ВИГАТЕЛЬВслед за "Мицубиси" фирма "Тойота" приступила к серийном производству двигателем с непосредственным впрыском бензина.Сергей ИОНЕС Много лет инженеры ведущих автомобильных фирм стремятся усовершенствовать процессы образования и сгорания топливно-воздушнои смеси, шаг за шагом снижая расход горючего, токсичность выхлопных газов. Чтобы точнее дозировать топливо, разработали электронный впрыск, для улучшения наполнения и продувки цилиндров головки оснастили двумя распредвалами, четырьмя и даже пятью клапанами на цилиндр, механизмом изменения фаз газораспределения. Для снижения токсичности впрыск увязали с лямбда-зондом и каталитическим нейтрализатором. Новым шагом в этом направлении стал непосредственный впрыск бензина. Первой его применила фирма "Мицубиси" на знаменитом семействе GDI, теперь такой мотор есть иу "Тойоты". В чем же хитрость непосредственного впрыска? Попробуем разобраться, как он работает, на примере нового "тойотовского" двигателя D-4. Для начала допустим, что нагрузка невелика. Тогда бензин впрыскивается вблизи верхней мертвой точки (ВМТ) хода сжатия, перед моментом зажигания. Давление струи топлива должно намного превышать возрастающее давление в самом цилиндре. У нового мотора 'Тойоты" форсунки развивают при впрыске 12 МПа (120 кгс/см2) - примерно в 40 раз выше, чем у двигателя с "обычным" впрыском. Такое высокое давление позволяет распылять большое количество топлива за минимальное время, что обеспечивает почти мгновенное испарение капелек бензина, диаметр которых не превышает 20 мкм. Кстати, именно конструкция форсунок была камнем преткновения для инженеров. Ведь сама идея непосредственного впрыска родилась уже давно, но управлять "в электрическую" потоком топлива такого высокого давления тогда еще не умели. Первой добиПоршень двигателя D-4.лась успеха знаменитая фирма "Бош", и именно это достижение позволило создать и дизели с топливной системой "коммон рейл", и бензиновый GDI фирмы "Мицубиси", а вот теперь мотор "Тойота D-4". Итак, струя топлива направляется в камеру сгорания, а через впускные клапаны подается-только воздух. Продуманная компоновка камеры сгорания, точно выверенный момент подачи топлива и воздуха позволяют смешивать бензин и воздух так, что состав получается неоднородным: в одном месте смесь беднее, а в другом - богаче. В днище поршня сделано большое углубление, по форме напоминающее фасолину, именно сюда форсунка подает струю топлива. Ее подхватывает ворвавшийся из впускного клапана воздушный вихрь, он ускоряет испарение частиц и выносит смесь прямо к электродам свечи. В результате образуется так называв-62ЗР 7/98 мая послойная смесь: возле свечи зажигания она богатая, далее располагается смесь бедного состава, а на периферии, возле стенок цилиндра - вообще чистый воздух. В среднем по объему получается сверхбедная смесь (до 35:1), а послойность обеспечивает устойчивое сгорание и высокую экономичность. Есть и еще один плюс: газы возле стенок цилиндра холоднее, чем горящая смесь возле свечи. Это не только уменьшает тепловые потери в систему охлаждения, но и обеспечивает высокую устойчивость к детонации. Поэтому при высокой степени сжатия 10 (для сравнения, у ВАЗ-2108 она составляет 9,9) двигатель 'Тойоты" способен работать на низкооктановом бензине.J*Vки^^Движение частичек топлива (красноватое "облако") при непосредственном впрыске.А теперь представим, что при тех же оборотах нагрузка выросла и количество подаваемого топлива надо резко увеличить. Чтобы не произошло локального переобогащения смеси, двигатель переключается с послойного смесеобразования на полупослойное с впрыском в два этапа: первый при впуске, а второй вблизи ВМТ на ходе сжатия. При еще более высокой нагрузке смесь становится обедненной (при впуске впрыскивается все больше бензина) и, когда требуется максимальная отдача, стехиометрической (нормальной). На современных двигателях все чаще и чаще встречаются впускные коллекторы, у которых к одному клапану ведут два канала разной формы и длины. У двигателя 'Тойоты" тоже два канала - один винтовой, другой прямой. При непосредственном впрыске по ним проходит не смесь, а воздух. На низких и средних оборотах воздух поступает в цилиндры через винтовой канал: завихрение потока необходимо для приготовления послойной смеси. При увеличении оборотов заслонка открывает прямой канал, снижая насосные потери. А вот привычной дроссельной заслонки здесь нет - подобно дизелю, работу мотора определяет количество топлива в цилиндрах. Работа форсунок и заслонок, управляемых электроникой, обеспечивает четыре типа распределения топливно-воздушной смеси: послойное, полупослойное, бедное и стехиометрическое. Еще одна особенность двигателя D-4 способствует хорошему наполнению - изменяемые фазы газораспределения (на них мы особо останавливаться не будем). Двигатель D-4 выгодно отличается от других моделей не только эффективным использованием топлива. Как уже отмечалось, его создатели добились больших ус-Схема работы катализатора накопительного типа: слева - в цилиндрах сгорает бедная смесь, справа - смесь стехиометрического состава.пехов на "экологическом фронте", внедрив систему рециркуляции отработавших газов (EGR). Через нее проходит до 40% выхлопных газов - это уменьшает температуру сгорания, тем самым снижая образование ядовитых оксидов азота NO x . Правда, большой объем газов стремится дестабилизировать рабочий процесс. Но вращение воздуха в камере сгорания и послойное смесеобразование снижают его влияние. Не только рециркуляция улучшает экологические показатели двигателя. Он, конечно же, оснащен каталитическим нейСравнительная характеристика стандартного двигателя и D-4 того же объема.трализатором, причем новейшего накопительного типа. Это означает, что при работе двигателя на смесях беднее стехиометрической платина нейтрализатора превращает окись азота NO и кислород О2 в двуокись азота N02, которая временно накапливается в нейтрализаторе. Но как только двигатель начинает работать на стехиометрической смеси, двуокись азота N02 освобождается и, смешиваясь с несгоревшими углеводородами СН и окисью углерода СО, переходит в азот N2, воду Н2О, двуокись углерода СО2 и другие безвредные компоненты. Рециркуляция выхлопных газов и каталитический нейтрализатор-накопитель даже при работе двигателя на сверхбедной смеси снижают эмиссию (выпуск) N0 на 95%. Подведем итоги. Сочетание всех описанных выше технических решений обеспечивает немалую (до 30%) экономию бензина по сравнению с традиционными моторами. Сравнительные испытания машин с D-4 и стандартными двигателями подтвердили этот результат. Регулируемые фазы газораспределения позволили получить гибкую характеристику крутящего момента, динамика автомобиля с новым мотором улучшилась на 10%. Добавим сюда способность работать на низкооктановом, правда, только неэтилированном горючем. Наконец, рециркуляция и нейтрализатор заметно снижают токсичность выхлопных газов. Получается, все эти решения - новые козыри "Тойоты" в конкурентной борьбе. Можно предположить, что непосредственный впрыск при искровом зажигании в ближайшем будущем найдет применение и на двигателях других ведущих автомобильных фирм мира. Тем не менее, сама "Тойота" пока осторожничает: двигатель D-4 будут устанавливать только на модель "Корона-Премио", предназначенную для внутреннего рынка Страны восходящего солнца.Двигатель D-ьI1 sо5 <Ж+ 10%3 о;S|Q.JJ. 2000 4000 6000 Частота вращения коленчатого вала, об/минЗР 7/9863