Точный впрыск
Форсунка или, как еще говорят, инжектор - на первый взгляд банальный распылитель топлива, однако в архитектуре современной системы впрыска как бензинового, так и дизельного она играет одну из самых важнейших ролей.
Карбюратор умер. Это факт.
В странах с хорошо развитой автомобильной промышленностью его исчезновение произошло довольно быстро и, в общем-то, незаметно. В России процесс оказался несколько затянут, но, тем не менее, и у нас прогрессивные технологии возобладали.
На самом деле все просто, вполне закономерно и понятно. На определенном этапе карбюратор уже в принципе не мог отвечать возросшим запросам - ни по техническим, ни по экологическим параметрам. Непосредственный впрыск топлива априори обладал гораздо большим набором преимуществ. Он обеспечивал более чистую эмиссию, а также повышение мощности и экономичности двигателя на десятки процентов. К тому же и с чисто эксплуатационной точки зрения был куда более удобен для пользователя. Собственно, именно поэтому бензиновые системы в своем развитии пошли, образно говоря, «дизельным» путем. Впрочем, впрысковые системы подачи горючего предъявляли и до сих пор предъявляют куда более высокие требования к качеству горючего, обусловленные конструкцией, как мы уже отметили, одного из самых важных элементов системы - форсунки.
Не будем вдаваться в теорию непосредственного впрыска - это тема отдельной статьи. Отметим лишь, что в силу специфики предназначения детали, производство современных форсунок довольно сложное в плане технических, технологических, инженерных и прочих аспектов занятие. Именно поэтому глобально на нем специализируется лишь довольно узкий круг компаний. Фактически речь идет о 4 транснациональных гигантах автоиндустрии. Это Bosch, Delphi, Denso и Continental Automotive (теперь), в ассортимент которых входят не просто отдельные компоненты системы, а все наиболее ответственные модули и форсунки, как ее неотъемлемая часть, в том числе. Причем разработанная и выпущенная данными компаниями продукция идет и на конвейеры мировых автопроизводителей, и на вторичный рынок.
Bosch заслуженно пользуется славой создателя, пожалуй, самой прогрессивной системы подачи топлива, применяемой в дизельных двигателях с непосредственным впрыском топлива - аккумуляторной топливной системы или Common Rail. В 1997 г. она была запущена в серию для легковых автомобилей, а спустя 2 года для грузовой техники. По оценке специалистов компании доля Common Rail на рынке к 2016 г. достигнет более 80 %, в то время как в 2008 г. составляла лишь четверть. Такой прогресс легко объясним. Аккумуляторные системы уже сегодня обеспечивают 30% экономию топлива и 25% сокращение выбросов СО2 по сравнению с бензиновыми системами.
Если же проводить аналогии с 1990 г., то можно сказать, что сейчас эмиссия твердых частиц дизельного двигателя сократились почти на 100%, оксидов азота - на 96%. В дальнейшем характеристики этих систем еще улучшатся, снизив потребление солярки до 3.5 л для среднеобъемных моторов.
Подобное улучшение обуславливается главным образом неуклонным ростом давления впрыска: чем оно выше, тем точнее дозируется топливо и тем эффективнее протекает процесс сгорания. В первом поколении давление доходило до 1 350 бар у легковых автомобилей и 1 400 бар у грузовиков. Система второго поколения, появившаяся в 2001 г. довела этот показатель до 1600 бар. В новом - третьем поколении с пьезоинжекторами впрысковое давление достигает уже 2200 бар.
Отличительная особенность последних версий системы - присутствие в каждом инжекторе двух электромагнитных клапанов, отвечающих за точное регулирование предварительного, основного и дополнительного впрыска для каждого режима работы двигателя. В зависимости от конструкции форсунок и типа двигателя, может впрыскиваться до 9 порций топлива за 1 цикл. Это способствует дальнейшему сокращению вредных выбросов и расхода топлива.
Новые инжекторы Common Rail оснащаются пьезоэлементом, включающим пьезокристаллы, которые растягиваются в электронном поле. Управляемый электроникой пьезоэлемент включается в пять раз быстрее, чем магнитный клапан; он встроен в тело инжектора. Таким образом, движение пьезопакета передается беспрепятственно прямо к игле форсунки без какого-либо механического посредника. Благодаря этому скорость иглы повышается в два раза, что обеспечивает возможность точнее дозировать количество впрыскиваемого топлива и тем самым повысить экономичность и эффективность работы двигателя.
Несколько слов надо сказать об альтернативных системах впрыска - насос-форсунке (UIS) и Unit Pump (UPS). Первая объединила в одном узле ТНВД с инжектором и устанавливается на каждом цилиндре. Давление впрыска более 2000 бар генерируется поршнями насоса, приводимыми в движение распределительным валом двигателя. Вторая система состоит из ТНВД со встроенным электромагнитным клапаном, короткого трубопровода и инжектора. Она также может обеспечивать давление более 2200 бар.
Указанные системы неплохо проявили себя на коммерческой технике, однако при использовании в легкомоторном сегменте оказались менее конкурентоспособными, нежели Common Rail. Именно поэтому автопроизводители, какое-то время назад активно занимавшиеся их развитием и применением (в частности Volkswagen), к настоящему моменту практически полностью от них отказались в пользу аккумуляторных топливных систем.
Да и на грузовых автомобилях для достижения перспективных экологических нормативов, как считают эксперты, гораздо целесообразнее использовать все-таки Common Rail.
Delphi в секторе дизельного впрыска предлагает форсунки для топливной системы высокого давления с применением разгруженного электромагнитного клапана Multec, которые обеспечивают технические характеристики аналогичные характеристикам сервопьезо систем конкурентов и поддерживают их в течение всего срока службы двигателя, благодаря современным системным разработкам Delphi и стратегиям контроля.
Форсунка Delphi с интеллектуальным электромагнитным управлением устанавливается на легковые автомобили и коммерческий автотранспорт малой грузоподъемности наиболее популярных марок, среди которых Ford, Hyundai, Jaguar, Kia, Mercedes, Nissan, Peugeot, Renault и SsangYong.
Компания Denso также уже давно обеспечила себе передовые позиции на рынке как производитель оригинальных дизельных систем и компонентов. Компания первой еще в 1995 году внедрили технологию Common Rail с давлением в 2000 атмосфер. Сегодня Denso предлагает своим клиентам полный ассортимент дизельных компонентов оригинального качества, в том числе форсунки.
В моторах с прямым впрыском бензина смешивание воздуха и топлива происходит прямо в камере сгорания. На такте всасывания воздух поступает через открытый впускной клапан. Впрыск топлива под высоким давлением осуществляется специальными форсунками непосредственно в камеру сгорания. И опять же, как в случае дизельных систем точная дозировка, а так же подготовка и распределение воздуха и топлива для каждого отдельного такта сгорания позволяют снизить расход топлива и токсичность отработанных газов. Кроме того, прямой бензиновый впрыск в сочетании с турбонаддувом способствует уменьшению литража двигателя при сохранении прежней мощности. А процесс продувки, улучшающий заполнение цилиндров воздухом (прежде всего на низких оборотах), повышает крутящий момент и сокращает эмиссию СО2 до 15 %.
Компанией Bosch была разработана система DI-Motronic с управлением, контролирующим крутящий момент. Эта воистину интеллектуальная система способна с высокой точностью подстраивать все значимые параметры под конкретную ситуацию на дороге: обеднять смесь при частичной нагрузке и формировать однородную смесь при полной нагрузке.
Прелесть DI-Motronic в том, что она обеспечивает как сгорание с послойным образованием обедненной смеси, так и компрессионное воспламенение гомогенной смеси. Она может успешно функционировать на топливе практически любого качества. Среди основных компонентов DI-Motronic - насос высокого давления HDP5, отличающийся компактными габаритами и малым весом, и инжектор высокого давления HDEV5 с электромагнитным управлением, поддерживающий схему индивидуального впрыска до семи струй топлива.
Также для различных алгоритмов сгорания и концепций впрыска подходит запущенный в серийное производство в 2006 г. первый в мире пьезоинжектор со струйным управлением сгоранием обедненной смеси HDEV4. Он работает с давлениями впрыска до 2900 psi (200 бар) и обеспечивает сверхбыстрое управление многоступенчатым впрыском. Впервые этот инжектор был применен в серийной комплектации модели Mercedes CLS 350 CGI.
Семейство форсунок Delphi для системы бензинового впрыска топлива Multi-Port Fuel Injection полностью отвечает комплексным требованиям заказчиков (форма факела распыла топлива, линейный диапазон, область выработанного потока и рабочее напряжение). Форсунки соответствуют разнообразным требованиям компоновки и подходят для первичной комплектации на конвейер, для двигателей вторичного рынка (aftermarket) и двигателей с высокими эксплуатационными характеристиками, а также для неавтомобильных двигателей и небольших бензиновых моторов.
Экономически эффективное семейство топливных систем Delphi, в особенности система прямого впрыска бензинового топлива, обеспечивает полный и гибкий пакет, позволяющий автопроизводителям адаптировать системы под определенные требования. Свойства данной системы могут помочь автопроизводителям увеличить мощность, крутящий момент и сократить расход топлива.
Топливные форсунки Delphi имеют внутренние кольцевые уплотнения, защищенные от попадания топлива; усовершенствованные уплотняющие материалы обеспечивают низкотемпературное уплотнение до -40°C для более эффективного «холодного» запуска. Помимо этого, они изготовлены с использованием компонентов и уплотнений, нечувствительных к различным видам и сортам горючего, включая топливные смеси на основе этанола. Топливные форсунки Delphi также обеспечивают оптимальную производительность за счет дополнительной защищающей от загрязнений фильтрации топлива.
В ассортименте компании имеются инжекторы повышенной производительности. Они специально предназначены для подачи распыленного топлива под давлением на каждый цилиндр в точных пропорциях, необходимых в экстремальных условиях эксплуатации. Такие форсунки обеспечивают инкрементные диапазоны статического расхода 30-95 фунтов (14-43 кг) в час. Будучи совместимыми со спиртовым топливом для улучшенной обработки горячего топлива и быстрого запуска двигателя, топливные форсунки повышенной производительности отличаются низкой капельной утечкой с наконечника.
Форсунки многоточечного впрыска топлива (Multipoint Flexible Injector, MFI) Delphi или так называемые «крестовидные» форсунки разработаны для повышения эффективности подачи топлива и сокращения выбросов в популярных грузовых автомобилях малой грузоподъемности и внедорожниках GM. Они также призваны решить проблему засорения тарельчатых распылителей на форсунках последовательного впрыска через центральный канал (Sequential Central Port Injector, SCPI), связанную с наличием вредных примесей в современном топливе. Иными словами, отпадает необходимость очистки и замены тарельчатых распылителей из-за бензинового нагара. Отличаясь компактностью и легкостью конструкции, за счет которых сокращается общий вес автомобиля и увеличивается его топливная экономичность, форсунки многоточечного впрыска совместимы с большинством видов топлива.
Примечательно то, что Delphi тесно сотрудничает с НПП «Ителма» для того, чтобы поставлять программы по бензиновому двигателю для отечественных российских автомобилестроителей. В основу данного сотрудничества легли автокомпоненты мирового класса Delphi и возможности Itelma на внутреннем рынке, позволяющие обеспечить автомобилестроителей передовыми техническими разработками и изделиями.
История четвертого крупнейшего производителя форсунок для систем непосредственного впрыска - компании VDO складывалась в последнее время не совсем гладко. Основанная в 1920 г.к концу столетия она была приобретена концерном Mannesmann и с 1997 года стала именоваться Mannesmann VDO. Спустя три года у концерна ее выкупил Siemens. После объединения с активами Siemens Automotive в апреле 2001 года было организовано подразделение Siemens VDO Automotive. Но и этот союз продлился не долго. Накануне кризиса в 2007 г. Siemens продал подразделение, связанное с автомобильной продукцией компании Continental за 11.4 млрд, евро, включая налоговые льготы в размере около 1 млрд, евро., которое затем было реорганизовано в Continental Automotive.
Вместе с громадными ресурсами Siemens VDO Continental получил и значительный бонус в виде авторитета фирмы. В ее арсенале одним из самых весомых символов признания заслуг (в контексте данной статьи) была полученная в 2005 г. «Deutscher Zukunftspreis» - награда президента Германии за достижения в области инноваций и передовых технологий. Она была вручена Bosch и Siemens VDO, независимо работавшим над созданием технологии пьезоэлектрического впрыска для бензиновых и дизельных двигателей.
Эдуард Столяров
Фото производителей |
