**Не секрет, что появление термина «экология» напрямую связано с жизнедеятельностью человечества. Одно из первых мест в рейтинге изобретений, нещадно загрязняющих окружающую среду, занимают транспортные средства. Но без автомобиля никуда. Вот и задумалось все прогрессивное человечество, как бы передвигаться быстро и с комфортом, и сохранить то, что еще осталось первозданного от природы-матушки. Выход нарисовался один — сделать автомобиль более экологичным, а начали с усовершенствования двигателя внутреннего сгорания. И начался этот длинный и нелегкий путь, которому не видно конца-края до сих пор: путь от карбюратора к впрыску.
Старик-карбюратор
**Бензиновые двигатели — двигатели с внешним смесеобразованием и принудительным воспламенением. Прибор, в котором происходит распыливание жидкого топлива, испарение части его и устанавливается необходимое соотношение между количеством топлива и воздуха, называется карбюратором.
Различают карбюраторы трех типов, испарительный, впрыскивающий и поплавковый всасывающий.
Испарительные карбюраторы предназначались для работы на легкоиспаряющемся топливе (бензине). Воздух, проходя над поверхностью топлива, насыщался его парами и образовывал горючую смесь. Дроссельная заслонка определяла количество подаваемой смеси. Качество смеси,
Впрыскивающий (мембранный) карбюратор имел уже довольно сложное устройство. Топливный клапан перемещается под действием двух эластичных мембран. Первая мембрана разделяет воздушные камеры высокого и низкого давлений. Вторая разделяет следующую пару топливных камер, соответственно, низкого и высокого давлений.
Дроссельной заслонкой регулируется количество воздуха, а следовательно, и смеси, поступающей в двигатель. В одной из двух топливных камер, в результате скоростного напора воздуха, давление повышенное, а во второй, соединенной с горловиной диффузора, устанавливается разрежение (меньше сечение, больше скорость, меньше давление). Впрыскивающие карбюраторы работают точно и надежно при любом положении двигателя. Однако из-за сложности регулировок и обслуживания в автомобильных двигателях не применяются.
Наибольшее распространение получили поплавковые карбюраторы со всасыванием топлива при разрежении, возникающем в суженной части воздушного канала карбюратора — диффузоре вследствие местного повышения скорости потока воздуха.
Современный поплавковый всасывающий карбюратор отличается от простейшего более чем десятком дополнительных устройств. Кроме этого, он оснащен электронным управлением смесеобразованием. Применение таких карбюраторов позволяет поддерживать оптимальный состав топливовоздушной смеси, и оптимальное наполнение цилиндров на различных режимах работы двигателя; увеличить топливную экономичность и уменьшить содержание вредных соединений в отработавших газах; повысить надежность системы питания, а также облегчить обслуживание и диагностику.
И все же любому карбюратору свойственен элемент непредсказуемости в смесеобразовании, кроме того, эта система питания имеет свой предел максимума адаптации к режимам работы двигателя, а также потребляет большое количество топлива.
В борьбе за экологию
Совсем другое дело — впрыск. Он позволяет оптимизировать процесс смесеобразования в гораздо большей степени. Другими словами, впрыск может осуществляться более оптимально по месту, времени и необходимому количеству топлива.
Первые механические системы впрыска появились уже на заре автомобилестроения. Но они не могли конкурировать с более дешевыми карбюраторами и поэтому надолго были вытеснены с рынка серийных автомобилей. Эпоха карбюраторных двигателей могла бы продолжаться очень долго, если бы не ужесточение требований к экологичности. И чтобы обеспечить безболезненный переход автозаводов на выпуск более экологичных автомобилей, ужесточение норм проводилось поэтапно. Нефтяные кризисы заставили задуматься и о топливной экономичности. Таким образом, автопроизводители были вынуждены совершенствовать системы управления двигателем и сами двигатели, используя новейшие достижения науки и техники, для того чтобы сохранить право продавать свои автомобили.
Эволюцию систем управления двигателем можно рассмотреть на примере Европы.
До 1993 года в Европе действовали стандарты токсичности, в которые свободно укладывались карбюраторные двигатели, а также двигатели с механическим впрыском без нейтрализатора отработавших газов. В 1993 году в Европе были приняты более жесткие требования к токсичности, названные «Евро-1». Наряду с резким ограничением содержания вредных веществ в выхлопных газах появилось ограничение по испарениям топлива из систем автомобиля. Из всех вариантов решения проблемы снижения вредных выбросов самым эффективным оказалось использование каталитического нейтрализатора, в котором в результате химической реакции с кислородом в присутствии катализатора углеводороды, оксид углерода и окиси азота превращаются в воду. Особенность нейтрализатора заключается в том, что для эффективной борьбы со всеми вредными компонентами топливо должно подаваться в цилиндр в строгой пропорции с воздухом.
Механический карбюратор оказался не в состоянии обеспечивать точную дозировку топлива, и ему на смену пришел электронный карбюратор. Механический впрыск сменил впрыск электронный: центральный (одноточечный) и распределенный (многоточечный). Неотъемлемой частью систем с нейтрализатором стал датчик кислорода (лямбда-зонд). Для борьбы с испарениями топлива на автомобиль установили систему улавливания паров бензина.
В 1996 году в Европе вступил в силу новый стандарт токсичности — «Евро-2», более жесткий по сравнению с предыдущим. Единственной системой, которая позволяла укладываться в эти требования с большим запасом, была система с распределенным впрыском топлива. Эра карбюраторов завершилась.
Следующий шаг — «Евро-3» — был сделан в 2000 году. Ужесточение норм токсичности в этом стандарте дополняется требованием постоянного контроля работоспособности основных компонентов системы, неисправность которых приводит к увеличению вредных выбросов. Контроллеру была поставлена дополнительная задача — проверять правильность работы системы и информировать водителя о неисправностях. В 2005 году все автопроизводители Европы начинают выпуск автомобилей, удовлетворяющих нормам «Евро-4».
Для выполнения требований по экологичности и улучшению потребительских качеств автомобиля совершенствуются алгоритмы управления двигателем, нейтрализатор переносится ближе к двигателю или снабжается специальным подогревателем. Также используется система рециркуляции отработавших газов, добавляется система подачи вторичного воздуха, увеличивается число клапанов на цилиндр. Впускные трубы становятся изменяемой длины, фазы газораспределения меняются в зависимости от режима работы двигателя, впрыск топлива осуществляется непосредственно в цилиндр;
Россия тоже встала на путь борьбы за чистоту отработавших газов, выбрасываемых автомобилями в атмосферу. Формально в нашей стране с 1 января этого года действуют нормы токсичности, соответствующие уровню «Евро-3».
Что такое впрыск?
Впрыск современного автомобиля — это комплексная система управления, обеспечивающая оптимальный режим работы двигателя с целью снижения токсичности отработавших газов, повышения мощности и экономичности двигателя.
В системе управления двигателем можно выделить следующие составные части.
Контроллер. Это мозг системы, обрабатывающий информацию от датчиков о текущем режиме работы двигателя, выполняющий достаточно сложные вычисления и управляющий исполнительными механизмами.
Датчики — глаза системы, информирующие контроллер о том, что происходит с двигателем и автомобилем в целом в данный момент.
Исполнительные механизмы системы выполняют команды контроллера.
Для того чтобы двигатель нормально работал, необходимо определить оптимальное количество топлива и момент, когда его необходимо подать в цилиндр. Также необходимо определить оптимальный момент, когда необходимо подать в цилиндр искру. Плюс доставить в цилиндр топливовоздушную смесь в нужной пропорции. Первые две задачи решает тандем «датчики — контроллер», третью — «контроллер — исполнительные механизмы». То есть системы впрыскивания бензина более сложны, чем карбюраторные из-за наличия большого числа электронных элементов и требуют более квалифицированного обслуживания при эксплуатации.
В настоящее время впрыскивающие топливные системы классифицируют по различным признакам, а именно: по месту подвода топлива (центральный одноточечный впрыск, распределенный впрыск, непосредственный впрыск в цилиндры); по способу подачи топлива (непрерывный и прерывистый впрыск); по типу узлов дозирующих топливо (плунжерные насосы, распределители, форсунки, регуляторы давления); по способу регулирования количества смеси (пневматическое, механическое, электронное); по основным параметрам регулирования состава смеси (разрежению во впускной системе, углу поворота дроссельной заслонки, расходу воздуха).
Впрыск бензина позволяет более точно распределить топливо по цилиндрам. При распределенном впрыске состав смеси в разных цилиндрах может отличаться только на 6−7%, а при питании от карбюратора — на 11−17%. Отсутствие добавочного сопротивления потоку воздуха на впуске в виде карбюратора и диффузора и вследствие этого более высокий коэффициент наполнения цилиндров обеспечивает получение более высокой литровой мощности. При впрыске возможно использование большего перекрытия клапанов, (когда открыты одновременно оба клапана) для лучшей продувки камеры сгорания чистым воздухом, а не смесью. Лучшая продувка и большая равномерность состава смеси по цилиндрам снижают температуру стенок цилиндра, днища поршня и выпускных клапанов, что в свою очередь позволяет уменьшить потребное октановое число топлива на 2—3 единицы,
Двигатели с системами впрыска легкого топлива производятся в Германии, США, Англии, Японии, Франции, Италии. Ведутся работы по этим системам и в России. Имеет место явное повышение топливной экономичности и снижение токсичности отработавших газов. Так, например, средний расход топлива автомобиля BMW 5281 с рабочим объемом двигателя 2,8 л и мощностью 193 л.с. равен 10−12 л/100 км,
Но несмотря на все имеющиеся плюсы, требования к экологичности все возрастают. Поэтому системы впрыска постоянно совершенствуются и усложняются. Да и запас нефтепродуктов на планете не безграничен. Ведутся разработки по альтернативным видам ресурсов, а значит, будут и новые топливные системы. Так что, быть может, новая эра уже не за горами.
