Непосредственный впрыск

В облаках и на трассах

Возрожденный менее 20 лет назад прямой, или непосредственный, впрыск имеет более чем вековую историю. Ведь двигатели, работающие на тяжелом топливе, построены именно по такому принципу — форсунки у них располагаются внутри камер сгорания. Их разработкой, как мы знаем, разные конструкторы занимались со второй половины XIX века. А патент был получен Рудольфом Дизелем в 1892 году. В 1925-м свет увидела другая конструкция, пускавшаяся на бензине, который воспламенялся свечой зажигания. Но далее мотор был способен работать на многих горючих жидкостях — солярке, керосине, масле. Эти вещества зажигались уже от сжатия.

По-настоящему бензиновый мотор с непосредственным впрыском появился только в 1937-м. Это был известный авиационный Daimler-Benz DB 601, для которого Bosch разработал механическую систему подачи топлива. Оказалось, для самолета direct injection — оптимальный вариант. За компенсацию в виде несколько увеличившегося веса и требовательности к качеству топлива 12-цилиндровый V-«образник» приобрел большую мощность и стабильность работы во всех режимах, в том числе режимах полета, включая «высший пилотаж». DB 601 выпускался по лицензии в Италии и Японии, в Германии, устанавливаясь на многие самолеты, самый известный из которых — Messerschmitt BF 109.

В 1940 году по пути Daimler пошли в BMW. Непосредственный впрыск у баварцев имела 14-цилиндровая двухрядная «звезда», устанавливавшаяся в том числе, на популярный у люфтваффе Focke-Wulf Fw 190. Не намного отстали от немцев советские конструкторы. Аналогичный по конструкции BMW двигатель АШ-82ФН с прямым впрыском появился в 1942-м и помог завоевать истребителю Ла-5ФН превосходство в воздухе. А далее наступила эпоха реактивных двигателей…




DB 601 (слева), BMW 801 (в центре) и АШ-82ФН (справа) появились примерно в одно время, но различались конструкцией. Мотор Daimler-Benz был привычным в автомобильном смысле V12. BMW и советский двигатель имели радиальное расположение цилиндров в два ряда и в шахматном порядке. Разными были объем и мощность. Почти 34-литровый DB развивал 1100–1200 л.с., BMW — 42 л и более полутора тысяч «лошадей». А такого же литража русскую «звезду» форсировали до 1700–1900 л.с.

К автомобилям прямой впрыск «вернулся» в 1951 году. Немецкая компания Goliath, принадлежащая концерну Borgward, уповая на топливную экономичность на фоне послевоенной разрухи, решилась выпускать небольшое купе с двухцилиндровым двухтактным моторчиком с топливной аппаратурой Bosch. Модель 700 Sport, правда, не отличалась топливным аппетитом и, вместе с тем, требовала непривычного для карбюраторных машин обслуживания.



Goliath 700 Sport стал первым автомобилем, примерившим непосредственный впрыск топлива. Нельзя сказать, что машина не удалась. Просто небогатый немецкий народ не был готов к эксплуатации пусть и экономичного, но сложного в обслуживании мотора

Инженеров и маркетологов Mercedes-Benz подобные проблемы, похоже, не волновали. 300 SL образца 1954 года, известный как «крыло чайки», имея тот же «бошевский» впрыск на трехлитровой рядной «шестерке», был автомобилем несколько иного порядка, далеко не бюджетным. Что говорить о его спортивных версиях, выступавших с 1951-го. И тем более о тех «серебряных стрелах», которые появились позже для участия в Формуле 1 и имели уже V8.




«Дорожный» Mercedes-Benz 300 SL и его трехлитровая рядная «шестерка», мощность которой с помощью непосредственного впрыска была поднята со 115 до 240 л.с. Модель неплохо выступала на «длинных» гонках, пока не появился 300 SLR — уже с V8, также оснащенным прямым впрыском

С форкамерой

Гонки гонками — там и топливо другое, и многотысячный ресурс не нужен. Однако запускать direct injection в серийное производство компании не спешили. Хотя работы по получению оптимального смесеобразования, конечно, велись. Например, в 70-х годах с оглядкой на дизели некоторые японские фирмы экспериментировали с форкамерно-факельным зажиганием. Суть его сводилась к тому, что помимо основной над поршнем существовала еще форкамера. В нее подавалась богатая смесь, в обычную камеру — бедная. Воспламенение происходило в форкамере с помощью свечи зажигания. А уже из нее вырывавшийся факел поджигал основной объем горючего. Кстати, первые опыты с подобной схемой ставились в СССР. В середине 50-х мелкой партией была выпущена «шестерка» ГАЗ-51Ф. Она была мощнее обычного агрегата на 10 л.с. и чуть экономичней. Что, судя по всему, никак не компенсировало сложности производства ее головки блока. Ситуация с японскими моторами была иная. Они получались экономичными, но, с запасом укладываясь в тогдашние нормы по выбросам СО, давали убойную концентрацию оксида азота. Вспомним, что тогда еще отсутствовали качественные системы очистки отработавших газов.


Какое-то время с 1982 года головка блока цилиндров с форкамерами и дополнительными клапанами все-таки выпускалась серийно. Ими оснащалась модификация мотора ЗМЗ-402, которая устанавливалась на ГАЗ-3102

Форкамерно-факельное зажигание отложили — вероятно, до лучших времен. О непосредственном впрыске, похоже, и не забывали. Развивали технологии обработки металлов и электронику, управляющую двигателем. В результате сначала Mitsubishi в 1996 году, затем Toyota в 1997-м, представили свои GDI и D4.
По слоям

Зачем, спрашивается, вообще нужен прямой впрыск топлива? С авиационными двигателями или, скажем, моторами Mercedes 50-х годов все понятно. Там впрыск благодаря более качественному по сравнению с карбюратором распылу и получению однородной горючей смеси сам по себе давал прирост мощности. Но если сейчас сравнивать идентичные агрегаты с распределенным и прямым впрыском, то никакой разницы в лошадиных силах не обнаружится. Где-то по характеристикам установки с direct injection выглядят даже хуже. Так в чем смысл? В стремлении производителей следовать общим тенденциям — увеличивать КПД при снижении расхода топлива и вредных выбросов. Все это и ранее было достижимо с помощью оптимизации подачи смеси и процессов горения. Теперь же впрыск топлива вышел на новый виток эволюции.

Что же необходимо для этой самой «оптимизации»? На первый взгляд, немного. Топливный насос высокого давления, форсунки, расположенные в камере сгорания и способные обеспечить более тонкий распыл. И особая форма дна поршня, которая «подкручивает» смесь, определяя ее лучшее смешивание и направляя к свече зажигания. Но это только «физическая» верхушка direct injection. Под ней — «интеллектуальное» электронное управление, позволяющее реализовать различные варианты впрыска.

Например, основная заслуга и суть прямого впрыска — работа в ненагруженных режимах на сверхобедненной смеси с соотношением воздуха и бензина примерно 40:1. Подобная просто так от свечи не вспыхнет. Здесь существует своя хитрость — небольшое количество бензина подается в камеру сгорания в самом конце такта сжатия. Подкручиваясь с помощью отформовки поршня, бензин концентрируется у свечи, где получается сравнительно богатая смесь, а по всей остальной части камеры сгорания — бедная. Первая вспыхивает от искры, вторая уже от нее. Это так называемое послойное смесеобразование.



Если говорить об узлах, расположенных в области камеры сгорания, то прямой впрыск не выглядит сложным. Ну, форсунка внутри, ну, у дна поршня замысловатая форма. Тем не менее, новый подход к смесеобразованию заставил глобально пересмотреть и механическую часть, и систему управления двигателем

При плавном разгоне и равномерном движении двигатели с прямым впрыском работают на обычной смеси с соотношением 14,7:1. А вот переход со сверхбедной смеси на богатую, то есть резкий разгон, тоже потребовал творческого инженерного подхода. Дабы исключить детонацию или неконтролируемое воспламенение, в начале такта впуска впрыскивается небольшое количество бензина, охлаждающее камеру сгорания. Вторая подача осуществляется в конце такта сжатия. Таким образом мотор, «не стуча пальцами», перебирается на богатую горючую смесь.
Эксперименты

Казалось бы, вот он, идеальный двигатель для любых режимов движения. Экономичный в пробках и при размеренной езде, и способный «выстрелить», когда это необходимо. Но какой ценой! В начале 2000-х все прелести новых технологий первыми оценили жители Дальнего востока и Сибири. Моторы Mitsubishi с GDI (gasoline direct injection), которые сразу прозвали «джедаями», «привыкшие» к японскому бензину, буквально бунтовали от нашего «газолина». Не будем трогать системы очистки отработавших газов. Хотя тот же EGR, особенно полезный в случае с direct injection — для уменьшения выбросов оксидов азота — сам по себе является источником проблем. Катализатор, рассчитанный на очистку опять же от NOx, могла «приговорить» единственная заправка топливным суррогатом. Однако не сразу, не с одного бака грязь в бензине выводила из строя и погружной насос, подававший топливо к основному ТНВД. Он «перенапрягался», пытаясь преодолеть пробки в магистралях излишне маленького сечения. Бывало, что и датчик давления дурил, опять же заставляя погружной насос работать на полную.

Тойотовская система D4, в частности, та, которой оснащался «вечный» 3S, подкидывала другой сюрприз. Ее насос высокого давления плунжерного типа имел две особенности. При значительном износе избытки бензина не полностью стекали через канал «обратки», попадая прямиком в картер двигателя и разбавляя моторное масло. Владельцу, продолжавшему эксплуатировать автомобиль при потере мощности, фактически приходилось не только менять ТНВД, но и восстанавливать силовую группу двигателя. А вот предотвратить «капиталку» в другом случае можно было, только проверяя уровень масла. Одна из уплотнительных резинок в насосе имела небольшой срок службы, и через некоторое время… да, опять бензин в масле и два-три уровня на щупе.




Toyota быстро устранила все проблемы с насосом, которые встречались у 3S-FSE. Моторы серии AZ пугали топливным насосом гораздо меньше, и автомобили с ним, как, например, минивэн Gaia, пользовались популярностью. Правда, обычно имелась и какая-нибудь «распределенно-впрысковая» альтернатива

«Ставили опыты» на потребителях и в BMW. 1,6- и 2,0-литровые «четверки» N43 и трехлитровые «шестерки» N53, N54 и N55, появившиеся в 2007 году, в той или иной степени доставляли хлопоты. Особенно же отличался N54. Были проблемы с подающим насосом, датчиком давления, форсунками. ТНВД дорабатывался несколько раз, а в 2010 году на североамериканском рынке концерн по моделям с этим двигателем решился на отзывную кампанию.

Ниссановские «шестерки» VQ с Neo Di и фолксвагеновские моторы FSI и TFSI и без непосредственного впрыска хандрили по электронике и даже поршневой группе. Однако их direct injection характерными недугами, присущими только им, не страдали. Вероятно, негативный опыт Mitsubishi и Toyota изучался досконально и плодотворно. То же можно сказать о системе HPi у Peugeot и Citroen, о IDE у Renault, CGI у Mercedes, об SCi или двигателях EcoBoost у Ford. Каких-то эксплуатационных страшилок об их впрыске не слышно. Правда, «французы» используют direct дозированно. Nissan от Neo Di почти отказался, применяя его в единичных случаях (например, 190-сильный Juke или Patrol последнего поколения). Toyota продолжает свои разработки, но уже по направлению комбинированного — непосредственно-распределенного — впрыска, который существует на нескольких моделях для внутреннего рынка и не на всех Lexus. В Mitsubishi от GDI, похоже, отказались. Во всяком случае, на автомобилях, что в прошлых поколениях его имели, теперь стоят традиционные топливные системы. Массово прямому впрыску верен VAG, перешел на него Mercedes с BMW, частично Ford, Hyundai и GM.



Toyota и Lexus перешли с непосредственного впрыска на комбинированный. Каждый цилиндр обслуживают по две форсунки — одна в камере сгорания, вторая за клапаном, во впускном канале. В ненагруженных режимах работает первая (слева), при разгоне и на высоких скоростях — обе

При холодном пуске также работают обе форсунки. «Распределенная» подает топливо на такте впуска, «непосредственная» — на такте сжатия. Зачем все это нужно? Потенциал развития ДВС во многом исчерпан. При этом моторы должны укладываться в жесткие нормы по экологии, быть экономичными и оставаться мощными. Добиваться этого можно только благодаря таким «высокотехнологичным нюансам»

Правила эксплуатации

В общем, далеко не каждый производитель и не на всякой модели готов использовать direct injection. С «премиум-брендами» все ясно, передовые технологии, можно сказать, положены по статусу. «Народные» же марки послойное смесеобразование в своем большинстве внедряют на моделях попрестижнее и не на всех рынках. Ситуация тут как с дизелями, оснащенными common rail, которые некоторые фирмы до сих пор не рискуют предлагать на нашем рынке.

Точнее, хуже. Ведь ключевой узел всей системы — ТНВД — работает по тем же принципам, что аналогичное устройство в дизельных моторах. Тот распыл, который нужен для приготовления сверхобедненной и однородной смеси, получается благодаря очень высокому давлению. Если обычные насосы развивают порядка 3-4 атм, то эти обеспечивают уже 50-130 атм. И принципиально не важно, какая у насоса конструкция — один у него плунжер, три или семь, а может быть, давление развивается при помощи расположенных параллельно пластин. Такие атмосферы достигаются высокой, прецизионной точностью обработки деталей. Для них даже сера — абразив, не говоря уже о «твердых инородных включениях». А вода, чего греха таить, еще попадающаяся в нашем топливе, подобна серной или какой другой «ядреной» кислоте. «Приговорить» насос или, как минимум, значительно сократить его ресурс, вызвать перебои в работе из-за «грубого» распыла бензина способна единственная заправка богатым такими «присадками» топливом. Покупка автомобиля с прямым впрыском, который будет эксплуатироваться вдали от цивилизации, от АЗС, где точно не нальют коктейль из сырца и воды, это даже не лотерея — гарантированный путь в сервис. Да что там, нарваться на убойную для насоса смесь можно и в более-менее крупных городах. И такие случаи не массово, но встречаются.


Топливный насос высокого давления приводится от распредвалов, но не всегда доступ к нему прост. Кстати, вполне логично было бы добавлять в топливо смазывающие и очищающие присадки, каковые в продаже имеются. Но производители этого не допускают. Только топливо, которое признано в России качественным (речь идет, конечно, о бензине Евро-4 или Евро-5). Поэтому никакой адаптации топливной аппаратуры к нашим условиям нет

Причем рассчитывать на гарантийный ремонт купленного у дилера автомобиля в таком случае не стоит. Возьмут пробы бензина и легко докажут, что выход из строя вызван некачественным горючим. Между тем, стоимость ТНВД достаточно высока — от 10 до 50 тыс. руб. Так ведь еще и форсунки придется менять. Они тоже оперируют с высоким давлением и столь же подвержены износу. Это еще 3,5–6 тыс. руб. за штуку. Плюс время ремонта, на которое жертва нашего топлива, разумеется, не получит подменный автомобиль.

Причем в дизельном двигателе насос высокого давления хотя бы работает в «жирной» среде, в солярке. А у бензина — какие смазывающие способности?! В общем, ТНВД изнашивается даже в тепличных условиях, на идеальном топливе. Говорить о ресурсе, хотя бы приближающемся к таковому у обычного насоса, не приходится. А каков он, этот ресурс? Производители заявляют о том, что насос рассчитан на весь срок службы автомобиля. Однако, как мы знаем, этот «срок» для фирм зачастую равен гарантии. 100 тыс. км узлы топливной системы, и правда, протянут. Даже 150. И все же, выбирая подержанный автомобиль с такими пробегами, стоит сразу закладывать в эксплуатационные расходы стоимость насоса и форсунок. А, кроме того, учитывать, что системе рециркуляции отработавших газов и блоку дроссельной заслонки требуется сравнительно частая чистка. В условиях работы на сверхобедненной смеси да в городском трафике эти узлы способны зарастать за 20 тыс. км или быстрее. Для сравнения, у двухлитрового «непосредственного» двигателя Focus III, где рециркуляции нет, чистка впуска нужна через 40-50 тыс. км. В самых запущенных случаях придется чистить даже каналы в головке блока. Чтобы минимизировать это явление, раз в 500-1000 км некоторое время стоит давать двигателю поработать на высоких оборотах.



Узел EGR в чистом виде и после определенного пробега в условиях пробок. Вероятней всего, придется чистить каналы в головке блока и, разумеется, блок дроссельной заслонки. Последнюю после чистки нужно еще и адаптировать на сканере

Так нужно ли бояться непосредственного впрыска? Да, моторы с ним при загрязнении каналов теряют мощность. Владельцы привязаны к АЗС с качественным топливом. Какая-то реальная экономия бензина при заявленных 10-15% или даже 20% проявится только в идеальных условиях, то есть на холостых или низких оборотах. Наконец, в любой момент топливная аппаратура может потребовать непредвиденных финансовых вложений. Но, к примеру, современные трансмиссии безо всякого бензина куда «нежнее» и дороже в ремонте. А тут, соблюдая определенные правила, можно надеяться на беспроблемную эксплуатацию. Впрочем, на ряде популярных моделей direct injection уже не имеет альтернативы. И продолжает совершенствоваться! Яркий пример тому — двигатели Mazda линейки Skyactiv с еще недавно недостижимой для бензиновых агрегатов степенью сжатия 14:1. Инженеры этой фирмы не собираются останавливаться, надеясь повторить опыты 1925 года. В дальнейшем развитии их моторов смесь из бензина и воздуха должна загораться от свечи и сжатия. А в самых фантастических перспективах — только от последнего.




Несмотря на общие принципы послойного смесеобразования, производители по разному добиваются однородного смешивания бензина и воздуха. Кто-то делает на днище поршня овальные «закручивающие» ванночки (слева). А вот у Mazda прямо под свечой зажигания выполнена та область, в которой смесь вспыхивает первой