July 16, 2020

🔧 Что такое система впрыска GDI?

Теория работы двигателя

Чудес не бывает, даже в двигателестроении. Чтобы объяснить принцип работы двигателя GDI с непосредственным впрыском рассмотрим теорию двигателей.

Чтобы топливо сгорело, нужен воздух. Но надо смешать с топливом столько воздуха, сколько нужно для полного сгорания. Такое количество воздуха называется стехиометрическим, и оно, конечно же, давно известно. Например, для бензина оптимальный состав топливной смеси выражается соотношением 14,7:1, то есть на 1 грамм бензина нужно 14,7 грамма воздуха. Смесь, в которой воздуха больше, чем нужно, называется бедной, а та, в которой воздуха меньше, чем нужно (то есть больше топлива), называется богатой.

Слишком бедную смесь не всегда удается поджечь, при работе на богатой смеси несгоревшее топливо бесполезно «вылетает в трубу» и растет выброс угарного газа.

Но воздух нужен не только для сгорания. Чем выше давление в цилиндре перед воспламенением смеси, тем больше отдача двигателя. И нам очень выгодно, чтобы больше воздуха попало в цилиндр на такте впуска: тем больше потом будет давление. А вот теперь пора разбираться, почему дизель экономичнее.

Вспомним, как работает ДВС. У бензинового двигателя на такте впуска смесь воздуха и топлива поступает в цилиндр, затем она сжимается и поджигается искрой. У дизеля на такте впуска в цилиндр поступает только воздух, который сжимается поршнем под большим давлением и от этого еще и нагревается. К концу сжатия в цилиндр впрыскивается топливо, которое при высоких давлении и температуре самовоспламеняется. Давление в цилиндре дизеля намного выше, чем в цилиндре бензинового двигателя: для современного безнаддувного дизеля вполне нормальна степень сжатия 20, а у серийных бензиновых, даже самых «зажатых», едва достигает 11. А выше давление в цилиндре — выше и эффективность.

Сразу мысль: а поднять степень сжатия в бензиновом двигателе?! Пробовали. Но выше 11 никак не получается. Потому что есть такие явления, как детонация и калильное зажигание.

Детонация — очень быстрое сгорание топлива в точках, удаленных от свечи, сопровождается резким местным перегревом и перегрузкой деталей двигателя. Внешний признак детонации — стук.

Калильное зажигание — преждевременное (до появления искры) воспламенение смеси от перегретых деталей камеры сгорания.

Длительная работа с детонацией и калильным зажиганием недопустима: мотор быстро выйдет из строя. Детонацию и калильное зажигание провоцируют высокая температура и высокое давление. Во избежание детонации моторы с высокой степенью сжатия «кормят» высокооктановым бензином (98), но выше степени сжатия 11 и его «не хватает».

Если мы хотим сделать бензиновый двигатель экономичным, «эластичным» и при этом более мощным, то мы должны избавить его от детонации и научить «питаться» бедной смесью. Вот если бы топливо впрыскивалось непосредственно в цилиндр...

На Mitsubishi раньше других осознали, какую пользу может принести непосредственный впрыск в условиях ужесточения экологических норм. 15 лет усилий увенчались успехом: первые доведенные до готовности к производству моторы с непосредственным впрыском бензина были представлены осенью 1995 г. Их обозначили GDI - Gasoline Direct Injection — непосредственный впрыск бензина.

Как устроен двигатель GDI

Действительно, двигатель GDI напоминает по конструкции и обычный бензиновый, и дизель. В каждом цилиндре присутствует и свеча зажигания, и форсунка, а топливо подается насосом высокого давления под давлением 5 МПа. Форсунка обеспечивает два различных режима впрыскивания топлива.

Обратим внимание на следующие особенности. Впускной трубопровод подходит к цилиндру сверху. Это позволяет получить падающий поток воздуха, который после контакта с поршнем разворачивается и устремляется вверх, закручиваясь по часовой стрелке (такая организация воздушного потока позволяет достичь оптимальной концентрации топлива непосредственно около свечи). По почти прямому трубопроводу поток движется с очень высокой скоростью, и даже когда поршень достиг нижней мертвой точки, еще некоторое количества воздуха входит в цилиндр по инерции.

Поршень необычный — сверху есть выемка сферической формы. Форма поршня обеспечивает три важные функции. Во-первых, позволяет задать воздушному потоку нужное направление движения. Во-вторых, направляет впрыскиваемое топливо непосредственно к свече зажигания, что важно при работе на предельно бедных смесях. В-третьих, определяет распространение фронта пламени.

Как работает двигатель GDI?

В работе GDI различаются три возможных режима в зависимости от режима движения. Работа на сверх бедных смесях. Этот режим используется при малых нагрузках: при спокойной городской езде и загородном движении на скоростях до 120 км/ч. В этом случае топливо подается в цилиндр практически как в дизеле — в конце такта сжатия. Топливо впрыскивается компактным факелом и, смешиваясь с воздухом, направляется сферической выемкой поршня.

В результате наиболее обогащенное топливом облако оказывается непосредственно около свечи зажигания и благополучно воспламеняется, поджигая затем бедную смесь. В результате двигатель устойчиво работает даже при общем соотношении воздуха и топлива в цилиндре 40:1.

Работа на стехиометрической смеси. Этот режим используется при интенсивной городской езде, высокоскоростном загородном движении и обгонах. При стехиометрическом составе смеси с воспламенением никаких проблем не возникает. Но поскольку было бы желательно повысить степень сжатия, то важным становится не допустить детонации и калильного зажигания. Впрыск топлива осуществляется в процессе такта впуска. Топливо впрыскивается коническим факелом, распыляется по всему цилиндру и, испаряясь, охлаждает при этом воздух в цилиндре. Благодаря охлаждению снижается вероятность детонации и калильного зажигания.

И еще один режим реализует система управления GDI. Он позволяет повысить момент двигателя в том случае, когда водитель, двигаясь на малых оборотах, резко нажимает педаль акселератора. Когда двигатель работает на малых оборотах, а в него вдруг подается обогащенная смесь, вероятность детонации еще возрастает. Поэтому впрыск осуществляется в два этапа.

Небольшое количество топлива впрыскивается в цилиндр на такте впуска и охлаждает воздух в цилиндре. При этом цилиндр заполняется сверх бедной смесью (примерно 60:1), в которой детонационные процессы не происходят. Затем, в конце такта сжатия, подается компактная струя топлива, которая доводит соотношение воздуха и топлива в цилиндре до «богатого» 12:1. А на «подготовку» детонации времени уже не остается.

Что в итоге? Степень сжатия удалось поднять до 12—12,5, улучшилось наполнение воздухом. Двигатель устойчиво работает и на очень бедной смеси. По сравнению с «обычным» бензиновым двигателем, GDI расходует на 10% меньше топлива, выдает на 10% больше мощности и выбрасывает на 20% меньше углекислого газа. Но из-за содержания в бензине серы пришлось отказаться от одного из преимуществ — повышенной мощности.

Спасибо, что прочитали статью до конца!

Удачи на дорогах!