Системы управления

Логично начать разговор c уточнения терминов. Под системой управления двигателем совершенно необязательно подразумевается электроника. Система управления двигателем – это совокупность устройств, отвечающих за формирование топливовоздушной смеси и за подачу искры в нужный момент. Контактная система зажигания с карбюратором ДААЗ на ВАЗ-2101 – это тоже система управления, пусть и не особо гибкая по нынешним меркам. Она обеспечивает главное, что от нее требуется, – изменение режимов работы мотора в ответ на действия водителя.

На входе у системы управления двигателем – ряд воздействий от водителя (нажатие на педаль газа, выбранная передача КПП и т.д.), а на выходе – мощность и крутящий момент, необходимые в текущий момент. Это «потребительский» взгляд. Для авторемонтника ситуация выглядит по-другому. На входе у системы управления – показания множества датчиков, а на выходе – длительность и момент подачи топливовоздушной смеси, а также угол опережения зажигания. Можно представлять все это как черный ящик, но для грамотного обслуживания современных авто необходимо знать нюансы работы этих систем. Рассмотрим основные тенденции развития систем управления, а также существующие к настоящему времени разновидности данных систем.

                        Тренды развития

Важно понимать, что первый и главный двигатель прогресса в науке и технике – это конкуренция. В автомобильной промышленности это имеет особое значение, поскольку один успешно заключенный контракт с производителем автомобилей означает для производителя запчастей или подсистем как минимум несколько лет непрерывных крупных поставок, а значит, и денег. В то же время упущенный контракт – это простаивающие, то есть приносящие убыток, производственные мощности. Поэтому производители систем управления двигателем и отдельных узлов этих систем вынуждены изо всех сил рваться вперед и обеспечивать более высокие потребительские качества своей продукции. Это было всегда, однако в ходе развития автомобильной промышленности постоянно добавляются новые факторы, которые надо учитывать и обеспечивать преимущества своих систем и по этим новым параметрам.

На первых автомобилях водителю на откуп отдавалось управление практически всеми процессами, происходящими в ДВС. В том числе и соотношение топлива и воздуха в смеси, подаваемой в цилиндры, и спасибо еще, что не требовалось вручную нажимать кнопку подачи искры на свечу. Однако существовала тенденция к упрощению работы водителя,  благодаря ей сегодня на водительском кресле есть стандартный набор педалей и рычагов, а не полтора десятка ручек и педалей, отвечающих за самые разные параметры.

Второй тенденцией стало желание выжать из моторов максимальную мощность. Она появилась одновременно с первой, но не исчезла после прихода к единой схеме управления с типовым набором и расположением органов управления, а жива и поныне.

Третья тенденция набрала силу после нефтяного кризиса в 1970-х гг. Это – максимальная топливная экономичность. Сама по себе она не противоречит первой, так как и максимальная экономичность, и максимальная мощность достигаются одним путем – повышением КПД работы двигателя. Однако если в погоне за чистой мощностью не зазорно «накручивать» объем двигателя и даже автомобиль – «дамскую сумочку» оснащать мотором V8, то, когда нужна экономичность, речь сразу заходит о рядных «четверках» и объемах до 2 л.

Первые ласточки электронного управления двигателем появились именно под воздействием второй и третьей тенденций.

Четвертый вектор развития стал следствием массового выпуска автомобилей и ухудшающейся вследствие этого экологической ситуации. Задача минимизировать выбросы токсичных веществ потребовала от конструкторов контролировать каждый «чих» двигателя, поэтому именно под влиянием задач экологии на современных двигателях любой узел имеет как минимум один датчик и один электронно управляемый исполнительный механизм. Важно заметить, что три предыдущих вектора хоть и отклоняли общую линию развития в разные стороны, но в целом не противоречили идее получения максимальной мощности с единицы объема. Экологичность же, как правило, конфликтует с мощностью ДВС, поэтому здесь конструкторы-разработчики моторов поставлены в жесткие рамки и вынуждены применять достаточно сложные решения, требующие нетривиальных знаний при ремонте данных систем. Именно необходимость соблюдения экологических норм максимально способствовала проникновению электроники в двигатели.

В настоящее время, помимо вышесказанного, серьезное значение имеют понижение эксплуатационных расходов и увеличение интервалов ТО. Поскольку средний срок гарантийного периода производителя автомобиля составляет приблизительно 3 года и/или 100 тысяч километров пробега, крайне важно минимизировать количество посещений сервиса и обеспечить владельцу минимум вложений в этот период. Поэтому требования автопроизводителей растут, компоненты совершенствуются, сервисные интервалы увеличиваются, и, например, некоторые свечи зажигания служат уже более 100 тысяч километров. Конечно, все это, во-первых, повышает стоимость самих компонентов. Понятно, что изготовить свечи с большим ресурсом дороже, чем служащие 10 тысяч километров. А во-вторых, усложняются процедуры их замены, обслуживание начинает требовать непременного присутствия специализированного оборудования и высококвалифицированных автомехаников.

Однако, возвращаясь к теме разговора, для дальнейшего рассмотрения целесообразно разделить системы управления на основные подсистемы. Деление это в достаточной степени условное, так как в современных автомобилях все эти подсистемы управляются из единого центра.

                        Подсистема зажигания

Энергия для формирования воспламеняющей искры берется из бортового источника питания (аккумулятора, а после запуска двигателя – от генератора), напряжение повышается до требуемых величин (порядка десятков киловольт) и запасается в катушке индуктивности или конденсаторе, откуда в нужный момент подается непосредственно на свечу зажигания. Это фундаментальный принцип работы систем зажигания, который пока никак не обойти. А вот осуществлялся этот принцип в разных поколениях автомобилей по-разному.

Контактная система зажигания была первой, и сейчас найти автомобиль с ней – весьма непростая задача. В соответствии с названием, для подачи напряжения на высоковольтную катушку использовались механические контакты. Сначала замыкался контакт, подающий напряжение на первичную обмотку катушки зажигания, вследствие чего на вторичной обмотке формировался запас энергии. Далее, в нужный момент, вторичная обмотка катушки подключалась к свече зажигания, формировалась искра, и цикл повторялся уже для следующего цилиндра.

Основной недостаток контактной системы заключался в том, что при высоких оборотах двигателя промежуток между искрообразованием в двух соседних цилиндрах становился слишком маленьким, чтобы за это время во вторичной обмотке успел накопиться достаточный заряд. В силу ряда конструктивных особенностей компенсировать этот недостаток было нельзя.

Поэтому на смену контактным системам пришли бесконтактные. Здесь напряжение на первичную обмотку катушки зажигания подавалось уже не через механический регулярно размыкаемый контакт, а через силовой транзистор. Это позволило сильно увеличить подаваемый ток, а значит, увеличить количество энергии, запасаемой во вторичной обмотке за промежутки времени той же длительности, что и у контактных систем. Вторым явным преимуществом данного решения являлось само по себе отсутствие механических взаимодействий и связанных с этим проблем, в частности износа контактной группы.

И в контактном, и в бесконтактном исполнении для коммутации вторичной обмотки катушки зажигания со свечой использовался механический распределитель (трамблер). Он имел механический привод, как правило, от распредвала. «Базовый» угол опережения зажигания определялся углом установки прерывателя-распределителя и выставлялся с помощью стробоскопа и метки на маховике двигателя. Поскольку в различных режимах работы двигателя требуется изменение угла опережения зажигания, в составе трамблера было специальное устройство, изменяющее угол опережения зажигания в зависимости от разрежения во впускном коллекторе. На отечественных автомобилях это устройство называлось вакуумным корректором.

Но системы с механическим распределителем не могли обеспечить полноценное управление углом опережения зажигания в зависимости от текущей нагрузки и оборотов двигателя. Для достижения максимальной экологичности, экономичности и мощности этим параметром необходимо управлять с высокой точностью и скоростью. Поэтому на современных автомобилях как момент подачи напряжения на первичную обмотку, так и момент непосредственно зажигания определяются микропроцессорным блоком управления. Из современных автомобилей безжалостной рукой прогресса выброшено произведение конструкторского искусства – механический распределитель, и его место заняло произведение искусства электронного – блок управления на базе микропроцессора.

Как правило, для каждого цилиндра устанавливается отдельная катушка зажигания. Причем если в автомобилях конца 90-х – начала 2000-х еще присутствовали высоковольтные провода от катушек к свечам, то теперь катушка конструктивно исполнена так, что надевается непосредственно на свечу зажигания. В зависимости от конкретного автомобиля катушки могут быть объединены в единый блок или же выступать в качестве отдельных элементов.

Переход к электронно управляемому зажиганию двояко повлиял на ремонтопригодность и надежность систем зажигания. С одной стороны, были удалены достаточно сложный механический узел и вакуумный корректор, а значит, превентивно устранены и связанные с ними проблемы. Кроме того, появился ряд решений, невозможных без электроники. Как пример можно привести обнаружение детонаций в двигателях автомобилей SAAB с системой Trionic. На свечи постоянно подавалось низкое (менее 100 В) напряжение. Вследствие этого газы, образовавшиеся после сгорания смеси, начинали проводить ток, и по характеристикам тока, проходящего через свечу, определялся факт возникновения детонации.

С другой стороны, стали сложнее диагностика проблем зажигания и выше стоимость ремонта. Во-первых, снять сигнал осциллографом с катушки на свече несколько сложнее, чем с высоковольтного провода. Во-вторых, если раньше типичным ремонтом была замена бегунка, крышки трамблера и катушки, то теперь меняется только катушка, но по стоимости она как раз перекрывает все три ранее названных узла.

                       Подсистема подачи воздуха

Система управления двигателем должна учитывать количество и качество (например, температуру) воздуха, попадающего в двигатель, и сообразно этому подавать необходимое количество топлива. Кроме того, на плечах системы управления лежат поддержание холостого хода (ХХ), ограничение максимального давления во впуске (для турбированных моторов) и множество других задач.

В простейшем карбюраторе поддержание холостого хода реализовывалось достаточно просто. Дроссельные заслонки закрывались не до конца, и при отпущенной педали газа на прогретом двигателе воздух во впускной коллектор попадал именно в том количестве, которое необходимо для поддержания оборотов холостого хода. Для работы на непрогретом двигателе был механизм, позволяющий контролировать степень обогащения смеси. Это тот самый «подсос» на отечественных автомобилях. В более продвинутых системах этот механизм был полуавтоматическим и напрямую водитель им управлять не мог. Аналогично обстояли дела и с управлением подачей воздуха для поддержания ХХ.

С появлением электронных систем управления двигателем (ЭСУД) появились и более продвинутые системы поддержания холостого хода. Во впускном воздуховоде присутствует канал, обходящий дроссельную заслонку. Для управления количеством воздуха, проходящего через этот канал, в состав системы подачи воздуха был введен отдельный механизм – регулятор холостого хода (РХХ). Как правило, регулятор представляет собой шаговый двигатель, приводящий в движение клапан, перекрывающий или открывающий данный канал. Управляется шаговый двигатель все тем же блоком управления, который анализирует текущие обороты двигателя, а также ряд других внешних факторов, и в зависимости от них определяет степень открытия РХХ. Впоследствии, при появлении электронно управляемых дросселей, РХХ был исключен из конструкции, так как подача воздуха для поддержания ХХ автоматически реализовывалась уже без дополнительных механизмов.

Сам по себе электронный дроссель представляет собой абсолютно ту же дроссельную заслонку, но управляемую не тросиком, протянутым от педали газа, а шаговым двигателем. Блок управления двигателем «смотрит» на показания потенциометра педали газа, а также на показания ряда других датчиков, после чего «решает», на какой угол необходимо открыть дроссельную заслонку. Что интересно, электронное управление дросселем было введено исключительно в целях снижения выбросов токсичных веществ в атмосферу. Водитель, как правило, об экологии совершенно не задумывается и педаль газа жмет исключительно в соответствии с дорожной обстановкой и своими планами. Между тем момент открытия дроссельной заслонки и скорость этого действия напрямую влияют на режимы работы двигателя, а значит, и на токсичность выхлопа. Электронное управление заслонкой позволяет полностью контролировать режимы работы двигателя и снизить выбросы вредных веществ. Благо, уровень развития электроники дает возможность при этом не пожертвовать динамикой и другими потребительскими качествами автомобиля. Хотя с чисто технической точки зрения это вредный шаг: введение лишнего сложного электромеханического узла никак не способствует повышению надежности системы в целом. Если смотреть с экономической точки зрения, это также минус, поскольку ведет к существенному удорожанию дроссельного узла.

Для расчета поступающего количества воздуха ЭСУД, как правило, использует либо датчик массового расхода воздуха, либо совокупность показаний датчика давления и датчика температуры воздуха во впускном коллекторе. По количеству воздуха (с учетом также температуры охлаждающей жидкости, температуры окружающей среды и, возможно, еще ряда факторов) ЭСУД определяет количество топлива, которое необходимо подать.

В случае турбированного двигателя система управления обязательно управляет и турбонагнетателем. Если компрессор имеет механический привод от двигателя автомобиля или собственного электродвигателя, система управления включает и выключает компрессор в необходимые моменты. Если же компрессор – классическая турбина, приводящаяся в движение энергией выхлопных газов, система управления ограничивает максимальное давление в системе. Это может быть система без электроники вообще, когда по достижении порогового давления во впуске осуществляется открытие перепускного клапана (выпускающего избыточный воздух из впуска или пускающего выхлопные газы в обход турбины), а может быть и электронно управляемая система, которая ограничивает давление и в случае нештатных режимов работы, скажем, при детонациях в цилиндре. В этом случае механизм работы остается тем же, но давление на перепускной клапан подается не напрямую с выхода компрессора, а через управляемый электронно клапан – система управления сама решает, в какой момент его открыть.

Кроме того, с повышением требований к экологичности двигателей появились и требования по содержанию оксидов азота (NO_x) в выхлопных газах. Оксиды азота образуются в случае, когда молекулы азота, содержащиеся в воздухе, вступают в реакцию с молекулами кислорода. Это происходит при повышенных температуре и давлении – именно тех условиях, которые и наблюдаются в камере сгорания современного двигателя с высоким КПД. Для выдерживания требований по содержанию оксидов азота в отработавших газах были приняты следующие меры:

            – расширен функционал каталитических нейтрализаторов (будет рассмотрено в соответствующем разделе);

            – введена рециркуляция выхлопных газов с целью понижения количества оксидов азота, образующихся в процессе сгорания.

Суть системы рециркуляции в том, что часть отработавших газов подается в камеру сгорания на такте впуска и присутствует там при сгорании смеси. При этом, во-первых, частично доокисляются недогоревшие CO и CH, а во-вторых, не участвующая в горении инертная часть отработавших газов вытесняет тот воздух, который в отсутствие отработавших газов мог окислиться до NO_x. Кроме того, присутствие выхлопных газов приводит к снижению температуры горения, таким образом также снижая образование оксидов азота.

Подача выхлопных газов в камеру сгорания осуществляется двумя способами. Первый – введение внешней системы рециркуляции выхлопных газов (EGR). В этом случае используется специальный клапан между выпускным и впускным коллекторами. В ранних версиях системы клапан EGR был пневмомеханическим и его открытие определялось разрежением во впускном коллекторе. Кроме того, с помощью отдельного термоклапана, отслеживающего температуру охлаждающей жидкости, обеспечивалось включение клапана EGR только на прогретом двигателе. Несмотря на все ухищрения, имеющаяся система имела недостаточную гибкость характеристик, поэтому итоговым решением стал клапан EGR, управляемый соленоидом или шаговым двигателем по сигналу от блока управления, который принимает решение о работе системы рециркуляции, основываясь на совокупности данных от всех необходимых датчиков.

Второй путь – более сложный конструктивно, но и более перспективный с точки зрения показателей, не имеющих прямого отношения к экологичности двигателя. Для рециркуляции выхлопных газов используется система изменения фаз газораспределения. Суть данной системы в ее современном исполнении в том, что распредвалы приводятся в движение не напрямую через цепь или ремень от коленвала, а через гидромуфту, позволяющую в определенном диапазоне изменять положение распредвалов относительно положения коленчатого вала. В зависимости от конкретного двигателя могут меняться фазы только впуска, только выпуска или и того, и другого.

Данная система обеспечивает так называемую внутреннюю рециркуляцию отработавших газов. Это происходит следующим образом: распредвалы устанавливаются в такое положение, когда на такте выпуска отработавших газов впускные клапаны также некоторое время остаются открытыми, и часть отработавших газов попадает во впускной коллектор. На такте впуска эти отработавшие газы попадают в камеру сгорания, где и выполняют свою основную функцию по снижению образования оксидов азота.

                        Подсистема подачи топлива

Задача данной подсистемы – подать нужное количество топлива в нужный цилиндр. Для ее решения нужно, во-первых, передать топливо от бензобака до «впускного» механизма, а во-вторых, выдать это топливо в нужном количестве.

В карбюраторных системах (мы говорим сейчас о классическом карбюраторе без электронно управляемой форсунки) топливовоздушная смесь образуется за счет разрежения – проходящий воздух «засасывает» в себя топливо из поплавковой камеры через жиклеры. В соответствии с количеством проходящего воздуха забирается и нужное количество топлива. Образующаяся смесь попадает во впускной коллектор и далее в цилиндры. В поплавковую камеру карбюратора бензин подается топливным насосом, как правило, с механическим приводом. В этом случае топливный насос располагается в подкапотном пространстве. От бензонасоса в карбюраторном двигателе не требуется создавать высокое давление, главное – обеспечить нужное количество топлива в поплавковой камере. Вследствие этого узел достаточно просто и недорог. Что, впрочем, не мешает ему иметь слабые места, печально известный перегрев бензонасоса на «классических» автомобилях ВАЗ – тому пример.

Разумеется, было бы некорректно ограничиться описанием только «жигулевских» карбюраторов. Карбюраторы развивались достаточно долго в силу своей дешевизны, а значит,  и более высокой привлекательности для автопроизводителей. В частности, когда после появления каталитических нейтрализаторов тройного действия возникла необходимость гораздо точнее регулировать состав топливовоздушной смеси, возникло семейство карбюраторов с электронным управлением, где управление положением дозирующей иглы осуществлялось с помощью соленоидов. Положение иглы (соответственно – дозирование топлива) блок управления выставлял в соответствии с содержанием кислорода в отработавших газах (то есть согласно показаниям лямбда-зонда).

Тем не менее даже с электронным управлением карбюраторы со временем перестали соответствовать нормам по токсичности выхлопных газов и остались в прошлом. На смену им пришли системы центрального впрыска. Здесь топливо подавалось через электронно управляемую форсунку, расположенную перед дроссельной заслонкой. Иными словами, от карбюраторной системы осталась только компоновка – централизованная подача топлива во впускной коллектор. Принцип же подачи топлива был другим. Бензонасос располагался в баке или рядом с ним и имел электропривод. В топливной магистрали поддерживалось давление в диапазоне 0,8–1,2 бар. Для его поддержания использовался регулятор давления, сбрасывающий избыток топлива обратно в бак. При подаче электрического импульса на форсунку в пространство перед дроссельной заслонкой распылялось топливо.

Электронное управление подачей топлива позволило более гибко управлять смесеобразованием, благодаря чему был достигнут очередной рубеж требований по ограничению токсичности. Однако основные проблемы остались теми же, что и у карбюраторных систем, они вытекают из компоновки. Во-первых, при центральной подаче топлива смесь неравномерно распределяется по цилиндрам. Во-вторых, топливо оседает на стенках впускного коллектора, что приводит к дополнительным проблемам.

Поэтому в настоящее время актуальными остаются системы распределенного впрыска топлива. Здесь топливовоздушная смесь для каждого цилиндра формируется индивидуально, своей собственной форсункой, распыляющей топливо в канале впускного коллектора непосредственно перед цилиндром.

Достаточно широкое распространение имели системы механического впрыска. Бензонасос поддерживал в магистрали давление 5–6 бар. Топливо подавалось на форсунки механическим дозатором-распределителем. Форсунки не имели электрического управления и открывались при превышении порогового давления (около 3,5 бар). Системы механического впрыска разработаны и применялись фирмой Bosch довольно широко и успешно, но, как и все механические системы, с ростом требований к двигателям обрастали множеством дополнительной сложной и прецизионной механики, которая, несмотря на все ухищрения конструкторов, не могла одинаково хорошо обеспечивать достаточно экологичную работу двигателей во всех режимах работы. Выпуск данных систем был прекращен с 1995 г., когда был введен стандарт Евро-2, соответствие которому эти системы не могли обеспечить.

К этому моменту стали очевидны преимущества электронно управляемого распределенного впрыска, который и господствовал на автомобилях 1990-х – 2000-х гг. практически безраздельно, да и сейчас присутствует если не на большинстве, то на половине выпускаемых машин. Здесь все просто. Бензонасос обеспечивает постоянное рабочее давление в системе, равное обычно 2–4 бар. Форсунки установлены в топливную рампу и открываются при подаче напряжения на них. Топливная рампа, помимо прочего, демпфирует колебания давления в системе. Открытие форсунки обеспечивается соленоидом, составляющим конструктивно неотъемлемую часть форсунки. Длительность открытия равна длительности подачи управляющего импульса. В отличие от механических и электромеханических систем впрыска отпала необходимость во множестве механических и пневматических подсистем, объединяющих в себе функции датчика и исполнительного механизма и обеспечивающих коррекцию смесеобразования в зависимости от условий работы двигателя. Теперь блок управления полностью контролирует смесеобразование для каждого цилиндра, основываясь на показаниях всех имеющихся в распоряжении датчиков, и способен дозировать смесь самостоятельно в необходимых пропорциях. Все дополнительные системы полностью замещены программными алгоритмами, «зашитыми» в ПЗУ блока управления и обеспечивающими гораздо более точное поддержание всех требуемых режимов работы двигателя.

Несмотря на все плюсы распределенного впрыска, конструкторская мысль на этом не остановилась. Следующим поколением стали двигатели, где впрыск топлива производится непосредственно в камеру сгорания. Основное достоинство данных систем – гибкие режимы смесеобразования, позволяющие управлять не только соотношением воздуха к топливу, но и локализацией смеси в камере сгорания. Такая гибкость позволяет обеспечить сверхмалый расход топлива при низких нагрузках на двигатель и максимальную мощность в режимах высоких нагрузок.

Рассмотрим подробнее, в чем заключается гибкость непосредственного впрыска. В «обычном» распределенном впрыске смесь образовывалась во впускном канале, попадала в цилиндр, впускной клапан закрывался, дальше смесь сжималась и воспламенялась. То есть система управления управляла двумя параметрами: длительностью открытия форсунки (то есть соотношение топлива к воздуху в смеси) и моментом подачи искры (то есть угол опережения зажигания). Момент открытия форсунки в любом случае был на такте впуска. В системах с непосредственным впрыском ситуация другая: форсунку можно открыть в любой момент, и впрыснутое топливо все равно попадет прямо в цилиндр. Соответственно, правильно выбирая момент впрыска, можно обеспечить различное распределение смеси по камере сгорания.

Прежде чем рассматривать основные режимы работы двигателя с непосредственным впрыском, обратим внимание на конструктивные особенности таких моторов.

1) Поскольку времени на смесеобразование в таком двигателе значительно меньше, необходимо сократить время впрыска. Это достигается с помощью повышения давления в топливной рампе. В двигателях с непосредственным впрыском рабочее давление топлива может находиться в диапазоне 30–150 бар. Для обеспечения такого давления принята схема подачи топлива, аналогичная дизельным двигателям: в баке находится подающий насос с электроприводом, обеспечивающий давление 3–6 бар, а рабочее давление создает уже ТНВД с механическим приводом от распредвала. На ранних системах с непосредственным впрыском рабочее высокое давление обеспечивалось механическим регулятором давления (перепускавшим лишнее топливо на вход ТНВД по достижении нужного давления), а в современных системах присутствуют датчик давления топлива и электронно управляемый регулирующий клапан. Также в современных двигателях применяется управление подающим насосом с помощью широтно-импульсной модуляции – таким образом, чтобы топлива подавалось ровно столько, сколько требуется в данный момент. Это, вероятно, помогает повысить ресурс подающего насоса, но сильно затрудняет диагностику в отсутствие дилерского сканера и осциллографа.

2) При вышеуказанных давлениях на форсунках требуется не в пример более высокое усилие для их открытия. Из этого вытекает необходимость подачи других уровней напряжения на обмотки форсунок. Силовая часть электроники, отвечающая за работу с форсунками (так называемые «драйверы форсунок»), усложнена и имеет свой ряд особенностей. Как пример можно привести не очень удачное конструктивное исполнение блока драйверов форсунок на автомобилях Mitsubishi с двигателями GDI, где его отказ был характерной «болячкой».

3) Поскольку в двигателях с непосредственным впрыском подача топлива может осуществляться и в моменты, когда поршень находится в верхней точке, стало необходимо скорректировать форму днища поршня наилучшим образом с точки зрения гидродинамики. Так появилась характерная сферическая выемка, обеспечивающая необходимое завихрение. Кроме того, эта выемка обеспечивает и завихрение поступающего воздуха, улучшая смесеобразование, а при сгорании смеси данная выемка определяет направление фронта пламени.

  Теперь же рассмотрим основные режимы работы двигателя с непосредственным впрыском:

1) Режим послойного сгорания.

Суть данного режима в том, что в камере сгорания образуется неоднородная по составу смесь. В районе свечи зажигания находится смесь со стехиометрическим соотношением, а вокруг нее – практически чистый воздух (или отработавшие газы – из соображений экологии), не участвующий в горении и обеспечивающий теплоизоляцию между областью горения и стенками цилиндра (снижая, таким образом, тепловые потери). Полученной при воспламенении энергии достаточно, чтобы обеспечить устойчивую работу двигателя на холостом ходу и при малых нагрузках. Расход топлива при этом минимален, так как впрыскивается ничтожно малое количество топлива. Главный минус данного режима – повышенное образование оксидов азота из-за повышенной температуры и давления в сочетании с избытком воздуха (кислород, не прореагировавший с топливом, будет реагировать с азотом). Для компенсации этого минуса требуется сложная система нейтрализации оксидов азота, причем, как выяснилось со временем, ее сложность себя не окупает, поэтому от режима послойного смесеобразования постепенно отказываются.

Такая локализация смеси обеспечивается впрыском топлива в самом конце такта сжатия. Смесь завихряется благодаря выемке в днище поршня и попадает как раз в район свечи зажигания. При этом в момент впрыска клапаны закрыты, поэтому движение воздуха в цилиндре не препятствует «маршруту» движения топлива.

2) Режим работы на гомогенной смеси.

Этот режим наиболее близок к «обычному» распределенному впрыску. Открытие форсунки происходит на такте впуска, когда воздух «засасывается» в цилиндр через впускные клапаны, и факел распыла получается более «пышным». Таким образом, происходит хорошее перемешивание топлива с воздухом в объеме цилиндра, и к моменту воспламенения во всем объеме камеры сгорания находится однородная топливовоздушная смесь.

В зависимости от степени нагрузки на двигатель гомогенная смесь может иметь стехиометрическое соотношение, а может быть обедненной, если нагрузка невысока.

3) Режим двойного впрыска.

В некоторых случаях требуется впрыск топлива, разделенный на две стадии. Первая стадия – впрыск малого количества топлива на такте впуска. Топливо равномерно перемешивается с воздухом, образуя сверхбедную смесь. После этого, в конце такта сжатия, осуществляется второй впрыск топлива, после чего смесь становится обогащенной и горит с максимальным выделением энергии.

Данный режим используется в случае резкого увеличения нагрузки на двигатель, а также при запуске двигателя, когда необходимо максимально быстро прогреть каталитический нейтрализатор до рабочей температуры.

              Подсистема снижения токсичности выхлопных газов

В случае идеально сгоревшего топлива на выходе получаются углекислый газ и вода. К сожалению, в реальных устройствах практически невозможно достичь идеального сгорания, поэтому всегда присутствует неравномерное сгорание, в результате которого компоненты топлива не окисляются до конца. Поэтому в составе выхлопа присутствуют угарный газ (CO) и недогоревший бензин (не распавшиеся до конца углеводороды, также называемые CH). Кроме того, как уже говорилось выше, при высоких температурах и давлениях в камере сгорания, сопровождаемых избытком воздуха (то есть бедной смесью), образуется значительное количество оксидов азота (NO_x). Содержание этих компонентов в отработавших газах строго регламентируется 
современными экологическими нормами, поэтому производители вынуждены различными способами дорабатывать двигатели до соответствия данным нормам.

Карбюраторы развивались достаточно долго в силу своей дешевизны, а значит, и более высокой привлекательности для автопроизводителей.

Есть два пути, которые активно применяются. Первый – это обеспечить максимально «правильное» сгорание топлива, минимизируя образование вредных веществ. Для снижения выделений CO и CH прежде всего применяют контроль количества кислорода в выхлопных газах с помощью датчиков кислорода в выпускном тракте. В соответствии с показаниями этих датчиков (также называемых лямбда-зондами) блок управления корректирует смесеобразование для получения наилучшего режима горения смеси. К сожалению, это никак не решает проблему образования оксидов азота, особенно в двигателях с непосредственным впрыском, у которых при работе на сверхбедных смесях образование оксидов азота – закономерное и неизбежное зло. Для снижения образования оксидов азота активно применяется рециркуляция выхлопных газов, которые замещают в камере сгорания воздух, не участвующий в процессе горения смеси, а также понижают температуру в камере сгорания за счет более высокой теплоемкости. Для рециркуляции, как было рассказано в разделе про системы подачи воздуха, могут применяться как системы «внешней» рециркуляции выхлопных газов с отдельным клапаном, так и системы изменения фаз газораспределения. На современных бензиновых двигателях, как правило, применяются обе эти системы.

В любом случае всех вышеперечисленных мер недостаточно для полноценного снижения токсичности выхлопа, поэтому применяется и второй путь – нейтрализация вредных соединений. Нейтрализация недогоревшего топлива (CO и CH) по своей сути – это доокисление его компонентов до безвредной воды и углекислого газа. Выхлопные газы проходят через керамическую или металлическую «решетку» (или «соты»), покрытую слоем благородного металла (платина, палладий, родий). При температурах выше 250–300 градусов в присутствии катализатора (того самого благородного металла) происходит эффективное «догорание» угарного газа (CO), а при температурах выше 400 градусов – и элементов CH. На выходе получаются уже нетоксичные компоненты. По принципу действия нейтрализатор и начал называться в массах просто «катализатор». На выходе катализатора в современных автомобилях устанавливается еще один датчик кислорода.

  Другое дело – оксиды азота. Их нельзя «доокислить», наоборот, они уже окислены, и единственный путь – восстановить их обратно до азота. Здесь бывает два варианта. Первый – это «двухфазный» нейтрализатор, где в первой фазе оксиды азота только осаждаются (адсорбируются) на решетке нейтрализатора, а потом, при достижении порогового содержания оксидов азота в выхлопных газах (для этого служит еще один датчик, фиксирующий именно содержание оксидов азота), двигатель переводится в режим работы на гомогенной стехиометрической смеси, при котором адсорбированные оксиды азота в присутствии CO из выхлопных газов восстанавливаются до безвредных соединений (так называемый режим регенерации). Второй вариант – «непрерывное» восстановление оксидов азота, без фазы адсорбции на решетке катализатора. В эксплуатации накопительных нейтрализаторов оксидов азота есть особенность, связанная с высоким содержанием серы в топливе. Сульфаты, в форме которых сера содержится в топливе, адсорбируются в катализаторе, так как взаимодействуют с веществом катализатора аналогично тому, как это делают оксиды азота, и занимают место, предназначенное для оксидов азота, таким образом понижая эффективность нейтрализатора. А вот в фазе регенерации условия, достаточные для восстановления оксидов азота, оказываются недостаточными для удаления адсорбированных соединений серы. Поэтому блок управления отслеживает также период между фазами регенерации (то есть между моментами, когда количество оксидов азота в выхлопе превышает допустимое значение) и при сокращении этого периода ниже определенной величины делает вывод о том, что нейтрализатор «забит» соединениями серы, после чего переходит в режим очистки от сульфатов. Для этого двигатель переводится в режим работы на гомогенной стехиометрический смеси и устанавливается поздний угол опережения зажигания, отчего повышается температура выхлопных газов, а следовательно, и температура в нейтрализаторе оксидов азота. В результате температура достигает значений, при которых «выжигается» сера. Данный цикл регенерации длится несколько минут и производится на скоростях автомобиля не ниже определенного порога.

Еще одна проблема, которая успешно решена, – улавливание паров топлива из бензобака. В отличие от нейтрализации токсичных веществ в выхлопных газах эта система куда менее сложная и дорогостоящая, однако про ее существование и принципы работы также необходимо рассказать. Суть проста: испаряющееся топливо попадает в адсорбер (роль улавливающего вещества выполняют гранулы активированного угля). В определенных режимах работы двигателя блок управления открывает клапан, соединяющий блок адсорбера с впускным коллектором, и под действием разрежения пары топлива попадают в двигатель. В случае с турбированными двигателями пары топлива могут, в зависимости от наличия разрежения или, наоборот, избыточного давления, попадать соответственно во впускной коллектор или на вход турбокомпрессора.

              Итог

Если попытаться сформировать собирательный образ современного бензинового двигателя, можно описать его следующими фразами:

  – обязательно распределенный впрыск, в последнее время все чаще непосредственный;

  – имеет ряд систем, направленных на снижение токсичности выхлопа. Это и системы, связанные с рециркуляцией выхлопных газов, и система улавливания паров топлива, и каталитические нейтрализаторы;

  – каждый узел и блок имеет непосредственную связь с блоком управления.

Исходя из вышесказанного, можно сделать следующие выводы:

1) В силу «повышенной концентрации» электроники в современных авто, довольно сложным становится их профессиональный ремонт без соответствующего диагностического оборудования, в первую очередь сканера, желательно от квалифицированного производителя, с развитым ПО и регулярно обновляемыми базами данных.

2) Прошли те времена, когда неисправности можно было искать только в системах, непосредственно связанных с подачей топлива и зажиганием. Теперь вероятность проявления неисправности из-за систем контроля токсичности куда выше. Незакрывающийся клапан EGR уже может значительно ухудшить параметры смесеобразования, расплавившийся и «забившийся» из-за перегрева катализатор – привести к выходу из строя цилиндропоршневой группы, а «зависший» клапан адсорбера паров топлива – отнять часть «лошадей» под капотом.