Автомобили - Бензиновая кулинария

Автомобили - Бензиновая кулинария

Прогресс двигателей
Системы традиционного распределенного впрыска бензина отправили карбюратор в музей, но грядет пора им самим уходить со сцены.

Идеальный повар

Карбюратор, изобретенный в 1893 году, служил верой и правдой почти век. Идея распылительного карбюратора с жиклером принадлежит венгерским инженерам Донату Банки и Яношу Чонку, а позже независимо от них это устройство изобрел и воплотил в металле немецкий самоучка Вильгельм Майбах.

В отличие от самых первых систем питания ДВС, карбюратор представлял собой простое устройство, которое не испаряло бензин, а мелко распыляло его в воздухе во впускном тракте двигателя. Такой принцип работы позволял легко готовить топливовоздушную смесь нужного состава. Появление карбюратора, который был неприхотлив, прост и дешев в изготовлении и эксплуатации, на несколько десятилетий затормозило разработку альтернативных систем питания.

Небесный впрыск

В 1927 году компания Bosch начала выпуск первых в мире топливных насосов высокого давления (ТНВД) и механических топливных форсунок, что вывело на новый уровень дизельные технологии. Если раньше топливо в дизельный двигатель впрыскивалось отдельным компрессором, что делало систему очень дорогой и применимой только для больших стационарных и судовых двигателей, то теперь этим заведовал сравнительно недорогой ТНВД. Дизели появились на грузовиках и автобусах, а в 1936 году дебютировал первый серийный легковой автомобиль, работающий на «солярке», – Mercedes 260D.

Тогда же авиаконструкторам пришла мысль – оборудовать искровой мотор аппаратурой, аналогичной дизельной, чтобы бензин не распылялся, как в карбюраторных моторах, а впрыскивался с помощью насоса высокого давления и механических форсунок непосредственно в камеру сгорания. Это позволило бы устранить характерные для карбюратора провалы в работе при больших боковых перегрузках и добавило бы мотору мощности. Прибавка в лошадиных силах объяснялась устранением из впускного тракта дополнительного сопротивления в виде карбюратора – это позволяло впустить в цилиндры больше воздуха, впрыснуть больше бензина и за счет большего объема топливовоздушной сжигаемой смеси достичь большего крутящего момента, а соответственно и мощности.

Авиационные двигатели непосредственного впрыска Daimler-Benz, созданные в сотрудничестве с фирмой Robert Bosch, появились в начале 1940-х годов на немецких истребителях Messerschmitt. Были «впрысковые» истребители и у союзников: моторами фирмы Wright с непосредственным впрыском оснащали истребители Boeing.

Земные пионеры впрыска

Уже после войны в начале пятидесятых непосредственный впрыск бензина появляется и на автомобилях. Пионерами впрыска стали малолитражки никому не известных ныне немецких марок – Gutbrod Superior и Goliath 700 E. Мотивация тут была иной: конструкторы непосредственным впрыском решили излечить двухтактные моторы от врожденного недуга – повышенного по сравнению с четырехтактными моторами расхода топлива. Его причиной был унос части бензовоздушной смеси через выпускные каналы. Впрыск же начинался поздно, после перекрытия выпускных окон, и весь бензин оставался в цилиндре. Применение непосредственного впрыска позволило существенно снизить расход топлива: так, Goliath 700 E тратил на 100 км 5,9 против 7,5 литров бензина своего карбюраторного аналога. Возросла и мощность: с 25 до 29 л.с. у Goliath, и с 22 до 27 л.с. – у Gutbrod.

Вскоре непосредственный впрыск появился и на четырехтактном автомобильном двигателе: первенцем стало знаменитое «крылатое» купе – Mercedes 300SL Gullwing. Покупали эту выдающуюся модель не только автомобильные энтузиасты и коллекционеры – один экземпляр «Крыла чайки» приобрели советские инженеры – для изучения систем непосредственного впрыска, другой – военный департамент Великобритании. Некоторые свои модели системами непосредственного впрыска оснащал и концерн General Motors. Но покупатель тогда не был готов доплачивать за наличие впрыска: хотя некоторое повышение динамических качеств и снижение расхода бензина его и прельщали, возможные проблемы в будущем с ремонтом и эксплуатацией (а первые системы впрыска надежностью не отличались) пугали гораздо больше. Поэтому впрыск оставался экзотикой и реальной конкуренции карбюратору не составлял. Так продолжалось вплоть до семидесятых годов прошлого века, когда в рог затрубили экологи, а цены на нефть, вступившие в силу после энергетического кризиса, задали новые приоритеты при покупке автомобилей. На этот раз владельцы карбюраторных заводов уже не были так уверены в своем безоблачном будущем.

Враги карбюратора, друзья экологии

И снова, как во времена появления первых дизельных автомобилей, компания Bosch – в авангарде. В 1967 году немецкие конструкторы создали Bosch D-Jetronic – первую в мире серийную систему впрыска с электронным управлением. Это был уже не непосредственный впрыск, а обычный распределенный. Форсунки подавали топливо не непосредственно в камеру сгорания цилиндра, а во впускные трубопроводы перед клапанами, что позволило в несколько раз снизить необходимое давление впрыска и заменить дорогостоящий насос высокого давления простым и дешевым электрическим бензонасосом. Первым серийным автомобилем, двигатель которого был оснащен «дешевым» впрыском, стал Volkswagen 1600. Позже эта система появилась на двигателях компаний Daimler-Benz, Porsche, Volvo. В 1970-е большинство автопроизводителей надолго забывают о существовании непосредственного впрыска бензина: теперь разворачивается борьба между приверженцами распределенного впрыска и карбюраторов. Компания Bosch бросает все силы на совершенствование своих систем, что приводит к появлению в 1979 году высокоточной системы управления двигателем Motronic, которая посредством электроники одновременно управляла как топливоподачей, так и зажиганием. Сторонники традиционных решений тоже не сидели сложа руки, разрабатывая сложные карбюраторы с электронным управлением и обратной связью через лямбда-зонд для более точного дозирования бензина, необходимого для применения на автомобилях с каталитическими нейтрализаторами отработавших газов. В итоге карбюраторы выросли в цене, стали сложнее, но продолжали проигрывать впрыску и по расходу топлива, и по мощности. Поэтому, когда начался выпуск дешевых и простых систем центрального впрыска для малолитражек с одним-единственным инжектором, карбюратор списали в музей.

В Штатах, например, продажи новых автомобилей с карбюраторными двигателями прекратили еще в 1990 году. На сегодняшний день разве что в России и еще кое-где можно до сих пор приобрести новый карбюраторный автомобиль. А в остальных странах у покупателя бензинового автомобиля может быть только две альтернативы – распределенный или непосредственный впрыск.

Новое – хорошо исполненное старое

В 1995 году непосредственный впрыск возродила компания Mitsubishi Motors. В конце 1970-х, когда Motronic казался вершиной эволюции, японские инженеры решили разработать наиболее совершенную из всех систем питания бензиновых двигателей. И им это удалось. Во-первых, двигатели GDI (gasoline direct injection, «непосредственный впрыск бензина») потребляют меньше топлива, чем обычные «впрысковые» моторы, в особенности при спокойной езде на невысокой скорости. Во-вторых, при одинаковом рабочем объеме они обеспечивают более интенсивное ускорение автомобиля. В-третьих, у них чище выхлоп. Наконец, в-четвертых, они гарантируют более высокую литровую мощность за счет большей степени сжатия и эффекта охлаждения воздуха при испарении топлива в цилиндрах. Достоинства объясняются принципом работы. На холостом ходу и при малой нагрузке двигатель GDI переходит на режим сверхбедных топливовоздушных смесей, недоступный обычным двигателям. Те могут работать при весовом соотношении бензина к воздуху 1:15–20, в то время как у двигателей GDI возможна пропорция 1:40. Она достигается за счет вихревого движения воздушного заряда, которое обеспечивает смешивание бензина только с частью воздуха, попавшего в камеру сгорания. При разгоне и высоких скоростях двигатель выходит на мощностной режим со стехиометрическим (то есть с идеальным весовым соотношением бензина и кислорода воздуха, при котором сгорает все топливо, – 14,7:1) воздушно-топливным соотношением. А при интенсивном разгоне мотор переходит на двухстадийный впрыск, при котором во время такта впуска впрыскивается небольшое количество топлива, чтобы охладить воздух, а затем уже основная порция. При таком режиме соотношение воздуха и топлива достигает 12:1.

Увы, на сегодняшний день многие из достоинств двигателей с непосредственным впрыском реализованы лишь в Японии. Дело в том, что при сгорании сверхбедной топливовоздушной смеси содержание ядовитых оксидов азота NOx в выхлопе слишком высоко. Японцы побороли этот недостаток, оснастив машины специальным нейтрализатором. Но оказалось, что такой нейтрализатор может долго эффективно работать только при использовании бензина с низким содержанием серы, который не продают пока ни в Европе, ни в России. Поэтому многим автопроизводителям, которые вслед за Mitsubishi Motors стали оснащать свои машины двигателями с непосредственным впрыском, пришлось пренебречь экономичностью ради экологии. Моторы лишились режима работы на сверхбедной смеси, и ныне основное достоинство таких двигателей уже не экономичность, а лучшие мощностные показатели. Впрочем, это временно, скоро низкосернистый бензин начнут продавать в Европе, когда-нибудь он появится и в России, так что перспективы непосредственного впрыска громадные.

По данным специалистов компании Bosch, которая уже давно параллельно с аппаратурой для обычного впрыска выпускает оборудование непосредственного впрыска, через три года каждый пятый бензиновый двигатель будет оснащен непосредственным впрыском. На более протяженный срок эксперты прогнозов не дают, но думается, лет через десять, когда низкосернистый бензин будет продаваться по всему миру и все достоинства непосредственного впрыска будут налицо, двигатели с обычным впрыском останутся только на самых дешевых автомобилях.

Как это работает

Простейший карбюратор. В сужении диффузора засасываемый воздух ускоряется: снижается его давление, и бензин истекает из жиклера. При увеличении угла открытия дроссельной заслонки растет скорость воздуха в диффузоре и разрежение, а соответственно и скорость истечения бензина. Однако в простейшем карбюраторе с ростом скорости воздуха из жиклера истекает слишком много бензина, что делает необходимым применение дополнительных систем и устройств для получения смеси нужного состава.

Распределенный впрыск. Дозировка топлива определяется в зависимости от объема всасываемого воздуха, измеряемого расходомером, и других параметров. В зависимости от этих данных контроллер выдает на электромагнитные форсунки импульсы времени подачи топлива.

Больше кислорода

Для повышения экономичности и мощности двигателя важно не только в нужный момент, в нужном месте и в нужном количестве впрыснуть бензин, но и обеспечить хорошее наполнение цилиндров воздухом. Упразднение дополнительного сопротивления на пути воздуха в виде карбюратора – это лишь один из многих способов улучшить наполнение цилиндров. Широкое распространение получили изменяемые фазы газораспределения, позволяющие для каждого режима работы двигателя выбрать оптимальные моменты открытия и закрытия клапанов, что существенно улучшает наполнение цилиндров воздухом в некоторых режимах.

В обычных моторах фазы газораспределения «заточены» под один определенный режим работы, а на остальных двигатель выдает меньший крутящий момент из-за худшего наполнения цилиндров, связанного со слишком поздним открытием или слишком ранним закрытием впускного клапана.

Существуют также двигатели с переменной длиной впускного тракта. У них на малых оборотах длина максимальна, а с ростом частоты вращения коленчатого вала она с помощью заслонок и перепускных окон снижается. Улучшение наполнения цилиндров воздухом здесь достигается за счет использования эффекта газодинамического наддува, когда в момент открытия впускного клапана в цилиндр поступает заряд уплотненного воздуха.

Одно из последних достижений в области «дыхания двигателя» – революционный механизм Valvetronic компании BMW. Баварские инженеры решили устранить из двигателя дроссельную заслонку, которая, подобно карбюратору, «душит» двигатель, создавая дополнительное сопротивление на впуске. Вместо нее регулировкой количества подаваемого в цилиндры воздуха заведуют клапаны, высоту подъема которых меняют с помощью специального механизма. По данным компании BMW, применение этой системы на режиме частичных нагрузок экономит столько же топлива, что и при замене распределенного впрыска непосредственным. При этом система Valvetronic способна изменять наполнение цилиндров в зависимости от детонационной стойкости бензина (то есть автомобиль с таким мотором можно заправлять любым неэтилированным бензином с октановым числом от 91 до 98) и не боится высокосернистого топлива.

Существуют также системы наддува и охлаждения, которые позволяют значительно улучшить наполнение цилиндров воздухом. Именно комбинацию непосредственного впрыска и наддува многие конструкторы считают наиболее перспективной. Впрочем, наддув – это тема для отдельной статьи.