Как работает система непосредственного впрыска топлива GDI

Система непосредственного впрыска топлива применяется на бензиновых двигателях последних поколений с целью повышения их экономичности и увеличения мощности. Она предполагает впрыск бензина напрямую в камеры сгорания цилиндров, где и происходит его смешение с воздухом и образование топливовоздушной смеси. Первыми двигателями, которые были оснащены такой системой впрыска, стали моторы GDI (Mitsubishi). Аббревиатура GDI – расшифровывается как “Gasoline Direct Injection”, что дословно переводится как “непосредственный впрыск бензина”.

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

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

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.

Особенности эксплуатации системы

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.

Плюсы и минусы использования

Главной особенностью двигателя gdi является подача топлива напрямую в цилиндр, что сокращает время цикла и существенно повышает мощность автомобиля (до 15%). Помимо этого уменьшается расход топлива (до 25%) и повышается экологичность выхлопа. Это обеспечивает более эффективную эксплуатацию автомобиля в городских условиях.

Для автомобилей, на которых установлен GDI двигатель, проблемы эксплуатации связаны прежде всего со следующим перечнем недостатков:

• Необходимость нейтрализации отработавших газов при работе мотора на малых оборотах. При образовании обедненной топливно-воздушной смеси в выхлопных газах образуется много вредных компонентов, для устранения которых требуется установка системы рециркуляции отработавших газов.
• Повышенные требования к топливу и маслу. Наилучшим бензином для GDI считается топливо с октановым числом 101, который практически недоступен на отечественном рынке.
• Высокая стоимость производства двигателей и ремонта. Весомую долю проблем доставляют форсунки, подающие бензин в цилиндры. Они должны выдерживать высокое давление. Если они забиваются по причине некачественного топлива, их невозможно разобрать и почистить – форсунки подлежат только замене. Их стоимость в несколько раз выше, чем у обычных.
• Повышенное внимание к системе фильтрации. Чистка и замена воздушного фильтра в такой системе должна производиться чаще, поскольку качество поступающего воздуха напрямую связано с состоянием форсунок.

Отечественные автомобилисты весьма скептически относятся к системе непосредственного впрыска, что обусловлено высокой стоимостью обслуживания автомобиля. С другой стороны, такие двигатели считаются передовой технологией, которая развивается и активно внедряется в автомобилестроение по всему миру.

«Грязнуля» FSI: чем «болеют» моторы с непосредственным впрыском и как их вылечить

Загрязнение форсунок и клапанов – головная боль владельцев автомобилей VAG с непосредственным впрыском. Она сопровождается вибрацией, повышенным расходом топлива и дерганьем автомобиля при разгоне. Разберёмся, что является причиной этой проблемы и почему качество топлива или масла здесь ни при чём

Что такое послойное смесеобразование, и почему моторы с непосредственным впрыском завоевывают мир

Термин «непосредственный впрыск» хорошо известен, поскольку данная конструкция широко применяется автопроизводителями еще с 1990-х годов – вспомним, например, моторы GDI (Gasoline Direct Injection – прямой впрыск бензина) от Mitsubishi. Похожая система сейчас используется концерном Volkswagen, но именуется иначе – FSI, сокращение от Fuel Stratified Injection — «послойный» впрыск топлива». Так в чем же отличие «джидаев» от тех систем, которые применяются теперь? Там и там – непосредственный впрыск, но вот состав самой смеси различается. Если на первых моделях топливная форсунка представляла собой обычный распылитель, при котором получалась однородная (гомогенная) смесь, и различие между непосредственным и распределенным (MPI) впрыском было только в количестве отверстий распылителя, их расположении и разных показателей давления, то на современных моделях производители уже научились разделять топливовоздушную смесь на зоны с переобогащенной и переобедненной смесью. Зачем это понадобилось? Из-за характеристик сгорания переобедненной смеси. Перечислим плюсы, которые мы получаем во время работы ДВС на такой смеси.

1. Высокая температура сгорания, высокий КПД и, как следствие, высокий крутящий момент на выходе.
2. Сокращение расхода топлива (до 15 %, но это только в теории).
3. Малая эмиссия углеводородов в выхлопных газах.

Вполне достаточно, чтобы заработать на звание «Мотор года», не находите? Внедрение таких моторов пошло полным ходом с 2005 года. В качестве примера можно вспомнить массовый переход на FSI-моторы концерна VW. И, разумеется, первые «блины» вышли комом – достаточно спросить обладателей первых Passat B6 с атмосферными FSI-моторами, выпущенных в 2006 году, с их многочисленными прошивками ЭБУ и проблемами с запуском зимой. «Четырехколечное» подразделение концерна поступило мудрее, не став рисковать своим имиджем ради новых технологий. Вот выдержка из материала самообучения по двигателю 2.0 TFSI, то, что написано в самом начале документа (здесь и далее цитаты из официальных и обучающих документов VW AG).

Впрочем, полностью отказаться от послойного смесеобразования производитель все же не смог. Давайте рассмотрим подробнее, что же такое послойное смесеобразование.

Хорошо видно, что область использования переобедненных смесей находится в промежутке от 1000 до 3500 об/мин, т.е. в наиболее часто используемом водителями диапазоне оборотов ДВС . Если брать диаграмму относительно нагрузки ДВС:

Опять мы видим в области средних/малых нагрузок работу именно на переобедненной смеси. Каким же образом реализуется такая работа? С помощью ввода специальных управляемых воздушных заслонок во впускном коллекторе.

…и ориентации (и формы) распылителей форсунок, имеющих возможность впрыска топлива прямо в цилиндры (непосредственный впрыск), собственно и становится возможным осуществить процесс работы ДВС на обедненной смеси.

Предлагаем взглянуть на моделирование начального процесса без привязки к конкретному исполнению мотора, как это воспринималось разработчиками системы непосредственного впрыска Bosch MED 7.

Обратите внимание: поток восходящий, симметричный, образующий две равнозначные, однонаправленные циркуляции (топливное «облако» и воздушный поток) в объеме ½ поперечной плоскости цилиндра. Степень насыщения воздушного «факела» топливом сильно зависит от формы днища поршня, но довольно слабо – от смещения и отклонения самой топливной струи, в данном случае сглаживаемых самой формой днища поршня.

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:

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 NO_x 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 NO_x 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.