- Битва в повітрі
- Спроба номер раз, ТНВД і насос-форсунки
- Спроба номер два, вже з електронікою
- Можливості на новому рівні
- ***
Безпосередній впорскування для багатьох автомобілістів, особливо не з чуток знайомих з абревіатурами GDI і FSI, став справжньою страшилкою. Паливні насоси ціною в полмотора, вічно засмічуються форсунки, супутні проблеми ... Розбираємося, навіщо взагалі на автомобілях впровадили прямий впорскування в камери згоряння і як він розвивався протягом останніх десятиліть.
Битва в повітрі
Так вже вийшло, що перші двигуни внутрішнього згоряння були розраховані на роботу на газоповітряної суміші, а зовсім не на рідини. І саме можливість створення найпростішого пристрою випаровування палива дозволила бензиновим моторам завоювати собі чільне місце в світі, потіснивши і парові машини, і дизелі. Бензинові мотори і зараз інколи помилково називають «карбюраторними», віддаючи данину тій схемі живлення, з якої вони народилися і розвивалися майже сторіччя.
На противагу карбюраторним моторам дизелі не називали «моторами з безпосереднім уприскуванням» - обмежувалися класифікацією за типом палива. І дуже правильно зробили, адже перед Другою світовою безпосереднє уприскування масово з'явився на бензинових авіаційних моторах. Впроваджували такі системи харчування для підвищення надійності роботи компресорних двигунів при великих прискореннях і при сильній зміні як атмосферного тиску, так і тиску наддуву. Про економічності, зауважимо, тоді замислювалися мало.
Першим «безпосереднім» мотором вважається німецький Daimler -Benz DB601, який випробували ще в 1935 році, а в серію він пішов після 1937 го. До речі, виробляли його в Італії - як Alfa Romeo, а в Японії - як Kawasaki. Його спадкоємець DB 605 оснащувався безпосереднім уприскуванням, а заодно і турбонаддувом, прямо як сучасні мотори TSI. І мав дуже високу для тих років ступінь стиснення - 7,3 / 7,5.
Ці V-подібні 12-циліндрові двигуни застосовувалися на наймасовіших німецьких винищувачах другої світової - Me 109 в різних варіантах, і забезпечували їм дуже високу потужність і висотність. Не в останню чергу завдяки вдалому поєднанню системи харчування і наддуву. Ліцензію на DB 601 дали і іншим виробникам авіамоторів «країн Осі», і до німецького досвіду долучилися моторобудівники Італії та Японії.
За іншими даними, первістком все ж є Jumo 210G, але зараз це не настільки принципово. В результаті СРСР, США і Англія від німців трохи відстали, але свої мотори з такою системою впорскування зробили і війну виграли. А «безпосередній» мотор конструкції Швецова, АШ-82ФН, послужив основою для двигунів пасажирських Іл-12 / Іл-14. До речі, на цій модифікації уприскування був комбінованим - для поліпшення пускових якостей.
На фото двигун АШ-82ФН
Що ріднить всі авіаційні мотори з безпосереднім уприскуванням цього покоління? Висока складність обслуговування і експлуатації. Але для військових немає такого слова, як «дорого», та й слово «складно» теж їх не хвилює, якщо підсумкова надійність роботи і характеристики їх влаштовують. Перемога потрібна за всяку ціну - навіть в техніці.
Бензин з домішкою масла для змащення ТНВД (паливного насоса високого тиску), тонка настройка паливної апаратури і ресурс всього мотора в межах 200-400 годин - це не страшно. Головне - стійка робота при найвищих перевантаженнях, коли пілот вже втрачає зір, а конструкція тріщить по швах, робота в перевернутому положенні, робота при температурі повітря -50 ° C і при спеці +40 ° C ... Та до того ж карбюратори дуже погано поєднувалися з системної наддуву, яка обов'язково застосовувалася на висотних винищувачах і бомбардувальниках, так що безпосереднє уприскування був дуже вдалою заміною.
Спроба номер раз, ТНВД і насос-форсунки
Після війни безпосереднє уприскування «на громадянці» не прижився - дуже відомий Mercedes 300 SL вважати «звичайною машиною» як мінімум дивно. Borgward недовго випускав свій 700 Sport з двотактним (!) Мотором безпосереднього уприскування. Зате гоночні автомобілі оцінили нові можливості: і Ferrari, і Mercedes успішно випробували нововведення.
Знаменитий гонщик Хуан Мануель Фанхіо на Mercedes Typ W 196 з безпосереднім уприскуванням виграв чемпіонат світу Формули-1 1954 і 1955 років. Правда, беззаперечну перевагу над суперниками дав зовсім не впорскування, а можливості команди і десмодромного ГРМ рядного восьмициліндрового мотора з робочими оборотами 8 500 в хвилину. А після дозволу в регламенті Формули наддуву безпосереднє уприскування застосували і в Ferrari. І протягом декількох років встигли випробувати якусь кількість конструктивних схем системи харчування. Треба сказати, вельми успішно.
Суть конструкції мало змінилася з сорокових років: все той же практично «дизельний» ТНВД і прості форсунки. Варіювалося тільки конструктивне виконання: форсунки могли бути бічними з верхнім, нижнім або центральним розташуванням, а паливний насос відрізнявся за способом регулювання і кількості налаштованих режимів.
Спробували майже всі варіанти виконання системи, доступні на той момент. Незабаром з'ясувалося, що надійність паливної апаратури залишає бажати кращого, настройка вкрай складна, а при відмові системи зростає ризик виходу з ладу двигуна цілком. Це вже не кажучи про дуже високу ціну такої системи харчування. Плюс, для атмосферних моторів приріст потужності виявився відверто невеликий, а економічність все ще не мала особливого значення при проектуванні автомобілів. По суті, основною причиною експериментів з уприскуванням було широке впровадження наддуву на гоночних машинах того періоду.
Головна претензія була до можливостей настройки ТНВД - їх не вистачало навіть для гоночних машин. Регулювання по тиску у впускному колекторі і ступеня відкриття дросельної заслінки показало себе не дуже точним. Спроби пристосувати електроніку для управління ще більше знижували надійність, хоча ідея була не нова - вперше електрокерований уприскування з'явився ще на мотоциклах Guzzi в 1939 році.
Форсунки теж виявилися дуже вразливі - не дарма на той момент багато виробників вважали за краще варіант з їх бічним розташуванням на стінці блоку нижче ВМТ (верхньої мертвої точки), де поршень закривав форсунку в момент займання. Це трохи зменшувало закоксовиваніє і шанси на перегрів форсунки, але всіх проблем не вирішувало, до того ж створювало нові - з поршневими кільцями, наприклад.
Загалом, карбюратор і набирає популярність звичайний розподілене уприскування на той момент виявилися кращими за рахунок більш простий і надійної конструкції. Причому як на цивільних машинах, так і на гоночних. В кінці 60-х про пряме упорскування забули, і надовго, а заодно заборонили наддув в більшості гоночних класів. Прогрес в цьому напрямку зупинився.
Спроба номер два, вже з електронікою
Знову згадали про технології вже в дев'яності роки, коли звичайний розподілене уприскування з електронним управлінням міцно завоював своє місце під сонцем. Компанія Mitsubishi вклала чимало сил в розвиток і рекламу моторів GDI, а Toyota - двигунів D 4. У обох був безпосереднє уприскування.
В першу чергу акцент робився вже на економічність такого рішення - на малому навантаженні такий мотор в теорії міг працювати на сверхобедненной суміші, із співвідношенням бензин-повітря близько 40 до 1 замість «ідеального» 14,7 до 1.
Що обіцяв до 20% економії палива.
А ось на практиці вийшло не так вже здорово.
Зниженого витрати палива домогтися було неможливо. Мотори Mitsubishi на цілому ряді модифікацій, особливо європейських, взагалі не працювали на переобедненія суміші, прошивка цього не дозволяла. І навіть якщо мотор мав подібні режими, то в реальній експлуатації працював на них дуже рідко. Система управління намагалася їх не допускати для запобігання зайвих викидів окислів NO - з ними не могли впоратися навіть дуже дорогі спеціальні каталізатори.
А ось паливна апаратура виявилася чудово примхливої - зокрема, пускові якості в холодну погоду постраждали. Добре хоч з налаштуванням режимів роботи двигуна проблем не виникло завдяки широкому впровадженню електроніки.
Зате вже на прикладі перших моторів GDI накопичився багатий досвід, який говорив про погані умови роботи впускних клапанів і підвищеної схильності до залягання поршневих кілець. Компанія навіть спеціально розробила рідина для раскоксовкі - Mitsubishi Shumma, яка до сих пір залишається єдиним спеціалізованим «заводським» засобом для подібного застосування. Інших супутніх проблем теж вистачало - наприклад, форсунки пропускали паливо в масло, причому у великих кількостях. Особливих проблем це не приносило, поки обсяг бензину не перевищував обсяг масла.
«Тойотовци», на відміну від своїх співвітчизників, розсудливо вирішили не виводити свої «безпосередні» мотори за межі домашнього ринку, а ось Mitsubishi, що називається, отримали «по повній». Удар по репутації вийшов значний, і наслідки відгукуються досі.
Можливості на новому рівні
Після усунення перших «дитячих хвороб» плюси стали більш очевидними. Такі мотори дозволяли майже уникнути ризику детонації до моменту запалювання, а значить - безбоязно підвищувати ступінь стиснення бензинових моторів до практичного максимуму в 12: 1 - 13: 1 і не знижувати її для двигунів з компресорами і турбонаддувом. Деяке зменшення надійності роботи майже окупалося зниженням витрати палива і підвищеною потужністю.
Особливо вдало все склалося для «даунсайзінгових» моторів, адже малий обсяг, високий ККД і хороші можливості для форсування - це якраз те поєднання, яке було просто необхідно європейським автовиробникам, затиснутим в лещата правил ЄС щодо щорічного зниження витрати палива.
При малому навантаженні і великому коефіцієнті залишкових газів в циліндрі, в результаті роботи системи EGR або фазовращателей, можна було побавитися і роботою на сверхобедненной суміші, і пошаровим сумішоутворенням. Викиди NO при цьому вдається утримати в межах норми, менше, ніж у дизельних моторів. Особливо добре себе проявили при цьому швидкодіючі форсунки високого тиску, наприклад, з п'єзокерамікою. Втім, у порівнянні з даунсайзінг все це великого ефекту вже не дає.
Нові мотори з безпосереднім уприскуванням не довелося довго чекати. FSI мотори від VW, а слідом за ними і TFSI - вже з турбонаддувом і компресорами. CGI версії двигунів від Mercedes були в основному компресорними, рідше - атмосферними, і лише в останні роки - з турбонаддувом. Слідом - безпосереднє уприскування на моторах BMW, Opel, Ford і всіх інших ...
Зараз знайти в Європі двигун зі звичайним розподіленим уприскуванням і без турбонаддува - ціла проблема. Для машин до D-класу включно такі можна перерахувати по пальцях . Автовиробники Японії і США напрямок розвитку підтримали, але широкий випуск таких моторів почали набагато пізніше, коли європейські виробники вже набили шишок на питаннях надійності та екологічності.
До речі, обидва першопрохідника в особі Mitsubishi і Toyota всі ці роки тримали у виробничій гамі зовсім мало моделей з безпосереднім уприскуванням: експерименти показали, що атмосферним моторам він не дуже потрібен, а турбированного даунсайза у них у виробничій гамі просто не було.
***
В наступній частині матеріалу про безпосереднє упорскування ми поговоримо про тонкощі його конструкції, проблеми в експлуатації, плюси і мінуси ... А ще спробуємо зрозуміти, чи може він хоча б теоретично стати настільки ж надійним, як заслужений розподілене уприскування, до якого ми всі так звикли.