Системы питания бензинового двигателя

Вот уже более ста лет двигатели внутреннего сгорания сжигают в цилиндрах жидкое горючее, превращая энергию тепла в механическую работу. В автомобилестроении, в основном, используются бензин и дизельное топливо. Однако так уж определила природа, что для горения необходим окислитель, которым является кислород. Безусловно, этот компонент нет необходимости заправлять в бак автомобиля, так как он является 21-процентной частью воздуха, но находиться O2 с топливом должен в строго определенном соотношении, называемом стехиометрическим.

Для бензиновых двигателей оно составляет 14,6:1, для дизельных – 14,7:1. В результате, в цилиндрах двигателей сгорает топливовоздушная смесь. Разумеется, достичь этой пропорции можно лишь при помощи специальных устройств, способных точно дозировать необходимые компоненты.

В силу того что бензиновый мотор старше и более популярен среди автолюбителей, начнем описание устройств, которые подготавливают для него топливовоздушную смесь. Почти сто лет с задачами наполнения камер сгорания успешно справлялся карбюратор, изобретенный еще в 1893 году Вильгельмом Майбахом. За все свое продолжительное время существования карбюратор усовершенствовался: механические приводы сменяли электрические и так далее. Но принцип работы оставался нетронутым и заключается в следующем. Топливовоздушная смесь подготавливается в карбюраторе путем распыления топлива, основанного на принципе пульверизации (сужение диаметра отверстия трубы, по которой течет жидкость или газ, приводит к увеличению скорости потока и уменьшению давления) в струе всасываемого воздуха.

Казалось бы, все хорошо, простая конструкция, двигатель работает, но… Капли бензина получаются довольно крупными, а значит, ухудшается их смешивание с воздухом, путь топливовоздушной смеси от карбюратора к цилиндрам, в зависимости от их расположения, имеет различное расстояние, отчего неравномерно нагреваются стенки коллектора. Все это вместе приводит к тому, что в разных цилиндрах подготовленная смесь имеет отличающиеся заряды. Отсюда неполное использование расчетной мощности и увеличение расхода топлива.

Сегодня в описании автомобильных систем подачи топлива в камеру сгорания можно увидеть одноточечный (центральный), многоточечный (распределенный) и непосредственный впрыск. Они считаются довольно современными разработками, но, как известно, все новое – хорошо забытое старое.

Идея непосредственного впрыска в бензиновых двигателях принадлежит фирме Bosch. Впервые это изобретение увидело свет еще в 30-х годах на авиационных V-образных 12-цилиндровых моторах Daimler-Benz 601. Способ подачи топлива позволял избежать провалов в работе при маневрах. Кроме того, возрастала и мощность.

В отличие от карбюратора, который образует топливовоздушную смесь вне камеры сгорания, система непосредственного впрыска при помощи топливных форсунок распыляет горючее прямо в цилиндры. Благодаря такому методу удается избежать вышеуказанных недостатков карбюратора. А именно: система позволяет более точно соблюдать вышеупомянутую пропорцию воздуха и бензина, равномернее распределять топливо по цилиндрам, а также позволяет увеличивать мощность за счет более полного наполнения цилиндров. Однако сложная конструкция, состоящая из насоса высокого давления и распылительных форсунок, не в силах была конкурировать с простым и недорогим карбюратором, и могла найти тогда применение только в авиастроении, где всегда на первом месте была безопасность.

В автомобилестроении этот метод впервые был применен на автомобилях малоизвестной немецкой фирмы Goliath. В 1951 году они оснастили 2-тактный, 2-цилиндровый двигатель, устанавливаемый на купе Goliath 700 Sport. Тогда главной задачей конструкторов являлось уменьшение аппетита, которым обладают 2-тактные моторы.

По сравнению с карбюраторными версиями, расход топлива с непосредственным впрыском снизился с 7,5 до 5,9 литров. При этом на 4 л. с. возросла и мощность (до 29 л. с.). Следующими, кто решился на использование этой технологии, стали инженеры из Daimler-Benz, установив в 1954 году непосредственный впрыск, тогда еще механический, на Mercedes 300 SL.

Однако в то время такая система в виду своей сложности настолько удорожала автомобили, что найти клиентов, которые смогли бы достойно оценить эту технологию, являлось не простой задачей. Лишние литры бензина на 100 км пути ничуть не пугали автовладельцев. К тому же обслуживание моторов возможно было только в специализированных местах.

Несмотря на то что о заканчивающихся ресурсах нефти во второй половине ХХ века сильно еще не задумывались, в 1967 году на автомобилях Volkswagen 1600 снова появилась новаторская технология, основанная на впрыске топлива. На этот раз, по сравнению с непосредственным впрыском, эта система отличалась от предыдущей тем, что форсунки подавали топливо не в цилиндр двигателя, а во впускной коллектор (распределенный или многоточечный впрыск). Такая система уже не нуждалась в насосе высокого давления, который являлся основным источником увеличения ее стоимости.

Для создания давления в форсунках достаточно было штатного топливного насоса. Однако в таком случае топливовоздушная смесь получалась менее гомогенизированной, ее прохождение через впускной клапан сопровождалось созданием вихревых потоков, что в итоге ухудшало наполнение цилиндров.

В 1983 году появился одноточечный впрыск. Форсунка здесь всего одна и располагается во впускном коллекторе за дроссельной заслонкой. Это позволило применить метод впрыска на недорогих, малолитражных автомобилях. И все же такая система, хоть и является самой простой из "впрысковых", продержалась недолго. По большому счету многие недостатки карбюратора никуда не делись. Одноточечный впрыск просто позволял точнее подготавливать топливовоздушную смесь.

В Европе конец эры карбюраторов можно отнести к 1993 году, когда в действие вступили правила "Евро-1", определяющие количество углекислого газа (СO2) в выхлопных газах. Уложиться в эти рамки автомобилям укомплектованными карбюраторами было очень не просто, а потому они стали исчезать как вид.

В США в борьбе за чистоту окружающей среды поступили еще проще. Законодательными органами в 1990 году было принято решение о запрете продаж новых автомобилей, оснащенных карбюраторами.

Со временем появление новых, более жестких требований экологов, в рамки которых не мог уже попасть не то что карбюратор, но и одноточечный впрыск, послужило очередным толчком для двигателестроителей сделать шаги по уменьшению содержания вредных веществ в выхлопных газах. И вспомнили как раз про непосредственный впрыск. В 1995 году сделали это первым в Mitsubishi Motors. Так появился знаменитый в кругах автомобильных фанатов мотор GDI (Gasoline Direct Injection), прозванный Джедаем.

Вот тут наконец-то такая отдача от системы непосредственного впрыска, как меньшее употребление топлива, снижение выбросов вредных веществ и при этом улучшение динамических характеристик автомобиля, перевесило стоимость сложной конструкции.

Да и тогда она уже не воспринималась такой "навороченной", как 60 лет назад.
И все-таки, несмотря на то что современные системы гораздо сложнее своих потомков, это не означает, что автовладельцам придется уделять им много внимания. Наоборот, технологии, чем дальше, тем больше облегчают жизнь человеку. В чем мы можем убедиться на личном опыте.

О том, какие способы смесеобразования существуют для дизельных двигателей, мы расскажем в следующем выпуске.