Почему в ваших автомобилях больше нет карбюраторов

Правила выбросов и требования к экономии топлива заставили автомобильную промышленность полностью пересмотреть подход к подаче бензина в двигатель. Этот сдвиг произошел не недавно. Он происходил постепенно, движимый инженерной необходимостью, а не выбором. Subaru Justy 1990 года занимает странное место в истории американского автопрома. Это был последний массовый автомобиль, продававшийся в США с карбюратором. В следующем модельном году? Justy получил систему впрыска топлива.

Это делает хронологию запутанной для некоторых энтузиастов. Впрыск топлива — это не новая технология. Её истоки уходят в 1950-е годы. Европейские производители широко использовали электронный впрыск топлива примерно с 1980 года. Сегодня, если вы покупаете новый автомобиль в Соединенных Штатах, он оснащен впрыском топлива. Точка.

Мы подробно разберем, именно как топливо попадает в цилиндр. Мы также расшифруем такие термины, как «многоточечный впрыск топлива» и «впрыск топлива в дроссельную заслонку», чтобы вы понимали, что на самом деле происходит под капотом.

Сложный взлет и падение карбюратора

На протяжении почти всей жизни двигателя внутреннего сгорания карбюратор выполнял основную работу. Он смешивал воздух и топливо для двигателя. Вы все еще видите их на газонокосилках и бензопилах сегодня. Они работают. Они просты. Но автомобили стали сложными. Карбюратору приходилось управлять большим количеством рабочих режимов, чем когда-либо прежде.

Чтобы справиться с этой нагрузкой, эти механические устройства стали сложными. Типичная конструкция требовала пяти отдельных контуров:

• Основной контур — Поставляет точное количество топлива, необходимое для эффективной езды на крейсерских скоростях.
• Контур холостого хода — Поддерживает плавную работу двигателя, когда вы стоите на светофоре.
• Ускорительный насос — Поставляет быстрый всплеск топлива при первом нажатии педали. Это устраняет задержку реакции.
• Контур обогащения мощности — Добавляет дополнительное топливо при подъеме в гору или буксировке тяжелого прицепа.
• Заслонка (choke) — Обогащает смесь при холодном двигателе для обеспечения надежного запуска.

Было недостаточно просто смешивать топливо. Изменилась окружающая среда. Экологические нормы ужесточились. Каталитический нейтрализатор стал обязательным. Это устройство требует очень определенного соотношения воздуха и топлива для эффективной работы. Слишком много топлива, и оно не работает. Слишком мало, и оно тоже не работает.

Инженерам пришлось в реальном времени контролировать уровень кислорода в выхлопных газах. Они использовали датчики кислорода для передачи данных в блок управления двигателем (ЭБУ). Затем ЭБУ мгновенно корректировал смесь. Это называется управлением с обратной связью (closed loop control). Карбюраторы просто не могли достичь такого уровня точности. Они механические. Они не могут «думать».

Был короткий, неприятный период, когда производители пытались электрифицировать карбюратор. Электрически управляемые карбюраторы были даже более сложными, чем их чисто механические аналоги. Они потерпели неудачу. Впрыск топлива взял верх.

От точечного впрыска к многоточечной точности

Переход не произошел в одночасье. Первым шагом стал впрыск топлива в дроссельную заслонку. Также известный как одноточечный или центральный впрыск топлива. Эта система размещала электрически управляемые клапаны форсунок непосредственно в дроссельной заслонке.

Это было почти прямой заменой. Автомобильным заводам не нужно было перепроектировать свои двигатели. Это было быстрое решение. Но оно не было идеальным.

По мере эволюции конструкций двигателей производители перешли к многоточечному впрыску топлива. Это также называется впрыском во впускной коллектор, многократным впрыском или последовательным впрыском топлива. Разница существенна. Каждый цилиндр получает свою собственную форсунку. Эти сопла распыляют топливо прямо у впускного клапана.

Результатом является лучшая точность. Дозирование становится более строгим. Двигатель реагирует быстрее. Это более эффективная система. Эпоха одной форсунки на все цилиндры прошла.

Понимание входных данных

Когда вы нажимаете педаль газа в своем автомобиле, вы не управляете топливом напрямую. Вы управляете дроссельной заслонкой. Этот клапан регулирует количество воздуха, поступающего в двигатель. Топливная система реагирует на этот воздух.

Так что педаль газа на самом деле является педалью воздуха.

Нажмите на педаль акселератора. Дроссельная заслонка раскрывается. Воздух устремляется внутрь. Блок управления двигателем (ЭБУ) мгновенно фиксирует это движение. Он не просто наблюдает. Он реагирует. ЭБУ увеличивает подачу топлива еще до того, как дополнительный воздух попадет в камеру сгорания.

Почему так важна синхронизация?

Потому что задержка — это враг. Если подача топлива отстает от поступления воздуха, образуется богатая топливом смесь с избытком воздуха. Двигатель начинает работать неровно. Вы ощущаете это как рывок. ЭБУ предотвращает это, синхронизируя впрыск топлива с потоком воздуха. Это тесный «танец» между массовым расходом воздуха и распыленным топливом.

Анатомия форсунки

Топливная форсунка — это, по сути, клапан с электронным управлением. Не усложняйте. Это «сторож», контролирующий подачу топлива под давлением от насоса. Он открывается и закрывается много раз в секунду. Ключевое значение имеет точность.

Когда ЭБУ посылает электрический сигнал, электромагнит перемещает плунжер. Клапан открывается. Топливо под давлением впрыскивается через крошечное сопло. Это сопло спроектировано для распыления. Оно превращает жидкость в мелкодисперсный туман. Почему? Потому что туман сгорает. Жидкость — нет. Для полного сгорания требуется большая площадь поверхности. Чем мельче туман, тем лучше сгорание.

ЭБУ контролирует продолжительность этого открытия. Мы называем это шириной импульса. Более длинный импульс означает больше топлива. Более короткий — меньше. Простая физика.

Эти форсунки установлены во впускном коллекторе. Они впрыскивают топливо непосредственно во впускные клапаны. Топливная рампа распределяет топливо под давлением по каждой форсунке. Это замкнутая система. Давление постоянно. Управление динамическое.

Сеть датчиков

ЭБУ не может принимать решения в вакууме. Ему нужны данные. Много данных. Двигатель работает в постоянно меняющихся условиях. Температура, нагрузка, скорость, расход воздуха. ЭБУ отслеживает все эти параметры с помощью сети датчиков.

Вот что слушает ЭБУ:

• Датчик массового расхода воздуха (ДМРВ): Сообщает ЭБУ, сколько именно воздуха поступает в двигатель. Это основной входной сигнал для расчета базовой дозы топлива.
• Кислородный датчик (лямбда-зонд): Расположен в выхлопной системе. Измеряет содержание кислорода в отработавших газах. Эта обратная связь сообщает ЭБУ, является ли смесь богатой (слишком много топлива) или бедной (слишком много воздуха). ЭБУ корректирует работу на основе этих данных в реальном времени.
• Датчик положения дроссельной заслонки: Отслеживает угол поворота дроссельной заслонки. Он сигнализирует ЭБУ о намерениях водителя. Резкое нажатие на педаль? ЭБУ видит это немедленно и корректирует подачу топлива, чтобы предотвратить задержку.
• Датчик температуры охлаждающей жидкости: Двигателю требуется другое соотношение воздух-топливо в холодном состоянии по сравнению с горячим. Этот датчик сообщает ЭБУ тепловое состояние двигателя. Холодным двигателям требуется более богатая смесь для плавной работы.
• Датчик напряжения: Электрическая система имеет значение. Если напряжение в системе падает, это часто означает высокую электрическую нагрузку (например, компрессор кондиционера или генератор работают с напряжением). ЭБУ может повысить обороты холостого хода, чтобы компенсировать нагрузку.
• Датчик абсолютного давления во впускном коллекторе (ДАД): Измеряет вакуум во впускном коллекторе. Меньшее давление означает, что всасывается больше воздуха. ЭБУ использует это для оценки нагрузки на двигатель и выходной мощности. Больше воздуха на входе — больше топлива на выходе.
• Датчик скорости двигателя: Обороты (RPM) являются критическим фактором при расчете ширины импульса. Чем быстрее вращается двигатель, тем чаще должны срабатывать форсунки, чтобы поддерживать соотношение.

Последовательный впрыск против пакетного

Системы многопортового впрыска топлива обычно делятся на две категории. Они либо срабатывают все одновременно, либо последовательно.

Пакетный впрыск проще. Все форсунки открываются в одно событие или группой событий. Это работает. Но есть задержка.

Последовательный многопортовый впрыск топлива работает иначе. Каждая форсунка открывается непосредственно перед открытием впускного клапана своего конкретного цилиндра. Время синхронизировано для каждого цилиндра индивидуально.

Что лучше? Последовательный впрыск выигрывает за счет отзывчивости.

Рассмотрим резкое изменение положения дроссельной заслонки. В пакетной системе ЭБУ может вынужденно ждать следующего полного оборота двигателя, прежде чем произойдет следующее событие впрыска. Это задержка. В последовательной системе ЭБУ ждет только до момента открытия впускного клапана для конкретного цилиндра. Это может быть на миллисекунды раньше.

Результат — более быстрая адаптация. Двигатель реагирует на действия водителя с меньшей задержкой. Соотношение воздух-топливо остается более стабильным в динамических условиях. Речь идет не только о мощности. Речь идет о плавности. Речь идет о точности.

Технологии продолжают развиваться. Но основной принцип остается неизменным. Измерьте воздух. Добавьте топливо. Сожгите его чисто. Сделайте это быстро.

Программное обеспечение внутри вашего блока управления двигателем (ЭБУ) выполняет большую работу. Это не просто простой переключатель. Алгоритмы должны соответствовать строгим требованиям к выбросам на протяжении 100 000 миль, удовлетворять целевым показателям расхода топлива Агентства по охране окружающей среды (EPA) и предотвращать разрушение двигателя. Существует множество других ограничений, которые необходимо учитывать.

ЭБУ использует формулу в сочетании с огромными таблицами данных для определения ширины импульса для топливных форсунок. Это время, в течение которого форсунка остается открытой. Уравнение умножает ряд факторов. Большинство этих факторов берутся из таблиц. Мы можем упростить это, чтобы понять принцип работы. Реальная система может использовать сто факторов. В нашем примере используется три.

Ширина импульса = (Базовая ширина импульса) x (Фактор A) x (Фактор B)

Сначала ЭБУ определяет базовую ширину импульса. Она зависит от скорости двигателя (об/мин) и нагрузки. Нагрузка определяется абсолютным давлением во впускном коллекторе. Допустим, вы находитесь на 2 000 об/мин с нагрузкой 4. Вы находите пересечение в таблице. Базовая ширина импульса составляет 8 миллисекунд.

Об/мин \ Нагрузка	1	2	3	4	5
1 000	1	2	3	4	5
2 000	2	4	6	8	10
3 000	3	6	9	12	15
4 000	4	8	12	16	20

Теперь рассмотрим Факторы A и B. Они поступают от датчиков. Фактор A — это температура охлаждающей жидкости. Фактор B — уровень кислорода. Если температура охлаждающей жидкости составляет 100 градусов, а уровень кислорода равен 3, таблицы дают нам конкретные множители.

Параметр A (Температура)	Фактор A
0	1,2
25	1,1
50	1,0
75	0,9
100	0,8
125	0,75

Параметр B (O2)	Фактор B
0	1,0
1	1,0
2	1,0
3	1,0
4	0,75

Таким образом, математика проста. 8 x 0,8 x 1,0 равно 6,4 миллисекунды. Система корректирует параметры на основе этих входных данных. Фактор B касается содержания кислорода в выхлопных газах. Если кислорода слишком много, ЭБУ сокращает подачу топлива. Это петля обратной связи, предназначенная для обеспечения эффективности.

Реальные системы имеют более 100 параметров. Некоторые таблицы со временем изменяются, чтобы учесть износ таких деталей, как каталитический нейтрализатор. ЭБУ может выполнять эти расчеты сто раз в секунду.

Что на самом деле делают чипы для повышения мощности

Это подводит нас к чипам для повышения мощности. Если вы понимаете логику работы ЭБУ, то становится ясно, зачем существуют эти чипы от сторонних производителей. Они увеличивают мощность двигателя.

В штатном ЭБУ есть чип, содержащий таблицы данных. Производители чипов для повышения мощности заменяют этот чип. Новые таблицы содержат значения, которые обеспечивают подачу большего количества топлива при определенных условиях. Возможно, они добавляют больше топлива при полном нажатии на педаль акселератора во всем диапазоне оборотов. Они также могут изменять угол опережения зажигания. Для этих настроек существуют свои таблицы.

Ключевое различие заключается в приоритетах. Автомобильные производители беспокоятся о надежности, расходе топлива и выбросах. Производители чипов не так сильно заботятся об этих вещах. Они используют агрессивные настройки в картах топливовпрыска. Они хотят мощности. Точка.

Будущее прямого впрыска

Прямой впрыск изменил правила игры. Топливо подается непосредственно в камеру сгорания, а не во впускной коллектор. Такая точная подача улучшает распыление. Вы получаете более эффективное сгорание. Больше мощности. Меньше выбросов.

Электромобили отбирают долю рынка. Спрос на двигатели внутреннего сгорания будет снижаться. Так же как и спрос на топливные форсунки. Но это не произойдет в одночасье. Двигатели внутреннего сгорания будут существовать еще много лет. Гибриды нуждаются в них. Специализированные приложения нуждаются в них.

Технологии продолжают развиваться. Мы видим системы впрыска с более высоким давлением. Алгоритмы управления становятся умнее. Интеграция с электрическими системами тяги уже начинается. Эти шаги обещают еще большую эффективность и меньшее загрязнение окружающей среды. Ландшафт меняется.

Чтобы узнать больше о системах впрыска топлива, перейдите по ссылкам на следующей странице.

Часто задаваемые вопросы о системах впрыска топлива

Можно ли переоборудовать карбюратор на впрыск топлива?
Да. Комплектующие для переоборудования от сторонних производителей могут заменить карбюратор на форсунки.

Сколько стоит система переоборудования на впрыск топлива?
Некоторые системы стоят менее 1 000 долларов. Большинство обходятся значительно дороже.

Увеличивает ли впрыск топлива мощность?
Это зависит от двигателя. Можно ожидать прирост мощности на 10–20 лошадиных сил.

Есть ли форсунки в старых автомобилях?
Большинство автомобилей США, выпущенных до 1990 года, использовали карбюраторы. Впрыск топлива существовал с 1950-х годов. Европейские автомобили широко использовали его, начиная с 1980 года.

Какие существуют типы систем впрыска топлива?
Современные системы делятся на четыре категории: центральный впрыск, многопортовый впрыск, последовательный впрыск и прямой впрыск.

Статьи HowStuffWorks по теме

• Как работают системы зажигания автомобилей

• Как работают двигатели автомобилей

• Как работают каталитические нейтрализаторы

• Как работают системы охлаждения автомобилей

• С какой скоростью нужно ехать для максимальной топливной эффективности?

• Как работает бензин

• Как работает водородная экономика

• Как работает гибридный автомобиль Aptera

Дополнительные полезные ссылки

• Система подачи топлива

• Устранение неисправностей системы электронного впрыска топлива

• Советы по обслуживанию дизельной системы впрыска топлива

• Видео GM Goodwrench