О чем речь? Непосредственный впрыск топлива – современная схема подачи, в которой бензин поступает не в коллектор, как при распределенной системе, а в цилиндры. Таким образом в камеры сгорания идет не топливовоздушная смесь, а топливо в чистом виде. Смесеобразование происходит прямо в двигателе.
На что обратить внимание? Система гарантирует экономичность и экологичность. Однако за удобства нужно платить, в данном случае качеством топлива, более частой заменой масла, которое должно соответствовать определенным требованиям.
В этой статье:
Отличия непосредственного впрыска от других топливных систем
Непосредственный впрыск топлива стал широко применяться на бензиновых ДВС после 2000 года. На сегодняшний день силовые установки практически всех современных автомобилей в среднем и высшем ценовых сегментах оснащаются такими системами. Специалисты считают, что этому техническому решению не будет достойных альтернатив до тех пор, пока человечество не перейдет на использование моторов, работающих на абсолютно иных принципах, например, электрических.
Бензиновые двигатели, оснащенные системой непосредственного впрыска топлива, отличаются от моторов с распределенным впрыскиванием в первую очередь тем, что в них предусмотрена подача топлива не во впускной коллектор, а непосредственно в камеры сгорания, причем бензин подается не в виде топливно-воздушной смеси, а отдельно (смешивание происходит уже внутри цилиндров).
Система непосредственного впрыска хороша тем, что такое решение делает возможным крайне точное управление процессом формирования топливно-воздушной смеси, позволяя максимально обеднять последнюю. Если в обычных двигателях внутреннего сгорания используется смесь, в которой на одну долю бензина приходится около 14 долей воздуха, то отдельные режимы в ДВС с непосредственным впрыском позволяют доводить соотношение до 1:20, а в некоторых случаях – 1:40. Очевидно, что это приводит к существенной экономии горючего.
Чем хорош непосредственный впрыск, показывают данные, приводимые производителями двигателей, оснащенных такими системами. Снижение расхода бензина при их использовании составляет от 20 до 25 %, а повышение мощности – от 10 до 15 %. К этому следует добавить небольшой объем, рециркуляцию, дожигание выхлопных газов, соответствие требованиям по экологичности, возможность применения систем многоступенчатого наддува. Все это ставит такие моторы вне конкуренции.
Отличия непосредственного впрыска от других топливных систем
Конструкция системы непосредственного впрыска
В качестве примера конструкции современных устройств непосредственного впрыска рассмотрим систему так называемого послойного впрыскивания топлива FSI (Fuel Stratified Injection), состоящую из:
- топливного бака;
- топливного насоса;
- топливного фильтра;
- перепускного клапана;
- регулятора давления топлива;
- топливного насоса высокого давления;
- трубопровода высокого давления;
- распределительного трубопровода;
- датчика высокого давления;
- предохранительного клапана;
- форсунок впрыска;
- адсорбера;
- электромагнитного запорного клапана продувки адсорбера.
Топливо подается топливным насосом высокого давления к топливной рампе, а затем на форсунки впрыска. Давление составляет от 3 до 11 МПа в зависимости от потребностей мотора. Конструкция ТНВД включает в себя плунжеры (один или несколько). Для приведения помпы в действие используется крутящий момент распредвала впускных клапанов.
Благодаря регулятору давления, которым оснащен топливный насос высокого давления, топливо подается определенными дозами. Подача соответствует впрыску форсунок. Задача топливной рампы – распределять бензин между форсунками впрыска и предотвращать пульсацию в топливном контуре мотора. С помощью предохранительного клапана топливной рампы в таких системах решается задача защиты элементов от скачков давления, которые могут происходить из-за температурного расширения горючего.
Давление топлива в рампе измеряется датчиком высокого давления, сигналы которого позволяют им управлять. Топливо через форсунки впрыска распыляется по камерам сгорания, где формируется топливно-воздушная смесь.
Согласованная работа оборудования непосредственного послойного впрыска обеспечивается электронной системой, представляющей собой модификацию совокупности устройств впрыска и зажигания, включающих входные датчики, блок управления и исполнительные механизмы.
Также работа системы регулируется с помощью датчиков частоты вращения коленвала, положения распредвала, положения педали газа, температуры охлаждающей жидкости и воздуха на впуске, а также расходомера воздуха.
Все эти устройства предоставляют блоку управления двигателем данные, на основании которых последний управляет работой исполнительных механизмов – электромагнитных клапанов форсунок, а также предохранительным и перепускным клапанами.
Конструкция системы непосредственного впрыска
Виды смесеобразования при непосредственном впрыске
Двигатель с непосредственным впрыском отличается сниженным расходом топлива за счет того, что смесеобразование может происходить в разных режимах. При этом состав топливно-воздушной смеси может меняться и адаптироваться к условиям, в которых силовая установка работает в конкретный момент. Под контролем системы находятся подача в камеры сгорания не только бензина, но и воздуха.
Существует два основных типа формирования топливно-воздушных смесей, которые образуются в камере сгорания при непосредственном впрыске бензина:
- послойное;
- стехиометрическое гомогенное.
Правильный выбор типа смесеобразования для бензинового двигателя внутреннего сгорания с непосредственным впрыском топлива позволяет добиваться максимального коэффициента полезного действия.
Воспламенение такой смеси при нормальных условиях невозможно. Для того чтобы искра могла ее зажечь, конструкторами была разработана особая форма поршня, позволяющая создавать при впрыске топлива завихрения.
Суть процесса формирования топливно-воздушной смеси состоит в очень быстром поступлении воздуха внутрь цилиндра в направлении, которое задает заслонка. Бензин достигает поршня, а затем благодаря создаваемому завихрению движется наверх и доходит до свечи зажигания. Это позволяет подавать на электроды обогащенную смесь, легко поддающуюся воспламенению. Вокруг при этом находится воздух, в котором почти нет топлива. Именно эту особенность отражает название такого смесеобразования – «послойное».
Эта технология позволяет достигать максимальной экономии топлива, однако ее применение невозможно во время резкого набора скорости.
Непосредственный впрыск со стехиометрическим смесеобразованием – это процесс, в ходе которого приготавливается топливно-воздушная смесь с оптимальным соотношением компонентов (1:14,7). Такая пропорция обеспечивает максимальную мощность. Воспламенение в этом случае происходит без проблем, а значит, нет необходимости создавать вблизи электродов обогащенный слой. Наиболее эффективно сгорание происходит, когда частички бензина равномерно распределены внутри камеры.
Виды смесеобразования при непосредственном впрыске
Впрыск топлива через форсунки выполняется на такте сжатия, что позволяет ему полностью перемешаться с воздухом внутри цилиндра.
Этот тип смесеобразования используется при наборе скорости, когда важно добиться максимального выхода мощности, а не экономии бензина.
Для того чтобы двигатель без детонации топлива переходил с обедненной смеси на более насыщенную при наборе скорости, конструкторы предусмотрели применение в переходный момент двойного впрыска.
Такт впуска сопровождается первой закачкой внутрь цилиндра бензина, который охлаждает его стенку, препятствуя возникновению детонации. Второй впрыск топлива выполняется, когда заканчивается такт сжатия.
Система непосредственного впрыска топлива из-за применения сразу нескольких видов смесеобразования, дает возможность неплохо сэкономить топливо без особого воздействия на показатели мощности.
При ускорении мотор работает на обычной смеси, а после набора скорости, когда режим движения размеренный, без особых перепадов, ДВС переходит на крайне обедненную смесь, тем самым экономя горючее.
Плюсы и минусы непосредственного впрыска
К основным недостаткам систем непосредственного впрыска специалисты относят:
- сложность конструкции;
- высокую стоимость, которая обусловлена конструктивной сложностью;
- необходимость применения высокопрочных материалов и крайне высокой точности при производстве деталей;
- частый выход из строя форсунок, сопла которых, направленные внутрь камеры сгорания, постоянно забиваются нагаром (это серьезно осложняет применение систем непосредственного впрыска в Российской Федерации, где качество топлива на заправках зачастую оставляет желать лучшего);
- необходимость осуществлять постоянный контроль состояния деталей системы впрыска – форсунок, впускных клапанов и т. д., которые в данном случае не омываются топливом, в отличие от классических систем, а значит, склонны к засорению продуктами горения;
- дороговизну ремонта и потребность в недешевом профилактическом обслуживании.
Перечисляя основные преимущества систем Gasoline Direct Injection, следует упомянуть:
- о более высокой мощности;
- об экологичности;
- об экономичности (с оговоркой: реально значимых значений снижения расхода топлива можно достичь при наличии соответствующих условий) – возможная экономия составляет от 5 до 10 %;
- об охлаждении головок поршней при непосредственном впрыске бензина внутрь цилиндров;
- о более равномерном и эффективном смешивании компонентов топливно-воздушной смеси;
- о меньшей вероятности возникновения детонаций;
- о возможности точного контроля параметров работы двигателя с помощью электронного блока управления.
Плюсы и минусы непосредственного впрыска
Часто задаваемые вопросы о непосредственном впрыске
Каковы особенности эксплуатации ДВС с системой непосредственного впрыска?
Используя бензиновый двигатель внутреннего сгорания, оснащенный системой Gasoline Direct Injection, необходимо регулярно (от 8 000 до 10 000 км пробега) выполнять замену:
- моторного масла;
- масляных фильтров;
С какими проблемами можно столкнуться при эксплуатации ДВС с системой непосредственного впрыска в зимний период?
Главные отличия двигателей с системой непосредственного впрыска заключаются в медленном прогревании на низких оборотах или при малых нагрузках. С такой же проблемой зимой сталкиваются владельцы автомобилей с современными дизельными моторами.
Отчасти ее можно решить, используя сложную систему охлаждения, например, когда используется такое решение, как интеграция выпускного коллектора в головку блока цилиндров для ускорения прогрева. Салон часто приходится отапливать дополнительными электрическими нагревателями, не отбирая при этом дефицитную тепловую энергию у ДВС.
Можно ли пользоваться газобаллонным оборудованием на автомобилях, оснащенных двигателями с системой непосредственного впрыска?
Использование газа в качестве топлива для двигателя с непосредственным впрыском осложнено тем, что для корректной работы системы GDI требуются более высокие точность и скорость работы форсунок, чем на моторах с распределенным впрыском, а значит, повышенные требования предъявляются также к электронике и программному обеспечению блоков управления.
Отдельные режимы требуют дополнительного впрыска горючего. При нестабильной работе газобаллонного оборудования газ замещается бензином в такой значительной степени, что это существенно понижает экономическую эффективность использования ГБО.
Выше мы рассмотрели основные нюансы применения, а также плюсы и минусы двигателей внутреннего сгорания с системой непосредственного впрыска топлива. В целом при соблюдении ряда рекомендаций производителей – использовании качественного бензина и выполнения регулярного (примерно каждые 50 000 или 60 000 км пробега) ТО топливной системы – такие моторы вполне надежны, эффективны и экологичны.
