Бензиновый двигатель с непосредственным впрыском топлива: устройство и особенности

30 июня 2020 18:05

// Технические статьи

Бензиновый двигатель с непосредственным впрыском топлива: устройство и особенности

Рассмотрим, как устроены системы впрыска бензиновых двигателей, как они работают,  каковы их виды, в чём особенности центрального, коллекторного и непосредственного впрыска.

Системы впрыска топлива бензиновых двигателей –  это системы для дозированной подачи бензина в ДВС. Тип устройства, характеристика системы влияет на ряд важных показателей. Это экологический класс двигателя, его мощность, топливная эффективность. Устройство системы впрыска бензинового двигателя может иметь различные конструктивные решения и модификации. О них мы расскажем, останавливаясь на конкретных видах систем впрыска.
Впрыск топлива в воздушный поток может происходить как за счёт разрежения, так и за счёт избыточного давления. Например, в карбюраторе впрыскивание происходит за счёт разрежения, а в большинстве современных систем — за счёт избыточного давления.

  • центральным (например, наддроссельный впрыск),
  • распределённый или коллекторный (осуществляется отдельной форсункой в предкамеру, расположенную перед впускным клапаном каждого цилиндра двигателя),
  • непосредственный (осуществляется напрямую в камеры сгорания, отдельными форсунками), встречается в разных вариациях, характерен для современных автомобилей..

Бензиновый двигатель с непосредственным впрыском топлива: устройство и особенности

Варианты топливных систем бензиновых двигателей (R R. Bosch)

Конструктивное решение с карбюраторами

Дольше всего человечество знакомо с подачей топлива посредством карбюратора. И не потому, что такие решения лучшие, а потому что они – первые. И через множество лет это были единственно доступные системы. Карбюратор был неотъемлемой частью топливной системы на протяжении сотни лет.

Нельзя сказать, что сейчас карбюраторы полностью исчезли из жизни, но на легковой и коммерческий транспорт карбюраторы ставить перестали. Их можно увидеть только на средствах малой механизации, которые применяются для садовых, строительных работ.
 
Автопром же перестал выпускать машины с карбюраторной системой еще в 90-е годы прошлого века.

Принцип их действия основан на всасывании  топлива в поток воздуха, проходящего через сужение карбюратора. увеличение скорости движения воздуха в месте сужения воздушного канала формирует  разрежение воздуха.  Объём воздуха, который проходит через сужение воздушного канала, пропорционален объёму топлива, поступающего через распылитель карбюратора.

Благодаря этому несложно в автоматическом режиме поддерживать требуемое отношение топлива к воздуху.
.  Как работает устройство?

  1. Топливо из бака выбирает насос (управляемый механически или электрически – в зависимости от модели).

  2. ДВС запускается, и поток воздуха, проходящий через сужение воздушного канала карбюратора, создает разрежение. 
  3. В смесительную камеру карбюратора поступает топливо.
  4. Жиклер (калиброванное отверстие) дозирует топливо.

С точки зрения работы всё достаточно просто.

Так почему же карбюраторы уходят в историю?  Здесь достаточно много причин:

  • Низкая экономичность, а соответственно, и низкий уровень топливной эффективности.
  • Проблемы при переменных режимах работы, снижающие динамические качества- автомобиля.
  • Прямая зависимость от расположения двигателя в автомобиле.
  • Выброс в окружающую среду большого количества вредных веществ (несоответствие нормативам эмиссии газообразных вредных выбросов в атмосферу).

Бензиновый двигатель с непосредственным впрыском топлива: устройство и особенности

Моновпрыск 

На смену карбюратору пришла система так называемого «над дроссельного впрыска» топлива. Она также известна как моновпрыск или система центрального впрыска. Принцип базируется на впрыске топлива одной форсункой, установленной на впускном коллекторе двигателя.

Самыми популярными конструкциями системы центрального впрыска являются решения Mono-Jetronic от R. R. Bosch и Opel-Multec (как нетрудно догадаться из названия, это решение корпорации Opel). Появление моновпрыска приходится на середину 70-х годов 20-го века. В то время системой Mono-Jetronic стали оснащать автомобили Volkswagen и Audi.

Главной задачей при разработке моновпрыска стало нахождение альтернативы карбюраторной системе впрыска. Важно было найти более эффективную систему топливоподачи, которая смогла бы удовлетворить возросшим экологическим требованиям.

  • Регулятор давления. Способен поддержать на стабильном уровне рабочее давление в системе впрыска, а после выключения ДВС сохранить остаточное давление в системе . Это важно для облегчения пуска, создание барьеров против образования паровых пробок.
  • Электромагнитный клапан (форсунка). Обеспечивает импульсный впрыск топлива. Управление клапаном осуществляется посредством электросигнала. Он идёт от блока управления.
  • Дроссельная заслонка. Регулятор объема поступающего воздуха.
  • Привод. Он ответственный за работу дроссельной заслонки.
  • Электронный блок управления. «Мозг», синхронизатор.

Входные датчики (момента впрыска, положения дроссельной заслонки, оборотов двигателя, концентрации кислорода и т.д.).
Бензиновый двигатель с непосредственным впрыском топлива: устройство и особенности

Распределённый впрыск

В 70-е годы появились и системы распределительного впрыска, основанные на подаче топлива отдельной форсункой в предкамеру, расположенную перед впускным клапаном каждого цилиндра двигателя. Впрыск может быть при этом может быть как импульсным, так и непрерывным.  Мы остановимся на решении K-Jetronic производителя Robert R.

Bosch с непрерывным впрыском. K-Jetroniс активно присутствовала на рынке с 1973-го по 1995 годы.  Сначала K-Jetroniс выпускалась с механической системой дозирования. С 1982 года — с электронной начинкой и электронным управлением дозирования. Начиная с версий (модификаций) с электронным управлением система стала называться KE-Jetroniс.

Экономические характеристики автомобилей, их уровень топливной эффективности был существенно улучшен, уровень выбросов вредных веществ в выхлопе также снизился. В системах K/KE-Jetronic впрыск топлива осуществлялся непрерывно в смесительную камеру перед впускным клапаном.

При этом количественное дозирование топлива, поступающего в поток воздуха, производилось за счет взаимосвязанных узлов «расходомер – дозатор».

Помимо дозатора-распределителя обязательный элемент решения – дроссельная заслонка, расположенная за дозатором, у первых версий были вакуумно-механические клапаны коррекции топлива(запуск клапанов в работу возможен как от терморегуляторов, так от разряжения воздуха во впускном коллекторе), в поздних модификациях появились электрические клапаны коррекции топлива. Кроме того, системы  стали оснащать кислородным датчиком (лямбда-зондом). Огромным плюсом схемотехнического решения стало то, что система впрыска могла быть оснащена  катализаторам-, но к уровню надёжности были существенные вопросы.

Новой эрой стал дискретный впрыск топлива. Первой здесь стала электронная система распределенного впрыска топлива L-Jetronic – опять-таки от R. R. Bosch. С появлением этого решения стало возможным говорить о качественной управляемости, безотказности, надёжности. Да, сразу же стало ясно, что это средний и высокий ценовой сегмент. Поэтому долгое время системы дискретного впрыска топлива сосуществовали с системами непрерывного распределительного впрыска типа K/KE-Jetronic. Но постепенно L-Jetronic обрела массовость. Её стал активно использовать практически весь европейский автопром. Явные плюсы оценили и водители, и персонал автосервиса: повысилась топливная экономичность авто. Для обслуживания перестали быть нужны сложные навыки (в первую очередь, это стало возможным за счёт того, что отпала надобность выполнять механические настройки). L-Jetronic несколько раз модернизировалась и уверенно держалась на рынке до появления стандарта Евро-3. После чего более актуальными стали решения на основе термоанемометрических датчиков массметра (массового расхода воздуха). В частности, популярность приобрела модификация LH-Jetronic . У новой разработки стала доступна индивидуальная регулировка подачи топлива в каждый из  цилиндров
Объединяющая черта систем Mono-Jetronic, L-Jetronic, LH-Jetronic состоит в том, это все эти решения управляют только впрыском топлива, при этом для воспламенения топлива задействована система зажигания с модулем электронного управления.  Устройства, в которых система и зажигания и впрыск были синхронизированы и объединены, корпорация R.R. Bosch начала выпускать с 1979 года.Бензиновый двигатель с непосредственным впрыском топлива: устройство и особенности Ярким примером решения с объединёнными системами впрыска и зажигания – стала система Motronic от R.R. Bosch. 
Она существовала в нескольких модификациях, появившихся в 90-е годы 20-го века. В эти годы в их конструкции входили механические расходомеры воздуха. Но вскоре вместо них стали использоваться термоанемометрические датчики-расходомеры, расширились возможности для самодиагностики. Правда, полностью удовлетворить запросам диагноста  системы не могли, поскольку  протокол выявления неисправностей не обладал высокой результативностью. В последующих модификациях эта проблема была успешно решена.
Бензиновый двигатель с непосредственным впрыском топлива: устройство и особенности Но самым революционным решением Motronic стало появление датчика абсолютного давления во впускном коллекторе (MAP-sensor).

Использование  MAP-сенсора в системе управления двигателем позволило  готовить качественную топливовоздушную смесь, состав которой близок к желаемому, и, главное, не сложно соблюсти европейские требования к выхлопам автомобилей.

Но для выхода на американский рынок даже этого было недостаточно. По стандартам США в топливной системе должна быть обязательная система контроля утечек паров топлива из бака. Так появилось инновационное решение Motronic M5. С ним появились все условия для того, чтобы исключить эксплуатацию автомобиля с потерявшей герметичность пробкой заливной горловины или неисправной системой вентиляции топливного бака.Бензиновый двигатель с непосредственным впрыском топлива: устройство и особенности Кроме того, эта система соответствует требованиям самого строгого протокола самодиагностики OBD-II/CARB. А благодаря электроуправлению дроссельной заслонкой отлажено взаимодействие между системой управления двигателем и системой торможения.  

Системы непосредственного впрыска 
 

Читайте также:  Антикоррозийная обработка днища автомобиля своими руками:  чем обработать днище автомобиля  как это сделать

Особое место среди систем впрыска бензиновых двигателей получили системы непосредственного впрыска.
Их принцип действия основан на том, что топливо посредством инжектора распыляется прямо в цилиндр двигателя.

  • Это важно для достижения топливной экономичности.
  • Плунжерный насос. Подаёт топливо в рампу, соединённую с форсунками. 
  • Регулятор давления топлива. Поддерживает стабильное рабочее давление в топливной рампе. Топливная рампа. Здесь непосредственно происходит процесс распределения топлива по форсункам.
  • Предохранительный клапан на рампе. Защищает рампу от предельных давлений.
  • Датчик высокого давления. Замеряет давление в рампе, подаёт сигнал блоку управлением двигателя на коррекцию давления.

Согласование взаимодействия  узлов осуществляется посредством электронной системы управления двигателем. От блока электронного управления поступают команды на исполнительные механизмы.Бензиновый двигатель с непосредственным впрыском топлива: устройство и особенности

Интересная деталь! Если среди дизельных систем впрыска такие топливные системы были популярны давно, то среди бензиновых распространение получили не сразу. Причина элементарно проста: бензин в отличие от дизельного топлива является плохой смазкой, что вызывало быстрый износ» топливного насоса. Но с развитием технологий уплотнений разработчики снова смогли заняться бензиновыми системами с прямым впрыском топлива. Система непосредственного впрыска может обеспечивать несколько видов смесеобразования: послойное, однородное (гомогенное), и стехиометрическое. Послойное смесеообразование актуально при малых и средних оборотах, стехиометрическое и гомогенное – при сверхвысоких оборотах, а также при средних и высоких нагрузках. Самые популярные решения – с послойным смесеобразованием. Их хорошо знают по названию FSI и TFSI (у Volkswagen и у Ауди). Буква “T” в названии свидетельствуют о наличии турбокомпрессора, то есть двигатель, как именуется в просторечии — “турбирован”. В цилиндр таких бензиновых систем впрыска поступает небольшое количество топлива. Тщательная организация потока воздуха в цилиндре (его траектория движения, подобная «кувырку) и удачно подобранное время впрыска топлива в цилиндр создают  все условия, чтобы это небольшое количество топлива было подано к электродам  свечи зажигания, и произошло воспламенение этой порции горючей смеси.Бензиновый двигатель с непосредственным впрыском топлива: устройство и особенности Почему на эту бензиновую систему впрыска не переходят повсеместно. К сожалению, актуальна такая проблема, как «турбоямы» при резком нажатии на педаль газа. Этот недостаток полностью устранен при наличии наддувочного агрегата с электроприводом. Такие системы недёшевы. Но оперативно выйти на режим максимальной мощности, избежать «турбоям» при резком нажатии педали на газ с ними – не проблема. Прямой впрыск SC-E актуален, например, для ряда спортивных автомобилей. Очень высокий интерес – и к битопливным (бинарным) система с газотурбинным наддувом. При работе на бензине можно достичь очень хорошего крутящего момента. Параметры применяемого топлива прописываются в постоянной памяти. Если нужно заменить бензин на альтернативное топливо, изменяется программа смесеобразования. Это очень удобно. Очень часто спорят: какой впрыск лучше.  Дешевле всего обойдутся решения, ориентированные на распределённый  впрыск. Подкупает и то, что они не требовательны к качеству топлива. Если вам важно, чтобы была высокая топливная эффективность при минимальных значениях  вредных выбросов, однозначно стоит выбирать непосредственный впрыск. Да, эти решения дороже. Но лучше  заплатить больше единожды, чем постоянно “съедать” лишнее топливо.  Кстати, дороговизна решения связана, главным образом, с тем, что производителям пришлось внести кардинальные изменения в конструкцию головок цилиндров, однако в ремонте эти двигатели значительно дороже простых и надёжных двигателей с распределённым предкамерным впрыском топлива. Не просто изучить топливные системы, а попрактиковаться работать в поиске различных неисправностей в них вам помогут наши обучающие продукты.

Система непосредственного впрыска топлива

Сейчас одной из основных задач перед конструкторскими бюро автопроизводителей является создание силовых установок, потребляющими как можно меньше топлива и выбрасывающих в атмосферу сниженное количество вредных веществ. При этом всего этого необходимо добиться с условием того, что влияние на рабочие параметры (мощность, крутящий момент) будет минимальным. То есть, необходимо сделать мотор экономичным, и в то же время мощным и тяговитым.

Для достижения результата переделкам и доработкам подвергаются практически все узлы и системы силового агрегата. Особенно это касается системы питания, ведь именно она отвечает за поступление топлива в цилиндры. Последней разработкой в данном направлении считается непосредственный впрыск топлива в камеры сгорания силовой установки, функционирующего на бензине.

Суть этой 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, его смешивания и сгорания.

Немного истории

Прямой впрыск – идея не новая, в истории имеется ряд примеров, где такая система использовалась.

Первое массовое использование такого типа питания мотора было в авиации в средине прошлого века. Использовать ее пытались и на автотранспорте, однако широкого распространения она не получила.

Систему тех годов можно рассматривать как некий прототип, поскольку она была полностью механической.

«Вторую жизнь» система непосредственного впрыска получила в средине 90-х годов 20 века. Первыми свои авто с установками, имеющими прямой впрыск, оснастили японцы. Разработанный в Mitsubishi агрегат получил обозначение GDI, которое является аббревиатурой «Gasoline Direct Injection», что обозначается как непосредственный впрыск топлива. Чуть позже Toyota создала свой мотор – D4.

Бензиновый двигатель с непосредственным впрыском топлива: устройство и особенности

Прямой впрыск топлива

Со временем моторы, в которых используется прямой впрыск, появились и у других производителей:

  • Концерн VAG – TSI, FSI, TFSI;
  • Mercedes-Benz – CGI;
  • Ford – EcoBoost;
  • GM – EcoTech;

Непосредственный впрыск не является отдельным, совершенно новым типом, и относится он к инжекторным системам подачи топлива. Но в отличие от предшественников, топливо у него впрыскивается под давлением сразу в цилиндры, а не как раньше – во впускной коллектор, где бензин перемешивался с воздухом перед подачей в камеры сгорания.

Конструктивные особенности и принцип работы

Прямой впрыск бензина по принципу очень схож с дизелем. В конструкции такой системы питания имеется дополнительный насос, после которого бензин уже под давлением поступает на форсунки, установленные в ГБЦ с распылителями, находящимися в камере сгорания. В требуемый момент форсунка подает топливо в цилиндр, куда через впускной коллектор уже закачан воздух.

Конструкция данной системы питания включает:

  • бак с установленным в нем топливоподкачивающим насосом;
  • магистрали низкого давления;
  • фильтрующие элементы очистки топлива;
  • насос, создающий повышенное давление с установленным регулятором (ТНВД);
  • магистрали высокого давления;
  • рампа с форсунками;
  • перепускной и предохранительный клапаны.

Бензиновый двигатель с непосредственным впрыском топлива: устройство и особенности

Схема топливной системы с непосредственный впрыском

Назначение части элементов, такие как бак с насосом и фильтра описаны в других статьях. Поэтому рассмотрим назначение ряда узлов, использующихся только в системе прямого впрыска.

Одним из основных элементов в данной системе является насос высокого давления. Он обеспечивает поступление топлива под значительным давлением в топливную рампу. Конструкция его у разных производителей отличается — одно или многоплунжерная. Привод же осуществляется от распределительных валов.

Также в систему включены клапана, которые предотвращают превышение давления топлива в системе выше критических значений.

В целом же регулировка давления выполняется в нескольких местах – на выходе из насоса высокого давления регулятором, который входит в конструкцию ТНВД.

Имеется перепускной клапан, контролирующий давление на входе в насос. Предохранительный же клапан следит за давлением в рампе.

Работает все так: топливоподкачивающий насос из бака по магистрали низкого давления подает бензин на ТНВД, при этом бензин проходит через фильтр тонкой очистки топлива, где удаляются крупные примеси.

Плунжерные пары насоса создают давление топлива, которое при разных режимах работы двигателя варьируется от 3 до 11 МПа. Уже под давлением топливо по магистралям высокого давления поступает в рампу, которая распределяется по его форсункам.

Работа форсунок контролируется электронным блоком управления. При этом он основывается на показаниях множества датчиков двигателя, после анализа данных, он производит управление форсунками – момента впрыска, количества топлива и способа распыла.

Если на ТНВД подается количество топлива больше необходимого, то срабатывает перепускной клапан, который часть топлива возвращает в бак. Также часть топлива сбрасывается в бак в случае превышения давления в рампе, но делается это уже предохранительным клапаном.

Бензиновый двигатель с непосредственным впрыском топлива: устройство и особенности

Прямой впрыск

Типы смесеобразования

Используя непосредственный впрыск топлива, инженерам удалось снизить расход бензина. И все достигнуто возможностью использования нескольких типов смесеобразования.

Читайте также:  Присадки для АКПП: что нужно знать

То есть под определенные условия работы силовой установки подается свой тип смеси.

Причем система контролирует и управляет не только подачей топлива, для обеспечения того или иного типа смесеобразования устанавливается еще и определенный режим подачи воздуха в цилиндры.

Всего же прямой впрыск способен обеспечить два основных типа смеси в цилиндрах:

  • Послойная;
  • Стехиометрическая гомогенная;

Это позволяет подобрать смесь, которая при определенной работе мотора, обеспечит наибольшее КПД.

Послойное смесеобразование позволяет двигателю функционировать на очень бедной смеси, в которой массовая часть воздуха больше топливной части в более чем 40 раз. То есть в цилиндры подается очень большое количество воздуха, а затем в нее добавляется немного топлива.

В нормальных условиях такая смесь от искры не загорается. Чтобы воспламенение произошло, конструкторы придали днищу поршня особую форму, обеспечивающую завихрение.

При таком смесеобразовании в камеру сгорания воздух, направленный заслонкой, поступает на большой скорости. В конце такта сжатия форсунка впрыскивает топливо, которое достигая днища поршня, за счет завихрения поднимается вверх к свече зажигания.

В результате в зоне электродов смесь является обогащенной и легковоспламенимой, в то время как вокруг этой смеси находится воздух практически без частиц топлива.

Поэтому такое смесеобразование и получило название послойного – внутри имеется слой с обогащенной смесью, поверх которого находится еще один слой, практически без топлива.

Данное смесеобразование обеспечивает минимальное потребление бензина, но и приготавливает такую смесь система лишь при равномерном движении, без резких ускорений.

Стехиометрическое смесеобразование – это изготовление топливной смеси в оптимальных пропорциях (14,7 части воздуха на 1 часть бензина), что обеспечивает максимальный выход мощности. Такая смесь уже воспламеняется легко, поэтому надобности в создании обогащенного слоя возле свечи не требуется, наоборот, для эффективного сгорания необходимо, чтобы бензин равномерно распределился в воздухе.

Поэтому топливо впрыскивается форсунками на также сжатия, и до воспламенения оно успевает хорошо перемещаться с воздухом.

Такое смесеобразование обеспечивается в цилиндрах во время ускорений, когда необходим максимальный выход мощности, а не экономичность.

Конструкторам пришлось также решать вопрос с переходом двигателя с бедной смеси на обогащенную во время резких ускорений. Чтобы не произошло детонационного сгорания, во время перехода используется двойной впрыск.

Первая закачка топлива выполняется на такте впуска, при этом топливо выступает в качестве охладителя стенок камеры сгорания, что исключает детонацию. Вторая порция бензина подается уже на конце такта сжатия.
Бензиновый двигатель с непосредственным впрыском топлива: устройство и особенности

Система непосредственного впрыска топлива благодаря применению сразу нескольких типов смесеобразования, позволяет неплохо экономить топливо без особого влияния на мощностные показатели.

Во время ускорений двигатель работает на обычной смеси, а после набора скорости, когда режим движения размеренный и без резких перепадов, силовая установка переходит на очень обедненную смесь, тем самым экономя топливо.

В этом и кроется основное достоинство такой системы питания. Но есть у нее и немаловажный недостаток. В топливном насосе высокого давления, а также в форсунках используются прецизионные пары с высокой степенью обработки.

Именно они и являются слабым местом, поскольку эти пары очень чувствительны к качеству бензина. Наличие сторонних примесей, серы и воды способно вывести ТНВД и форсунки из строя. Дополнительно, бензин обладает очень слабыми смазывающими свойствами.

Поэтому износ прецизионных пар выше, чем у того же дизельного мотора.

К тому же сама система непосредственной подачи топлива конструктивно более сложная и дорогостоящая, чем та же система раздельного впрыска.

Новые разработки

Конструкторы же на достигнутом не останавливаются. Своеобразную доработку прямого впрыска сделали в концерне VAG в силовом агрегате TFSI. У него систему питания объединили с турбокомпрессором.

Интересное решение предложила компания Orbital. Они разработали особую форсунку, которая помимо топлива впрыскивает в цилиндры еще и сжатый воздух, подающийся от дополнительного компрессора. Такая топливовоздушная смесь обладает отличной воспламеняемостью и хорошо сгорает. Но это пока только разработка и найдет ли она применение на авто, пока неизвестно.

В целом же, непосредственный впрыск сейчас является самой лучшей системой питания в плане экономичности и экологичности, хоть и имеются у нее свои недостатки.

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

Бензиновый двигатель с непосредственным впрыском топлива: устройство и особенностиСистема питания воздухом двигателя 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

Бензиновый двигатель с непосредственным впрыском топлива: устройство и особенностиСхема работы непосредственного впрыска топлива

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

Бензиновый двигатель с непосредственным впрыском топлива: устройство и особенностиПоршень двигателя GDI

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.

Читайте также:  Классификация трансмиссионных масел

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.

https://www.youtube.com/watch?v=P9cpOgVJadw\u0026pp=ygWbAdCR0LXQvdC30LjQvdC-0LLRi9C5INC00LLQuNCz0LDRgtC10LvRjCDRgSDQvdC10L_QvtGB0YDQtdC00YHRgtCy0LXQvdC90YvQvCDQstC_0YDRi9GB0LrQvtC8INGC0L7Qv9C70LjQstCwOiDRg9GB0YLRgNC-0LnRgdGC0LLQviDQuCDQvtGB0L7QsdC10L3QvdC-0YHRgtC4

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.

(7

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.

Двигатели-маломерки отработали ресурс.

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.

https://www.youtube.com/watch?v=P9cpOgVJadw\u0026pp=YAHIAQE%3D

Производители таких движков приводят весьма красноречивые данные: расход топлива снижается в среднем на 20-25%, а тяга и мощность повышаются на 10-15%. И всё это при небольшом литраже, применении систем рециркуляции и дожигания выхлопа, соответствии самым строгим экологическим нормам и возможности использования на ДВС многоступенчатого наддува. Словом, не моторы — сказка!

Технические хитрости

И всё бы ничего, да применение схем непосредственного впрыска тянет за собой невероятно высокие требования не только к конструкции силового агрегата, но также к топливному насосу и качеству горючего, а также смазочным материалам, форсункам и электрике, большинству других жизненно важных узлов и агрегатов автомобиля.

Добиться образования правильной смеси при непосредственном впрыске чрезвычайно сложно. Для этого «мозги» машины снабжаются сразу несколькими программами управления с разным циклом работы и ворохом высокоточных датчиков.

А за распыл топлива отвечают специальные вихревые форсунки, работающие при сверхвысоком давлении, для создания которого, в свою очередь, автомобиль оснащается высокопроизводительными топливными насосами, аналогичными тем, что используются в дизельных схемах (если обычные насосы развивают порядка 3-4 атм, то эти обеспечивают 50-130). Разумеется, компоненты таких систем должны быть невероятно технологичными и качественными, рассчитанными на длительный срок службы. Именно соблюдение этих условий позволяет более эффективно распылять топливо, лучше перемешивать его с воздухом и грамотнее распоряжается готовой смесью на разных режимах работы двигателя.

Какими станут двигатели будущего.

Будучи ненагруженным (к примеру, в режиме холостого хода), двигатель с непосредственным впрыском функционирует в режиме послойного смесеобразования — смесь максимально обедняется, но остаётся достаточно качественной и пригодной для работы.

В этом режиме дроссельная заслонка открыта широко, а впускные заслонки находятся в закрытом состоянии. Горючее впрыскивается ближе к концу такта сжатия в область свечи зажигания, где завихряется и легко воспламеняется.

Гомогенное смесеобразование позволяет получить мощностную смесь, необходимую при равномерных нагрузках на двигатель и на переходных режимах. При максимальных нагрузках открыты как дроссельная заслонка, так и впускные каналы, а горючее впрыскивается ещё на такте впуска.

Одновременно, по возможности, дожигаются и выхлопные газы, что повышает экологические показатели без ущерба для мотора.

  • Всё это требует доработки геометрии камеры сгорания, повышения степени сжатия до 1:12-14, применения более сложного и дорогого катализатора, высокопроизводительных форсунок с мощными соленоидами, а также высокопроизводительного мультирежимного топливного насоса.
  • Плюсы и минусы
  • Главным минусом систем непосредственного впрыска является общее снижение надёжности: даже при незначительных сбоях и поломках какого-либо компонента такой движок начинает «капризничать» — глохнуть, чихать, не выходить на полную мощность, зажигать пиктограмму на приборной панели и всячески намекать владельцу на проблемы.

5 могучих атмосферников, которых больше нет.

Вторым не менее важным недочётом является стоимость такого агрегата — это технически сложное устройство, требующее повышенного внимания и контроля ко всем системам, включая систему питания, зажигания, выпуска и электронику.

Чувствительность к качеству топлива — ещё один жирный минус, с которым готов мириться далеко не каждый автовладелец.

Купив машину с системой непосредственного впрыска, вы гарантированно начнёте чрезвычайно тщательно подходить к выбору заправок: заливаться дешёвой горючкой, увы, уже не получится.

И дело даже не в том, что таким моторам нужно особое октановое число — некоторые из них давно научились работать даже на 92-м бензине или спирте, — а в содержании в некачественном бензине соединений серы, фосфора, железа и прочих примесей, мешающих нормальной работе ДВС.

Наконец, отпугнуть от покупки машины с таким движком может и высокая стоимость запасных частей и обслуживания. Дешёвыми высокотехнологичные запчасти к ним не бывают, при этом требования к маслам, фильтрам и прочим «расходникам» также повышаются.

Но всё это меркнет на фоне плюсов:

Именно моторы с непосредственным впрыском являются наиболее технологичными, экономичными, лёгкими и тяговитыми.

Они идеально подходят для эксплуатации в загруженных мегаполисах (именно в пробочных режимах ДВС с непосредственным впрыском наиболее экономичны), вдобавок они позволяют увеличивать интервал замены масла и обладают увеличенным сроком службы из-за уменьшения нагара (это достигается программно максимально эффективным сжиганием топливовоздушной смеси). Однако всего этого удаётся добиться только при чрезвычайно внимательном отношении к автомобилю и грамотном его обслуживании.

Немилосердный квант: что убьёт бензиновые моторы.

Ссылка на основную публикацию
Adblock
detector