От вакуумни лампи до дигитално директно впръскване (Fuel Injection II)

От вакуумни лампи до дигитално директно впръскване (Fuel Injection II)
22 Aug 2024

 

През 60-те и и 70-те години механичните и електронните системи за впръскване на гориво във смукателните инжектори постепенно утвърждават своите позиции. В края на 90-те се раждат първите системи за директно впръскване от ново поколение, които поставят основите на днешните технологични решения в модерните бензинови мотори.   

Както разбрахме в предишната част на поредицата, в основата на внедряването на директното впръскване от германските конструктори стоят три основни фактора – използването на помпите от дизеловите двигатели с високо налягане, необходимостта от впръскване в цилиндъра при двутактовите двигатели и ефекта на намаляване на температурата на горивния процес. Последният касае най-вече самолетните двигатели и спортните машини (на Mercedes). Опитът на Ford да използва директното впръскване за организиране на сложен процес за работа с бедни смеси не успява по ред причини – както заради трудния контрол с тогавашните средства за електронно управление, така и заради високото съдържание на сяра в горивата. Високото ниво на генерираните азотни окиси вече не се вписва в новите изисквания на американската агенция за защита на околната среда EPA. Най-важният фактор обаче е в сферата на политиката и икономиката – с отминаването на втората петролна криза от 1979 година, откриването на нефтени залежи в Северно море и Аляска и намаляването на влиянието на ОПЕК, цените на горивата в Америка отново стават ниски. Хората отвъд океана вече слабо се интересуват от това колко харчат автомобилите им.  

Ерата на електрониката   

Това не означава че двигателят с вътрешно горене спира развитието си. Щафетата по отношение на технологичните разработки на системите за впръскване оттук нататък в основната си част поемат европейските автомобилни компании, но ако вникнем по-дълбоко в историята ще видим че американците поставят няколко основи за тях.

Както казахме по-рано, пълненето с карбуратор означава че 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 и Хайнрих Кнап от Mercedes първата такава система е доразработена от 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). Електронните полупроводникови прибори бавно започват да заемат мястото си под слънцето, а първите механични системи за индиректно впръскване са заменени с първите комбинирани електронни устройства за управление на запалването и впръскване на гориво. Последното обаче ще се осъществява именно на базата на по-лесния за управление и по-евтин за реализация метод на впръскване във всмукателните колектори, а усилията на инженерите се насочват и към разработка на каталитични методи и устройства за ограничаване на вредните емисии.

Всъщност експерименти със системи за впръскване на гориво Bosch прави още през 1912 година, а двигателят на първия успешен самолет на братя Райт е оборудван с примитивна форма на постоянно впръскване на гориво. През 30-те години Ед Уинфилд разработва система с ниско налягане и постоянно впръскване с намерения да я използва за автомобили от сериите Indy, но към нея така и не е проявен интерес. Стю Хилбърн е първият, който успява да регулира количеството гориво спрямо въздуха като връща част от него в резервоара. Подобни рудиментарни системи имат своето място в историята, но проблемът им е че контролират сместа само на базата на оборотите и положението на дроселовата клана, без отчитане на реалното количество и други параметри на въздуха. По този начин те постигат оптимални смеси в тесни работни диапазони и могат да работят основно с метанол, който толерира подобни колебания.         

На практика първата електронната система за впръскване наречена Electrojector e дело на авангардната американска компания Bendix и става реалност още през 1956 година. Интересен е фактът, че първите версии на Bendix Electrojector, инсталирани експериментално на V8 двигателя на Buick от 1953 година използва за електронното си управление вакуумни лампи. Разбира се в подобен вид системата остава само като експериментален образец, но идеята е да се демонстрира възможността за използване на такива системи в автомобил.

Отгоре надолу: Bendix Eletrojector от края на 50-те за модели на Chrysler и аналогова електронна система на Bendix за Cadillac. 

Когато системата се появява през 1956 година тя вече е „транзисторизирана“. Не се налага да се чака лампите за загреят, а размерът на управлението значително намалява. Bendix Electrojector се предлага от American Motors като допълнително оборудване за Rambler Rebel, но много малко автомобили са продадени с нея. По-късно Chrysler я предлага за 300 D, а DeSoto за Adventurer. Тези ранни версии на Electrojector се сблъскват и с първите проблеми свързани с електрониката като блокиране на управлението от външни електрически полета и дефекти на инжекторите, но като цяло системата покрива изискванията на Bendix за намаляване на разхода и увеличаване на мощността с по пет процента и създава надеждна основа за развитие. Именно в процеса на усъвършенстването и Bendix си дава сметка че не може да развие системата сам и се нуждае от партньор. По това време Bosch има сериозен развоен опит в областта и е производител на надеждни и прецизни системи за впръсквани, електронно и електрическо оборудване. На базата на това партньорство се ражда системата D-Jetronic (от немската дума Druck, или налягане на въздуха, използван като параметър за управлението), който е използван за първи път за агрегатите с въздушно охлаждане на VW 1500/1600, а след това и от Porsche 914 и различни модели на Saab, Mercedes и Volvo. За разлика от Electrojector, прилаган само в скъпи автомобили, D-Jetronic е прецизна и много по-достъпна система, която ще продължи да се произвежда и става първопроходец в следващите електронни системи на компанията.  

        

Първата електронна система на Bosch D-Jetronic.

И изведнъж…отново механични системи

През 60-те години в Peugeot 404 и 504 се появяват първите механични системи на Kugelfischer, компания която става нарицателна в областта на спортните модели с използването и за 2002 tii на BMW и 911 на Porsche. През 74-та година Kugelfisher е придобит от Bosch, който през 1973 година представя своята механична система K-Jetronic (от немската дума Kontinuierlich или постоянен, заради постоянното впръскване на гориво). Както Kugelfisher, така и K-Jetronic и създадената от дъщерното на GM дружество Rochester Ram Jet система (използвана в Corvette) могат да се приемат за странични еволюционни клонове тъй като са механични системи за впръскване, развиващи се паралелно с навлизащите електронни. Сред авангарда на последните е Renix, обединение на Renault и Bendix, което произвежда електронни системи през 80-те години за Renault и различни модели на AMC, Chrysler и Jeep.

Peugeot 504 е един от първите автомобили който се сдобива с механична система за впръскване Kugelfisher, заедно с BMW 2002 и Porsche 911.

Най-същественият принос за развитието на системите за впръскване на гориво във всмукателните колектори обаче все пак ще продължи да има Bosch, благодарение на своя огромен развоен и финансов капитал. Първата електронна система на германската компания D-Jetronic през 1974 година е последвана от L-Jetronic (от немската дума Luft или въздух), внедрена за първи път в Porsche 914 (някои от схемните и решения се използват по-късно от Lucas), и LH-Jetronic. През 1979 година в BMW 732i се появява първата интегрална дигитална система за цялостно управление на впръскването и запалването Bosch Motronic. Към всичко изброено може да се добави и един интересен факт за смесването на технологиите по това време. В началото на 80-те години Джаки Икс предпочита за своето Porsche 956 (модел за пистови състезания за издръжливост) система за механично впръскване на горивото, смятайки че тя е по-надеждна – въпреки по-високия разход на гориво.   

Почти едновременно Bosch представя механичната система за впръскване K-Jetronic (горната схема) и електронната L-Jetronic (долната), която е наследник на D-Jetronic и ще продължи да се развива с различни допълнителни устройства и обозначения. Историята е малко объркваща, но по това време и двата вида системи имат своите предимства и място под слънцето. 

 

Но все пак ходът на събитията е необратим – през 80-те и 90-те години с появата с влизането в играта на производители като Weber-Marelli и собствени разработки на компаниите като Ford EEC и Honda PGM-FI, както и навлизане в дигиталната сфера системите за впръскване вече са утвърден елемент от битието на бензиновия двигател, а бъдещето на бензиновите двигатели с индиректно впръскване на гориво изглежда непоклатимо.

Революцията GDI

 Докато... през 1996 година Mitsubishi не представя на пазара първия сериен автомобил, задвижван от  бензинов двигател с директно впръскване и възможност за работа с обеднени смеси. Моделът Legnum (японската версия на Galant) използва новото поколение 1,8-литров двигател GDI, който през 1997 година прави своя европейски дебют в Carisma. Японците постепенно разширяват гамата си с шестцилиндрова и турбо-версия, PSA купуват лиценз за тази технология, а съвместно с Hyundai е разработен и осемцилиндров GDI-агрегат. Комбинацията от директно впръскване и работа с бедни смеси изглежда изключително обещаваща.   

„В сравнение със конвенционалните бензинови двигатели с впръскване на гориво във всмукателните колектори, този агрегат разполага с 10% по-висока мощност и въртящ момент, и най-важното – позволява постигане на 35 до 40% по-нисък разход на гориво в определени режими. Освен това успяхме да ограничим и контролираме емисиите на азотни окиси в режимите на изгаряне на бедни смеси.”

От думите на д-р Хиромитсу Андо, ръководещ изследователския и развоен отдел за двигатели на Mitsubishi Motors Corp. казани при представянето през 1996 година на новата технология GDI, струи изключителен оптимизъм и удовлетворение от постигнатото. И има защо – инженерите на компанията са работили над този проект цели 15 години и би трябвало да се радват на успеха. Готов за серийно производство е бензинов двигател, който може да работи с бедни смеси и да елиминира редица свои недостатъци спрямо дизеловите мотори, а думите на д-р Андо звучат като начало на нова ера в двигателостроенето.

През 1996 година технологията на Mitsubishi GDI изглежда изключително обещаващо.

 

Технологията звучи толкова обещаващо че мнозина производители започват собствени разработки следващи подобни решения и копират и интерпретират използваният от Mitsubishi подход, приемайки за даденост предимствата на GDI (Gasoline Direct Injection). За съжаление, практиката скоро ще се окаже доста по-сурова от теорията и въпреки че Mitsubishi предлага на пазара цяла серия от двигатели GDI, ефектът от внедряването на директното впръскване се оказа почти нулев. Нещо повече – в редица случаи капризите на новото поколение са толкова сериозни, че резултатите от прилагането на сложната технология се оказват диаметрално противоположни на очакваните (виж информацията по-долу). Оптимистичните проценти в изложението на д-р Андо остават само в сферата на добрите пожелания и макар идеята да е многообещаваща на теория, на този етап от развитието на масовото автомобилостроене тя така и не сработва. В крайна сметка Mitsubishi продават доста значително количество GDI агрегати преди да решат да прекратят производството на цялата гама от двигатели използващи тази технология.

Carisma е първият модел на Mitsubishi за Европа, оборудван с GDI. През 2002 година при някои моделите 1.8 GDI е заменен от дизеловия 1.9 DI-D.

 

Макар и далеч от поставената цел, опитът на Mitsubishi за едросерийно внедряване на технологията GDI е важен етап в историята на двигателостроенето, който помага за събиране на незаменима информация и създаване на предпоставки за раждането на второто поколение далеч по-ефективни мотори с директно впръскване.

Топката се връща при германците

По времето по което Mitsubishi представя своя GDI двигател един производител от Германия  търси помощ от света на системите за директно впръскване. Този път обаче това са конструкторите на Audi и по подобие на колегите си от Германия става дума за моторни спортове. 

По това време компанията от Инголщадт вече има сериозни позиции в тази област и значителни успехи в рали шампионата и състезанията за издръжливост като Льо Ман. Характерът на болидите в тези състезания е малко по-близък до този на реалните автомобили от свърхтехнологичните возила от Формула 1. За едно денонощие един прототип от Льо Ман изминава разстояние от над 5000 км които автомобилите от царицата на моторните спортове покриват за почти цял сезон, използвайки (по това време) една дузина двигатели. Надеждността им се гарантира и от ограничената чрез рестриктори на всмукателните клапани и налягането на турбокомпресорите мощност.

През 1999 година конструкторите от Audi смятат че са достигнали предела в потенциала на „конвенционалните” двигатели по отношение на повишаването на мощността и намаляването на разхода на гориво в рамките на правилата. Затова са убедени че за да създадат двигатели с по-благоприятни характеристики трябва да изнамерят някаква нова, коренно различна в своята същност технология. Тъй като не разполагат с достатъчно време и средства за създаване на изцяло нова разработка на двигател, те решават да тръгнат по друг път. До този момент максималните параметри на двигателя използван в болидите на компанията в Льо Ман са в рамките на 700 Нютонметра и 610 к.с., като 70% от дължината на пистата се изминава с пълна газ. 

Плеядата победи на Audi на Льо Ман се дължи в немалка степен и на технологията за директно впръскване на горивото. Част от победителите са дизели, но – извън контекста на статията – те също са с директно впръскване.

 

Конструкторите смятат че последното е добра предпоставка за използване на директно впръскване, което при максималното натоварване охлажда вътрешно обема на цилиндъра подобрява смесообразуването и позволява използването на по-високи степен на сгъстяване и съответно постигане на по-висока ефективност. Това би имало още по-съществен ефект при турбопълнене. На този първоначален етап възможността за работа на машината с бедни смеси е отхвърлена поради малките периоди на частично и слабо натоварване. Конструкторите на двигателя обаче не забравят нито за миг че идеята за създаването на тази стратегическа технология далеч няма да се ограничава само в скъпите прототипи. На нейна база трябва да бъде създаден процес, който да бъде копиран и разширен като възможности и реализиран с възможно най-малко модификации в серийните автомобили.

Всички технологични решения, реализирани от този момент нататък са продиктувани от необходимостта за следване на базовата архитектура на вече наличните конструкции на състезателните двигатели – горивната камера трябва да остане същата, главата да не променя своята четириклапанна конфигурация в комбинация с почти плоско чело на буталото, а положението на инжектора, налягането на впръскване, охлаждането му, ъгъла и формата на впръскващата струя трябва да са съобразени с тези базови параметри.

Конструкторите успяват да напъхат инжектора между наклонените под 45 градуса всмукателни колектори на 3,6 литровия V8 агрегат и да го позиционират паралелно на тях, за да организират прецизно процеса на смесване на въздушната и горивната струи и да не позволяват допира на сместа до стените на цилиндъра. Тъй като инжекторите не могат да впръскват гориво по време на целият цикъл на работа на двигателя както е при предишните системи, дебитът им е над три пъти по-голям от конвенционалните, а към управляващата електроника Bosch MS 2.9 са добавени допълнителни периферни управляващи устройства и са увеличени софтуерните и възможности. 

Налягането на впръскване е 110 бара, а след множество експерименти с бутала с различни форми е създадена изцяло нова генерация, позволяваща комбинирането на висока степен на сгъстяване с широки фазите на газоразпределение без опасност от допир с клапаните. Трудностите са много, а голяма част от проектантското бреме е поето от инженерите на Cosworth Technology и Bosch, които трябва да изградят процеса от нулата, с помощта на множество компютърни симулации. При този вид впръскване оформянето на траекторията на всмукания в цилиндрите въздух е от много съществено значение, тъй като при повишаване на оборотите и натоварването значително се променят условията на формиране на горивните капки, изпаряването и смесването им с въздуха. Дори при липсата на режим на работа с бедни смеси геометрията на горивната струя и формата, посоката и скоростта на въздушната струя и сместа се оказват изключително невралгична зона на взаимодействие.

За да сравнят резултатите от новата система и тази с която е оборудван победителят от 2000 година R8 конструкторите монтират две паралелни системи за захранване – с впръскване във всмукателните колектори и с директно и установяват че във втория случай могат да си позволят да увеличат степента на сгъстяване до 12:1 (феноменална стойност за бензинов двигател оборудван с турбокомперсор с високо налягане на пълнене) и въпреки това да намалят температурата на отработилите газове с цели 50 градуса. Тестовете оправдават надеждите и потвърждават очакваните предимства – при ускоряване не се налага обогатяване на сместа поради опасност от детонации,  двигателят реагира по-спонтанно при смяна на предавките, подаването на гориво става много по прецизно, а разходът намалява. Обнадеждени от сигурната работа на двигателя те решават да добавят към електроника и режими за работа с бедни смеси каквито все пак са предвидени още при разполагането на инжекторите. Окончателните резултати показват увеличаване с 9% на динамичните показатели между 3000 и 8000 об/мин, със същевременно намаляване на разхода с 8-10%. Последват безапелационни победи...

Работата в рамките на спортната програма обаче не е самоцел и това става ясно когато през 1999 година е представен VW Lupo 1.4 FSI, а малко по-късно и Audi A2 1.4 FSI. Задвижва ги един и същ двигател с атмосферно пълнене, а директното му впръскване се комбинира с работа с бедни смеси по така наречения “wall/air guided” процес, подобен на GDI на Mitsubishi, но с други контури на движение на въздуха и горивото. Типичните проблеми за този тип двигатели са разрешени с въвеждането на адаптивна система за рециркулация на отработилите газове и каталитичен акумулиращ конвертор, който е достатъчен за нивата Euro 3 валидни по това време.    

FSI на VW за цивилни автомобили е въведено за първи път в Lupo 1.4 TFSI.

 

След въвеждането в производство през 2001 година на 1,4 литровият FSI, последват атмосферен 1,6- и двулитров FSI агрегати, след това 2,0 Turbo FSI (EA 113) заменя петклапановия 1,8 Turbo, с директно впръскване са 3,2 литровият V6 и негова разновидност с 2,8 литров обем. През 2005 година Golf GT е оборудван с новия агрегат 1.4 Twincharger (с механичен и турбо компресор), който през 2007 година се появява и във версия само с турбо.  Постепенно атмосферните машини отпадат от гамата на VW (с изключение на малкия 1.0) с някои изключения за Щатите и Китай и всички поколения бензинови двигатели от този момент нататък ще са оборудвани с познатата архитектура с директно впръскване – като поколението агрегати създадени от Audi 1,8 TFSI и 2.0 TFSI (EA 888), първият с директно и индиректно впръскване и вече липсващ в гамата, 1,4 TSI и 1.5 TSI (EA211 и EA 211 Evo). Същото важи и за атмосферните V6 (3.2 FSI) и V8 (4,2 FSI) V8, заменени с агрегат с компресорно пълнене, а впоследствие с 3.0 TFSI (ЕA 839) и 4.0 TFSI (EA825). Няколко години след представянето на първите машини, с гореспоменатият Turbo FSI обаче EA 113 режимът на бедни смеси е ампутиран, а формата на буталата вече няма толкова сложна конфигурация. В момента нито един от двигателите на концерна не използва работа с бедни смеси. Междувременно, обаче, по това време инженерите на Mercedes и BMW обаче работят върху изцяло ново поколение мотори с директно впръскване и бедни смеси.  

Представеният през 2008 г. агрегатът 3.0 TFSI е базиран на 3.2 V6 FSI и всъщност е с механичен компресор (EA837). Заменен от турбо мотора 3.0 TFSI EA 839.

 

Пионерът: как работи Mitsubishi GDI

В режим на високо натоварване инжекторът впръсква горивото по време на всмукателния такт в широка струя с формата на конус, като по този начин охлажда обема на камерата, създава хомогенна смес и осигурява увеличение на въртящия момент от 10%. Основната цел на директното впръскване с обеднена смес е възможността в режими на частично натоварване да се работи с широко отворена дроселова клапа и да се намалят типичните и значителни за бензиновите мотори помпени загуби. Затова в тези режими, процесът на смесообразуване и горене в GDI се обуславя от сложна комбинация от фактори. Горивото се впръсква в компактна струя в последния етап на такта сгъстяване, подвежда се от слоя въздух, чиято траектория след преминаване през вертикалния колектор наподобява примка и се отправя към свещта под формата на обогатената смес, следвайки специалния контур на челото на буталото. Този относително прост като основна идея процес се нарича “wall guided direct injection” и е изключително сложен за практическа реализация и управление. В тази област Mitsubishi патентоват поне 200 нови технологични процеса, най-важните сред които са вертикалните всмукателни колектори, помпата за впръскване под високо налягане, специално конструираният инжектор, който може да променя формата на струята и прецизно оформеното вдлъбнато чело на буталото. Впоследствие Peugeot и Citroen доразвиват именно тази система, докато Renault залагат на различна схема със странично разположена дюза, насочваща сместа директно към свещта и голяма доза върнати отработили газове под формата на „възглавница“.

Най-сериозните недостатъци на системата GDI са няколко – върху буталото се образува слой от гориво, водещ до генерирането на сажди, високото ниво на сяра В горивото не позволява голяма степен на обедняване, а дюзите са много претенциозни по отношение на качеството на бензина. Освен това системата се справя незадоволително в преходните режими. При преминаване от режим на работа от свръхбедни към хомогенни смеси например започва интензивно образуване на сажди, които попадат в моторното масло, влошават качествата му и в екстремни случаи могат да доведат до запушване на маслените магистрали. Саждите нарушават и работата на системата за вентилация на картера, а през системата за рециркулация на отработилите газове (която в този тип двигател е неизбежно условие за изпълнение на екологичните норми) попадат и се отлагат по стените на всмукателния колектор, клапаните и свещите – проблем с който се сблъскват и модерните поколения машини с директно впръскване. Вследствие на всички тези практически проблеми GDI постепенно се превърна в антипод на първоначалната рационална идея, демонстрирайки висок разход на гориво, високи емисии на твърди частици и посредствена динамика. 

Следваща стъпка: Audi/Volkswagen FSI

Бензиновите двигателите на Audi днес носят името TFSI, а тези на VW, Skoda и Seat производното TSI. Всъщност името идва от Turbo Fuel Stratified Injection или турбо пълнене и впръскване със разслояване на заряда – другояче казано работа с бедни смеси. Във всмукателния контур на първите FSI двигатели (1.4 FSI, 1.6 FSI, 2.0 FSI) на Audi/VW са формирани два надлъжни канала и има монтирана специална клапа (прикриваща единия), която при работа с хомогенни смеси е напълно отворена и не влияе на въздушния поток. При работа с бедни смеси тя напълно затваря долната част от всмукателния канал като по този начин дава възможност за ускоряване на въздуха над него. Така насочен той се отправя към далечната част на цилиндъра и се обръща долу под формата на буквата U през специално оформена вдлъбнатина на буталото. По време на процеса на сгъстяване, при движение на буталото нагоре инжекторът впръсква горивото в много тясна струя малко преди края на такта, насочено към втора вдлъбнатина на буталото. Горивото обаче почти не докосва буталото и се подвежда към зоната на свещта от въздушния поток. Около свещта се оформя смес с подходящи за запалване качества. В допълнение се формира слой въздух между сместа и цилиндровите стени след началото на процеса на горене, като по този начин се осигурява изолация, способстваща намаляването на разсеяната през цилиндровия блок топлина и подобряване на ефективността.

При работа с хомогенни смеси впръскването се извършва в по-широка струя по време на процеса на всмукване и така се формира нормална горивна смес. Горивния процес става по класическия начин, в целия обем на камерата, без изолиращ въздух и с малко количество EGR. Има и трети режим на леко обедняване, който е нещо средно между двата и се позиционира в преходни работни зони. Системата отговорна за впръскването е Bosch MED 7.1.1.   

 

(следва)

 

 

Сбогом V10!
Свързани новини