Впрыск топлива под давлением принципиально отличается от использовавшихся ранее карбюраторных способов распыления в воздушный поток. Так проще и точнее дозировать подачу, обеспечивая хороший распыл и качественное регулирование состава. Способов реализации может быть много, разные системы сменяли одна другую в ходе эволюции и совершенствования.
Причины перехода от карбюраторов к впрыску
Работа карбюратора напоминает простейший пульверизатор. Поток воздуха проходит через диффузор, создавая разрежение, которое подсасывает топливо из распылителя через жиклёры. Дозирование оставляет желать лучшего, поэтому последние карбюраторы становились настолько сложными, что стала ясной тупиковость такого пути.
Технически проще подготовить нужное количество топлива, после чего впрыснуть его под давлением в тот же воздушный поток. Дозирование здесь также создавало достаточно проблем, но было ясно, что их решение и упрощение – лишь вопрос времени. А появление всё более жёстких требований по снижению токсичности выхлопа и экономии топлива заставляло двигаться именно по перспективному направлению.
Основные виды технической реализации
Развитие шло двумя путями – от механических систем к электронным и от впрыска в ту зону, где ранее располагался карбюратор к индивидуальной подаче бензина как можно ближе к месту его горения.
Централизованный впрыск единственной форсункой (моновпрыск)
Версия впрыска в самое начало впускного коллектора, где поток ещё был общим для всех цилиндров двигателя, не была первой исторически, но с неё началось массовое серийное внедрение технологии.
Модуль центрального впрыска содержит:
- форсунку с электромагнитным клапаном;
- топливный насос, создающий относительно небольшое давление;
- регулятор давления с диафрагмой, клапаном и обратной магистралью слива;
- электронный блок управления и датчики.
Система существенно упрощала жизнь водителям за счёт стабильной работы и автоматического управления. Двигатели хорошо запускались, обладали более высокими характеристиками по расходу и токсичности по сравнению с карбюраторными. Но цена выросла, а проблемы с конденсацией топлива в коллекторе остались.
Распределение форсунок по цилиндрам
Значительно лучше смесеобразование происходило при выделении отдельной форсунки каждому цилиндру. Стало возможным организовывать впрыск индивидуально, перед самым началом впуска, что исключало конденсацию. В остальном структура системы не поменялась, эволюционировал лишь её технический уровень. Совершенствовались датчики, быстродействие процессора в блоке управления, алгоритмы программы. В основном прогресс был направлен на экологию и обслуживание появившихся каталитических нейтрализаторов на выпуске.
Механическое и электронное управление
Первые системы впрыска топлива использовали для управления механику и гидравлику. Воздушные расходомеры представляли собой пластину в потоке, отклонение которой меняло управляющее давление. Далее сложный механизм дозатора-распределителя отмерял нужное количество топлива в зависимости от положения дросселя и прочих входных параметров. Всё это работало недостаточно точно и эффективно.
Качественный скачок произошёл с появлением структуры, представляющей из себя классический компьютер в блоке управления, который собирал электрические сигналы от датчиков, оцифровывал их и подавал команды на исполнительные устройства. Входной информацией стали:
- массовый расход воздуха или абсолютное давление во впускном коллекторе;
- температуры воздуха и двигателя;
- скорость и фаза вращения коленчатого и распределительных валов;
- положение дроссельной заслонки;
- наличие детонационных процессов;
- полнота сгорания топлива по кислородному датчику на выхлопе.
Чем больше учитывалось информации и чем выше скорость её обработки, тем точнее регулировались режимы двигателя. Распределённый впрыск с электронным управлением и катализатором широко применяется и в настоящее время.
Прямой (непосредственный) впрыск
Идея непосредственного впрыска бензина в камеру сгорания существовала всегда, но с практической реализацией имелись сложности. Для впрыска в конце такта сжатия и правильного направления тонко распылённого бензина требовалось высокое давление и качественные форсунки. Усложнился и подорожал насос, теперь его функции распределились между подкачкой из бака и созданием давления порядка 100 атмосфер на входе форсунок. Возникли трудно решаемые проблемы с надёжностью и долговечностью дорогих приборов системы впрыска.
Дополнительно стали возникать вопросы, подобные тем, что ограничивают развитие дизельной техники. Пришлось бороться с детонацией, жёсткой работой, разрабатывать быстродействующие форсунки высокого давления, способные разделить впрыск на фазы в течении одного такта цилиндра. Из-за необходимости обязательного использования системы EGR, направляющей часть выхлопных газов обратно во впускной коллектор, появились сложности с очисткой коллектора и клапанов.
Тем не менее, использование прямого впрыска, особенно комбинированного, с дополнительными форсунками в коллекторе, в сочетании с турбонаддувом позволило существенно повысить экономичность двигателей. Заплатив за это сложностью и недолговечностью. К тому же новым моторам требовалось очень качественное горючее, что сразу заметили водители, покупающие автомобили с прямым впрыском на вторичном рынке и эксплуатирующие их вдали от брендовых заправок с гарантированно подходящим бензином.
Перспективы
Характерной чертой последнего времени стал даунсайзинг автомобильных двигателей. Это уменьшение рабочего объёма, габаритов и массы силовой установки. Отказываться при этом от мощностных и динамических показателей никто не стал, более того, автомобили из-за требований по безопасности и насыщенности системами обеспечения комфорта заметно потяжелели. Мощность должна быть дополнительно увеличена.
Параллельно ужесточаются экологические нормы. Если раньше их обеспечивали за счёт расхода лишнего бензина, иначе уменьшить процентное содержание вредных веществ было затруднительно, то сейчас на это введены ограничения по суммарному выделению углекислого газа. А с этим веществом бороться невозможно, это обязательная и значительная часть выхлопных газов. Можно лишь повысить КПД двигателя и уменьшить рабочий объём.
Точно управлять горением в таких условиях на всех режимах можно только системой из комбинированного MPI-GDI впрыска с наддувом от турбины. Так и строятся самые современные бензиновые двигатели. Чище их пока только электромобили или гибриды с иными термическими циклами в ДВС.
