борьба за уменьшение выброса вредных веществ. В поисках замены карбюратору, который уже не соответствовал нормативам экологичности, конструкторы вернулись к инжекторной системе, но кардинально пересмотрели ее работу и конструкцию.

ВИДЫ ИНЖЕКТОРОВ

Первые инжекторы, которые массово начали использовать на бензиновых моторах все еще были механическими, но у них уже начал появляться некоторые электрические элементы, способствовавшие лучшей работе мотора.

Современная же инжекторная система включает в себя большое количество электронных элементов, а вся работа системы контролируется контроллером, он же электронный блок управления.

Всего существует три типа инжекторных систем, различающихся по типу подачи топлива:

  1. Центральная;
  2. Распределенная;
  3. Непосредственная.
  1. ЦЕНТРАЛЬНАЯ

Центральная инжекторная система сейчас уже является устаревшей. Суть ее в том, что топливо впрыскивается в одном месте – на входе во впускной коллектор, где оно смешивается с воздухом и распределяется по цилиндрам. В данном случае, ее работа очень схожа с карбюратором, с единственной лишь разницей, что топливо подается под давлением. Это обеспечивает его распыление и более лучшее смешивание с воздухом. Но ряд факторов мог повлиять на равномерную наполняемость цилиндров.

Центральная система отличалась простотой конструкции и быстрым реагированием на изменение рабочих параметров силовой установки. Но полноценно выполнять свои функции она не могла Из-за разности наполнения цилиндров не удавалось добиться нужного сгорания топлива в цилиндрах.

2. РАСПРЕДЕЛЕННАЯ

Распределенная система – на данный момент самая оптимальная и используется на множестве автомобилей. У этого инжектора топливо подается отдельно для каждого цилиндра, хоть и впрыскивается оно тоже во впускной коллектор. Чтобы обеспечить раздельную подачу, элементы, которыми подается топливо, установлены рядом с головкой блока, и бензин подается в зону работы клапанов.

Благодаря такой конструкции, удается добиться соблюдения пропорций топливовоздушной смеси для обеспечения нужного горения. Автомобили с такой системой являются более экономичными, но при этом выход мощности – больше, да и окружающую среду они загрязняют меньше.

К недостаткам распределенной системы относится более сложная конструкция и чувствительность к качеству топлива.

3. НЕПОСРЕДСТВЕННАЯ

Система непосредственного впрыска на данный момент – самая совершенная. Она отличается тем, что топливо впрыскивается непосредственно в цилиндры, где уже и происходит смешивание его с воздухом. Эта система по принципу работы очень схожа с дизельной. Она позволяет еще больше снизить потребление бензина и обеспечивает больший выход мощности, но она очень сложная по конструкции и очень требовательна к качеству бензина.

ЭЛЕКТРОННАЯ СОСТАВЛЯЮЩАЯ

Основным элементом электронной части системы является электронный блок, состоящий из контролера и блока памяти. В конструкцию также входит большое количество датчиков, на основе показаний которых ЭБУ выполняет управление системой.

Для своей работы ЭБУ использует показания датчиков:

  1. Лямбда-зонд . Это датчик, который определяет остатки несгоревшего воздуха в выхлопных газах. На основе показаний лямбда-зонда ЭБУ оценивает как соблюдается смесеобразование в необходимых пропорциях. Устанавливается в выпускной системе авто.
  2. Датчик массового расхода воздуха (аббр. ДМРВ). Этим датчиком определяется количество проходящего через дроссельный узел воздуха при всасывании его цилиндрами. Расположен в корпусе воздушного фильтрующего элемента;
  3. Датчик положения дроссельной заслонки (аббр. ДПДЗ). Этот датчик подает сигнал о положении педали акселератора. Установлен в дроссельном узле;
  4. Датчик температуры силовой установки. На основе показаний этого элемента регулируется состав смеси в зависимости от температуры мотора. Располагается возле термостата;
  5. Датчик положения коленчатого вала (аббр. ДПКВ). На основе показаний этого датчика определяется цилиндр, в который необходимо подать порцию топлива, время подачи бензина, и искрообразование. Установлен возле шкива коленчатого вала;
  6. Датчик детонации. Необходим для выявления образования детонационного сгорания и принятия мер для его устранения. Расположен на блоке цилиндров;
  7. Датчик скорости. Нужен для создания импульсов, по которым высчитывается скорость движения авто. На основе его показаний делается корректировка топливной смеси. Установлен на коробке передач;
  8. Датчик фаз. Он предназначен для определения углового положения распредвала. На некоторых автомобилях может отсутствовать. При наличии этого датчика в двигателе выполняется фазированный впрыск, то есть, импульс на открытие поступает только для конкретной форсунки. Если этого датчика нет, то форсунки работают в парном режиме, когда сигнал на открытие подается сразу на две форсунки. Установлен в головке блока;

Теперь коротко от том, как все работает. Элекробензонасос заполняет всю систему топливом. Контролер получает показания от все датчиков, сравнивает их с данными, занесенными в блок памяти. При несовпадении показаний, он корректирует работу системы питания так, чтобы добиться максимального совпадения получаемых

данных с занесенными в блок памяти.

Что касается подачи топлива, то на основе данных от датчиков, контролером высчитывается время открытия форсунок, чтобы обеспечить оптимальное количество подаваемого бензина для создания топливовоздушной смеси в необходимой пропорции.

При поломке какого-то из датчиков, контролер переходит в аварийный режим. То есть, он берет усредненное значение показаний неисправного датчика и использует их для работы. При этом возможно изменение функционирование мотора – увеличивается расход, падает мощность, появляются перебои в работы. Но это не касается ДПКВ, при его поломке, двигатель функционировать не может.

Чем отличается инжекторный двигатель от карбюраторного

Инжектор представляет собой принципиально другой способ подачи топлива в камеру сгорания по сравнению с карбюратором. Другими словами, в инжекторном моторе наибольшие конструктивные изменения коснулись системы питания и топливоподачи.  В карбюраторном двигателе бензин смешивается с определенной частью воздуха во внешнем устройстве (карбюраторе). После образовавшаяся топливно-воздушная смесь всасывается в цилиндры двигателя. Инжекторный двигатель имеет специальные инжекторные форсунки, которые дозировано впрыскивают горючее под давлением, после чего происходит смешение порции топлива с воздухом. Если сравнивать эффективность подачи горючего инжектором и карбюратором, мотор с инжектором оказывается до 15% мощнее. Также отмечается существенная экономия топлива на разных режимах работы двигателя.

Частые неисправности инжектора

Так как инжектор является сложной многокомпонентной системой, со временем отдельные элементы могут выходить из строя. Главной задачей инжектора является максимально возможная эффективность сгорания топлива, которая достигается благодаря поддержанию строго определенного состава рабочей смеси топлива и воздуха. В результате любой сбой в работе электронных датчиков приводит к дисбалансу в работе всей инжекторной системы, могут плавать обороты на холостом ходу или в движении, двигатель может троить или не заводиться, отмечается изменение цвета выхлопа и т.д.

В отдельных случаях ЭБУ может перевести мотор в аварийный режим. Силовой агрегат в такой ситуации не набирает обороты, на приборной панели горит «check» и т.п. Еще одной причиной неисправностей инжектора является загрязнение фильтрующих элементов в системе топливоподачи или самих инжекторных форсунок в результате использования бензина низкого качества. Для поддержания работоспособности топливный фильтр нужно своевременно менять. Не меньше внимания, особенно на автомобилях с пробегом более 50-70 тыс. км, заслуживает сетка-фильтр бензонасоса. Указанную сеточку бензонасоса рекомендуется менять или чистить.

Также желательно один раз в несколько лет мыть топливный бак параллельно замене или очистке указанной сетки-фильтра грубой очистки топливного насоса.  Отметим, что важно определять и устранять неисправность инжектора своевременно, так как сбои в его работе могут существенно ухудшить общее состояние ДВС и привести к другим поломкам. Что касается засорения топливных форсунок, в этом случае двигатель хуже заводится, теряет мощность и начинает расходовать больше топлива. Нарушение формы факела распыла топлива (особенно в моторах с прямым впрыском) приводит к локальным перегревам, детонации двигателя, прогарам клапанов и т.д.

Также форсунки могут «лить» топливо, то есть не закрываться после прекращения импульса от ЭБУ. В этом случае избытки топлива попадают в камеру сгорания, затем могут проникать в выпускную систему и в систему смазки двигателя через неплотности в местах установки поршневых колец. В таких ситуациях сильно страдает весь двигатель, так как бензин разжижает масло и смазка нагруженных деталей ухудшается. Наличие топлива в выхлопной системе выводит из строя каталитический нейтрализатор (катализатор), который очищает отработавшие газы от вредных соединений.

Для предотвращения неисправностей инжектора форсунки необходимо периодически очищать. Дело в том, что наличие фракций и примесей в бензине постепенно загрязняет инжекторы, что и снижает их производительность, а также нарушает качество распыла топлива. Почистить форсунки можно двумя способами: со снятием или прямо на машине. Процедура очистки инжекторных форсунок на автомобиле предполагает то, что через инжекторы пропускается специальная промывочная жидкость для чистки инжектора.

Способ заключается в том, что от топливной рампы отсоединяется топливная магистраль, после чего вместо бензонасоса в систему начинает качать промывочную жидкость специальный компрессор вместо бензонасоса. Еще одним вариантом чистки инжектора является очистка со снятием форсунок в ультразвуковой ванне или на специальном промывочном стенде. Что касается ультразвука, форсунки помещаются в специальный аппарат или ванну, где волновые колебания «разбивают» отложения. Промывка форсунок со снятием на стенде представляет собой процедуру, когда имитируется работа форсунок в двигателе, при этом вместо бензина через них пропускается промывочная жидкость.

Датчик дроссельной заслонки: предназначение,типы,виды,неисправности,фото
Датчик холостого хода: принцип действия,устройство,виды,фото,назначение
Датчик расхода воздуха: принцип работы,виды,неисправности,фото
Обратный клапан топливной системы:функции,виды,устройство и принцип действия

Атомные структуры всей сократительной инъекционной системы как в растянутом, так и в сжатом состоянии

  • 1.

    Кубе С. и Вендлер П. Структурное сравнение сократительных наномашин. AIMS Biophys. 2 , 88–115 (2015).

    Артикул

    Google Scholar

  • 2.

    Тейлор, Н. М. И., ван Раай, М. Дж. И Лейман, П. Г. Контрактильные инъекционные системы бактериофагов и родственные системы. Мол. Microbiol. 108 , 6–15 (2018).

    CAS
    PubMed
    Статья
    PubMed Central

    Google Scholar

  • 3.

    Patz, S. et al. Частицы, похожие на фаговый хвост, представляют собой универсальные бактериальные наномашины — небольшой обзор. J. Adv. Res. 19 , 75–84 (2019).

    PubMed
    PubMed Central
    Статья

    Google Scholar

  • 4.

    Leiman, P. G. et al. Аппарат секреции типа VI и белковые комплексы, ассоциированные с фаговым хвостом, имеют общее эволюционное происхождение.Proc. Natl Acad. Sci. США 106 , 4154–4159 (2009).

    CAS
    PubMed
    Статья
    PubMed Central

    Google Scholar

  • 5.

    Бракманн, М., Назаров, С., Ван, Дж. И Баслер, М. Использование силы для пробивания отверстий: механика сократительных наномашин. Trends Cell Biol. 27 , 623–632 (2017).

    CAS
    PubMed
    Статья
    PubMed Central

    Google Scholar

  • 6.

    Nguyen, V. S. et al. К полной структурной расшифровке системы секреции типа VI. Curr. Opin. Struct. Биол. 49 , 77–84 (2018).

    CAS
    PubMed
    Статья
    PubMed Central

    Google Scholar

  • 7.

    Nakayama, K. et al. Пиоцин R-типа Pseudomonas aeruginosa связан с фагом P2, а F-тип связан с фагом лямбда. Мол. Microbiol. 38 , 213–231 (2000).

    CAS
    PubMed
    Статья
    PubMed Central

    Google Scholar

  • 8.

    Michel-Briand, Y. & Baysse, C. Пиоцины Pseudomonas aeruginosa. Biochimie 84 , 499–510 (2002).

    CAS
    PubMed
    Статья
    PubMed Central

    Google Scholar

  • 9.

    Ge, P. et al. Атомные структуры бактерицидной сократительной нанотрубки в ее пре- и постсжимающем состоянии. Nat. Struct. Мол. Биол. 22 , 377–382 (2015).

    CAS
    PubMed
    PubMed Central
    Статья

    Google Scholar

  • 10.

    Херст, М. Р. Х., Глэр, Т. Р. и Джексон, Т. А. Клонирование антикормовых генов Serratia entomophila — предполагаемого дефектного профага, активного против личинки травы Costelytra zealandica. J. Bacteriol. 186 , 5116–5128 (2004).

    CAS
    PubMed
    PubMed Central
    Статья

    Google Scholar

  • 11.

    Янг, Г., Доулинг, А. Дж., Герике, У., Френч-Констан, Р. Х. и Уотерфилд, Н. Р. Кассеты вирулентности Photorhabdus придают инъекционное инсектицидное действие против восковой моли.J. Bacteriol. 188 , 2254–2261 (2006).

    CAS
    PubMed
    PubMed Central
    Статья

    Google Scholar

  • 12.

    Саррис, П. Ф., Ладукакис, Э. Д., Панопулос, Н. Дж. И Скулика, Е. В. Элемент, полученный из хвоста фага, широко распространенный среди обоих прокариотических доменов: сравнительное геномное и филогенетическое исследование. Genome Biol. Evol. 6 , 1739–1747 (2014).

    PubMed
    PubMed Central
    Статья
    CAS

    Google Scholar

  • 13.

    Heymann, J. B. et al. Трехмерная структура профага антипитания Serratia entomophila, доставляющего токсин, частицы. J. Biol. Chem. 288 , 25276–25284 (2013).

    CAS
    PubMed
    PubMed Central
    Статья

    Google Scholar

  • 14.

    Jiang, F. et al. Крио-ЭМ структура и сборка внеклеточной сократительной инъекционной системы. Ячейка 177 , 370–383 (2019).

    PubMed
    Статья
    CAS
    PubMed Central

    Google Scholar

  • 15.

    Shikuma, N.J. et al. Метаморфоз морских трубочников, вызванный множеством структур, похожих на хвосты бактериальных фагов. Наука 343 , 529–534 (2014).

    CAS
    PubMed
    PubMed Central
    Статья

    Google Scholar

  • 16.

    Böck, D. et al. Архитектура, функция и эволюция сократительной инъекционной системы на месте. Наука 357 , 713–717 (2017).

    PubMed
    PubMed Central
    Статья
    CAS

    Google Scholar

  • 17.

    Кудряшев М. и др. Строение сократительной оболочки системы секреции VI типа. Ячейка 160 , 952–962 (2015).

    CAS
    PubMed
    PubMed Central
    Статья

    Google Scholar

  • 18.

    Wang, J. et al. Крио-ЭМ структура комплекса оболочка-трубка расширенной системы секреции типа VI. Nat. Microbiol. 2 , 1507–1512 (2017).

    CAS
    PubMed
    Статья
    PubMed Central

    Google Scholar

  • 19.

    Назаров С. и др. Крио-ЭМ реконструкция базовой пластинки системы секреции типа VI и дистального конца оболочки. EMBO J. 37 , e97103 (2017).

    PubMed
    PubMed Central

    Google Scholar

  • 20.

    Тейлор, Н. М. И. и др. Структура T4 опорной плиты и ее функции в вызывая сжатие оболочки. Природа 533 , 346–352 (2016).

    CAS
    PubMed
    Статья
    PubMed Central

    Google Scholar

  • 21.

    Hurst, M. R., Glare, T. R., Jackson, T. A. & Ronson, C. W. Детерминанты патогенности Serratia entomophila, возбудителя янтарной болезни травяной личинки, обнаруженные в плазмидах, обнаруживают сходство с инсектицидными токсинами Photorhabdus luminescens. J. Bacteriol. 182 , 5127–5138 (2000).

    CAS
    PubMed
    PubMed Central
    Статья

    Google Scholar

  • 22.

    Рыбакова Д. и др. Роль антипитательного белка-профага (Afp) Afp16 в прекращении длины хвостоцина Afp и стабилизации его оболочки.Мол. Microbiol. 89 , 702–714 (2013).

    CAS
    PubMed
    Статья
    PubMed Central

    Google Scholar

  • 23.

    Рыбакова, Д., Шрамм, П., Митра, А. К. и Херст, М. Р. Х. Afp14 участвует в регулировании длины антипитательного профага (Afp). Мол. Microbiol. 96 , 815–826 (2015).

    CAS
    PubMed
    Статья
    PubMed Central

    Google Scholar

  • 24.

    Hurst, M. R.H. et al. Штамм Serratia proteamaculans AGR96X кодирует антикормовой профаг (таилоцин) с активностью против личинок травяной личинки (Costelytra giveni) и жука манука (виды Pyronota). Прил. Environ. Microbiol. 84 , e02739-17 (2018).

  • 25.

    Пелл, Л. Г., Канелис, В., Дональдсон, Л. В., Хауэлл, П. Л. и Дэвидсон, А. Р. Структура белка основного хвоста лямбда фага показывает общую эволюцию длиннохвостых фагов и системы секреции бактерий типа VI.Proc. Natl Acad. Sci. США 106 , 4160–4165 (2009).

    CAS
    PubMed
    Статья
    PubMed Central

    Google Scholar

  • 26.

    Arnaud, C.-A. и другие. Структура хвостовой трубки бактериофага T5 предполагает запускающий механизм выброса ДНК Siphoviridae. Nat. Commun. 8 , 1953 (2017).

    PubMed
    PubMed Central
    Статья
    CAS

    Google Scholar

  • 27.

    Биггс, Д. Р. и МакГрегор, П. Г. pH кишечника, активность амилазы и протеазы у личинок новозеландской личинки травы (Costelytra zealandica; Coleoptera: Scarabiaedae) как основа для ингибиторов селекции. Насекомое Biochem. Мол. Биол. 26 , 69–75 (1996).

    CAS
    Статья

    Google Scholar

  • 28.

    Bateman, A. & Bycroft, M. Структура домена LysM из мембраносвязанной литической муреинтрансгликозилазы D (MltD) E. coli.J. Mol. Биол. 299 , 1113–1119 (2000).

    CAS
    PubMed
    Статья
    PubMed Central

    Google Scholar

  • 29.

    Zheng, W. et al. Усовершенствованная крио-ЭМ структура хвостовой трубы T4: исследование минимального предела дозы. Структура 25 , 1436–1441 (2017).

    CAS
    PubMed
    PubMed Central
    Статья

    Google Scholar

  • 30.

    Bönemann, G., Pietrosiuk, A., Diemand, A., Zentgraf, H. & Mogk, A. Ремоделирование канальцев VipA / VipB с помощью ClpV-опосредованной нити является критическим для секреции белка типа VI. EMBO J. 28 , 315–325 (2009).

    PubMed
    PubMed Central
    Статья
    CAS

    Google Scholar

  • 31.

    Zoued, A. et al. Праймирование и полимеризация сократительной структуры хвоста бактерий. Природа 531 , 59–63 (2016).

    CAS
    PubMed
    Статья
    PubMed Central

    Google Scholar

  • 32.

    Zoued, A. et al. TssA: кэп-белок хвоста системы секреции VI типа. Bioessays 39 , 1600262 (2017).

    Артикул
    CAS

    Google Scholar

  • 33.

    Fokine, A. et al. Молекулярная архитектура шейки бактериофага Т4. J. Mol. Биол. 425 , 1731–1744 (2013).

    CAS
    PubMed
    PubMed Central
    Статья

    Google Scholar

  • 34.

    Pell, L.G. et al. Рентгеновская кристаллическая структура белка терминатора лямбда-хвоста фага выявляет биологически релевантную гексамерную кольцевую структуру и демонстрирует консервативный механизм терминации хвоста среди различных длиннохвостых фагов. J. Mol. Биол. 389 , 938–951 (2009).

    CAS
    PubMed
    Статья
    PubMed Central

    Google Scholar

  • 35.

    Cherrak, Y. et al. Биогенез и структура базовой пластинки секреции VI типа.Nat. Microbiol. 3 , 1404–1416 (2018).

    CAS
    PubMed
    Статья
    PubMed Central

    Google Scholar

  • 36.

    Park, Y.-J. и другие. Структура субкомплекса базовой пластинки системы секреции VI типа TssK – TssF – TssG, выявленная с помощью криоэлектронной микроскопии. Nat. Commun. 9 , 5385 (2018).

    PubMed
    PubMed Central
    Статья
    CAS

    Google Scholar

  • 37.

    Shneider, M. M. et al. Белки с PAAR-повторами обостряют и разнообразят спайк системы секреции типа VI. Природа 500 , 350–353 (2013).

    CAS
    PubMed
    PubMed Central
    Статья

    Google Scholar

  • 38.

    Канамару, С., Ишивата, Ю., Сузуки, Т., Россманн, М. Г. и Арисака, Ф. Контроль активности лизоцима хвоста бактериофага Т4 в процессе инфицирования. J. Mol. Биол. 346 , 1013–1020 (2005).

    CAS
    PubMed
    Статья
    PubMed Central

    Google Scholar

  • 39.

    Quentin, D. et al. Механизм загрузки и транслокации эффектора системы секреции типа VI Tse6. Nat. Microbiol. 3 , 1142–1152 (2018).

    CAS
    PubMed
    PubMed Central
    Статья

    Google Scholar

  • 40.

    Кремер, Дж. Р., Мастронарде, Д. Н., Макинтош, Дж.R. Компьютерная визуализация данных трехмерного изображения с использованием IMOD. J. Struct. Биол. 116 , 71–76 (1996).

    CAS
    PubMed
    Статья
    PubMed Central

    Google Scholar

  • 41.

    Tang, G. et al. EMAN2: расширяемый пакет обработки изображений для электронной микроскопии. J. Struct. Биол. 157 , 38–46 (2007).

    CAS
    PubMed
    Статья
    PubMed Central

    Google Scholar

  • 42.

    Desfosses, A., Ciuffa, R., Gutsche, I. & Sachse, C. SPRING — пакет обработки изображений для спиральной реконструкции на основе одной частицы из электронных криомикрофотографий. J. Struct. Биол. 185 , 15–26 (2014).

    CAS
    PubMed
    Статья
    PubMed Central

    Google Scholar

  • 43.

    Минделл Дж. А. и Григорьев Н. Точное определение локальной расфокусировки и наклона образца в электронной микроскопии. Дж.Struct. Биол. 142 , 334–347 (2003).

    PubMed
    Статья
    PubMed Central

    Google Scholar

  • 44.

    Роху, А. и Григорьев, Н. CTFFIND4: Быстрая и точная оценка расфокусировки по электронным микрофотографиям. J. Struct. Биол. 192 , 216–221 (2015).

    PubMed
    PubMed Central
    Статья

    Google Scholar

  • 45.

    Петтерсен, Э.F. et al. UCSF Chimera — система визуализации для поисковых исследований и анализа. J. Comput. Chem. 25 , 1605–1612 (2004).

    CAS
    Статья

    Google Scholar

  • 46.

    Goddard, T. D. et al. UCSF ChimeraX: решение современных задач в области визуализации и анализа. Protein Sci. 27 , 14–25 (2018).

    CAS
    Статья

    Google Scholar

  • 47.

    Эгельман, Э. Х. Надежный алгоритм реконструкции спиральных нитей с использованием одночастичных методов. Ультрамикроскопия 85 , 225–234 (2000).

    CAS
    PubMed
    Статья
    PubMed Central

    Google Scholar

  • 48.

    Frank, J. et al. SPIDER и WEB: обработка и визуализация изображений в 3D электронной микроскопии и смежных областях. J. Struct. Биол. 116 , 190–199 (1996).

    CAS
    PubMed
    Статья
    PubMed Central

    Google Scholar

  • 49.

    Shaikh, T. R. et al. Обработка изображений SPIDER для одночастичной реконструкции биологических макромолекул из электронных микрофотографий. Nat. Protoc. 3 , 1941–1974 (2008).

    CAS
    PubMed
    PubMed Central
    Статья

    Google Scholar

  • 50.

    Zhang, K. Gctf: определение и коррекция CTF в реальном времени. J. Struct. Биол. 193 , 1–12 (2016).

    CAS
    PubMed
    PubMed Central
    Статья

    Google Scholar

  • 51.

    Zivanov, J. et al. Новые средства автоматизированного определения криоЭМ структуры высокого разрешения в РЕЛИОН-3. eLife 7 , e42166 (2018).

  • 52.

    Шерес, С. Х. У. РЕЛИОН: реализация байесовского подхода к определению крио-ЭМ структуры. J. Struct. Биол. 180 , 519–530 (2012).

    CAS
    PubMed
    PubMed Central
    Статья

    Google Scholar

  • 53.

    Ilca, S. L. et al. Локализованная реконструкция субъединиц по электронно-криомикроскопическим изображениям макромолекулярных комплексов.Nat. Commun. 6 , 8843 (2015).

    PubMed
    PubMed Central
    Статья
    CAS

    Google Scholar

  • 54.

    Kucukelbir, A., Sigworth, F. J. и Tagare, H.D. Количественная оценка местного разрешения карт плотности крио-ЭМ. Nat. Методы 11 , 63–65 (2014).

    CAS
    PubMed
    Статья
    PubMed Central

    Google Scholar

  • 55.

    Эмсли, П., Лохкамп Б., Скотт В. Г. и Каутан К. Особенности и развитие Coot. Acta Crystallogr. Д 66 , 486–501 (2010).

    CAS
    Статья

    Google Scholar

  • 56.

    Adams, P. D. et al. PHENIX: комплексная система на основе Python для решения макромолекулярных структур. Acta Crystallogr. Д 66 , 213–221 (2010).

    CAS
    Статья

    Google Scholar

  • 57.

    Hoffmann, N.A., Jakobi, A.J., Vorländer, M.K., Sachse, C. & Müller, C.W. Транскрибирующая РНК-полимераза III, наблюдаемая с помощью электронной криомикроскопии. FEBS J. 283 , 2811–2819 (2016).

    CAS
    PubMed
    PubMed Central
    Статья

    Google Scholar

  • 58.

    Якоби, А. Дж., Вилманнс, М. и Саксе, К. Локальное повышение резкости крио-ЭМ карт на основе модели. eLife 6 , e27131 (2017).

  • 59.

    Кидмос, Р. Т., Ниссен, П., Боесен, Т., Карлсен, Дж. Л. и Педерсен, Б. П. Намдинатор — автоматическая молекулярная динамика, гибкая подгонка структурных моделей к крио-ЭМ и кристаллографическим экспериментальным картам. IUCrJ 6 , 526–531 (2019).

    CAS
    PubMed
    PubMed Central
    Статья

    Google Scholar

  • 60.

    Криссинель, Э. и Хенрик, К. Вывод о макромолекулярных ансамблях из кристаллического состояния. Дж.Мол. Биол. 372 , 774–797 (2007).

    CAS
    Статья

    Google Scholar

  • Секреция бактериального белка: заглянуть внутрь инъекционной системы

    С момента возникновения жизни на Земле всем типам организмов пришлось выработать умные стратегии, чтобы справляться друг с другом и с изменяющейся окружающей средой. Выживание бактерий и других микроорганизмов часто связано с использованием токсинов для уничтожения других микробов.Это можно сделать с помощью молекулярной машины, называемой системой секреции типа VI (T6SS), для введения токсинов конкурентам (Ho et al., 2014). Однако некоторые бактерии используют другой подход, высвобождая инъекционные системы во внеклеточную среду, откуда они связываются с целевым организмом и вводят токсины или другие белки (Böck et al., 2017). Теперь в eLife две независимые группы сообщают о новых взглядах на эти внеклеточные системы инъекций, которые менее изучены, чем T6SS.

    В течение некоторого времени было известно, что бактерии могут запускать метаморфоз личинок во взрослых особей у различных видов животных (Yang et al., 2013): например, морская бактерия Pseudoalteromonas luteoviolacea высвобождает внеклеточные инъекционные системы, называемые MAC (сокращенно от сократительных структур, связанных с метаморфозом), которые запускают метаморфоз трубчатого червя Hydroides elegans (Shikuma et al., 2014). В то время как T6SS состоит из сократительной оболочки, обернутой вокруг внутренней трубки, матрица MAC состоит из примерно 100 сократительных чехлов, упакованных вместе. При сокращении оболочки все, что находится внутри, вводится в цель.

    В первой статье Николас Шикума (Калифорнийский университет в Сан-Диего), Мартин Пилхофер (ETH Zurich) и его коллеги, в том числе Чарльз Эриксон и Фабиан Эйзенштейн в качестве первых авторов, использовали криоэлектронную томографию для прямой визуализации плотности во внутренних трубках Массив MAC, который они предлагают, является токсином, который вводится в мишени (Ericson et al., 2019). Дальнейшие эксперименты показывают, что токсин представляет собой белок под названием Mif1: во-первых, плотность не наблюдается у бактерий, у которых ген Mif1 был удален; во-вторых, Mif1 очищается совместно с массивами MAC, когда они получены из бактериального супернатанта; в-третьих, электропорация очищенного Mif1 в личинки трубчатого червя вызывает метаморфоз.Вместе эти эксперименты показывают, что метаморфоза зависит исключительно от Mif1 и что MAC-массив является устройством доставки. Другая недавняя работа Shikuma, Pilhofer и соавторов показала, что массивы MAC также могут доставлять нуклеазу под названием Pne1, которая цитотоксична для ряда эукариотических клеток (Rocchi et al., 2019).

    Криотомографические изображения, полученные Ericson et al. примечательны тем, что грузы можно увидеть внутри сократительных оболочек (рис. 1). Ранее исследователи совместно очищали антибактериальный токсин Tse2 и гексамерные кольца, составляющие внутреннюю трубку T6SS, и обнаружили токсин внутри отдельных колец (Silverman et al., 2013), но последняя работа — это первый случай, когда токсин был обнаружен внутри неповрежденной системы инъекции.

    Использование криоэлектронной томографии для изучения МАК.

    Криотомографические изображения MAC дикого типа (слева) и двух мутантных MAC. Можно ясно видеть, что MAC дикого типа содержат груз, тогда как мутантные MAC пусты.Масштабная линейка имеет длину 100 нанометров.

    Во второй статье Николас Уотерфилд (Уорикский университет), Гуовей Ян (Столичный медицинский университет) и его коллеги, в том числе Изабелла Влисиду (Университетская больница Уэльса) в качестве первого автора, сообщают о результатах экспериментов по внеклеточной сократительной инъекционной системе, называемой кассета вирулентности Photorhabdus (PVC; Vlisidou et al., 2019). Photorhabdus — биолюминесцентная бактерия с замечательным жизненным циклом: она устанавливает симбиотические отношения с патогенными нематодами, которые могут проникать в личинки насекомых и выпускать Photorhabdus; в свою очередь, бактерии производят множество токсичных соединений, включая устройства из ПВХ, которые убивают насекомых, обеспечивая нематод источником питательных веществ (McQuade and Stock, 2018).Устройство PVC похоже на массив MAC в том, что это внеклеточная инъекционная система, и похоже на T6SS в том, что оно имеет только одну сократительную оболочку.

    Vlisidou et al. показывают, что эффекторный токсин, называемый Pnf (сокращенно от фактора некроза Photorhabdus), связан с устройствами PVC. Хотя еще предстоит показать, что для доставки Pnf в цель требуется функциональное устройство из ПВХ, явное воздействие на цитоскелет (который является популярной мишенью для эффекторных токсинов; Lerm et al., 2000) наблюдалось при трансфекции очищенного белка Pnf. в клетки HeLa, но не при внеклеточном добавлении Pnf.Это говорит о том, что для попадания токсина внутрь мишени необходимы устройства из ПВХ.

    Vlisidou et al. также показывают, что Pnf обладает транглутаминазной и дезамидазной активностью в отношении ряда очищенных малых GTPases, особенно RhoA и Rac1, что, в свою очередь, нарушает организацию цитоскелета посредством двух реакций. Исследователи смогли определить эту роль Pnf благодаря его гомологии с CNF2, токсином, выделяемым Yersinia pseudotuberculosis (бактерия, которая может вызывать лихорадку у людей), которая деамидирует членов семейства Rho (Hoffmann et al., 2004).

    Неурегулированный вопрос в области сократительных инъекционных систем — как внутриклеточных, таких как T6SS, так и внеклеточных, таких как MAC и PVC — касается того, как доставляются токсины. Эриксон и др. и Vlisidou et al. оба демонстрируют прямую связь между токсином и сократительным устройством, а также прямую визуализацию Mif1 во внутренней трубке массива MAC Ericson et al. демонстрирует потенциал передовых микроскопических методов для выяснения механизмов на молекулярном уровне.

    Определение функции токсинов и эффекторных белков также остается сложной задачей. Гомология может помочь, поскольку Vlisidou et al. показано с Pnf, но многие эффекторы, идентифицированные с помощью геномного анализа или анализа секретома, не имеют охарактеризованных гомологов. Это определенно верно для Mif1 и его роли в метаморфозе.

    И как бактерии отбирают эффекторы и токсины для загрузки в эти системы? Например, MAC-массив может доставлять Mif1, Pne и другие грузы — доставляются ли они одновременно? Это важный вопрос, потому что разные грузы приводят к очень разным результатам (поддержка развития в случае Mif1, токсичность для Pne).Таким образом, между организмами возникают все более сложные отношения любви и ненависти. Все варианты остаются открытыми, позволяя окружающей среде принять решение о наиболее выгодном исходе: другими словами, об основной дарвиновской эволюции.

    Структура комплекса бактериального вируса ДНК-инъекционный белок выявляет декамерную сборку с ограниченным молекулярным каналом

    Abstract

    Многослойная структура клеточной оболочки грамотрицательных бактерий представляет собой значительные физические и химические барьеры для короткохвостых фагов при введении фаговой ДНК в цитоплазму хозяина.Здесь мы показываем, что ДНК-инъекционный белок бактериофага Sf6, gp12, образует декамерную сборку 465 кДа in vitro. Электронно-микроскопическая структура сборки gp12 демонстрирует грибовидную архитектуру размером ~ 150 Å, состоящую из коронного домена и трубчатого домена, который охватывает канал шириной 25 Å, который может точно вмещать дцДНК. Суженный канал предполагает, что gp12 опосредует быструю однонаправленную инъекцию фаговой ДНК в клетки-хозяева, обеспечивая молекулярный канал для транслокации ДНК.Сборка демонстрирует 10-кратную симметрию, которая может быть общей чертой среди ДНК-инъекционных белков P22-подобных фагов и может указывать на несоответствие симметрии по отношению к 6-кратной симметричному хвосту фага. Мономер gp12 очень гибок в растворе, поддерживая механизм транслокации белка через канал фагового хвоста к оболочке клетки-хозяина, где он собирается в устройство для инъекции ДНК.

    Образец цитирования: Zhao H, Speir JA, Matsui T., Lin Z, Liang L, Lynn AY, et al.(2016) Структура комплекса ДНК бактериального вируса-инъекционный белок выявляет декамерную сборку с ограниченным молекулярным каналом. PLoS ONE 11 (2):
    e0149337.

    https://doi.org/10.1371/journal.pone.0149337

    Редактор: Раймонд Шуч, ContraFect Corporation, США

    Поступила: 11 августа 2015 г .; Принята в печать: 29 января 2016 г .; Опубликовано: 16 февраля 2016 г.

    Авторские права: © 2016 Zhao et al. Это статья в открытом доступе, распространяемая в соответствии с условиями лицензии Creative Commons Attribution License, которая разрешает неограниченное использование, распространение и воспроизведение на любом носителе при условии указания автора и источника.

    Доступность данных: Все соответствующие данные находятся в бумажных файлах и файлах вспомогательной информации. Электронно-микроскопическая карта доступна в EMDataBank (http://www.ebi.ac.uk/pdbe/emdb/) с кодом доступа EMD-6330.

    Финансирование: Эта работа была поддержана грантом R01GM0

  • Национального института общих медицинских наук Национальных институтов здравоохранения (http://www.nigms.nih.gov) L.T.

    Конкурирующие интересы: Авторы заявили об отсутствии конкурирующих интересов.

    Введение

    Вирусы развили множество механизмов, позволяющих проникать через оболочку клетки-хозяина и посылать вирусный генетический материал в клетку-хозяин, чтобы установить инфекцию и обеспечить производство вирусов-потомков. Грамотрицательные бактерии имеют сложную структуру клеточной оболочки, состоящую из внешней мембраны, пептидогликана и внутренней мембраны [1–3], что создает особую проблему для их вирусов, поскольку вирусная нуклеиновая кислота должна вводиться через эти три барьера в цитоплазму хозяина. без нарушения целостности клеточной мембраны и без переваривания нуклеазами в периплазматическом пространстве.Миовирусы, такие как фаг Т4, используют сократительный хвост, чтобы резко пробить отверстие в оболочке клетки-хозяина, чтобы обеспечить транслокацию ДНК, которая также включает гидролиз пептидогликана за счет ферментативной активности, связанной с одним из белковых компонентов в хвосте [4–6]. Напротив, для представителей семейства подовирусов характерны короткие, неконтрактильные хвосты, которые недостаточно длинные, чтобы пересечь оболочку клетки-хозяина, что очевидно в структурах фаговых частиц [7, 8]. Таким образом, этим короткохвостым фагам требуются дополнительные «пилотные» белки или белки для инъекций ДНК, чтобы направлять ДНК фага через оболочку клетки-хозяина в цитоплазму, предположительно путем формирования канала, пересекающего оболочку клетки-хозяина.Исследования подовирусов, таких как P22 и T7, показали, что несколько структурных белков фага были связаны с мембраной клетки-хозяина при прикреплении к хозяину и были необходимы для транслокации ДНК фага в цитоплазму хозяина [9–11]. Исследования с помощью электронной томографии показали, что после прикрепления к клеткам-хозяевам Т7 образует удлиненную структуру, охватывающую оболочку клетки-хозяина, которая, как полагали, образована внутренними коровыми белками фага [12]. Сходная удлиненная плотность, охватывающая оболочку клетки-хозяина, наблюдалась также для фага epsilon15 [13], а удлинение на 40-55 нм наблюдалось для хвостов фага T7, проникающих в мембранные везикулы [14].

    Неизвестно, как белки для инъекций ДНК фага формируют или помогают формировать канал через оболочку клетки-хозяина, и точная роль этих белков для инъекций ДНК в таком процессе остается в значительной степени неясной. В фаге P22 четыре структурных белка, gp7, gp20, gp16 и gp26, как сообщается, опосредуют инъекцию фаговой ДНК хозяевам [9]. Среди них было показано, что gp16 связан с мембраной [15], и было показано, что gp26 образует игольчатую структуру на дистальном конце хвоста фага и может быть смещен с хвоста фага при прикреплении хозяина, чтобы освободить место для Инъекция ДНК также может нарушать мембрану клетки-хозяина или пептидогликан [9, 16–22].Фаг Sf6 также обладает такой игольчатой ​​структурой на хвостовом конце [23], а Sf6 gp9, ортолог P22 gp26, содержит консервативный домен coiled-coil и домен knob, подобный P22 gp26 [24, 25].

    Учитывая короткий цикл репликации бактериофагов хвостатой дцДНК, промежуток времени от прикрепления фага к клеткам-хозяевам и инъекции ДНК фага в цитоплазму хозяина короткий, который обычно завершается в течение нескольких минут [26]. Как осуществляется такой однонаправленный и быстрый процесс инъекции ДНК, остается неясным.Более того, в большинстве хвостатых бактериофагов дцДНК геном дцДНК очень плотно упакован при ~ 500 мг / мл, плотность, которая приближается к плотности кристаллической ДНК, в результате процесса упаковки ДНК, осуществляемого кодируемыми вирусами моторными белками [27–29]. ]. Такая плотная упаковка дцДНК в ограниченном небольшом объеме капсида фага является энергетически невыгодной и может играть роль в продвижении ДНК из капсида фага в клетки-хозяева [26, 30].

    Sf6 — хвостатый фаг дцДНК, который инфицирует Shigella flexneri, и является близким родственником фагу P22 [31].Подобно другим членам семейства подовирусов, Sf6 обладает коротким неконтрактильным хвостом, исходящим из икосаэдрического капсида [23, 32]. Фаг Sf6 содержит три ДНК-инъекционных белка, gp11, gp12 и gp13, которые гомологичны gp7, gp20 и gp16 в P22 соответственно [31]. Среди них gp12 представляет собой белок 46,5 кДа, состоящий из 431 остатка. Здесь мы показываем, что гетерологично экспрессированный Sf6 gp12 собирается в декамер in vitro. Электронно-микроскопическая структура декамерной сборки gp12 показывает суженный канал, который может служить каналом для быстрой однонаправленной транслокации дцДНК фага в цитоплазму клетки-хозяина.10-кратная симметрия редко встречается в биологических системах, но может быть общей чертой среди P22-подобных фагов. Такая 10-кратная симметрия предполагает несовпадение симметрии с 6-кратной симметрией фагового хвоста. Кроме того, рассеяние рентгеновских лучей в растворе показывает, что мономер gp12 проявляет высокую гибкость, поддерживая механизм транслокации этого белка из фаговой частицы через хвостовой канал в оболочку клетки-хозяина.

    Материалы и методы

    Производство декамерной сборки gp12

    ДНК, кодирующая ген 12 в геноме фага Sf6, клонировали в вектор pET28b.Полученную плазмиду, содержащую ген 12, трансформировали в клетки E. coli BL21 (DE3). Культуры выращивали до оптической плотности (OD) от 0,5 до 0,7, и экспрессию индуцировали с помощью 1 мМ IPTG при 30 ° C. Рост клеток продолжался в течение 4 часов. Клетки собирали центрифугированием при 15000 об / мин на центрифуге Sorvall RC6 + Superspeed с ротором SS-34 при 4 ° C в течение 1 часа. Супернатант отбрасывали. Осадки клеток ресуспендировали в буфере A (20 мМ NaPO4 pH 7,4, 100 мМ NaCl, 1 мМ EDTA), затем центрифугировали при 15000 об / мин в течение 15 минут с использованием того же ротора, что и описано выше.Супернатант отбрасывали, и осадок ресуспендировали в буфере А с 8 М мочевиной с последующей нутацией в течение 16 часов при комнатной температуре для полной денатурации белков. Раствор, содержащий денатурированные белки, центрифугировали при 15000 об / мин в течение 1 часа с использованием того же ротора, который описан выше. Дебрис удаляли, а супернатант ренатурировали путем поэтапного разбавления буфером А до 4 М, 2 М и 1,3 М мочевины и инкубации при 4 ° C в течение получаса для каждой стадии разведения. После этого раствор диализовали против буфера A при 4 ° C в течение ночи, диализовали против буфера B (20 мМ NaPO4 pH7.4) в течение ночи, затем диализовали против свежего буфера B в течение 4 часов. Раствор, содержащий ренатурированные белки, центрифугировали при 15000 об / мин в течение 1 часа, используя тот же ротор, что и описанный выше, и супернатант загружали в колонку Ni-NTA, уравновешенную буфером B. Колонку промывали буфером B с 20 мМ имидазолом и элюировали последовательно 50 мМ, 100 мМ, 200 мМ и 500 мМ имидазолом. Фракции при элюировании 200 мМ имидазола концентрировали и загружали на колонку Hiload Superdex 200 (GE Healthcare).Обычно наблюдается пик, соответствующий декамеру (рис. 1A), но иногда могут наблюдаться пики, соответствующие мономеру (рис. S1B). Пиковые фракции 54,6 мл, соответствующие декамеру gp12, и 73,6 мл, соответствующие мономеру gp12, собирали и концентрировали до 8,3 мг / мл и 5,6 мг / мл соответственно для последующего анализа.

    Рис. 1. GP12 собирается в кольцеобразный декамер.

    (A) Эксклюзионная хроматограмма очищенного декамера gp12. Пик соответствует расчетной молекулярной массе 471 кДа, что указывает на декамер (стрелка).(B) Электронная микрофотография очищенного декамера gp12, отрицательно окрашенного уранилацетатом. Обратите внимание, что преобладающие виды расположены по продольной оси декамера gp12. Некоторые виды сбоку или под наклоном обозначены красными стрелками. (C) Электронная микрофотография замороженного гидратированного декамера gp12. Бар, 100 Å. (D) Средние по классам декамеров замороженно-гидратированного gp12. Справа показаны увеличенные изображения двух средних показателей по классам. Десятикратная симметрия четко видна как для короны (зеленые стрелки), так и для доменов ствола (красные стрелки).Размер поля для средних значений класса на левой панели составляет 309,8 Å.

    https://doi.org/10.1371/journal.pone.0149337.g001

    Электронная микроскопия и анализ изображений

    Образец декамера gp12 в концентрации 8,3 мг / мл был разбавлен в 30 раз непосредственно перед адсорбцией на сетке EM и отрицательно окрашен 1% уранилацетатом. Сетка была высушена на воздухе и исследована на просвечивающем электронном микроскопе FEI Tecnai F20, работающем при 200 кВ. Для сбора данных EM с отрицательным окрашиванием образец gp12 был разбавлен в 200 раз и окрашен 2% уранилацетатом, и 494 микрофотографии были записаны в условиях низкой дозы с общей дозой 38.89 электронов / Å 2 с использованием Leginon [33] на электронном микроскопе FEI Tecnai TF20, работающем при 200 кВ, с камерой Tietz TemF416 4k x 4k CMOS (TVIPS GmbH) при увеличении 62 000x. В общей сложности 86 783 частицы были упакованы программой DoGPicker [34] в конвейер Appion [35] с использованием блоков размером 128×128 пикселей и размером пикселя 2,73 Å. Коррекция функции передачи контраста (CTF) выполнялась с помощью программы CTFFind [36] с расчетными значениями расфокусировки в диапазоне от -0.29 до -2,57 мкм. Анализ изображений и 3D-реконструкция выполнялись с помощью RELION [37]. Безреференсная двухмерная классификация проводилась без применения какой-либо симметрии. После двухмерной классификации 54 104 частицы, связанные со средними значениями классов высокого качества, были включены в последующую трехмерную реконструкцию. Исходная модель была сгенерирована с помощью программы e2initialmodel.py в EMAN2 [38] с использованием средних классов из 2D-классификации. Исходная модель была отфильтрована с разрешением 30 Å для уточнения золотого стандарта с помощью RELION.В 3D-реконструкции применялась 10-кратная вращательная симметрия (как показано при анализе криоЭМ-изображений; см. Ниже). Разрешение 3D-реконструкции было оценено в 13,4 Å с использованием критерия FSC = 0,5 с использованием маски, автоматически созданной RELION. Ручность модели не определялась. Надежность 3D-реконструкции также была подтверждена с использованием заявленной модели с фильтром нижних частот с разрешением 60 Å, что привело к практически идентичной 3D-реконструкции.EM-карта депонирована в EMDataBank с кодом доступа EMD-6330.

    Для криоЭМ образец gp12 с концентрацией 8,3 мг / мл разбавляли в 5 раз и замораживали до гидратации. Данные криоЭМ были собраны с помощью Leginon на FEI Tecnai TF20, работающем при 200 кВ, оборудованном прямым детектором Gatan K2 Summit при 29000-кратном увеличении, в соответствии с процедурой, описанной ранее [39]. Детектор работал в счетном режиме при мощности дозы 9 электронов на пиксель в секунду. Каждый фильм был записан более 5 секунд и состоял из 25 кадров.Выравнивание кадров фильма выполнялось с использованием смещения кадра 7 вместе с коэффициентом B 1000 пикселей в квадрате для коррекции сдвига сцены и движения, вызванного лучом, как описано [40]. Всего было собрано 245 фильмов, и 88 884 частицы были выделены из 25-кадровых средних значений с коррекцией движения с помощью программы DoGPicker с размером 192×192 пикселей и размером пикселя 1,21 Å. Коррекция CTF проводилась с помощью программы CTFFind [36] с расчетными значениями расфокусировки от -1,65 до -3,90 мкм. Изображения частиц в рамке были объединены в 2–2 раза.42 Å / пиксель и используется для последующей 2D-классификации и анализа изображений с помощью RELION. Во время 2D-классификации симметрия не применялась.

    Раствор рентгеновского рассеяния

    Очищенный мономер gp12 был подвергнут онлайн-SEC малоугловому рассеянию рентгеновских лучей (SEC-SAXS) на канале Bio-SAXS BL4-2 на Стэнфордском источнике синхротронного излучения (SSRL) с использованием детектора Rayonix MX225-HE CCD ( Rayonix, Evanston, IL) с расстоянием от образца до детектора 1,7 м и энергией пучка 11 кэВ (длина волны λ = 1.127 Å) [41] (таблица S1). Сбор и анализ данных для SEC-SAXS были выполнены, как описано ранее [42]. Вкратце, 100 мкл образца белка с концентрацией 5,6 мг / мл наносили на колонку Superdex 200 PC 3.2 / 30, уравновешенную белковым буфером с 5 мМ DTT. Элюат из колонки напрямую пропускали через капиллярную ячейку из кварца 1,5 мм (Hampton Research, Aliso Viejo, CA) при 20 ° C в соответствии с пучком рентгеновских лучей. Рассеивающие изображения записывали с 1,5-секундной выдержкой каждые 5 секунд с помощью программы Blu-Ice [43].Программа SasTool (http://ssrl.slac.stanford.edu/~saxs/analysis/sastool.htm) использовалась для обработки данных, включая масштабирование, азимутальную интеграцию, усреднение и вычитание фона. Первые 100 изображений в начальной части пустотного объема были усреднены и использованы в качестве профиля рассеяния буфера для вычитания фона. Профили рассеяния усреднялись вручную после визуального осмотра, чтобы улучшить отношение сигнал / шум. Анализ Гинье проводился с использованием программ Primus [44] и AUTORG [45].

    Результаты

    ДНК-инъекционный белок фага Sf6 gp12 образует декамерную сборку

    ДНК-инъекционный белок фага Sf6 gp12 представляет собой белок с 431 остатком, 46,5 кДа. Анализ последовательности с помощью TMpred (http://www.ch.embnet.org/software/TMPRED_form.html) предсказал две потенциальные трансмембранные спирали в gp12, охватывающие остатки 1–18 и 46–64 соответственно (S1A фиг.). Остатки с 222 по 293 были предсказаны как область спиральной спирали (http://www.ch.embnet.org/software/COILS_form.html) (S1A Рис.). Мы получили гетерологически экспрессированный и очищенный gp12. Gp12 существовал в виде нерастворимых белков в телец включения при экспрессии в E. coli. Мы использовали подход денатурирования и рефолдинга, который дал растворимые белки, показывающие два пика на эксклюзионной хроматографии (SEC), соответствующие мономеру и декамеру соответственно (S1B фиг.), Хотя соотношение двух пиков варьировалось от партии к партии. Когда фракции декамерного пика были объединены и снова переданы на SEC, наблюдался только декамерный пик (рис. 1А), что свидетельствует о том, что декамер был стабильным и не было значительной диссоциации.Когда очищенный мономерный gp12 инкубировали после нескольких дней хранения при 4 ° C и снова пропускали на SEC, наблюдались три пика, соответствующие мономеру, потенциальному димеру и декамеру (фиг. S1C), что позволяет предположить, что мономер gp12 может спонтанно собрать в декамер.

    Негативное окрашивание ЭМ очищенного декамера gp12 показало кольцеобразную структуру с центральным отверстием (рис. 1B). Мы получили электронные крио-микроскопические (криоЭМ) изображения замороженно-гидратированного декамера gp12 с использованием прямого электронного детектора.КриоЭМ-изображения подтвердили кольцевую структуру (рис. 1C), а средние значения классов, полученные с помощью 2D-классификации с помощью программы RELION [37], четко показали 10-кратную симметрию (рис. 1D; S2, рис.). Однако 10-кратная симметрия не была различима в средних классах из 2D-классификации изображений с негативным окрашиванием (рис. 2A), предположительно из-за эффекта окрашивания. Более того, средние по классам, полученные на основе двумерной классификации криоЭМ-изображений без опорных точек, показали только 10-кратную симметрию, но не какой-либо другой тип симметрии, например, 9-, 11- и 12-кратную симметрию.Это предполагает, что 10-кратная симметрия является доминирующей, и gp12, экспрессируемый и очищенный in vitro, имеет сильную тенденцию к образованию 10-кратно симметричного олигомера вместо олигомеров с другой стехиометрией. Мы не можем исключить возможность существования других олигомерных состояний, таких как 9-, 11- или 12-мерные, но такие состояния должны составлять очень малые и незначительные доли в образце. Эти данные предполагают, что gp12 in vitro способен собираться в кольцеобразную декамерную структуру.

    Рис 2.Трехмерная реконструкция декамерной сборки gp12.

    (A) Средние по классу отрицательно окрашенного декамера gp12. В нижнем ряду показаны три средних класса, соответствующие сложенным двойным декамерам, что демонстрирует надежность 2D-классификации. Размер коробки для средних классов — 349,4 Å. (B) 3D-реконструкция. Слева вверху, вид спереди. Вверху справа, вид в разрезе. Внизу слева, вид сверху. Внизу справа, под углом 45 ° от вида слева.

    https://doi.org/10.1371/journal.pone.0149337.g002

    Мономерная форма gp12 проявляет высокую гибкость в растворе

    Малоугловое рассеяние рентгеновских лучей (SAXS) показывает характерный пик в области низких q, за которым следует падение в области высоких q на графике Кратки декамера gp12, что указывает на хорошо свернутый глобулярный белковый комплекс (S1C, рис. ). Для сравнения, график Кратки мономера gp12 не имеет такого характерного пика, но монотонно увеличивается с q и показывает плато в области высоких q (S1C, рис.).Для полностью развернутого белка график Кратки монотонно увеличивается с q без плато в области высоких q. Эти данные предполагают, что мономер gp12 очень гибкий и может частично разворачиваться. Эти данные предполагают, что мономер gp12 может существовать в растворе в метастабильном конформационном состоянии, которое является очень гибким и, возможно, частично развернутым, тогда как декамер обладает четко определенной глобулярной структурой.

    Трехмерная структура декамерной сборки gp12

    Классификация

    2D с использованием негативных окрашенных ЭМ-изображений декамера gp12 привела к средним классам, представляющим различные виды частицы, что согласуется с общей грибовидной структурой с крышкой, длинным стеблем и каналом на всем протяжении (рис. 2А).Однако криоЭМ-изображения преимущественно показывают виды примерно вниз по оси кольца (рис. 1С), что предполагает предпочтительную ориентацию и согласуется с присутствием двух предсказанных N-концевых трансмембранных спиралей на N-конце (рис. S1A). Двухмерная классификация криоЭМ-изображений также показала виды, наклоненные под небольшим углом (например, последние три на левой панели рис. 1D), что указывает на общую архитектуру, которая соответствует отрицательному результату ЭМ окрашивания.

    Поскольку двухмерная классификация с использованием ЭМ-изображений с негативным окрашиванием показала средние по классам различных ориентаций, включая виды сбоку, наклонные виды и виды сверху / снизу (рис. 2А), тогда как криоЭМ-изображения показали предпочтительную ориентацию (рис. 1С), мы использовали изображения с негативным окрашиванием для трехмерной реконструкции. 10-кратная симметрия.Трехмерная реконструкция с негативным окрашиванием ЭМ-изображений дала структуру с разрешением 13,4 Å с использованием критерия FSC = 0,5 (Рис. 2B; S3 Рис.). Сборка представляет собой трубчатую структуру размером ~ 150 Å, состоящую из коронного домена и стержневого домена. Домен короны высотой ~ 55 Å образован двумя стопками кольцевидной плотности, соединенными тонкой плотностью, причем верхняя и нижняя стопки имеют диаметр ~ 85 и 105 Å соответственно. Эти два набора колец могут соответствовать двум субдоменам в структуре белка gp12.Домен стержня охватывает удлиненный канал с внутренним диаметром 25 Å, который продолжается до нижнего кольца коронной области, тогда как внутренний диаметр верхнего кольца в коронной области имеет более широкий внутренний диаметр. Стволовой домен имеет внешний диаметр от ~ 50 в самом узком месте до 65 Å в самом широком. В средних классах криоЭМ-изображений (рис. 1D; рис. S2) каждая из десяти точечных плотностей имеет диаметр ~ 4 пикселя и расстояние между ними ~ 4 пикселя, что соответствует 9,48 Å при размере пикселя 2.42 Å. Это напоминает размер α-спирали. Хотя заманчиво постулировать, что эта точечно-подобная плотность представляет собой двумерные проекции α-спиралей вниз по продольным осям, для решения этой проблемы требуется структура с высоким разрешением.

    Sf6 gp12 демонстрирует конструктивную модульность

    Анализ последовательности показывает значительно более высокую (50%) идентичность для остатков 1-233, но гораздо более низкую (16%) для оставшихся остатков между Sf6 gp12 и его ортологом gp20 фага P22 (S4 Фиг.) [31]. Интересно, что анализ последовательности идентифицировал три фага, Sf6, фаг Shigella Sf101 и фаг Salmonella ST160, чьи ортологические белки Sf6 gp12 демонстрируют очевидную мозаичность последовательностей (S4 фиг.).Остатки 1–179 Sf6 gp12 по существу идентичны N-концевой части ортолога белка в Sf101 (92% идентичности последовательностей), тогда как остальные остатки обнаруживают гораздо более низкую идентичность (33%). Между Sf6 и ST160 остатки 1–179 показывают более низкую идентичность (43%), тогда как остальные остатки показывают значительно более высокую идентичность (89%). Эти данные предполагают, что белки класса gp12 могут состоять из доменов с модульными функциями, которые легко переключаются между фагами с помощью возможных генетических механизмов, таких как рекомбинация, что согласуется с двухдоменной архитектурой, как показано в декамерной структуре gp12 Sf6.

    Обсуждение

    Суженный канал в декамере SF6 gp12

    В этом исследовании мы изолировали и собрали Sf6 ДНК-инъекционный белок gp12 in vitro. Мы показали, что gp12 собирается в кольцеобразный декамер с коронным доменом и стержневым доменом, образуя канал длиной 150 Å и внутренним диаметром 25 Å. Давно известно, что подовирусы, такие как P22 и T7, кодируют несколько белков, которые перемещаются в клетки-хозяева и необходимы для инъекции ДНК [9, 11].Однако точная роль этих ДНК-инъекционных белков в значительной степени неясна. Канал, наблюдаемый здесь в сборке Sf6 gp12, предполагает прямую роль gp12 в опосредовании инъекции фаговой ДНК, то есть в обеспечении молекулярного канала для транслокации ДНК.

    Декамерный стержневой домен gp12 образует суженный канал с внутренним диаметром 25 Å, который вмещает дцДНК B-формы с учетом ошибок, возникающих из-за отрицательного артефакта окрашивания и ограниченного разрешения 3D-реконструкции (рис. 3).Соответствие между внутренним диаметром канала gp12 и внешним диаметром дцДНК указывает на то, что транслоцирующая ДНК, вероятно, находится в тесном контакте с белком gp12. Удлиненный канал обнаружен в портальной структуре фага P22 [18, 46]. Внутренний диаметр 25 Å сборки Sf6 gp12 представляет собой более узкий канал, чем наблюдаемый в портале P22, который имеет диаметр более 30 Å [46]. Таким образом, во время инъекции ДНК канал Sf6 gp12 может плотно удерживать ДНК и, следовательно, может играть подобную клапану регулирующую роль для транслокации ДНК.Считалось, что инъекция фаговой ДНК осуществляется за счет энергии самоотталкивания и изгиба ДНК [30, 47, 48] и / или градиентов осмотического давления [26] из-за очень плотной упаковки ДНК в капсиде. Вероятно, что сжатый молекулярный канал в сборке gp12 адаптирован для быстрой однонаправленной транслокации ДНК, вероятно, за счет максимальной эффективности преобразования движущей энергии в движение ДНК.

    Рис. 3. Установка дцДНК в канал декамерной сборки gp12.

    Структура gp12 соответствует стандартной молекуле дцДНК (зеленая молекулярная поверхность). (А), вид сбоку. (Б) вид вдоль продольной оси канала gp12. На (A) передняя половина сборки gp12 удалена с помощью вычислений, чтобы показать ширину канала. Бар, 25 Å.

    https://doi.org/10.1371/journal.pone.0149337.g003

    Локализация ДНК-инъекционных белков в фагах Sf6 и P22 не ясна. В фаге T7 ДНК-инъекционный белок gp14 был разделен, чтобы инфицировать внешнюю мембрану клетки, тогда как было показано, что gp15 и gp16 связаны как с внешней, так и с внутренней мембраной, таким образом, вероятно, охватывают периплазму и цитоплазматическую мембрану [10].В соответствии с предпочтительной ориентацией на электромагнитных сетках, вполне вероятно, что две предсказанные N-концевые трансмембранные спирали в Sf6 gp12 расположены на одном конце трехмерной структуры, которая может закрепить сборку на мембране клетки-хозяина, хотя это еще предстоит сделать. адресуется, если он прикреплен к внутренней или внешней мембране.

    Длина сборки Sf6 gp12 в 150 Å может быть недостаточной для охвата всей клеточной оболочки грамотрицательного хозяина. Действительно, с помощью электронной томографии было показано, что фаг Т7 формирует удлинение хвоста общей длиной ~ 450 Å, пересекающее оболочку клетки-хозяина [12].Предположительно, два других ДНК-инъекционных белка фага Sf6, gp11 и gp13, могут быть необходимы для сборки полного молекулярного аппарата, охватывающего оболочку клетки-хозяина.

    10-кратная симметрия сборки gp12

    Узел Sf6 gp12 демонстрирует 10-кратную вращательную симметрию. 10-кратная симметрия наблюдалась в рентгеновской структуре центрального домена из 140 остатков белка H одноцепочечной ДНК (оцДНК) фага phiX174, которая показала удлиненную трубчатую структуру, которая обеспечивает канал по всей клетке-хозяину. оболочка для транслокации фаговой ДНК [49].Рентгеновская структура центрального домена H белка хорошо вписывается в стержневой домен декамера gp12 Sf6 (рис. 4). Анализ последовательности предсказывает область спиральной спирали для остатков с 223 по 293 в Sf6 gp12 (S1A фиг.). КриоЭМ-анализ показывает, что особенности отображения стеблевого домена декамерного домена gp12 напоминают спиральные элементы (рис. 1D). Хорошо известно, что наложенные друг на друга альфа-спирали образуют структуры coiled-coil, обычно в форме димеров, тримеров и тетрамеров, но 10-кратно симметричная структура coiled-coil ранее не была описана [50].Таким образом, рентгеновская структура центрального домена белка phiX174 H и ЭМ-структура полноразмерной сборки Sf6 gp12, представленные здесь, могут представлять первые примеры молекулярных сборок, образованных спиральными катушками, которые демонстрируют 10-кратную вращательную симметрию в максимальной степени. наши знания. Sf6 является членом хвостатых фагов дцДНК с икосаэдрическим капсидом T = 7 диаметром ~ 650 Å, тогда как phiX174 имеет кольцевой геном оцДНК, является бесхвостым и имеет маленький икосаэдрический капсид с T = 1 размером ~ 260 Å. Следовательно, 10-кратная симметрия может быть общей чертой для ДНК-инъекционных белков в P22-подобных бактериофагах, а также в бесхвостых фагах оцДНК, таких как phiX174, что указывает на конвергентную адаптацию к функции быстрой транслокации ДНК в этих фагах.Для сравнения, три ДНК-инъекционных белка в фаге T7, gp14, gp15 и gp16, присутствуют в 12, 8 и 4 копиях в вирионе, соответственно, и неизвестно, какую симметрию принимают эти белки в собранном удлинении хвоста, которое может отличаться от Sf6 gp12.

    Рис. 4. Подгонка рентгеновской структуры центрального домена белка H phiX174 (синий; код RCSB PDB 4JPP) в стержневой домен EM-карты Sf6 gp12 (золотой).

    (A) Структура белка H показана в виде ленточной диаграммы. Передние половины H-структуры и карты gp12 были удалены в расчетах для ясности.(B) Corss-раздел карты gp12, соответствующей структуре белка H (молекулярная поверхность). (C) Вид вниз по оси канала gp12. Верхняя половина карты gp12 была удалена для наглядности. Обозначены коронная и стеблевая домены gp12.

    https://doi.org/10.1371/journal.pone.0149337.g004

    Важно отметить, что декамер gp12 в настоящем исследовании был получен in vitro и собран из рекомбинантно экспрессированного и повторно свернутого белка. Возможно, что экспрессированный и очищенный белок in vitro может собираться со стехиометрией, отличной от физиологического состояния.Например, очищенный in vitro портальный белок бактериофага SPP1 показал 13-кратную симметрию вместо физиологической 12-кратной [51]. Очищенный in vitro портальный белок из фага Т4 [52] показал множественные стехиометрии, такие как 11-, 12- и 13-кратная симметрия, хотя физиологический 12-кратно симметричный олигомер был доминирующим. Таким образом, нельзя исключить, что gp12 может принимать другое олигомерное состояние в своем физиологическом окружении. Однако наш анализ демонстрирует, что 10-кратная симметрия является доминирующей, предполагая, что gp12 имеет сильную тенденцию к образованию декамеров вместо других олигомерных состояний.Более того, белки для инъекции ДНК должны быть перемещены из внутренней части фага в оболочку клетки-хозяина для сборки в устройство для инъекции ДНК, что предположительно требует, по крайней мере, частичного разворачивания и рефолдинга белков для того, чтобы эти белковые молекулы прошли через канал в портальный комплекс и хвост. Процесс денатурирования и рефолдинга для сборки gp12, использованный в настоящем исследовании, может имитировать такой физиологический процесс, подтверждая представление о том, что наблюдаемая 10-кратная симметрия in vitro может представлять физиологическое состояние.Необходимы дальнейшие исследования для проверки физиологической стехиометрии, например, путем выделения gp12 из его естественной среды.

    Декамерная структура gp12 предполагает несоответствие симметрии относительно хвоста фага

    Белки для инъекции ДНК должны прикрепляться к дистальному концу хвостов фага, чтобы сформировать расширяемый канал для инъекции ДНК через бактериальную оболочку хозяина. КриоЭМ-структуры фага P22 и его изолированного хвоста показали 6-кратную вращательную симметрию на дистальном конце фагового хвоста, занятого фаговым белком gp10 [16-19], и такая 6-кратная симметрия также верна для фага Sf6 tail. [23].В то время как 10-кратная симметрия, наблюдаемая здесь, относится к gp12, собранному in vitro, олигомерное состояние gp12 в физиологической среде может быть декамером или, по крайней мере, стехиометрией, близкой к декамеру, и с меньшей вероятностью примут гораздо более низкий порядок. олигомер, такой как гексамер. Т.о., олигомерная структура gp12, вероятно, предполагает новое несоответствие симметрии между ДНК-инъекционными белками и фаговым хвостом, даже несмотря на то, что неизвестно, прикрепляется ли gp12 к фаговому хвосту посредством прямого или косвенного молекулярного взаимодействия.В чем преимущество такого несоответствия симметрии? Для хвостатых дцДНК фагов хорошо известно, что существует несоответствие симметрии между 12-кратным симметричным комплексом портального белка и 5-кратной вершиной икосаэдрического капсида, в которую встроен портал [53]. Считалось, что такое несоответствие симметрии могло бы уменьшить энергетический барьер для вращения двух несовпадающих колец, тем самым облегчая вращение портального комплекса относительно капсида во время упаковки ДНК в фаговый капсид, предполагая, что портал действует как орех, через который ДНК винты в крышке [54].Хотя предыдущее исследование одной молекулы фага phi29 показало, что такое вращение портального комплекса относительно капсида может не быть абсолютно необходимым [55], более недавнее исследование показало, что АТФаза, упаковывающая ДНК phi29, управляет вращением ДНК во время упаковки. , таким образом поддерживая вращение ДНК относительно портала [56]. Внутренний диаметр канала Sf6 gp12 ~ 25 Å предполагает тесный контакт между ДНК и аминокислотными остатками, выстилающими внутреннюю стенку канала gp12, таким образом, gp12 может действовать как орех, через который проходит перемещающаяся двойная спиральная ДНК.Из-за спиральной природы дцДНК это может привести к вращению gp12 по отношению к ДНК. Несоответствие симметрии между сборкой gp12 и 6-кратным фаговым хвостом согласуется с таким потенциальным механизмом, то есть gp12 может вращаться во время транслокации ДНК за счет снижения энергетического барьера для вращения. Таким образом, было бы интересно провести дальнейшие исследования, чтобы проверить, действительно ли такое вращение происходит во время инъекции ДНК.

    Значение транслокации gp12 и сборки в оболочке клетки-хозяина

    ДНК-инъекционные белки представляют собой структурные белки, которые упакованы в зрелые фаговые частицы, образуют четко определенное ядро ​​в фагах, таких как T7 [57, 58], или не упорядочены по структуре в фагах, таких как P22 [18].Остается неясным, как эти белки перемещаются на поверхность клетки-хозяина, где они собираются и функционируют, но весьма вероятно, что эти белки перемещаются через портальный и хвостовой канал, который является единственным каналом, соединяющим фаг изнутри и снаружи. Наши данные SAXS показывают, что мономер gp12 проявляет высокую гибкость в растворе и может быть частично свернут, то есть часть белка свернута, но оставшаяся часть, например, те альфа-спиральные элементы, которые составляют структуру трубки, могут иметь уже сформированные вторичные структуры, но могут оставаться гибкими до упаковки в четко очерченную трехмерную структуру декамеров.Учитывая удлиненную трубчатую структуру декамерной сборки gp12, мономер gp12, вероятно, существует в виде гибкой, вытянутой, тонкой молекулы в растворе. Такое тонкое конформационное состояние может позволить gp12 перемещаться изнутри фаговой частицы через канал, образованный порталом и хвостом, или даже через щель между ДНК и белками, образующими портал и хвост, поскольку портал / хвост канал, возможно, уже был занят ведущим концом вводимой ДНК, как показано на фаге P22 [18].По прибытии в оболочку клетки-хозяина он собирается в декамерный комплекс, чтобы обеспечить молекулярный канал для транслокации ДНК фага в бактериальную цитоплазму хозяина, одновременно защищая ДНК от пищеварительных ферментов в периплазматическом пространстве хозяина (рис. 5). Наши структурные результаты проливают свет на такой элегантный, собранный на месте механизм для молекулярного аппарата, который вводит ДНК через многочисленные физические и химические барьеры в оболочку грамотрицательной клетки-хозяина. Такой механизм может быть обычным для многих фагов дцДНК, таких как P22-подобные и Т7-подобные фаги, а также фагов оцДНК, таких как phiX174.В настоящее время проводятся дальнейшие исследования по сбору новых данных криоЭМ с использованием подходящего моющего средства или поддерживающей пленки, чтобы устранить проблему предпочтительной ориентации, которая, как ожидается, приведет к созданию криоЭМ-структуры с более высоким разрешением.

    Рис. 5. Схематическое изображение транслокации белков для инъекции ДНК и сборки устройства для инъекции ДНК в оболочке хозяина.

    (A) Три белка для инъекции ДНК, gp12, gp11 и gp13, представленные синим овалом, треугольником и трапецией, упакованы в частицу фага.Обратите внимание, что количество копий этих белков в капсиде и их расположение неизвестны. (B) после прикрепления к клетке-хозяину белки для инъекции ДНК перемещаются через хвостовой канал в оболочку клетки-хозяина, где они собираются в удлиненную трубчатую структуру, позволяющую доставить ДНК фага в цитоплазму хозяина. Расположение этих белков неизвестно и изображено схематически. ЛПС, липополисахарид; ОМ, наружная мембрана; PG, пептидогликан; IM, внутренняя мембрана.ДцДНК фага выделена зеленым цветом.

    https://doi.org/10.1371/journal.pone.0149337.g005

    Дополнительная информация

    S1 Рис. Биохимический анализ gp12.

    (A) Схема организации домена gp12. Трансмембранные спирали и область спиральной спирали были предсказаны с помощью TMpred (http://www.ch.embnet.org/software/TMPRED_form.html) и COILS (http://www.ch.embnet.org/software/COILS_form. html) соответственно. (B) Эксклюзионная хроматография (SEC) gp12, показывающая пики, соответствующие мономеру и декамеру соответственно.Правая панель показывает SDS-PAGE фракций пика декамеров (дорожки 1–4) и пика мономера (дорожки 5–8). Положение gp12 указано стрелкой. MW, маркер молекулярной массы. (C) SAXS gp12. На левой панели показаны три пика в профиле элюирования SEC (синяя кривая) непосредственно перед сбором данных SAXS, соответствующих декамеру, потенциальному димеру и мономеру соответственно. На правой панели показаны нормализованные графики Кратки трех пиков в профиле элюирования SEC, что указывает на то, что виды на пике 1 хорошо сложены, тогда как частицы на пиках 2 и 3 довольно гибки.

    https://doi.org/10.1371/journal.pone.0149337.s001

    (TIFF)

    S2 Рис. Увеличенные виды средних значений двух классов криоЭМ-изображений очищенного декамера gp12, как показано на правой панели рис. 1D.

    Каждый пиксель четко виден в виде квадрата, так что количество пикселей можно подсчитать для каждой точечной плотности (красные стрелки), которая составляет 4 пикселя или 9,48 Å с учетом размера пикселя 2,42 Å, что хорошо согласуется с альфа- спираль.

    https://doi.org/10.1371/journal.pone.0149337.s002

    (TIFF)

    Благодарности

    Мы благодарим докторов наук. Бриджит Каррагер и Клинту Поттеру за доступ к средствам Национального ресурса автоматизированной молекулярной микроскопии (NRAMM) для сбора данных высокопроизводительной электронной микроскопии. NRAMM поддерживается грантом Национального института общих медицинских наук (P41GM103310). Данные SAXS были собраны на канале BL4-2 Стэнфордского источника синхротронного излучения. Использование Стэнфордского источника синхротронного излучения Национальной ускорительной лаборатории SLAC поддерживается U.S. Министерство энергетики, Управление науки, Управление фундаментальных энергетических наук по контракту № DE-AC02-76SF00515. Программа SSRL по структурной молекулярной биологии поддерживается Управлением биологических и экологических исследований Министерства энергетики США, а также Национальными институтами здравоохранения и Национальным институтом общих медицинских наук (включая P41GM103393). Авторы несут полную ответственность за содержание данной публикации, которое не обязательно отражает официальную точку зрения NIGMS или NIH. Работа поддержана грантом R01GM0

  • Национального института общих медицинских наук Национальных институтов здоровья Л.Т.

    Вклад авторов

    Задумал и спроектировал эксперименты: LT HZ JAS TM. Проведены эксперименты: HZ JAS TM ZL LL AYL BV. Проанализированы данные: HZ LT JAS TM. Предоставленные реагенты / материалы / инструменты анализа: TMW. Написал статью: HZ LT.

    Список литературы

    1. 1.
      Silhavy TJ, Kahne D, Walker S. Оболочка бактериальной клетки. Перспективы Колд-Спринг-Харбор в биологии. 2010; 2 (5): a000414. pmid: 20452953; PubMed Central PMCID: PMC2857177.
    2. 2.Бос М.П., ​​Роберт В., Томмассен Дж. Биогенез грамотрицательной бактериальной внешней мембраны. Annu Rev Microbiol. 2007. 61: 191–214. Epub 2007/05/18. pmid: 17506684.
    3. 3.
      Руис Н., Кане Д., Силхави Т.Дж. Достижения в понимании бактериального биогенеза внешней мембраны. Nat Rev Microbiol. 2006. 4 (1): 57–66. Epub 2005/12/17. nrmicro1322 [pii] pmid: 16357861.
    4. 4.
      Канамару С., Лейман П.Г., Костюченко В.А., Чипман П.Р., Месянжинов В.В., Арисака Ф. и др. Устройство клеточно-пункционного устройства бактериофага Т4.Природа. 2002. 415 (6871): 553–7. pmid: 11823865.
    5. 5.
      Костюченко В.А., Чипман П.Р., Лейман П.Г., Арисака Ф., Месянжинов В.В., Россманн М.Г. Строение хвоста бактериофага Т4 и механизм его сокращения. Nat Struct Mol Biol. 2005. 12 (9): 810–3. pmid: 16116440.
    6. 6.
      Лейман П.Г., Чипман П.Р., Костюченко В.А., Месянжинов В.В., Россманн М.Г. Трехмерная перестройка белков в хвосте бактериофага Т4 при инфицировании его хозяина. Клетка. 2004. 118 (4): 419–29.pmid: 15315755.
    7. 7.
      Casjens SR, Molineux IJ. Машины с коротким несокращающимся хвостом: адсорбция и доставка ДНК подовирусами. Успехи экспериментальной медицины и биологии. 2012; 726: 143–79. Epub 2012/02/03. pmid: 22297513.
    8. 8.
      Фокин А, Россманн МГ. Молекулярная архитектура хвостатых двухцепочечных ДНК-фагов. Бактериофаг. 2014; 4 (1): e28281. pmid: 24616838; PubMed Central PMCID: PMC3940491.
    9. 9.
      Исраэль В. Белки бактериофага Р22.I. Идентификация и удаление частиц дикого типа и дефектных частиц. J Virol. 1977; 23 (1): 91–7. pmid: 328927.
    10. 10.
      Чанг CY, Кемп P, Molineux IJ. Gp15 и gp16 взаимодействуют при перемещении ДНК бактериофага T7 в инфицированную клетку. Вирусология. 2010. 398 (2): 176–86. pmid: 20036409; PubMed Central PMCID: PMC2825023.
    11. 11.
      Molineux IJ. Никаких шприцев, извлечение ДНК фага Т7 из вириона происходит под действием ферментов. Mol Microbiol. 2001. 40 (1): 1–8. pmid: 11298271.
    12. 12.
      Ху Б., Марголин В., Молинеукс И. Дж., Лю Дж. Вирион бактериофага t7 претерпевает обширное структурное ремоделирование во время инфекции. Наука. 2013. 339 (6119): 576–9. pmid: 23306440; PubMed Central PMCID: PMC3873743.
    13. 13.
      Chang JT, Schmid MF, Haase-Pettingell C, Weigele PR, King JA, Chiu W. Визуализация структурных изменений бактериофага Epsilon15 и его хозяина Salmonella во время инфекции. J Mol Biol. 2010. 402 (4): 731–40. pmid: 20709082; PubMed Central PMCID: PMC3164490.
    14. 14.
      Сервер П., Райт Э. Т., Хакала К. В., Вайнтрауб СТ. Доказательства удлинения хвоста бактериофага Т7 во время инъекции ДНК. Примечания к исследованиям BMC. 2008; 1:36. pmid: 18710489; PubMed Central PMCID: PMC2525648.
    15. 15.
      Perez GL, Huynh B, Slater M, Maloy S. Транспорт ДНК фага P22 через цитоплазматическую мембрану. J Bacteriol. 2009. 191 (1): 135–40. pmid: 18978055; PubMed Central PMCID: PMC2612440.
    16. 16.
      Lander GC, Tang L, Casjens SR, Gilcrease EB, Prevelige P, Poliakov A, et al.Структура инфекционного вириона P22 показывает сигнал для упаковки ДНК в голову. Наука. 2006. 312 (5781): 1791–5. Epub 2006/05/20. 1127981 [pii] pmid: 16709746.
    17. 17.
      Тан Л., Марион В. Р., Синголани Дж., Превелидж ЧП, Джонсон Дж. Э. Трехмерная структура хвостовой машины бактериофага Р22. Эмбо Дж. 2005; 24 (12): 2087–95. pmid: 15933718.
    18. 18.
      Тан Дж., Ландер Г.К., Оля А.С., Ли Р., Касдженс С., Превелидж П. младший и др. Вглядываясь в ствол портала бактериофага: упаковка генома и выпускной клапан в p22.Состав. 2011. 19 (4): 496–502. Epub 29.03.2011. pmid: 21439834; PubMed Central PMCID: PMC3075339.
    19. 19.
      Lander GC, Khayat R, Li R, Prevelige PE, Potter CS, Carragher B, et al. Хвостовой аппарат P22 с субнанометровым разрешением выявляет архитектуру инфекционного канала. Состав. 2009. 17 (6): 789–99. Epub 2009/06/16. S0969-2126 (09) 00186-5 [pii] pmid: 19523897; PubMed Central PMCID: PMC2714705.
    20. 20.
      Чанг Дж., Вейгеле П., Кинг Дж., Чиу В., Цзян В. Крио-ЭМ асимметричная реконструкция бактериофага P22 показывает организацию его упаковки ДНК и заражающего оборудования.Состав. 2006. 14 (6): 1073–82. Epub 2006/05/30. S0969-2126 (06) 00224-3 [pii] pmid: 16730179.
    21. 21.
      Olia AS, Casjens S, Cingolani G. Структура иглы, проникающей через оболочку клеток фага P22. Структурная и молекулярная биология природы. 2007. 14 (12): 1221–6. Epub 2007/12/07. pmid: 18059287.
    22. 22.
      Ливитт Дж. К., Гогохия Л., Гилкриз Е.Б., Бхардвадж А., Чинголани Дж., Касдженс С. Р.. Кончик хвостовой иглы влияет на скорость доставки ДНК бактериофагом P22. PLoS One.2013; 8 (8): e70936. pmid: 23951045; PubMed Central PMCID: PMC3741392.
    23. 23.
      Родитель KN, Gilcrease EB, Casjens SR, Baker TS. Структурная эволюция P22-подобных фагов: сравнение архитектуры прокапсида и вириона Sf6 и P22. Вирусология. 2012. 427 (2): 177–88. pmid: 22386055; PubMed Central PMCID: PMC3320033.
    24. 24.
      Bhardwaj A, Walker-Kopp N, Casjens SR, Cingolani G. Эволюционно консервативное семейство хвостовых игл вириона, родственных бактериофагу P22 gp26: корреляция между структурной стабильностью и длиной альфа-спиральной тримерной спиральной спирали.J Mol Biol. 2009. 391 (1): 227–45. Epub 2009/06/02. pmid: 19482036; PubMed Central PMCID: PMC2713385.
    25. 25.
      Bhardwaj A, Molineux IJ, Casjens SR, Cingolani G. Атомная структура ручки хвостовой иглы бактериофага Sf6. J Biol Chem. 2011. 286 (35): 30867–77. pmid: 21705802; PubMed Central PMCID: PMC3162447.
    26. 26.
      Molineux IJ, Panja D. Выталкивание пробки: механизмы выброса фагового генома. Обзоры природы Микробиология. 2013. 11 (3): 194–204. pmid: 23385786.
    27. 27.Zhao H, Christensen TE, Kamau YN, Tang L. Структуры большой терминазы фага Sf6 позволяют по-новому взглянуть на транслокацию и расщепление ДНК. Proc Natl Acad Sci U S. A. 2013; 110 (20): 8075–80. Epub 2013/05/01. pmid: 23630261; PubMed Central PMCID: PMC3657791.
    28. 28.
      Casjens SR. ДНК-упаковывающий наномотор хвостатых бактериофагов. Обзоры природы Микробиология. 2011; 9 (9): 647–57. Epub 13.08.2011. pmid: 21836625.
    29. 29.
      Сан С., Кондабагил К., Дрейпер Б., Алам Т.И., Боуман В.Д., Чжан З. и др.Структура двигателя упаковки ДНК фага Т4 предполагает механизм, зависящий от электростатических сил. Клетка. 2008. 135 (7): 1251–62. Epub 2008/12/27. S0092-8674 (08) 01447-5 [pii] pmid: 19109896.
    30. 30.
      Гелбарт WM, Knobler CM. Вирусология. Вирусы под давлением. Наука. 2009. 323 (5922): 1682–3. Epub 2009/03/28. pmid: 19325104.
    31. 31.
      Casjens S, Winn-Stapley DA, Gilcrease EB, Morona R, Kuhlewein C, Chua JE и др. Хромосома бактериофага Shigella flexneri Sf6: полная нуклеотидная последовательность, генетический мозаицизм и упаковка ДНК.J Mol Biol. 2004. 339 (2): 379–94. pmid: 15136040.
    32. 32.
      Zhao H, Sequeira RD, Galeva NA, Tang L. Белки внешней мембраны хозяина OmpA и OmpC связаны с вирионом фага Shigella Sf6. Вирусология. 2011. 409 (2): 319–27. Epub 2010/11/13. pmid: 21071053; PubMed Central PMCID: PMC3053050.
    33. 33.
      Соуза Д., Григорьев Н. Измерение разрешения из первых принципов для одночастичных структур. J. Struct Biol. 2007. 157 (1): 201–10. Epub 13.10.2006. S1047-8477 (06) 00240-1 [pii] pmid: 17029845.
    34. 34.
      Voss NR, Yoshioka CK, Radermacher M, Potter CS, Carragher B. DoG Picker и TiltPicker: программные инструменты для облегчения отбора частиц в электронной микроскопии одиночных частиц. J. Struct Biol. 2009. 166 (2): 205–13. pmid: 19374019; PubMed Central PMCID: PMC2768396.
    35. 35.
      Lander GC, Stagg SM, Voss NR, Cheng A, Fellmann D, Pulokas J, et al. Appion: интегрированный конвейер на основе базы данных для облегчения обработки ЭМ изображений. J. Struct Biol. 2009. 166 (1): 95–102.pmid: 19263523; PubMed Central PMCID: PMC2775544.
    36. 36.
      Минделл Дж. А., Григорьев Н. Точное определение локальной дефокусировки и наклона образца в электронной микроскопии. J. Struct Biol. 2003. 142 (3): 334–47. pmid: 12781660.
    37. 37.
      Scheres SH. РЕЛИОН: реализация байесовского подхода к определению крио-ЭМ структуры. J. Struct Biol. 2012; 180 (3): 519–30. pmid: 23000701; PubMed Central PMCID: PMC36

      .

    38. 38.
      Тан Г., Пэн Л., Болдуин П. Р., Манн Д. С., Цзян В., Рис И. и др.EMAN2: расширяемый пакет обработки изображений для электронной микроскопии. J. Struct Biol. 2007. 157 (1): 38–46. pmid: 16859925.
    39. 39.
      Кэмпбелл М.Г., Кирни Б.М., Ченг А., Поттер С.С., Джонсон Дж. Э., Каррагер Б. и др. Реконструкции с разрешением, близким к атомному, с использованием электронного микроскопа среднего диапазона, работающего при 200 кВ. J. Struct Biol. 2014. 188 (2): 183–7. pmid: 25278130; PubMed Central PMCID: PMC4497823.
    40. 40.
      Ли Х, Муни П., Чжэн С., Бут CR, Браунфельд МБ, Губбенс С. и др.Подсчет электронов и коррекция движения, индуцированного пучком, позволяют получать крио-ЭМ одиночных частиц с разрешением, близким к атомному. Природные методы. 2013; 10 (6): 584–90. pmid: 23644547; PubMed Central PMCID: PMC3684049.
    41. 41.
      Martel A, Liu P, Weiss TM, Niebuhr M, Tsuruta H. Интегрированная высокопроизводительная система сбора данных для исследований рассеяния рентгеновских лучей в биологических растворах. J Synchrotron Radiat. 2012; 19 (Pt 3): 431–4. pmid: 22514181; PubMed Central PMCID: PMC3329959.
    42. 42.
      Мацуи Т., Гу С., Лам К.Х., Картер Л.Г., Раммель А., Мэтьюз II и др.Структурная основа pH-зависимой сборки комплекса нейротоксинов ботулина. J Mol Biol. 2014. 426 (22): 3773–82. pmid: 25240768; PubMed Central PMCID: PMC4252799.
    43. 43.
      McPhillips TM, McPhillips SE, Chiu HJ, Cohen AE, Deacon AM, Ellis PJ и др. Blu-Ice и распределенная система управления: программное обеспечение для сбора данных и управления приборами на каналах макромолекулярной кристаллографии. J Synchrotron Radiat. 2002; 9 (Pt 6): 401–6. pmid: 12409628.
    44. 44.
      Конарев П.В., Волков В.В., Соколова А.В., Кох MHJ, Свергун Д.И.ПРИМУС: система на базе ПК с ОС Windows для анализа данных малоуглового рассеяния. J Appl Crystallogr. 2003; 36: 1277–82. pmid: WOS: 000185178600026.
    45. 45.
      Петухов М.В., Конарев П.В., Кухней А.Г., Свергун Д.И. ATSAS 2.1 — к автоматизированному анализу данных малоуглового рассеяния с поддержкой Интернета. J Appl Crystallogr. 2007; 40: S223 – S8. pmid: WOS: 000246059800044.
    46. 46.
      Олия А.С., Превелидж П.Е. мл., Джонсон Дж., Синголани Г. Трехмерная структура вершины портала доставки вирусного генома.Структурная и молекулярная биология природы. 2011; 18 (5): 597–603. Epub 2011/04/19. pmid: 21499245; PubMed Central PMCID: PMC3087855.
    47. 47.
      Lander GC, Johnson JE, Rau DC, Potter CS, Carragher B, Evilevitch A. Фазовый переход инкапсидированного генома в фаге лямбда, вызванный изгибом ДНК. Nucleic Acids Res. 2013. 41 (8): 4518–24. pmid: 23449219; PubMed Central PMCID: PMC3632124.
    48. 48.
      Цю X, Рау Д.К., Парсегян В.А., Фанг Л.Т., Ноблер С.М., Гелбарт В.М. Зависимые от соли расстояния ДНК-ДНК в интактном лямбда бактериофага отражают относительную важность энергий самоотталкивания и изгиба ДНК.Phys Rev Lett. 2011; 106 (2): 028102. Epub 17.03.2011. pmid: 21405253.
    49. 49.
      Sun L, Young LN, Zhang X, Boudko SP, Fokine A, Zbornik E, et al. Икосаэдрический бактериофаг PhiX174 образует хвост для транспорта ДНК во время инфекции. Природа. 2014. 505 (7483): 432–5. pmid: 24336205.
    50. 50.
      Вулфсон Д. Н., Бартлетт Г. Дж., Брюнинг М., Томсон А. Р.. Новая валюта за старую веревку: от бухт до альфа-спиральных бочек. Curr Opin Struct Biol. 2012. 22 (4): 432–41. Epub 2012/03/27.pmid: 22445228.
    51. 51.
      Лебедев А.А., Краузе М.Х., Исидро А.Л., Вагин А.А., Орлова Е.В., Тернер Дж. И др. Структурная основа транслокации ДНК через вирусный портальный белок. Эмбо Дж. 2007; 26 (7): 1984–94. pmid: 17363899.
    52. 52.
      Sun L, Zhang X, Gao S, Rao PA, Padilla-Sanchez V, Chen Z и др. Крио-ЭМ структура сборки портального белка бактериофага Т4 с разрешением, близким к атомному. Связь природы. 2015; 6: 7548. pmid: 26144253; PubMed Central PMCID: PMC4493910.
    53. 53.
      Джонсон Дж., Чиу В. Машины для упаковки и доставки ДНК в хвостатые бактериофаги. Curr Opin Struct Biol. 2007. 17 (2): 237–43. Epub 2007/03/31. S0959-440X (07) 00041-3 [pii] pmid: 17395453.
    54. 54.
      Хендрикс RW. Несоответствие симметрии и упаковка ДНК в крупных бактериофагах. Труды Национальной академии наук Соединенных Штатов Америки. 1978. 75 (10): 4779–83. Epub 1978/10/01. pmid: 283391; PubMed Central PMCID: PMC336203.
    55. 55.Hugel T, Michaelis J, Hetherington CL, Jardine PJ, Grimes S, Walter JM и др. Экспериментальная проверка вращения коннектора при упаковке ДНК в капсиды бактериофага phi29. PLoS Biol. 2007; 5 (3): e59. Epub 2007/02/22. 06-PLBI-RA-2078R2 [pii] pmid: 17311473; PubMed Central PMCID: PMC1800307.
    56. 56.
      Лю С., Чистол Дж., Хетерингтон С.Л., Тафоя С., Атаван К., Шницбауэр Дж. И др. Мотор упаковки вируса изменяет вращение ДНК и размер шага, чтобы сохранить координацию субъединиц по мере заполнения капсида.Клетка. 2014. 157 (3): 702–13. pmid: 24766813; PubMed Central PMCID: PMC4003460.
    57. 57.
      Агирресабала X, Мартин-Бенито Дж., Кастон Дж. Р., Миранда Р., Вальпуэста Дж. М., Карраскоса Дж. Л.. Созревание фага Т7 включает структурную модификацию как компонентов оболочки, так и внутреннего ядра. Эмбо Дж. 2005; 24 (21): 3820–9. pmid: 16211007.
    58. 58.
      Guo F, Liu Z, Vago F, Ren Y, Wu W, Wright ET и др. Визуализация некоррелированных, тандемных несоответствий симметрии во внутреннем устройстве упаковки генома бактериофага T7.Proc Natl Acad Sci U S. A. 2013; 110 (17): 6811–6. pmid: 23580619; PubMed Central PMCID: PMC3637776.

    Компоненты системы впрыска топлива

    Компоненты системы впрыска топлива

    Ханну Яэскеляйнен, Магди К. Хаир

    Это предварительный просмотр статьи, ограниченный некоторым исходным содержанием. Для полного доступа требуется подписка DieselNet.
    Пожалуйста, войдите в систему , чтобы просмотреть полную версию этого документа.

    Abstract : Систему впрыска топлива можно разделить на стороны низкого и высокого давления.Компоненты низкого давления включают топливный бак, топливный насос и топливный фильтр. Компоненты стороны высокого давления включают насос высокого давления, аккумулятор, топливную форсунку и форсунку топливной форсунки. Для использования с различными типами систем впрыска топлива было разработано несколько конструкций форсунок и различные методы приведения в действие.

    Компоненты стороны низкого давления

    Обзор

    Чтобы система впрыска топлива выполняла свое предназначение, топливо должно подаваться в нее из топливного бака.Это роль компонентов топливной системы низкого давления. Сторона низкого давления топливной системы состоит из ряда компонентов, включая топливный бак, один или несколько насосов подачи топлива и один или несколько топливных фильтров. Кроме того, многие топливные системы содержат охладители и / или нагреватели для лучшего контроля температуры топлива. На рисунке 1 показаны два примера схем топливных систем низкого давления: один для грузовика с дизельным двигателем большой грузоподъемности и один для легкового легкового автомобиля с дизельным двигателем [1590] [1814] .

    Рисунок 1 . Примеры топливных систем низкого давления для тяжелых и легких дизельных автомобилей

    Топливный бак и насос подачи топлива

    Топливный бак — это резервуар, в котором находится запас топлива и который помогает поддерживать его температуру на уровне ниже точки воспламенения. Топливный бак также служит важным средством отвода тепла от топлива, возвращаемого двигателем [528] . Топливный бак должен быть устойчивым к коррозии и герметичным при давлении не менее 30 кПа.Он также должен использовать некоторые средства для предотвращения чрезмерного накопления давления, такие как выпускной или предохранительный клапан.

    Насос подачи топлива, часто называемый подъемным насосом, отвечает за всасывание топлива из бака и его подачу в насос высокого давления. Современные топливные насосы могут иметь электрический или механический привод от двигателя. Использование топливного насоса с электрическим приводом позволяет разместить насос в любом месте топливной системы, в том числе внутри топливного бака. Насосы с приводом от двигателя прикреплены к двигателю.Некоторые топливные насосы могут быть встроены в блоки, выполняющие другие функции. Например, так называемые тандемные насосы представляют собой агрегаты, в состав которых входят топливный насос и вакуумный насос для усилителя тормозов. Некоторые топливные системы, например системы, основанные на насосе распределительного типа, включают в себя подающий насос с механическим приводом и насос высокого давления в одном блоке.

    Топливные насосы обычно рассчитаны на подачу большего количества топлива, чем потребляется двигателем в любой конкретной операционной системе. Этот дополнительный поток топлива может выполнять ряд важных функций, включая подачу дополнительного топлива для охлаждения форсунок, насосов и других компонентов двигателя и поддержание более постоянной температуры топлива во всей топливной системе.Кроме того, избыточное топливо, которое нагревается при контакте с горячими компонентами двигателя, может быть возвращено в бак или топливный фильтр для улучшения работоспособности автомобиля при низких температурах.

    Топливный фильтр

    Безотказная работа дизельной системы впрыска возможна только на фильтрованном топливе. Топливные фильтры помогают уменьшить повреждение и преждевременный износ от загрязнений, задерживая очень мелкие частицы и воду, чтобы предотвратить их попадание в систему впрыска топлива. Как показано на рисунке 1, топливные системы могут содержать одну или несколько ступеней фильтрации.Во многих случаях экран курса также расположен на входе топлива, расположенном в топливном баке.

    В двухступенчатой ​​системе фильтрации обычно используется первичный фильтр на впускной стороне топливоперекачивающего насоса и вторичный фильтр на выпускной стороне. Первичный фильтр необходим для удаления более крупных частиц. Вторичный фильтр необходим, чтобы выдерживать более высокое давление и удалять более мелкие частицы, которые могут повредить компоненты двигателя. Одноступенчатые системы удаляют более крупные и мелкие частицы в одном фильтре.

    Фильтры могут быть коробчатого типа или сменного элемента, как показано на рисунке 2. Фильтр коробчатого типа может быть полностью заменен по мере необходимости и не требует очистки. Фильтры со сменным элементом должны быть тщательно очищены при замене элементов, и необходимо соблюдать осторожность, чтобы избежать любых остатков грязи, которые могут мигрировать к сложным частям системы впрыска топлива. Фильтры могут быть изготовлены из металла или пластика.

    Рисунок 2 . Два типа топливных фильтров

    (а) Коробчатого типа; (b) Тип элемента

    Обычными материалами для современных топливных фильтрующих элементов являются синтетические волокна и / или целлюлоза.Также можно использовать микроволокна, но из-за риска миграции мелких кусочков стекловолокна, отколовшихся от основного элемента, в критически важные компоненты топливной системы, их использование в некоторых приложениях избегается [2046] . В прошлом также использовались гофрированная бумага, упакованная хлопковая нить, древесная щепа, смесь упакованной хлопковой нити и древесных волокон и намотанный хлопок [529] .

    Требуемая степень фильтрации зависит от конкретного применения. Обычно, когда два фильтра используются последовательно, первичный фильтр задерживает частицы размером примерно 10–30 мкм, а вторичный фильтр способен задерживать частицы размером более 2–10 мкм.По мере развития топливных систем зазоры и нагрузки на компоненты высокого давления увеличиваются, и потребность в чистом топливе становится все более острой. Как способность топливных фильтров удовлетворять потребности в более чистом топливе [2047] , так и методы количественной оценки приемлемых уровней загрязнения топлива потребовались для развития [2048] .

    Помимо предотвращения попадания твердых частиц в оборудование для подачи топлива и впрыска, необходимо также предотвратить попадание воды в топливе в важные компоненты системы впрыска топлива.Свободная вода может повредить смазываемые топливом компоненты системы впрыска топлива. Вода также может замерзнуть в условиях низких температур, а лед может заблокировать небольшие проходы системы впрыска топлива, тем самым перекрыв подачу топлива к остальной части системы впрыска топлива.

    Удалить воду из топлива можно двумя обычными способами. Поступающее топливо может подвергаться центробежным силам, которые отделяют более плотную воду от топлива. Гораздо более высокая эффективность удаления может быть достигнута с помощью фильтрующего материала, который отделяет воду.На рис. 3 показан фильтр, использующий комбинацию средового и центробежного подходов.

    Рисунок 3 . Топливный фильтр с водоотделителем

    Различные водоразделительные среды работают по разным принципам. Среда с гидрофобным барьером, такая как обработанная силиконом целлюлоза, отталкивает воду и заставляет ее подниматься вверх по потоку. По мере того, как бусинки становятся больше, они под действием силы тяжести стекают по лицевой стороне элемента в чашу. Гидрофильная глубинная коалесцирующая среда, такая как стеклянное микроволокно, имеет высокое сродство к воде.Вода в топливе связывается со стеклянными волокнами, и со временем, когда все больше воды поступает со стороны входа, образуются массивные капли. Вода проходит через фильтр с топливом и на выходе из потока топлива выпадает в сборный стакан.

    Более широкое использование поверхностно-активных присадок к топливу и компонентов топлива, таких как биодизельное топливо, сделало обычные разделяющие среды менее эффективными, и производителям фильтров потребовалось разработать новые подходы, такие как композитные среды и коалесцирующие среды со сверхвысокой площадью поверхности [2051] .Также были затронуты методы количественной оценки эффективности отделения топлива от воды [2052] .

    Топливные фильтры также могут содержать дополнительные элементы, такие как подогреватели топлива, тепловые переключающие клапаны, деаэраторы, датчики воды в топливе, индикаторы замены фильтров.

    Подогреватель топлива помогает минимизировать накопление кристаллов парафина, которые могут образовываться в топливе при его охлаждении до низких температур. В обычных методах отопления используются электрические нагреватели, охлаждающая жидкость двигателя или рециркулируемое топливо. На рисунке 1 показаны два подхода, в которых для нагрева поступающего топлива используется теплое возвращаемое топливо.

    Перелив топлива и утечка топлива, возвращающегося в бак, также переносят воздух и пары топлива. Присутствие газообразных веществ в топливе может вызвать затруднения при запуске, а также нормальной работе двигателя в условиях высоких температур. Таким образом, выпускные клапаны и деаэраторы используются для удаления паров и воздуха из системы подачи топлива и обеспечения бесперебойной работы двигателя.

    ###

    Система прямого впрыска дизельного двигателя

    — MATLAB и Simulink

    Этот пример показывает рядную многоэлементную систему впрыска дизельного топлива.Он содержит кулачковый вал, подъемный насос, 4 рядных инжекторных насоса и 4 инжектора.

    Модель

    Описание системы впрыска

    Система впрыска дизельного топлива, смоделированная этой моделью, показана на схематической диаграмме ниже.

    Рис. 1. Принципиальная схема системы впрыска

    Структура системы воспроизведена из книги H. Heisler, Vehicle and Engine Technology (второе издание), 1999 г., и относится к категории рядных многоэлементных систем впрыска. Он состоит из следующих основных узлов:

    На кулачковом валу установлено пять кулачков.Первый — эксцентриковый кулачок для приведения в действие подъемного насоса. Остальные четыре предназначены для привода плунжеров насоса. Кулачки установлены таким образом, что насосные элементы подают топливо в порядке зажигания и в нужный момент рабочего цикла двигателя. Подъемный насос подает жидкость на вход элементов насоса форсунок. Каждый элемент насоса состоит из плунжера с кулачковым приводом, нагнетательного клапана и узла регулятора. Назначение регулятора — контролировать объем топлива, подаваемого плунжером в цилиндр.Это достигается вращением плунжера со спиральной канавкой по отношению к отверстию для разлива. Более подробно все системные блоки будут описаны в следующих разделах.

    Целью моделирования является исследование работы всей системы. Цель диктует степень идеализации каждой модели в системе. Если бы целью был, например, нагнетательный клапан или исследование инжектора, количество принимаемых во внимание факторов и объем рассматриваемого элемента были бы другими.

    Примечание: Модель системы не представляет собой какую-либо конкретную систему впрыска. Все параметры были назначены исходя из практических соображений и не отражают каких-либо конкретных параметров производителя.

    Распредвал

    Модель кулачкового вала состоит из пяти моделей кулачков. Есть четыре кулачка с параболическим профилем и один эксцентриковый кулачок. Каждый кулачок содержит замаскированную подсистему Simulink®, которая описывает профиль кулачка и генерирует профиль движения для источника положения, который построен из блоков Simscape ™.

    Моделирование профиля кулачка

    Профиль движения создается как функция угла вала, который измеряется с помощью блока Angle Sensor из библиотеки Pumps and Motors. Датчик преобразует измеренный угол в значение в диапазоне от нуля до 2 * пи. После того, как угол цикла определен, он передается в подсистему Simulink IF, которая вычисляет профиль. Кулачок, который приводит в движение плунжер насосного элемента, должен иметь параболический профиль, под которым толкатель движется вперед и назад с постоянным ускорением, как показано ниже:

    В результате при начальном угле выдвижения толкатель начинает двигаться вверх и достигает своего верхнего положения после того, как вал поворачивает дополнительный угол выдвижения.Последователь начинает обратный ход с начальным углом втягивания, и для завершения этого движения требуется угол втягивания. Разница между начальным углом отвода и (начальный угол выдвижения + угол выдвижения) устанавливает угол остановки в полностью выдвинутом положении. Профиль реализован в подсистеме Simulink IF.

    Предполагается, что последовательность запуска имитируемого дизельного двигателя составляет 1-3-4-2. Последовательность работы кулачка показана на рисунке ниже. Углы выдвижения и возврата установлены на pi / 4.Угол задержки при полностью выдвинутом толкателе установлен на 3 * пи / 2 рад.

    Профиль эксцентрикового кулачка рассчитывается по формуле

    где e — эксцентриситет.

    Источник положения

    Модель источника положения, которая генерирует положение в механическом поступательном движении после сигнала Simulink на его входе, построена из блока источника идеальной поступательной скорости, блока усиления PS и блока датчика поступательного движения, установленного в негативный отзыв.Передаточная функция источника положения —

    .

    , где

    T — постоянная времени, равная 1 / Gain,

    Gain — усиление блока PS Gain.

    Коэффициент усиления установлен на 1e6, что означает, что сигналы с частотами до 160 кГц проходят практически без изменений.

    Подъемный насос

    Модель подъемного насоса, который представляет собой поршневой и диафрагменный насос, состоит из блока гидроцилиндров одностороннего действия и двух блоков обратных клапанов. Обратные клапаны имитируют впускной и выпускной клапаны, установленные с обеих сторон подъемного насоса (см. Рисунок 1).Контакт между роликом штока насоса и кулачком представлен блоком Translational Hard Stop. Блок «Трансляционная пружина» имитирует две пружины в насосе, которые должны поддерживать постоянный контакт между роликом и кулачком.

    Впрыскивающий насос

    Прямоточный впрыскивающий насос представляет собой четырехэлементный насосный агрегат. Каждый элемент подает топливо в свой цилиндр. Все четыре элемента идентичны по конструкции и параметрам и моделируются с помощью одной и той же модели, называемой элементом нагнетательного насоса.Каждый элемент нагнетательного насоса Модель элемента нагнетательного насоса содержит две подсистемы, названные, соответственно, «Насос» и «Инжектор». Насос представляет собой плунжер насоса и механизм управления насосом, а Инжектор имитирует инжектор, установленный непосредственно на цилиндре двигателя (см. Рисунок 1).

    Плунжер насоса колеблется внутри цилиндра насоса, приводимого в движение кулачком (см. Рисунок 1). Плунжер моделируется с помощью блока цилиндров одностороннего действия. Блоки Translational Hard Stop и Mass представляют собой контакт между роликом плунжера и массой плунжера, соответственно.Контакт поддерживается пружиной TS.

    Когда плунжер движется вниз, камера плунжера заполняется топливом под давлением, создаваемым подъемным насосом. Жидкость заполняет камеру через два отверстия, называемых впускным портом и сливным портом (см. Рисунок 2, а ниже).

    Рис. 2. Взаимодействие поршня с регулирующими отверстиями в цилиндре

    После того, как поршень переместится в свое верхнее положение, достаточно высоко, чтобы отрезать оба отверстия от впускной камеры, давление на выпуске начинает расти.При некотором подъеме форсунка в цилиндре двигателя принудительно открывается и топливо начинает впрыскиваться в цилиндр (рис. 2, б).

    Впрыск прекращается, когда спиральная канавка, образованная на боковой поверхности плунжера, достигает отверстия для разлива, которое соединяет верхнюю камеру с камерой низкого давления через отверстие, просверленное внутри плунжера (рис. 2, c). Вы можете контролировать положение винтовой канавки по отношению к отверстию для разлива, вращая плунжер с помощью управляющей вилки, регулируя таким образом объем топлива, впрыскиваемого в цилиндр.

    Модель механизма управления плунжером основана на следующих предположениях:

    1. В цепи управления есть три регулируемых отверстия: впускной порт, сливной порт и отверстие, образованное спиральной канавкой и сливным отверстием. Отверстия впускного и сливного отверстий зависят от движения плунжера, в то время как открытие отверстия канавка-сливное отверстие является функцией движения плунжера и вращения плунжера. Для простоты смещение, создаваемое вращением плунжера, представлено как источник линейного движения, которое сочетается со смещением плунжера.

    2. На рисунке ниже показаны все размеры, необходимые для параметризации отверстий:

    — Диаметр отверстия впускного порта

    — Диаметр отверстия сливного порта

    — Ход поршня

    — Расстояние между входным отверстием и верхним положением поршня

    — Расстояние между отверстием сливного порта и верхним положением поршня

    — Расстояние между отверстие сливного порта и верхний край спиральной канавки

    3. При назначении начальных отверстий и ориентации отверстий верхнее положение плунжера принимается за начало координат, а движение в восходящем направлении рассматривается как движение в положительном направлении.Другими словами, ось X направлена ​​вверх. При этих предположениях направления впускного и сливного отверстия должны быть установлены на Открытие в отрицательном направлении, в то время как отверстие сливного порта канавка должно быть установлено на Открытие в положительном направлении, поскольку оно открывается, когда плунжер движется вверх. В таблице ниже показаны значения, присвоенные начальным отверстиям и диаметрам отверстий.

     Обозначение Имя в файле параметров Значение Примечания
    S ход 0,01 м
    D_in inlet_or_diameter 0.003 кв.м.
    D_s spill_or_diameter 0,0024 м
    h_in -stroke + inlet_or_diameter + 0,001 Впускное отверстие смещено вверх на 1 мм по отношению к отверстию для разлива
    h_s -stroke + spill_or_diameter
    h_hg spill_or_diameter Предполагается, что отверстие для разлива полностью открыто в верхнем положении плунжера 

    4. Эффективный ход плунжера равен

    Входное отверстие обычно располагается выше отверстия для разлива.В примере это расстояние установлено на 1 мм. Вращая плунжер, вы изменяете начальное открытие отверстия отверстия для слива канавки. Поскольку начальное открытие является параметром и не может быть изменено динамически, смещение начального отверстия моделируется путем добавления эквивалентного линейного перемещения элемента управления отверстием. Чем больше эквивалентный сигнал, тем раньше открывается сливное отверстие, тем самым уменьшая объем топлива, подаваемого в цилиндр. Максимальное значение эквивалентного сигнала равно эффективному ходу.При этом значении сливное отверстие все время остается открытым.

    Инжектор

    Модель инжектора основана на блоке гидроцилиндров одностороннего действия и блоке игольчатого клапана. Игольчатый клапан закрывается в исходном положении за счет усилия, создаваемого предварительно натянутой пружиной. Когда сила, развиваемая цилиндром, преодолевает силу пружины, форсунка открывается и позволяет впрыскивать топливо в цилиндр. В этом примере форсунка открывается при давлении 1000 бар.

    Результаты моделирования на основе Simscape Logging

    На графиках ниже показаны положения и скорости потока на выходе инжекторного насоса 1 и инжектора 1.Влияние профиля кулачка показано в смещении насоса-форсунки 1. Во второй половине хода кулачка топливо выходит из насоса-форсунки и попадает в форсунку. Топливо выходит из форсунки через игольчатый клапан. Инжектор имеет камеру с предварительно нагруженной пружиной, которая временно удерживает жидкость из насоса и более плавно выталкивает ее из инжектора.

    Функция впрыска дизельного топлива

    Система впрыска топлива лежит в основе дизельного двигателя.Сжимая и впрыскивая топливо, система нагнетает его в воздух, который был сжат до высокого давления в камере сгорания.

    В состав системы впрыска дизельного топлива входят:

    • ТНВД — нагнетает топливо до высокого давления
    • Трубка высокого давления — подает топливо в форсунку
    • Форсунка

    • — впрыскивает топливо в цилиндр
    • Подающий насос

    • — всасывает топливо из топливного бака
    • топливный фильтр — фильтрует топливо

    Некоторые типы топливных баков также имеют топливный отстойник на дне фильтра для отделения воды от топлива.

    Функции системы

    Система впрыска дизельного топлива выполняет четыре основные функции:

    Подача топлива

    Элементы насоса, такие как цилиндр и плунжер, встроены в корпус насоса высокого давления. Топливо сжимается до высокого давления, когда кулачок поднимает плунжер, а затем направляется к форсунке.

    Регулировка количества топлива

    В дизельных двигателях поступление воздуха практически постоянно, независимо от частоты вращения и нагрузки. Если количество впрыска изменяется в зависимости от частоты вращения двигателя и время впрыска остается постоянным, мощность и расход топлива изменяются.Поскольку мощность двигателя почти пропорциональна количеству впрыска, она регулируется педалью акселератора.

    Регулировка момента впрыска

    Задержка зажигания — это период времени между моментом впрыска, воспламенения и сгорания топлива и достижением максимального давления сгорания. Поскольку этот период времени практически постоянен, независимо от частоты вращения двигателя, для регулировки и изменения момента впрыска используется таймер, позволяющий достичь оптимального сгорания.

    Распылительное топливо

    Когда топливо нагнетается впрыскивающим насосом и затем распыляется из форсунки, оно полностью смешивается с воздухом, улучшая тем самым воспламенение.Результат — полное сгорание.

    Обнаружены подробности бактериальной «инъекционной» системы

    Изображение STEM, показывающее изолированные игольчатые комплексы, отмеченные прямоугольниками для анализа массы. Палочки представляют собой частицы TMV (вируса табачной мозаики), используемые для справки.

    (PhysOrg.com) — Новые детали состава и структуры игольчатого белкового комплекса на поверхности определенных бактерий могут помочь ученым разработать новые стратегии предотвращения инфекции.Исследование, частично проведенное в Брукхейвенской национальной лаборатории Министерства энергетики США, будет опубликовано 26 апреля 2009 года в предварительном онлайн-издании Nature Structural & Molecular Biology.

    Ученые изучали игольчатый белковый комплекс, известный как «система секреции типа III» или T3SS, на поверхности бактерий Shigella, вызывающих дизентерию. Система секреции представляет собой сложную белковую структуру, которая проходит через мембрану бактериальной клетки и действует как биологический шприц для введения смертоносных белков в клетки кишечника.Эти белки разрывают внутренности клетки, что приводит к кровавому поносу, а иногда и к смерти. Подобные системы секреции существуют у ряда других инфекционных бактерий, включая те, которые вызывают брюшной тиф, некоторые виды пищевых отравлений и чуму.

    «Понимание трехмерной структуры этих секретируемых белков важно для разработки новых стратегий широкого спектра действия по борьбе с бактериальными инфекциями», — сказал соавтор исследования Джозеф Уолл, биофизик из Brookhaven Lab.

    Предыдущие исследования системы секреции типа III показали, что она состоит из примерно 25 различных видов белков, собранных в три основные части: «луковица», которая находится внутри бактериальной клетки, область, охватывающая внутреннюю и внешнюю бактериальные мембраны, и полая, в основном внеклеточная «игла».«Но чтобы понять, как части работают вместе, чтобы секретировать белки, ученым требовалась структурная информация с более высоким разрешением, а также знание химического состава и расположения компонентов.

    Используя комбинацию сканирующей просвечивающей электронной микроскопии (STEM) и просвечивающей электронной микроскопии (TEM), ученые обнаружили новые детали структуры «игольчатого комплекса».

    «STEM и другие методы работают взаимодополняюще», — сказал Уолл, который проектировал и руководил оборудованием STEM в Brookhaven Lab.Сам по себе STEM не может выявить структуру, но он дает очень точные размеры молекул, составляющих определенные части, что помогает ученым уточнить структуру, на которую намекают другие методы. STEM также позволяет отбирать для анализа только хорошие, неповрежденные молекулы, что позволяет избежать ошибок, присущих измерениям массы смесей неповрежденных и разрушенных комплексов — проблемы, которая могла повлиять на предыдущие анализы.

    «Наша реконструкция показывает общий размер, форму и расположение основных компонентов в соответствии с предыдущими исследованиями», — сказал Уолл.«Однако новая структура также раскрывает детали отдельных субъединиц и их угловую ориентацию, которая меняет направление по длине структуры. Теперь мы видим 12-кратные симметричные особенности и детали связей между субдоменами как внутри, так и снаружи по всей« игле ». база.»

    Таким образом, более точная модель показывает, как различные части машины для впрыска подходят друг к другу и могут соответствовать другим бактериальным компонентам, которые обеспечивают двигатель для впрыска.Это важные шаги к детальному пониманию того, как работает инъекционная машина, и к разработке ингибиторов, которые могут предотвратить бактериальные инфекции.

    Хотя STEM был создан более 25 лет назад, он остается современным инструментом для точного определения стехиометрии и однородности биологических комплексов. Это один из уникальных инструментов, которые Brookhaven Lab предоставляет научному сообществу.

    В случае этого исследования, сказал ведущий автор Ариэль Блокер из Оксфордского университета и Университета Бристоля, Великобритания, «STEM-эксперимент был ключевым, потому что он предоставил уникальную и независимую информацию, которая позволила сузить потенциальные симметрии внутри структуры до небольшой набор проверяемых возможностей.«

    Источник: Брукхейвенская национальная лаборатория (новости: в сети)


    Определены структуры важных вирусов растений.


    Цитата:
    Раскрыты подробности бактериальной «инъекционной» системы (26 апреля 2009 г.)
    получено 20 апреля 2021 г.
    с https: // физ.org / news / 2009-04-bacterial -hibited.html

    Этот документ защищен авторским правом. За исключением честных сделок с целью частного изучения или исследования, никакие
    часть может быть воспроизведена без письменного разрешения.