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.
Содержание
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.
Трудности реализации и необходимые профилактические меры
При всех положительных моментах эксплуатации двигателя на переобедненных смесях у современных автомобилей имеются проблемы, у которых нет «общих точек соприкосновения» со старым семейством MPI-впрыска, что в свою очередь вызывает трудности в диагностике. Чтобы понять, какие изменения последовали в конструкции, и сравнить, надо обратиться к самому началу появления данного типа системы впрыска в производстве. Конкретную реализацию разберем на примере моделей VW AG. Итак, сравнение поршневой группы атмосферного и турбированного ДВС…
В первом случае видна схема «встречных потоков» описанных ранее, во втором очевидно играет гораздо большую роль предварительное завихрение потока воздуха во впускном коллекторе (в этом одно из различий исполнения данных моторов) и полная направленная циркуляция в полном объеме цилиндра.
Предварительное завихрение воздушного потока во впускном коллекторе и обедняет классическую однородную (гомогенную) смесь при смешивании воздушного потока с топливом. На практике первая схема обеспечивает лучшее охлаждение поршня (а с ним – эффективную борьбу с детонационными явлениями при рабочем цикле, о чем подробнее поговорим далее). В то же время для таких моторов характерна проблема зимнего пуска, при котором свечи просто «заливало» топливом, и мотор не запускался, а самое смешное в этом вопросе (думаю, владельцы Passat B6 первых годов выпуска об этом хорошо помнят), что самая простая «жигулевская» и даже не первой свежести свеча помогала запустить замерзший ДВС, после чего следовала еще одна замена – возвращение оригинальных свечей назад. Последовало порядка десятка изменений версий программного обеспечения блока управления ДВС, прежде чем удалось решить эту проблему. Разумеется, владельцев ДВС с турбокомпрессором такие проблемы не коснулись. Пуск на гомогенной смеси при минусовой температуре воздуха отработан автопроизводителями до мелочей. В дальнейшем на цепных моторах 2008 года и далее эксперименты с формой днища поршня проводить не стали. Обычно такие поршни обладают плоской поверхностью со стандартными выемками под клапана.
Или имеют ярко выраженную сферическую вогнутую поверхность по всей ширине гильзы цилиндров, назначение которой будет понятно немного позже.
А теперь посмотрим на организацию подачи топлива и воздуха на этих ДВС:
Используются форсунки с 6-ю отверстиями, что положительно влияет на качество распыления топлива. Обратите внимание на расположение топливной форсунки и впускного канала: они находятся в одной плоскости, а это значит, суммарного восходящего потока уже не получится. Учитывая, что топливо должно успеть равномерно распределиться по топливовоздушному заряду, получаем единственный вариант —организацию встречного потока с довольно большим дефицитом по времени эффективного распыления. Разумеется, об эффективном охлаждении поршней в этом случае речь тоже не идет. Давайте посмотрим, что думают об этом сами создатели.
Довольно простое решение подачи топлива непосредственно в зону свечи, т.е. топливный заряд оборачивается, условно говоря, в «кокон» воздушного заряда (эффект дополнительного охлаждения смеси достигается ее изолированием воздушным потоком, если говорить точнее). В итоге в зоне электрода свечи мы имеем обогащенную, легко воспламеняемую смесь, а в остальных местах камеры сгорания – переобедненную. Но путь смешивания топливного и воздушного зарядов очень короткий, в отличие от схемы, обсуждаемой ранее, а нормальное перемешивание, с отражением от поверхности поршня и равномерным распределением по фронту потока (как это было с атмосферным мотором), к сожалению, невозможно. Именно этот аспект и влияет на возможную проблемную работу ДВС в целом, а причина возникновения трудностей стабильного воспламенения довольна простая:
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.
Читайте также: Конструктивные особенности топливного бака автомобиля
Непосредственный впрыск топлива, чем удивишь?
Так в чём же «фишка» непосредственного впрыска?
Эта система относится к инжекторным, и её идея состоит в том, чтобы подавать бензин не во впускной коллектор двигателя, как это реализовано в технологиях с центральным или распределённым впрыском, а распылять его прямо в цилиндры.
Что это нам даёт?
Чтобы разобраться в этом, давайте посмотрим на то, как эксплуатируется силовой агрегат среднестатистического автомобиля. Например, мы едем на нём утром на работу – неспешная езда по городу от светофора к светофору, пробки.
И в данном случае, каким бы мощным ни был мотор в машине, нагрузки он испытывает ниже среднего и работает почти на холостых. Хороший повод сэкономить горючее, а для этого нужно всего ничего – меньше его впрыскивать.
И тут начинается самое интересное. В системах, где бензин подаётся во впускной коллектор, а затем уже в виде воздушно-топливной смеси при открытии клапана попадает в цилиндр, бесконечно уменьшать соотношение бензин-воздух нельзя.
При концентрации 22:1 смесь просто не воспламенится (стандартным считается соотношение 14,7 объёмов топлива к 1 объёму воздуха).
Здесь и проявляются все достоинства непосредственного впрыска. Подавая горючее прямо в цилиндр в чётко выверенный момент времени и под большим давлением, двигатель будет нормально работать при соотношениях до 40:1, а это, согласитесь, ощутимая экономия.
Симптомы и признаки загрязнения форсунок
Да, основная причина загрязнение распылителей форсунок и приносит наибольшую головную боль обладателям современных FSI-моторов. Обычно сопровождается это вибрацией, пропусками воспламенения при холодном пуске, а также повышенным расходом топлива и дерганьем автомобиля при разгоне. Почему так происходит, вы, наверное, уже догадались. Разумеется, из-за отклонения топливной струи от расчетной траектории, ведь в данном случае совсем небольшого отклонения вполне достаточно, чтобы резко «обеднить» зону вокруг центрального электрода, при котором устойчивого воспламенения уже не будет. Но и это далеко не последняя проблема в данном ДВС. Довольно часто обсуждают следующее явление на впускных клапанах:
А вот так выглядит начало такого процесса:
Обратите внимание: налет мягкий, легко снимаемый и совершенно непохожий на тот твердый светло-бурый налет на MPI-моторах, который иначе как механической обработкой не снять. Больше всего он напоминает налет на впускных коллекторах дизельных моторов. И в этом есть часть ответа на вопрос по образованию такого нагара.
Очень часто на вопрос о загрязнении впускных клапанов и форсунок отвечают стандартными фразами: «некачественное топливо», «несвоевременное обслуживание» или «неправильно подобранное масло». Но, к сожалению, даже при использовании высококачественных материалов и сокращенном интервале обслуживания ситуация радикальным образом не изменится. Чтобы понять причину этой проблемы, давайте рассмотрим диаграмму фаз газораспределения. Один из наиболее характерных режимов, описывающий важность регулирования фаз газораспределения, на стандартной круговой диаграмме выглядит так:
Но, как быть с увеличением NOx при повышении температуры отработавших газов? Каталитический нейтрализатор для данного соединения человечество еще не придумало. Была изобретена система возврата отработавших газов EGR, которая и занималась снижением температуры ОГ и, как следствие, уменьшением доли NOx в выхлопных газах. Но поскольку со временем клапан EGR не сильно отличался по виду от впускных клапанов, выложенных ранее, по степени негативных эмоций он прочно занимал второе место и у механиков, и у владельцев. Одна из самых «оптимистичных» конструкций клапана EGR выглядела так:
Тут конструкторы немного погорячились: поставить дроссельную заслонку на выпускные газы?! Кто хоть раз видел дроссельную заслонку на впуске, может представить, как она будет выглядеть на выпуске. Думаю, понятно, почему последствия загрязнения и отказа этого клапана занимают второе место по негативу у владельцев Passat B6. Однако, несмотря на многочисленные отказы регулирующих элементов этой системы, надо было как-то решать данный вопрос согласно постоянно ужесточающимся экологическим нормам. В ходе изысканий появилась система внутренней рециркуляции отработавших газов. Реализована она была как составляющая другой системы и не имела своих компонентов.
Теперь начинает прояснятся происхождение отложений на впускных клапанах, как и довольно слабая их зависимость от топлива, обслуживания, масла и т.д. Надо учитывать, что и загрязнение форсунок, и загрязнение поверхности впускных клапанов – процессы связанные и влияющие на один фактор – качество смеси в районе центрального электрода. В то же время заметим, что определяющим фактором влияния на характер воспламенения в цилиндрах все же является именно загрязнение распылителей форсунок. Этот «процесс» начинает беспокоить владельцев с 35 000 – 45 000 км пробега, и, увидев ошибки по «пропускам воспламенения», далеко не всегда начинают решать проблему с «правильного конца». А что же официальные лица? Неужели такой проблеме не уделяется внимание? Так сказать нельзя. Официально существует пункт при техническом обслуживании. Для примера возьмем Audi Q5:
Но возникает вопрос: а говорили ли вам о необходимости использования этой промывки на официальном ТО? А о регулярности такого мероприятия? Ведь подобные рекомендации для эксплуатации автомобиля в России есть и у BMW, и у Mercedes-Benz, и у других крупных автопроизводителей. Также нужно понимать, что использование такой промывки, учитывая ее концентрацию в полном баке, играет только профилактическую роль и полностью не очищает распылители. Но, разумеется, длительность нормального функционирования топливных форсунок увеличивает и рекомендуется к использованию.
А теперь коснемся того, почему же так важно, чтобы распылители топливных форсунок были исправными (чистыми). Дело в том, что конструкция поршней новых двигателей FSI отнюдь не обладает весомым запасом прочности к детонационному сгоранию смеси, поскольку главный принцип построения таких моторов – максимальное облегчение конструкции и снижение трения. И тут уместно вспомнить, что днище поршня в таком типе конструкции не имеет возможности омываться (охлаждаться) топливной струей, а это значит, что при любом нарушении процесса воспламенения вполне возможна детонация и, как следствие, разрушение самого поршня (перемычек), что как раз и происходит на моторах 1.4, 1.8 и 2.0 TSI.
Отметим, что, проектируя третье поколение моторов серии 888, конструкторы VAG учли этот момент и создали смешанный впрыск MPI+FSI, который как раз и призван обойти описанные проблемы. Но вот обладатели автомобилей VAG, выпущенных до 2012 года, должны учитывать и такую печальную вероятность событий.
Надеемся, что после прочтения этого материала у вас не возникнет вопроса, для чего необходимо использовать промывку топливной системы и очищать детали впускной системы двигателей с непосредственным впрыском.
Материал подготовлен экспертом компании turbo-union.ru
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.
Минусы
Теперь, собственно, о минусах, и для этого хочется заострить внимание на форсунках и ТНВД.
Требования к этим элементам предъявляются весьма высокие, так как им необходимо безотказно работать в непростых условиях – высокое давление, высокие температуры, а это тянет за собой удорожание и технологические сложности.
К тому же, на соплах форсунок образовываются загрязнения из продуктов горения топлива, поэтому в автомобили с двигателями, оснащёнными непосредственным впрыском, нужно заливать только высококачественный бензин – тоже проблема в наших реалиях. Масло также для них подходит только самое лучшее. В итоге содержание такого авто влетает в копеечку.
