Непосредственный впрыск топлива бензиновых ДВС.
Система непосредственного впрыска топлива является самой современной и совершенной, с точки зрения экономия топлива и экологии, системой впрыска топлива бензиновых двигателей. Работа системы основана на впрыске топлива непосредственно в камеру сгорания двигателя.
Впервые система непосредственного впрыска была применена на двигателе GDI (Gasoline Direct Injection – непосредственный впрыск бензина), устанавливаемом на автомобили компании Mitsubishi. В настоящее время система непосредственного впрыска используется в двигателях многих автопроизводителей.
Toyota — D4
Mercedes-benz — CGI
Mitsubishi — GDI
Nissan — NEO DI
Renault — IDE
Alfa Romeo — JTS
PSA Peugeot Citroën — HPi
Mazda — DISI; SkyActive
General Motors — Ecotec
Ford — TwinForce, SCTi, EcoBoost
Volkswagen, Audi, Skoda — FSI, TSI, TFSI
Opel — SIDI (Spark Ignition Direct Injection)
Применение системы непосредственного впрыска позволяет достичь до 5-15% экономии топлива в режиме холостого хода и частичных нагрузок, а также сокращения выброса вредных веществ с отработавшими газами.
Устройство системы непосредственного впрыска топлива.
Конструкция системы непосредственного впрыска топлива рассмотрена на примере системы, устанавливаемой на двигатели FSI Fuel Stratified Injection – послойный впрыск топлива. Система непосредственного впрыска составляет контур высокого давления топливной системы двигателя и включает топливный насос высокого давления, регулятор давления топлива, топливную рампу, предохранительный клапан, датчик высокого давления и форсунки впрыска.
1. топливный бак
2. топливный насос
3. топливный фильтр
4. перепускной клапан
5. регулятор давления топлива
6. топливный насос высокого давления
7. трубопровод высокого давления
8. распределительный трубопровод
9. датчик высокого давления
10. предохранительный клапан
11. форсунки впрыска
12. адсорбер
13. электромагнитный запорный клапан продувки адсорбера
Топливный насос высокого давления служит для подачи топлива к топливной рампе и далее к форсункам впрыска под высоким давлениям (3-11 МПа) в соответствии с потребностями двигателя. Основу конструкции насоса составляет один или несколько плунжеров. Насос приводится в действие от распределительного вала впускных клапанов.
Регулятор давления топлива обеспечивает дозированную подачу топлива насосом в соответствии с впрыском форсунки. Регулятор расположен в топливном насосе высокого давления. Топливная рампа служит для распределения топлива по форсункам впрыска и предотвращения пульсации топлива в контуре. Предохранительный клапан защищает элементы системы впрыска от предельных давлений, возникающих при температурном расширении топлива. Клапан устанавливается на топливной рампе.
Датчик высокого давления предназначен для измерения давления в топливной рампе. В соответствии с сигналами датчика блок управления двигателем может изменять давление в топливной рампе. Форсунка впрыска обеспечивает распыление топлива в камере сгорания для образования топливно-воздушной смеси.
Согласованную работу системы обеспечивает электронная система управления двигателем, которая является дальнейшим развитием объединенной системы впрыска и зажигания. Традиционно система управления двигателем объединяет входные датчики, блок управления и исполнительные механизмы.
Помимо датчика высокого давления топлива в интересах системы непосредственного впрыска работают датчик частоты вращения коленчатого вала, датчик положения распределительного вала, датчик положения педали акселератора, расходомер воздуха, датчик температуры охлаждающей жидкости, датчик температуры воздуха на впуске.
В совокупности датчики обеспечивают необходимой информацией блок управления двигателем, на основании которой блок воздействует на исполнительные механизмы — электромагнитные клапаны форсунок, предохранительный и перепускной клапаны.
Принцип действия системы непосредственного впрыска
Система непосредственного впрыска в результате работы обеспечивает несколько видов смесеобразования:
Послойное
Стехиометрическое гомогенное
Гомогенное
Многообразие в смесеобразовании определяет высокую эффективность использования топлива (экономия, качество образования смеси, ее полное сгорание, увеличение мощности, уменьшение вредных выбросов, мгновенный отклик на педаль акселератора) на всех режимах работы двигателя.
Послойное смесеобразование используется при работе двигателя на малых и средних оборотах и нагрузках. Стехиометрическое (другое наименование – легковоспламеняемое) гомогенное (другое наименование – однородное) смесеобразование применяется при высоких оборотах двигателя — режим макисмальной мощности или больших нагрузках — режим максимального момента. На бедной гомогенной смеси двигатель работает в промежуточных режимах и на холостом ходу, когда нужно обеспичить максимальную экономию топлива. При послойном смесеобразовании дроссельная заслонка почти полностью открыта, впускные заслонки закрыты. Воздух поступает в камеры сгорания с большой скоростью, с образованием воздушного вихря. Впрыск топлива производится в зону свечи зажигания в конце такта сжатия, для этого поршень имеет специальную форму днища. За непродолжительное время до воспламенения в районе свечи зажигания образуется топливно-воздушная смесь с коэффициентом избытка воздуха от 1,5 до 3. При воспламенении смеси вокруг нее остается достаточно много чистого воздуха, выступающего в роли теплоизолятора.
Гомогенное стехиометрическое смесеобразование происходит при открытых впускных заслонках, дроссельная заслонка при этом открывается в соответствии с положением педали газа. Впрыск топлива производится на такте впуска, что способствует образованию однородной смеси. Коэффициент избытка воздуха составляет 1. Смесь воспламеняется и эффективно сгорает во всем объеме камеры сгорания. Бедная гомогенная смесь образуется при максимально открытой дроссельной заслонке и закрытыми впускными заслонками. При этом создается интенсивное движение воздуха в цилиндрах. Впрыск топлива производится на такте впуска. Коэффициент избытка воздуха поддерживается системой управления двигателем на уровне 1,5. При необходимости в состав смеси добавляются отработавшие газы из выпускной системы, содержание которых может доходить до 25%, что снижает количество кислорода в камере сгорания.
На практике непосредственный впрыск приносит много головной боли своим владельцам, вся экономия топлива рассыпается в труху о стоимость ремонта и обслуживания.
1. Необходимо следить за чистотой бензина от механических примесей. Что попало (самый дешевый) в эти двигатели не пойдет. Только самый дорогой из доступных, причем АИ-98-100.
2. Приходится часто менять топливные фильтры (обычно 30-60т.км.), причем только оригинальные. Использование неоригингальных топливных фильтров чревато быстрым износом ТНВД и забитыми форсунками, со всеми прелестями их замены или ремонта. Можно конечно рисковать, но в случае чего — выйдет раком очень дорого.
3. При температурах ниже -25-30С ТНВД из-за ухода тепловых зазоров не может развить номинальное давление, с прогревом он конечно довольно быстро приходит в норму. Но с увеличением пробега все становится хуже. Двигатель трясется, пытается — и не заводится нормально. Кроме того, запуск при таких температурах быстро изнашивает ТНВД и форсунки.
4. Каждые 30-60т.км. необходимо обслуживать всю топливную систему — промывать форсунки, менять уплотнительные колечки, проверять все насосы и при необходимости менять (насос низкого давления) либо ремонтировать (насос высокого давления). Иначе можно "встать" колом.
5. Нужно подбирать масло так, чтобы оно не сильно загаживало камеру сгорания и впускные клапана (а значит зола не больше 1,15%, а в некоторых случаях и все 0,8-1% что явно не способствует стойкости масла и сроку жизни ДВС до износа), но так чтобы предотвратить износ распредвалов, цепей, шестерен и прочего. Подобрать такое масло — не так то просто, даже сами автопроизводители в своих допусках уже запутались…и даже придумали новую страшилку — проблема LSPI. Несите ваши денежки за новые масла…только это вам не поможет. Выбирайте — повышенный износ всего двигателя, но чистые от нагара клапана и каналы, либо — низкий износ и все заросшее нагаром, с опасностью клина. Хороший выбор, не правда ли? Что в лоб, что по лбу…особенно печально в свете того, что многие двигатели с непосредственным впрыском имеют пластинчатую цепь Морзе, либо кулачки распредвалов непосредственно скользят по толкателям клапанов без роликовых механизмов, имеющую крайне высокие требования к противозадирным и противоизносным компонентам ZDDP и ZP, содержание которых приходится постоянно снижать, с все ужесточающимися экологическими нормами. Сюда нужны исключительно полнозольники…иначе износ к 150т.км. будет критическим. Раз в пару-тройку лет — обязательная чистка.
6. Самое веселое — каждые 50-100т.км. необходимо очищать одним из способов (чаще всего — механически, с разборкой) впускные клапана и впускные окна головки блока, из-за того что они не омываются бензином — зарастают нагарами, отложениями, сажей. "Спасибо" системам EGR и принудительной вентиляции картера. Все это дерьмо прилетает именно оттуда и налипает повсюду. В противном случае двигатель сначала теряет мощность (обычно чуть больше 100т.км.), в некоторых случаях смесь обогащается (воздуха мало) и двигатель начинает под нагрузкой коптить, в особо тяжелых случаях (когда владелец — у меня 150-180тыщ ниче не делал по движку — машина огонь!) возможно повреждение клапанов (клинит и гнет…) либо даже отрыв тарелок, с крайне тяжелыми последствиями…а эти двигатели нихрена не простые в сборке-разборке. И еще более тяжелые в капремонте. Если делать самостоятельно — довольно сложно и трудоемко, если ехать в автосервис — неприлично дорого и велик риск что ничего путем не очистят, а протрут тряпочкой впускные каналы и ОК — ждем на капиталочку, лох подготовлен, счетчик запущен…
7. Очень распространенная проблема двигателей с непосредственным впрыском — низкое тепловыделение на холостых и медленном движении по пробкам, в режиме бедной смеси. Экономия она конечно хорошо, но когда за окном -25-35С двигатель натурально остывает, из печки начинает идти холодный воздух. Все двигатели объемом менее 2л с непосредственным впрыском в той или иной степени подвержены этой проблеме. Постепенно решают извращениями с контурами охлаждения (подогрев антифриза от выхлопа, 2 термостата один в головку, второй в блок), интеграция выхлопного коллектора в головку блока…и…даже подачей обогащенной смеси, если температура ДВС начинает снижаться, превращая весь смысл непосредственного впрыска в ничто.
8. При езде на высоких скоростях, под нагрузкой, по трассе, когда нужен большой момент и мощность, для сопротивления нагрузке и воздушному потоку — экономия топлива от непосредственного впрыска едва ли укладывается в диапазон 1-5%. В таком режиме двигатель готовит исключительно стехиометрическую смесь, а то и богатит, когда нужна максимальная мощность. В таких режимах езды выгоды от непосредственного впрыска нет и быть не может.
9. Почти полная неликвидность авто с такими двигателями с реальным пробегом свыше 100-150т.км., даже если авто обслуживалось во время и проблем не доставляло. Сильное падение цены на вторичке. Владельцам приходится сматывать пробег в разы, чтобы вообще куда-то продать…и по этой причине невозможно понять, сколько же реально ходят эти двигатели?
К сожалению, непосредственный впрыск топлива бензиновых ДВС можно отнести еще к одной системе снижения ресурса до вмешательства, и вновь срок службы до первого ремонта не превышает 100-150т.км. городского пробега. Если хотите реально экономить топливо — покупайте дизель. Там тоже прелестей хватает ("зимнее" летнее диз.топливо, свечи накала, топливные фильтры, прокладки форсунок, ТНВД, сажевые фильтры…), но рассчитаны они обычно для комтранса, имеют огромный запас прочности (сравните поршни, толщину колец, шатунов, коленвала, конструкцию головы, блока) и раньше 250-350т.км. вы туда вряд ли вообще полезите.
Что такое непосредственный впрыск топлива и в чем его преимущества?
Сейчас одной из основных задач перед конструкторскими бюро автопроизводителей является создание силовых установок, потребляющих как можно меньше топлива и выбрасывающих в атмосферу сниженное количество вредных веществ. При этом необходимо добиться того, чтобы влияние на рабочие параметры (мощность, крутящий момент) было минимальным. То есть, необходимо сделать мотор экономичным, и в то же время мощным и тяговитым. Разберемся, что значит непосредственный впрыск топлива, и найдет ответы на эти запросы.
Суть такой системы сводится к раздельной подаче компонентов горючей смеси – бензина и воздуха в цилиндры. То есть принцип ее функционирования очень похож на работу дизельных установок, где смесеобразование выполняется в камерах сгорания. Но у бензинового агрегата, на котором установлена система непосредственного впрыска, имеется ряд особенностей процесса закачки составляющих топливной смеси.
Начнем изучение с отличий от других систем.
Чем отличается от распределенного впрыска?
Зачастую, когда описываются двигательные характеристики, можно увидеть аббревиатуры MPI, а также GDI. Если по этому поводу задать вопрос какому-нибудь консультанту, работающему в автосалоне, или же любому автослесарю, то они с большей долей уверенности будут говорить что впрыск топлива напрямую — это лучшее что придумано для в последнее время. А распределенный впрыск (MPI) устарел и вообще прошлый век. Теперь опишем в чем разница между ними.
Распределенный
Ее разработали еще тогда, когда появились первые инжекторы. Принцип работы в приготовлении ТВС прямо во впускном коллекторе. Другими словами, расположение форсунок определяется в коллекторе. Во впускной коллектор также обеспечивается доступ воздуха, кода открывается дроссельная заслонка. В результате чего образуется смесь. Затем она поступает к цилиндрам сквозь клапана, посредством разреженности получаемой при поршневом движении. Не стоит считать, что MPI более не используется. Производство моторов с MPI есть и в настоящее время. Хоть они считаются более простыми, но соответственно и меньше стоят.
Непосредственный
При применении этого решения смесь образуется в самом цилиндре. Расположение форсунок — в двигательном блоке, одна приходится на один цилиндр. Топливо поступает прямо в него в необходимый момент.
Принципы функционирования определяют достоинства и недостатки каждой из систем коротко: MPI обладает большей простотой и надежностью. Вообще MPI — это развитие карбюраторной системы, более мощная. Однако она уступает системе непосредственного впрыска топлива, поскольку она более современная и эффективная.
Устройство системы
GDI включает в себя ТНВД, рампу,а также механизм регулирующий давление смеси. В нее входит система датчиков (ВД, входные датчики), клапан предохранения, форсунки, Кроме того, туда же входит управляющий блок.
ТНВД выполняет основную работу — подает бензин на форсунки, с высоким давлением. Оно варьируется от трех до одиннадцати мегапаскалей, и позволит работать двигателю внутреннего сгорания в бесперебойном режиме. В ТНВД может быть один плунжер или же какое то количество, которые приводит в работу распредвал.
Рампу применяют для того чтобы доставить бензин к форсункам. И чтобы поддерживать давление топливного контура. Он защищает ТС от избыточного давления. Оно возникает тогда когда топливная смесь воспламеняется и сильно расширяется.
Регулятор, которые изменяет давление, дозирует бензин через насос, учитывая технические характеристики которые имеют топливные форсунки. Он находится в ТНВД. Датчик высокого давления измеряет уровень давления ТС. Сигналы, которые передаются этим датчиком служат основание для того чтобы поменять уровень давления рампы.
При помощи форсунок впрыскивается бензин, который принимает камера сгорания, после чего образуется ТВС. Обычно механизм который управляет подачей топлива напрямую, состоит из управляющего блока, датчиков входа, а также исполняющих механизмов.
Принцип действия
Самым главным компонентом системы служит ТНВД. При его помощи бензин поступает в рампу с большим давлением. он может быть конструктивно совершенно разным, это зависит от того кто его произвел. Основное различие насосов — в количестве плунжеров, он может быть в единственном числе или их может быть несколько. Осуществление привода происходит при помощи распредвалов. Кроме того, в системе есть клапаны, предотвращающие давление в ТС больше установленных пределов. В основном давление регулируется по нескольким точкам. Например, когда топливо выходит из топливного насоса высокого давления, эту функцию выполняет регулятор, входящий в его состав.
Также в нем есть клапан предохранения (далее ПК), функцией которого является контроль давления. Посредством ПК происходит отслеживается давление рампы. С помощью насоса подкачивающего топливо из бака, с использованием магистрали НД, происходит его подача на ТНВД. Перед этим бензин очищается посредством фильтра обеспечивающего его тонкую очистку, с удалением больших фракций. При помощи плунжеров создается топливное давление в диапазоне от трех до одиннадцати мегапаскалей. После чего, бензин, используя магистрали ВД оказывается в рампе, и уже она распределяет его на форсунки. Форсунки функционируют под контролем управляющего блока. Данный блок принимает во внимание информацию, которую ему поставляют датчики расположенные на двигателе. На ее основании он и управляет действиями форсунок.
Определяется когда должен происходить впрыск, сколько на это нужно бензина, а также каким способом будет происходит распыление. В том случае, когда на ТНВД приходит объем бензина превышающий нужный уровень, то ПК отправляет его в обратном направлении — в бак. Также сброс бензина происходит тогда когда увеличивается уровень давления в рампе. Этим занимается ПК.
Плюсы и минусы
Основной недостаток систем которые используют GDI — это то, что уменьшается надежность в целом. Если произойдет небольшой сбой или выйдет из строя какой нибудь компонент, то двигатель начинает себя вести неправильно. Он может заглохнуть, не работать на полной мощности, показывать на приборке ошибку, в общем показывает что с двигателем что то не в порядке.
Второй недостаток, тоже немаловажный, это то что эта система стоит достаточно дорого. Она очень сложна в эксплуатации, здесь необходимо тщательно следить за всеми компонентами GDI, за питанием, зажиганием, электроникой. Эта система должна питаться только качественным топливом. Этот недостаток отпугивает очень многих автолюбителей, которые рассматривают приобретение машины с GDI.
Потому что если вы приобретаете автомобиль с такой системой, то вы точно будете выбирать где заправляться. Дешевое топливо GDI не переносит категорически. Здесь не важно с каким октановым числом залит бензин, многие двигатели спокойно используют А-92, и даже спирт. Но наличие в плохом топливе различных сторонних компонентов, может вывести из строя весь двигатель внутреннего сгорания.
Еще одним недостатком GDI является то, что ее обслуга и запчасти к ней могут вылиться в очень круглую сумму. Эти запчасти они сложны в производстве и поэтому не могут иметь низкую стоимость. Также эти системы очень требовательны к качеству масел, фильтров и прочих расходных запчастей. Однако все это перекрывается достоинствами GDI.
С такими двигателями хорошо передвигаться в больших городах, поскольку в пробках двигатель, имеющий непосредственный впрыск работает с наибольшей экономией. К тому же в них можно реже менять масло, у них большой ресурс работы, потому что нагар почти не образуется. Потому что ТВС перерабатывается с большим КПД. Но эти достоинства будут работать только тогда, когда владелец автомобиля будет очень тщательно относится к его обслуживанию, и делать это у грамотных специалистов, потому как мы уже говорили, что двигатели с GDI очень сложны в устройстве.
Зная, что значит непосредственный впрыск топлива, каждый автолюбитель может сделать свой выбор самостоятельно.
За что любят и ненавидят непосредственный впрыск
Разбираемся в особенностях конструкции моторов с непосредственным впрыском и выясняем, за что их можно любить и ненавидеть.
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.
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.
Плюсы и минусы непосредственного впрыска топлива
Как уже понятно из названия, суть этой технологии в том, что бензин подается не в впускной коллектор, как раньше, а прямо в цилиндр, и уже там формируется топливо-воздушная смесь.
"Основными преимуществами непосредственного впрыска топлива являются большая экономичность и способность из того же объема двигателя выжать большую мощность", – уточняет генеральный директор сети автосервисов Алексей Никифоров.
Но главная причина распространения подобных моторов – постоянно ужесточающиеся экологические нормы. Эти агрегаты обеспечивают более полное сгорание топлива, а значит и выхлоп у них чище. Сегодня такие двигатели есть в линейках большинства представленных у нас иностранных брендов – от премиальных до демократичных. Но как это часто бывает, главное достоинство системы является и главным источником проблем: подача топлива в цилиндр происходит под сверхвысоким давлением (в 10 раз выше, чем у распределенного впрыска), а топливный насос высокого давления допускает лишь микронные зазоры, и любые посторонние микрочастицы мгновенно нарушают его работу.
"Моторы с непосредственным впрыском предъявляют более серьезные требования к качеству топлива, поэтому единственное, наверное, что может сделать владелец, это более тщательно выбирать, где он будет заправлять свой автомобиль", – подчеркивает Никифоров.
Хуже всего приходится распылителям форсунок, которые выступают в камеру сгорания и со временем закоксовываются. Тут необходимо топливо не просто качественное, а с моющими свойствами. Такое, например, предлагает компания "Роснефть". Фирменное топливо Pulsar постепенно удаляет загрязнения с форсунок и впускных клапанов, а при регулярном использовании на элементах топливной системы образуется защитная пленка, которая препятствует возникновению новых отложений. Это помогает улучшить динамику автомобиля, а главное – вы продлите ресурс своего мотора.
Требователен непосредственный впрыск и к качеству масла. Причем менять его нужно чаще, особенно если мотор турбированный. В идеале – раз в полгода или 7-8 тысяч километров. Кстати, такой регламент замены прописывают далеко не все производители, и чаще придется менять и топливный фильтр. Еще несколько моментов: такие моторы довольно долго прогреваются в холода, а экономия топлива ощущается только в городских условиях, на трассе же расход будет как у обычного движка.
В общем, при всех достоинствах, спорных моментов у непосредственного впрыска тоже хватает. К счастью, все это вполне решаемо, особенно если вовремя менять масло и следить за чистотой топливной системы.