Двигатели внутреннего сгорания GDI

Одноточечный впрыск намного проще, он менее начинен электроникой, которая им управляет, в тоже время и менее эффективен. Управляющая электроника может позволить нам снимать информацию с приборов и сразу же изменять параметры впрыска. Очень важно и то, что карбюраторные двигатели легко адаптируются под моновпрыск, не надо вносить конструктивные переделки или технологические изменения в производстве. У одноточечного впрыска перед карбюратором состоит преимущество в экономии горючего, относительной стабильности, экологической чистоте и надежности параметров. А вот в приёмистости мотора одноточечный впрыск заметно проигрывает. Есть и такой недостаток: когда вы используете одноточечный впрыск, подобно использованию карбюратора на стенках коллектора оседает до 30% бензина.

Система одноточечного впрыска, естественно, по сравнению с карбюраторными системами питания, являлась шагом вперед, однако она уже не удовлетворяют требованиям современного мира.

Более совершенными в наше время являются системы многоточечного впрыска, подача топлива в которых индивидуально осуществляется к каждому цилиндру. Еще мощнее распределенный впрыск, однако, он сложнее и экономичнее. Применение подобного впрыска увеличивает мощность мотора примерно на 8-9%.

Основными преимуществами распределенного впрыска являются:

•  вблизи впускного клапана впрыскивается топливо, а это позволяет более точно осуществлять регулировку подачи бензина и заметно снижает потери на оседание во впускном коллекторе,
•  возможность автоматических настроек на различных оборотах и соответственно повышения качества наполнения цилиндров, в результате при той же максимальной мощности машина разгоняется значительно быстрее.

Непосредственный впрыск как эффективное и очередное средство в деле оптимизации сгорания смеси и повышения коэффициента полезного действия бензинового мотора реализует простые принципы. Такие как: тщательней распыляет топливо, качественней перемешивает с его воздухом и грамотней впрыскивает готовой смесью на разных режимах работы мотора. В результате моторы с непосредственным впрыском:

• поглощают меньше горючего, в сравнении с «впрысковыми» моторами (особенно при быстрой езде на небольшой скорости);
• они обеспечивают более интенсивный набор скорости автомобиля при одинаковом рабочем объеме;
• выхлопные газы значительно чище;

• двигатели внутреннего сгорания гарантируют более высокую мощность за счет эффекта охлаждения воздуха и большей степени сжатия.

Вместе с тем они нуждаются в хорошем топливе с низким содержанием механических примесей и серы, для обеспечения нормальной работы топливной аппаратуры.

Самое главное отличие между ГОСТом нашей страны и европейскими стандартами -  это повышенное содержание ароматических углеводородов, бензола и серы. К примеру, стандарт нашей страны допускает наличие в 1 кг топлива 500 мг серы, тогда по нормам "Евро-3" всего 150 мг, «Евро-4»- 50 мг, а «Евро-5»- не более чем 10 мг. Вода и сера на поверхности деталей способны активизировать коррозионные процессы, а мусор станет источником абразивного износа плунжерных пар насосов и калиброванных отверстий форсунок. Из-за такого износа ухудшается качество распыления бензина и снижается рабочее давление насоса. Все это не может не отразиться на характеристиках моторов и равномерности их функционирования.

Двигатель с непосредственным впрыском первой на серийном автомобиле применила компания Mitsubishi. Поэтому рассмотрим принципы действия и устройство непосредственного впрыска на примере двигателя внутреннего сгорания GDI (Gasoline Direct Injection). Мотор Gasoline Direct Injection может функционировать в режиме сгорания сверхобедненной топливной смеси: соотношение топлива и воздуха по массе до 1:35-40. Самое максимальное для традиционных инжекторных моторов соотношение равно 1:20-24 (также следует сказать, что самым оптимальным составом смеси является состав – 1:14,7) – в случае большего избытка воздуха, переобедненная смесь не будет воспламеняться. На двигателе Gasoline Direct Injection (GDI) распыленное горючее в цилиндре находится в виде облака, которое сосредоточенного около свечи зажигания. В результате, хотя в целом смесь сверхбедная, у свечи зажигания она сходна со стехиометрическим составом и без труда воспламеняется. Вместе с тем, в остальном объеме обедненная смесь имеет намного меньшую склонность к детонационным процессам, чем стехиометрическая. Именно это обстоятельство дает нам возможность повысить степень сжатия, и, следовательно, увеличить и крутящий момент, и мощность. За счет того, что при испарении и впрыскивании в цилиндр горючего, воздушный заряд становится немного холоднее, в итоге немного улучшается наполнение цилиндров.

Основные отличия двигателя GDI от двигателя с обычным впрыском: 

•  Впускные каналы. На моторе GDI применяются вертикальные впускные каналы, обеспечивающие формирование в цилиндре т.н. "вихря", который направляет топливовоздушную смесь к свече и поэтому наполнение цилиндров воздухом становится лучше (у обычного мотора вихрь закручен в другую сторону).
•  Поршень. В днище поршня сделана выемка особой формы, с ее помощью топливо-воздушная смесь направлена в район свечи.
•  Форсунки с вихревыми распылителями формирует форму топливного факела, исходя из  режима работы мотора. Для получения мощности впрыск происходит на режиме впуска. Когда работа происходит на сверхбедных смесях, впрыск срабатывает в конце такта сжатия.
•  ТНВД (топливный насос высокого давления). Механический насос (схожий с ТНВД дизельного мотора) развивает давление примерно ~53 бар (у инжекторного мотора электронасос в баке создает в магистрали давление в которых  ~3-4 бар). 

Двигатели внутреннего сгорания GDI, режимы работы.

Есть всего три режима работы мотора:

•  Двухстадийный режим (топливо впрыскивается на тактах сжатия и впуска)
•  Мощностной режим (топливо впрыскивается на такте впуска).
•  Режим сгорания обедненной смеси (топливо впрыскивается на такте сжатия). 

Режим сгорания обедненной смеси (топливо впрыскивается на такте сжатия). Данный режим используют при малых нагрузках: при движении за городом с постоянной скоростью (не превышая 120 км/ч) и при спокойной городской езде. Топливная смесь впрыскивается компактным факелом при окончании такта сжатия по направлению к поршню, отражаясь от него, смешивается с воздухом и затем испаряется, перенаправляясь в зону свечи зажигания. Не смотря на то, что в основном объеме камеры сгорания смесь очень бедная, в районе свечи заряд достаточно обогащен, чтобы воспламениться и поджечь оставшуюся смесь. В итоге мотор устойчиво работает даже при общем соотношении топлива и воздуха в цилиндре 1:40.

Работа мотора на сильнообедненной смеси сформулировала новую проблему - нейтрализацию выхлопных газов. Все дело в том, что данный режим подразумевает большую долю оксидов азота, и в результате обычный каталитический нейтрализатор становится слабо эффективным. Для решения данной проблемы было применено возвращение отработавших газов, а это резко снижает количество появившихся оксидов азота, в дополнение всему в подобных системах установлен NO-катализатор.

Система EGR "разбавляет" воздушно-топливную смесь выхлопными газами, снижая в камере сгорания температуру горения, поэтому "приглушается" активный выброс вредных оксидов, таких как NOx. Однако обеспечить стабильную и полную нейтрализацию NOx только системой EGR невозможно, так как при повышении нагрузки на мотор количество перепускаемых отработанных газов должно быть снижено.

Мощностной режим (топливо впрыскивается на такте впуска). Или другими словами "режим однородного смесеобразования" применяется при интенсивной езде по городу, обгонах и высокоскоростном загородном движении. Впрыск на такте впуска производится коническим факелом, перемешиваясь при этом с воздухом и образуя однородную смесь, как в обычном моторе с распределенным впрыском. Состав такой смеси весьма близок к стехиометрическому (1:14,7)

Двухстадийный режим (топливо впрыскивается на тактах сжатия и впуска). Данный режим позволяет повысить момент мотора в том случае когда, двигаясь на малых оборотах, водитель резко нажимает педаль газа. Когда мотор работает на низких оборотах, а в него вдруг впрыскивается обогащенная смесь, при этом возрастает вероятность детонации. По этой причине впрыск осуществляется двумя этапами. В цилиндр впрыскивается небольшое количество горючего на такте впуска этим воздух в цилиндре охлаждается. Цилиндр заполняется сверхбедной смесью (примерно 1:60), в ней не могут происходить детонационные процессы. Потом, в конце такта сжатия, впрыскивается компактная струя топлива, доводящая соотношение топлива и воздуха цилиндре до "богатого" 1:12.

Хочется сказать, что данный режим в большей степени внедрен на европейский рынок, по причине высокоскоростных автобанов (как следствие, повышенных нагрузок на двигатель).