Хронограф
18152229
29162330
310172431
4111825
5121926
6132027
7142128

<декабрь>

Путеводители

Искусственное дыхание для мотора

Умеренность в потреблении бензина — залог долголетия и высокого кпд

В лабораториях компании Bosch исползуется самое совершенное физическое оборудование, которое позволяет подробно изучить все процессы, проходящие внутри цилиндра дизельного двигателя. При правильном выборе режима впрыска горючей смеси удаётся оптимизировать её сгорание. Инженеры компании изучают работу экспериментального двигателя со стеклянным поршнем, используя высокоскоростную фотографию. Фото: Robert Bosch GmbH

В те времена, когда вал бензинового двигателя совершил свой первый оборот, ознаменовав начало эры автомобильного транспорта, мало кто задумывался об экономии топлива или способах снижения вредных выбросов в атмосферу. Важно было совсем другое: как получить от мотора приемлемую мощность, чтобы с выгодой использовать его в промышленности и на транспорте. Если сравнить первые моторы с двигателями сегодняшнего дня, станет совершенно очевидно, что они прошли долгий путь в своём развитии — взять хотя бы, для примера, системы подачи топлива.

Создатель первого бензинового двигателя внутреннего сгорания, немецкий инженер Готтлиб Даймлер (Gottlieb Wilhelm Daimler, 1834–1900), построил прототип своего агрегата в 1883 году и сразу же вплотную занялся вопросами увеличения его мощности. Даймлер полагал, что вал мотора должен как можно быстрее вращаться, а поршень должен успеть совершить в единицу времени как можно больше путешествий из нижнего положения в верхнее. Но для этого надо было значительно усовершенствовать систему подачи топлива, иначе оно просто не успевало попадать в цилиндр.

Как известно, самый простой способ заставить бензин гореть — превратить его в газ. Этот эффект и использовал Даймлер в своём моторе, а в качестве «поджигателя» применял раскалённую металлическую трубку, помещённую в камеру сгорания. Такая конструкция оказалась крайне несовершенной, поскольку простое испарение не обеспечивало равномерности горючей смеси, надо было придумывать что-то другое. Мотор не мог работать устойчиво, ведь горючая смесь — облако из паров бензина и воздуха — должна быть выдержана в достаточно строгой пропорции этих двух компонентов.

В правильной пропорции

Простым испарением этого было не добиться, и в 1893 году уже инженер из Венгрии Донат Банки (Donát Bánki,1859–1922) предложил кардинальное решение проблемы смесеобразования. Он запатентовал устройство, которое одновременно решало две проблемы: обеспечивало равномерную подачу горючей смеси и позволяло бензину испаряться принудительно.

Работало это так: бензин, всасываемый из-за разницы давлений в камеру сгорания через жиклер, распылялся, смешиваясь с воздухом, а испарялся уже под давлением в тот момент, когда поршень шёл к верхней точке, в момент сжатия.

Для того же, чтобы сделать напор поступающего в камеру бензина постоянным, в новом устройстве была предусмотрена специальная камера с поплавком, который поддерживал уровень топлива на нужной высоте. Это, кстати, помогло соблюсти так называемый стехиометрический состав горючей смеси — при котором окислителя (воздуха) ровно столько, сколько нужно для полного окисления топлива (бензина). Эта пропорция составляет 1:14,7 в пользу воздуха.

Процесс впрыска топлива и поджиг. Фото: Daimler AG

Устройство, разработанное Донатом Банки, и стало прообразом современных карбюраторов, которые долгое время оставались самыми распространёнными механизмами подачи топлива. Но чем более современными и мощными становились моторы, тем лучше были видны недостатки этой конструкции. Большое количество используемых деталей, необходимость частых регулировочных работ, и главное — невозможность точного распределения топлива по цилиндрам приводили к снижению экономичности, коэффициента полезного действия и долговечности агрегата.

Подсказки авиаторов

Как и многие решения, распространённые ныне в автомобилестроении, идея новой, более совершенной системы питания двигателя внутреннего сгорания «прилетела» с неба. Авиаинженеры практически сразу начали искать альтернативу карбюратору. Главным его недостатком они считали неспособность устойчиво работать в положении, отличном от горизонтального — ведь поплавок в камере подчинялся законам тяготения и не мог выполнять свои функции, к примеру, «вверх ногами». Так через годы опытов и экспериментов был спроектирован первый мотор с системой принудительного впрыска топлива.

Это был 1915 год. Двое российских инженеров, Александр Александрович Микулин (1895–1985) и Борис Сергеевич Стечкин (1891–1969), разрабатывали двигатель АМБС-1 мощностью около трёхсот лошадиных сил для завода «Ош Везер» в Москве. Своё название этот агрегат получил по инициалам конструкторов. Испытания двигателя прошли неудачно — агрегат проработал всего несколько минут, после чего его заклинило, погнулись шатуны, — и в серию он не пошел. Однако новая система подачи питания оказалась, напротив, вполне работоспособной.

Идея впрыска была на первый взгляд проста: зачем пытаться смешать воздух и бензин в нужной пропорции в отдельной камере и потом доставлять смесь в цилиндр, если весь процесс можно осуществить уже «на месте», а распылять топливо принудительно, с помощью насоса и форсунок? Но красивая идея, талантливо реализованная двумя русскими инженерами, нашла своё применение только через много лет, и уже не в советской России, а в нацистской Германии.

В 1936 году фирма Robert Bosch изготовила первые образцы топливной аппаратуры для непосредственного впрыска бензина, которую в 1937 году начали устанавливать на двенадцатицилиндровый двигатель Daimler-Benz под маркировкой 601. «Единичку» авиамотору, который раньше значился под номером 600, приписали именно за впрыск, ведь раньше агрегат был карбюраторным. Эффект был очевиден — если «шестисотый» выдавал максимальные 900 л.с., то «шестьсот первый» — уже на 200 л.с. больше!

Автомобилестроители обратили внимание на впрыск в середине XX века — тогда на рынке появилось двухместное купе Mercedes-Benz 300 SL с шестицилиндровым впрысковым мотором. Машина произвела настоящий фурор на рынке — грамотная работа дизайнеров подчеркнула преимущества, достигнутые благодаря революционному техническому решению.

Но вскоре инженеры решили, что для массового производства система непосредственного впрыска слишком сложна в изготовлении, откуда следовали значительное повышение стоимости машины и снижение надёжности работы двигателя. Тогда же немецкая фирма Kugelfischer предложила упрощенную схему, по которой бензин впрыскивался не непосредственно в цилиндр мотора, а лишь во впускной коллектор. Конструкция оказалась дешевле, поскольку, в частности, позволяла использовать более простые в изготовлении форсунки и насосы.

Однако оставалась ещё одна неразрешённая проблема: системы, даже самые сложные и дорогие, на тот момент не умели изменять дозировку топлива в зависимости от режима работы двигателя: ведь от его загрузки зависит, нужно ли корректировать стехиометрический состав в сторону обеднения или обогащения смеси для повышения коэффициента полезного действия. Решение же этой конструкторской задачи пришло с началом развития микроэлектроники.

HEMI — легендарные двигатели, которые устанавливала на свои автомобили компания Chrysler. Полусферическая форма камеры сгорания этих двигателей позволила добиться значительного прироста мощности по сравнению с существовавшими тогда агрегатами. Первые HEMI — знаменитые восьмицилиндровые HEMI 331 Firepower — появились на «Крайслерах» в 1951 году. Этот двигатель принёс компании немало побед в гонках. Фото: Chrysler Group LLC

Электроуправляемый впрыск

Первыми электронноуправляемый впрыск на автомобиле представили американцы из компании AMC. Их машина с грозным названием «Rebel» (в переводе с английского — «мятежник») уже изобиловала системами, которые применяются и по сей день: в ней были датчик температуры воздуха, датчик положения дроссельной заслонки, регулятор давления топлива и, конечно, электронный блок управления — только не современного, цифрового типа, а аналоговый.

Таким образом решалась проблема «моторной логистики», но в то же время первая электроника показала себя крайне ненадёжной и часто отказывала. Дилеры оказались не готовы к ремонту сложной по тем временам техники, и компании AMC, равно как и другим американским автогигантам, временно пришлось вернуться обратно к карбюраторам.

И тогда, в шестидесятых годах, пальму первенства в разработках снова взяла немецкая Bosch. Там разработали систему впрыска D-Jetronic с инновационным датчиком массового расхода воздуха — именно он давал информацию на электронный блок, какую долю бензина нужно подать на форсунки в данный момент для эффективной работы мотора. Вскоре уже около двух десятков европейских и американских автопроизводителей начали использовать систему на своих автомобилях, настолько эффективной она себя показала. В среднем, впрысковые моторы экономили до 10% топлива по сравнению с карбюраторными, и были намного более щадящими для окружающей среды.

А в 1973 году Bosch выпускает L-Jetronic («L» — от немецкого «Luft», воздух), главной «фишкой» которой было измерение расхода воздуха не циклически, а в непрерывном режиме. А ещё через пять лет появился впрыск Motronic с цифровым микропроцессором, который оказался гораздо быстрее, надёжней и точнее первых аналоговых устройств.

Сегодня, когда битва идёт с каждым граммом токсичных веществ в выхлопе двигателя, производители трудятся над созданием всё более изощрённых систем подачи топлива. Всё чаще свои новинки представляют специалисты из Страны восходящего солнца — так, совсем недавно компания Nissan показала систему двойного впрыска, в которой перед каждым из двух впускных клапанов расположена своя индивидуальная топливная форсунка.

Что это даёт? Японцы утверждают, что такая схема оптимизирует наполнение цилиндра, делая процесс сгорания смеси более ровным и эффективным, а это в свою очередь обеспечивает экономию топлива на 4–5% и значительное уменьшение токсичности выхлопных газов. Кроме того, система двойного впрыска позволит японской компании избежать затрат на разработку системы питания с непосредственным впрыском для небольших и дешёвых автомобилей. Эта технология называется Dual Injector System (DIS), японцы обещают представить машины с подобными агрегатами к 2010 году.

Первая в мире система бензинового впрыска с электронным управлением для серийных легковых автомобилей — Bosch D-Jetronic. Система была представлена на Франкфуртском автосалоне в сентябре 1967 года на автомобиле Volkswagen 1600 LE/TLE. Технология D-Jetronic позволила разработчикам точно регулировать состав воздушно-топливной смеси в зависимости от рабочего состояния двигателя и сократить расход топлива и объём вредных выбросов. Фото: Robert Bosch GmbH

Впрочем, непосредственный впрыск, когда форсунка выведена в камеру сгорания, на сегодняшний день остаётся самым эффективным способом организовать «правильное питание» для мотора — с точной дозировкой топлива, наименьшими потерями в коэффициенте полезного действия и лучшими показателями по экологии. Равно как и самым дорогим.

Александр Михайлов, 17.11.2009

 

Новости партнёров