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.
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.
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.
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.
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.