Содержание статьи
В автомобильном мире с завидным постоянством появляются новые конструкции и технологические решения. В прошлом году, пожалуй, самым интересным событием стала разработка бензинового двигателя с непосредственным впрыском топлива.
В последнее время над этой схемой работают сразу несколько фирм (главным образом, японских). Однако всерьез о новом моторе заговорили только в мае прошлого года — когда компания Mitsubishi Motors объявила о создании такого силового агрегата. Поэтому именно на примере двигателя Mitsubishi мы расскажем о работе бензинового двигателя с непосредственным впрыском топлива и его преимуществах перед другими существующими схемами.
ВМЕСТО ТЕОРИИ
Есть три основных схемы образования топливной смеси в бензиновых двигателях. У нас самой известной является карбюраторная система. Ныне от карбюраторов отказались практически все автопроизводители (за пределами бывшего Союза). Последние двадцать лет уходящего тысячелетия отмечены бумом впрыска топлива — как одноточечного, так и многоточечного (или распределенного). Подавляющее большинство поставляемых в Россию новых иномарок оснащено именно системой впрыска. И, наконец, третий вариант — рассматриваемый нами принцип непосредственного впрыска, который, по мнению ряда ведущих фирм, должен занять в обозримом будущем лидирующие позиции.
С двумя первыми схемами все более-менее ясно. В первом случае засасываемый в двигатель воздух, проходя через карбюратор, увлекает за собой (за счет разрежения) бензин. Полученная топливная смесь доставляется в цилиндры по каналам впускной системы двигателя.
Во втором случае бензин мощной короткой струей впрыскивается с помощью форсунок во впускной канал каждого цилиндра (до впускного клапана).
Наконец, в двигателе с непосредственным впрыском топлива форсунки «глядят» не во впускные каналы, а непосредственно в цилиндр (отсюда и название — «непосредственный впрыск»). Таким образом, в отличие от современных двигателей с впрыском, в которых образование топливной смеси происходит в доклапанном пространстве, в новом моторе воздух и бензин перемешиваются непосредственно в цилиндре. Схематично все три варианта показаны на рис. 1.
КАК ЭТО СДЕЛАЛИ
Для реализации этой идеи на Mitsubishi взяли хорошо известный четырехцилиндровый 16-клапанный двухвальный мотор 4G93 (устанавливается на автомобили Mitsubishi Galant, Space Runner и Carisma) объемом 1834 куб. см и кое-что переделали. Во-первых, подавать воздух в цилиндр стали вертикально сверху (рис. 2), а не сбоку, как обычно. По мнению фирмы, вертикальная подача воздуха улучшает наполнение цилиндра и облегчает контроль за воздушным потоком в отличие от существующей горизонтальной схемы.
Кроме того, переделали поршень (рис. 3): его необычное усеченное дно со сферическим углублением позволяет резко направить поток воздуха в обратную сторону. Тем самым упорядочивается движение воздуха, улучшается наполнение цилиндра и образование топливной смеси. Разница в формировании воздушного потока в цилиндре нового мотора по сравнению с двигателем с многоточечным впрыском хорошо видна на рис. 4.
Наконец, использовали новый топливный насос высокого давления (5,0 МПа против 0,33 МПа на двигателе 4G93) и новые вихревые форсунки высокого давления (рис. 2). Топливо впрыскивается в цилиндр в конце такта сжатия и непосредственно перед воспламенением топливной смеси. Кстати, степень сжатия увеличили с 10,5 до 12,0. Очередная порция топлива сначала растворяется воздухом над поршнем, а затем воздушным вихрем «доставляется» прямо к свече зажигания.
В ходе многочисленных экспериментов (в частности, совершенствовалась форма поршня) конструкторы добились, чтобы наиболее богатая смесь образовывалась непосредственно вокруг свечи. Так удалось «заставить» работать двигатель на максимально обедненной топливной смеси — соотношение воздух/бензин в этом моторе доходит до 40:1.
ЕСТЬ ЛИ РАЗНИЦА?
Распространенная ныне схема многоточечного впрыска имеет неоспоримые преимущества перед карбюратором. Подавая топливо во впускной коллектор отдельно для каждого цилиндра, система впрыска улучшает качество смесеобразования и, соответственно, мощность двигателя и его экономичность. Однако впрыск «не выжимает» из топлива все «соки», поскольку смешивание воздуха с бензином происходит до клапана, а во впускном коллекторе далеко не самые лучшие условия для образования рабочей смеси. Потому поступающая в цилиндры топливная смесь не столь эффективна (не приготовлена наилучшим образом для сгорания), как могла бы быть в идеале.
В свою очередь, в новом двигателе с непосредственным впрыском топлива подаваемый в цилиндр бензин лучше перемешивается с воздухом, подачу его легче контролировать. В итоге двигатель работать на обедненной смеси, не теряя при этом в мощности и существенно выигрывая в экономичности.
Так, испытания показали, что на холостых оборотах потребление топлива у нового мотора на 40% ниже, чем у 4G93.
Испытав мотор непосредственно на автомобиле, конструкторы получили 25-процентную экономию топлива при скорости 40 км/ч. Аналогичная экономия была получена и при движении в городском цикле. Экономия топлива при различных режимах движения приведена в таблице.
А что же с выбросами отработавших газов? Представьте себе, при скорости 40 км/ч выбросы NOx, например, снизились на 90%!
Наконец, мощность. Казалось бы, по всем законам физики обеднение рабочей смеси не должно привести к повышению количества вырабатываемой при ее сгорании энергии и, как следствие, — увеличению мощности мотора. Однако, не спешите делать выводы. Охлаждение топливной смеси (благодаря растворению бензина) непосредственно в цилиндре позволило без проявления детонации поднять степень сжатия до 12:1 при использовании топлива с прежним октановым числом. Кроме того, большую роль сыграла и форма распыления впрыскиваемого топлива, напоминающая конус, а он является идеальной формой для гомогенизации смеси.
Результат налицо: литровая мощность мотора (равно как и максимальный крутящий момент) поднялась на несколько процентов практически во всем диапазоне работы двигателя (рис. 5). Как следствие, примерно на 5% улучшилась динамика автомобиля — как с механической, так и с автоматической КПП.
Конечно, объять необъятное нельзя. В сильнонагруженных режимах работы мотор не справляется со сверхобедненной рабочей смесью. Поэтому двигатель с непосредственным впрыском топлива может работать в двух режимах: в экономичном и «тяговом».
При обычных условиях движения и на скоростях до 120 км/ч двигатель работает в экономичном режиме: топливо впрыскивается, как было описано, в конце такта сжатия, а отношение воздух/бензин колеблется в пределах 30—40:1. На более высоких скоростях (оборотах двигателя) топливная смесь становится более богатой. Топливо в цилиндр подается и во время такта впуска, чем обеспечивается лучшее смесеобразование при данных условиях и отсутствие детонации.
Поэтому можно предположить, что новый двигатель устроит и поклонников уравновешенной неторопливой езды, и любителей показать, на что способен их автомобиль.
К сказанному остается добавить, что разработка Mitsubishi не останется «концептуальным» развлечением конструкторов. И если на прошлогодних автосалонах во Франкфурте и Токио новый мотор был смонтирован на концепт-каре HSR-V, то сейчас полным ходом идет его адаптирование к массовому производству (не зря же за основу взяли серийный агрегат!). Фирма обещает уже в нынешнем году «выбросить» двигатель на рынок. С большой степенью вероятности можно сказать, что им будет оснащаться Mitsubishi Galant нового поколения.
Как уже было сказано, над подобной схемой сейчас активно работают сразу несколько фирм. Поэтому вполне возможно, что к концу столетия каждая крупная компания будет иметь в своей производственной программе хотя бы один силовой агрегат с непосредственным впрыском топлива.
Правда, непосредственный впрыск — не единственный возможный путь уменьшения расхода топлива и улучшения экологических показателей. О других интересных решениях в мире моторов мы расскажем в следующий раз.
