Правильное питание
Для успешной жизнедеятельности любого организма требуется правильное и своевременное питание. Атмосферный мотор в этом плане не исключение. Чтобы твой «железный конь» реагировал на пришпоренную педаль газа мгновенно, а стрелка спидометра свободно разгуливала по всей приборной шкале, в двигатель необходимо вовремя и в нужном количестве подать топливовоздушную смесь. О системе, которая дозирует порции и кормит мотор, мы сегодня и поговорим подробно. Борьба за выживание
Искренне надеюсь, что раз ты держишь в руках это издание, то, как минимум, представляешь себе принцип работы ДВС. Эти минимальные знания, без которых рубрика manual раздулась бы в отдельное приложение, и примем их за отправную точку планового ликбеза.
Итак, поршни слоняются по цилиндрам в результате теплового расширения от сгорания топлива. Для эффективного горения его перемешивают с окислителем – воздухом. Идеальное (стехиометрическое) соотношение, при котором топливо сгорает полностью, составляет 1:14,7 и обозначается коэффициентом а = 1. Если доля воздуха растет, то смесь становится обедненной (например, а = 1,15). Дефицит воздуха наоборот превращает смесь в богатую (обогащенную, переобогащенную), при этом а < 1.
Известно два принципиальных способа подачи горючей смеси: под действием разряжения в цилиндре на такте всасывания (карбюраторная система), либо в результате избыточного давления в топливной магистрали (впрыск). Последний – самый востребованный на сегодня, «непосредственный впрыск» инженер Николаус Аугуст Отто предложил более ста лет назад. Однако технологии предков не позволили осуществить задумку. Тогда по законам жанра в технической эволюции выжили карбюраторы, но времена меняются.
Большую часть времени двигатель эксплуатируется в усредненных режимах, то есть от него не требуется максимальной мощности или момента на выходе. Горючую смесь в таком случае логичнее было бы обеднить, снизив расход топлива, а соответственно и вредные выбросы. Но чрезмерно обедненная смесь горит неустойчиво, воспламенение ее замедляется вплоть до пропуска вспышек в цилиндрах, что в свою очередь приводит к повышенному расходу топлива. В результате, падают мощностные показатели двигателя. Поэтому обеднять смесь имеет смысл до значений «а» не более 1,15. Обогащая смесь, можно получить чуть больше мощности, при этом вырастут и вредные выбросы, в том числе и из-за неполного сгорания топлива. Но слишком богатая смесь хуже горит, поэтому урезать «а» меньше 0,85 так же не имеет смысла.
Состав горючей смеси меняется непрерывно во время эксплуатации двигателя на различных режимах, и, как видим, рамки возможных регулировок весьма узкие. Современный карбюратор укладывается в них, при условии, что в нем не побывала отвертка неопытного «кулибина». Однако дозировка должна быть максимально выверенной, а реакция незамедлительной. Для этого карбюратор щедро оснащен вспомогательными устройствами. К примеру, во время разгона смесь необходимо быстро обогатить. Выручает ускорительный насос. Для «дообогащения» на максимальной скорости или при утопленной в пол педали акселератора служат эконостаты, экономайзеры мощностных режимов и другие полезные девайсы.
В силу своих ограниченных возможностей карбюраторы сегодня неотвратимо вымирают. Ключевым моментом в переходе на впрыск явились требованиям по экологии и экономичности. Благодаря им инжектор и отвоевывал подкапотное пространство. Дело в том, что карбюратор не способен поддерживать стехиометрическое соотношение 1:14,7 на всех режимах работы мотора. Поэтому смесь в цилиндры подается заведомо богатая. Содержание СО в выхлопных газах при этом достигает 1,5%. Для того чтобы приблизиться к идеальному балансу, двигатели оснастили электрическими датчиками. Как и во многих технических отраслях, электроника постепенно вытесняет механику. Однако, применительно к автомобильным системам питания, это еще и позволило осуществить давно забытую идею «непосредственного» впрыска, в очередной раз подтвердив незыблемую истину о том, что все новое - хорошо забытое старое.
Первые системы впрыска появились на авиационных двигателях еще в 30-х годах прошлого столетия. В автомобилестроении идею «непосредственного» впрыска смог реализовать инженер Ганс Шеренберг на переднеприводном «Супериор 700 Е», производством которого занималась фирма «Гутброд». И я не стал отвлекать тебя таким малоизвестным фактом, если бы не случилось это аж в 1951 году. 700 кг веса, 30 л. с. и максимальная скорость 115 км/ч – «Ока» да и только. Но чудо-машина не нашла своего покупателя, и Шеренберг отправился реализовывать потенциал своего гения в «Мерседес-Бенц». Как водится, новая технология сначала прошла обкатку на гоночной трассе под капотами «серебряных стрел». Лишь в 1954-ом мир увидел первый серийный автомобиль с механическим впрыском. Это было легендарное купе 300 SL.
Работа Шеренберга послужила отличным фундаментом для впрысковой экспансии. Повсеместное внедрение инжектора началось в 1967-ом с появлением на рынке новинки от компании Bosch, D-Jetronic - системы с электронным управлением. Топливо под постоянным давлением 2 бар (0,2 МПа) подавалось к форсункам, которые периодически впрыскивали его во впускной коллектор. Дозировка осуществлялась длительностью работы форсунок. В 1973 появились K-Jetronic и L-Jetronic. В первой системе форсунки впрыскивали топливо непрерывно, а плунжер регулятора изменял сечение потока топлива в зависимости от расхода воздуха. В случае с L-Jetronic топливо подавалось к электромагнитным форсункам по магистрали со встроенным регулятором давления. Он поддерживал постоянную разницу между давлением топлива и воздуха. Это, в свою очередь, позволило более точно дозировать топливо. Заметным толчком в развитии послужило начало производства в 1976 году лямбда-зонда - кислородного датчика, вкручиваемого в выхлопную систему. По содержанию кислорода в выхлопных газах он оценивает полноту сгорания топлива. Основываясь на его показаниях, блок управления регулирует количество впрыскиваемого топлива. Инжекторная система позволила снизить содержание СО до 0,5-1%. Остатки СО до СО2 дожигали катализаторы. В конце концов, немцы отказались от «геморроя» механического впрыска и переключились на впрыск электронный в 1992 году.
Прозорливые японцы не стали терять время и сразу начали с электронного моновпрыска. Причем уже в начале 80-х освоили впрыск распределенный (немцы добрались до него только к середине 90-х). Компьютеризация развивалась в стране восходящего солнца семимильными шагами. В результате, японские инжекторы заметно поднялись на мировой арене. Примерно тем же путем шли и американцы, минуя механический впрыск. Но, как водится, варились они в собственном соку, поэтому подход к построению впрысковой системы у заокеанских инженеров несколько иной. К примеру, блок управления можно переставить на другой автомобиль, поменяв в нем прошивку.
Но хватит с нас истории – механический впрыск, подобно «карбам», благополучно канул в лету. Что имеем сегодня? Итак, принудительно впрыскивать топливо можно не только в цилиндры, но и во впускной коллектор. Если эту работу выполняет одна единственная форсунка, как бы, имитируя карбюратор, то система называется одноточечным, центральным или моновпрыском. Недостаток у такой системы, как и у карбюратора, в конструктивной неравномерности работы (особенно на низких оборотах). Причиной тому разноудаленность цилиндров от форсунки. Многие инженеры пытались решить проблему «играя» с диаметрами и длинной патрубков второго и третьего цилиндров (если мотор четырехцилиндровый). Но чудес, как известно, не бывает, и феноменальных успехов никто не добился. Когда-то наши, одержимые тюнингом, предки решили проблему «в лоб», снабдив каждый цилиндр мощного мотора собственным карбюратором. Как вы понимаете, синхронизировать хитрые механические узлы гораздо сложнее, чем управляемые компьютером форсунки. В результате, появился впрыск многоточечный или распространенный. В этом случае форсунки устанавливаются в канал в непосредственной близости от впускных клапанов. Подача воздуха регулируется дроссельной заслонкой. Перед разделением на потоки воздух накапливается в ресивере, который необходим для правильного измерения массового расхода воздуха.
Но худа без добра не бывает. Решив проблему «разноудаленности», «непосредственный» впрыск лишился и главного преимущества моновпрыска – стабильного зимнего пуска. Дело в том, что при низких температурах испаряемость бензина резко снижается. Как следствие, на стенках впускного коллектора образуется пленка топлива. При этом до цилиндра долетают пары, и свечи не «заливает». На распределенном впрыске «залитие» свечей определяется в основном программой контроллера (при исправных компонентах системы, что делает ее более уязвимой).
Алгоритм работы распределенного впрыска делится на три типа:
1. Одновременный - за один рабочий цикл двигателя (2 оборота коленвала) все четыре форсунки отрабатывают два раза одновременно.
2. Попарно-параллельный или групповой - за один рабочий такт двигателя форсунки отрабатывают парами (1-4 и 2-3) по два раза за рабочий такт.
3. Фазированный или последовательный - за один рабочий такт двигателя каждая форсунка отрабатывает по одному разу в соответствии с фазой впрыска. За один цикл одновременного и попарно-параллельного впрыска форсунка включается два раза. На фазированном – только один, поэтому время ее работы увеличено в два раза.
С топливом разобрались, но ведь воздух по-прежнему «черпается из общего котла». А ведь мотор «глотает» массы воздуха волнообразно с определенной амплитудой в зависимости от режима работы. «Общий впуск» страдает неизлечимым пороком - наложением волновых колебаний и неравномерным наполнением цилиндров, вследствие взаимного влияния трактов друг на друга. На стоковом бюджетном «движке» это не так принципиально, но спорт-кары гораздо капризнее. Выход был найден в соответствии с древнейшей мудростью предков: каждый цилиндр обзавелся отдельной дроссельной заслонкой и коллектором. Это позволило резко увеличить количество «засасываемого» мотором воздуха, что непосредственно повлияло на мощность и крутящий момент, а заодно и избавиться от паразитных пульсаций. Система получила название «многодроссельный впуск» или ITB (Individual Throttle Bodies). На практике это выглядит так: вместо единого впускного коллектора к каждому цилиндру подходит свой металлический патрубок. Благодаря внешнему виду их и прозвали «дудками». Смотрится весьма эффектно! Подобной системой балуются, к примеру, баварские мотористы, устанавливая ее на легендарные BMW M-серии.
Раздельный впуск актуален на мощных форсированных специально подготовленных двигателях и, как большинство тюнинг-инсталляций, скверно сказывается на ресурсе стандартного силового агрегата. В результате, «многодроссели» получили широкое распространение в автоспорте. Особенно жалуют ITB дрэг-рейсеры. Однако установка подобной системы на обычный двигатель - чрезвычайно хлопотный процесс. Ему должен предшествовать целый комплекс подготовительных работ, как то: «перепрошивка мозгов», доработка головки блока, изменение степени сжатия и даже замена форсунок на более производительные или установка пары форсунок на каждый тракт. «Многодроссели» бывают с ресиверами и без. Это специальный воздушный резервуар, который обеспечивает дополнительный подпор воздуха в коллекторе на высоких оборотах. Но, что-то мы отвлеклись…
Одним воздухом мотор сыт не будет, поэтому вернемся к другой составляющей топливовоздушной смеси. Сегодня на вершине эволюции впрыск «непосредственный», когда топливо, минуя клапаны, попадает сразу в камеру сгорания. На радость «зеленым» конструкторы постепенно накачивали цилиндры все большим количеством воздуха, часть которого поступала по второму кругу, и как следствие, была насыщена выхлопными газами. Один кг бензина приходился на 40 кг «не свежего» воздуха. Поджечь такую чрезмерно обедненную смесь уже не просто. Но есть и еще один нюанс. Дело в том, что до недавнего времени инжекторные системы, по сути, просто имитировали карбюратор, впрыскивая готовую топливовоздушную смесь во впускной коллектор. В случае с «непосрдественным» впрыском топливо и воздух подается в камеру сгорания отдельно друг от друга. В результате, главной задачей инженеров стало смешать и распределить горючую смесь таким образом, чтобы основная часть паров бензина окутывала межискровое пространство, а остальная равномерно заполняла цилиндр. Здесь важна геометрия каждого элемента камеры сгорания: профиль поршня, факела распыляемого топлива, расположение форсунок, клапанов и, конечно, конфигурация электродов свечи зажигания.
Летом 1998 года японцы выбросили на российский рынок первый серийный автомобиль с «непосредственным» впрыском – «Mitsubishi Carisma». На него серийно устанавливался мотор GDI (Gasoline Direct Injection) с послойным смесеобразованием (Ultra-Lean Combustion Mode) для обеспечения работы на сверхобедненных смесях, когда в конце такта сжатия в камеру сгорания подавалась вторая порция топлива. Вскоре после презентации японского «ноу-хау», конкуренты взялись патентовать собственные альтернативные варианты. На сегодняшний день каждый уважающий себя автопроизводитель дополнил линейку силовых агрегатов вариантом с «непосредственным» впрыском, или, по крайней мере, интенсивно работает над этой проблемой.