Непосредственный впрыск бензина
Семинар Bosch

 
 
 
   
 

Непосредственный (прямой) впрыск имеет достаточно давнюю историю, и компания Bosch стоит у истоков этой технологии. Об истории развития, нюансах конструкции и обслуживания таких топливных систем на организованном компанией Inter Cars семинаре рассказал представитель Bosch Игорь Путра.

   
 

Первый бензиновый двигатель с непосредственным впрыском появился в 1937-м году. Это был 12-цилиндровый V-образный авиационный мотор Daimler-Benz DB 601, для которого Bosch разработал систему подачи топлива. Оснащенный новой системой питания двигатель приобрел большую мощность и стабильность работы во всех режимах.  

В автомобилях непосредственный впрыск начал применяться в середине ХХ века, но не прижился: конструкция была слишком сложной и пока не обладала надежностью и ресурсом, пригодными для повседневного использования. В начале 1950-х году немецкая компания Goliath, принадлежащая концерну Borgward, выпускала купе "700 Sport".

Одна из версий машины оснащалась двухцилиндровым двухтактным двигателем с непосредственным впрыском. На этом моторе также применялась топливная аппаратура Bosch. Автопроизводитель делал упор на экономичность модели, что являлось правдой, но автомобиль не снискал особой популярности.

   
  auto rezerves daļas, Bosch, Benzīna tiešā iesmidzināšana, непосредственный впрыск, автозапчасти, авто запчасти, Inter Cars, intercars.lv
 

Goliath 700 Sport c дюралюминиевым кузовом стал одним из первых автомобилей, примерившим непосредственный впрыск топлива. Визуально машина похожа на Porsche 356, но расположение двигателя − поперечное, привод − передний, да и параметры совсем не гоночные. Нельзя сказать, что машина не удалась. Просто модель была рассчитана, в первую очередь, на небогатых покупателей, и те оказались не готовы к эксплуатации пусть и экономичного, но сложного в обслуживании мотора. Версии с привычной карбюраторной системой питания пользовались большим спросом.

   
  Следующим автомобилем с непосредственным впрыском Bosch стал легендарный Mercedes-Benz 300 LS Gullwing (W198) образца 1954-го года. В общем-то, этот автомобиль можно считать исключением, подтверждающим правило. Gullwing являлся дорожной версией гоночного болида W194, это был спортивный автомобиль премиум-класса, для которого сложная конструкция и дороговизна в обслуживании были не важны.
   
  auto rezerves daļas, Bosch, Benzīna tiešā iesmidzināšana, непосредственный впрыск, автозапчасти, авто запчасти, Inter Cars, intercars.lv
 

Непосредственный впрыск позволил поднять мощность рядного 6-цилиндрового двигателя Mercedes-Benz 300 SL Gullwing (W198) до 240 л.с., и это при том, что самые мощные карбюраторные версии даже на гоночных болидах W194 развивали только 175 л.с.

   
  Достаточно долгое время прямой впрыск был не особо актуален, и к его массовому применению вернулись лишь в 1990-х годах. Пионером внедрения прямого впрыска на серийных моторах можно считать Mitsubishi c ее двигателями GDI − Gasoline Direct Ignition (1996), также непосредственный впрыск появился на моторах Toyota (1998), а после, изучив ошибки первопроходцев, в эту тему включились и другие автопроизводители.
   
 

Технология

Вообще: зачем нужен непосредственный впрыск? С авиационными или гоночными  моторами Mercedes-Benz первой половины ХХ века все ясно: благодаря более качественному по сравнению с карбюратором распылу и получению однородной горючей смеси впрыск давал прирост мощности.

Если же сравнить современные двигатели с распределенным и непосредственным впрыском, то особой разницы в мощности не обнаружится. Но сегодня цель не в этом, а в том, чтобы уложится в жесткие экологические требования. Нужно добиться максимального КПД двигателя при снижении расхода топлива и вредных выбросов, и непосредственный впрыск позволяет этого добиться.   

Основное преимущество − работа в ненагруженных режимах на сверхобедненной смеси с соотношением воздуха и бензина примерно 40:1 вместо традиционных 14,7:1. Чтобы этого добиться, нужны форсунки, подающие топливо в камеру сгорания и сверхточный послойный впрыск − несколько раз за рабочий ход. Давление впрыска для этого должно быть высоким. Также требуется особая днища форма поршня, которая несколько по иному завихряет смесь, обеспечивая ее лучшее смешивание и направляя к свече зажигания. При этом, конечно же, необходимо интеллектуальное электронное управление, позволяющее реализовать различные варианты впрыска.  

Саму по себе сверхобедненную смесь свечой не поджечь, поэтому применяется небольшая хитрость. Упрощенно говоря, небольшое количество бензина подается в камеру сгорания в самом конце такта сжатия. Завихряясь с помощью отформовки днища поршня, бензин концентрируется у свечи, где получается сравнительно богатая смесь, а во всей остальной части камеры сгорания − бедная. Богатая смесь вспыхивает от искры, бедная − от богатой.

Несмотря на общие принципы послойного смесеобразования, производители по разному добиваются однородного смешивания бензина и воздуха. Не все делают завихряющие выемки на днище поршня, у Mazda, например, прямо под свечой зажигания выполнена та область, в которой смесь вспыхивает первой. 

Новый подход к смесеобразованию заставил глобально пересмотреть как механическую часть, так и систему управления двигателем. При плавном разгоне и равномерном движении двигатели с прямым впрыском работают на обычной стехиометрической смеси − 14,7:1. При переходе же со сверхбедной смеси на богатую, то есть − при резком разгоне − возникает риск детонации. Чтобы этого избежать, в начале такта впуска впрыскивается небольшое количество бензина, охлаждающее камеру сгорания. Вторая подача осуществляется в конце такта сжатия, и мотор переходит на богатую смесь без звона поршневых пальцев.

   
  auto rezerves daļas, Bosch, Benzīna tiešā iesmidzināšana, непосредственный впрыск, автозапчасти, авто запчасти, Inter Cars, intercars.lv
 

Трехплунжерный топливный насос высокого давления Bosch HDP1 (на фото) развивал 2,5...5 бар на стороне низкого давления и 50...120 бар на стороне высокого давления. Современные насосы Bosch HDP6 развивают до 350 бар, и при этом являются компактными и легкими (около 750 граммов). Благодаря использованию нержавеющей стали, нынешние компоненты системы непосредственного впрыска обладают более высокой надежностью и могут работать с различными типами топлива, например, с этанолом, что позволяет применять их во всем мире. Суммарно на сегодняшний день произведено более 10 млн. насосов высокого давления и более 50 млн. форсунок.

   
 

Практика

Все мы понимаем, что главная цель современных технологических ухищрений − добиться более низкого паспортного расхода топлива, и, соответственно, меньших выбросов. За несоблюдение экологических норм автопроизводители платят огромные штрафы. Их размеры настолько велики, что дешевле разрабатывать и внедрять высокотехнологичные конструкции: даунсайзинговые турбомоторы со сложными ГРМ, многоступенчатые АКПП, и т.д. Непосредственный впрыск − тоже одно из подобных решений.  

В теории преимущества технологии звучат хорошо, на практике, но на практике все оказалось не так просто. Бензиновая аппаратура непосредственного впрыска работает в не менее, если не более жестких условиях, чем аналогичная дизельная. Казалось бы − почему? Ведь в дизельной применяется более высокое давление. Ответ прост: дизтопливо выступает в роли смазки. А какая смазка из бензина? Естественно, на ресурсе аппаратуры это сказывается не лучшим образом.

Вторая характерная проблема − впускной коллектор больше не омывается бензином, а воздух с частицами масла через него идет. Усугубляет ситуацию наличие EGR и городской режим езды большинства автомобилей. В результате впускной коллектор забивается, и его надо регулярно чистить − раз в 20...50 тыс. км, в зависимости от двигателя. Не всегда это удается, и тогда коллектор остается только заменить. Также чистка может понадобиться каналам в головке блока цилиндров. Чтобы минимизировать эту проблему, рекомендуется хотя бы раз в 500 км давать мотору "продышаться" в загородном режиме езды.

В некоторых двигателях этот вопрос стоит менее остро. В частности, на двигателях Toyota применяется комбинированный впрыск: распределенный плюс непосредственный. Каждый цилиндр обслуживают по две форсунки: одна в камере сгорания, вторая за клапаном, во впускном канале. Вторые форсунки отчасти решают проблему промывки впускного коллектора, хотя это − не основная их задача.

В ненагруженных режимах работает форсунка в цилиндре, при разгоне и на высоких скоростях − обе. При холодном пуске также работают обе форсунки: "распределенная" подает топливо на такте впуска, "непосредственная" − на такте сжатия. Все эти технологические уловки нужны потому, что потенциал развития ДВС практически исчерпан, и простыми методами оптимизации уже не добиться.

Двигатели с непосредственным впрыском гораздо чувствительнее к качеству топлива. Это становится понятно, если посмотреть на параметры: например, ход иглы пьезофорсунки Bosch HDEV 4 составляет всего 35 микрон. Требования будут только расти.  Насосы высокого давления Bosch HDP 1 развивают 50...120 бар, HDP 5 / HDP 5 evo − 200...250 бар, HDP 6 − до 350 бар. Форсунки также развивают все большее давление. Почему его постоянно повышают? Потому, что оптимизации смесеобразования применяется несколько впрысков за рабочий ход, а это значит, что время впрыска становится все короче.

   
  auto rezerves daļas, Bosch, Benzīna tiešā iesmidzināšana, непосредственный впрыск, автозапчасти, авто запчасти, Inter Cars, intercars.lv
 

Форсунка Bosch HDEV1 (c 1999 г.), одноканальная, управляющий элемент − соленоид, давление − 100...200 бар. Нынешние форсунки Bosch HDEV6 развивают уже до 350 бар.

   
 

Обслуживание

Аппаратура прямого впрыска требовательна также к уровню сервиса: необходимо применение специального оборудования и соответствующие навыки. Взять те же пьзофорсунки: как определить их состояние? Иногда практикуется метод измерения электрической емкости пьезокристала, но это не очень корректно. В идеале, лучше мерить сопротивление: 170...200 кОм − нормальная величина, меньше − уже плохо. Причем, мерить лучше не тестером-мультиметром, а на стенде.

При замене пьезофорсунок их необходимо прописать в систему для корректной работы. Пьезокристалы чуть отличаются, и в коде заложены параметры отличия от эталонного оригинала. Когда блок управления двигателем получает эти параметры, он корректирует работу каждой форсунки на основании этих данных. Впрочем, это актуально не только для пьезофорсунок.

Для механических операций Bosch также предлагает различные приспособления, например специальный съемник (№0 986 616 100) поможет демонтировать форсунки в условиях стесненного пространства. Даже для такой, казалось бы, мелочи, как тефлоновые уплотнительные кольца на форсунках, также не помешает использовать специальный монтажный комплект (№ 0 986 616 097).

Вот еще одна, на первый взгляд, мелочь: для свечей с резьбой 12х1,25 мм на двигателях VW и BMW момент затяжки составляет 23 Нм. Почему это важно? Потому, что все рассчитано, и при затяжке именно таким моментом достигается правильное расположение бокового электрода свечи внутри цилиндра, а значит − и оптимальный поджиг смеси. Возможно отклонение ±15 градусов, но это допустимо. Подобных примеров в рамках семинара было приведено множество.
   
  auto rezerves daļas, Bosch, Benzīna tiešā iesmidzināšana, непосредственный впрыск, автозапчасти, авто запчасти, Inter Cars, intercars.lv
 

На разобранном моторе мы можем наглядно убедиться, что при правильном моменте затяжки электрод вкрученной свечи занимает в цилиндре правильное положение относительно форсунки.

   
 

Из зала задали вопрос: предлагает ли Bosch ремонтную концепцию для топливной аппаратуры непосредственного бензинового впрыска? Последовал отрицательный ответ. Для дизельной аппаратуры предлагается заводская программа восстановления элементов топливной системы, а для бензиновой − нет. Дизельная топливная аппаратура дороже, и в ремонте смысл есть. Для бензиновой, теоретически, тоже можно предложить что-то подобное, но смысл теряется, поскольку стоимость восстановленных узлов будет такая же, как у новых.

В заключение семинара состоялась практическая часть, на которой участники смогли продемонстрировать свои навыки по замене насоса высокого давления. "Подопытной" машиной стал VW Passat B8 (с 2015-го года) с двигателем 1,4 TFSI. Казалось бы, модель − новая, еще мало изученная, но гости семинара − представители автосервисов − уверенно справились с задачей. Данный факт говорит о том, что уровень подготовки механиков наших автосервисов растет в соответствии с современными требованиями, и это хорошо.
   
  auto rezerves daļas, Bosch, Benzīna tiešā iesmidzināšana, непосредственный впрыск, автозапчасти, авто запчасти, Inter Cars, intercars.lv
 

Практическое занятие: замена топливной аппаратуры на VW Passat B8 1,4 TFSI. Сначала при помощи сканера Bosch KTS 340 сбрасывается давление. Выкручиваются свечи, затыкаются их отверстия. Перед демонтажем форсунок не помешает пометить, в какую сторону смотрели их штекеры. Снимаются старые шайбы и кольца, а для корректной установки новых тефлоновых колец рекомендуется применять калибровочный специнструмент.

 
 
 
 
 
sagatavots / подготовлено brauc.com; car-use.lv ®