Впрыск топлива и история возникновения систем управления двигателем

Что такое впрыск?
Впрыск (от английского "injection”) сегодня — 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 (от английского "control” — "управление”) — это мозг системы, оценивающий 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 — руки системы, выполняющие команды контроллера.

Для того чтобы двигатель нормально работал, необходимо:

- определить оптимальное количество топлива и момент, когда его необходимо подать в цилиндр;
- определить оптимальный момент, когда необходимо подать в цилиндр искру;
- доставить в цилиндр топливовоздушную смесь в нужной пропорции и обеспечить искру.
Первые две задачи решает тандем "датчики—контроллер”, третью — "контроллер—исполнительные механизмы”.
История возникновения систем управления двигателем
Первые механические системы, использовавшие принцип подачи топлива в цилиндр с помощью плунжернрго насоса, 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. За столетие автомобильный парк в мире вырос настолько, что в любой из развитых стран проблема снижения выбросов отработавших газов в окружающую среду стала общенациональной, а для ее решения потребовалось вмешательство государства.

Автопроизводителей обязали выпускать автомобили, удовлетворяющие нормам по содержанию вредных веществ в отработавших газах. 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” (цифра "1” символизирует первый шаг на пути к экологически чистым двигателям). Наряду с резким ограничением содержания вредных веществ в выхлопных газах (таких, как окислы азота NOx, углеводороды CH и оксид углерода СО) появилось ограничение по испарениям топлива из систем автомобиля. При этом автомобиль должен был укладываться в требования стандарта в течение первых 80 000 км пробега.

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 СН, оксид углерода СО и окислы азота NOx превращаются в воду H2О, двуокись углерода СО2 и азот N2. Особенность нейтрализатора заключается в том, что для эффективной борьбы со всеми тремя вредными компонентами топливо должно подаваться в цилиндр в строгой пропорции с воздухом (так называемый стехиометрический состав смеси).

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;

- 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;

- намечается тенденция к переходу на комбинированные силовые установки;

- ведущие автогиганты проводят активные работы в области альтернативных источников энергии и т. д.

Россия тоже встала на путь борьбы за чистоту отработавших газов, выбрасываемых автомобилями в атмосферу. Формально в нашей стране уже сегодня действуют нормы токсичности, соответствующие уровню "Евро-2”.
Как ко всему этому относиться?
Прогресс не остановить, и мы будем ездить на более экологичных автомобилях. Да, автомобили становятся сложнее, но не стоит забывать, что компьютеры и сотовые телефоны еще вчера шокировали обывателей своей сложностью. А сегодня все ими пользуются, не задумываясь о том, что там внутри. Так и впрыск надо рассматривать как продукт, созданный для упрощения пользования машиной, а не как "головную боль” для ее хозяина. Сложная система на самом деле дает потребителю массу удобств в эксплуатации.

Простой пример — прогрев двигателя. Если в системе с карбюраторным питанием водитель был вынужден пользоваться воздушной заслонкой для регулировки оборотов холостого хода двигателя, то сейчас для этого делать ничего не надо — система имеет специальную функцию поддержания оборотов в зависимости от температуры двигателя.