Обычный автомобильный двигатель внутреннего сгорания работает, как известно, на бензине. Точнее, на парах бензина, смешанных с воздухом во вполне определенном соотношении. Эту смесь надо предварительно приготовить, т. е. распылить бензин в воздухе, и подать в цилиндры двигателя.
Приготовить топливо-воздушную смесь можно традиционным способом — во внешнем устройстве — карбюраторе, в котором для распыления и испарения бензина используется создаваемое двигателем разрежение. Можно и по-другому — принудительной, под давлением подачей бензина в воздушный поток — это будет т. н. впрыск топлива.
Подавать приготовленную смесь в цилиндры тоже можно по-разному. Можно предоставить двигателю, как обычно, самому всасывать смесь. А можно поставить компрессор и загонять ее туда под давлением — получится двигатель с наддувом воздуха.
Все сказанное объединяет весьма широкий круг вопросов, связанных с системами питания двигателя, которым мы решили посвятить несколько статей — в одном номере столь объемистый материал не поместится. Сделать это мы планируем следующим образом.
Сначала карбюратор — самое старое и известное устройство для приготовления топливо-воздушной смеси. На современных автомобилях карбюратор встречается уже редко. Но прослужил он человечеству верой и правдой целый век, поэтому совсем обойти его вниманием было бы неправильно. После этого мы рассмотрим системы впрыска топлива, пришедшие на смену карбюратору. И напоследок хотим разобраться с системами наддува воздуха.
А пока, 100-летний юбилей карбюратора...
Вашему вниманию предлагаются заметки ведущего научного сотрудника Центрального научно-исследовательского автомобильного и автомоторного института (НАМИ), кандидата технических наук А. В. Дмитриевского, принимавшего участие в создании многих моделей отечественных двигателей.
Карбюратор (от французского carburateur) автомобильного двигателя немолод. Описание конструкции Луиджи де Кристофориса (Luigi de Christophoris), например, относится к 1814 году. В 1838 году Уильяму Бартнеру (William Bartner) был выдан патент на карбюратор для двигателя внутреннего сгорания. Один из первых автомобилей с карбюраторным двигателем был построен макленбургским механиком Зигфридом Маркусом (Siegfried Markus) еще в 1864 году. Четырехтактный двигатель внутреннего сгорания, работающий на жидком топливе, появился в 1876 году в Кельне. Создатель — Николаус Отто (Nikolaus Otto). Двигатель имел всего один цилиндр.
Для восстановления исторической справедливости стоит отметить, что спустя 3 года в России Огнеславом Костовичем был создан невиданный по тем временам 8-цилиндровый четырехтактный двигатель на жидком топливе, скомпонованный по схеме "боксер", которой впоследствии прославилась фирма Porsche. Но это был секретный двигатель для дирижабля. А родиной автомобиля принято считать Германию, где в 1885--1886 годах Готтлиб Даймлер (Gottlieb Daimler) и Карл Бенц (Carl Benz) построили свои первые конструкции на колесах — по сути, самобеглые коляски, но оснащенные четырехтактными карбюраторными двигателями.
Карбюратор Карла Бенца представлял собой устройство с поплавковым механизмом и поверхностным испарением (рис. 1). Идея испарения топлива с поверхности оказалась не слишком плодотворной и такие конструкции продержались недолго.
Первый относительно приличный карбюратор появился лишь 10 лет спустя — в 1895 году, который мы и будем считать датой его рождения. Это была конструкция пульверизационного типа, разработанная Г. Даймлером и В. Майбахом (W. Maybach) (рис. 2) и послужившая прообразом всех современных карбюраторов. Установлена она была на 2-цилиндровом V-образном двигателе. (Кстати, первая система впрыскивания топлива специальным насосом на четырехтактном двигателе появилась годом раньше. Но об этом потом.)
Действие предложенного Г. Даймлером и В. Майбахом карбюратора, как впрочем и любого устройства пульверизационного типа, основано на том, что с увеличением скорости потока давление в нем уменьшается (помните трубку Вентури из школьного курса физики?). Всасываемый двигателем поток воздуха проходит через сужение камеры дроссельной заслонки, создаваемое при этом разрежение увлекает капли бензина, который при этом испаряется — получается топливо-воздушная смесь. При открывании заслонки количество проходящего воздуха увеличивается, увеличивается и количество увлекаемого им бензина...
Такая схема дозирования топлива была, конечно, слишком примитивной. Дело в том, что известное соотношение 1 кг бензина/14,7 кг воздуха справедливо только при установившихся нагрузках на двигатель. На частичных нагрузках для экономии топлива смесь целесообразно обеднять. Во время разгона и, особенно, во время пуска двигателя, наоборот, требуется обогащение смеси. При торможении двигателем целесообразно вообще отключать подачу топлива. Попытки выполнить эти требования привели к тому, что элементарный карбюратор постепенно начал обрастать дополнительными системами.
В 1907 году был создан карбюратор с цилиндрическим распылителем в середине воздушного потока с очень сложной системой эмульсирования, объединяющей смесь при повышенных нагрузках. Вслед за ней появились системы компенсации смеси Zenith, Palace (1912 г.), Cudell, принципы работы которых используются и сегодня.
Современный карбюратор, независимо от того, кем он изготовлен или к какому типу относится, содержит ряд обязательных систем и устройств. Это поплавковая камера, дозирующие системы, распыливающие топливо диффузоры, системы управления подачей воздуха, система холостого хода, пусковые устройства, различные дополнительные устройства для обогащения и обеднения смеси в зависимости от режима работы двигателя и др. Читателей, интересующихся деталями конструкции и тонкостями регулировки конкретных устройств, мы вынуждены отослать к специальным изданиям. А здесь хотелось бы вспомнить лишь несколько эпизодов из длительной и часто сложной истории создания отечественных карбюраторов.
По мере роста мощности двигателей на автомобилях массового производства появились двух- и четырехкамерные карбюраторы с последовательным открытием дроссельных заслонок. Конструкции усложнялись все больше и больше. От карбюратора требовалось обеспечить хорошее распыливание топлива при малых расходах воздуха, и как можно меньшее аэродинамическое сопротивление — при больших. Одним из возможных решений было сделать сечение диффузоров карбюратора переменным, изменяющимся в зависимости от расхода воздуха. За дело взялись изобретатели. Появились сотни патентов на карбюраторы с переменным сечением диффузоров, сразу завоевавшие признание на одно- и двухцилиндровых двигателях. С многоцилиндровыми двигателями было сложнее...
Первый карбюратор с переменным сечением диффузора в нашей стране появился на автомобиле ЗИС-101 еще до войны. А после войны на Московском карбюраторном заводе (МКЗ) было создано целое КБ. Закрытое — из специалистов-зэков. Люди работали напряженно, почти без сна — за успешное завершение работ была обещана амнистия. В рекордно короткие сроки были созданы карбюраторы К-80 и К-81 (рис. 4), предназначенные для грузовых автомобилей. На просьбу передать карбюратор на испытания в НАМИ — жесткий отказ, работа секретная. Но однажды главный конструктор МКЗ Панфилов с ужасом увидел этот карбюратор на столе у одного из научных сотрудников НАМИ. "Где взял?" — "Купил на Коптевском рынке за 15 рублей". Там продавалось все.
Отличительной особенностью К-80 и К-81 была пара крылышек в каждом диффузоре. По мере увеличения расхода воздуха крылышки расходились, увеличивая проходное сечение. Однако в дальнейшем выяснилось, что, несмотря на прекрасные характеристики, полученные при заводских испытаниях, карбюраторы не выдерживали жестких требований эксплуатации. Износ подвижных деталей, изменение упругости стягивающих крылышки пружин приводили к нарушению регулировок. Не лучшим решением оказалось и применение диффузора прямоугольного сечения. Заводу пришлось вернуться к карбюратору обычной конструкции.
Примерно такая же судьба постигла и карбюраторы К-22, которые использовались на двигателях автомобилей Горьковского автозавода. В этой конструкции при повышении расхода воздуха расходились в стороны стальные пластинки, увеличивая проходное сечение. Со временем пластинки зарастали нагаром и смолистыми отложениями и карбюратор терял свои преимущества, требуя тщательной чистки и регулировки.
В конце 40-х годов в НАМИ изобретателем В. В. Норневским был создан карбюратор, в котором для изменения кольцевого сечения диффузора были применены два вращающихся цилиндра с выемками. Обычно в конструкциях с переменным сечением диффузоров для дозировки топлива использовалась коническая игла в топливном жиклере, приносящая много неприятностей и в производстве, и в эксплуатации. Норневский решил отказаться от иглы и попытался решить задачу подбором отверстий в распылителе. Приходя утром в лабораторию он обычно говорил: "Вот просверлю еще одну дырочку и Коня на живодерку", — имея в виду начальника лаборатории Конева. Испытав тысячи вариантов распылителей, Норневский создал чудо. Карбюратор обеспечивал нужные характеристики без иглы, без экономайзера, без ускорительного насоса. Из распылителя топливо, попадая в поток воздуха, идущий со скоростями, близкими к звуковым, превращалось в однородный туман. Но над изобретением висел злой рок. Однажды пришлось снять карбюратор с автомобиля. В воскресенье дежурные монтеры решили покататься. Бензонасос начал плевать топливо из трубки во впускной трубопровод, двигатель завелся, автомобиль поехал. Похоже, можно было обходиться вообще без карбюратора... Когда насос начал поливать топливом выхлопную трубу, машина загорелась. Злоумышленники сбежали. В 1952 году Норневский умер, так и не увидев свое детище в производстве.
Задача снижения расхода топлива стояла всегда. Работы над созданием экономайзера — устройства, отключающего подачу бензина в режиме принудительного холостого хода (ЭПХХ) начались в автомобильной лаборатории, возглавляемой академиком Е. А. Чудаковым, еще в середине 30-х годов. Работали много лет, но получалось плохо — ведь тогда не было электроники. А жаль. Это я прочувствовал на собственной шкуре в 1963 году во время ралли "Акрополис".
Шли мы на "Москвиче-407". Естественно, специально подготовленном, хотя внешне ничем не отличавшимся от серийной машины. После горной гонки недалеко от Афин вниз спускались группами. Изношенные к концу ралли тормоза держали плохо — вся надежда была на торможение двигателем. В результате забросало топливом свечу первого цилиндра. По условиям соревнований открывать капот нельзя — сразу получаешь много штрафных очков. Следующую гонку на аэродроме пришлось идти на трех цилиндрах. С соответствующим результатом. Если бы был ЭПХХ, этого бы не произошло.
Когда началась эпоха борьбы за снижение токсичности выхлопа, пришлось вернуться к работам по ЭПХХ. В 1973 году мы создали соответствующую систему с электронным блоком управления и сумели запатентовать ее в 17 странах. Система, получившая название "Каскад", представляла из себя маленький карбюратор в корпусе дроссельных заслонок. На холостом ходу топливо подавалось через кольцевой распылитель в поток воздуха, идущий со скоростями, близкими к звуковым. Почти идеальное распыливание топлива обеспечило возможность снижения СО и СН на холостом ходу до величин в 5--8 раз ниже современных допустимых норм.
У новой системы сразу появилось много противников. Их основной довод: таких систем нет за рубежом. Тогда для снижения токсичности делались дополнительные воздушные клапаны и устройства, приоткрывающие дроссельную заслонку. В результате вместо того, чтобы тормозить, автомобиль делал прыжок вперед, увеличивался расход топлива, изнашивались тормоза.
Спасение разработки пришло от министра автомобильной промышленности В. Н. Полякова. Однажды он собрал главных заводских конструкторов и ведущих специалистов-разработчиков, которым устроил разнос: "Форд создал систему холостого хода, снижающую содержание СО на 10%, а вы ничего не делаете". Я пошел в контратаку — система "Каскад" снижала не только СО, но и СН на 20--30%. Кроме того, уменьшался расход топлива, повышалась эффективность торможения двигателем, а при выключении зажигания исключалась работа с самовоспламенением.
Гнев министра обратился на заводских конструкторов. Тем ничего не оставалось делать, как назвать сроки внедрения. Карбюраторы двигателей ВАЗ 2105 и 2107 с нашей системой пошли в производство. Начальник КБ ЛенКарЗа Магдычанский, занимавшийся однокамерными карбюраторами, тоже взялся за внедрение "Каскада", и через 2 года появились карбюраторы с этой системой для Ульяновских и Запорожских автомобилей. А вот другие специалисты начали изобретать похожие по принципу, но свои системы. На это ушло почти 10 лет.
Ну а бывшие враги вынуждены были превратиться в сторонников. Когда к нам в лабораторию пришел министр, один из руководителей схватил только что снятый с двигателя карбюратор, наклонил его, чтобы показать систему ЭПХХ, открыл дроссельную заслонку... и по серому костюму министра прошла длинная струя бензина из ускорительного насоса. Руководство побледнело и закачалось, но все обошлось благополучно.
Ужесточение требований к экономичности двигателей и токсичности выхлопа заставило зарубежные фирмы тоже заняться ЭПХХ. Фирма Pierburg в середине 80-х годов начала выпускать карбюраторы Ecotronic. Конструкция была громоздкая. Для приоткрывания на холостом ходу дроссельной заслонки использовался мембранный механизм размерами чуть ли не с сам карбюратор. Частота вращения двигателя поддерживалась специальным электронным блоком. На нагрузочных режимах оптимальный состав смеси устанавливался при помощи шагового электродвигателя, управляющего воздушной заслонкой, при этом учитывались температура охлаждающей жидкости и воздуха, скорость открытия дроссельной заслонки и некоторые другие параметры.
Карбюратор постепенно обрастал все новыми и новыми дополнительными устройствами — электромагнитными клапанами, соединяющими поплавковую камеру с адсорбером, улавливающим пары бензина при неработающем управлении системой вентиляции картера, схемами рециркуляции отработавших газов и др.
Окончательно добило карбюратор внедрение 3-компонентных нейтрализаторов отработавших газов, которые требуют регулировать состав смеси с точностью 0,5%. Не то, чтобы это была нерешаемая проблема. Удовлетворяющий этим требованиям карбюратор, например, был создан на ДААЗе на базе Solex. Два электромагнитных клапана (один в системе холостого хода, другой, устанавливаемый вместо экономайзера), работая в пульсирующем режиме, поддерживали заданный состав смеси. Но в целом вся система получилась слишком сложной. Двигатель так оброс трубками, проводами, клапанами, что на него было страшно смотреть. Соответственно, существенно снизилась надежность системы питания в целом. И резко возросла стоимость. Современный карбюратор такого типа с учетом расходов на его регулировку и обслуживание обходится уже не дешевле, а то и дороже распространенных систем впрыскивания топлива, которые к тому же обеспечивают лучшую динамику, топливную экономичность и токсичность при высокой стабильности основных показателей в процессе эксплуатации. Но об этом в следующий раз.