Прямо в цилиндр. Впрыск бензина. Всё о нём…

Непосредственный впрыск бензина появился на грузовиках в 1925 году, на легковых авто в 1951-м, но массовым он так и не стал. Автомобилестроители вернулись к этой идее лишь в конце XX века.

Сначала самолеты

Как и многие автомобильные технологии, непосредственный впрыск бензина сначала использовали в авиации. В 1916 году компания Хуго Юнкерса по указанию министерства авиации Германии вынуждена была прекратить разработку авиационного дизеля, так как министерство решило, что все авиадвигатели должны работать на бензине либо бензоле. В новый бензиновый двигатель конструкции Отто Мадера внедрили систему непосредственного впрыска, подобную разработанной для дизеля. До самолетов он не дошел, небольшую партию выпустили для оснащения быстроходных катеров кайзеровского ВМФ. Параллельно непосредственный впрыск попробовали поставить и на авиационный двигатель Mercedes Iva. Но все работы были прекращены в связи с окончанием войны и запрету на разработку новых самолетов в Германии.

В тридцатые годы непосредственный впрыск бензина ставили на многие авиационные двигатели немецкого производства, систему впрыска на основе дизельного насоса высокого давления разработала компания Bosch. Непосредственный впрыск обеспечивал увеличение мощности на 10-17 процентов.

На колеса!

Это был многотопливный двигатель на основе дизеля, но с искровым зажиганием. Его ставили на свои грузовики три шведских автопроизводителя. Сейчас он малоизвестен, хотя Volvo использовала его до 1947 года.

Вскоре новая технология дошла и до легковых автомобилей. В пятидесятые годы Европа восстанавливалась, но в связи с последствиями войны наибольшим спросом пользовались небольшие автомобили. Именно на них и был впервые внедрен непосредственный впрыск бензина. Первыми стали Goliath GP700 E и Gutbrod Superior 600 в 1951 году. Они получили двухтактный двигатель, разработанный Гансом Шеренбергом. Он оснастил его системой впрыска на основе дизельной аппаратуры Bosch. Благодаря впрыску эти малыши стали значительно мощнее, чем их карбюраторные версия: 25 л.с. против 22 у Goliath и с 30 вместо 26 у Gutbrod. Но их выпускали недолго.

Самым известным автомобилем с непосредственным впрыском бензина, как считает Auto3N, стал Mercedes-Benz 300 SL тот самый, с дверями типа «крыло чайки».

Его рядный шестицилиндровый мотор объемом три литра, был создан на основе двигателей седанов Mercedes-Benz 300, но замена карбюраторов системой впрыска увеличила мощность со 175 л.с. до 215. Однако для того периода механический впрыск оказался слишком сложной системой. И после окончания выпуска 300 SL в 1963 году эту идею оставил даже сам Daimler-Benz. Автопром вернулся к этой идее гораздо позже, когда появилась электроника для управления процессом впрыска, а экологические нормы стали слишком жесткими, чтобы их можно было реализовать с карбюратором.

Экономия? Экология!

К прогрессу конструкторов двигателей подталкивали ограничения – сначала в семидесятые после нефтяного кризиса вырос спрос на экономичные автомобили, потом законодатели стали требовать снизить токсичность отработавших газов. В 1992 году в Европе были впервые введены экологические нормативы «Евро 1», сначала только для легковых автомобилей. Мало кто из автопроизводителей сумели обеспечить соответствие им используя карбюратор. Например, Honda упорствовала, и действительно, ее моторы, оснащенные карбюраторами с электронным управлением, имели показатели, которые вписывались в нормативы и Европы, и США. Но с введением в действие «Евро 2» с января 1996 года сдалась и Honda – выполнить их с карбюратором было невозможно.

Отказ от карбюратора сказался даже на системе обозначений у Mercedes-Benz – до мая 1993 года буква Е обозначала Einspritzung («впрыск» по-немецки) и стояла после числа, означая, что это бензиновый автомобиль с впрыском топлива. Но карбюраторные двигатели после 1990 года Mercedes-Benz уже не выпускал. В 1993 году модельные классы Mercedes-Benz получили буквенное обозначение перед числовым, и букву Е отдали для серии W 124, теперь ее расшифровывали как Executive.

Организуя пламя

Системы впрыска в то время подавали бензин во впускной трубопровод: самые простые имели одну форсунку на все цилиндры (так называемый центральный впрыск), более совершенные – по инжектору на каждый цилиндр, это называется распределенный впрыск.

Следующий шаг сделала Mitsubishi Motors – она вернула прямой впрыск бензина в цилиндр, который не применялся в серийных моделях с 1963 года.

Благодаря тому, что форсунка подает топливо прямо в камеру сгорания, можно организовать более сложные процессы сгорания, и использовать послойное смесеобразование при частичной нагрузке. В этом случае цилиндр заполняет обедненная смеси, а богатая сосредоточены возле свечи, гарантируя надежное воспламенение. Использование обедненной смеси снижает расход топлива. При высокой нагрузке двигатель переходит в привычный режим с использованием гомогенной смеси, где бензин и воздух находятся в оптимальном соотношении. В этом случае расход не ниже, чем у двигателя с обычным впрыском, но выше удельная мощность.

Уменьшение расхода топлива обеспечивает и столь важное сейчас снижение выбросов углекислого газа – ведь чем меньше сгорело топлива, тем меньше его образуется.

Первый среди равных

В 1996 году Mitsubishi начала серийный выпуск двигателя с непосредственным впрыском с электронным управлением под обозначением GDI (Gasoline Direct Injection) объемом 1,6 литра. Его ставили на Mitsubish Carisma.  В целом проект оправдал ожидания, но двигатель нуждался в топливе с пониженным содержанием серы, которое было доступно не во всех странах. Правда, постепенно стандарты на топливо стали ужесточать. После того, как бензин с низким содержанием серы стал общепринятым в Европе, двигатели с непосредственным впрыском начали выпускать и европейские производители.  Первым стал в 1999 Renault IDE (сокращение французского Injection Directe d’Essence), созданный в сотрудничестве с Mitsubishi.

В 2001 за ним последовал Audi FSI (Fuel Stratified Injection – Послойный впрыск топлива).

В 2002 году дебютировал Mercedes-Benz CGI (Stratified Charge Gasoline Injection).

Производителям пришлось придумывать свои названия, так как Mitsubishi Motor зарегистрировала GDI как торговый знак. Теперь у каждого производителя собственные обозначение непосредственного впрыска. Например, у Ford их даже несколько – сейчас это EcoBoost, где вместе с непосредственным впрыском применяется турбонаддув, а ранее использовалась аббревиатура GTDi. У Opel используется сокращение SIDI (Spark Ignition Fuel Injection), а Mazda DISI – слова те же, но аббревиатура другая. У Alfa Romeo такие двигатели называются JTS, что означает Jet Thrust Stoichiometric

Проблемы

Хотя сейчас двигатели с непосредственным впрыском очень распространены (в США, например, их производят более половины от всех бензиновых), они не лишены недостатков. Сама по себе система сложная, требует высокой точности и потому довольно дорогая.  Не так давно был выявлен еще один недостаток: у таких двигателей часто встречаются ускоренный износ поршней. Установлено, что причиной этого является самовоспламенение топливовоздушной смеси при низких оборотах – по-английски это Low speed pre-ignition (LSPI). Проявляется как возгорание топлива до окончания образования смеси, что создает лишние нагрузки на поршни, подобно детонации. Это, вероятно, связано с распространением систем «стоп-старт», которые автоматически глушат двигатель при остановках на светофорах и запускают их при начале движения, а также если двигатель работает в составе гибридного привода. В таких условиях он чаще работает на невысоких оборотах. Однозначно причины этого явления не установлены, существует несколько возможных объяснений. Ясно только что на это может влиять содержание кальция в моторном масле, и в связи с этим разработан новый стандарт для масел ILSAC GF-6.

Прогресс не останавливается!

Автор – Валерий Чусов, специально для Auto3N