Смешать, но не взбалтывать. Система впуска

Часть 1. Топливная система. Карбюратор и электронный впрыск

В прошлых статьях мы с вами разобрались с тем, что из себя представляет двигатель современного серийного мотоцикла. Однако байк – это сложная система устройств, слаженно взаимодействующих друг с другом, и на одном движке далеко не уедешь. Следовательно, двигателю для нормального функционирования нужны дополнительные системы: система впуска и система выпуска. Первая служит для точного управления топливовоздушной смесью, поступающей в цилиндры, вторая – отводит отработавшие газы после их сгорания. Но прежде, чем мы вплотную займемся данными системами, стоит сначала понять, что «едят» наши двухколесные друзья.

Топливо

Как только появился самый первый мотоцикл, в его топливный бак залили ту же самую жидкость, которую используют и по сей день. Бензин является общепризнанным топливом для мотоциклов. Конечно, существует множество альтернативных видов топлива, однако они либо более дорогие, либо менее эффективные.

Как и многие другие решения в мотостроении, выбор бензина в качестве топлива – это компромисс. В данном случае, между двумя свойствами: испаряемостью (летучестью) и теплотворной способностью. Испаряемость топлива – критерий того, насколько легко оно испарится при низких температурах. Теплотворная способность – это количество тепловой энергии, а значит, полезная работа, которая может быть получена от заданного количества топлива. Вы, наверное, уже догадались, что в идеале двигателю внутреннего сгорания нужно легко испаряющееся топливо с высокой теплотворной способностью. Однако с увеличением теплотворной способности испаряемость топлива падает, а более низкая летучесть топлива затрудняет его воспламенение.

Итак, топливо мы с вами выбрали. Теперь нужно выяснить, в каком соотношении смешивать его с воздухом, чтобы получить максимально полное и эффективное сгорание. Если воздуха будет мало, несгоревшее топливо в буквальном смысле «вылетит в трубу», если много – полезная энергия, получаемая с цилиндра, будет снижаться.

Для обеспечения полного сгорания на 14.7 частей воздуха должна приходиться 1 часть топлива. Химики называют это соотношение стехиометрическим. Чтобы снять максимальную мощность с двигателя, смесь делают «обогащенной» (недостаток воздуха до 10%), чтобы достигнуть максимальной экономичности – смесь «обедняют» (избыток воздуха до 10%). Кроме атмосферных параметров, на оптимальный состав смеси также влияет конструкция двигателя и характеристики сгорания. В реальности, ограничения успешного сгорания смеси находятся в пределах 12:1 и 18:1. Осталась самая малость – установить на байк надежную систему подачи этой самой смеси к камерам сгорания.

Система впуска

Прежде чем перейти к ключевым игрокам «команды впуска» - карбюраторам или системам впрыска топлива, давайте разберемся с тем, какой путь проходит топливовоздушная смесь, чтобы в них попасть.

В топливном баке начинается извилистый путь бензина к двигателю. Из бака он подается самотеком (в большинстве современных мотоциклов, кроме разве что самых простых, подача происходит под давлением при помощи топливного насоса) через фильтр по топливопроводу к карбюраторам или форсункам инжектора. Для управления поступлением горючего применяется топливный кран с ручным или автоматическим управлением, который открывает или перекрывает подачу топлива из бака. На большинстве систем с впрыском топлива, кран отсутствует как таковой, а функцию управления расходом топлива выполняет топливный насос. О том, как воздух смешивается с бензином, мы поговорим в следующей статье, и заодно с этим обсудим системы наддува и турбонаддува.

Постепенно, под давлением все более ужесточающихся экологических норм и требований к производительности моторов, карбюратор уступает свое место системам впрыска топлива. Даже простота настройки и дешевизна в производстве уже не являются его сильными козырями. Живое тому подтверждение – малокубатурные скутеры той же Honda, вроде SH 150, при своей умеренной цене, оснащены инжектором. То же касается и кроссовых мотоциклов – в 2008 году Suzuki первыми установили на свой оффроуд-снаряд RM-Z450 впрыск. Вскоре этому примеру последовали другие японские производители. Сейчас карбюратор применяется только там, где простота обслуживания и неприхотливость в выборе бензина все еще играет роль: малокубатурные байки для начинающих (Kawasaki Ninja 250R все еще оснащается карбюраторами, правда, только в версии для рынка США) и одноцилиндровые эндуро вроде Honda XR650L. Стритфайтеры, классики, спортбайки и круизеры за последние несколько лет совершили массовый переход от карбюраторов к более технологичным и производительным системам с электронным впрыском. Однако карбюраторы мы все же рассмотрим – ведь по дорогам всего мира колесит достаточно мотоциклов самых разных возрастов (а не только горячих новинок последних лет), поэтому списывать «карбы» со счетов не стоит. Для начала давайте разберемся в основных принципах работы любого карбюратора.

Suzuki RM-Z450 - первый кроссовый байк с системой впрыска топлива

Принцип действия карбюратора

В основе принципа действия карбюратора любого типа лежит пульверизационный эффект диффузора. Он представляет собой трубку особой формы. Представьте – если воздух протекает по обыкновенной трубе с параллельными стенками, то давление и скорость движения воздуха будут постоянными на протяжении всей длины трубы. Если в трубе сделать сужение, то характеристики течения воздуха изменятся: в месте сужения скорость течения воздуха возрастет, а давление упадет. Таким образом, в месте наибольшего сужения создается разрежение. В минимальном сечении диффузора находится отверстие, через которое топливо попадает в диффузор и под действием пульверизационного эффекта распадается на мельчайшие капли. В отверстии находится жиклер (сопло) такого размера, что каждая часть поступающего топлива будет соответствовать 14-ти частям воздуха. Вот и все, простейший карбюратор готов. Он справится с обеспечением двигателя топливной смесью при постоянных нагрузках и одной частоте вращения коленвала. Однако такая работа двигателя – утопия, а потому нам понадобится более сложное устройство.

Для обеспечения бесперебойной работы карбюратору необходима постоянная подача топлива, уровень которого на постоянной отметке обеспечивается поплавковым механизмом в поплавковой камере карбюратора. Принцип его действия очень прост, но лучше один раз увидеть, чем читать тут мою писанину. А посему я предлагаю вам, уважаемые читатели, пойти в… туалет. Однако не для того, зачем мы обычно туда ходим, а для того, чтобы снять крышку со сливного бачка унитаза. Перед вашим взором предстанет поплавковый механизм карбюратора, увеличенный во много раз. Если спустить воду в унитаз, то ее уровень в бачке упадет, поплавок опустится и откроет клапан, через который вода вновь попадет в «поплавковую камеру унитаза». Все предельно просто.

Чтобы управлять частотой вращения двигателя, нужно использовать какое-то устройство, которое ограничит количество поступающей в двигатель топливовоздушной смеси. В роли такого устройства может использоваться круглая пластина, установленная в диффузоре на подвижной оси. Регулируя угол открытия этой пластины, называемой дроссельной заслонкой, мы регулируем количество смеси, попадающей в двигатель. Такое нехитрое устройство используется на карбюраторах с постоянным сечением диффузора. Другой способ ограничения количества поступающего воздуха заключается в применении подвижной дроссельной заслонки, расположенной в вертикальной расточке диффузора. Дроссель может перемещаться по расточке вверх и вниз, изменяя сечение диффузора так, что поток проходящего воздуха частично или полностью перекрывается. Такое устройство применяется на карбюраторах шиберного типа и называется дроссельным золотником. Комбинация дроссельного золотника и дроссельной заслонки используется на карбюраторах постоянного разрежения, который, как и карбюратор шиберного типа, относят к карбюраторам с переменным сечением диффузора.

Чтобы запустить холодный двигатель, карбюраторы оснащают пусковым устройством. При холодном двигателе топливо конденсируется на его металлических элементах, и, следовательно, оно больше не испаряется, в результате чего мотор очень трудно запустить. Чтобы компенсировать это, приходится делать смесь более богатой, чем при нормальной работе двигателя. Этого можно достичь тремя способами: увеличить количество топлива в поплавковой камере, перекрыть диффузор и подавать больше топлива через отдельную пусковую систему. Пусковое устройство еще называют «подсосом». В зависимости от сложности системы отдельные его элементы контролируются вручную (утопитель поплавка на карбюраторе, рычаг «подсоса» и т.д.), либо автоматически. Есть еще система холостого хода, название которой говорит само за себя, однако на ее устройстве мы останавливаться не будем.

Многие современные карбюраторы оснащаются датчиком положения дроссельной заслонки. Он служит для оптимизации угла опережения зажигания, и не влияет на процессы дозирования топлива.

Карбюраторы

С основными деталями карбюраторов мы разобрались, теперь давайте рассмотрим типы карбюраторов. Существует три типа карбюраторов, которые используются на мотоциклах.

К-65 с постоянным сечением диффузора

• Карбюратор с постоянным сечением диффузора. Этот тип карбюраторов наименее распространен, хотя некоторое время Harley-Davidson использовала такие на всей линейке своих мотоциклов. Такое название связано с тем, что профиль диффузора не меняется, даже несмотря на то, что дроссельная заслонка регулирует количество поступающего через него воздуха. Из-за ограниченной возможности дроссельной заслонки по изменению сечения диффузора, обычно необходимы: система переходных отверстий и более одного жиклера главной системы (дополнительные жиклеры называют вторичными). Размещение и размеры вторичных жиклеров обеспечивают подачу необходимой смеси при всех скоростях вращения двигателя. Такой карбюратор чаще всего дополнительно оснащают ускорительным насосом, задача которого – компенсировать обеднение смеси при резком «откруте» ручки газа. Это наименее эффективные из трех типов карбюраторов.

Батарея карбюраторов шиберного типа, Kawasaki ZXR750R

• Карбюратор шиберного типа. В таких карбюраторах проблема изменяющихся потребностей двигателя решается за счет изменения эффективного размера диффузора. Такой подход, вместе с использованием дозирующей иглы, избавляет от использования сложной системы жиклеров и каналов, и позволяет сделать шиберный карбюратор небольшим и легким – очень важные качества при проектировании мотоциклов. А тщательная настройка обеспечивает довольно гладкую характеристику в широком диапазоне частот вращения двигателя. Этот тип карбюратора оказался настолько удачным, что использовался на мотоциклах в течение полувека, где-то до середины 90-х годов. Однако есть у карбюраторов шиберного типа один существенный недостаток. Если резко открыть дроссель, то в карбюратор поступает большой объем воздуха. Скорость движения воздуха над распылителем недостаточна для истечения топлива в соответствующей воздуху пропорции. Поэтому смесь, поступающая в двигатель, моментально обедняется. При большом рассогласовании между положением дросселя и оборотами двигатель заглохнет или начнет работать с перебоями, при меньшем рассогласовании – к существенным отклонениям от правильного состава смеси. Поэтому те, кто любят по поводу и без резко крутить ручку газа, получат неэффективную работу двигателя большую часть времени. Очень яркий пример – Kawasaki ZXR750R, спортбайк начала девяностых. Если у рейдера есть «чувство мотоцикла» и умение плавно работать газом (а такое умение в любом случае необходимо, если вы хотите ездить на мотоцикле больше одного сезона) – ZXR вознаградит его отличной динамикой и покажет настоящий спортивный характер. В противном случае будут наблюдаться рывки в стиле «я оседлал больного ишака».

CV-карбюраторы Keihin CVK30 для Kawasaki Ninja 250R

• Карбюратор постоянного разрежения (CV – constant velocity). В целом, CV-карбюратор очень похож на карбюратор шиберного типа. Основное отличие заключается в том, что дроссель заменен поршнем, положение которого в диффузоре определяется не поворотом ручки газа, а разностью давлений воздуха в диффузоре и атмосфере. Управление расходом воздуха, а следовательно, и частотой вращения двигателя, осуществляется при помощи дроссельной заслонки, как на карбюраторах с постоянным сечением диффузора. Заслонка устанавливается после поршня карбюратора и соединяется с ручкой газа при помощи троса. Принцип действия. Представьте жестяной стакан, установленный плотно в трубе, закрытой с одного конца. Между верхней частью стакана и закрытой стороной цилиндра расположена пружина. К трубе над стаканом подведен воздушный трубопровод. При создании разрежения в трубопроводе воздух потечет наружу, и давление над стаканом понизится. Воздух под стаканом находится при нормальном атмосферном давлении, поэтому стакан начнет двигаться вверх по трубе, преодолевая сопротивление пружины. При снятии разрежения стакан под давлением пружины опустится, всасывая воздух в полость под собой. Карбюратор постоянного разрежения легко обходит проблему, свойственную карбюраторам шиберного типа, даже при полном резком открытии дроссельной заслонки. Подъем поршня в карбюраторе находится в прямой зависимости от расхода воздуха, при котором снижается давление. Поэтому не происходит внезапного обеднения смеси. Это означает, что дозирование топлива по отношению к воздуху происходит намного точнее, чем в карбюраторах двух других типов, что дает более ровную и линейную работу двигателя. Проще говоря, состав смеси всегда приближен к оптимальному, независимо от энтузиазма райдера в управлении «гашеткой».

Трудно однозначно определить, какой из двух типов карбюраторов с переменным сечением диффузора лучше. На практике, выбор конкретного типа определяется назначением машины и ее стоимостью. Ясно только одно – оба вида карбюраторов с переменным сечением диффузора гораздо лучше такового с постоянным сечением. Практически все современные машины, которые оснащены карбюраторами, как правило, используют карбюраторы с постоянным разрежением – как наиболее технологичные и точные в создании оптимальной смеси. Однако их точность не идет ни в какое сравнение с наиболее совершенным способом подачи топливовоздушной смеси из тех, которые есть в арсенале мотопроизводителей. Речь идет о системах впрыска топлива.



Впрыск топлива

Возможно, прочитав название заголовка, вы представили себе сложное устройство с электронным «мозгом», которое с прецизионной точностью создает оптимальное соотношение бензина и воздуха, и в строго установленном количестве подает получившуюся смесь в камеры сгорания двигателя.

Современные инжекторы представляют из себя именно такие «гаджеты» - сложные и интеллектуальные. Тем более трудно поверить, что впрыск топлива сущесвует с 1898 года, практически со дня появления двигателей внутреннего сгорания. Тогда это были механические системы (какая там электроника в начале ХХ века!), и в сороковых годах они широко использовались в автомобильной и авиационной промышленности. Первая полностью электронная система появилась в 1950 году стараниями компании Bendix, однако об установке таких систем на мотоциклы и речи не шло – карбюраторы вполне справлялись с предъявляемыми требованиями по части надежности и производительности (борцы за чистоту природы тогда совсем не буйствовали, поэтому о них и говорить не стоит).

Первыми установили на серийный мотоцикл инжектор умельцы из Kawasaki – в 1980 году впрыск нашел свое место на борту Z1000-H1. С середины 80-х годов Honda, Kawasaki и Suzuki применяли электронный впрыск на своих байках с турбонаддувом, однако о массовом переходе на инжектор еще не помышляли.

Kawasaki Z1000H1 - первый серийный мотоцикл с электронным впрыском топлива

Тем не менее, прогресс неумолим, и под двойным давлением экологов пополам с потребителями, которые требовали улучшения динамических и эксплуатационных показателей, в середине 90-х годов начался постепенный, но неизбежный переход с карбюраторов на системы с электронным впрыском топлива. В случае с использованием карбюраторов, существует множество режимов работы, при которых трудно гарантировать подачу смеси требуемого для сгорания состава в цилиндры двигателя. К таким режимам относятся холодный пуск и прогрев двигателя, когда низкая температура ухудшает испаряемость топлива; низкие частоты вращения на холостом ходу; режим резкого «открута» и работа при максимальной нагрузке. Мало просто задать точный состав смеси, нужно еще и поддерживать точное управление ею во всех режимах работы. Благодаря своему принципу работы и многочисленным датчикам, электронный впрыск гарантирует достижение и поддержание постоянного прецизионного контроля над составом смеси. Экологи тоже не в обиде – возросшая мощность двигателей соседствует с экономичностью и низким уровнем выбросов отработавших газов. Давайте разберемся, как эта электронная штуковина работает.

Принцип действия. Самое главное отличие от карбюраторов – топливо для перемешивания с воздухом подается под давлением. При этом, система должна обеспечивать двигатель испаренным топливом в объеме, соответствующем множеству параметров и с учетом любых изменений. Достигается это благодаря быстрой и точной оценке информации электронным блоком управления (называемым также ECU), поступающей из различных установленных на двигателе датчиков. Эти датчики собирают информацию о частоте вращения двигателя, расходе воздуха, угле поворота коленвала, температуре воздуха и его плотности, положения дросселя и еще туче различных параметров. Получив необходимые данные, умный кремниевый «мозг» определяет время открытия топливных форсунок, количество подаваемого топлива, и посылает каждой форсунке электрический импульс. Как только форсунка открывается, сжатый бензин распыливается около впускного клапана, перемешивается с воздухом и попадает в цилиндр. Все это просто для электронной железяки, но непосильно для бородатого старичка карбюратора, не правда ли? А теперь более детально обо всем процессе.

Топливо из бака подается электрическим насосом через фильтр к топливной рампе, от которой питаются отдельные форсунки. Насос подает больше топлива, чем требуется для двигателя, и поэтому в системе топливоподачи создается избыточное давление. В ECU есть отдельная цепь безопасности, которая отключает топливный насос в случае неработающего двигателя, но при включенном зажигании (например, после ДТП или какого-либо «косяка» в двигателе). На устройстве форсунок мы останавливаться не будем, скажем лишь, что на основании количества форсунок на цилиндр и их расположении, все системы впрыска делят на одноточечные («моновпрыск») и распределенные.

Топливная рампа в сборе с дроссельными патрубками и форсунками. Suzuki Hayabusa 2008.

На мотоциклах применяются системы непрямого впрыска (Indirect Injection), в которых форсунки размещаются во впускном канале перед впускными клапанами каждого цилиндра (многоточечный впрыск). Таким образом, на каждый цилиндр приходится одна, а на большинстве спортбайков – даже две форсунки. Одна форсунка на все цилиндры используется очень редко, как правило, на наиболее бюджетных моделях байков или скутеров. Есть еще системы прямого впрыска (Direct Injection), в которых топливо подается прямо в камеру сгорания, но такие системы используют в основном на дизельных «консервах», так что не будем тратить на них время.

Карты на стол!

ECU управляет впрыском топлива, основываясь на трехмерных «картах». Карты – это способ графического отображения данных, собранных с различных датчиков. Какое бы сочетание показателей не проявилось, на карте всегда будет указание для ECU, сколько именно топлива следует впрыскивать при тех или иных условиях. Чаще всего используются две карты – для низких и высоких нагрузок двигателя. При небольших нагрузках продолжительность впрыска топлива определяется давлением воздуха во впускном коллекторе и частотой вращения двигателя. При больших нагрузках – открытием дросселя и частотой вращения двигателя. Изменение карт – популярное среди тюнингеров средство поднятия мощности двигателя или его перенастройки под определенные цели. Разумеется, в комплексе с другими мероприятиями, потому что одно лишь ковыряние в картах ничего, кроме проблем, не принесет.

Программа настройки карт впрыска, осуществляемая при помощи подключаемого к системе байка модуля Rapid-Bike

Надеюсь, что после прочтения этой статьи, вы немного продвинулись в своем понимании того, что происходит с бензином, когда вы заливаете его в бак. В следующей статье мы поговорим о том, какой путь проделывает воздух, прежде чем попасть в камеру сгорания. И конечно же, расскажем вам о системах резонансного наддува воздуха и турбонаддува. Оставайтесь с нами!