Поршневые и вообще, объемные двигатели внутреннего сгорания, в зависимости от применяемого топлива, делятся на две основные группы — бензиновые и дизели. Особенностью применяемого топлива определяется способ смесеобразования и воспламенения.

Дизели — двигатели с внутренним смесеобразованием и воспламенением от сжатия. В дизелях смесь образуется в процессе впрыскивания топлива в цилиндр, и тут же самовоспламеняется под воздействием высокой температуры сжатия.

Бензиновые двигатели — двигатели с внешним смесеобразованием и принудительным воспламенением. Прибор, в котором происходит распыливание жидкого топлива (не обязательно бензина), испарение части его и устанавливается необходимое соотношение между количеством топлива и воздуха, называется карбюратором.

Если обратиться к истории техники, то можно обнаружить карбюраторы трех типов, (рис. 1), испарительный, впрыскивающий и поплавковый всасывающий. Испарительные или барботажные карбюраторы (рис. 1, а) предназначались для работы на легкоиспаря1ощемся топливе (узкого фракционного состава). Воздух, проходя над поверхностью топлива, насыщался его парами и образовывал горючую смесь. Дроссельная заслонка определяла количество подаваемой смеси. Качество смеси, т.е. концентрация паров, регулировалось путем изменения объема пространства между поверхностью бензина и крышкой карбюратора. При множестве недостатков этого карбюратора (громоздкость, пожарная опасность, необходимость частой регулировки из-за повышенной чувствительности к изменениям условий внешней среды и т.д.) у него было одно существенное преимущество — однородная топливовоздушная смесь, так как воздух смешивался с парами топлива.

Впрыскивающий (мембранный) карбюратор, .(рис. 1, б) имел уже довольно сложное устройство. Топливный клапан 4 перемещается под действием двух эластичных мембран. Первая мембрана разделяет воздушные камеры высокого 5 и низкого 6 давлений. Вторая разделяет топливные камеры 7 и 8, соответственно низкого и высокого давлений.

Дроссельной заслонкой регулируется количество воздуха, а следовательно, и смеси, поступающей в двигатель. В камере 5, в результате скоростного напора воздуха, давление повышенное, а в камере 6, соединенной с горловиной диффузора, устанавливается разрежение (меньше сечение, больше скорость, меньше давление).

Под действием разности давлений эластичная мембрана выгибается и открывает топливный клапан 4. Через открытый клапан в топливную камеру 8 бензонасосом под давлением подается топливо. Из камеры 8 топливо через жиклер 3 и форсунку 9 подается в смесительную камеру карбюратора, где оно распиливается и перемешивается с воздухом. Топливная камера 7 заполняется топливом из топливного канала после жиклера 3. Поэтому давление в камере 7 меньше, чем давление в камере 8. В результате этого эластичная мембрана камер 7 и 8 прогибается и топливный клапан 4 стремится закрыться. При равенстве усилий на мембранах топливный клапан 4 находится в некотором определенном положении, что соответствует установившемуся режиму работы двигателя.

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 всасывающие карбюраторы со всасыванием топлива при разрежении, возникающем в суженной части воздушного канала карбюратора — диффузоре вследствие местного повышения скорости потока воздуха (рис. 1, в).

Современный поплавковый всасывающий карбюратор отличается от простейшего более чем десятком дополнительных устройств, кроме этого, он оснащен электронным управлением смесеобразованием. В результате получается система питания, включающая собственно карбюратор с сервоприводами, датчики и контроллер. Примером такой системы является "Ecotronic" ("Экотроник"). Применение карбюраторов с электронным управлением смесеобразованием позволяет: поддерживать оптимальный состав топливовоздушной смеси со стехиометрическим отношением (14,7 кг воздуха на 1 кг бензина) 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 "стихийности" в смесеобразовании, кроме того эта система питания имеет свой предел максимума адаптации к режимам работы двигателя. 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.

Двигатели с системами впрыска легкого топлива производятся в Германии, США, Англии, Японии, Франции, Италии. Ведутся работы по этим системам и в России. Из всех выпускаемых в 1995 году во всем мире легковых автомобилей, а это около 1800 моделей, впрыск применяется на 76%, а с учетом дизельных двигателей, на 90% машин. Если не принимать во внимание выпускаемые до сих пор устаревшие типы двигателей, разработки 10—15-летней давности, а взять только самые новые, выйдет, что почти 100% современных автомобилей имеют либо моторы с впрыском бензина, либо дизели.

Рис. 1. Схемы карбюраторов:
а — испарительный, б — впрыскивающий, в — всасывающий;
1 — дроссельная заслонка, 2 — диффузор, 3 — жиклер, 4 — клапан, 5,6,7,8 — камеры, 9 — форсунка, 10 - клапан, 11 - поплавок

Причина такого "увлечения" впрыском — повышение топливной экономичности и снижение токсичности отработавших газов. Так, например, средний расход топлива автомобиля BMW 528i с рабочим объемом двигателя 2,8 л и мощностью 193 л.с. равен 10—12 л/100 км т.е. примерно на уровне "Волги" ГАЗ-24, имеющей двигатель вдвое меньшей мощности.

Впервые система механического впрыска бензина была разработана компанией Даймлер-Бенц. Первый в мире серийный автомобиль с впрыском бензина — "Мерседес-Бенц-300SL", начало выпуска — 1954 год. В табл. 1 приведены данные по выпуску автомобилей с различными системами питания по состоянию на 1995 г.

Таблица 1. Системы питания, %

Обозначения: D—дизель (Diesel), V—карбюратор (Veigaser), ES— одноточечный, центральный, моно-впрыск (Einspritzanlage— система впрыска), ЕМ—многоточечный, распределенный впрыск (Einspritzmotor).

Из нашего краткого экскурса в историю систем питания ДВС очевидно, что идея впрыска не нова. В чем же дело, почему впрыск раньше широко не применялся? Причины этому две. Первая, — системы впрыска первоначально были более сложными конструктивно и в эксплуатации, чем системы с карбюраторами. Вторая, и может быть главная причина, — технологическая. Суть ее можно понять, если обратиться к табл. 2.

Таблица 2. Вязкость жидкостей в сантистоксах (мм²/с) при 20° С

Если дизельное топливо (солярка) — это хоть и маловязкое, но все же масло, то бензин имеет кинематическую вязкость вдвое меньшую, чем вода. В обычных гидросистемах рабочая жидкость — это масло, что позволяет довольно просто решить вопросы смазки деталей гидроаппаратуры и предотвращения утечек.

Системы впрыскивания бензина, как отмечалось, более сложны, чем карбюраторные из-за наличия большого числа прецизионных подвижных и электронных элементов и, кроме того, 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).

Итак, 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 i 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 снизить потребное октановое число топлива на 2—3 единицы, т.е. поднять степень сжатия без опасности детонации. Кроме того снижается образование окислом азота при сгорании и улучшаются условия смазки зеркала цилиндра.

При всех этих преимуществах необходимо отметить, что состав смеси при впрыске топлива должен быть связан с режимом работы двигателя так же, как и при карбюраторном двигателе. Другими словами, для оптимальной работы двигателя стехиометрическое соотношение бензина и воздуха практически может выдерживаться только в определенном диапазоне частичных нагрузок, а при пуске, холостом ходе, малых и максимальных нагрузках, при резком открытии дроссельной заслонки необходимо обогащение смеси.

Соотношение в топливной смеси бензина и воздуха принято оценивать коэффициентом избытка воздуха — ‘alfa’ (отношение действительного количества воздуха, участвующего в процессе сгорания, к количеству воздуха, теоретически необходимому для полного сгорания смеси). При стехиометрическом соотношении бензина и воздуха (alfa=1, при холостом ходе и малых нагрузках (alfa=0,6—0,8 (богатая смесь), при частичных нагрузках (alfa=1,0—1,15, при максимальных (полных) нагрузках alfa=0,8—0,9.

Далее

1. Система впрыска "K-JETRONIC"