Что такое непосредственный впрыск топлива: 4 главные проблемы (они не излечимы)

Система непосредственного впрыска топлива – устройство, принцип действия

Система непосредственного впрыска топлива является самой современной 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. Передовики Audi (двигатели TFSI) и Volkswagen (двигатели FSI, TSI), которые практически полностью перешли на бензиновые двигатели с непосредственным впрыском.

Двигатели с непосредственным впрыском имеют в своем активе BMW (двигатели N54, N63), Infiniti (двигатели M56), Ford (двигатели EcoBoost), General Motors (двигатели Ecotec), Hyundai (двигатели Theta), Mazda (двигатели Skyactiv), Mercedes-Benz (двигатели CGI).

Применение системы непосредственного впрыска позволяет достичь до 15% экономии топлива, 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.

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) 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 и больших нагрузках. На бедной гомогенной смеси двигатель работает в промежуточных режимах.

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. 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%.

 

 

Прямой впрыск топлива — Журнал «4х4 Club»

Технологии

 20 мая 2013

Для дизельных двигателей уже давно любой впрыск – непосредственный, в то время как для бензиновых моторов на сегодняшний день это последнее слово техники…

Еще на заре двигателестроения, сто лет назад, пути бензиновых и дизельных моторов разошлись. И тому были весомые причины в виде различия теории двух типов, а также совершенно разной организации горения смесей в цилиндре. Точнее, способа поджигания того, что должно было сгореть и выдать тепло для работы. Пройдя долгие пути совершенствования, моторы с зажиганием от свечи и двигатели, в которых смесь вспыхивает от сжатия, перепробовали в качестве топлив буквально все, что только может гореть, от керосина и тяжелых фракций нефти до природного газа, спирта и растительного масла. Системы питания этих моторов тоже были весьма разнообразны – от распылителей наподобие садовой лейки до впрыскивания топлива и в коллектор, и прямо в камеру сгорания. В итоге последние и победили всех остальных.

КОМПОНЕНТЫ.
Три главные части систем непосредственного впрыска – насос высокого давления, общая рампа с форсунками и электронный блок управления впрыском. За кажущейся простотой многочисленные технические ноу-хау, но рядовому сервисмену и common rail, и бензиновые аналоги обслуживать легко

СЖЕЧЬ БЕЗ ОСТАТКА
Но просто доставить заряд топлива в цилиндр оказалось недостаточно. Для того чтобы сделать моторы более экономичными и снизить выбросы вредных веществ в выхлопных газах, инженерам пришлось научиться управлять еще и скоростью горения смеси, а также точно позиционировать зону начала горения, направление продвижения пламени при рабочем ходе и его температуру. Помимо оптимизации формы самой камеры сгорания, единственным способом столь точной «стрельбы» топливом по рабочему объему стало повышение давления впрыска, вследствие чего появились системы типа сommon rail. Это название мы привыкли употреблять для дизельных систем. Бензиновые аналоги именуются «прямой впрыск», и у каждого производителя называются по-своему (GD-I – у Mitsubishi, FSI – у группы Volkswagen-Audi и т. д.).

ОБЩАЯ РАМПА

Отличие аппаратуры common rail от обычных систем впрыска прежде всего в очень большом (от 200 до 2000 бар) рабочем давлении. Топливо под большим давлением аккумулируется в довольно толстой общей емкости вблизи форсунок – топливной рампе. Потому такой впрыск еще называют аккумуляторным. Большой объем рампы снижает пульсацию давления от работы форсунок, что особенно актуально для дизелей. Форсунки открываются электроимпульсом и могут быть как обычными электромагнитными, так и пьезоэлектрическими. Высокое давление нагнетает механический топливный насос.

Для чего оно нужно? Исключительно для того, чтобы за очень короткий промежуток (миллисекунды) можно было впрыснуть заряд смеси, а за весь рабочий ход одного цилиндра успеть сделать несколько таких «инъекций».

ХОЛОДНЫЙ ПУСК.
Чтобы дизель пускался в любой мороз, прямо в камере сгорания торчит раскаленный носик электрической свечи накаливания. После запуска свеча отключается

В дизельных моторах подобный цикл работы, помимо более полного сгорания, позволяет избавиться от характерного «металлического» стука. Именно поэтому современные директ-дизели так тихи и почти не дают вибраций. Кроме того, точное позиционирование огненного факела позволяет даже устроить вспышку в центре камеры, оставив воздушную прослойку у стенок. Это снижает теплонагруженность дизеля и повышает его КПД (больше тепла используется на работу, меньше без дела отдается в атмосферу). И, наконец, управляемое сгорание смеси снижает вредные выбросы.

В бензиновых моторах прямой впрыск тоже позволяет точно регулировать процессы работы и, кроме того, дает возможность получить послойное горение (именно так переводится «фольксвагеновское» Fuel Stratified Injection). Зачем это нужно? Для той же экономии топлива. Дело в том, что, как известно, для бензинового двигателя есть оптимальное соотношение бензина к воздуху, называемое стехиометрическим (примерно 1:17). Но на некоторых режимах мотор может отлично работать и при соотношении 1:40. Только такую бедную смесь уже не поджечь свечой. Послойный впрыск позволяет получить в камере сгорания слои смеси с разным соотношением в разных местах – богатым в небольшом объеме возле свечи и сверхбедным во всем остальном объеме. За счет этого помимо экономии топлива и выдающейся экологичности наблюдается снижение шумности и тепловых потерь.

СОВЕРШЕНСТВО.
Вот она, мечта двигателиста, – огненный вихрь в камере сгорания, равномерно охватывающий весь объем, не касающийся стенок и не оставляющий недогоревшей смеси.  На сегодняшний день это лучший способ превратить химическую энергию топлива в механическую работу внутри теплового мотора

КОШМАРЫ ПРЯМОГО ВПРЫСКА
Как ни странно, компоненты common rail оказались даже дешевле, чем аналогичная дизельная аппаратура. Ничего удивительного в этом нет – вместо громоздкого и технически крайне сложного ТНВД обычного дизеля здесь лишь один насос. А все функции управления мотором, ранее возложенные на ТНВД, теперь отданы электронике, которая заведомо дешевеет с каждой минутой. К тому же, перепрограммировав, эти системы гораздо легче приспособить к изменению характеристик,. Бензиновые аналоги тоже не далеко ушли по хлопотности изготовления от обычного впрыска, хотя и имеют более точные детали.

Но нам с вами, разумеется, всегда хочется узнать и об обратной стороне любого новаторства. Неужели все так безоблачно у систем аккумуляторного впрыска? Чем common rail и его бензиновые аналоги могут расстроить владельца?

Если мы будем говорить о дизельных моторах, то одно обстоятельство, безусловно, есть. И связано оно напрямую с организацией процесса горения, вернее, со снижением теплопотерь. Помните про более высокий КПД? Та энергия, что раньше шла на разогрев мотора (и через систему охлаждения-отопления к нам с вами), теперь совершает полезную работу. В северных странах этот факт означает, что водителю и пассажирам достанется меньше тепла, особенно на холостых, когда любой дизель и так почти не «греет». Правда, тут хороший рецепт – автономный подогреватель, коими и оснащают многие автомобили с common rail прямо на заводе. Для дизелей с большим объемом и автомобилей класса выше среднего этот «довесок» почти незаметен ни в цене, ни по расходу топлива. Обладателям же авто поменьше здесь придется смириться с тем, что технологичность их двигателя явно превышает таковую у остальных систем автомобиля.

Для бензиновых моторов подобной проблемы нет, и все остальные тревоги владельцев прямого впрыска нужно рассматривать через призму аккуратного отношения к таким моментам, как качественное топливо, регулярное ТО и разумная эксплуатация.

В НОГУ СО ВРЕМЕНЕМ
Да, бензин плохого качества современные системы высокого давления переваривают с трудом. Правда, скорее всего больше пострадают не они сами, а топливные фильтры и катализаторы. Хватанув один раз паленого топлива на плохой заправке и увидев желтую лампочку «Джеки Чан», просто игнорируйте эту колонку в дальнейшем и при случае нанесите визит сервисменам. Фатальный исход при таком одноразовом событии очень маловероятен.

Хуже обстоит дело с директ-дизелями, чья топливная аппаратура совершенно не переваривает ни серу в дизтопливе, ни парафины в холодное время. Но от этого же топливного «мусора» аналогично страдают и обычные дизели, вернее, их чувствительные ТНВД. Да и топлива некачественного с каждым днем у нас все меньше.

Во всяком случае, на шоссе, по которому передвигаются фуры, риск заправиться плохим дизтопливом минимален. Ведь на большинстве современных тягачей тоже дизели с common rail. Речь скорее о том, на какой из сетей солярка чуть чище и где зимой сильнее разбавляют зимний дизель летним.

Да, гонять современный мотор «в хвост и в гриву», кормя его чем попало, увы, не получится. И это мне представляется вполне адекватной платой за его показатели и за хотя бы умозрительную заботу о чистоте окружающего воздуха.

ТЕСНО. Четыре клапана, форсунка впрыска и свеча зажигания помещаются над поршнем с трудом. Миниатюрные свечи – следствие технической эволюции

Из моего почти десятилетнего опыта дальних путешествий на различных автомобилях, большая часть которых была оборудована системами впрыска высокого давления, ни разу не возникло фатальных проблем с мотором из-за топлива. Да, Check Engine вспыхивал пару-тройку раз. Однажды даже дизельный BMW 530 дал черного «медведя» после заправки под Смоленском, но не более того. Особо беспокоящимся дизелистам просто посоветую приобрести антигелевые и цетаноповышающие присадки и не пользоваться подозрительными бензоколонками, которые объезжают стороной дальнобойщики.

ТАМОЖНЯ ДАЕТ ДОБРО
Иностранные производители, хотя и отчаянно сопротивлялись первое время поставкам в Россию машин с прямым впрыском и сommon rail, тем не менее мало-помалу дали зеленый свет самым современным моторам. Как же иначе, если других двигателей с каждым днем все меньше?

Моторы с прямым впрыском высокого давления сегодня уже не редкость. Для инженеров-мотористов это даже не сегодняшний, а почти вчерашний этап двигателестроения. И хотим мы этого или нет, директ-моторы постепенно вытеснят все остальные типы. Примерно так, как когда-то на смену керосиновым, паровым, газогенераторным автомобилям и конным повозкам пришел бензиново-дизельный транспорт. Но и эти продвинутые моторы не панацея. На смену им уже спешат еще более требовательные к вниманию гибриды, электромобили, даже водородные машины дня завтрашнего. Но это уже тема другой статьи.

Как выглядел бы Mercedes-Benz G-класса, если бы его выпустили ещё в 1969-м?

Новости

Активисты приклеили себя к полу в павильоне Porsche, а потом стали жаловаться на ужасные условия

Новости

Причины, по которым автомобиль тянет в сторону во время движения или торможения

Практика

Manhart G 800 Inferno добавляет Mercedes G63 мощности

Автомобили

Volvo не представляет современную роскошь без пластиковых бутылок

Новости

Автомобили Audi будут очищать воздух от вредных примесей

Новости

Mitsubishi представила новый компактный кроссовер XFC

Новости

Volkswagen пытается продать свой завод в Калуге

Новости

История происхождения современных внедорожников

Автомобили

Контрольные лампы на приборной панели.

Иерархия и значение Практика

Двигатель с непосредственным впрыском (GDI)

 

Бензиновый непосредственный впрыск (GDI) представляет собой более совершенную версию многоточечной системы, в которой топливо впрыскивается непосредственно в камеру сгорания, а не во впускное отверстие. Непосредственный впрыск улучшает эффективность сгорания, увеличивает экономию топлива и снижает выбросы.

Обе системы используют электронные топливные форсунки для впрыска топлива в двигатель, но разница заключается в том, где они впрыскивают топливо. В системах с распределенным впрыском топливо распыляется во впускные отверстия.

В настоящее время используются четыре основных типа систем впрыска топлива: впрыск через корпус дроссельной заслонки, впрыск через порт, последовательный впрыск и непосредственный впрыск. Основным преимуществом технологии прямого впрыска является лучшая экономия топлива для большинства применений и немного большая мощность.

Одна из проблем двигателей GDI связана с наличием мелких частиц масла/грязи, которые могут выдуваться из системы вентиляции картера и оседать на стенках впускного канала и задней части клапана. Углерод прилипает к клапану, потому что топливо не распыляется на заднюю часть клапана, как в системе с распределенным впрыском. Накопление может стать настолько значительным, что кусок может отколоться и повредить каталитический нейтрализатор. Это также может вызвать проблемы с зажиганием.

Некоторые OEM-производители используют впрыск как через порт, так и через цилиндр, чтобы уменьшить накопление углерода, в то время как другие поставщики работают над ТНВД высокого давления, которые лучше распыляют топливо, чтобы свести накопление к минимуму. Но не существует волшебной формулы для предотвращения накопления углерода.

Двигатели с непосредственным впрыском также страдают от состояния, называемого преждевременным зажиганием на низких оборотах (LSPI). LSPI — это аномальное сгорание, вызванное повышенным давлением в цилиндре, характерное для двигателей GDI с турбонаддувом, работающих на низких оборотах с высоким крутящим моментом.

При многоточечном впрыске топливо распыляется по мере того, как оно впрыскивается во впускное отверстие, а затем втягивается в камеру сгорания. Это не самый эффективный метод смешивания и воспламенения топлива, но он все же намного эффективнее карбюратора.

Новые компьютерные технологии позволили производителям перейти на GDI, чтобы обеспечить более точный контроль процесса сгорания и снизить выбросы. Однако мелкие частицы, которые не распыляются, вызывают горячие точки в камере сгорания. OEM-производители и вторичный рынок знают об этом, и даже производители масел работают над решением проблемы.

Компьютер, который сообщает форсункам, когда впрыскивать топливо, управляет обеими системами электронным способом, но основное различие заключается в том, где каждая из них распыляет топливо. Впрыск через порт распыляет топливо во впускные отверстия, где оно смешивается с поступающим воздухом.

Форсунки обычно располагаются в направляющих впускного коллектора. Когда впускной клапан открывается, топливная смесь втягивается в цилиндр двигателя.

При непосредственном впрыске форсунки находятся в головке блока цилиндров и впрыскивают топливо непосредственно в камеру сгорания, смешиваясь с нагнетаемым воздухом. Воздухозаборник только подает воздух в камеру сгорания с непосредственным впрыском. Сегодня GDI является ведущей технологией, и в ближайшие годы она будет только улучшаться. Впрыск топлива через порт все еще может иметь место, но в качестве второстепенного фактора для условий низкой скорости.

В этой статье:Предварительное зажигание на низких оборотах, техническое

Непосредственный впрыск топлива

Производители транспортных средств используют инновационные технологии, такие как непосредственный впрыск топлива, чтобы соответствовать все более строгим канадским стандартам выбросов парниковых газов для легковых автомобилей.

Непосредственный впрыск топлива повышает эффективность сгорания вашего двигателя и может снизить расход топлива на 1–3 %. Это экономит ваши деньги и снижает воздействие на окружающую среду.

Точность ведет к эффективности

Как следует из названия, эта технология впрыскивает топливо непосредственно в цилиндр под высоким давлением. В традиционной непрямой системе топливо впрыскивается в поток всасываемого воздуха при более низком давлении.

Непосредственный впрыск топлива обеспечивает большую топливную экономичность благодаря более высокому уровню точности в отношении количества топлива, впрыскиваемого в цилиндр, момента впрыска и формы распыла. Эта точность также дает двигателю большую мощность, что позволяет использовать двигатель меньшего размера.

Системы прямого впрыска топлива должны выдерживать суровые условия горения и работать при высоком давлении топлива. Это означает, что они более дорогие и сложные по сравнению с обычными системами. Но большие затраты могут быть компенсированы за счет экономии топлива.

Сколько может сэкономить непосредственный впрыск топлива

В течение 10 лет автомобиль с непосредственным впрыском топлива может обеспечить экономию топлива от 120 до 840 долларов США и сокращение выбросов углекислого газа (CO ₂ ) на 280–1930 кг. В верхнем пределе это эквивалентно

• около половины олимпийского бассейна из CO ₂
• почти 10% наших ежегодных выбросов на душу населения в Канаде, что составляет 22,1 тонны

В этой таблице показано, что прямой впрыск топлива может сэкономить вам время.

Расход топлива			10-летняя экономия*
Среднее (л/100 км)	Со снижением на 1% (л/100 км)	Со снижением на 3% (л/100 км)	Экономия топлива	CO 2 переходник
14,0	13,86	13,58	от 280 до 840 долларов	от 640 до 1930 кг
12,0	11,88	11,64	от 240 до 720 долларов	от 550 до 1660 кг
10,0	9,9	9,7	от 200 до 600 долларов	от 460 до 1380 кг
8,0	7,92	7,76	от 160 до 480 долларов	от 370 до 1100 кг
6,0	5,94	5,82	от 120 до 360 долларов	от 280 до 830 кг

*При годовом пробеге 20 000 км, цене топлива 1 доллар США/л и коэффициенте выбросов CO ₂ 2,3 кг/л бензина.