Системы прямого впрыска топлива
Усложнять двигатель и, как следствие, резко поднимать цену, встраивая впрыск во впускной коллектор (как на автомобилях), долгое время мало кто решался. Единственно известный пример такого рода — это система «Orbital» австралийской фирмы «Orbital Engine Corporation», которая использовалась на моторах «Ротакс». Эти двигатели более десятка лет устанавливались на гидроциклах и мотонартах компании «Бомбардье».
В этой связи следует упомянуть очень интересный двухтактный бензиновый лодочный мотор «Скотт-Р120», сконструированный американской фирмой «Мак-Куллог» еще в 1961 г. В этом моторе, насколько нам известно, впервые был применен принцип прямого впрыска топлива через форсунки. Однако поскольку в те годы впрыск топлива использовался только на дизелях, то и «Скотт» был отнесен к этому классу двигателей. Не нарушая традиций, мы также включили его описание в раздел о дизельных моторах.
Для подвесных моторов поворотным моментом стал 1995 г., когда «ОМС» приобрела немецкую систему прямой инжекции с электронным управлением «Ficht» и начала оснащать ею свои мощные двухтактные моторы. Через некоторое время «Меrcury» и «Yamaha» вышли на рынок со своими решениями. Учитывая актуальность разработок в данном направлении, представляется целесообразным остановиться на некоторых особенностях этих систем впрыска.
Основная задача всех подобных систем — создание рабочей смеси с оптимальными параметрами, которая на выхлопе обеспечивала бы полное отсутствие несгоревших продуктов. Для этого топливо должно быть распылено так, чтобы в момент сгорания каждая молекула топлива была окружена необходимым для ее окисления числом молекул кислорода. Пока эта цель достигается механически путем распыления топлива форсункой.
Например, система распыления, предложенная фирмой «Ямаха», конструктивно близка к дизельным топливным системам. Здесь внешний насос создает высокое давление порядка 50 атм. И подает топливо в одноканальные соленоидные форсунки, что, как утверждают разработчики, обеспечивает нужную степень молекулизации топлива на протяжении всего времени впрыска. Реальность данного процесса подтверждается условиями сгорания в автомобильных карбюраторных двигателях - здесь давление сгорания достигает 20-40 атм.
Технология прямого впрыска (HPDI), разработанная фирмой «Ямаха», была впервые представлена на выставке IMTEC 1998 года в Чикаго. Тогда фирма показала двухтактный мотор «V6» с объемом 2,6 л, оборудованный системой прямого впрыска (он был обозначен как «HPD 1200»). Камера сгорания мотора была оптимизирована для достижения максимальной эффективности сгорания и экономии топлива, в особенности при 2500-5500 об/мин. Инжекторы не нарушают течения процессов сгорания, так как не выступают внутрь камеры сгорания.
Электроника системы имеет датчик плотности несвязанного кислорода в выхлопе. По полученным данным микропроцессор мгновенно вычисляет оптимальное соотношение кислорода и топлива на входе и автоматически меняет качество подаваемой топливной смеси. Это позволяет максимизировать мощность и экономичность двигателя, одновременно снижая вредные выбросы.
В основе системы, предложенной «Меrcury», лежит модернизированный вариант прямого впрыска (DFI) «Orbital», названный «Оптимаксом» и отличающимся двухступенчатым повышением давления топлива. Вначале давление поднимается компрессором, а затем в соленоидной форсунке штифтового типа. На начальном этапе первый соленоид сначала смешивает внутри самой форсунки топливо с воздухом, который нагнетается под избыточным давлением, а уже затем эта смесь инжектируется. Отличие «Орбитали» от «Оптимакса» состоит в том, что в первом случае рабочая смесь подается избыточным давлением воздуха, а во втором — второй соленоид не только выдвигает штифт, открывая кольцевой зазор, но и создает дополнительное давление порядка 6,3 атм., под которым смесь впрыскивается в камеру сгорания. Схема работы устройства DFI для моторов «OptiMax» показана на рис. 32.
Рис. 32. Схема системы прямого впрыска топлива (DFI) моторов «OptiMax». 1 — регулятор; 2 — перепускное отверстие топлива; 3 — прямой инжектор; 4 — свеча зажигания; 3 — поршень; 6 — головка цилиндров; 7 — топливный инжектор.
На моторе «ОptiMax 200» новая технология прямого впрыска, по утверждению специалистов фирмы, обеспечивает экономию топлива в среднем на 40% (от 10% на полном ходу до 80% на холостых оборотах), по сравнению с трехлитровым мотором, оснащенным системой электронного впрыска EFI.
В отличие от обычных двухтактных моторов «OptiMax» не требует добавки масла непосредственно в топливо. Лишь минимальное количество масла попадает в камеру сгорания. Общая экономия масла (до 50%) достигается за счет очень точного контроля его содержания в топливе. Так, на полном газу соотношение составляет 1:60, а на холостых оборотах — всего 1:400. Естественно, что такая «экономная» на масло система требует очень точной схемы смазки, и она обеспечивается электрическим маслонасосом.
Лодочные моторы «OptiMax» оборудованы самой совершенной электроникой, которая обеспечивает интегрированный контроль практически за всеми параметрами работы двигателя и движения лодки. Функции семи приборов (как это было на опытных образцах) теперь в серийном моторе выполняют только два, которые кроме непрерывной информации о частоте вращения коленвала, уровне ходового дифферента, расходе топлива, температуре двигателя, времени непрерывной работы мотора и т.д., сообщают сведения еще от 40 датчиков и исполнительных механизмов, необходимые для ранней диагностики возможных неисправностей.
Работа системы молекулизации топлива «Ficht-RAM», которая используется в «Эвинрудах», отличается тем, что топливо под давлением 2,1 атм. поступает в форсунку, а затем впрыскивается в камеру сгорания при помощи мощного соленоида. Основной изюминкой здесь является наличие очень сильного магнита и точной подгонки и расчета размеров деталей.
Основная проблема, которая возникала при использовании прежней системы « Ficht», состояла в том, что при длительной работе на низких оборотах и с высокой нагрузкой происходило быстрое нагарообразование на свечах. Это было вызвано прежде всего тем, что до частоты вращения 1500-2000 об/мин использовалась «послойная» схема зажигания, т.е. чередующиеся слои богатой и бедной смеси поджигались сначала свечой, а уже потом — самим пламенем горящего слоя богатой смеси. При более высоких оборотах обеспечивалось равномерное зажигание по всему объему камеры сгорания. Переход же от одного режима к другому был довольно резким.
В процессе доработки старый электронный модуль E.C.U. был заменен новым (Е.М.М.), который работает по программе так называемого ступенчато-шагового отображения. Эта программа управляет переходом в пошаговом режиме (по одному цилиндру за раз), что значительно «смягчило» параметры процесса.
Новый модуль учитывает также подачу газа при изменении противодавления выхлопа в воде на разных режимах движения лодки. Кроме того, новая куполообразная форма камеры сгорания обеспечивает лучшие условия продувки цилиндра. Специальный дефлектор способствует равномерному распределению топлива в камере и снижает нагар на свечах. Для этой системы были разработаны специальные свечи «Champion» с удлиненными центральным и боковым электродами, причем боковой электрод имеет двойное покрытие из платины.
К другим особенностям «Ficht-RAM» можно отнести новые инжекторы и более эффективную систему прямой смазки цилиндров. По общей оценке эффективность системы такова, что на полном газу экономия топлива может доходить до 15% при средней 35%. Выброс несгоревших углеводородов снижается на 88%, а расход масла — на 50%.
«Ficht-RAM» устанавливается на трех модификациях моторов «Evinrude»: «90/115»(«V-4»), предназначенных для небольших и легких рыболовных катеров, а также для буксировки воднолыжников; «150/175», а также «200/225» с шестицилиндровыми V-образными блоками, которые используются на крупных спортивных и рыболовных судах.
Как бы то ни было, налицо явный прогресс в совершенствовании двухтактных двигателей, который значительно расширяет перспективы их применения. Ведь даже самая сложная модель двухтактника при одинаковой мощности будет проще, легче и дешевле четырехтактного двигателя.
