Диалектика впрыска

ДИАЛЕКТИКА ВПРЫСКА

]

ТЕХНИКА

Обозрение

ДИАЛЕКТИКА ВПРЫСКА

Чтобы после короткого щелчка стартера двигатель заработал, необходимо, как минимум, ввести в цилиндры топливо. Это азбучная истина.

Алексей ВОРОБЬЕВ-ОБУХОВ

В принципе, бензин может попасть в цилиндр либо под действием разрежения на такте всасывания, либо принудительно, за счет избыточного давления в топливной магистрали во время такта сжатия. Это хорошо понимал еще отец-основатель ДВС Николаус Аугуст Отто в далеком 1877 году. Именно тогда ему пришла идея... самого современнейшего на сегодня непосредственного впрыска в цилиндры. И, если подумать, в этом решении задачи «в лоб» не было ничего удивительного: нужен бензин в камере сгорания — надо его туда впрыснуть. Гладко, однако, получается на бумаге. На деле же возникают сложные технические проблемы: топливо должно попадать в цилиндры в нужном количестве в нужное время и быть хорошо распыленным и перемешанным с воздухом. Иначе либо «обратные удары», либо нет вспышек. Техника XIX века не могла найти приемлемых решений, и прогресс свернул на тропу карбюраторов. Так оказалось проще.

Не подумайте, однако, что всему виной было отсутствие в то время электроники с ее микрочипами и датчиками, которыми щедро увешан современный мотор. Топливная аппаратура дизеля пригодна и для впрыска бензина при снижении давления (эта возможность, кстати, не прошла мимо внимания конструкторов, но о ней чуть ниже).

Добавим еще, что вводить топливо можно не только прямо в цилиндр, минуя клапаны, но и во впускной коллектор, причем тоже по-разному. В простейшем случае с помощью одной-единственной форсунки (это как бы аналог карбюратора), и тогда мы получим так называемый одноточечный или центральный впрыск. А лучше использовать по одной форсунке на цилиндр — управление мотором будет более гибким, вся система эффективней и надежней. Такой вариант, как известно, получил название многоточечного или распределенного впрыска. Самый же новомодный способ — непосредственный впрыск.

Мало кто знает и помнит, что применительно к автомобилю он был реализован одержимым этой идеей Гансом Шеренбергом еще в 1951 году на малоизвестной фирме «Гутброд». С помощью своего мотора конструктор намеревался ни много ни мало составить конкуренцию самому «Фольксвагену»! В сентябре того года из цехов мастерской (заводом предприятие, пожалуй, назвать было нельзя) выкатился автомобиль с претенциозным названием «Супериор 700 Е». Маленькая двухместная машинка была к тому же и... переднеприводная, так что ее с полным правом можно отнести к вершинам послевоенной технической мысли. Двухцилиндровый двухтактный мотор водяного охлаждения рабочим объемом 663 смз выдавал 30 л. с. и разгонял 700-килограммовый автомобильчик до 115 км/ч. При этом «Супериор» довольствовался 4,8 л бензина на 100 километров и его бака хватало на 850 верст. Если сравнить показатели с теми, что имеет «Ока», невольно возникнет вопрос, почему «Гутброд» через три года... разорилась, а не стала всемирно известным автопроизводителем. Гансу Шеренбергу, впрочем, удалось перейти в «Мерседес-Бенц» и реализовать свою «впрысковую идею» на знаменитой гоночной «Серебряной стреле», а позднее на не менее известном 300 SL. В последнем было шесть цилиндров, четыре такта и 215 лошадиных сил, да только ломался этот чудо-двигатель не в пример чаще своего надежного прародителя на «Супериоре». В результате впрыск, тем более непосредственный, надолго сошел со сцены, уступив место все более изощренным карбюраторам.

Теперь самое время вспомнить наш намек на схожесть конструкции аппаратуры впрыскового бензинового мотора и дизеля, который прекрасно обходится безо всякой не то что электроники — электрики. Именно это сходство побудило отечественных конструкторов поставить распределенный впрыск на... серийный легковой автомобиль. Такая попытка была предпринята, да не на одном, а на полутора тысячах (!) «москвичей-412». Не знаем, читали ли инженеры ЦНИИТА и харьковского завода ФЭД о работах Шеренберга, но свой чисто механический впрыск они создали. Да настолько удачный, что несколько таких машин бегают и поныне (три экспериментальные «волги» ГАЗ-21 экзамена временем не выдержали). Система состояла из четырехплунжерного рядного ТНВД, выдававшего до 100 атм. Для непосредственного впрыска этого более чем достаточно. Управлялась подача топлива пилообразной рейкой. Впрысковые «москвичи» прибавили в крутящем моменте на 12%, в мощности — на 10%, а количество СО в выхлопных газах снизилось на одну пятую. Увы, в те годы никого это не интересовало, как, впрочем, и удивительная легкость пуска зимой и отсутствие «подсоса». Главным аргументом «против» оказалась увеличившаяся на 400 долларов (не гарантируем точность пересчета в запретную тогда валюту) цена мотора, и проект был похоронен в гаражах немногих счастливых владельцев.

Для обеспеченного Запада такая сумма не показалась неподъемной и потому впрыск пришел к нам оттуда вместе с кучей проблем по диагностике, ремонту и обслуживанию незнакомой заморской техники. Мы все еще обсуждаем, какую машину брать — с карбюратором или с впрыском, тогда как в остальном мире это давно решено однозначно. Мы примеряем наши моторы к существующему качеству бензина и уровню сервиса, а «там» короли нефтебизнеса и сервисмены подтягивают уровень своей продукции и услуг к появляющимся новинкам. И вот уже минула эпоха первых механических «джетроников», заканчивается время распределенного впрыска и все больше фирм устремляется по пути, проложенному японским «Мицубиси». Или все же Шеренбергом?

Почему сегодня побеждает непосредственный впрыск? Ключевую роль здесь сыграли требования экологии и экономичности. В конце концов, конструкторы вознамерились заставить мотор работать на невероятно бедной смеси. Одна часть бензина в ней приходится на 40, а то и на 50 частей воздуха! (Да и воздух-то обильно «обогащен» выхлопными газами, поступающими в цилиндр «по второму кругу».) Такую смесь не поджечь искровым разрядом и потому основная забота разработчиков так распределить топливный заряд, чтобы возле свечи была смесь богатая, а в остальном объеме — бедная. Организовать такой процесс чрезвычайно сложно. Здесь играют огромную роль геометрические параметры камеры сгорания: взаимное расположение клапанов, форсунки, свечи, форма днища поршня, факела распыляемого топлива... С 1997 года, когда «Мицубиси» представила свой первый GDI (Gasoline Direct Injection), фирмы без устали патентуют альтернативные варианты. До недавнего времени основных было четыре (см. рис.), но немецкий профессор Ульрих Шпихер из университета в Карлсруэ нашел свой, пятый. Здесь свеча спрятана в маленькой «форкамере», бензин впрыскивается в углубление поршня и, когда последний поднимается к ВМТ, забрасывается к искровому промежутку. Далее — по описанному выше принципу.

Бедная смесь очень понравилась разработчикам, но у «зеленых» к новым моторам возникли свои претензии. Да, конечно, с СО здесь все в порядке. Вот только резко выросли выбросы окислов азота NOx. На них тоже нашли управу — специальный накопительный катализатор. Правда, он не может все время накапливать, периодически его нужно очищать. И эта проблема решена: процесс управляется компьютером. В последней разработке «Боша» и «Фольксвагена» — «Мотроник MED7» — двигатель может работать в трех режимах. При частичной нагрузке (а это самый распространенный случай) используется описанный выше послойный заряд топливом с втрое обедненной смесью (l = 3). В таком режиме экономия топлива достигает 40%. При интенсивном разгоне или движении с максимальной скоростью смесь становится однородной с «правильным составом» l = 1. И наконец, когда датчик катализатора сообщает о его переполнении азотистыми соединениями, мотор кратковременно получает слегка переобогащенную смесь с l = 0,8. Температура выхлопных газов при этом повышается до необходимых 600 градусов и вредности «выгорают». Переключением режимов ведает специальная заслонка во впускном коллекторе, изменяющая характер потока воздуха.

В целом в стандартном цикле удается достичь экономии топлива около 15% и выполнить жесткие нормы будущего Евро IV. Но... при условии, если в бензине не будет не только свинца, но и серы. Последняя даже в малых количествах отравляет новый катализатор и сводит на нет все усилия конструкторов. На Западе совместный натиск экологов и двигателистов уже привел к появлению специальных, очищенных от серы сортов бензина, которые, кстати, дороже обычных лишь на 1,5 цента за литр.

Сегодня, пожалуй, не осталось серьезных фирм, не предложивших двигателей с непосредственным впрыском топлива или, по крайней мере, не работающих над такой конструкцией. Остановимся подробнее на только что представленном «Пежо» HPi — так называемом двигателе с впрыском высокого давления. На самом деле высокое оно лишь по сравнению с привычными впрысковыми моторами, где к форсункам топливо подводится при 3–3,5 атмосферы. Новый мотор «Пежо» использует 30–100 атм, как и аналогичные моторы конкурентов. Но есть и у французов ноу-хау, связанное опять же с геометрией: воздух поступает в цилиндр сверху, почти вертикально, ударяется о выемку в днище поршня и активно завихряется. В конце такта сжатия мелко распыленное топливо вводится в этот вихрь и благодаря искусно подобранному комплексу параметров распределяется в камере сгорания так, что возле свечи состав смеси почти стехиометрический (l = 1), а в остальном объеме бензина в 30 раз меньше, чем воздуха. (Последний, кстати, на 30% разбавлен выхлопными газами, что снижает температуру горения и тормозит образование окислов азота.)

За всеми процессами бдительно следит электронный блок с микропроцессором, оперативно изменяя давление подачи бензина. Педаль — в пол и насос выдает максимальные 100 атм, холостой ход — давление снижается до 70. В переходных режимах при плавном сбросе или прибавлении газа давление падает до 30 атмосфер.

Система зажигания не менее «хитрая»: в зависимости от режима процессор изменяет напряжение и энергию разряда. При послойном заряде цилиндра, когда в основном объеме смесь обедненная, энергия максимальна (100 мДж), при однородном распределении с l = 1 она меньше (70 мДж при частичной нагрузке и 50 — при полной).

Своей собственной жизнью живет в этом моторе и дроссельная заслонка, соединенная с шаговым электродвигателем. Педаль газа здесь лишь орган, воспринимающий желание водителя. А уж как поступить с заслонкой, решит компьютер. Так, при послойном заряде воздуха должно быть много и заслонка широко открыта. На холостом ходу угол ее открытия около 20° — вдвое больше общепринятого. Когда какой заряд используется? Послойный находит применение преимущественно в городской черте, когда нагрузка не превышает 50%, а обороты не выше 3500 об/мин. Чем плавнее водитель движется, тем больше он может сэкономить топлива, в идеале — до 21%. Ну а за спортивные наклонности, как обычно, придется расплачиваться у бензоколонки. Конструкторы «Пежо» уверяют, что даже обычный сегодня европейский бензин с содержанием серы до 150 частей на миллион не испортит катализатор, а лишь заставит компьютер чаще прибегать к регенерации (читай — обогащать смесь) и тем самым уменьшит экономичность автомобиля.

Что же в итоге? Системы впрыска развиваются в полном соответствии с законами диалектики. Придуманные в 1877 году и реализованные в пятидесятых, они надолго уступили место карбюраторам. Потом настал черед впрыска во впускной коллектор, и в этом прослеживается карбюраторное наследие. Наконец, на очередном рубеже веков все вернулось к исходной идее — только прямо в цилиндр, но уже на качественно новом, электронно-компьютерном уровне.

Супермашина «Супериор 700 Е» и ее мотор.

Впрысковый УЗАМ под капотом «Москвича-412».

Так располагались свеча и форсунка в моторе с непосредственным впрыском. На автомобиль он так и не попал (а), а эти железки (б) заменяли электронику.

Пятая форкамерная схема университетского профессора из Карлсруэ.

Четыре схемы смесеобразования при непосредственном впрыске.

Так наполняют цилиндр французы.

Фото Дениса БОРОВИЦКОГО

Ошибка в тексте? Выделите её мышкой! И нажмите: Ctrl + Enter

Комментарии