Главные плюсы и минусы двигателей с непосредственным впрыском топлива

Прямой впрыск топлива – хорошо или плохо?

Двигатели с непосредственным впрыском (также используется термин «прямой впрыск», или GDI) начали появляться на автомобилях не так давно. Однако технология набирает популярность и все чаще встречается на моторах новых автомобилей. Сегодня мы в общих чертах постараемся ответить, что такое технология непосредственного впрыска и стоит ли ее опасаться?

 

Для начала стоит отметить, что главной отличительной особенностью технологии является расположение форсунок, которые размещены непосредственно в головке блока цилиндров, соответственно, и впрыск под огромным давлением происходит напрямую в цилиндры, в отличие от давно зарекомендовавшей себя с лучшей стороны системы впрыска горючего во впускной коллектор.

 

Прямой впрыск впервые был испытан в серийном производстве японским автопроизводителем Mitsubishi. Эксплуатация показала, что среди плюсов главными преимуществами стали экономичность – от 10% до 20%, мощность – плюс 5% и экологичность. Основной минус – форсунки крайне требовательны к качеству топлива.

Стоит также отметить, что схожая система уже долгие десятилетия успешно устанавливается на дизельные двигатели. Однако именно на бензиновых моторах применение технологии было сопряжено с рядом трудностей, которые до сих пор не были окончательно решены.

 

В видео с YouTube-канала «Savagegeese» объясняется, что такое прямой впрыск и что может пойти не так в ходе эксплуатации автомобиля с данной системой. В дополнение к главным плюсам и минусам в видеоролике также объясняются тонкости профилактического обслуживания системы.  Кроме того, в ролике затрагивается тема систем впрыска во впускные каналы, которые можно в изобилии наблюдать на более старых моторах, а также моторы, которые используют оба метода впрыска горючего. Наглядно используя диаграммы Bosch, ведущий объясняет, как все это работает.

 

Чтоб узнать все нюансы, предлагаем посмотреть видео ниже (включение перевода субтитров поможет разобраться, если вы не очень хорошо знаете английский). Для тех, кому не слишком интересно смотреть, об основных плюсах и минусах непосредственного впрыска бензина можно прочитать ниже, после видео:

 

Итак, экологичность и экономичность – благие цели, но вот чем чревато использование современной технологии в вашем автомобиле:

 

Минусы

 

1. Очень сложная конструкция.

 

2. Отсюда вытекает вторая важная проблема. Поскольку молодая бензиновая технология подразумевает внесение серьезных изменений в конструкцию головок цилиндров двигателя, конструкцию самих форсунок и попутное изменение иных деталей мотора, к примеру ТНВД (топливный насос высокого давления), стоимость автомобилей с непосредственным впрыском топлива выше.

 

3. Производство самих частей системы питания также должно быть крайне точным. Форсунки развивают давление от 50 до 200 атмосфер.

 

Прибавьте к этому работу форсунки в непосредственной близости со сгораемым топливом и давлением внутри цилиндра и получите необходимость производства очень высокопрочных компонентов.

 

4. Поскольку сопла форсунок смотрят в камеру сгорания, все продукты сгорания бензина также осаждаются на них, постепенно забивая или выводя форсунку из строя. Это, пожалуй, самый серьезный минус использования конструкции GDI в российских реалиях.

 

5. Помимо этого необходимо очень тщательно следить за состоянием двигателя. Если в цилиндрах начинает происходить угар масла, продукты его термического распада достаточно быстро выведут из строя форсунку, засорят впускные клапаны, образовав на них несмываемый налет из отложений. Не стоит забывать, что классический впрыск с форсунками, расположенными во впускном коллекторе, хорошо очищает впускные клапаны, омывая их под давлением топливом.

 

6. Дорогой ремонт и необходимость профилактического обслуживания, которое тоже недешевое.

Помимо этого, в видео также объясняется, что при ненадлежащей эксплуатации на автомобилях с прямым впрыском могут наблюдаться загрязнение клапанов и ухудшение производительности, в особенности на турбированных двигателях.

 

Смотрите также: Подробное объяснение принципа работы двигателя с переменным сжатием Infiniti

 

Плюсы

 

1. Экологичность.

 

2. Экономичность (правда, здесь нужно сделать оговорку: реальная экономия бензина доступна в условиях, близких к идеальным) – экономия 5-10%.

 

3. Немного более высокая мощность.

 

4. GDI при непосредственном попадании топлива в цилиндр охлаждает головку поршня.

 

5. Происходит лучшее смешение топливовоздушной смеси в цилиндрах.

 

6. Меньше детонация.

 

7. Требуется гораздо меньше топлива, смесь при определенных условиях работы мотора может обедняться до 30:1

 

8. Процесс работы двигателя точнее контролируется при помощи компьютера.

 

Таким образом, если выполнять определенные правила, предписанные автопроизводителем, а именно заправляться на проверенных заправках качественным топливом и регулярно проводить техническое обслуживание топливной системы автомобиля, то ухудшения качеств мотора, а тем более поломок оборудования можно избежать. Специалисты также советуют проводить прочистку форсунок после каждых 50-60 тыс. км.

Устройство и принцип действия система непосредственного впрыска бензина Bosch Motronic MED 7

Первостепенной целью разработки новых двигателей является снижение расхода топлива и соответствующее ему уменьшение выброса вредных веществ. В трехкомпонентных нейтрализаторах удается преобразовать в безвредные вещества до 99%
выбрасываемых с отработавшими газами углеводородов, оксидов азота и оксида углерода. Выбросы образуемого при сгорании диоксида углерода (CO2), способствующего образованию парникового эффекта, могут быть снижены только в результате уменьшения
расхода топлива. Однако, у двигателей с внешним смесеобразованием (с впрыском бензина во впускной трубопровод) резервы снижения расхода топлива практически отсутствуют. Двигатели с непосредственным впрыском бензина в цилиндры, осуществляемым посредством системы Bosch Motronic MED 7 позволяют экономить до 15% топлива по сравнению с сопоставимым двигателем с впрыском бензина во впускной трубопровод.

Как осуществляется подача топлива?

 

Зачем нужен непосредственный впрыск бензина?

 

Первостепенной целью разработки новых двигателей является снижение расхода топлива и уменьшение выброса вредных веществ.

При этом должны быть получены следующие результаты:

• снижение благодаря экономии топлива затрат на эксплуатацию автомобиля и получение поощрительных налоговых льгот для автомобилей с низкими выбросами вредных веществ
• снижение загрязнения среды обитания вредными веществами
• экономия сырьевых ресурсов

• Электронное регулирование системы охлаждения, регулируемые фазы газораспределения и рециркуляция отработавших газов уже нашли применение на многих двигателях
• Ввиду необходимости сохранения достаточной равномерности вращения коленчатого вала отключение цилиндров имеет смысл применять только на многоцилиндровых двигателях. Для снижения вибраций четырехцилиндровых двигателей целесообразно применять уравновешивающие валы
• Переменная степень сжатия и изменяемые фазы газораспределения реализуются только посредством достаточно мощных
• механических приводов
• Дальнейшая разработка различных способов сжигания бедных смесей прекращена в ползу создания двигателей с непосредственным впрыском
• Непосредственный впрыск бензина принят как наиболее эффективное средство экономии топлива,
• обеспечивающее его снижение до 20%

 

Преимущества непосредственного впрыска бензина

Уменьшение дросселирования при работе двигателя на бедных послойной и гомогенной смесях.

При работе двигателя на этих смесях коэффициент избытка воздуха изменяется в пределах от 1,55 до 3. При этом дроссельная
заслонка открывается на больший угол, то есть впуск воздуха в цилиндры осуществляется с меньшим сопротивлением.

Работа двигателя на бедных смесях.

При применении послойного смесеобразования удается эффективно сжигать бедные смеси с коэффициентом избытка воздуха от 1,6 до 3, а при работе двигателя на гомогенной бедной смеси коэффициент избытка воздуха равен приблизительно 1,55.

Снижение потерь тепла в стенки.

Так как горение смеси происходит главным образом вблизи свечи зажигания, снижаются потери тепла в стенки цилиндра и
соответственно повышается термический коэффициент полезного действия.

Сжигание гомогенной смеси с высоким содержанием перепускаемых отработавших газов.

Благодаря высокой турбулизации заряда цилиндра двигателя удается эффективно сжигать гомогенные бедные смеси с содержанием отработавших газов до 25%. Чтобы впустить в цилиндры то же количество воздуха, какое поступает в них при перепуске

небольших доз отработавших газов, нужно открывать дроссельную заслонку на больший угол. При этом воздух засасывается в
цилиндры с меньшим сопротивлением, то есть снижаются насосные потери.

Степень сжатия

При непосредственном впрыске бензина затрачиваемое на его испарение тепло отбирается у поступившего в цилиндры
двигателя воздуха. В результате снижается вероятность детонационного сгорания и степень сжатия может быть повышена.
Повышение степени сжатия приводит к росту давления в конце сжатия и соответственно к увеличению термического коэффициента полезного действия.

Расширение диапазона принудительного холостого хода с выключенной подачей топлива.

Частота вращения холостого хода, на которой производится возобновление подачи топлива может быть снижена, так как впрыскиваемое топливо практически не осаждается на стенках цилиндра и большая его часть может быть немедленно использована. Поэтому двигатель работает устойчиво с пониженной частотой вращения.

Способы смесеобразования.

Помимо бедной послойной и стехиометрической гомогенной смесей в двигателе FSI используется смесь третьего вида, а именно, бедная гомогенная смесь. Этот вид смеси позволяет получить меньший расход топлива, чем смесь стехиометрического состава с добавкой перепускаемых отработавших газов. Выбор того или иного способа смесеобразования производится блоком управления двигателем в зависимости от крутящего момента и мощности двигателя с учетом требований к выбросу вредных
веществ и требований безопасности.

Работа двигателя при послойном смесеобразовании.

Послойное смесеобразование используется при работе двигателя при малых и средних нагрузках и частотах вращения.
Благодаря послойному распределению топлива в камере сгорания двигатель работает при общем коэффициенте избытка воздуха от 1,6 до 3.

• В средней части камеры сгорания, вблизи свечи зажигания, находится легко воспламеняемая рабочая смесь.
• Эта смесь окружена оболочкой, состоящей в идеальном случае из чистого воздуха и перепускаемых отработавших газов.

Работа двигателя на бедной гомогенной смеси.

На промежуточных режимах, расположенных между режимами работы двигателя на послойной смеси и гомогенной стехиометрической смеси, используются бедная гомогенная смесь. Коэффициент избытка воздуха бедной гомогенной, т. е. однородной во всем объеме камеры сгорания, смеси приблизительно равен 1,55.

Работа двигателя на гомогенной смеси стехиометрического состава.

Двигатель работает на гомогенной смеси стехиометрического состава при выходе на режимы больших нагрузок и высоких частот вращения. Коэффициент избытка воздуха этой смеси равен (согласно определению) единице.

Рабочий процесс.

Рабочий процесс определяется способом смесеобразования и процессами преобразования энергии в камере сгорания.
Работа двигателя на гомогенных смесях При работе двигателя на гомогенных смесях топливо впрыскивается в цилиндр на такте
впуска и равномерно распределяется по всей массе засасываемого воздуха.

Работа двигателя при послойном смесеобразовании.

Послойная смесь формируются около свечи зажигания с помощью поршня специальной формы и за счет вихревого движения воздуха. Форсунка расположена так, что впрыскиваемое ею топливо направляется на выемку в днище поршня и отклоняется ее
стенкой в направлении свечи зажигания. С помощью установленной во впускном канале заслонки и аэродинамической выемки в
поршне в цилиндре двигателя создается вихревое движение воздуха, которое поддерживает перенос топлива к свече зажигания. Таким образом горючая смесь образуется в процессе движения топлива и воздуха.

Работа двигателя при послойном смесеобразовании.

Переход двигателя на режим работы с использованием послойной смеси осуществляется при следующих условиях:

• нагрузка и частота вращения двигателя соответствуют режимам, на которых эффективно использование послойного смесеобразования;
• системой не зарегистрирована неисправность, из/за которой может повыситься выброс вредных веществ;
• температура охлаждающей жидкости выше 50 °C,
• датчик окислов азота исправен;
• температура накопительного нейтрализатора находится в пределах от 250°C до 500°C. Если эти предпосылки выполнены, можно перейти на послойное смесеобразование.

Процесс впуска

При работе на послойной смеси дроссельную заслонку открывают по возможности больше, чтобы до максимума снизить потери на дросселирование. При этом установленная во впускном канале вспомогательная заслонка (называемая в дальнейшем впускной заслонкой) перекрывает его нижнюю часть. В результате повышается скорость проходящего через верхнюю часть канала потока воздуха, который закручивается затем в цилиндре.

Движение воздуха в цилиндр двигателя.

Специальная форма выемки в днище поршня способствует образованию и усилению вихря в цилиндре двигателя.

Впрыск топлива.

Топливо впрыскивается в последней трети такта сжатия. Впрыск начинается приблизительно за 60° и заканчивается приблизительно за 45° до в. м. т. такта сжатия. Начало впрыска оказывает значительное влияние на расположение облачка смеси
относительно свечи зажигания.

Топливо впрыскивается в направлении топливной выемки в поршне. Желаемые размеры облачка смеси достигаются подбором геометрических параметров форсунки.

Специальная форма топливной выемки и движение поршня к в. м. т. способствуют отклонению движения капель топлива к свече
зажигания. Это движение топлива поддерживается вихревым движением воздуха. В процессе движения к свече зажигания
топливо смешивается с поступившим в цилиндр воздухом.

Процесс смесеобразования

Для образования послойной смеси предоставляется время, соответствующее повороту коленчатого вала на 40° / 50°. От
продолжительности этого процесса зависит способность смеси к воспламенению. Если время между впрыском и моментом подачи искры слишком мало, смесь оказывается не подготовленной к воспламенению. При слишком большом промежутке времени между этими процессами смесь распределяется по всему объему камеры сгорания. При выполнении указанных выше условий в центре камеры сгорания, т. е. вблизи свечи, образуется легко воспламеняемая смесь. Эта смесь окружена оболочкой, состоящей из свежего воздуха и перепущенных отработавших газов. Общий коэффициент избытка воздуха в камере сгорания может быть равен при этом от 1,6 до 3.

Процесс сгорания.

После поступления топливо/воздушной смеси к свече зажигания она поджигается искрой. При этом воспламеняется только облако смеси, в то время как остальные газы образуют его оболочку. Благодаря изолирующему действию этой оболочки снижаются потери тепла в стенки камеры сгорания и соответственно увеличивается термический к. п. д. двигателя.
Зажигание смеси должно производиться в конце такта сжатия в пределах достаточно узкого угла поворота коленчатого вала,
ограниченного моментом окончания впрыска топлива и промежутком времени, необходимого для образования смеси.

Работа двигателя на бедной гомогенной смеси.

Эта смесь используется на режимах, которые находятся в поле многопараметровой характеристики между режимами работы двигателя при послойном смесеобразовании и режимами его работы на гомогенной смеси стехиометрического состава. Коэффициент избытка воздуха этой смеси равен практически 1,55. Двигатель может эффективно работать на этой смеси при тех же условиях, которые предписаны для послойной смеси.

Процесс впуска.

Как при послойном смесеобразовании, работа двигателя на бедной гомогенной смеси осуществляется с максимально
открытой дроссельной заслонкой при закрытых впускных заслонках. При этом снижаются потери на дросселирование и
создается интенсивное движение воздуха в цилиндре двигателя.

Процесс впрыска топлива

Впрыск топлива осуществляется непосредственно в цилиндр в процессе впуска. Он начинается приблизительно за 300° до
в. м. т. такта сжатия. При этом блок управления двигателем регулирует подачу топлива таким образом, чтобы коэффициент избытка воздуха был равен приблизительно 1,55.

Процесс смесеобразования

Благодаря раннему моменту впрыска предоставляется достаточно большое время до момента зажигания для образования гомогенной смеси во всем объеме камеры сгорания.

Процесс сгорания

Как и при работе на любой гомогенной смеси момент зажигания не зависит от процесса смесеобразования. Смесь горит при этом во всем объеме камеры сгорания.

Работа двигателя на гомогенной смеси стехиометрического состава.

Работу двигателя на гомогенной смеси стехиометрического состава можно сравнить с работой двигателя с впрыском бензина во впускной трубопровод. Существенное различие заключается только в месте впрыска топлива, который производится в данном случае непосредственно в цилиндры двигателя. Крутящий момент двигателя может быть изменен как смещением угла опережения зажигания
(кратковременно), так и изменением поступающей в цилиндры массы воздуха (долговременно). При этом впрыскивается такое количество топлива, которое необходимо для образования стехиометрической смеси, коэффициент избытка воздуха которой (по определению) равен единице.

Процесс впуска

Дроссельная заслонка открывается соответственно перемещению педали акселератора. Впускная заслонка может быть открыта или
закрыта в зависимости от режима работы двигателя. При частичных нагрузках и в среднем диапазоне частот вращения эта заслонка закрыта, в результате чего входящий в цилиндр поток воздуха закручивается, улучшая смесеобразование. По мере увеличения нагрузки и частоты вращения поступление воздуха только через верхнюю часть впускного канала оказывается недостаточным. Поэтому заслонку
поворачивают, открывая нижнюю часть впускного канала.

Впрыск топлива

Впрыск топлива производится непосредственно в цилиндр на такте впуска приблизительно за 300° до в. м. т. такта сжатия.

Процесс смесеобразования

Так как впрыск топлива производится на такте впуска, на процесс смесеобразования отводится относительно много времени.
Благодаря этому впрыснутое в цилиндр топливо равномерно распределяется по всему объему поступившего в него воздуха.
Коэффициент избытка воздуха смеси в камере сгорания равен единице.

Процесс сгорания

Крутящий момент двигателя, расход топлива и выброс вредных веществ при работе на гомогенной смеси зависят от угла опережения зажигания.

 

Система впуска

 

У двигателей с непосредственным впрыском бензина система впуска была изменена в соответствии с их потребностями. Ее особенностью является целенаправленное воздействие на потоки воздуха в цилиндрах двигателя в зависимости от режимов его работы.

1. Пленочный измеритель массового расхода воздуха с датчиком температуры воздуха на впуске для более точного определения нагрузки двигателя
2. Датчик давления во впускном трубопроводе для расчета количества перепускаемых отработавших газов
3. Система заслонок во впускных каналах для целенаправленного управления потоками воздуха на входе в цилиндры двигателя
4. Электромагнитный клапан системы рециркуляции отработавших газов с увеличенными проходными сечениями для перепуска большего количества газов
5. Датчик давления для регулирования разрежения в магистрали к вакуумному усилителю тормозного привода
6. Блок управления дроссельной заслонкой
7. Клапан продувки адсорбера
8. Блок управления системой Motronic

Система впускных заслонок

Впускные заслонки и их привод расположены в нижней и верхней частях впускной системы. Заслонки служат для управления потоками воздуха, поступающего в цилиндры двигателя, в зависимости от режимов работы двигателя.

Работа двигателя с закрытыми впускными заслонками

При работе двигателя на послойных и бедных гомогенных смесях, а также на некоторых режимах с использованием гомогенных смесей стехиометрического состава заслонки перекрывают нижние части впускных каналов, расположенных в головке цилиндров. При этом воздух проходит в цилиндры только через верхние части впускных каналов. Форма верхней части впускного канала подобрана
таким образом, чтобы впускаемый в цилиндр воздух закручивался на входе в него. Помимо этого повышенная скорость проходящего через зауженный канал воздуха способствует смесеобразованию.

Реализуются два преимущества:

• При послойном смесеобразовании вихревое движение воздуха обеспечивает перенос топлива к свече зажигания. Образование смеси осуществляется в процессе этого движения.
• Вихревое движение воздуха создает условия для образования гомогенных бедной и стехиометрической смесей. Благодаря ему повышается воспламеняемость и достигается стабильное горение бедных смесей

 Работа двигателя с открытыми впускными заслонками

При работе двигателя на режимах с высокой нагрузкой и при высоких частотах вращения воздушные заслонки открыта и воздух
проходит в цилиндры через обе части впускных каналов. Большое сечение впускного канала обеспечивает наполнение цилиндра,
необходимое для получения высокой мощности и крутящего момента

Определение количества перепускаемых отработавших газов

Блок управления двигателем определяет с помощью измерителя расхода поступающую в цилиндры массу воздуха и рассчитывает соответствующее ее величине давление во впускном трубопроводе. При рециркуляции отработавших газов их масса добавляется к массе свежего воздуха и соответственно повышается давление во впускном трубопроводе. Датчик давления во впускном трубопроводе реагирует на это изменением напряжения на его выходе, которое передается на вход блока управления двигателем. По величине этого сигнала определяется суммарное количество воздуха и отработавших газов, поступающих в цилиндры двигателя. Количество перепускаемых отработавших газов определяется вычитанием количества свежего воздуха из суммарной величины. Преимуществом такого метода определения количества перепускаемых отработавших газов является возможность увеличения их доли в рабочей смеси и приближения к границе воспламеняемости смеси.

Последствия при отсутствии сигнала датчика давления во впускном трубопроводе.
При выходе датчика давления во впускном трубопроводе из строя блок управления определяет количество перепускаемых газов
расчетным путем и снижает перепуск против значений, соответствующих многопараметровой характеристике.

Топливная система

Топливная система разделена на контуры высокого и низкого давления. Часть топлива подводится в цилиндры через систему улавливания паров бензина.

Контур низкого давления

Контур низкого давления охватывает часть топливной системы от расположенного в баке электронасоса до насоса высокого давления. Давление топлива в этом контуре обычно равно 3 бар и только при пуске горячего двигателя может быть повышено до 5,8 бар.

Контур высокого давления

Контур высокого давления начинается с топливного насоса высокого давления, который подает топливо в распределительный
трубопровод. На распределительном трубопроводе установлен датчик давления топлива, сигналы которого используются для
поддержания давления в диапазоне от 50 до 100 бар посредством клапана регулятора. Впрыск топлива в цилиндры осуществляется через форсунки высокого давления.

В контур низкого давления входят:
     1. топливный бак
     2. топливный электронасос
     3. топливный фильтр
     4. клапан перепуска топлива
     5. регулятор давления топлива
В контур высокого давления входят:
     6. топливный насос высокого давления
     7. трубопровода высокого давления
     8. распределительный трубопровод
     9. датчик давления топлива
     10. клапан регулятора давления
     11. форсунки высокого давления

Форсунки высокого давления

Форсунки установлены в головке цилиндров. Через них топливо впрыскивается под высоким давлением непосредственно в цилиндры двигателя. Назначение Форсунки должны мелко распыливать топливо за возможно короткий промежуток времени. Способ подачи топлива зависит при этом от режима работы двигателя. При послойном смесеобразовании топливо должно направляться в зону свечи зажигания, а при работе двигателя на гомогенных смесях его необходимо равномерно распределять в объеме камеры сгорания.

Чтобы получить наилучшее распределение топлива при послойном смесеобразовании, угол конуса факела топлива принят равным 70°, а ось конуса наклонена на 20°

Эта система должна обеспечивать выполнение законодательных норм выброса углеводородов. Эта система предотвращает попадание паров бензина из бака автомобиля

в окружающую среду. Пары топлива накапливаются в адсорбере с активированным углем и периодически отсасываются в двигатель, где они сгорают. 

При работе двигателя на гомогенных смесях
При этом рабочая смесь равномерно распределяется по объему камеры сгорания. Поступающие из адсорбера пары бензина сгорают вместе с рабочей смесью во всем объеме камеры сгорания.

При послойном смесеобразовании
При послойном смесеобразовании способная к воспламенению рабочая смесь находится только в зоне свечи зажигания. Часть поступившего из адсорбера топлива оказывается при этом в зоне невоспламеняемой смеси. Это может привести к неполному сгоранию топлива и повышенному выбросу углеводородов с отработавшими газами. Поэтому переход на послойное смесеобразование производится только при небольшом содержании топлива в адсорбере.

Блок управления двигателем рассчитывает количество топлива, которое может быть отведено из адсорбера, и вырабатывает команды на открытие клапана его продувки, изменение дозы впрыскиваемого топлива и установку дроссельной заслонки. Для этого блоком управления используется следующая данные:

• нагрузка двигателя, определяемая по сигналам измерителя расхода воздуха с пленочным чувствительным элементом
• частота вращения коленчатого вала, определяемая по сигналам датчика
• температура воздуха на впуске, определяемая по сигналам датчика
• заряд адсорбера, определяемый по сигналам датчика кислорода

Система зажигания

Задачей системы зажигания является воспламенение рабочей смеси в нужный момент времени. Для этого блок управления двигателем должен определять для каждого режима работы двигателя угол опережения зажигания, энергию искры и длительность искрообразования. От угла опережения зажигания зависят крутящий момент, выброс вредных веществ и расход топлива двигателя.

При послойном смесеобразовании
момент зажигания может изменяться в узком диапазоне значений угла поворота коленчатого вала, которому соответствует
образование способной к воспламенению смеси.

При работе на гомогенных бедной и стехиометрической смесях.
Требования к зажиганию не отличаются от них у двигателей с впрыском бензина во впускные каналы. Ввиду одинакового распределения
смеси у двигателей с обеими системами впрыска оптимальные углы опережение зажигания практически не отличаются.

При расчете оптимальных углов опережения зажигания используются:

 

Основные исходные данные:
     1. о нагрузке двигателя, определяемые по сигналам измерителя расхода воздуха и датчика температуры воздуха на впуске,
     2. о частоте вращения коленчатого вала, измеряемой по сигналам датчика

Вспомогательные данные, определяемые по сигналам:
     3. датчика температуры охлаждающей жидкости,
     4. с блока управления дроссельной заслонкой,
     5. датчика детонации,
     6. датчиков положения педали акселератора,
     7. датчика кислорода.

Система выпуска

Эта система была приспособлена к двигателю с непосредственным впрыском бензина. До настоящего времени система очистки
отработавших газов двигателей с непосредственном впрыском была проблематичной. Это связано с тем, что образующиеся при работе на бедных гомогенных и послойных смесях оксиды азота не могут быть восстановлены в обычных трехкомпонентных нейтрализаторах до уровня, допускаемого законодательством. Поэтому для двигателей с непосредственным впрыском бензина применяют накопительные нейтрализаторы, которые способны удерживать оксиды азота при работе на бедных смесях. При заполнении
нейтрализатора до предела производится перевод его на режим регенерации, в процессе которого накопленные в нем оксиды азота
выводятся и восстанавливаются до азота.

Охлаждение отработавших газов
Охлаждение отработавших газов применяется для того, чтобы поддерживать температуру в накопительном нейтрализаторе в диапазоне от 250 до 500 °C. Только в этом температурном диапазоне обеспечивается удерживание оксидов азота в накопительном нейтрализаторе. Накопительный нейтрализатор необходимо охлаждать также из-за снижения его аккумулирующей способности при перегреве до температур свыше 850 °C. 

Охлаждение выпускного коллектора
В подкапотном пространстве предусмотрен воздуховод, который позволяет преднамеренно охлаждать выпускной коллектор направляемым на него потоком свежего воздуха и таким образом снижать температуру отработавших газов.

Раздвоенный выпускной трубопровод
Этот трубопровод расположен перед накопительным нейтрализатором. Его установка является вторым мероприятием по
снижению температуры отработавших газов и соответственно накопительного нейтрализатора. Температура газов снижается
за счет увеличения теплоотдачи через развитую поверхность трубопровода.

При одновременном использовании обоих мероприятий удается снижать температуру
отработавших газов на 30*100 °C в зависимости от скорости автомобиля.

Предварительный трехкомпонентный нейтрализатор.
Этот нейтрализатор встроен в выпускной коллектор. Благодаря близости к двигателю он быстро прогревается до рабочей температуры, при которой начинается очистка отработавших газов. Благодаря этому могут быть выполнены жесткие нормы на выбросы вредных веществ.

Назначение
Нейтрализатор служит для каталитического преобразования образующихся при сгорании вредных веществ в безвредные вещества.

Принцип действия

При работе двигателя на гомогенной стехиометрической смеси

Углеводороды (HC) и оксид углерода (CO) отнимают у оксидов азота (NOx) кислород (O), окисляясь до воды (h3O) и диоксида углерода (CO2). При этом оксиды азота восстанавливаются до азота (N2).

При работе двигателя на бедных смесях

Углеводороды и оксид углерода окисляются кислородом, содержащимся в избытке в отработавших газах. При этом кислород у
оксидов азота не отнимается. Поэтому при работе на бедных смесях трехкомпонентный нейтрализатор не может осстанавливать оксиды азота. Последние проходят через трехкомпонентный нейтрализатор и направляются в нейтрализатор накопительного типа.

Система непосредственного впрыска топлива GDI: что это такое и как работает?

 

Система непосредственного впрыска топлива применяется на бензиновых двигателях последних поколений с целью повышения их экономичности и увеличения мощности. Она предполагает впрыск бензина напрямую в камеры сгорания цилиндров, где и происходит его смешение с воздухом и образование топливовоздушной смеси. Первыми двигателями, которые были оснащены такой системой впрыска, стали моторы GDI (Mitsubishi). Аббревиатура GDI — расшифровывается как «Gasoline Direct Injection», что дословно переводится как «непосредственный впрыск бензина».

Устройство и принцип действия системы GDI

В наши дни системы, аналогичные Gasoline Direct Injection, используют и другие производители автомобилей, обозначая данную технологию TFSI (Audi),  FSI или TSI (Volkswagen), JIS (Toyota), CGI  (Mercedes), HPI (BMW). Принципиальными отличиями этих систем являются рабочее давление, конструкция и расположение топливных форсунок.

Конструктивные особенности двигателей GDI

Система питания воздухом двигателя GDI Классическая система непосредственного впрыска топлива конструктивно состоит из следующих элементов: Топливный насос высокого давления (ТНВД). Для корректной работы системы (создания тонкого распыливания) бензин в камеру сгорания должен подаваться под высоким давлением (аналогично дизельным моторам) в пределах 5…12 МПа. Электрический топливный насос низкого давления. Подает топливо из бензобака к ТНВД под давлением 0,3…0,5 МПа.

Датчик низкого давления. Фиксирует уровень давления, созданного электрическим насосом. Форсунки высокого давления. Осуществляют впрыск топлива в цилиндр. Оснащены вихревыми распылителями, позволяющими создавать требуемую форму топливного факела. Поршень. Имеет особую форму с выемкой, которая предназначена для перенаправления горючей смеси к свече зажигания двигателя.

Впускные каналы. Имеют вертикальную конструкцию, благодаря чему возникает обратный вихрь (закручен в противоположную сторону по сравнению с другими типами двигателей), выполняющий функцию направления смеси к свече зажигания и обеспечивающий лучшее наполнение камеры сгорания воздухом. Датчик высокого давления. Располагается в топливной рампе и предназначен для передачи информации в электронный блок управления, который изменяет уровень давления в зависимости от актуальных режимов работы двигателя.

Отличия моторов прямого впрыска топлива GDI. Особенности работы двигателей GDI

По факту мы имеем некий симбиоз дизельного и бензинового двигателей в одном и каждый производитель именует такую систему по своему. GDI двигатели у Mitsubishi, FSI ставит обозначение VW, D4 обозначение Toyota. От дизеля GDI унаследовал систему впрыска и ТНВД, от бензинового двигателя сам тип топлива и свечи зажигания. Родоначальником моторов GDI стала компания Mitsubishi, когда в 1995 году был представлен Mitsubishi Galant 1.8 GDI. Сегодняшний двигатель с непосредственным впрыском это сложная система механизмов и электронных блоков.

Двигатель с непосредственным впрыском топлива  явился миру гораздо раньше — в 50-х годах такие моторы использовал Daimler-Benz на своих гоночных машинах.

Различия (разновидности) двигателей GDI. Марки автомобилей, где используется GDI

Предпосылки создания и массового перехода большинства ведущих автопроизводителей на системы впрыска, аналогичных GDI, были достаточно предсказуемы. Экологические нормы, требующие усовершенствования систем выхлопа отработанных газов, а так же глобальная задача по созданию экономичных двигателей. В двигателях GDI реализованы несколько типов смесеобразования топливовоздушной смеси, это позволило выполнить задачи по экономии топлива, более полному сгоранию смеси и дополнительно увеличить мощность.  В совокупности такой двигатель получился благодаря доработанной системе прямого впрыска, где не малую роль играет электронная начинка.  Блок управлением двигателя, через датчики, раскиданные по системе, оперативно реагирует на малейшие изменения поведения автомобиля и подстраивает работу топливной системы под необходимые требования водителя

 

Преимущества (плюсы) двигателей GDI

 Особенностью двигателей с непосредственным впрыском является возможность работы в нескольких видах смесеобразования. Это является неоспоримым плюсом, так как многообразие в смесеобразовании дает максимальную эффективность использования топлива. При исправно работающей системе непосредственного впрыска мы получим экономию топлива за счет режима работы на сверхобедненной смеси, причем без потери мощности. В двигателях GDI увеличенная степень сжатия топливовоздушной смеси, это помогает избежать калильного зажигания и детонации, а таким образом увеличивается ресурс. Так же в положительные моменты двигателя с непосредственным впрыском нужно отнести существенное снижение выброса в атмосферу углекислого газа и других вредных веществ, а это достигается за счет многослойного смесеобразования, в свою очередь дающее более полное сгорание смеси, что дополнительно влияет на мощность двигателя.

Система GDI в результате работы обеспечивает несколько видов смесеобразования:

— послойное;
— стехиометрическое гомогенное ;
— гомогенное.
Такое многообразие делает работу двигателя экономичным, лучшее качество образования смеси, ее полное сгорание, увеличение мощности, уменьшение вредных выбросов.

Недостатки (минусы) двигателей GDI

Описание двигателей GDI было бы не полным, без упоминания отрицательных моментах эксплуатации. Главный минус GDI связан со сложностью самой системы впуска и подачи топлива. В таком варианте впрыска, двигатель GDI становится крайне чувствительным к качеству используемого топлива. В итоге проблема закоксовывания форсунок становится актуальной для водителя, потеря мощности и увеличение расхода топлива никого не обрадует. Так же в минусы можно отнести сложность обслуживания и стоимость ремонта, замены деталей и агрегатов топливной системы, поэтому важным моментом является контроль за состоянием топливной системы автомобиля.

Да, в обслуживании двигатель GDI дороже, но рабочие характеристики перекрывают этот минус. Тем более, есть средства помогающие повысить ресурс капризных деталей и узлов.

Профилактика неисправностей моторов GDI

Профилактика — это простое решение для владельца автомобиля с системой непосредственного впрыска GDI или аналогичными системами. Как мы уже писали выше, качество топлива будет играть основную роль. Понятно, что без лабораторных исследований судить о качестве топлива невозможно,  поэтому в качестве профилактических мер и защиты топливной системы от возникающих проблем могут помочь топливные присадки. Компания Liqui Moly один из мировых лидеров в производстве автохимии рекомендует, для поддержания необходимого уровня смазывающих и очищающих присадок в используемом топливе применять Langzeit Injection Reiniger арт. 7568. Постоянное применение присадки значительно снизит риск возникновения поломок связанных с топливом, пакеты присадок, поднимающие смазывающие свойства топлива надежно защитят топливную аппаратуру от скорого износа. Для лечения и профилактики загрязнений форсунок так же есть надежное средство, арт. 7554 Очиститель систем непосредственного впрыска топлива Direkt Injection Reiniger. Заменяет стендовую очистку форсунок, работает по нагару, смолам и чистит камеру сгорания. Немаловажный момент, что топливные присадки Liqui Moly начинают работать в топливной системе при повышении температуры, а в баке происходит только смешивание с топливом.

Стоит ли покупать автомобили с двигателями GDI

При должном подходе и своевременном обслуживании владелец автомобиля с системой GDI получает комфортный в управлении автомобиль с высокой тягой, мощностью и хорошей экономией топлива. И как показывают продажи таких автомобилей, на дорогах встречаться они будут чаще.

Насос системы охлаждения двигателя (помпы): устройство виды и принцип работы,фото

Топливный насос высокого давления (ТНВД): что это такое и для чего он нужен,виды,фото

Керамические колодки: плюсы и минусы,какие выбрать,отзывы,фото

ЭГУР Servotronic: что это такое и как он работает?

ПОХОЖИЕ СТАТЬИ:

• Тойота хайлендер: описание,технические характеристики,безопасность,комплектация,фото,видео.
• 2016 Германия: наиболее часто украденные бренды и модели автомобилей
• volkswagen passat b3: обзор,описание,фото,видео,характеристика .
• bmw m5 f10 описание дизайн технические характеристики фото видео
• Автомобильный бензин АИ 95 или АИ 92: какой лучше для автомобиля?
• HanTeng Red 01 — интересная электрическая концепция, несмотря на решетку для терки сыра
• Volkswagen Amarok 2017 года фото видео обзор описание комплектация.
• Volkswagen c coupe gte: обзор,описание,фото,видео,комплектация.
• Статистика продаж новых автомобилей в 2017 году в Германии.
• Mercedes GLE: обзор,двигатели,интерьер,внешний вид,цена,фото,видео.
• Какая охлаждающая жидкость лучше всего подходит для немецкого автомобиля?
• Фольксваген каравелла Т6 2016 комплектации и цены обзор описание характеристики фото видео.
• Honda N-WGN 2020 года — последний японский автомобиль Kei
• Бмв е39: обзор,описание,фото,видео,комплектация,характеристики
• Бмв е90: описание,обзор,фото,видео,комплектация,характеристики.

Как работает непосредственный (прямой) впрыск топлива и чем он лучше?

Если Вы читали статью о том, как работает двигатель, то знаете, что бензиновые двигатели работают, высасывая смесь бензина и воздуха в цилиндр, сжимая его поршнем, когда тот движется вверх, и поджигая его искрой от свечи зажигания; в результате взрыва происходит сильное увеличение давления в камере сгорания, что приводит к движению поршня вниз, производя энергию — в конечном счёте вращательную.

Традиционная (непрямая) система впрыска топлива предварительно смешивает бензин и воздух в камере в непосредственной близости от цилиндра — камера эта называется впускным коллектором. В системе непосредственного впрыска, однако, воздух и бензин не смешиваются предварительно. Воздух поступает в камеру сгорания через впускной коллектор, в то время как бензин впрыскивается непосредственно в цилиндр. Именно так работает непосредственный впрыск топлива и поэтому он так называется.

Топливо-воздушная смесь в камере сгорания, клапаны, форсунка прямого впрыска и свеча зажигания

Плюсы прямого впрыска топлива

В сочетании с ультраточным управлением с помощью компьютера прямой впрыск обеспечивает более точное управление дозировкой топлива (количество впрыскиваемого топлива) и воздуха. Расположение инжектора также способствует более оптимальному распылению, которое разрушает струю жидкого бензина на более мелкие капельки и превращая его, можно сказать, в пыль. В результате обеспечивается более полное сгорание бензина, что очень важно, когда для сгорания этого выделяется так мало времени на высоких оборотах. Проще говоря, при непосредственном впрыске топлива больше бензина сжигается, что приводит к большей мощности и уменьшению загрязнения в расчёте на каждую каплю бензина.

Минусы непосредственного впрыска топлива

Основными недостатками двигателей с прямым впрыском бензина являются сложность этой системы и, как следствие, её конечная стоимость. Системы прямого впрыска дороже производить, потому что их компоненты должны быть более прочными и точными — они обращаются с топливом при значительно более высоких давлениях, чем косвенные системы впрыска, и, кроме того, сами форсунки должны быть в состоянии выдержать высокую температуру сгорания и разрушительное давление в цилиндре.

Насколько лучше прямой впрыск, чем непрямой?

Для примера, General Motors для автомобилей Cadillac CTS производит два аналогичных двигателя с прямым и косвенным впрыскиванием — 3,6-литровый двигатель V6. Двигатель с непрямым впрыском производит 263 лошадиных силы, в то время как версия с непосредственным впрыском топлива развивает 304 лошадиные силы. Несмотря на увеличенную мощность, двигатель с непосредственным впрыском в то же время более экономичен — 18 миль на галлон против 17 миль на галлон бензина в условиях города и равный расход в условиях трассы. Ещё одно преимущество двигателей с непосредственным впрыском топлива — это то, что в силу особенности своей технологии они менее требовательны к октановому числу бензина.

Технология прямого впрыска далеко не новая — она известна ещё примерно с середины 20-го века. Однако, тогда всего несколько автопроизводителей приняли её для массового производства автомобилей. Тогда, из-за дороговизны производства и отсутствия должного ассистирования компьютера, механический карбюратор был доминирующим в системах подачи топлива — вплоть до 1980-х годов. Тем не менее, давние и непрекращающиеся циклические события, такие как резкий рост цен на топливо и ужесточения в законодательстве по экономии топлива и экологичности выбросов, привели многих автопроизводителей к началу разработки системы прямого впрыска топлива. Вы, скорее всего, будете видеть больше и больше автомобилей, использующих непосредственный впрыск топлива, в ближайшем будущем.

Более того, практически все дизельные двигатели используют прямой впрыск топлива. Впрочем, дизели используют немного другой процесс сжигания топлива: бензиновые двигатели сжимают смесь бензина и воздуха и поджигают его искрой, в то время как дизели сжимают воздух, и только затем распыляют топливо в камеру сгорания, которое воспламеняется от температуры сжатого воздуха и его давления.

Совершенство непосредственности: 80 лет эволюции моторов с прямым впрыском

Битва в воздухе

Так уж получилось, что первые двигатели внутреннего сгорания были рассчитаны на работу на газовоздушной смеси, а вовсе не на жидкости. И именно возможность создания простейшего устройства испарения топлива позволила бензиновым моторам завоевать себе главенствующее место в мире, потеснив и паровые машины, и дизели. Бензиновые моторы и сейчас порой ошибочно называют «карбюраторными», отдавая дань той схеме питания, с которой они родились и развивались почти столетие.

В противоположность карбюраторным моторам дизели не называли «моторами с непосредственным впрыском» – ограничивались классификацией по типу топлива. И очень правильно сделали, ведь перед Второй мировой непосредственный впрыск массово появился на бензиновых авиационных моторах. Внедряли такие системы питания для повышения надежности работы компрессорных двигателей при больших ускорениях и при сильном изменении как атмосферного давления, так и давления наддува. Об экономичности, заметим, тогда задумывались мало.

Первым «непосредственным» мотором считается немецкий Daimler-Benz DB601, который испытали еще в 1935 году, а в серию он пошел после 1937-го. Кстати, производили его в Италии – как Alfa Romeo, а в Японии – как Kawasaki. Его наследник DB605 оснащался непосредственным впрыском, а заодно и турбонаддувом, прямо как современные моторы TSI. И имел очень высокую для тех лет степень сжатия – 7,3/7,5.

Эти V-образные 12-цилиндровые двигатели применялись на самых массовых немецких истребителях второй мировой – Me109 в различных вариантах, и обеспечивали им очень высокую мощность и высотность. Не в последнюю очередь благодаря удачному сочетанию системы питания и наддува. Лицензию на DB601 дали и другим производителям авиамоторов «стран Оси», и к немецкому опыту приобщились моторостроители Италии и Японии.

По другим данным, первенцем все же является Jumo 210G, но сейчас это не столь принципиально. В итоге СССР, США и Англия от немцев немного отстали, но свои моторы с такой системой впрыска сделали и войну выиграли. А «непосредственный» мотор конструкции Швецова, АШ-82ФН, послужил основой для двигателей пассажирских Ил-12/Ил-14. Кстати, на этой модификации впрыск был комбинированным – для улучшения пусковых качеств.

На фото двигатель АШ-82ФН

Что роднит все авиационные моторы с непосредственным впрыском этого поколения? Высокая сложность обслуживания и эксплуатации. Но для военных нет такого слова, как «дорого», да и слово «сложно» тоже их не волнует, если итоговая надежность работы и характеристики их устраивают. Победа нужна любой ценой – даже в технике.

Бензин с примесью масла для смазки ТНВД (топливного насоса высокого давления), тонкая настройка топливной аппаратуры и ресурс всего мотора в пределах 200-400 часов – это не страшно. Главное – устойчивая работа при высочайших перегрузках, когда пилот уже теряет зрение, а конструкция трещит по швам, работа в перевернутом положении, работа при температуре воздуха -50 °C и при жаре +40 °C… Да к тому же карбюраторы очень плохо сочетались с системной наддува, которая обязательно применялась на высотных истребителях и бомбардировщиках, так что непосредственный впрыск был очень удачной заменой.

Попытка номер раз, ТНВД и насос-форсунки

После войны непосредственный впрыск «на гражданке» не прижился – очень известный Mercedes 300SL считать «обычной машиной» как минимум странно. Borgward недолго выпускал свой 700 Sport с двухтактным (!) мотором непосредственного впрыска. Зато гоночные автомобили оценили новые возможности: и Ferrari, и Mercedes успешно опробовали новшества.

Знаменитый гонщик Хуан Мануэль Фанхио на Mercedes Typ W196 с непосредственным впрыском выиграл чемпионат мира Формулы-1 1954 и 1955 годов. Правда, подавляющее преимущество над соперниками дал вовсе не впрыск, а возможности команды и десмодромный ГРМ рядного восьмицилиндрового мотора с рабочими оборотами 8 500 в минуту. А после разрешения в регламенте Формулы наддува непосредственный впрыск применили и в Ferrari. И на протяжении нескольких лет успели опробовать какое-то количество конструктивных схем системы питания. Надо сказать, весьма успешно.

Суть конструкции мало изменилась с сороковых годов: все тот же практически «дизельный» ТНВД и простые форсунки. Варьировалось только конструктивное исполнение: форсунки могли быть боковыми с верхним, нижним или центральным расположением, а топливный насос различался по способу регулирования и количеству настроенных режимов.

Попробовали почти все варианты исполнения системы, доступные на тот момент. Вскоре выяснилось, что надежность топливной аппаратуры оставляет желать лучшего, настройка крайне сложна, а при отказе системы растет риск выхода из строя мотора целиком. Это уже не говоря об очень высокой цене такой системы питания. Плюс, для атмосферных моторов прирост мощности оказался откровенно невелик, а экономичность все еще не имела особого значения при проектировании автомобилей. По сути, основной причиной экспериментов с впрыском было широкое внедрение наддува на гоночных машинах того периода.

Главная претензия была к возможностям настройки ТНВД – их не хватало даже для гоночных машин. Регулирование по давлению во впускном коллекторе и степени открытия дроссельной заслонки показало себя не очень точным. Попытки приспособить электронику для управления еще больше снижали надежность, хотя идея была не нова – впервые электроуправляемый впрыск появился еще на мотоциклах Guzzi в 1939 году.

Форсунки тоже оказались очень уязвимы – не зря на тот момент многие производители предпочли вариант с их боковым расположением на стенке блока ниже ВМТ (верхней мертвой точки), где поршень закрывал форсунку в момент воспламенения. Это немного уменьшало закоксовывание и шансы на перегрев форсунки, но всех проблем не решало, к тому же создавало новые – с поршневыми кольцами, например.

В общем, карбюратор и набирающий популярность обычный распределенный впрыск на тот момент оказались лучше за счет более простой и надежной конструкции. Причем как на гражданских машинах, так и на гоночных. В конце 60-х о прямом впрыске забыли, и надолго, а заодно запретили наддув в большинстве гоночных классов. Прогресс в этом направлении остановился.

Попытка номер два, уже с электроникой

Снова вспомнили о технологии уже в девяностые годы, когда обычный распределенный впрыск с электронным управлением прочно завоевал свое место под солнцем. Компания Mitsubishi вложила немало сил в развитие и рекламу моторов GDI, а Toyota – двигателей D4. У обоих был непосредственный впрыск.

В первую очередь акцент делался уже на экономичность такого решения – на малой нагрузке такой мотор в теории мог работать на сверхобедненной смеси, с соотношением бензин-воздух порядка 40 к 1 вместо «идеального» 14,7 к 1.

Что обещало до 20% экономии топлива.

А вот на практике получилось не так уж здорово.

Сниженного расхода топлива добиться было нереально. Моторы Mitsubishi на целом ряде модификаций, особенно европейских, вообще не работали на переобедненной смеси, прошивка этого не позволяла. И даже если мотор имел подобные режимы, то в реальной эксплуатации работал на них очень редко. Система управления старалась их не допускать для предотвращения излишних выбросов окислов NO – с ними не могли справиться даже очень дорогие специальные катализаторы.

А вот топливная аппаратура оказалась отменно капризной – в частности, пусковые качества в холодную погоду пострадали. Хорошо хоть с настройкой режимов работы мотора проблем не возникло благодаря широкому внедрению электроники.

Зато уже на примере первых моторов GDI накопился богатый опыт, который говорил о плохих условиях работы впускных клапанов и повышенной склонности к залеганию поршневых колец. Компания даже специально разработала жидкость для раскоксовки – Mitsubishi Shumma, которая до сих пор остается единственным специализированным «заводским» средством для подобного применения. Других сопутствующих проблем тоже хватало – например, форсунки пропускали топливо в масло, причем в больших количествах. Особых проблем это не доставляло, пока объем бензина не превосходил объем масла.

«Тойотовцы», в отличие от своих соотечественников, благоразумно решили не выводить свои «непосредственные» моторы за пределы домашнего рынка, а вот Mitsubishi, что называется, получили «по полной». Удар по репутации получился значительный, и последствия аукаются до сих пор.

Возможности на новом уровне

После устранения первых «детских болезней» плюсы стали более очевидными. Такие моторы позволяли почти избежать риска детонации до момента зажигания, а значит – безбоязненно повышать степень сжатия бензиновых моторов до практического максимума в 12:1 – 13:1 и не снижать ее для двигателей с компрессорами и турбонаддувом. Некоторое уменьшение надежности работы почти окупалось снижением расхода топлива и повышенной мощностью.

Особенно удачно все сложилось для «даунсайзинговых» моторов, ведь малый объем, высокий КПД и хорошие возможности для форсирования – это как раз то сочетание, которое было просто необходимо европейским автопроизводителям, зажатым в тиски правил ЕС по ежегодному снижению расхода топлива.

При малой нагрузке и большом коэффициенте остаточных газов в цилиндре, в результате работы системы EGR или фазовращателей, можно было побаловаться и работой на сверхобедненной смеси, и послойным смесеобразованием. Выбросы NO при этом удается удержать в пределах нормы, меньше, чем у дизельных моторов. Особенно хорошо себя проявили при этом быстродействующие форсунки высокого давления, например, с пьезокерамикой. Впрочем, по сравнению с даунсайзингом все это большого эффекта уже не дает.

Новые моторы с непосредственным впрыском не пришлось долго ждать. FSI моторы от VW, а вслед за ними и TFSI – уже с турбонаддувом и компрессорами. CGI версии двигателей от Mercedes были в основном компрессорными, реже – атмосферными, и лишь в последние годы – с турбонаддувом. Следом – непосредственный впрыск на моторах BMW, Opel, Ford и всех остальных…

Сейчас найти в Европе двигатель с обычным распределенным впрыском и без турбонаддува – целая проблема. Для машин до D-класса включительно такие можно пересчитать по пальцам. Автопроизводители Японии и США направление развития поддержали, но широкий выпуск таких моторов начали гораздо позже, когда европейские производители уже набили шишек на вопросах надежности и экологичности.

Кстати, оба первопроходца в лице Mitsubishi и Toyota все эти годы держали в производственной гамме совсем мало моделей с непосредственным впрыском: эксперименты показали, что атмосферным моторам он не очень нужен, а турбированного даунсайза у них в производственной гамме попросту не было.

***

В следующей части материала о непосредственном впрыске мы поговорим о тонкостях его конструкции, проблемах в эксплуатации, плюсах и минусах… А еще попытаемся понять, может ли он хотя бы теоретически стать столь же надежным, как заслуженный распределенный впрыск, к которому мы все так привыкли.

Непосредственный впрыск — скорее зло или скорее добро?

Несовершенство непосредственности: надежность и проблемы моторов с прямым впрыском

«В новый век – с новой системой питания!». Похоже, с таким девизом европейские производители стали внедрять технологию. А что им оставалось? Требования по снижению расхода топлива заставляли делать моторы сложнее, к тому же непосредственный впрыск (особенно в сочетании с наддувом) позволял увеличить мощность. И при этом оставлял мотор вполне экономичным на малой нагрузке. Начал входить в моду и даунсайз – постепенно для машины С-класса стало вполне нормальным иметь мотор объемом в литр, а мощные авто начинаются с объема в 1,4. Даже седаны D+ и Е классов не брезгуют моторами 1,4 и 1,6 с турбонаддувом.

Снова те же грабли, но в XXI веке

Собственно о минусах подобной системы питания было известно с самого начала. Сложность и высокая стоимость сюрпризом не были – опыт внедрения непосредственного впрыска накопился изрядный. Надежность сложных систем честно постарались увеличить. Правда, цену особенно опустить не пытались.

Как известно, для подачи топлива непосредственно в цилиндры нужен насос высокого давления. Вообще-то и в системах «обычного» распределенного впрыска в системе питания давление немаленькое, но у прямого впрыска оно примерно в 10 раз больше.

На дизельных моторах непосредственный впрыск и ТНВД появился существенно раньше, и ресурс узлов был не таким уж низким. У бензиновых все получилось иначе: насосы оказались весьма недолговечными. Почему? Потому что дизтопливо имеет более высокие смазочные свойства, чем бензин, и без специальных смазывающих присадок ресурс всех узлов трения очень мал.

Современные мембранные ТНВД не так зависят от смазки, как поршневые, но, тем не менее, нуждаются в ней. Да и в целом насос высокого давления – штука довольно хрупкая, любые загрязнения выведут его из строя. Улучшить ситуацию смогли введением стандарта на смазывающие присадки в топливе. Конечно, 15% масла, как в двухтактные моторы, добавлять не стали, но топливо Евро-4 и выше обязательно содержит небольшое количество специальных смазок. Не в последнюю очередь – именно для ТНВД на бензиновых машинах. Учитывая, что официальный запрет на продажу топлива Евро-3 вступил в России в силу лишь 1 января 2015 года, неудивительно, что «непосредственные» машины у нас жили так недолго и несчастливо.

С форсунками ситуация аналогичная, они дороже и менее надежны, чем на системах распределенного впрыска. Требования к их работе тоже намного выше. Небольшое изменение факела распыла, даже без изменения общего расхода подачи, ведет к серьезным нарушением работы мотора. В результате для сохранения работоспособности резко растут требования по чистоте топлива и рабочей температуре.

Пьезофорсунки еще и имеют ограниченное количество циклов срабатывания, чувствительны к перегреву, а также обладают склонностью при выходе из строя «лить» бензин, что может вызвать гидроудар при запуске. Особенно это характерно для очень распространенных «высокоточных» пьезофорсунок Bosch, которые имеют ограниченный ресурс, а компания на протяжении последних десяти лет не может создать действительно хорошо работающий вариант.

Склонность к закоксовке впускных клапанов и худшие условия их работы проявились на моторах Мицубиси довольно быстро. Обычно форсунки подают бензин на впускной клапан и охлаждают его. И заодно смывают с него отложения. У непосредственного мотора такой возможности нет, клапан греется сильнее, больше нагревает воздух, а масло из системы вентиляции картера и из сальника клапана постепенно образует «шубу», которая затрудняет газообмен и приводит к зависанию клапанов и его перегреву. Особенно тяжело приходится моторам с повышенным расходом масла, а в самой критической группе риска – моторы, которые часто работают с малой нагрузкой, то есть в пробках.

Плохие пусковые качества из-за неудовлетворительного испарения топлива при пуске тоже проявились давно. Оказалось, что оптимизация формы факела впрыска на холодном и горячем моторе должна производиться более тщательно. Любое попадание топлива на стенки цилиндра приводит к резкому увеличению количества несгоревшего топлива и попаданию его в масло. А при запуске при отрицательных температурах большое значение приобретает качество распыла бензина: оно должно оказаться намного выше, чем при обычной работе, и давление топлива на пуске должно быть очень высоким. Поначалу этого не учли.

Повышенное количество твердых частиц в выхлопе проявилось позже, когда непосредственный впрыск на европейских машинах уже стал мэйнстримом. Более точные исследования показали, что эта особенность смесеобразования роднит такой бензиновый мотор с дизелем. Действительно, в процессе работы образуются частички сажи, которые необходимо тоже как-то задерживать. Например, вводя сажевый фильтр, как на дизельных моторах. Компания Mercedes уже анонсировала подобную опцию для своих машин.

Попадание топлива в масло из-за неисправностей топливного насоса высокого давления – в общем-то чисто конструктивный недостаток насосов Bosch, но в силу их широкого распространения и общности конструкций насосов свойственен почти всем моторам с непосредственным впрыском. Бензин в масле не так уж и страшен, но в больших количествах ведет к снижению вязкости масла до критической, что приводит к повреждениям моторов. И, к тому же, дает повод многим «экспертам» говорить о том, что топливо является причиной «масляной чумы».

Что же делать?

Почти у всех проблем есть пути решения. Например, двойной впрыск, когда топливо подается и в цилиндры, и во впускной трубопровод – это справляется сразу со сложностью с закоксовкой клапанов, экологичностью и плохим запуском в холода. Такая схема применялась на некоторых двигателях Volkswagen EA888, но продавались они исключительно в США и были заточены под жесткие экологические нормы Калифорнии. Но в конце 2014-го комбинированный впрыск появился и у нас – на моторе 6AR-FE (2 литра, 150 л. с.) Toyota Camry последнего поколения. Пока сложно судить о надежности, ибо пробеги машин пока небольшие в основной массе, однако предпосылки хорошие.

Под капотом 2015–н.в. Toyota Camry XLE

С поршневыми кольцами и топливными насосами приходится разбираться чисто конструктивными методами, экспериментируя с формой – часто «дизайн» поршневой группы производители дорабатывают уже после того, как машина вышла на рынок и поразила всех угаром масла. Так, скажем, делала Toyota в 2005 году, доводя до ума моторы серии ZZ (еще без непосредственно впрыска), а позже – Volkswagen с уже упомянутыми выше EA888. Насосы высокого давления тоже стараются сделать надежнее – эта задача технически выполнима.

Но все непросто: система очень сложная и дорогая – накладным для производителей выходит не только себестоимость конечной продукции, но и исследования с экспериментами. А маркетологи не дают возможности по 10 лет заниматься испытаниями, требуют все более новых моторов с еще более привлекательными характеристиками.

Рискнуть в сегодняшнем автобизнесе репутацией производителя ненадежных машин считается делом благородным. Если что, всегда выручит отзывная кампания. Куда хуже – показаться производителем консервативным или, не дай бог, незацикленным на идее спасения планеты от выхлопных газов. Вот это, как мы видимо по примеру Volkswagen и Mitsubishi – действительно страшно. Тут можно и самостоятельность компании потерять, и топ-менеджмента лишиться.

Непосредственный впрыск топлива

Специально для тех, кто не знаком или плохо понимает, что же такое система непосредственного впрыска топлива на бензиновом моторе. Рассмотрим в этой статье устройство двигателей, принцип работы такой системы и ее отличия от обычного  инжектора. Подробнее читайте далее.

Принцип действия

Суть системы  заложена в ее названии, топливо (в нашем случае бензин) впрыскивается форсунками непосредственно в камеру сгорания.

Вы скажете: «а в «обычном» моторе оно куда впрыскивается, в выхлопную трубу?»  

• В двигателях с обычным распределенным впрыском бензин попадает сначала во впускной коллектор, перед впускными клапанами, незадолго до их открытия.

Во впускном коллекторе он смешивается с воздухом и уже в таком состоянии поступает в цилиндры через впускные клапана.

• А вот в системе непосредственного впрыска бензин из форсунки распыляется прямо в цилиндр, а впускные клапана запускают в цилиндры только воздух.

 Первый походу автомобиль с такой системой был мерседес 54 года выпуска, но в наше время более широкую известность получили первые моторы фирмы Mitsubishi.

У японцев они получили аббревиатуру GDI, что в России незатейливо окрестили «ДжеДАй», ну и моторы с таким типом впрыска в сервисах называют Джедаевскими .

[box type=»bio»] Итак, топливо у двигателей GDI впрыскивается прямо в цилиндр. Но это не единственное отличие от распределенного впрыска.[/box]

Джедаевские движки имеют обычно 2 топливных насоса, один насос находится в топливном баке (это обычный электронасос), а другой в большинстве случаев устанавливают на двигателе (это ТНВД, топливный насос высокого давления).

Ведь чтобы впрыснуть топливо во впускной коллектор то много силы не надо, а вот для впрыска бензина в цилиндр, да еще и на такте сжатия, нужна сила богатырская. Эту силу нам и дает насос высокого давления.

Давление на его выходе может достигать 30-110 бар, в зависимости от конкретного мотора. ТНВД в бензиновых моторах аналогичен по принципу действия насосам в дизелях.

Конечно же форсунки при непосредственном впрыске тоже имеют некоторые особенности, помогающие им функционировать при высоком давлении. В частности на той части, что вставляется в цилиндр есть специальное тефлоновое уплотнительное кольцо.

Что мы выяснили о системе непосредственного впрыска на данный момент?

[box type=»bio»] Топливо впрыскивается прямо в цилиндры и уже там смешивается с воздухом Давление впрыска высокое — 30-110 бар Два бензонасоса, электрический в баке и ТНВД Специальные форсунки, работающие при высоком давлении и температуре[/box]

Если в моторах распределенного впрыска в цилиндры поступает топливно — воздушная смесь (то есть смесь воздуха с топливом), то в системе прямого впрыска топливо и воздух поступают в цилиндры раздельно и смешиваются уже там.

Причем прямой впрыск топлива применяет несколько способов образования смеси. Смесь может быть однородной (гомогенной) и неоднородной (послойной).

В отличие от «обычных» впрысковых движков в двигателях GDI разное смесеобразование может применяться в одном двигателе. В зависимости от нагрузки двигателя и режима его работы блок управления переходит на то или иное смесеобразование.

Послойное смесеобразование

• Тут все просто: слои — это как лук . Общий смысл такой: Впускной коллектор разделен на две части, в нем имеются специальные дополнительные заслонки, которые могут перекрывать нижнюю часть коллектора.
• В результате перекрытия нижней части воздух поступает только через верхнюю часть и закручивается внутри цилиндра.
• Причем воздух в цилиндры поступает, как и положено, на такте впуска. То есть впускной клапан открыт и поршень идет вниз.
• А вот бензин впрыскивается уже на такте сжатия (поэтому и нужно высокое давление чтобы впрыск вообще произошел).
• На такте впуска поршень идет вниз, а поднимаясь вверх (это уже такт сжатия), он создает дополнительное завихрение воздуха.

Незадолго до момента искрообразования происходит впрыск бензина, воздушными завихрениями топливо сносит к свече зажигания.

На тот момент когда происходит искра, облако бензина находится как бы в воздушной оболочке. И в этой оболочке оно и сгорает. То есть сгорание происходит в окружении чистого воздуха.

Благодаря этому вокруг места горения образуется воздушная прослойка, которая снижает тепловые потери, создавая защитный слой между сгорающей смесью и стенками цилиндра.

В результате повышается КПД двигателя и соответственно уменьшается расход топлива.

Гомогенное смесеобразование

Здесь все немного проще, впрыск топлива происходит практически одновременно с впуском воздуха. Все это делается на такте впуска, то есть когда впускной клапан открыт и поршень идет вниз. Пока поршень сделает путь вниз и обратно вверх, смесь воздуха и бензина успеет перемешаться.

Так как топливо все-таки впрыскивается под высоким давлением, то улучшается смесеобразование, а это позволяет использовать бОльшее количество воздуха. Поэтому для таких моторов доступно применение турбокомпрессоров и нагнетателей. Тут прочитайте про основные неисправности инжектора.

Компоненты систем непосредственного впрыска

Здесь уже применяются некоторые дополнительные датчики. Топливо в систему подает электробензонасос в баке автомобиля, этот насос управляется своим собственным блоком управления и создает различное давление в зависимости от потребностей двигателя.

Давление электронасоса регулируется по показаниям датчика низкого давления. Он располоагается на трубопроводе, подводящем топливо к ТНВД.

• Давление топлива после ТНВД регулируется исходя из показаний датчика высокого давления, который устанавливается обычно в топливную рампу. Показания всех датчиков поступают в блок управления двигателем.

На насосе высокого давления расположен регулятор давления топлива, именно он и изменяет давление в зависимости от режима двигателя.

• Сам насос ТНВД приводится в движение при помощи кулачка на распредвалу.

В целом можно сказать что система прямого впрыска более продвинутая чем распределенный впрыск. Она позволяет получить гораздо лучшие характеристики при меньших затратах топлива. Но в нашей стране многие боятся двигателей GDI и им подобных как огня. Обосновывая свои страхи якобы дорогим ремонтом и высокими требованиями к качеству бензина.

Похожие статьи