Изготовители топливной смеси

Изготовители топливной смеси

10.09.2019 - 12:00
Приблизительное время чтения: 6 минут. Интересно, но нет времени читать?

Топливную смесь первых ДВС готовил испаритель – сложный, капризный агрегат, который не способствовал популяризации автомобилей. Сегодня конструкторы достигли совершенства в приготовлении рабочей смеси, наш обзор расскажет все о технологии приготовления топливной смеси бензиновых силовых установок.

Рождение карбюратора

Идея не испарять, а мелко распылять бензин во впускном тракте (коллекторе) родилась в 1893 году почти одновременно в Австро-Венгрии и Германии.

Реализовать ее лучше всего получилось у Вильгельма Майбаха, который предложил довольно неприхотливый, простой и дешевый карбюратор, позволявший готовить топливную смесь нужного состава.

Карбюратор был настолько хорош, что полностью остановил разработку альтернативных систем питания двигателя на несколько десятилетий.

Дизель и впрыск

В Германии параллельно с бензиновыми шло развитие дизельных моторов, в 1927 году Bosch сделал первый в мире ТНВД (топливный насос высокого давления) и механические топливные форсунки. Такая система питания вывела развитие дизельных двигателей на принципиально новый уровень. В Европе появились дизельные грузовики и автобусы, а в 1936 году даже серийный легковой автомобиль Mercedes 260D.

Тогда же авиастроителям понравилась «дизельная» идея непосредственного впрыска топлива в камеру сгорания. Она позволяла устранить характерные для авиационного карбюратора провалы при перегрузках и добавить мощности двигателям самолетов.

Начинающаяся Великая война сильно способствовала развитию технологий. Авиационные двигатели Daimler-Benz, созданные в сотрудничестве с Robert Bosch, появились в начале 1940 года на истребителях Messerschmitt. Практически одновременно в самолетах союзников, оснащенных американскими моторами Wright, появился заокеанский вариант впрыска.

С небес на землю

Для автомобилей разоренной войной Европы впрыск оказался слишком дорог. На «землю» он спустился в автоспорт – непосредственный впрыск «авиационного образца» стали использовать в дорогих двухтактных (мотоциклетных) и четырехтактных спортивных моторах. За пределы треков такие моторы пусть очень редко, но выбирались, ими оснащались спортивные купе для богатых эстетов, например Mercedes 300SL Gullwing. А массовая аудитория продолжала использовать карбюраторы, которые успешно эксплуатировались вплоть до середины 70-х годов. Тогда за дело взялись экологи, немало поспособствовавшие развитию автомобильных технологий.

Первый шаг назад

В авангарде решения экологических задач вновь оказалась компания Bosch, которой еще в 1967 году удалось создать первую в мире серийную систему впрыска бензина с электронным управлением. В техническом плане это был шаг назад, ведь речь не шла о непосредственном впрыске.

Топливо подавалось не в камеру сгорания, а во впускные трубопроводы перед клапанами. Такая конструкция (ее назвали распределенным впрыском) значительно упростила и удешевила систему питания.

Расчет был таким: за счет того, что требуемое давление впрыска в коллектор в несколько раз ниже, чем в камеру сгорания, можно заменить сложный и дорогой ТНВД простым электрическим бензонасосом. А также применить более простые форсунки.

Моновпрыск убил карбюратор

С 70-х годов большинство автопроизводителей надолго забывают о существовании непосредственного впрыска бензина. Борьба разворачивается между приверженцами распределенного впрыска и карбюраторов. В этой борьбе сначала побеждает своеобразный симбиоз карбюраторной системы питания и распределенного впрыска с одной форсункой на коллектор – моновпрыск.

Он не столь совершенен, как распределенный и тем более непосредственный, но прост, дешев и оптимален в работе.

Моновпрыск на дешевых машинах и распределенный впрыск на дорогих всего лет за десять полностью убили карбюратор в развитых странах. Он исчез сначала из вновь разрабатываемых, а затем и из всех выпускаемых автомобилей.

Интеллектуальное управление

Компания Bosch бросила все силы на совершенствование своих систем распределенного впрыска и в 1979 году представила миру высокоточную систему управления двигателей Motronic, которая посредством электронной системы управляла системой топливоподачи и зажиганием.

С тех пор система Motronic пережила насколько поколений и дала многочисленное потомство, совершенствуясь с каждой новой генерацией. Казалось, что в непосредственном впрыске больше не будет необходимости.

топливная система

Японский ответ

В 1995 году компания Mitsubishi Motors, как говорят с чистого листа, сделала систему питания, названную очень просто – GDI (gasoline direct injection – непосредственный впрыск бензина).

Моторы, оснащенные GDI, потребляют меньше топлива, особенно при спокойной езде на невысокой скорости. Во-вторых, они обеспечивают более интенсивное ускорение при одинаковом рабочем объеме двигателя. В-третьих, у них чище выхлоп. В-четвертых, они гарантируют более высокую литровую мощность за счет большей степени сжатия.

Обеднение смеси

Достоинства объясняются принципом работы. На холостом ходу или при малой нагрузке GDI может работать на режимах сверхбедных рабочих смесей (1:40), недоступных обычным двигателям (для них предел соотношения бензина и воздуха 1:15–1:20).

Вихревое движение воздушного заряда на неполной мощности смешивает распыленное топливо только с частью воздуха, попавшего в камеру сгорания. Фактически задействованной оказывается только часть рабочего объема двигателя. При разгоне и высоких скоростях движения система управления переключает двигатель на «мощностной» режим со стехиометрическим (т.е. идеальным) соотношением бензина и топлива. А при интенсивном разгоне включается двухстадийный впрыск, при котором во время такта впуска впрыскивается небольшое количество топлива, чтобы охладить воздух, а затем уже основная порция.

Обратная сторона прогресса

Обратной стороной GDI стал тот факт, что при сгорании сверхбедных топливных смесей растет содержание окислов азота в выхлопных газах. Чтобы избавиться от вредных выбросов, пришлось установить нейтрализатор. Но оказалось, что нейтрализатор может долго и эффективно работать только при использовании бензинов с низким содержанием серы.

Такие бензины использовались в Японии, а для других стран был разработан упрощенный непосредственный впрыск, лишенный возможности работы на сверхбедных смесях, при этом мощностные показатели таких моторов остаются на высоте.

Система оказалась гибкой, она позволяла выбирать между экономичностью, мощностью и качеством применяемого топлива с акцентом на любом из этих параметров.

Термостаты за чистый выхлоп

Вначале никто не ожидал, что справиться с повышенным содержанием окислов азота поможет система охлаждения двигателя. Но оказалось, что при понижении температуры выпускных газов количество вредных примесей резко сокращается. Именно это открытие запустило производство «холодных» головок блока цилиндров с мощной системой охлаждения, которая позволяет охладить и выпускной коллектор тоже.

Есть ряд конструкций, где коллектор отлит заодно с головкой блока. Но «холодная голова» вступила в противоречие с оптимальной температурой в блоке цилиндров. Если для головки блока температура антифриза не должна подниматься выше 88, то в блоке оптимальная температура для минимизации потерь на трение может быть 110 градусов и выше.

Это разногласие привело к росту контуров системы охлаждения, которые уже сейчас выросли до 4, каждый из которых регулируется своим термостатом (или даже двумя). В результате моторостроители стали отказываться от классических термостатов и переходить на традиционные для систем электронного регулирования датчики температуры и электромагнитные клапаны в виде исполнительных механизмов, которые управляются блоком управления двигателя.

Экологи на острие прогресса

После массового применения дешевых версий впрыска (центрального и распределенного) экологи заставили разработчиков вновь вернуться к системам непосредственного впрыска. На основе как «германского», так и «японского» непосредственного впрыска разработано множество вариантов, способных с успехом удовлетворить любые запросы моторостроителей. Каждая из конструкций нашла своих приверженцев и свою ценовую нишу. Но, несмотря на совершенствование производства системы впрыска, рост парка автомобилей с непосредственным впрыском происходит не слишком быстро.

Виды впрыска

Центральный (одноточечный или моновпрыск) – форсунка всего одна, и она подает распыленное топливо во впускной коллектор (получил широкое распространение на недорогих малолитражных моторах).

Распределенный (многоточечный, TMPI) – количество форсунок равно количеству цилиндров. Форсунка расположена во впускном коллекторе вблизи тарелок впускных клапанов.

Непосредственный (FSI или GDI – по сути, разновидность многоточечного) – сопло форсунки находится в камере сгорания и распыляет топливо непосредственно в цилиндры. Существует несколько версий этого самого совершенного на сегодняшний день впрыска, разработанных в Германии, Японии и США.


Посмотрите похожие материалы: