Впрыск: ровесник карбюратора

Впрыск: ровесник карбюратора

Андрей Коноплев

Мы живем в XXI веке, поэтому многие наши современники сочтут рассказ об устройстве двигателя внутреннего сгорания банальностью. Однако инжектор, один из неотъемлемых атрибутов современного двигателя, несмотря на свою простоту, до сих пор окружен большим количеством мифов и предрассудков.



 



Впрыск как метод приготовления топливной смеси первоначально получил широкое распространение на дизелях



Похоже, сказывается преобладание в отечественном автомобильном парке незатейливых карбюраторных поделок, разработку которых археологи датируют 60-ми годами прошлого века.

Судя по многочисленным наблюдениям, машина начинает ездить лучше, когда знаешь, что у нее внутри. Сегодня мы попытаемся закрыть некоторые пробелы в знаниях о системах впрыска, которые, увы, встречаются и у людей, разбирающихся в технике. Начнем с краткого исторического экскурса. Само появление инжектора вовсе не было следствием недавнего развития высоких технологий. Впервые инжектор увидел свет на дизельных двигателях американской компании Adams-Farwell в 1910 году. Поэтому можно сказать, что впрыск – почти ровесник карбюратора. Однако долгое время область применения впрыска так и оставалась ограничена дизелями.

Премьера на бензиновых двигателях состоялась лишь во время Второй мировой войны, когда разработанные фирмой Bosch инжекторы стали устанавливать на двигателях немецких истребителей. Данные двигателя DB-601 были столь впечатляющими, что его стали по лицензии выпускать союзники Германии – Япония и Италия. На серийных легковых автомобилях инжектор впервые появился только в 1954 году, благодаря родстеру Mercedes-Benz 300SL. Первые системы впрыска были механическими. В чем же состоит принципиальное отличие механического инжектора от карбюратора?

Нажимая педаль акселератора, вы регулируете только количество топливной смеси. Точнее, перемещая дроссельную заслонку, регулируете количество воздуха, попадающего в двигатель – а уж в задачу карбюратора или инжектора входит обеспечение соответствующего количества бензина для поддержания наиболее эффективного состава топливной смеси. К слову сказать, это соотношение приблизительно равно 1:14, 7, то есть для полного сгорания 1 кг бензина необходимо 14, 7 кг воздуха.

Работа карбюратора основана на эффекте Вентури, известном по курсу школьной физики. Сужение диаметра трубы, по которой течет газ или жидкость, вызывает увеличение скорости потока и уменьшение давления. Чем сильнее открыта дроссельная заслонка, тем выше разрежение в карбюраторе и тем больше топлива всасывается в проходящий через карбюратор воздух.

В отличие от карбюратора, инжектор не пускает топливо на самотек, а насильно впрыскивает его во впускной коллектор соразмерно количеству проходящего воздуха. Такой подход удобнее прежде всего тем, что позволяет более гибко управлять составом смеси, обогащая или обедняя ее в зависимости от разных факторов. Упомянув выше идеальную пропорцию смеси (1:14, 7), мы немного слукавили, не уточнив, что она зависит от таких факторов, как температура смеси и давление, при котором происходит сгорание – то есть от того, насколько двигатель прогрет и под какой он работает нагрузкой. Форсунки инжектора, как правило, установлены непосредственно над впускными клапанами всех цилиндров, что позволяет упростить подготовку смеси для больших двигателей. Карбюратор неважно справляется с большими количествами смеси, так что на машинах с мощными двигателями раньше ставили довольно уродливые конструкции из двух карбюраторов. В механическом инжекторе воздух проходит во впускной коллектор через уже знакомую нам трубку Вентури, в которой установлен напорный диск. Чем больше поток воздуха, тем сильнее перепад давления между узкой и широкой частями трубки и тем больше отклоняется напорный диск, действующий на клапан, который изменяет давление топлива, подводимого к форсункам инжектора (и, таким образом, количество бензина, попадающего в двигатель).

Кроме напорного диска, на клапан действует «управляющее» давление, которое позволяет механическому инжектору учитывать различные факторы, влияющие на состав смеси – прежде всего, температуру охлаждающей жидкости и разрежение во впускном коллекторе. Например, в случае резкого нажатия педали газа в двигатель поступает большое количество воздуха и разрежение за дроссельной заслонкой падает. Управляющее давление тоже падает, и клапан пропускает в форсунки дополнительное количество бензина – таким образом обеспечивая своевременную реакцию инжектора на резкое нажатие педали.

Эффективность инжектора зависит от количества параметров, используемых при расчете состава смеси. К примеру, информация о температуре воздуха позволяет точнее определять «идеальный» состав смеси, так как холодный воздух плотнее горячего. Добавлять в механическую систему все новые и новые датчики становилось неудобно, так что дело неминуемо кончилось программно-управляемым впрыском. В электронном впрыске вместо напорного диска, непосредственно регулирующего давление топлива, установлен датчик моментального расхода воздуха – как правило, заслонка, отклоняющаяся на разные углы, в зависимости от скорости потока воздуха. Данные от этого датчика, наравне со многими другими датчиками – температуры двигателя и входящего воздуха, содержания кислорода в отработанных газах, разрежения во впускном коллекторе – попадают в электронный управляющий блок инжектора. Управляющий блок рассчитывает необходимое количество бензина по данным от датчика расхода воздуха, а затем применяет таблицы коэффициентов обогащения и обеднения смеси в зависимости от показаний остальных датчиков.

Изменения в системе впрыска затронули и бензонасос. Если карбюратору бензонасос нужен лишь для того, чтобы доставить бензин из бензобака в поплавковую камеру, то в случае впрыска насосу необходимо создать немалое избыточное давление (механические инжекторы работают при давлении в 5–6 атм., а электронные – в 2–3 атм). Мощность бензонасоса потребовалось значительно увеличить, а заодно и расположить его у самого бензобака – так бензонасос стал электрическим (традиционно бензонасос приводился от двигателя).

Бензонасос, как правило, погружен в бензин и бензин же использу-ет для смазки. Именно этот, на первый взгляд несущественный, факт служит причиной, по которой инжекторные машины не стоит доводить до пустого бензобака. Вращающий-ся без сопротивления бензина и без смазки бензонасос рискует окончить жизнь значительно раньше срока. Кроме этого, именно бензонасос, а не форсунки или другие элементы инжектора, как правило, становится жертвой низкого качества отечественного бензина. Тем, кто схватился за сердце при мысли об электрическом двигателе, погруженном в бензин, напомним – сам бензин не горит, горят его пары.

Когда мировая автомобильная индустрия одержала окончательную победу над карбюратором, а инжектор перестал быть уделом мощных и дорогих автомобилей, обнаружилось, что для скромных машин с небольшим объемом двигателя все же необходимо какое-то простое и дешевое решение. Так на свет появился моновпрыск – инжектор с одной форсункой, расположенной в начале впускного коллектора – там, где раньше стоял карбюратор. Следующей жертвой борьбы за удешевление системы пала святая святых инжектора – датчик расхода воздуха (прецизионный и, как следствие, дорогой). Количество потребляемого воздуха с приемлемым приближением стали подсчитывать на основании оборотов двигателя, угла открытия дроссельной заслонки и разрежения во впускном коллекторе за заслонкой.

Теперь, когда мы разобрались в разнице между карбюратором и инжектором, давайте оглянемся назад и задумаемся, почему, несмотря на то, что оба устройства появились практически одновременно, карбюратор безраздельно властвовал на протяжении более 70 лет, а потом практически полностью вымер менее чем за десятилетие? На пути к торжеству инжектора, среди прочих, стояла одна занятная проблема – текучесть бензина в разы больше, чем у воды, а тем более чем у солярки и масла. Таким образом, к точности изготовления компонентов бензинового инжектора предъявлялись существенно более серьезные требования, чем к прочей гидравлике. Устройство же ранних карбюраторов было чрезвычайно примитивным, они не требовали особой точности изготовления и, соответственно, обходились значительно дешевле. Однако в процессе борьбы за эффективность двигателей и экологическую чистоту, которая в западных странах велась на законодательном уровне и выливалась в весьма жесткие нормы по выбросу вредных веществ, карбюраторы становились все более и более сложными – обрастали многочисленными электронными и пневматическими клапанами и начинали напоминать здоровую аналоговую вычислительную машину на вакуумном ходу. Обладатели карбюраторных иномарок конца 80-х зачастую испытывают серьезные проблемы с настройкой и починкой чудовищ, порожденных карбюраторной промышленностью в предсмертной агонии, в то время как электронный инжектор вам продиагностируют и настроят на каждом углу. В конце концов конструкторы автомобилей решили, что карбюратор проще убить, чем прокормить.

Будущее, вероятно, – за непосредственным впрыском в цилиндры. Прямой впрыск позволяет совместить мощность бензинового двигателя с экономичностью дизельного. Происходит это за счет того, что в зависимости от нагрузки двигатель работает в разных режимах. Конструкция двигателя с прямым впрыском несколько напоминает дизель, дух которого витал над инжектором с самого его рождения. При небольшой нагрузке, типичной для городской езды, впрыск топлива осуществляется как в дизеле – на такте сжатия, под высоким (около 50 атм.) давлением. Такой подход позволяет добиваться устойчивой работы двигателя на обедненной смеси с соотношением воздуха к бензину 1:30–40 (против 1:14, 7 у традиционных двигателей). При полной нагрузке впрыск происходит так же, как в бензиновом двигателе – на такте впуска, а состав смеси при этом приближается к традиционному.