Развитие впрысковых систем для двухтактных двигателей

С начала XX века, когда началось массовое производство двигателей внутреннего сгорания, возникло и незримое противостояние поборников двух- и четырехтактного циклов организации сгорания топлива в цилиндрах. В этой борьбе на суше, на море — на больших судах, и в воздухе практически одержал победу четырехтактный двигатель. Двухтактники продолжают жить на мотоциклах и в малых переносных установках.

Однако на воде — в подвесных моторах — двухтактный цикл не сдавал позиций никогда; он лишь понемногу начал уступать место сопернику, начиная с 1964 г., когда "Хонда" впервые выпустила на рынок гамму своих четырехтактных подвесных моторов.

"Дымок над водой, маслице в воде", — кого это сильно волновало еще двадцать лет назад? Все изменилось, когда водоемы в Америке переполнились мотолодками и за дело взялось Агентство по охране окружающей среды (ЕРА), Оно начало систематически устанавливать все более строгие ограничения на количество выбросов из двигателей, но при этом всегда давало производителям моторов время на конструкторско-исследовательские работы и модернизацию производства. Последнее ограничение на содержание окислов углерода и азота ЕРА вводит в действие в 2006 г. Анализ показал, что двухтактный двигатель обычной конструкции требований этого нового ограничения не выдержит, а это, в свою очередь, может разорить тех изготовителей, кто не нашел своего решения проблемы (или не купил своевременно у других). И тогда — "пусть неудачник плачет!", конкурентов станет меньше!

Кто же нашел нужное решение? Во-первых, зададимся вопросом — почему конструкторы ПМ так упорно держатся за двухтактный цикл? Приемистость и скорость, простота устройства и, следовательно, низкий вес и дешевизна — вот главные и пока непревзойденные достоинства двухтактного двигателя. Любопытно, что такое важное его качество, как дешевизна, едва не погубило двухтактный мотор. Если до 1978 г. развитие двух- и четырехтактных двигателей шло примерно в одинаковом темпе, то с этого года ситуация резко изменилась: предприятие "БМВ" начало массовый выпуск автомобилей 3-й серии с "бошевской" системой впрыска топлива во впускной коллектор (сначала — механической "К-троник", а затем — электрической "М-троник", оснащенной множеством датчиков и, так называемым, компьютером). Четырехтактный двигатель стал сложным и дорогим, фирмы перестали жалеть деньги на его развитие и внедрение нововведений, которые посыпались, как из рога изобилия. Сейчас стоимость двигателя "БМВ", к примеру, составляет около половины стоимости всего автомобиля.



Такой компании, которая сделала бы то же самое для двухтактника, тогда, в конце 70-х, в мире не нашлось. Убить простоту и воспользоваться теоретическими выгодами двухтактного цикла никто не решался вплоть до середины 90-х годов. Казалось бы, поставить на "простака" лубрикатор (не новая идея), нагнетатель воздуха, пару топливных насосов и форсунку прямо в головку цилиндра (опять не ново) и связать эти системы друг с другом через микропроцессор, — после этого никакой четырехтактник не устоял бы! Тем более, что у него в головке и места нет для форсунки, надо отказываться от четырех клапанов, да и формой головка не оптимальна.

Нельзя сказать, что ничего не делалось по развитию впрысковых систем двухтактных двигателей. Созданная в Австралии система "Орбиталь" за полтора десятка лет заявила о себе и получила развитие в моторах "Ротакс" компании "Бомбардье", использующей эти двигатели на гидроциклах и мотонартах, и хотя массового производства эта система не получила, особенности ее мы рассмотрим ниже.

Час настал в 1995 г., когда "ОМС Эвинруд-Джонсон" приобрела у компании "Ficht" систему прямого впрыска и начала оснащать ею свои большие двухтактные подвесные моторы, а чуть позже "Ямаха" и "Меркури" предложили свои решения. Вот и ответ на вопрос "что делать".

Так чем же перечисленные системы отличаются одна от другой и что в них общего?

Задача у всех одна — смешать топливо и воздух в идеальном (стехиометрическом) соотношении так, чтобы в выхлопных газах не оставалось недоокисленных, а следовательно, активных продуктов. Иными словами, топливо должно быть распылено так, чтобы в момент сгорания каждая молекула топлива была окружена идеальным количеством молекул кислорода. Пока эта молекулизация в той или иной степени достигается механическим разрушением связанных друг с другом молекул топлива при прохождении ими сечений форсунки. Еще не используются для этой цели ультразвук, микроволны, переменные магнитные поля и лазерное испарение, и тот, кто первым найдет техническое решение для реализации одного из указанных эффектов, сможет еще ближе подобраться к идеалу. Но это, как говорится, все в будущем, а пока поговорим о том, "что можно потрогать".



У "Ямахи" идея взята от дизельных топливных систем. Внешний насос высокого давления создает около 50 атм и передает топливо по стальным трубкам к одноканальным соленоидным форсункам, что, по мнению фирмы, обеспечивает хорошую молекулизацию топлива на протяжении всего времени впрыска. Известно, что давление сгорания в бензиновом двигателе достигает 20-40 атм. (Для сравнения: в дизеле 160-220 атм, но там давление после насоса высокого давления около 70 атм.)

Так что "Ямаха" с ее давлением в 50 атм полностью контролирует процесс впрыска от начала до конца.

А сколько же "весит" прямой впрыск "Ямахи"? Если сравнить 200-сильный прямой впрыск с таким же "мускулистым" впрыском во впускной канал, то первый будет дороже приблизительно на 2.5 тысячи "зеленых", а если сделать еще одно сравнение с четырехтактной 130-сильной "Хондой", то она будет лишь на 1 тысячу дешевле более старой из сестер.

У конкурентов давление впрыска ниже: они ограничились 6-32 атм. У "Меркури" система "Оптимах" — это модернизированная система "Орбиталь" двухступенчатого повышения давления топлива. Давление поднимается сначала насосом, а затем в соленоидной форсунке штифтового типа. Причем, как показано на рис. 1 (а, б, в), сначала первый соленоид смешивает внутри самой форсунки топливо с воздухом, который поступает под избыточным давлением, а уже затем воздушно-топливная смесь инжектируется. В системе "Орбиталь" смесь инжектируется избыточным давлением воздуха, а в системе "Оптимах" — второй соленоид не только выдвигает штифт, открывая кольцевой зазор, но и создает дополнительное давление (около 6.3 атм), под которым воздушно-топливная смесь впрыскивается в камеру сгорания.



В ПМ "Эвннруд", как уже было сказано, используется система молекулизации топлива "Ficht-RAM". Топливо под давлением 2.1 атм поступает в форсунку (рис. 2). затем впрыскивается в камеру сгорания при помощи мощного соленоида. Вся тонкость этой идеи заключается в необычной силе магнита и точно выбранных пропорциях деталей и сечений. Тут же необходимо отметить и ее слабость: более 6000 об/мин двигатель не может развить именно из-за магнитного гистерезиса и инерционных сил движущихся частей форсунки.

Результаты сравнительных испытаний, проведенных по стандартной методике фирмой "Эвинруд", показывают успехи внедренной системы. Я думаю, что, если бы фирмы "Ямаха" или "Меркюри" провели подобные испытания сами, результаты были бы несколько иными, но и при этом основной вывод был бы тот же. Уже сейчас, после первых нескольких лет внедрения новых технологий в двухтактное двигателестроение, можно сказать, что четырехтактный двигатель не устоял. Даже самый сложный двухтактный двигатель имеет меньше деталей и при одинаковой мощности всегда оказывается дешевле соперника, а за остальные показатели борьба и впредь будет вестись все ожесточеннее. Я не удивлюсь тому, что в малых двигателях будут доминировать четырехтактные, а в больших — двухтактные моторы, причем автомобилисты тоже повернутся лицом к последним.

История развивается по спирали. Пока трудно сконструировать маленькие двухтактники с прямым впрыском, поскольку не все элементы удается пропорционально уменьшить. Однако радостно сознавать, что практика уже сумела подтвердить теорию, и это справедливо.