Искусственное дыхание для мотора

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.

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.

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.

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.