Если спросить, что происходит, когда водитель нажимает или отпускает педаль «газа», скорее всего, услышите от владельцев бензиновых автомобилей, что при этом увеличивается или уменьшается подача топлива в мотор. Однако назвать правильным такой ответ можно только с большой натяжкой.
В действительности же, воздействуя на педаль «газа», водитель уменьшает или увеличивает подачу воздуха в цилиндры. Топлива же будет подано ровно столько, сколько требуется для приготовления смеси воздуха и бензина, заданной программой управления для конкретного режима работы двигателя и его фактического температурного состояния.
У карбюраторных моторов, давно ставших экспонатами политехнических музеев, количество подаваемого бензина и вовсе определялось разряжением воздуха в пространстве за дроссельной заслонкой, положение которой задавалось нажатием на педаль «газа». Точность такого способа дозирования топлива была невысока, что сказывалось на экономичности карбюраторных двигателей, количестве вредных выбросов в окружающую среду и в конечном итоге сделало карбюраторы достоянием истории.
На смену пришел впрыск, где подача бензина самотеком из жиклеров под действием разряжения воздуха была заменена распылением с помощью форсунок, к которым топливо поступает под давлением, развиваемым топливным насосом.
Существует три разновидности систем впрыска — центральный, распределенный и прямой. До настоящего времени дожили лишь две последние.
Что касается центрального впрыска, нередко называемого также моновпрыском, то он оказался неспособным равномерно распределять горючую смесь по отдельным цилиндрам, а также создавал высокое сопротивление на впуске.
Поэтому и центральный впрыск отправился в отставку, как только перестал соответствовать ужесточившимся экологическим требованиям и удовлетворять потребительским запросам к величине расхода топлива.
Однако и с распределенным впрыском, иногда именуемым многоточечным согласно англоязычному обозначению Multi Point Injection (MPI), не все ладно.
Правда, его сопернику — системе питания с прямым впрыском бензина, о серийном производстве которой первой отрапортовала компания Mitsubishi еще в 1997 году, за 18 лет так и не удалось окончательно уложить MPI на лопатки.
Но о том, что рано или поздно распределенный впрыск повторит судьбу карбюратора и моновпрыска, предрекают все специалисты без исключения.
На самом ли деле прямой впрыск настолько хорош, что делает поражение MPI неизбежным? Чтобы разобраться в этом вопросе, сравним обе системы питания.
И там и там в отличие от моновпрыска каждый цилиндр двигателя обслуживается отдельной форсункой, но при распределенном впрыске форсунки распыляют бензин во впускной коллектор.
При прямом впрыске бензин подается непосредственно в камеру сгорания цилиндра. Это главное, что отличает моторы, в зависимости от производителя помечаемые индексами GDI (Mitsubishi), FSI (Volkswagen), HPi (Peugeot), CGI (Mercedes-Benz) и так далее, от двигателей MPI.
Что же хорошего сулит подача бензина прямо внутрь цилиндра? Как ни странно, ничего, если подойти к этому вопросу с точки зрения конструкции двигателя.
Проблема состоит в том, что при прямом впрыске на испарение бензина и перемешивание его паров с воздухом отводится примерно в 10 раз меньше времени, чем когда бензин распыляется во впускной коллектор, а в цилиндры поступает уже в смеси с воздухом после того, как открылись впускные клапана.
Как в условиях столь короткого промежутка времени, отводимого при прямом впрыске на смесеобразование, добиться, чтобы смесь получилась качественной, ведь именно от этого зависит, каким будет результат последующего сгорания?
Отсюда другие отличия GDI, FSI, HPi, CGI и иже с ними от MPI.
Во-первых, давление, с которым форсунка при прямом впрыске распыляет бензин, в десятки раз превышает давление, действующее в системах питания с распределенным впрыском (порядка 50-120 бар против 3-4).
Это предполагает наличие у двигателей с прямым впрыском топливного насоса высокого давления, в котором нет необходимости при распределенном впрыске.
Во-вторых, распылители форсунок прямого впрыска придают капелькам топлива вращение, что ускоряет их испарение.
От форсунки распределенного впрыска требуется гораздо меньше — лишь сформировать факел топлива и направить его в зону впускного клапана.
Другими словами, система питания MPI конструктивно проще, а значит, дешевле как при изготовлении, так и при ремонте для устранения неисправностей, что никак не может считаться ее недостатком.
Но и это еще не все. Важнейшую роль в организации рабочего процесса в моторах с прямым впрыском играет движение воздуха и порции впрыснутого бензина внутри цилиндра. Именно ради этого днище поршней в двигателях с прямым впрыском приобрело сложную профилированную форму, которая также принципиально отличает их от поршней MPI-моторов.
Той же цели служат и впускные каналы в коллекторах двигателей с прямым впрыском.
В GDI, FSI и подобных им моторах поток воздуха из впускных каналов либо способствует так называемому послойному смесеобразованию, когда пригодным для нормального сгорания становится только небольшое облако смеси, расположенное возле свечи зажигания, либо разрушает расслоение, когда нужно, чтобы смесь стала стехиометрической.
В двигателях MPI впускные каналы предназначены лишь для впуска бензовоздушной смеси в цилиндры, поэтому здесь нет необходимости придавать каналам винтовую форму, оснащать их заслонками, закрытыми или открытыми в зависимости от режима работы двигателя, как это делается при прямом впрыске.
Этими ухищрениями перечень отличий прямого впрыска от распределенного не исчерпывается, но основные, видимые, как говорится, невооруженным глазом, уже названы.
Итак, бензонасос высокого давления, более сложные форсунки, поршни, впускной коллектор — как ни крути, это не достоинства, а недостатки, которые не предвещают, что MPI-моторам, ничего подобного не имеющим, придется сойти со сцены. По крайней мере, в ближайшем будущем.
Тем не менее это должно случиться.
Причина та же, что в свое время поставила крест на карбюраторе и моновпрыске, — неспособность распределенного впрыска удовлетворять все более строгим требованиям к содержанию вредных веществ в выхлопных газах и необходимость улучшения экономических характеристик без ухудшения динамических параметров.
Сравнительные испытания с MPI показывают, что при одинаковом рабочем объеме двигатели с прямым впрыском демонстрируют не только уменьшенный на 20-25% расход топлива, но и обеспечивают 10-процентный прирост мощности. Какой производитель добровольно откажется от таких удовольствий?
Впрочем, есть у прямого впрыска один подвох. По части экологии он хорош во всем, за исключением выброса сажи в атмосферу. Тут прямой впрыск — достойный конкурент дизелю. Это дает шанс MPI ужиться с FSI.
Оно бы и неплохо, но может статься, что совместно проживать им предстоит в одном моторе! Во всяком случае именно такая мысль пришла в голову инженерам концерна Volkswagen, разработавшим бензиновые силовые агрегаты 1.8 TFSI (заводские коды CJEB, CJSA, CJSB) и 2.
0 TFSI (CNCB, CNCD, CJXC), составляющие семейство ЕА888 третьего поколения, где в одном двигателе используются сразу и FSI, и MPI!
Наш вердикт
Производители себе на уме, но если спросить у белорусских владельцев бензиновых автомобилей, какой мотор лучше, MPI или FSI, скорее всего, услышим в ответ дифирамбы в адрес первого и ничего хорошего о втором.
И вот вам правда жизни: оценка системы питания, которой теоретики и аналитики прочат безоговорочную победу, может измениться на противоположную, если учесть, чем в наших условиях эксплуатации оборачивается ее сложность.
- Сергей БОЯРСКИХ Фото автора
- ABW.BY
Благодарим за консультации и помощь в организации фотосъемки «Ресурсный центр» на базе автомеханического колледжа имени академика М.С.Высоцкого
Найти и заказать необходимые запчасти вы можете, воспользовавшись каталогом сайта BAMPER.BY. Здесь собрано почти 300 тысяч предложений с фотографиями и ценой каждой запчасти от крупнейших белорусских поставщиков. Поиск любой запчасти — в три клика.
Три вида инжектора – какой впрыск выбрать
Молодое поколение водителей уже и не знает, что раньше инжекторных моторов не было – почти все бензиновые силовые агрегаты были карбюраторные.
Но экология и развитие технологий вытеснили их, сегодня системы подачи топлива сплошь компьютерные. Но их развитие не остановилось.
Современный автомобиль с бензиновым мотором может быть оборудован тремя типами впрыска – распределенным, непосредственным или комбинированным. Чем они отличаются и какой из них лучше рассмотрим в этой статье.
На фото — распределенный впрыск топлива
Распределенный впрыск (MPI)
Формально это не первый вид впрыска, и не он пришел на смену карбюратору. Был еще так называемый моновпрыск – топливо во впускной коллектор подавала одна форсунка.
Несмотря на то, что управление у нее было электронным, по сигналам с датчиков, заметного преимущества моновпрыск перед карбюратором не дал: основная проблема с оседанием топлива на стенках коллектора сохранилась.
Моновпрыск популярности не получил, а автомобильные инженеры сразу перешли к впрыску распределенному.
Схема моновпрыска, стрелочка указывает на форсунку
Основная его особенность – наличие индивидуальной форсунки на каждый цилиндр. Впрыск топлива происходит во впускной коллектор, в нем происходит смесь с воздухом. Форсунки расположены около впускных клапанов, топливу не нужно блуждать по недрам коллектора, смесь получается стабильной.
Уже этот факт позволил снизить расход, повысить мощность и улучшить экологичность. Кроме того, система распределенного впрыска получилась недорогой – форсунки простые, бензонасос дешевый, все отточено и хорошо работает.
Неудивительно, что распределенный впрыск до сих пор остается самым популярным, особенно на недорогих автомобилях, для которых себестоимость производства и цена владения имеют важное значение.
Схема распределенного впрыска топлива
Минус у распределенного впрыска сегодня один – он достиг потолка по эффективности.
Инженеры уже выжали максимум, дальше ни расход топлива снижать, ни мощность увеличить невозможно, поэтому конструкторам приходится искать новые варианты, чтобы укладываться во все более строгие экологические рамки и удовлетворять запросы покупателей, которые постоянно хотят более экономичные и более мощные автомобили.
Непосредственный впрыск (GDI)
Довольно очевидно, что главное направление улучшения характеристик – образование топливо-воздушной смеси прямо в цилиндре.
Да, по сравнению с карбюратором и моновпрыском, потери топлива на проход по коллектору у распределенного впрыска заметно меньше, но они все равно есть. Что-то остается на коллекторе, что-то на впускных клапанах.
Всего этого можно избежать если подавать бензин прямо в цилиндр. Так и происходит на моторах с непосредственным впрыском.
Слева распределенный впрыск MPI, справа непосредственный GDI
То, что это работает, хорошо видно по характеристикам. GDI-моторы мощнее и экономичнее собратьев с распределенным впрыском. Прибавка составляет порядка 5-10%, что не так уж и мало.
Такой результат достигается не только за счет меньшей потери топлива, но и за счет гибкости, которую инженеры получают в настройке впрыска. Например, они могут «играть» с так называемым стехиометрическим числом – соотношением бензина и воздуха в смеси.
Обедненные смеси, в которых мало бензина, но много воздуха, на распределенном впрыске невозможны – они просто напросто не смогут воспламениться по законам физики.
У непосредственного впрыска эта проблема решена очень элегантно, бензин распыляется около свечи зажигания, рядом с ней смесь богатая, но по всему остальному цилиндру – бедная. Получается, что и с воспламенением проблем нет, и топлива используется меньше.
Еще одна перспективная тема для непосредственного впрыска – управлением моментом подачи топлива.
В зависимости от нагрузки на мотор, топливо можно подавать на разных циклах движения поршня (например, на сжатии или на впуске) и получать нужный результат по соотношению мощность/экономичность.
Эта сфера еще не до конца исследована и оставляет инженерам большой простор для улучшения показателей моторов.
Вид на двигатель GDI сверху
Казалось бы, непосредственный впрыск намного лучше распределенного и должен был бы его уже вытеснить. Но оказалось все не так просто. У GDI-моторов нашлись и серьезные минусы.
Во-первых, сильно усложнилась конструкция. Форсунки более дорогие и сложные, обычного насоса в баке уже не хватает, требуется использовать дополнительный ТНВД, который повышает себестоимость системы.
Кроме того, очень сильно возрастают требования к качеству топлива. Форсунки и ТНВД сильнее страдают от некачественного бензина, а ремонт оказывается очень дорогим.
Неудивительно, что на дешевых машинах непосредственный впрыск встречается нечасто – он реально дороже в обслуживании чем распределенный.
ТНВД двигателя 4G93
Во-вторых, обнаружились и технические проблемы. То, что бензин не проходит через впускные клапана обратилось не только в плюсы, но и в минусы для самих клапанов.
Они больше не смазываются и не охлаждаются бензином. Из-за этого на машинах с непосредственным впрыском на впускных клапанах часто образуется нагар, а это приводит к неправильной работе всего мотора.
Яркий пример – двигатель ЕP6 (Prince), о котором мы уже рассказывали.
Нагар на клапанах
Не удивительно, что в России первые GDI-моторы получили так сказать «плохую прессу», с российским «серным» бензином ТНВД и форсунки служили недолго, а их замена всегда была дорогой. Сейчас качество топлива чуть выросло, да и агрегаты постепенно избавляются от детских болезней, но до сих пор нужно признать, что распределенный впрыск в целом чуть более надежный чем непосредственный.
Нельзя сказать, что перечисленные недостатки ставят крест на непосредственном впрыске, но то, что они сдерживают его развитие, это точно.
Комбинированный впрыск
Популярная тема последних 5-6 лет – использование на одном моторе обоих типа инжектора. То есть у машины есть два комплекта форсунок – один установлен перед клапанами во впускном коллекторе, а второй – прямо в цилиндрах.
В зависимости от настройки ЭБУ, в разных режимах может работать как одна форсунка, так другая, или вообще обе сразу – тут тоже непаханное поле для экспериментов и улучшений.
Обычно в простых режимах движения используются форсунки в коллекторе, а когда нужно поднажать и от мотора требуется максимум, то подключаются форсунки в цилиндрах. Может быть и чуть иначе, настройки у каждого мотора свои.
Комбинированный впрыск топлива
Объединение впрысков помогает решить технические проблемы. Если часть бензина идет из коллектора, то впускные клапана нормально охлаждаются и смазываются. Жизнь форсунок тоже по идее должна увеличиться, ведь они теперь используются по очереди. При этом все эксперименты с бедной смесью и временем впрыска на комбинированной системе тоже возможны.
Однако проблему сложности и долговечности комбинированный впрыск не решает. У него все равно есть ТНВД, дополнительные форсунки и очень замороченная настройка. Своими силами ремонтировать такие машины очень сложно.
Есть и другие заморочки в обслуживании таких машин, например, при установке ГБО, уже есть «газовые» решения, которые могут работать и с комбинированным впрыском, но они дорогие и сложные в настройке и установке.
Двигатель 2.5 Smartstream с комбинированным впрыском топлива Kia K5
На сегодняшний момент с разными типами инжекторов сложилась понятная ситуация – есть отработанная и проверенная технология (мы имеем в виду распределенный впрыск), которая за годы использования избавилась от проблем, дешева и надежна, но которая исчерпала резервы к улучшению и уже не всегда устраивает по эффективности.
И есть более перспективные технологии, сложные, пока менее надежные и заметно более дорогие, но дающие лучший результат и в целом более прогрессивные. Наверное, когда-то распределенный впрыск тоже будет отправлен на свалку истории, но у нынешних покупателей машин есть выбор – либо предпочесть надежность и дешевизну, либо мощность и экономию топлива.
И не факт, какой из этих выборов лучше.
Чем опасен прямой впрыск: 4 главные проблемы (они не излечимы)
Почти все автопроизводители применяют такой впрыск хоть на некоторых моделях. Смысл простой: бензин подается не во впускной трубопровод, а прямо в цилиндры, под давлением до 250 бар. Основной посыл, как обычно, известен – экология и экономия. Но есть и врожденные проблемы.
1 Отложения на клапанах
Если у двигателей с распределенным впрыском поступающее в них топливо постоянно моет отложения и нагар на впускных клапанах, то при непосредственном впрыске бензин к ним не поступает.
А потому любая частица грязи, каким-то образом осевшая на тарелке клапана, может прописаться там надолго, не давая тому герметично закрываться.
В таких ситуациях иногда приходится демонтировать головку блока цилиндров: иначе до грязного клапана не добраться.
2 Топливная магистраль
Клапаны – это всего лишь одна составляющая особой изнеженности моторов с прямым впрыском: они физически не переносят грязи. В частности, они очень боятся плохого бензина с кучей различных примесей – от серы до фосфора. Топливный насос высокого давления для таких моторов изготовлен с микронными зазорами: твердые частицы для него смерти подобны.
Поэтому топливный фильтр и сеточка на входе в насос низкого давления должны заменяться регулярно. Совсем уж тяжело приходится распылителям форсунок: они выступают в камеру сгорания и могут закоксовываться. Их необходимо периодически снимать для промывки – примерно раз в 50 – 60 тыс. км. Причем во дворе этого не сделать – надо посетить сервис.
3 Моторное масло
С моторным маслом – совсем беда: никаких «шаг вправо – шаг влево». С одной стороны, нужно подбирать масло так, чтобы оно не сильно загаживало камеру сгорания и впускные клапаны – для этого зольность масла не должна быть выше 1,0-1,1 %.
С другой стороны – надо думать о трущихся парах: кулачки распредвалов и толкатели клапанов, пластинчатая цепь Морзе и т.п. Хорошую износостойкость обеспечит только высокозольное масло.
В итоге надо выбирать между повышенным износом чистого двигателя и малым износом грязного, готового заклинить… А еще есть такая нехорошая вещь как LSPI (Low-speed pre-ignition) – нежелательное раннее зажигание. Топливо, подаваемое форсункой под высоким давлением, долетает до стенки цилиндра, не успевая испариться.
На этой стенке всегда присутствует масляная пленка, фактически состоящая из свежего масла и частиц нагара. Часть несгоревшего топлива оказывается между кромкой поршня и стенкой цилиндра, активно смешиваясь как с моторным маслом, так и с частицами нагара, представляющими смесь сажи и химически активных веществ.
Инициаторами последующего возгорания могут быть как раскаленные частицы нагара, так и отдельные присадки в моторных маслах. Результатом взрывообразного воспламенения являются ударная волна, механические разрушения деталей двигателя и т.п.
Специально для борьбы с таким явлением была введена новая спецификация масел – API SN Plus. На фоне подобных страшилок становится очевидным, что турбомоторы с прямым впрыском требуют более частой замены масла, чем прочие двигатели. Например, Hyundai/Kia на своих моторах T-GDI предлагает менять масло через 6 месяцев или через 7000-8000 километров.
4 Расход топлива
Обидный недостаток моторов с непосредственным впрыском – расход топлива. Дело в том, что классную экономичность они выдают только в городах и на дорогах местного значения, где скорости сравнительно невысоки.
А вот при въезде на автомагистраль мотор переходит на стехиометрическую смесь, после чего перестает что-либо экономить по сравнению с «обычными» движками. Другое обидное обстоятельство – нелюбовь подобных двигателей к холодам. После холодного пуска они, при небольших нагрузках, очень медленно прогреваются.
Непрогретый двигатель, конечно же, не особенно экономичен, а в салоне при этом довольно прохладно.
Само собой, что прямой впрыск – это однозначный шаг вперед в двигателестроении. Но и о возможных проблемах все-таки желательно помнить.
Как работает система непосредственного впрыска топлива GDI
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.
Режимы работы системы прямого впрыска
Схема работы непосредственного впрыска топлива
Как правило, двигатели с непосредственным впрыском имеют три основных режима работы:
- Впрыск в цилиндр на такте сжатия (послойное смесеобразование). Принцип работы в этом режиме заключается в образовании сверхбедной смеси, что позволяет максимально экономить топливо. В начале в камеру цилиндра подается воздух, который закручивается и сжимается. Далее под высоким давлением осуществляется впрыскивание топлива и перенаправление полученной смеси к свече зажигания. Факел получается компактным, поскольку формируется на этапе максимального сжатия. При этом топливо как бы окутано прослойкой воздуха, что уменьшает тепловые потери и предотвращает предварительный износ цилиндров. Режим используется при работе мотора на малых оборотах.
- Впрыск на такте впуска (гомогенное смесеобразование). Состав топлива в этом режиме близок к стехиометрическому. Подача воздуха и бензина в цилиндр происходит одновременно. Факел смеси при таком впрыске имеет коническую форму. Применяется при мощных нагрузках (скоростной езде).
- Двухстадийный впрыск на такте сжатия и впуска. Применяется при резком ускорении машины, движущейся на малой скорости. Двойной впрыск в цилиндр позволяет снизить вероятность детонации, которая может возникнуть в моторе при резкой подаче обогащенной смеси. Вначале (на такте впуска воздуха) подается небольшое количество бензина, что приводит к образованию обедненной смеси и снижению температуры в камере сгорания цилиндра. На такте максимального сжатия подается оставшаяся часть топлива, что делает смесь богатой.
Особенности эксплуатации системы
Поршень двигателя GDI
Главным требованием для корректной работы двигателя с прямым впрыском топлива является использование качественного бензина. Оптимальная марка топлива, как правило, указывается в инструкции к автомобилю.
Обычно рекомендуется заливать бензин с октановым числом не менее 95. Однако важно учитывать, что этот уровень не должен быть обеспечен за счет различных присадок. Исключение составляют присадки, рекомендованные производителем двигателя и автомобиля.
Низкое качество топлива, особенно при высоком проценте содержания серы, бензола и углеводородов в отечественном бензине способствует преждевременному износу форсунок, что может вывести двигатель GDI из строя.
Не менее требователен бензиновый мотор с непосредственным впрыском к тому, какое масло применяется в системе. Здесь лучше всего следовать инструкциям производителя.
Плюсы и минусы использования
Главной особенностью двигателя gdi является подача топлива напрямую в цилиндр, что сокращает время цикла и существенно повышает мощность автомобиля (до 15%). Помимо этого уменьшается расход топлива (до 25%) и повышается экологичность выхлопа. Это обеспечивает более эффективную эксплуатацию автомобиля в городских условиях.
Для автомобилей, на которых установлен GDI двигатель, проблемы эксплуатации связаны прежде всего со следующим перечнем недостатков:
- Необходимость нейтрализации отработавших газов при работе мотора на малых оборотах. При образовании обедненной топливно-воздушной смеси в выхлопных газах образуется много вредных компонентов, для устранения которых требуется установка системы рециркуляции отработавших газов.
- Повышенные требования к топливу и маслу. Наилучшим бензином для GDI считается топливо с октановым числом 101, который практически недоступен на отечественном рынке.
- Высокая стоимость производства двигателей и ремонта. Весомую долю проблем доставляют форсунки, подающие бензин в цилиндры. Они должны выдерживать высокое давление. Если они забиваются по причине некачественного топлива, их невозможно разобрать и почистить – форсунки подлежат только замене. Их стоимость в несколько раз выше, чем у обычных.
- Повышенное внимание к системе фильтрации. Чистка и замена воздушного фильтра в такой системе должна производиться чаще, поскольку качество поступающего воздуха напрямую связано с состоянием форсунок.
Отечественные автомобилисты весьма скептически относятся к системе непосредственного впрыска, что обусловлено высокой стоимостью обслуживания автомобиля. С другой стороны, такие двигатели считаются передовой технологией, которая развивается и активно внедряется в автомобилестроение по всему миру.
(6
За что любят и ненавидят непосредственный впрыск
Бензиновые моторы с непосредственным впрыском топлива автолюбители и специалисты оценивают по-разному: одни считают их примером технологического совершенства, другие бояться как огня и готовы отказаться от них ещё на стадии выбора автомобиля. Разбираемся в особенностях конструкции и выясняем, за что стоит любить и ненавидеть непосредственный впрыск.
В чём отличие схемы с непосредственным впрыском
Бензиновые двигатели внутреннего сгорания с непосредственным впрыском начали массово поступать на отечественный рынок в начале 2000-х годов и к настоящему моменту стали непременным атрибутом любого более-менее современного автомобиля среднего или высшего ценового сегмента. Иными словами, они давно являются данностью и останутся таковой до момента перехода человечества на принципиально иные средства передвижения, коими сейчас большинству экспертов видятся электрокары.
Основным отличием от традиционной системы распределённого впрыска схемы с непосредственным впрыском является то, что бензин в ней подаётся не во впускной коллектор, а прямиком в цилиндры. Таким образом, в камеры сгорания поступает не готовая топливовоздушная смесь, а «живое» топливо, при этом смесеобразование производится в самом моторе.
Зачем это нужно
Вопросом создания систем непосредственного впрыска инженеры озаботились ещё во второй половине XIX века, однако довести до массового серийного производства смогли относительно недавно.
Первыми на рынок поступили моторы семейства Mitsubishi GDI, а следом подтянулись и все другие всемирно известные бренды — Volkswagen, GM, Toyota, Mercedes, BMW, Ford, Peugeot/Citroen, Renault, Mazda и даже корейский Hyundai.
Двигатели-маломерки отработали ресурс.
Хитрость в том, что схема с непосредственным распределённым впрыском позволяет чрезвычайно тонко и точно управлять процессом смесеобразования и заставлять бензиновый двигатель работать на невероятно бедной топливовоздушной смеси.
Если обычные моторы, как правило, функционируют при соотношении бензина к воздуху в пропорции 1:14, то моторы с непосредственным впрыском в некоторых режимах выходят на 1:20 и даже 1:40. Нетрудно догадаться, что это позволяет им сжигать гораздо меньше топлива.
При этом настройка процессов смесеобразования в реальном времени и применение сразу нескольких режимов работы повышает мощностные и динамические показатели и улучшает экологичность силового агрегата.
Производители таких движков приводят весьма красноречивые данные: расход топлива снижается в среднем на 20-25%, а тяга и мощность повышаются на 10-15%. И всё это при небольшом литраже, применении систем рециркуляции и дожигания выхлопа, соответствии самым строгим экологическим нормам и возможности использования на ДВС многоступенчатого наддува. Словом, не моторы — сказка!
Технические хитрости
И всё бы ничего, да применение схем непосредственного впрыска тянет за собой невероятно высокие требования не только к конструкции силового агрегата, но также к топливному насосу и качеству горючего, а также смазочным материалам, форсункам и электрике, большинству других жизненно важных узлов и агрегатов автомобиля.
Добиться образования правильной смеси при непосредственном впрыске чрезвычайно сложно. Для этого «мозги» машины снабжаются сразу несколькими программами управления с разным циклом работы и ворохом высокоточных датчиков.
А за распыл топлива отвечают специальные вихревые форсунки, работающие при сверхвысоком давлении, для создания которого, в свою очередь, автомобиль оснащается высокопроизводительными топливными насосами, аналогичными тем, что используются в дизельных схемах (если обычные насосы развивают порядка 3-4 атм, то эти обеспечивают 50-130). Разумеется, компоненты таких систем должны быть невероятно технологичными и качественными, рассчитанными на длительный срок службы. Именно соблюдение этих условий позволяет более эффективно распылять топливо, лучше перемешивать его с воздухом и грамотнее распоряжается готовой смесью на разных режимах работы двигателя.
Будучи ненагруженным (к примеру, в режиме холостого хода), двигатель с непосредственным впрыском функционирует в режиме послойного смесеобразования — смесь максимально обедняется, но остаётся достаточно качественной и пригодной для работы.
В этом режиме дроссельная заслонка открыта широко, а впускные заслонки находятся в закрытом состоянии. Горючее впрыскивается ближе к концу такта сжатия в область свечи зажигания, где завихряется и легко воспламеняется.
Гомогенное смесеобразование позволяет получить мощностную смесь, необходимую при равномерных нагрузках на двигатель и на переходных режимах. При максимальных нагрузках открыты как дроссельная заслонка, так и впускные каналы, а горючее впрыскивается ещё на такте впуска.
Одновременно, по возможности, дожигаются и выхлопные газы, что повышает экологические показатели без ущерба для мотора.
- Всё это требует доработки геометрии камеры сгорания, повышения степени сжатия до 1:12-14, применения более сложного и дорогого катализатора, высокопроизводительных форсунок с мощными соленоидами, а также высокопроизводительного мультирежимного топливного насоса.
- Плюсы и минусы
- Главным минусом систем непосредственного впрыска является общее снижение надёжности: даже при незначительных сбоях и поломках какого-либо компонента такой движок начинает «капризничать» — глохнуть, чихать, не выходить на полную мощность, зажигать пиктограмму на приборной панели и всячески намекать владельцу на проблемы.
5 могучих атмосферников, которых больше нет.
Вторым не менее важным недочётом является стоимость такого агрегата — это технически сложное устройство, требующее повышенного внимания и контроля ко всем системам, включая систему питания, зажигания, выпуска и электронику.
Чувствительность к качеству топлива — ещё один жирный минус, с которым готов мириться далеко не каждый автовладелец.
Купив машину с системой непосредственного впрыска, вы гарантированно начнёте чрезвычайно тщательно подходить к выбору заправок: заливаться дешёвой горючкой, увы, уже не получится.
И дело даже не в том, что таким моторам нужно особое октановое число — некоторые из них давно научились работать даже на 92-м бензине или спирте, — а в содержании в некачественном бензине соединений серы, фосфора, железа и прочих примесей, мешающих нормальной работе ДВС.
Наконец, отпугнуть от покупки машины с таким движком может и высокая стоимость запасных частей и обслуживания. Дешёвыми высокотехнологичные запчасти к ним не бывают, при этом требования к маслам, фильтрам и прочим «расходникам» также повышаются.
Но всё это меркнет на фоне плюсов:
Именно моторы с непосредственным впрыском являются наиболее технологичными, экономичными, лёгкими и тяговитыми.
Они идеально подходят для эксплуатации в загруженных мегаполисах (именно в пробочных режимах ДВС с непосредственным впрыском наиболее экономичны), вдобавок они позволяют увеличивать интервал замены масла и обладают увеличенным сроком службы из-за уменьшения нагара (это достигается программно максимально эффективным сжиганием топливовоздушной смеси). Однако всего этого удаётся добиться только при чрезвычайно внимательном отношении к автомобилю и грамотном его обслуживании.
Как работает непосредственный впрыск и так ли он хорош
Дифирамбов прямому впрыску достаточно написано в рекламных материалах. А мы попробуем говорить относительно беспристрастно.
Что такое непосредственный впрыск
Это такое устройство топливной системы, при котором бензин впрыскивается форсункой прямо в цилиндр. Этим он отличается от впрыска «обыкновенного» — когда форсунка впрыскивает топливо во впускной коллектор.
Называть эту систему инновационной, пожалуй, уже поздновато — она была реализована на многих самолетах времен Великой Отечественной войны. Так, например, она была применена на истребителе Ла-5ФН.
А вот на автомобилях относительно массовой она стала уже в конце двадцатого-начале двадцать первого века, примерно с появлением электронного управления двигателем. Это в первую очередь была фирма Mitsubishi с системой, которую они назвали GDI.
Потом за ними потянулись и другие японские марки — так, например, можно назвать Toyota с двигателем D-4.
Потом все это как-то притихло, и вот начавшее падать знамя непосредственного впрыска подхватил концерн VAG, да так, что по этой узкой тропинке между экономией на топливе и экономией на стоимости компонентов двигателя ломанусь и многие другие автопроизводители.
Для чего все это затевалось
Как бы ни кипел и бушевал внутренний инженер внутри любого сотрудника автомобильной компании, разработка большинства тех систем, что мы видим в современных автомобилях, вызвана была отнюдь не желанием сделать самый высокотехнологичный продукт.
Нет, как правило, толчком всех инноваций в системах, управляющих формированием смеси, служат экологические нормы. Широким росчерком пера регулирующие органы вводят новые нормы.
После этого (а как правило, несколько раньше) автопроизводители внедряют новые системы, позволяющие этим нормам удовлетворять.
Нам сложно сейчас судить о том, какая мотивация была у фирмы Mitsubishi, но исходя из общих тенденций — как минимум, очень схожая.
Главной особенностью («киллер-фичей», если задействовать сленг из другой профессиональной области) технологии GDI позиционировалась возможность работы на сверхбедных смесях. Здесь сразу надо сделать отступление и рассмотреть обычный режим работы двигателя.
На такте впуска поршень в цилиндре идет вниз, открывается впускной клапан, а форсунка «брызгает» топливом. Порцию топлива вместе с воздухом засасывает в цилиндр создаваемым разрежением. Попутно из-за турбулентности и тому подобных эффектов топливо перемешивается с воздухом, и продолжает это делать на такте сжатия, когда впускной клапан закрыт, а цилиндр идет вверх.
Таким образом, к моменту достижения верхней мертвой точки в цилиндре оказывается сжатая равномерная смесь. Причем количество топлива, впрыснутое форсункой, рассчитывается так, чтобы его соотношение к воздуху составляло 1:14,7 (или немного беднее/богаче в зависимости от требуемого режима работы двигателя) — такая смесь называется стехиометрической, и горит лучше всего.
А идея работы на сверхбедной смеси заключается в том, что топливо впрыскивается в цилиндр на такте сжатия, когда поршень уже почти достиг верхней мертвой точки.
Благодаря специальной форме днища поршня, впрыснутая порция топлива завихряется таким образом, что по центру камеры сгорания (в районе свечи зажигания) образуется область со стехиометическим соотношением, а вокруг нее — сплошной чистый воздух.
Суммарно соотношение топлива к воздуху в цилиндре составляет вплоть до 1:40, за что и получено название сверхбедной смеси. При этом режим этот применяется на малых нагрузках, когда горения этого малого заряда смеси достаточно для того, чтобы крутить двигатель.
Еще этот режим называется «послойным» (слой воздуха-слой нормальной смеси) или гетерогенным (т.к. состав смеси в цилиндре неоднородный). Вот так это выглядит на картинке:
При этом, разумеется, никто не запрещает и не мешает работать в штатном режиме — впрыскивая топливо на такте впуска (пусть и в цилиндр, а не во впуск). За время такта впуска и сжания воздух перемешается с топливом ничуть не хуже. Более того, этот режим даже необходим — в режимах средних и больших нагрузок.
Увы, засада ждала со стороны той же экологии. В режиме сверхбедной смеси в камере сгорания оказались идеальные условия для образования оксидов азота (NOx) — высокая температура и избыток воздуха. Для решения этой проблемы стали городить специальное дополнение к катализатору.
В нем оксиды азота задерживались, а потом, при переходе в режим гомогенной смеси, получаемыми соединениями CH восстанавливались до безобидных соединений.
Поэтому мотор с послойным смесеобразованием на холостом ходу будет периодически переходить на режим обычного смесеобразования, а потом возвращаться обратно.
Все эти механизмы решения проблемы в итоге тратили слишком много ресурсов при сомнительном результате — существенной экономии топлива послойное смесеобразование так и не дало.
Настолько, что и VAG в конечном итоге отказался от режима послойного смесеобразования — хотя в его линейке и остались двигатели со словами FSI — но самого режима » Fuel Stratified Injection» (так это расшифровывается) в нем не осталось.
Преемником стали системы TSI, которые хоть этого режима и не имеют, но по-прежнему впрыскивают топливо непосредственно в цилиндр.
А зачем тогда непосредственный впрыск?
Хотя затея со сверхбедной смесью и провалилась, непосредственный впрыск остался. Это не случайно.
Возможность впрыскивать топливо в произвольном количестве и в произвольный момент позволяет гораздо более гибко управлять составом смеси, добиваясь более высоких показателей как в части экологичности, так и в части мощности. Конечно, никакой революции эта технология не принесла, но управлять точнее стало можно.
Надо заметить, впрочем, что дальнейшая практика показала, что в некоторых режимах непосредственный впрыск приводит к повышенному количеству токсичных выбросов. Поэтому у того же концерна VAG есть системы, содержащие в себе два набора форсунок — низкого давления для впрыска в коллектор, и высокого давления — для впрыска в цилиндр.
Конструктивные отличия системы с непосредственным впрыском
Существенных отличий, если говорить о топливной системе, а не о программе в блоке управления, не так уж и много. В сущности, это просто наличие ТНВД в топливном контуре:
Помимо насоса, в системе еще присутствует датчик давления и клапан-регулятор давления топлива, управляемый электронно. Это необходимо, так как блок управления может менять давление топлива в магистрали высокого давления в зависимости от режима.
Так это ж почти дизель? Зачем тогда вот это все?
Да, по схеме топливной системы это почти дизель. Но разница в принципе воспламенения, величинах давления и других параметрах довольно велика. Поэтому все же, несмотря на все «навороты», это классический бензиновый двигатель со всеми присущими ему особенностями. А об устройстве дизеля мы поговорим в следующем выпуске.
Загрузка...
