Впрыск: Ровесник карбюратора

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 использует 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.