В статье рассмотрены краткая история механической и электронной системы впрыска топлива двигателя внутреннего сгорания.
Механическая система впрыска топлива
Системы впрыска топлива изобретены практически одновременно с созданием автомобильного двигателя. Еще в 1881 году, когда большинство автомобилестроителей совершенствовали карбюратор, француз по имени Этив получил патент на систему измерения массы сжатого воздуха. В1883 году немецкий инженер Шпиль получил патент на метод впрыска топлива в камеру сгорания цилиндра двигателя. Примерно в то же время в Англии Эдвардом Буглером был создан двигатель, оборудованный системой впрыска топлива под давлением через впускной клапан с полым стержнем.
Первый двигатель с системой впрыска топлива, запущенный в серийное производство, был разработан Компанией Стерлинга (штат Иллинойс, США) в 1887 году (см. рис. 1.1).
В основном, этот двигатель работал в стационарном режиме. Топливо попадало в форсунку через клапан из топливного бака самотеком.
Рис. 1.1. Двигатель с системой впрыска топлива под низким давлением (1887 год)
В Европе Дейтцем был разработан аналогичный стационарный одноцилиндровый двигатель с системой впрыска топлива под низким давлением, работавший на керосине. В период с 1898 по 1901 год было продано более трехсот таких двигателей.
Орвилл Райт также заинтересовался этими системами и в 1903 году построил самолет с двигателем, имеющим такую систему (см. рис. 1.2).
Рис. 1.2. Четырехцилиндровый двигатель мощностью 28 л. с. братьев Райт. Для подачи топлива использован шестеренный насос (1903 год)
Оборудованные такими двигателями самолеты меньше страдали от обледенения карбюратора и пожаров в карбюраторах, что резко повысило их надежность. Именно по этим причинам системы впрыска топлива наиболее быстро стали развиваться в авиастроении. В1906 году Леоном Левавассором был создан насос высокого давления и введен принцип калиброванной форсунки. В1912 году фирмой Bosch был создан двухтактный двигатель, в котором масляный насос был приспособлен для впрыска топлива.
Первая Мировая война привела к быстрому развитию и совершенствованию карбюраторов. Их надежность в двигателях самолетов повысилась настолько, что идея впрыска топлива была забыта на много лет. В течение 30-х годов Немецкий авиационный испытательный центр, фирмы Bosch, BMW и Mercedes-Benz вели разработку авиационных двигателей с системой впрыска топлива под высоким давлением. Когда в 1937 году фирма Mercedes-Benz представила авиационный двигатель DB-601 V-12 мощностью 1200 л. с., системы впрыска получили всеобщее признание. Однако большинство технических решений сводились к созданию дизельного двигателя с прямым впрыском топлива в камеру сгорания. В течение последних лет Второй Мировой войны английская фирма в Бирмингеме, специализирующаяся на карбюраторах, разрабатывала системы с впрыском топлива для авиационных двигателей фирмы Rolls-Royce Мерлин. Позднее, во время войны в Корее в 1950-53 годах, эта система была использована в американском танке Паттон.
В период между 1930-50 годами системы впрыска топлива в основном применялись лишь на гоночных автомобилях Эда Винфильда, получившего патент на систему многоканального впрыска топлива (см. рис. 1.3).
Рис. 1.3. Многоканальная система впрыска топлива (патент Эда Винфильда, 1934 год). Шестеренный насос подает топливо к регулятору, который изменяет количество подаваемого к цилиндрам топлива в зависимости от положения дроссельной заслонки и разрежения во впускном коллекторе
В 50-х годах подобная система была установлена на роскошном автомобиле Инди Оффенхаузера. На этом автомобиле была установлена система впрыска топлива, разработанная Стюартом Хилборном. Топливо непрерывно подавалось под постоянным давлением к впускному клапану каждого цилиндра через форсунки в каналах. Система впрыска топлива Хилборна использовалась до конца 60-х годов и, вскоре, все европейские изготовители гоночных авто начали применять эту систему. Фирма Lucas развила эту систему для Jaguar 1956 (см. рис. 1.4), которому удалось выиграть 24-часовую гонку в Ле-Мансе.
Рис. 1.4. В системе впрыске топлива Lucas использован топливный насос с приводом от двигателя. Измеритель-распределитель топлива вращается вдвое медленнее коленчатого вала и подает отмеренные порции топлива к каждому цилиндру
Серийное производство двигателей с этой системой привело к экономическому кризису фирмы, но только из-за высокой стоимости двигателя. Единственные серийно изготовленные двигатели с системой впрыска топлива 3500 Gti, окупившие себя, были созданы фирмой Maserati в 1961 году. Дальнейшее развитие системы Lucas получило в двигателях гоночных автомобилей Формулы 1, где она устанавливалась в период с 1960 по 1970 годы. Серийно производимые двигатели с этой системой устанавливались на некоторые модели спортивных автомобилей Триумф, однако эти двигатели заслужили репутацию очень ненадежных.
Одновременно фирма Mercedes-Benz, использовав свой обширный опыт создания авиационных двигателей с впрыском топлива, разработала двигатель 300 SL для спортивного автомобиля, который начал серийно выпускаться с 1954 года (см. рис. 1 5)
Рис. 1.5. Схема двигателя с системой впрыска топлива, установленного на автомобиле Mercedes-Benz 220 SЕ (1958 год)
Дальнейшее усовершенствование эта система получила в двигателе W-196, устанавливавшемся на спортивных автомобилях Формулы 1. Однако эти системы прямого впрыска топлива имели слишком много общего с дизельными двигателями и являлись слишком шумными для изысканных автомобилей фирмы Mercedes-Benz. Начиная с 1957 года, фирмой устанавливалась усовершенствованная система с дробным впрыском топлива. В последующее десятилетие были выполнены различные доработки этой системы, направленные на повышение надежности и мощности двигателя.
Компания Chevrolet экспериментировала с системой впрыска Рочестер, в свою очередь, базирующейся на системе Хилборна. В течение 1957 года двигатели с этой системой впрыска топлива устанавливались на модели Corvette в качестве дополнительного оборудования. Понтиак также применял несколько переработанную версию этой системы на модели Бонневилль. Однако, столкнувшись с проблемами высокой стоимости и ненадежности этих систем, обе фирмы к 1959 году отказались от их использования.
В конце 60-х годов фирма Бендикс развивала систему впрыска топлива, конкурируя с системой Хилборна. К 1971 году из 33 гоночных авто Инди 500 32 были оборудованы системой Бендикс. В течение 70-х годов эта система была бесспорным лидером на гоночных автомобилях.
В период с 1950 по 1986 год было разработано и забыто множество систем впрыска топлива, изготовленных небольшими фирмами. В настоящее время системы впрыска топлива изготовляются, наоборот, крупными фирмами, а все меньшие изгнаны с рынка сбыта.
Из небольших фирм наиболее удачливой оказалась фирма Кугельфишер. Авто с системой впрыска топлива этой фирмы широко применялись в Европе в 60-х годах (см. рис. 1.6). В 1974 году эта фирма влилась в компанию Bosch.
Рис. 1.6. Система впрыска топлива Kugelfischer (автомобиль Peugeot 404)
1 Впускной коллектор
2 Форсунка
3 Топливная магистраль высокого давления
4 Коллектор
5 Корпус дроссельной заслонки
6 Насос
В1973 году фирмой Bosch была разработана система механического впрыска топлива K-Jetronic (см. рис. 1.7) Системы серии «K» признаны наиболее удачными из механических систем как по своей эффективности, так и по содержанию CO в выхлопных газах.
Рис. 1.7. Система впрыска топлива Bosch K-Jetronic с системой отсечки топлива при чрезмерных оборотах двигателя и системой экономии топлива
В1984 году была разработана электронная система впрыска топлива серии «KE» Jetronic с усовершенствованной системой пуска двигателя и системой контроля выхлопных газов. Эта частично механическая и частично электронная система исправно служит и в настоящее время. Однако, остальные механические системы впрыска топлива не выдержали конкуренции с электронными системами и постепенно вышли из употребления.
Электронная система впрыска топлива
За многие годы развития автомобилестроения много узлов и систем автомобиля было испытано и отвергнуто из-за отсутствия доступной технологии изготовления. Электронные системы управления двигателем являются одним из примеров, хотя первые попытки применения этих систем были предприняты в 1930-50 годах, по-настоящему жизнеспособная электронная система была запущена в производство только в 1966 году.
Первое зарегистрированное применение электронного клапана подачи топлива произошло в 1932 году, когда инженер по имени Кеннеди усовершенствовал 6-цилиндровый судовой двигатель с искровым зажиганием. В системе отсутствовали транзисторы (они были изобретены только спустя 16 лет) и другие компоненты современной электронной системы. В 1934 году Кеннеди установил 6-цилиндровый двигатель, оборудованный этой системой, на грузовик и успешно проехал на нем от Лос-Анжелеса до Нью-Йорка и обратно. После того, как компания, в которой работал Кеннеди обанкротилась, эта система была забыта.
4 февраля 1957 года Корпорация Bendix зарегистрировала патент на электронную систему впрыска топлива. В патенте было оговорено 39 пунктов, что дало фирме Bendix права на все формы электронных систем впрыска топлива. Срок действия патента заканчивался 18 апреля 1961 года. В1952 году фирмой была разработана система электрического впрыска топлива (см. рис. 1.8). Хотя на создание этой системы были затрачены многие годы и миллионы долларов, она никогда не поступила в серийное производство. Недостатками этой системы явились высокая стоимость компонентов и высокая степень содержания CO в выхлопных газах при примитивных технологиях 50-х годов. Однако некоторые результаты этих разработок оказались плодотворными и позже нашли применение.
Рис. 1.8. Система впрыска топлива с регулировкой времени впрыска при постоянном давлении (Bendix)
Первые системы электронного впрыска топлива во время буксировки авто при проведении испытаний открывали форсунки и заполняли цилиндры чистым бензином. К счастью, эта проблема была преодолена.
Основная система включала в себя электронный блок управления, который получал данные от датчиков разрежения во впускном коллекторе, температуры окружающего воздуха, давления воздуха и частоты вращения двигателя. После вычислений в зависимости от скорости и загрузки двигателя форсунки открывались электромагнитами и рассчитанное количество топлива впрыскивалось в коллектор. Давление топлива поддерживалось постоянным при помощи топливного насоса. Сигнал для открытия форсунок подавался от прерывателя зажигания.
В 1966 году Bendix предоставил фирме Bosch лицензию на производство электронных систем впрыска топлива в Германии и Бразилии.
В конце 60-х годов появилось множество систем, в которых объединены механическая и электронная системы впрыска топлива. В это же время начала вставать проблема контроля за загрязнением окружающей среды. Усовершенствование карбюраторов начало приводить к их удорожанию. Попытки объединения карбюратора с электронными системами не дали ощутимых результатов. Карбюраторные двигатели стали более «грязными» и обладают меньшей приемистостью по сравнению с двигателями, оборудованными электронными системами управления. Все это привело к широкому внедрению электронных систем в автомобилестроение.
В 1966 году Британской компанией была разработана система электронного впрыска топлива AE-Brico, которая устанавливалась в 1969 года на автомобиле Aston Martin DB6 в качестве альтернативной системы карбюратору Weber. Однако срок службы этих систем оказался слишком коротким, и они более не устанавливались.
В1967 году Bendix возобновил работу над созданием электронной системы впрыска топлива. Эта система устанавливалась с 1976 года на авто Cadillac Seville. Фирма Bosch в 1968 году разработала систему D-Jetronic - первую из серии электронных систем впрыска топлива этой фирмы. Эта система устанавливалась на многие модели автомобилей Citroen, Lancia, Mercedes-Benz, Opel, Renault, SAAB и Volvo. Основы современных электронных систем заложены в системе серии «D» и многое в этих системах позаимствовано из системы D-Jetronic, хотя она изготовлена еще в 1967 году.
В1973 году система D-Jetronic была заменена системой L-Jetronic (см. рис. 1.9). Эта система повлияла на конструкции, созданные позднее и явилась эталоном для создания подобных систем. Большинство схем электронного управления и вспомогательных цепей расположено на одной интегральной плате. В процессе совершенствования системы добавлены датчики содержания кислорода в выхлопных газах, а также добавлен контур обратной связи.
Рис. 1.9. Схема системы зажигания и впрыска топлива Bosch L-Jetronic
В 1978 году Bendix совместно с Renault разработали систему управления Renix. Эта система была установлена на автомобиле Рено 25. Впоследствии компания Renault продала свою долю и Bendix самостоятельно продолжил совершенствование этой системы. Еще в 1966 году Renault разработала блок автоматической трансмиссии с электронным управлением. Эта трансмиссия была установлена на автомобиле Renault 16 в 1969 году.
В 1978 году фирмой Bosch была создана первая система управления двигателем Motronic. Эта система была установлена на автомобиле BMW 732L. Двигатель этого авто был оборудован системой L-Jetronic, а блок электронного управления содержал дополнительную цепь управления зажиганием. Позже система Motronic была дополнена системой управления оборотами холостого хода и системой самодиагностики. Первая система самодиагностики была установлена в 1981 году на автомобиле Cadillac, оборудованном электронной системой Bendix.
В 90-х годах системы электронного управления двигателем развивались особенно быстро. В это время появилось множество различных модификаций этих систем. В некоторых системах блок электронного управления связан с автоматической коробкой передач, системой регулировки сипы тяги и другими системами. Среди модификаций различаются системы центрального и распределенного впрыска (одновременного и последовательного), системы зажигания с распределителем и без распределителя. Система самодиагностики совершенствуется за счет увеличения параметров, регистрируемых системой. В настоящее время таких параметров может быть более сотни.
Все вышеизложенное является лишь кратким описанием истории развития систем впрыска топлива и управления двигателем.
