СОВРЕМЕННАЯ АВТОМОБИЛЬНАЯ ТЕХНИКА
Для работы любого двигателя внутреннего сгорания с искровым зажиганием необходима топливо-воздушная смесь. Ее готовят, распыляя бензин в потоке воздуха. В настоящее время широко применяются два способа распыления. Один — пульверизационный, когда частички бензина захватываются потоком воздуха, который движется благодаря разрежению во впускном коллекторе. На таком принципе работают все карбюраторы. Другой способ — впрыск бензина под давлением в поток воздуха. Этот способ лежит в основе работы систем впрыска топлива.
Опыт показал, что такие системы позволяют на 10—15% увеличить мощность двигателя по сравнению с карбюраторным вариантом, а значит, улучшить приемистость, увеличить максимальную скорость автомобиля. Экономичность в ряде случаев удается повысить, особенно на переходных режимах, благодаря точной дозировке топлива и отключению его подачи на принудительном холостом ходу.
Естественно, что системы впрыска сразу нашли применение на скоростных автомобилях. Первой серийной машиной среди них был спортивный «Мерседес-Бенц-300СЛ» с механическим регулированием подачи бензина в двигатель (1954 год). За ним последовали модели других заводов.
Из всего многообразия различных схем и конструкций многие специалисты у нас в стране и за рубежом в начале 60-х годов стали отдавать предпочтение по совокупности показателей системам впрыска с электронным управлением, как наиболее перспективным.
Такой взгляд учитывал не только общую тенденцию к автоматизации регулирования двигателя, но и конкретные преимущества электронных систем: они обеспечивают наиболее высокую по сравнению с другой аппаратурой точность дозировки бензина и близкий к наивыгоднейшему состав смеси на разных режимах работы. При ужесточении требований к расходу топлива и токсичности эти достоинства становились особенно ценными.
Серийный выпуск аппаратуры для электронного управления впрыском бензина был начат в 1967 году («Бош-Д-Джетроник», ФРГ). Буква «Д» (от немецкого слова «друк» — давление) означает, что главный датчик действует от давления (разрежения) во впускном коллекторе двигателя. Устройство системы этого типа представлено блок-схемой на рис. 1 вкладки. Топливо в виде распыленного факела впрыскивается во впускной трубопровод. Его подачу регулируют, изменяя продолжительность открытия клапана в форсунке, управляемого электромагнитом. Сечение клапана точно калибровано, а давление топлива поддерживает постоянным регулятор (редукционный клапан), поэтому количество бензина, впрыснутого за один цикл, пропорционально длительности электрического импульса на ее электромагните. Частота управляющих импульсов соответствует частоте вращения двигателя, а их длительность вычисляет электронный блок, анализирующий информацию, которую он получает от датчиков. Они подают ему данные о нагрузке двигателя (по разрежению или абсолютному давлению во впускном коллекторе), числе оборотов коленчатого вала, температурах охлаждающей жидкости и всасываемого воздуха, положении дроссельной заслонки, установленной на входе во впускной коллектор. Через форсунки в двигатель поступает лишь часть топлива, подаваемого насосом.
Излишек отводится в бак через регулятор давления.
Электронный управляющий блок, по существу, содержит программное вычислительное устройство (иными словами, ЭВМ), которое преобразует сигналы датчиков в электрические импульсы определенной длительности, и усилитель мощности этих импульсов, необходимый для управления форсунками. Программа для вычисления длительности управляющих импульсов составляется на основе регулировочных характеристик двигателя, снятых на моторном стенде под нагрузкой, и уточняется при дорожных испытаниях автомобиля. Как правило, она представляет компромисс между показателями экономичности (расхода топлива) и токсичности отработавших газов. Иногда предпочтение отдается получению мощности, обеспечивающей высокие динамические качества автомобиля.
В 1973 году фирма «Бош» начала выпуск системы «Л-Джетроник» (от слова «люфт» — воздух), в которой главным фактором, определяющим подачу горючего, стал расход всасываемого двигателем воздуха. При таком отправном параметре проще программирование работы системы, выше ее надежность и точность регулирования топливоподачи в сравнении с «Д-Джетроник». Выло разработано два варианта «Л-Джетроника» по измерителям расхода воздуха: с поворотной заслонкой и с поплавком на силовом рычаге, перемещающимся в потоке воздуха. Последний получил название «К-Джетроник» (от слова «крафт» — сила).
Интенсивное развитие электроники в 70—80-х годах существенно повлияло на конструкцию аппаратуры впрыска для бензиновых двигателей. Дискретные электронные приборы сменились более совершенными, с интегральными схемами и микропроцессорами; для обсчета программ управления топливоподачей в них стали закладывать цифровой принцип работы вместо прежнего, аналого-импульсного. «Бош» отказалась от механического измерителя расхода воздуха и применила термо-анемометрический (вариант «ЛХ-Джетроник»). В ряде электронных систем, регулирующих топливоподачу и зажигание автомобильных двигателей, для измерения давления (разрежения) стали использовать полупроводниковые тензометры и электроиндуктивные датчики. Они пришли на смену традиционным датчикам с их металлическими мембранными коробками и довольно громоздкими индуктивными преобразователями перемещения.
Системы впрыска постоянно усложнялись. Часть европейских и японских автомобилей, экспортируемых в США, где действуют довольно жесткие нормы на токсичность отработавших газов, получила каталитические нейтрализаторы. Их КПД максимален при определенном (стехиометрическом) составе рабочей смеси. Для поддержания его в системы ввели датчик содержания кислорода («лямбда-зонд»), устанавливаемый в выпускном тракте. Его выходной сигнал, зависящий от соотношения «топливо—воздух», вводит информацию о появлении кислорода в отработавших газах в блок управления, который, в свою очередь, точно регулирует состав бензовоздушной смеси. Таким способом содержание токсичных компонентов удерживают в заданных узких пределах. Существенно, что системы впрыска с каталитическими нейтрализаторами и лямбда-зондом содержат материалы, разрушающиеся при взаимодействии с соединениями свинца, поэтому требуют неэтилированного бензина.
Надо иметь в виду и то, что за последние годы существенно улучшились показатели двигателей с карбюраторами благодаря существенным изменениям в системах питания этого типа. Речь идет не только о повышении качества распыления топлива, подборе наивыгоднейшей формы и размеров впускного тракта. В карбюраторах стали использовать электронную автоматику для отключения подачи топлива на принудительном холостом ходу, управления составом смеси от упомянутого выше кислородного датчика и т. п.
Более высокая экономичность двигателей, оснащенных системами впрыска с электронным управлением (для отдельных моделей автомобилей в пределах 3—10%). связана, как правило, с присущей им гибкостью программирования подачи на режимах пуска, прогрева, разгона и т. п., а также большими возможностями для комплексного регулирования топливоподачи и угла опережения зажигания. «Бош», например, с 1979 года выпускает для некоторых двигателей ВМВ систему «Мо-троник», которая является попыткой объединить управление впрыском и зажиганием, используя общие датчики и единое микровычислительное устройство. Но и в карбюраторных системах роль электроники, управляющей приборами зажигания, ныне достаточно эффективна.
Современный карбюратор, оснащаемый элементами управляющей электроники, не сдает позиций. Здесь уместно заметить, что в системах впрыска за последнее десятилетие наметился отход от традиционной схемы (рис. 2 на вкладке) с подачей топлива в зону близ каждого впускного клапана. Уже разработаны и выпускаются системы так называемого центрального впрыска, в которых одна-две электромагнитные форсунки. Такую более простую систему с электронным управлением впрыска стало возможным применять на двигателях малого литража, где схема с индивидуальными форсунками часто неприемлема: слишком малы цикловые подачи и трудно добиться идентичности рабочих характеристик у всех форсунок.
В настоящее время устройства центрального впрыска нашли широкое распространение в США. Развитием аналогичной идеи является аппаратура «Бош-моно-Джетроник». По имеющимся данным, она дороже карбюратора, но значительно дешевле прежних систем распределенного впрыска. Для V-образных двигателей большого литража корпорацией «Дженерал Моторс» разработано и выпускается схожее устройство центрального впрыска. Оно — двухкамерного типа с двумя электромагнитными форсунками, помещенными в общем корпусе над соответствующими дроссельными заслонками.
Следует отметить, что отечественные системы подобного типа были сконструированы и опробованы на двигателях автомобилей ЗИЛ еще в конце 60-х годов коллективом ученых и инженеров под руководством профессора Московского автомеханического института Г. П. Покровского.
Другое направление в развитии электронных систем питания для бензиновых двигателей представляют изобретения коллектива авторов НПО ЦНИТА, руководимого профессором К. В. Свиридовым. Здесь для приготовления смеси использовано особым образом организованное испарение бензина, который подают электромагнитные дозаторы.
Заканчивая обзор, вернемся к перспективам дальнейшего применения систем впрыска с электронным управлением. За годы, истекшие с начала ее серийного производства, аппаратура достигла высокого конструктивного совершенства, однако разница в себестоимости между нею и карбюратором остается весьма значительной. Сложность приборов предъявляет повышенные требования к диагностике и обслуживанию, которые может обеспечить только хорошо развитая и оснащенная сервисная сеть. В силу отмеченных причин системы впрыска хотя и применяются сейчас гораздо шире, чем 10—15 лет назад, но по-прежнему остаются принадлежностью дорогих, Престижных автомобилей. Отметим еще раз, что на распространении систем впрыска отражаются и те успехи, которые достигнуты в совершенствовании карбюраторов. Поэтому вопрос о перспективности аппаратуры впрыска с электронным управлением приобрел новые аспекты.
Внедрение систем впрыска бензина на отечественных автомобилях можно обеспечить лишь при тесном сотрудничестве автомобильной промышленности с предприятиями Минэлектронпрома и Минприбора, располагающими необходимой элементной базой для электронных систем и современной технологией. Сотрудничество это уже начато, и Можно надеяться, что в ближайшем будущем оно даст результаты.
Е. КУСКЕ, заведующий отделом НПО ЦНИТА, кандидат технических наук
ЛИТЕРАТУРА
Белов П. М. и др. Двигатели армейских машин. Ч. 1. М. Воениздат, 1971.
Будыко Ю. И. и др. Аппаратура впрыска легкого топлива автомобильных двигателей. Изд. 2-е (1-е изд. гг. 1975 г.). Л., Машиностроение, 1982,»
Вуна Б. Электроника на автомобиле. Перевод с венгерского. М., Транспорт, 1979.
Двигателестроение. 1982, №№ 1, 2.
Журнал «За рулем» 10 • Октябрь 1984 Цена 1 руб.
