Fuel Injection: историята на системите за впръскване на гориво

05 Aug 2024

Системите за (директно) впръскване на гориво и електронното управление на процесите в двигателите днес са елемент от всеки модерен бензинов двигател, но еволюцията им е една от най-интересните глави в историята на автомобилната техника.  

„Нашият двигател, функциониращ с бедни смеси, има характеристиките едновременно на бензинов агрегат, работещ с хомогенни смеси, и на дизелов мотор. Изключителните качества на двигателите с хомогенно смесообразуване са тяхната висока специфична мощност, широк оборотен диапазон, ниско тегло и лесен старт, но те имат по-висок разход на гориво. Дизеловите машини се отличават с икономичност, но при тях емисиите и специално тези на твърди частици са по-високи. В нашия бензинов мотор работещ, с като цяло бедни смеси, с директно впръскване на горивото и висока степен на сгъстяване, се постига специфичен разход на гориво близък до този на дизелов двигател. Горивният процес е организиран така че да създаде силно вихрово движение около свещите.“

Всичко това звучи като част от прес релийз за двигателя на Mazda SPCCI носещ пазарното име Skyactiv X, който вече е утвърден задвижващ агрегат за някои от моделите на японската компания. За подобни мисли има пълно основание, защото всичко описано тук може напълно да се приложи към двигателя с хомогенно смесообразуване и самовъзпламеняване на сместа инициирано от свещ. Всъщност обаче цитатът е от една публикация на Ford в изданието на американското Общество на автомобилните инженери от 1 февруари 1978 година и се отнася до описанието на процеса PROCO, съкращение идващо от израза PROgrammed COmbustion. На следващата година, на страниците на декемврийския брой на списание Popular Mechanics може да бъде открит анализ според който, поради изискването за среден разход на гориво от 8,5 л/100 км на гамата на предлаганите в САЩ от всеки производител автомобили за 1985 година „Ford, General Motors и Chrysler започват „даунсайзинг“ на двигателите си, оборудвайки автомобилите си с четири и шестцилиндрови мотори за да отговорят на новите изисквания“.  

Може и да ви звучи невероятно, но терминът даунсайзинг се появява още тогава, а работещият с бедни смеси двигател на Ford (който все пак е V8) се определя като една от възможните алтернативи.

Еволюцията стъпка по стъпка

Аналогията с актуалните изисквания за среден разход на моделната гама на производителите предлагащи автомобили в Европа е повече от подходяща. Конвенционалният двигател с вътрешно горене днес търпи изключителен натиск от страна на политици, законотворци, еколози и на обществото въобще. Въпреки че вече е заклеймяван от мнозина, именно той ще трябва да преведе мобилността към нейното електрическо бъдеще, когато и да се състои то. Но в своята история двигателят с вътрешно горене често е бил атакуван и неведнъж гръмко се е обявявал неговият скорошен край. От друга страна именно такива периоди – като двете петролни кризи, непрекъснатите изявления за края на петрола въобще и непрекъснато нарастващите изисквания за опазване на околната среда са стимулирали технологичния процес за развитието му.

Процесът на даунсайзинг е точно такъв огромен скок в еволюцията на бензиновия двигател. Комбинацията от намален работен обем и брой цилиндри, модерните технологии за турбопълнене и директното впръскване са част от елементите в това уравнение.

Тази поредица статии е посветена на последния от тези елементи, а също и на електронното управление на процесите в двигателите и на тяхната интересна история. Модерните системи за директно впръскване са еволюция на системите за впръскване с ниско налягане във всмукателните колектори и напоследък често се комбинират с тях, поради предимствата на последните по отношение на някои параметри. Почти 70 години след появата на известния Mercedes 300 SL, с неговото директно впръскване, 46 години след създаването на гореспоменатият Ford PROCO, 27 години след пускането в серийно производство на двигатели с технологията GDI на Mitsubishi, 20 години след появата на двигателите работещи с бедни смеси на BMW и Mercedes, използващи така наречения air-guided процес, директното впръскване вече е задължителен атрибут на новите бензинови машини, независимо дали са с принудително или атмосферно пълнене. И въпреки че гореспоменатите решения в исторически план много бързо отстъпват път на други, те са важна част от неговото развитие.

Пътят преминава през авиацията

Преди да завземе окончателно своята територия (или да работи съвместно с впръскването във всмукателните колектори в комбинираните системи) директното впръскване се развива с резки скокове и затихвания, като алтернатива първоначално на карбуратора, а впоследствие на системите за впръскване във всмукателните колектори.

Всъщност още преди повече от век, през 1912 година Bosch експериментира с директно впръскване на бензин с извънбордни двигатели за лодки, но първата функционална система за директно впръскване е дело на Bosch и Mercedes-Benz и е базирана на разработките на германския авиационен институт DVL. След тригодишна развойна дейност, през 1937 авиационният двигател DB 601 с 12 цилиндъра, работен обем от 33,3 литра и мощност от 1200 к.с. започва да се интегрира в използвания от Луфтвафе Messerschmitt Bf 109, а по лиценз е произвеждан от Kawasaki и Alfa Romeo за японски и италиански самолети. Въпросът е в това че директното впръскване има невероятни предимства в самолетните двигатели в сравнение с карбураторите – като липсата на газови тапи при ниското атмосферно налягане във височина, обледеняването на карбуратора и намаленото влияние на инерционните сили при движението на самолета. Тези системи осигуряват значителни предимства на германските самолети. Едва в края на Втората световна война двигателите Merlin на Rolls Royce се сдобиват с подобна система, създадена от компанията SU Carburetter Company. Същото важи за звездообразните съветски Швецов АШ 82 и американския Wright R 3350, който се използва за B 29, а след войната за Lockheed Constellation и Douglas DC-7.

Опитът от дизелите и двутактови двигатели 

Всъщност причината германските технологии да изпреварват останалите може да се открие още назад в историята. През 1927 година Bosch придобива компанията Acro, която притежава патентните права за система с високо налягане на Франц Ланг, тогава един от нейните инженери. Малко след това компанията въвежда именно тази система в своите дизелови двигатели и по-късно точно тя ще стане основа за самолетните и автомобилните системи.       

Благодарение на огромния опит, натрупан през Втората световна война инженерите от Mercedes и Bosch могат да си позволят още през 1946 година да оборудват модела 170 V със експериментална система за директно впръскване. Адаптацията на самолетната и дизеловата техника за автомобилни нужди обаче не е лесна задача – най-малкото поради факта, че за разлика от автомобилните, авиационните двигатели обикновено работят в тесни и ниски оборотни режими. Освен това, в атмосферния дизелов двигател управлението на помпата може да се свърже директно с педала за газ и така да се регулира съотношението между гориво и въздух. При бензиновия това съотношение трябва да се поддържа в тесни граници, затова към помпата трябва да се добавят мембранна и центробежна система за регулиране на притока на гориво в зависимост от оборотите и натоварването, а помпата трябва да се смазва допълнително, заради намалените мазилни качества на бензина. Горивните процеси при бензиновите двигатели детайлно са описани в други статии в секцията Анатомията на автомобила.       

Директното впръскване се оказва предимство както за авиационните (DB 601), така и на двутактовите автомобилни двигатели.  

 

Затова първият сериозен пробив по отношение на серийното внедряване на системите за директно впръскване в автомобилната област трябва малко да почака. Той, разбира се е извършен от Bosch и в случая технологична ракета-носител се явяват двутактовите машини на Gutbrod и Goliath (част от групата Borgward). Директното впръскване е изключително ефикасно решение на проблемите на двутактовия принцип, тъй като спомага за избягване на смесването на отработилите газове и свежата горивна смес. Експерименталната работа по разработката на сериен двутактов двигател с директно впръскване е започната през 1949 година, по молба на двете компании и в резултат от това през 1951 г. се раждат моделите Gutbrod Superior 700 Luxus и Goliath GP 700 Sport. Интересното при използваните от тях технологии е че разположението и формата на инжекторите са проектирани така, че да използват по максимален начин естественото завихряне характерно за двутактовите двигатели, а смазването става с отделна помпа. Системата се оказва успешна, а малкият общ брой произведени автомобили (17 000) се дължи по-скоро на факта че тя се въвежда в края на моделния им живот. 

И директно към спорта

Опитът от тях обаче се оказва изключително полезен и се превръща в поредната стъпка в развитието на системите за директно впръскване. Междувременно инженерите на Bosch и Mercedes работят за създаването на нов спортен автомобил, а резултатът е моделът 300 SL (W198) с шестцилиндров редови двигател, който разполага именно с такава технология. Причината за използването на система за директно впръскване в случая е повече от ясна и няма нищо общо с работата с обеднени смеси, каквато междувпрочем днес използват болидите на същата марка във Формула 1 и серийните модели на Mercedes от първото десетилетие на този век. С прилагането на директно впръскване инженерите имат намерение да увеличат степента на сгъстяване (респ. ефективността на двигателя) без опасност от детонации, разчитайки на вътрешното охлаждане на цилиндрите, да подобрят смесването между бензин и въздух и по този начин да създадат предпоставки за бързо и ефективно горене.

Долната част на алуминиевата глава на двигателя е плоска, а същинската горивна камера е оформена в самия цилиндър. В непосредствена близост до поставения в тази част инжектор е позиционирана и горивната свещ, а впръскването на гориво се осъществява с налягане от 75 бара. Системата позволява прецизно дозиране на подаваното към всеки цилиндър гориво, а оттам и възможност за равномерно натоварване до гранични режими. След множество изследвания е взето решение инжекторът да бъде разположен под наклон от страната на всмукателните тръбопроводи, а струята му е насочена към долната част на горещия изпускателен клапан. Използваната шестбутална помпа е специално конструирана за модела, но архитектурата и произхожда от дизеловите. За да впръсква в подходящия момент всяка от повдигащите плунжерите гърбици е конфигурирана така че моментът на нарастване на налягането да съответства на хода на съответното бутало. Именно ефективността на мотора в екстремни условия дава добра отправна точка за създаване на спортната версия за Формула 1 W196 и SLR с осемцилиндрова конфигурация, при която главата има пирамидална форма, а клапаните се задвижват от специфична „дезмодромна” система без пружини.

Адаптацията на дизелова помпа за директно впръскване изисква допълнителни устройства.  

 

Създатели на състезателния мотор са техническият директор на Mercedes през 1952 година Франц Налингер и колегите му Ханс Шеренберг и Лудвиг Краус. Машината е монтирана почти хоризонтално в автомобила – на 30 градуса. Отвор в предния капак осигурява инерционно пълнене (т.нар. Ram air ефект), а клапаните задвижвани от дезмодромна система са толкова големи че не остава място за инжектора и той е позициониран в долната част на цилиндъра. Системното налягане достига 100 бара защото процесът на впръскване трае само по време на сгъстяването и то в рамките на една 120 градуса ход на коляновия вал.

В силно наклонения двигател на серийния 300 SL (W198) дюзата е поставена в главата и впръсква гориво срещу изпускателния клапан.

 

Подобна на гореописаните системи впоследствие ще интегрират BMW с своите състезателни мотоциклети с боксерен двигател и Borgward, който обаче не успява да извлече ползи от това защото през 1961 година фалира.

Цената на подобна система в модел като 300 SL не от особено значение – нито пък силният шум който помпата издава. За по-цивилизованите модели на Mercedes обаче е нужна друга система. Генералната идея зад новото поколение системи за впръскване е че не е нужно да се пренася система от дизелов двигател, при който високото налягане на впръскване е важно. Както показват системите с карбуратори бензиновият двигател може да поема и готова смес. Именно към тази идея ще се придържат първите системи с впръскване във всмукателните колектори с ниско налягане. Но територията с подобни технически решения е напълно неизвестна. Проектирана от Ото Еберле от Bosch и Хайнрих Кнап от Mercedes първата такава система е доразработена от екипите от инженери на Bosch и въведена в скъпия модел 300 d (малката буква d в този случай не значи дизел, а четвъртата версия на модела; дизеловите модели са с главно D). Тази система постепенно ще се развива, а на полето ще се появят и други играчи като Rochester, Kugelfisher и Bendix, ще се премине се през механичната K-Jetronic, електронните D-Jetronic, L-Jetronic LH-Jetronic на Bosch. През 1979 година в BMW 732i се появява първата интегрална цифрова система за цялостно управление на впръскването и запалването Bosch Motronic. Но това е една друга история…

Първата система за впръскване във всмукателните колектори разработена от Ото Еберле от Bosch и Хайнрих Кнап от Mercedes все още е доста сложна като конструкция. Едва двигателят на Mercedes 220 (W187) (долната снимка) M180 ще е един от първите получил система за впръскване във смукателните колектори в по-достъпен формат и това ще му осигури дълга история във фирмата.

 

 

Схема на механичната система на Bosch K-Jetronic

Ford: Eco без Boost    

След този период за технологиите за директно впръскване настъпва абсолютно затишие. Така, до 70-те когато отвъд Океана се получава сигнал за нещо обнадеждаващо.

По това време американската автомобилна индустрия преживява сериозни структурни промени, атакувана от една страна от инвазията на японците и европейците, а от друга от въвеждането на редица ограничения по отношение на разхода на гориво и вредните емисии. Брок Адамс, транспортен министър на Щатите по онова време, недвусмислено заявява на местните автомобилостроители, че нямат друг избор, освен да „изобретят наново автомобила”. Шокиращите нормативи за ограничаване на емисиите и разхода имат ефекта на студен отрезвяващ душ на „Голямата тройка”, която до този момент се радва на пазарните си успехи необезпокоявано и самодоволно. Естествено не липсват остри реакции срещу тези нормативи – Ford отправят яростна критика към програмата с твърдението, че от тях се иска едва ли не „да променят законите на термодинамиката”. Надгробният камък на консервативното и архаично мислене обаче е поставен окончателно и безвъзвратно от поредната петролна криза. Дефицитът на безоловни бензини се превръща в мощен генератор на промени и американската автомобилна индустрия е принудена да действа бързо и категорично, ако иска да оцелее – новите изисквания за намаляване на разхода на гориво и емисиите на практика означават тотална промяна на мисленето в Детройт. По този повод президентът на General Motors Елиот Естес ще каже следното: „през последните пет години постигнахме огромен прогрес, но през следващите пет той ще ни изглежда като детска игра”.

Две неувяхващи класики от две епохи – 300 SEL 6.3 с впръскване във всмукателните колектори и 300 SL с директно впръскване.

 

В резултат от тези промени в края на седемдесетте години е дадено началото на интензивен процес на технологично развитие, който удивително прилича на възхода в сферата на автомобилната техника през периода от 2000 до 2020 година. Именно по това време е въведено и ограничението Corporate Average Fuel Economy (CAFЕ) – своебразен американски предтеча на днешното ограничаване на средния разход на моделната гама на европейските автомобилни производители, изразяващо се в определяне на средното ниво на отделяния въглероден двуокис.

На страниците на списание Time от март 1979 година могат да се прочетат следните редове – „Най-важното е, че дните на класическия бензинов двигател с вътрешно горене са преброени. Най-вероятните му наследници ще са предпочитаният от GM дизелов двигател и работещият с обеднени смеси бензинов мотор, разработен от Ford.” Забележете – годината е 1979! През същата тази година производството на дизелови автомобили на GM отбелязва огромен ръст и достига цели 4% от общия тираж на концерна, което за времето си и на фона на незначителното по-високия дял в Европа, е доста сериозно число. За съжаление всички знаят какво е бъдещето на дизеловите машини в Щатите...

Инженерите на Ford избират друга стратегия – според тях далеч по-рационално би било да се усъвършенстват технологиите за създаване на ефективно работещ с бедни смеси бензинов двигател. Идеята им е осъществена за първи път в експериментални машини, подложени на изпитания от  американската армия още в края на 50-те и 60-те години, но в края на 70-те Ford търсят значително по-различен подход към решаването на проблеми с управлението на процесите на горене. Специалистите вече разполагат с примитивни от днешна гледна точка, но изключително напредничави за времето електронни средства за контрол и управление, а сериозният анализ на съществуващите до момента системи за впръскване ги насочва към технология, наподобяваща до голяма степен реализираната през 50-те години от Mercedes система за директно впръскване.

Директното впръскване на Ford PROCO е революционна технология изпреварила времето си, която после ще бъде реализирана от други производители.    

Днес с пълно основание може да се твърди, че именно с горивния процес PROCO (PROgrammed COmbustion), създаден от инженерите на Ford и химиците на нефтената компания Texaco, е направена пионерската стъпка в съвместното използване на директно впръскване и електронно управление. Тук трябва да се отбележи, че компютърните системи също преживяват бурна революция в развитието си през същия този период – докато в началото на 70-те години управляващата електроника заема целия багажник на първите експериментални образци на Ford, то през 1978 година петлитровият двигател на Lincoln Versailles вече се управлява от един единствен микропроцесор Toshiba. Така се ражда електронната система EEC, която първоначално се използва за контрол на класически карбуратор, а в началото на 80-те години поема управлението на запалването и впръскването на гориво благодарение на бързодействието, осигурено от новият процесор Intel 8061. Разработката на PROCO тече в тясно сътрудничество с Bosch, които по това време вече разполагат със сериозен опит в тази област.

Двете петролни кризи и екологичните ограничения карат американските производители да осмислят същността на автомобила. В Япония вече са го направили...

В крайна сметка обаче се оказва, че и PROCO е изпреварил времето си. Ford пускат експериментална серия от модела Taurus, но резултатите се оказват незадоволителни поради добре познатите причини – в края на седемдесетте и началото на осемдесетте години на ХХ век все още липсва критичната маса от знания и опит в областта на управлението на горивните процеси, а нивото на развитие на електрониката не е достигнало нужната висота. Проектът PROCO е изоставен, но натрупаният в процеса на разработка на тази система опит си остава изключително ценен. Благодарение на няколкогодишните задълбочени изследвания конструкторите обогатяват познанията си във важни области като турбулентните процеси, дозирането на продължителността и избора на подходящ момент за впръскване и запалване, както и химията на процесите в двигателите.

(следва)

• Tweet
• Pin it
• Share