Последний вздох карбюратора: рождение впрыска топлива

Переход от карбюратора к электронному впрыску топлива - самая незаметная, но самая решающая техническая революция за столетнюю историю двигателя внутреннего сгорания: впрыск топлива был представлен в легковых автомобилях в начале 1950-х годов, в период с 1960-х по 1980-е годы семейство Jetronic от Bosch вытеснило карбюратор, а к началу 2000-х он полностью исчез из новых автомобилей. На этой странице рассказывается о том, как происходил этот переход, какими цифрами он был выигран и что он изменил в инженерном деле.

Уже около 125 лет принцип работы четырёхтактного бензинового двигателя не меняется: воздух, топливо, сжатие, зажигание. Меняется лишь то, насколько точно эта смесь дозируется в мотор. Карбюратор целый век выполнял эту задачу с помощью механической смекалки, полагаясь на тягу всасывающего потока. Электронный впрыск топлива (EFI) научился делать то же самое, измеряя, вычисляя и работая отдельно для каждого цилиндра. Эта разница оказалась определяющей не только в таблицах эффективности, но и в направлении истории двигателя.

Почему карбюратор продержался целый век?

Сила карбюратора была в его простоте. Для смешивания топлива с потоком воздуха во впускном коллекторе было достаточно подвижной диафрагмы, нескольких жиклёров и поплавковой камеры; его было легко установить, обслуживать ручным инструментом, а стоимость была низкой. На протяжении целого века эта простота фактически сделала карбюратор стандартным решением для подачи топлива в четырёхтактных бензиновых двигателях.

Но именно здесь находилось и конструктивное ограничение карбюратора: он не был точен в распределении топлива. Соотношение воздух/топливо измеряется по массе; 15:1 означает 15 фунтов воздуха на 1 фунт бензина. Если считать по объёму, это соотношение соответствует примерно 1 галлону бензина на 9000 галлонов воздуха - удержание этого баланса карбюратором на каждой частоте вращения, при каждой нагрузке и при каждой температуре - это инженерный трюк, ожидаемый, но не гарантированная величина измерения. Четырёхтактные бензиновые двигатели могут работать с соотношениями от самого богатого 8:1 до самого бедного 18,5:1-19:1; идеальный диапазон для максимальной мощности 12:1-13,5:1, а для наилучшей топливной экономичности 15:1-16:1. Карбюратор был вынужден колебаться между этими диапазонами, и с наступлением эпохи нормирования выбросов он уже не мог делать это с достаточной точностью.

Как родился впрыск топлива? От автоспорта к серийному производству

Корни идеи впрыска восходят к 1925 году, к шведскому инженеру Йонасу Хессельману, но для распространения технологии потребовалось более сорока лет. А первый бензиновый двигатель с непосредственным впрыском топлива появился необычным путём: это была почти неизвестная в то время модель с переоборудованной дизельной системой - Goliath GP700 - 1952. Затем Mercedes-Benz представил на легендарном 300SL Gullwing первый бензиновый двигатель с непосредственным впрыском.

Настоящей лабораторией стали гоночные треки. Механическая система впрыска, разработанная Стю Хилборном на соляных озёрах Бонневилля, в 1949 году на Indianapolis 500 появилась на двигателях Meyer-Drake Offy; инжекторы Hilborn одержали на Indy 500 в 1950-1970-х годах более 34 побед . На дорогах общего пользования тоже были ранние примеры: в 1957 Chevrolet Corvette применялась система Rochester Ramjet Fuel Injection, и он стал одним из редких образцов эпохи классических автомобилей с впрыском топлива.

Bendix Electrojector: первая электронная попытка

Первой серийной электронной системой впрыска топлива стал Bendix Electrojector. Chrysler, в 1958 модельном году на короткое время предложил эту систему; в том же году Electrojector устанавливался на Chrysler 300D, DeSoto Adventurer, Dodge D-500 и Plymouth Fury. Это первые известные автомобили с электронным впрыском топлива. Значительная часть оригинальной инженерной разработки была выполнена в 1950-х годах в США компанией Bendix Corp. - семейство Jetronic от Bosch на самом деле является наследником этого американского первопроходца.

Семейство Bosch Jetronic: системы, свергнувшие карбюратор

Bosch в 1959 году положил начало семейству Jetronic схемой электронной системы впрыска бензина. Разработанная в начале 1960-х D-Jetronic стала первой серийной электронной системой впрыска топлива компании и была представлена как первая успешная электронная система впрыска, заменившая карбюратор в середине 1960-х. D-Jetronic впервые появилась в 1967 году на VW 1600 TL ; на некоторых рынках первым пользователем указывается модель 1968 года модель VW Type 3 . Mercedes-Benz же использовал D-Jetronic на своих рядных шестицилиндровых и V8 двигателях с 1967 года до 1976 года. Диапазон производства по Википедии чёток: 1967-1979.

Принцип работы D-Jetronic в современной терминологии - подход «скорость-плотность» (speed-density): измеряются давление воздуха во впускном коллекторе (датчик MAP) и обороты двигателя, топливо рассчитывается по этим двум данным. Вместо прямого взвешивания воздуха, реально поступающего в двигатель, он оценивался по двум измеряемым переменным - именно такова была логика первого шага электронного впрыска.

Механический путь: K-Jetronic

Как механический аналог электронного D-Jetronic, Bosch разработал K-Jetronic. Следующий член того же семейства - L-Jetronic (L, от немецкого "Luft", то есть воздух) был представлен в середине 1970-х: он измерял объём воздуха с помощью подвижной заслонки-датчика над дроссельной заслонкой и был принят Ford и многими азиатскими и европейскими производителями. В 1974 году D-Jetronic уступил место K-Jetronic и L-Jetronic; хотя некоторые автомобили - например, Volvo 164 - продолжали использовать D-Jetronic. В 1970-х годах Bosch и BMW были пионерами этих ранних систем, а Ford представил 1980 свою первую цифровую систему.

Почему переход ускорили стандарты по выбросам?

Карбюратор победили не только мощность или расход; главной движущей силой стали ужесточающиеся нормы выбросов в США и во всём мире. Карбюратор не мог удерживать топливовоздушную смесь в узких рамках, требуемых каталитическим нейтрализатором и ужесточающимся законодательством. Впрыск, обеспечивая более точный контроль смеси, давал более чистое сгорание и более низкие выбросы - в современных двигателях целью является стехиометрическое соотношение 14,7:1 балансирующее выбросы и мощность/экономичность, и достичь этого соотношения можно было лишь с той точностью, которую способен обеспечить только компьютерный впрыск.

Интересным был и переходный инструмент: TBI (впрыск с дроссельной заслонкой) системы фактически были "электронным карбюратором" - поплавковую камеру и колодец демонтировали, а на их место устанавливали форсунку с одним-двумя соленоидами. Это было экономичное и эффективное переходное решение, но, поскольку оно разделяло недостатки карбюратора, в начале 1990-х годов оно в значительной степени исчезло из производства. Настоящий скачок произошёл в середине и конце 1980-х, когда выросла скорость процессоров блоков управления двигателем: стал возможен последовательный (sequential) впрыск, то есть впрыск топлива в соответствии с моментом впуска каждого цилиндра. в начале 1990-х годов поправки к Clean Air Act и требования OBD-II фактически сделали обязательным контроль топлива на каждом впускном клапане. С этого момента дискуссия закрыта: цифровое компьютерное управление сделало стандартом точность дозирования топлива, которую карбюратор никогда не мог обеспечить.

Впрыск или карбюратор? Сравнение в цифрах

Свести различия двух систем в одну таблицу - самый ясный способ увидеть инженерный баланс:

Как видно из таблицы, карбюратор проигрывал впрыску в точности измерения, а продолжал выигрывать простотой. Нельзя отрицать и слабости раннего EFI: в середине 1980-х засорение портовых форсунок и отложения на впускных клапанах из-за бензина без моющих присадок были известными проблемами первых систем распределённого впрыска - они были преодолены с помощью топливных присадок и корректировки расположения форсунок. Системы на основе MAF предлагали наиболее точное управление подачей топлива, но из-за электронной сложности в какой-то период считались одними из самых проблемных. Иными словами, EFI не стало совершенным мгновенно; оно созревало.

Темп перехода: весь рынок за десять лет

Американские производители распространили EFI на обычные серийные автомобили в начале 1980-х: Ford в 1983 году, GM и Chrysler в 1983-84 годах. Японские производители в конце 1970-х и начале 1980-х повернули в том же направлении. Сегодня EFI является универсальным стандартом почти для всех автомобилей и лёгких коммерческих автомобилей в мире; карбюратор же в начале 2000-х полностью исчез из новых легковых автомобилей.

Тот же переход произошёл и с мотоциклами, и процесс там был наглядно задокументирован: Harley-Davidson испытала EFI на полицейских моделях в 1980-х; в 1995 году модели FLH touring стали первыми Harley с заводским EFI; система была стандартизирована в серии Touring в 2002 году, а в 2007 году все модели поставлялись с EFI - карбюраторные мотоциклы официально ушли в историю модельного ряда. Традиционалисты до сих пор отстаивают простоту карбюратора и гибкость механической настройки; однако необходимость перенастройки карбюраторного двигателя при смене высоты над уровнем моря остаётся практическим недостатком на фоне автоматической адаптации EFI.

Наследие тихой революции

Переход от карбюратора к электронному впрыску топлива был не превращением одной детали в другую; это было изменение самой концепции «управления» двигателем. Карбюратор полагался на самопроизвольное поведение двигателя; EFI создал компьютерную архитектуру, которая измеряет, что делает двигатель, и принимает решения на основе этих данных. Со временем этот компьютер эволюционировал в блок управления двигателем, и на этой инфраструкуре выросла вся современная технология двигателей - от управления турбонаддувом до стратегий борьбы с детонацией (knock).

Если подытожить цифрами: электронный впрыск, опробованный в 1958 году на нескольких сотнях элитных моделей Chrysler, в 1967 году с VW 1600 TL стал легитимным в обычном семейном автомобиле, в 1983-84 годах стал пунктом стандартного перехода для всех крупных производителей, а в начале 2000-х, стерев карбюратор с производственных линий, положил ему конец. Путь от идеи Эмиля Хессельмана 1925 года до современного EFI занял около 75 лет; но его последнее десятилетие - то есть само превращение - заняло даже меньше десятилетия. Это один из самых наглядных примеров в истории инженерии, показывающий, что по-настоящему убивает технологию созревание лучшей альтернативы.

Источники

• Mastering the Basics: Electronic Fuel Injection | MOTOR
• A backbone of Automotive Electronics – Bosch Stories
• Fuel injection - Wikipedia
• Electrojector and D-Jetronic: Early Electronic Fuel Injection - Ate Up With Motor
• Bosch D-Jetronic, K-Jetronic & KE-Jetronic Fuel Injection Systems - Hemmings
• The long, winding road to EFI - Hagerty
• A Song of Air and Fuel: How Fuel Injection Got into Cars - Škoda Motorsport
• D-Jetronic chapter 1: History - jetronic.org
• The transition from carburetors to fuel injection in Harley-Davidson - Caliente Harley
• Why Don't Modern Cars Use Carburetors Anymore? - Inmon Auto