ДИАЛЕКТИКА ВПРЫСКА
ДИАЛЕКТИКА ВПРЫСКА
ТЕХНИКА
Обозрение
ДИАЛЕКТИКА ВПРЫСКА
Чтоб после недлинного щелчка стартера движок заработал, нужно, как минимум, ввести в цилиндры горючее. Это азбучная правда.
Алексей ВОРОБЬЕВ-ОБУХОВ
В принципе, бензин может попасть в цилиндр или под действием разрежения на такте всасывания, или принудительно, за счет лишнего давления в топливной магистрали во время такта сжатия. Это отлично осознавал еще отец-основатель ДВС Николаус Аугуст Отто в дальнем 1877 году. Вот тогда ему пришла мысль... самого современнейшего на сей день конкретного впрыска в цилиндры. И, если поразмыслить, в этом решении задачки "в лоб" не было ничего необычного: нужен бензин в камере сгорания - нужно его туда впрыснуть. Гладко, но, выходит на бумаге. На самом деле же появляются сложные технические трудности: горючее должно попадать в цилиндры в подходящем количестве в необходимое время и быть отлично распыленным и перемешанным с воздухом. По другому или "оборотные удары", или нет вспышек. Техника XIX века не могла отыскать применимых решений, и прогресс свернул на тропу карбюраторов. Так оказалось проще.
Не задумайтесь, но, что всему виной было отсутствие в то время электроники с ее микрочипами и датчиками, которыми щедро увешан современный мотор. Топливная аппаратура дизеля применима и для впрыска бензина при понижении давления (эта возможность, кстати, не прошла мимо внимания конструкторов, но о ней чуток ниже).
Добавим еще, что вводить горючее можно не только лишь прямо в цилиндр, минуя клапаны, да и во впускной коллектор, при этом тоже по-разному. В простом случае при помощи одной-единственной форсунки (это вроде бы аналог карбюратора), тогда и мы получим так именуемый одноточечный либо центральный впрыск. А лучше использовать по одной форсунке на цилиндр - управление мотором будет более гибким, вся система эффективней и надежней. Таковой вариант, как понятно, получил заглавие многоточечного либо распределенного впрыска. Самый же новомодный метод - конкретный впрыск.
Не достаточно кто знает и помнит, что применительно к автомобилю он был реализован одержимым этой мыслью Гансом Шеренбергом еще в 1951 году на малоизвестной фирме "Гутброд". При помощи собственного мотора конструктор намеревался ни мало ни много составить конкурентнсть самому "Фольксвагену"! В сентябре того года из цехов мастерской (заводом предприятие, пожалуй, именовать было нельзя) выкатился автомобиль с претенциозным заглавием "Супериор 700 Е". Малая двухместная машинка была к тому же и... переднеприводная, так что ее с полным правом можно отнести к верхушкам послевоенной технической мысли. Двухцилиндровый двухтактный мотор водяного остывания рабочим объемом 663 смз выдавал 30 л. с. и разгонял 700-килограммовый автомобильчик до 115 км/ч. При всем этом "Супериор" наслаждался 4,8 л бензина на 100 км и его бака хватало на 850 верст. Если сопоставить характеристики с теми, что имеет "Ока", невольно возникнет вопрос, почему "Гутброд" через три года... разорилась, а не стала всемирно известным автоконцерном. Гансу Шеренбергу, вобщем, удалось перейти в "Мерседес-Бенц" и воплотить свою "впрысковую идею" на известной гоночной "Серебряной стреле", а позже на более известном 300 SL. В последнем было 6 цилиндров, четыре такта и 215 лошадиных сил, да только ломался этот чудо-двигатель не в пример почаще собственного надежного прародителя на "Супериоре". В итоге впрыск, тем паче конкретный, навечно сошел со сцены, уступив место все более утонченным карбюраторам.
Сейчас самое время вспомнить наш намек на схожесть конструкции аппаратуры впрыскового бензинового мотора и дизеля, который отлично обходится безо всякой не то что электроники - электрики. Конкретно это сходство побудило российских конструкторов поставить распределенный впрыск на... серийный легковой автомобиль. Такая попытка была предпринята, да не на одном, а на полутора тыщах (!) "москвичей-412". Не знаем, читали ли инженеры ЦНИИТА и харьковского завода ФЭД о работах Шеренберга, но собственный чисто механический впрыск они сделали. Да так успешный, что несколько таких машин бегают и доныне (три экспериментальные "волги" ГАЗ-21 экзамена временем не выдержали). Система состояла из четырехплунжерного рядного ТНВД, выдававшего до 100 атм. Для конкретного впрыска этого более чем довольно. Управлялась подача горючего пилообразной рейкой. Впрысковые "москвичи" прибавили в вращающем моменте на 12%, в мощности - на 10%, а количество СО в выхлопных газах снизилось на одну пятую. Как досадно бы это не звучало, в те годы никого это не заинтересовывало, как, вобщем, и умопомрачительная легкость запуска зимой и отсутствие "подсоса". Основным аргументом "против" оказалась увеличившаяся на 400 баксов (не гарантируем точность пересчета в запрещенную тогда валюту) стоимость мотора, и проект был похоронен в гаражах немногих счастливых хозяев.
Для обеспеченного Запада такая сумма не показалась неподъемной и поэтому впрыск пришел к нам оттуда совместно с кучей заморочек по диагностике, ремонту и обслуживанию незнакомой заокеанской техники. Мы все еще обсуждаем, какую машину брать - с карбюратором либо с впрыском, тогда как в остальном мире это издавна решено совершенно точно. Мы примеряем наши моторы к существующему качеству бензина и уровню сервиса, а "там" повелители нефтебизнеса и сервисмены подтягивают уровень собственной продукции и услуг к появляющимся новинкам. И вот уже минула эра первых механических "джетроников", завершается время распределенного впрыска и больше компаний устремляется по пути, проложенному японским "Мицубиси". Либо все таки Шеренбергом?
Почему сейчас одолевает конкретный впрыск? Главную роль тут сыграли требования экологии и экономичности. В конце концов, конструкторы вознамерились вынудить мотор работать на неописуемо бедной консистенции. Одна часть бензина в ней приходится на 40, а то и на 50 частей воздуха! (Ну и воздух-то обильно "обогащен" выхлопными газами, поступающими в цилиндр "по второму кругу".) Такую смесь не поджечь искровым разрядом и поэтому основная забота разработчиков так распределить топливный заряд, чтоб около свечки была смесь богатая, а в остальном объеме - бедная. Организовать таковой процесс очень трудно. Тут играют гигантскую роль геометрические характеристики камеры сгорания: обоюдное размещение клапанов, форсунки, свечки, форма днища поршня, факела распыляемого горючего... С 1997 года, когда "Мицубиси" представила собственный 1-ый GDI (Gasoline Direct Injection), компании без утомились патентуют другие варианты. До недавнешнего времени главных было четыре (см. рис.), но германский доктор Ульрих Шпихер из института в Карлсруэ отыскал собственный, 5-ый. Тут свеча спрятана в малеханькой "форкамере", бензин впрыскивается в углубление поршня и, когда последний подымается к ВМТ, забрасывается к искровому промежутку. Дальше - по описанному чуть повыше принципу.
Бедная смесь очень приглянулась разработчикам, но у "зеленоватых" к новым моторам появились свои претензии. Да, естественно, с СО тут все в порядке. Вот только резко выросли выбросы окислов азота NOx. На их тоже отыскали управу - особый накопительный катализатор. Правда, он не может всегда копить, временами его необходимо очищать. И эта неувязка решена: процесс управляется компом. В последней разработке "Боша" и "Фольксвагена" - "Мотроник MED7" - движок может работать в 3-х режимах. При частичной нагрузке (а это часто встречающийся случай) употребляется описанный чуть повыше послойный заряд топливом с в три раза обедненной консистенцией (l = 3). В таком режиме экономия горючего добивается 40%. При насыщенном разгоне либо движении с наибольшей скоростью смесь становится однородной с "правильным составом" l = 1. И в конце концов, когда датчик катализатора докладывает о его переполнении азотистыми соединениями, мотор краткосрочно получает немного переобогащенную смесь с l = 0,8. Температура выхлопных газов при всем этом увеличивается до нужных 600 градусов и вредности "выгорают". Переключением режимов ведает особая заслонка во впускном коллекторе, изменяющая нрав потока воздуха.
В целом в стандартном цикле удается достигнуть экономии горючего около 15% и выполнить жесткие нормы грядущего Евро IV. Но... при условии, если в бензине не будет не только лишь свинца, да и серы. Последняя даже в малых количествах отравляет новый катализатор и сводит на нет все усилия конструкторов. На Западе кооперативный напор экологов и двигателистов уже привел к возникновению особых, очищенных от серы видов бензина, которые, кстати, дороже обыденных только на 1,5 цента за литр.
Сейчас, пожалуй, не осталось суровых компаний, не предложивших движков с конкретным впрыском горючего либо, по последней мере, не работающих над таковой конструкцией. Остановимся подробнее на только-только представленном "Пежо" HPi - так именуемом движке с впрыском высочайшего давления. По сути высочайшее оно только по сопоставлению с обычными впрысковыми моторами, где к форсункам горючее подводится при 3-3,5 атмосферы. Новый мотор "Пежо" употребляет 30-100 атм, как и подобные моторы соперников. Но есть и у французов ноу-хау, связанное снова же с геометрией: воздух поступает в цилиндр сверху, практически вертикально, ударяется о выемку в днище поршня и интенсивно завихряется. В конце такта сжатия мелко распыленное горючее вводится в этот вихрь и благодаря умело подобранному комплексу характеристик распределяется в камере сгорания так, что около свечки состав консистенции практически стехиометрический (l = 1), а в остальном объеме бензина в 30 раз меньше, чем воздуха. (Последний, кстати, на 30% разбавлен выхлопными газами, что понижает температуру горения и тормозит образование окислов азота.)
За всеми процессами бдительно смотрит электрический блок с процессором, оперативно изменяя давление подачи бензина. Педаль - в пол и насос выдает наибольшие 100 атм, холостой ход - давление понижается до 70. В переходных режимах при плавном сбросе либо прибавлении газа давление падает до 30 атмосфер.
Система зажигания более "хитрецкая": зависимо от режима микропроцессор изменяет напряжение и энергию разряда. При послойном заряде цилиндра, когда в главном объеме смесь обедненная, энергия максимальна (100 мДж), при однородном рассредотачивании с l = 1 она меньше (70 мДж при частичной нагрузке и 50 - при полной).
Собственной своей жизнью живет в этом моторе и дроссельная заслонка, соединенная с шаговым электродвигателем. Педаль акселератора тут только орган, воспринимающий желание водителя. А как поступить с заслонкой, решит компьютер. Так, при послойном заряде воздуха должно быть много и заслонка обширно открыта. На холостом ходу угол ее открытия около 20° - в два раза больше принятого. Когда какой заряд употребляется? Послойный находит применение в большей степени в городской черте, когда нагрузка не превосходит 50%, а обороты не выше 3500 об/мин. Чем плавнее шофер движется, тем больше он может сберечь горючего, в эталоне - до 21%. Ну а за Подвескаивные наклонности, как обычно, придется рассчитываться у бензоколонки. Конструкторы "Пежо" убеждают, что даже обыденный сейчас европейский бензин с содержанием серы до 150 частей на миллион не иПодвескаит катализатор, а только принудит компьютер почаще прибегать к регенерации (читай - обогащать смесь) и тем уменьшит экономичность автомобиля.
Что все-таки в конечном итоге? Системы впрыска развиваются в полном согласовании с законами диалектики. Выдуманные в 1877 году и реализованные в 50-х, они навечно уступили место карбюраторам. Позже настал черед впрыска во впускной коллектор, и в этом выслеживается карбюраторное наследство. В конце концов, на следующем рубеже веков все возвратилось к начальной идее - только прямо в цилиндр, но уже на отменно новеньком, электронно-компьютерном уровне.
Супермашина "Супериор 700 Е" и ее мотор.
Впрысковый УЗАМ под капотом "Москвича-412".
Так размещались свеча и форсунка в моторе с конкретным впрыском. На автомобиль он так и не попал (а), а эти железяки (б) подменяли электронику.
5-ая форкамерная схема институтского доктора из Карлсруэ.
Четыре схемы смесеобразования при конкретном впрыске.
Так заполняют цилиндр французы.
Фото Дениса БОРОВИЦКОГО
ТЕХНИКА
Обозрение
ДИАЛЕКТИКА ВПРЫСКА
Чтоб после недлинного щелчка стартера движок заработал, нужно, как минимум, ввести в цилиндры горючее. Это азбучная правда.
Алексей ВОРОБЬЕВ-ОБУХОВ
В принципе, бензин может попасть в цилиндр или под действием разрежения на такте всасывания, или принудительно, за счет лишнего давления в топливной магистрали во время такта сжатия. Это отлично осознавал еще отец-основатель ДВС Николаус Аугуст Отто в дальнем 1877 году. Вот тогда ему пришла мысль... самого современнейшего на сей день конкретного впрыска в цилиндры. И, если поразмыслить, в этом решении задачки "в лоб" не было ничего необычного: нужен бензин в камере сгорания - нужно его туда впрыснуть. Гладко, но, выходит на бумаге. На самом деле же появляются сложные технические трудности: горючее должно попадать в цилиндры в подходящем количестве в необходимое время и быть отлично распыленным и перемешанным с воздухом. По другому или "оборотные удары", или нет вспышек. Техника XIX века не могла отыскать применимых решений, и прогресс свернул на тропу карбюраторов. Так оказалось проще.
Не задумайтесь, но, что всему виной было отсутствие в то время электроники с ее микрочипами и датчиками, которыми щедро увешан современный мотор. Топливная аппаратура дизеля применима и для впрыска бензина при понижении давления (эта возможность, кстати, не прошла мимо внимания конструкторов, но о ней чуток ниже).
Добавим еще, что вводить горючее можно не только лишь прямо в цилиндр, минуя клапаны, да и во впускной коллектор, при этом тоже по-разному. В простом случае при помощи одной-единственной форсунки (это вроде бы аналог карбюратора), тогда и мы получим так именуемый одноточечный либо центральный впрыск. А лучше использовать по одной форсунке на цилиндр - управление мотором будет более гибким, вся система эффективней и надежней. Таковой вариант, как понятно, получил заглавие многоточечного либо распределенного впрыска. Самый же новомодный метод - конкретный впрыск.
Не достаточно кто знает и помнит, что применительно к автомобилю он был реализован одержимым этой мыслью Гансом Шеренбергом еще в 1951 году на малоизвестной фирме "Гутброд". При помощи собственного мотора конструктор намеревался ни мало ни много составить конкурентнсть самому "Фольксвагену"! В сентябре того года из цехов мастерской (заводом предприятие, пожалуй, именовать было нельзя) выкатился автомобиль с претенциозным заглавием "Супериор 700 Е". Малая двухместная машинка была к тому же и... переднеприводная, так что ее с полным правом можно отнести к верхушкам послевоенной технической мысли. Двухцилиндровый двухтактный мотор водяного остывания рабочим объемом 663 смз выдавал 30 л. с. и разгонял 700-килограммовый автомобильчик до 115 км/ч. При всем этом "Супериор" наслаждался 4,8 л бензина на 100 км и его бака хватало на 850 верст. Если сопоставить характеристики с теми, что имеет "Ока", невольно возникнет вопрос, почему "Гутброд" через три года... разорилась, а не стала всемирно известным автоконцерном. Гансу Шеренбергу, вобщем, удалось перейти в "Мерседес-Бенц" и воплотить свою "впрысковую идею" на известной гоночной "Серебряной стреле", а позже на более известном 300 SL. В последнем было 6 цилиндров, четыре такта и 215 лошадиных сил, да только ломался этот чудо-двигатель не в пример почаще собственного надежного прародителя на "Супериоре". В итоге впрыск, тем паче конкретный, навечно сошел со сцены, уступив место все более утонченным карбюраторам.
Сейчас самое время вспомнить наш намек на схожесть конструкции аппаратуры впрыскового бензинового мотора и дизеля, который отлично обходится безо всякой не то что электроники - электрики. Конкретно это сходство побудило российских конструкторов поставить распределенный впрыск на... серийный легковой автомобиль. Такая попытка была предпринята, да не на одном, а на полутора тыщах (!) "москвичей-412". Не знаем, читали ли инженеры ЦНИИТА и харьковского завода ФЭД о работах Шеренберга, но собственный чисто механический впрыск они сделали. Да так успешный, что несколько таких машин бегают и доныне (три экспериментальные "волги" ГАЗ-21 экзамена временем не выдержали). Система состояла из четырехплунжерного рядного ТНВД, выдававшего до 100 атм. Для конкретного впрыска этого более чем довольно. Управлялась подача горючего пилообразной рейкой. Впрысковые "москвичи" прибавили в вращающем моменте на 12%, в мощности - на 10%, а количество СО в выхлопных газах снизилось на одну пятую. Как досадно бы это не звучало, в те годы никого это не заинтересовывало, как, вобщем, и умопомрачительная легкость запуска зимой и отсутствие "подсоса". Основным аргументом "против" оказалась увеличившаяся на 400 баксов (не гарантируем точность пересчета в запрещенную тогда валюту) стоимость мотора, и проект был похоронен в гаражах немногих счастливых хозяев.
Для обеспеченного Запада такая сумма не показалась неподъемной и поэтому впрыск пришел к нам оттуда совместно с кучей заморочек по диагностике, ремонту и обслуживанию незнакомой заокеанской техники. Мы все еще обсуждаем, какую машину брать - с карбюратором либо с впрыском, тогда как в остальном мире это издавна решено совершенно точно. Мы примеряем наши моторы к существующему качеству бензина и уровню сервиса, а "там" повелители нефтебизнеса и сервисмены подтягивают уровень собственной продукции и услуг к появляющимся новинкам. И вот уже минула эра первых механических "джетроников", завершается время распределенного впрыска и больше компаний устремляется по пути, проложенному японским "Мицубиси". Либо все таки Шеренбергом?
Почему сейчас одолевает конкретный впрыск? Главную роль тут сыграли требования экологии и экономичности. В конце концов, конструкторы вознамерились вынудить мотор работать на неописуемо бедной консистенции. Одна часть бензина в ней приходится на 40, а то и на 50 частей воздуха! (Ну и воздух-то обильно "обогащен" выхлопными газами, поступающими в цилиндр "по второму кругу".) Такую смесь не поджечь искровым разрядом и поэтому основная забота разработчиков так распределить топливный заряд, чтоб около свечки была смесь богатая, а в остальном объеме - бедная. Организовать таковой процесс очень трудно. Тут играют гигантскую роль геометрические характеристики камеры сгорания: обоюдное размещение клапанов, форсунки, свечки, форма днища поршня, факела распыляемого горючего... С 1997 года, когда "Мицубиси" представила собственный 1-ый GDI (Gasoline Direct Injection), компании без утомились патентуют другие варианты. До недавнешнего времени главных было четыре (см. рис.), но германский доктор Ульрих Шпихер из института в Карлсруэ отыскал собственный, 5-ый. Тут свеча спрятана в малеханькой "форкамере", бензин впрыскивается в углубление поршня и, когда последний подымается к ВМТ, забрасывается к искровому промежутку. Дальше - по описанному чуть повыше принципу.
Бедная смесь очень приглянулась разработчикам, но у "зеленоватых" к новым моторам появились свои претензии. Да, естественно, с СО тут все в порядке. Вот только резко выросли выбросы окислов азота NOx. На их тоже отыскали управу - особый накопительный катализатор. Правда, он не может всегда копить, временами его необходимо очищать. И эта неувязка решена: процесс управляется компом. В последней разработке "Боша" и "Фольксвагена" - "Мотроник MED7" - движок может работать в 3-х режимах. При частичной нагрузке (а это часто встречающийся случай) употребляется описанный чуть повыше послойный заряд топливом с в три раза обедненной консистенцией (l = 3). В таком режиме экономия горючего добивается 40%. При насыщенном разгоне либо движении с наибольшей скоростью смесь становится однородной с "правильным составом" l = 1. И в конце концов, когда датчик катализатора докладывает о его переполнении азотистыми соединениями, мотор краткосрочно получает немного переобогащенную смесь с l = 0,8. Температура выхлопных газов при всем этом увеличивается до нужных 600 градусов и вредности "выгорают". Переключением режимов ведает особая заслонка во впускном коллекторе, изменяющая нрав потока воздуха.
В целом в стандартном цикле удается достигнуть экономии горючего около 15% и выполнить жесткие нормы грядущего Евро IV. Но... при условии, если в бензине не будет не только лишь свинца, да и серы. Последняя даже в малых количествах отравляет новый катализатор и сводит на нет все усилия конструкторов. На Западе кооперативный напор экологов и двигателистов уже привел к возникновению особых, очищенных от серы видов бензина, которые, кстати, дороже обыденных только на 1,5 цента за литр.
Сейчас, пожалуй, не осталось суровых компаний, не предложивших движков с конкретным впрыском горючего либо, по последней мере, не работающих над таковой конструкцией. Остановимся подробнее на только-только представленном "Пежо" HPi - так именуемом движке с впрыском высочайшего давления. По сути высочайшее оно только по сопоставлению с обычными впрысковыми моторами, где к форсункам горючее подводится при 3-3,5 атмосферы. Новый мотор "Пежо" употребляет 30-100 атм, как и подобные моторы соперников. Но есть и у французов ноу-хау, связанное снова же с геометрией: воздух поступает в цилиндр сверху, практически вертикально, ударяется о выемку в днище поршня и интенсивно завихряется. В конце такта сжатия мелко распыленное горючее вводится в этот вихрь и благодаря умело подобранному комплексу характеристик распределяется в камере сгорания так, что около свечки состав консистенции практически стехиометрический (l = 1), а в остальном объеме бензина в 30 раз меньше, чем воздуха. (Последний, кстати, на 30% разбавлен выхлопными газами, что понижает температуру горения и тормозит образование окислов азота.)
За всеми процессами бдительно смотрит электрический блок с процессором, оперативно изменяя давление подачи бензина. Педаль - в пол и насос выдает наибольшие 100 атм, холостой ход - давление понижается до 70. В переходных режимах при плавном сбросе либо прибавлении газа давление падает до 30 атмосфер.
Система зажигания более "хитрецкая": зависимо от режима микропроцессор изменяет напряжение и энергию разряда. При послойном заряде цилиндра, когда в главном объеме смесь обедненная, энергия максимальна (100 мДж), при однородном рассредотачивании с l = 1 она меньше (70 мДж при частичной нагрузке и 50 - при полной).
Собственной своей жизнью живет в этом моторе и дроссельная заслонка, соединенная с шаговым электродвигателем. Педаль акселератора тут только орган, воспринимающий желание водителя. А как поступить с заслонкой, решит компьютер. Так, при послойном заряде воздуха должно быть много и заслонка обширно открыта. На холостом ходу угол ее открытия около 20° - в два раза больше принятого. Когда какой заряд употребляется? Послойный находит применение в большей степени в городской черте, когда нагрузка не превосходит 50%, а обороты не выше 3500 об/мин. Чем плавнее шофер движется, тем больше он может сберечь горючего, в эталоне - до 21%. Ну а за Подвескаивные наклонности, как обычно, придется рассчитываться у бензоколонки. Конструкторы "Пежо" убеждают, что даже обыденный сейчас европейский бензин с содержанием серы до 150 частей на миллион не иПодвескаит катализатор, а только принудит компьютер почаще прибегать к регенерации (читай - обогащать смесь) и тем уменьшит экономичность автомобиля.
Что все-таки в конечном итоге? Системы впрыска развиваются в полном согласовании с законами диалектики. Выдуманные в 1877 году и реализованные в 50-х, они навечно уступили место карбюраторам. Позже настал черед впрыска во впускной коллектор, и в этом выслеживается карбюраторное наследство. В конце концов, на следующем рубеже веков все возвратилось к начальной идее - только прямо в цилиндр, но уже на отменно новеньком, электронно-компьютерном уровне.
Супермашина "Супериор 700 Е" и ее мотор.
Впрысковый УЗАМ под капотом "Москвича-412".
Так размещались свеча и форсунка в моторе с конкретным впрыском. На автомобиль он так и не попал (а), а эти железяки (б) подменяли электронику.
5-ая форкамерная схема институтского доктора из Карлсруэ.
Четыре схемы смесеобразования при конкретном впрыске.
Так заполняют цилиндр французы.
Фото Дениса БОРОВИЦКОГО