Впрыск — не благо?
Сегодняшнее развитие науки и техники позволяет достигать в процессах управления двигателями высочайшей точности. Системы питания моторов должны обеспечивать работу с минимальными удельными расходами топлива, минимальной токсичностью и безупречными ездовыми качествами машин, причем в самых разных условиях. Эти соображения и ложатся в основу мирового развития двигателестроения.
На примере анализа существующих систем питания можно сделать прогноз о путях развития и двигателей и топлив. Двигатель — это совокупность цилиндров со своими отличиями, в частности, по расходу воздуха. Обусловлены отличия как конструктивными особенностями (например, разной длиной каналов впускных и выпускных коллекторов), так и качеством изготовления деталей, различием в положении клапанов, связанных с распределительным валом, и тому подобными причинами.
Как показывает практика, системы, дозирующие топливо в соответствии с фактическим расходом воздуха, лучше готовят смесь в заданном соотношении «топливо-воздух». Само по себе соотношение неидеально из-за разницы не только в допусках при изготовлении, но и в газодинамике каждого цилиндра.
Классической конструкцией, подающей топливо в соответствии с количеством воздуха, являются карбюраторные системы. В них дозирование топлива происходит за счет сил, возникающих в каналах карбюратора.
В системах с центральным и распределенным впрыском расход воздуха измеряется специальным датчиком, а полученные данные обрабатываются процессором, который и подает команду форсунке на подачу определенного количества топлива.
Между центральным и распределенным впрыском существует принципиальное отличие. Центральный впрыск — это тот же карбюратор, но не с газогидродинамическим, а с электронно-механическим управлением. Распределенный впрыск — система с подачей топлива в цилиндр не в виде более или менее приготовленной смеси, а практически в капельном состоянии (смесь должна получиться в цилиндре). Распределенный впрыск по сути своей ближе к системе впрыска бензина в цилиндр: бензин подается в зону впускного клапана, а в цилиндр в начале впуска поступает «чистый» воздух, и лишь затем бензин — в виде капель и, частично, смеси.
Рассмотрим процессы, происходящие во время впуска-выпуска непосредственно во впускном трубопроводе на холостом ходу двигателя или при малых нагрузках, т.е. в режимах, соответствующих движению в городе.
Давление газов в цилиндре в конце такта выпуска немного выше атмосферного, а перед впускным клапаном в этот момент достаточно высокое разряжение. При открытии клапана отработавший газ попадает во впускной трубопровод, вытесняет и разбавляет находящуюся там смесь или воздух (так называемый «заброс» газов). Только потом, при движении поршня вниз, следует поступление получившейся смеси в цилиндр. Особенно сильно это сказывается при широкофазных распределительных валах (рис. 1, 2). Например, на спортивных моторах обороты холостого хода ниже 1400 – 500 мин-1 установить не удается.
С учетом явления «заброса» отработавших газов происходит различное формирование состава смеси при карбюраторном дозировании или при дозировании с распределенным впрыском. При карбюраторных системах смесеобразования обратный выброс газов изменяет соотношение «смесь-отработавший газ». В системах с распределенным впрыском в этом случае изменяется соотношение не готовой смеси, а воздуха и газа, что значительно более неблагоприятно для рабочего процесса. К тому же конструкторы в двигателях с распределенным впрыском — с целью повышения мощности на высоких оборотах — подбирают такую длину впускного канала, при которой в наибольшей степени проявляются колебания воздушного потока. Тем самым добиваются резонансного наддува.
Зато на низких оборотах увеличивается заброс отработавших газов во впускной канал. В четырехклапанных головках этот процесс проявляется сильнее, чем в двухклапанных, т.к. проходные площади клапанных щелей при четырех клапанах значительно больше.
Таким образом, анализ показывает: приготовление смеси до впускного клапана более предпочтительно. Системы с центральным впрыском при работе в городском режиме более «эластичны», нежели с распределенным впрыском.
Инженеры BMW в двигателе для знаменитого спорткара Maclaren F1 вынуждены были поставить на каждый канал вторую форсунку, причем установить ее подальше от впускного клапана, т.к. на высоких оборотах распыления топлива одной форсункой в зону впускных клапанов для приготовления качественной смеси оказалось недостаточно. В мощнейших моторах Lamborghini для гоночных океанских катеров применяется похожее решение (заглавный снимок).
У моторов с системой распределенного впрыска, оборудованных газовой аппаратурой (т.е. аппаратурой с карбюраторным смесеобразованием), отмечается значительное улучшение работы на холостом ходу. Центральный впрыск, осуществляющий точное дозирование бензина или газа (в современных газовых системах применяется электрический дозатор газа — устройство, подобное регулятору добавочного воздуха в системе холостого хода у моторов, оборудованных впрыском), позволяет значительно уменьшить негативное влияние заброса отработавшего газа во впускной трубопровод. Процессор может управлять переходом с одного вида топлива на другое в зависимости от режима работы и с учетом запаса того или другого топлива. Как говорится, и волки сыты, и овцы целы.
Несколько исправить положение поможет управление газодинамическими процессами с помощью изменения фаз газораспределения на различных оборотах двигателя. Такой способ известен со времен авиационных поршневых моторов. Другой способ улучшить наполнение цилиндра — изменение длины и объема впускного трубопровода, меняющее резонансные частоты. Наиболее часто используется так называемый резонатор Геймгольца.
Вообще устройства такого рода применяются в зарубежных серийных автомобильных двигателях с 70-х годов прошлого века. Но все системы изменения фаз — пока механические, не позволяющие управлять процессом с максимальной точностью. Только применение электропривода клапанов с электронным управлением позволит до конца решить проблемы газораспределения поршневых двигателей.
Все вышесказанное имеет непосредственное отношение к экологии и экономике. Моторы с распределенным впрыском в системе питания для уменьшения влияния заброса газов на холостом ходу приходится раскручивать, а это — повышенное потребление дорогого высокооктанового бензина, потери на износ и трение... Итог — снижение ресурса моторов, затраты на ремонт и т.д.
Сравнивая конструкции двигателей с различными видами впрыска, можно отметить: большее проходное отверстие центральной форсунки, по сравнению с цилиндровой, менее склонно к загрязнению, а значит и к изменению расходной характеристики. Форсунки для распределенного впрыска требуют достаточно частых промывок, и все издержки этого, в конечном счете, ложатся на природу и на каждого из нас.
P.S. Для любителей нестандартных распределительных валов добавим, что бывают валы с широкими фазами и, следовательно, с большим забросом остаточных газов на низких оборотах, и валы с фазами, близкими к стандартным, но с большей высотой кулачка. Последний вид более предпочтителен для работы в городском режиме, хотя предполагает увеличение нагрузок на детали газораспределительного механизма, а стало быть, обусловливает снижение ресурса и надежности этого узла.