Главные плюсы и минусы двигателей с непосредственным впрыском топлива

Прямой впрыск топлива – хорошо или плохо?

Двигатели с непосредственным впрыском (также используется термин «прямой впрыск», или GDI) начали появляться на автомобилях не так давно. Однако технология набирает популярность и все чаще встречается на моторах новых автомобилей. Сегодня мы в общих чертах постараемся ответить, что такое технология непосредственного впрыска и стоит ли ее опасаться?

 

Для начала стоит отметить, что главной отличительной особенностью технологии является расположение форсунок, которые размещены непосредственно в головке блока цилиндров, соответственно, и впрыск под огромным давлением происходит напрямую в цилиндры, в отличие от давно зарекомендовавшей себя с лучшей стороны системы впрыска горючего во впускной коллектор.

 

Прямой впрыск впервые был испытан в серийном производстве японским автопроизводителем Mitsubishi.

Эксплуатация показала, что среди плюсов главными преимуществами стали экономичность – от 10% до 20%, мощность – плюс 5% и экологичность. Основной минус – форсунки крайне требовательны к качеству топлива.

Стоит также отметить, что схожая система уже долгие десятилетия успешно устанавливается на дизельные двигатели. Однако именно на бензиновых моторах применение технологии было сопряжено с рядом трудностей, которые до сих пор не были окончательно решены.

 

В видео с YouTube-канала «Savagegeese» объясняется, что такое прямой впрыск и что может пойти не так в ходе эксплуатации автомобиля с данной системой. В дополнение к главным плюсам и минусам в видеоролике также объясняются тонкости профилактического обслуживания системы.  Кроме того, в ролике затрагивается тема систем впрыска во впускные каналы, которые можно в изобилии наблюдать на более старых моторах, а также моторы, которые используют оба метода впрыска горючего. Наглядно используя диаграммы Bosch, ведущий объясняет, как все это работает.

 

Чтоб узнать все нюансы, предлагаем посмотреть видео ниже (включение перевода субтитров поможет разобраться, если вы не очень хорошо знаете английский). Для тех, кому не слишком интересно смотреть, об основных плюсах и минусах непосредственного впрыска бензина можно прочитать ниже, после видео:

 

Итак, экологичность и экономичность – благие цели, но вот чем чревато использование современной технологии в вашем автомобиле:

 

Минусы

 

1. Очень сложная конструкция.

 

2. Отсюда вытекает вторая важная проблема. Поскольку молодая бензиновая технология подразумевает внесение серьезных изменений в конструкцию головок цилиндров двигателя, конструкцию самих форсунок и попутное изменение иных деталей мотора, к примеру ТНВД (топливный насос высокого давления), стоимость автомобилей с непосредственным впрыском топлива выше.

 

3. Производство самих частей системы питания также должно быть крайне точным. Форсунки развивают давление от 50 до 200 атмосфер.

 

Прибавьте к этому работу форсунки в непосредственной близости со сгораемым топливом и давлением внутри цилиндра и получите необходимость производства очень высокопрочных компонентов.

 

4. Поскольку сопла форсунок смотрят в камеру сгорания, все продукты сгорания бензина также осаждаются на них, постепенно забивая или выводя форсунку из строя. Это, пожалуй, самый серьезный минус использования конструкции GDI в российских реалиях.

 

5. Помимо этого необходимо очень тщательно следить за состоянием двигателя. Если в цилиндрах начинает происходить угар масла, продукты его термического распада достаточно быстро выведут из строя форсунку, засорят впускные клапаны, образовав на них несмываемый налет из отложений. Не стоит забывать, что классический впрыск с форсунками, расположенными во впускном коллекторе, хорошо очищает впускные клапаны, омывая их под давлением топливом.

 

6. Дорогой ремонт и необходимость профилактического обслуживания, которое тоже недешевое.

Помимо этого, в видео также объясняется, что при ненадлежащей эксплуатации на автомобилях с прямым впрыском могут наблюдаться загрязнение клапанов и ухудшение производительности, в особенности на турбированных двигателях.

 

Смотрите также: Подробное объяснение принципа работы двигателя с переменным сжатием Infiniti

 

Плюсы

 

1. Экологичность.

 

2. Экономичность (правда, здесь нужно сделать оговорку: реальная экономия бензина доступна в условиях, близких к идеальным) – экономия 5-10%.

 

3. Немного более высокая мощность.

 

4. GDI при непосредственном попадании топлива в цилиндр охлаждает головку поршня.

 

5. Происходит лучшее смешение топливовоздушной смеси в цилиндрах.

 

6. Меньше детонация.

 

7. Требуется гораздо меньше топлива, смесь при определенных условиях работы мотора может обедняться до 30:1

 

8. Процесс работы двигателя точнее контролируется при помощи компьютера.

 

Таким образом, если выполнять определенные правила, предписанные автопроизводителем, а именно заправляться на проверенных заправках качественным топливом и регулярно проводить техническое обслуживание топливной системы автомобиля, то ухудшения качеств мотора, а тем более поломок оборудования можно избежать. Специалисты также советуют проводить прочистку форсунок после каждых 50-60 тыс. км.

Какое топливо нужно для моторов с наддувом и непосредственным впрыском

Чем современные двигатели отличаются от старых?

Эволюция двигателей внутреннего сгорания – тема глубокая и многогранная, но мы не будем даже пытаться объять необъятное. Давайте сразу отметим ключевые факты о моторах, которые многие сегодня воспринимают как должное. Прежде всего, современные автомобили демонстрируют невероятные мощностные и динамические показатели при скромном литраже двигателей. Что еще важней, они вышли на новый уровень топливной экономичности и экологичности выхлопа. Все это стало возможным благодаря применению передовых инженерных решений – сложнейших систем прямого впрыска топлива и рециркуляции отработанных газов, многоступенчатых катализаторов и сажевых фильтров, и, конечно же, расширению полномочий управляющей электроники, которая посредством многочисленных датчиков контролирует все этапы формирования и сгорания воздушно-топливной смеси. Однако современный двигатель, как и любая другая высокоточная механика, предъявляет особые требования к качеству горюче-смазочных материалов и, в первую очередь, моторного топлива.

Что же заставляло производителей автомобильной техники совершенствовать свои двигатели? Как ни банально это прозвучит, в первую очередь – это ужесточение требований экологического законодательства, которое закреплено в Женевском Соглашении, впервые утвержденном в 1958 году. Кроме того, основные требования к выбросам вредных веществ автомобилями и двигателями установлены в Правилах ООН № 49 (грузовые автомобили и автобусы), №83 (легковые автомобили и легкие грузовики) и №96 (дизели сельскохозяйственных и лесных тракторов, внедорожных транспортных средств). Именно ужесточение требований к выбросам вредных веществ автотранспортных средств и двигателей побуждало производителей искать все более эффективные решения. Кардинально изменить ситуацию могла только оптимизация процесса сгорания топливовоздушной смеси. В частности, надо было заставить весь её объём воспламениться в максимально короткое время. А здесь была необходима высокая точность дозировки и точность момента впрыскивания. Сделать это можно было, только подняв давление впрыска топлива и применив электронное управление процессом топливоподачи.

Наглядный пример – то, как это реализовано в легковых турбодизелях, где сейчас практически повсеместно применяется система прямого впрыска типа common rail. Ее принципиальное отличие от других систем заключается в наличии топливного аккумулятора высокого давления, или как ее еще называют, топливная рампа. Дизельное топливо подается насосом под высоким давлением в эту рампу, а из нее направляется к форсункам. Такая схема обеспечивает массу преимуществ, включая отличное распыление топлива, равномерность подачи топлива вне зависимости от частоты вращения коленвала и высокоточное многократное дозирование в процессе рабочего цикла. А управляющая электроника позволяет регулировать давление и момент начала впрыска в очень широком диапазоне. Все это обеспечивает практически полное сгорание дизельного топлива в цилиндрах и, как следствие, высокую экономичность двигателя и низкую токсичность выхлопа.

Быстродействие системы питания и точность дозировки топлива стали для инженеров-дизелистов ключевыми параметрами. Поэтому на двигателях последнего поколения электрогидравлические форсунки уступили место пьезоэлектрическим, время срабатывания которых составляет 0,1 мс – в 5 раз меньше, чем у предшественников. Кардинально выросло и давление: если в прежние времена рядные ТНВД выдавали не более 600 бар, то системы common rail третьего поколения с пьезофорсунками уже вышли на уровень 2500 бар.

Бензиновые моторы не отстают от дизельных: они тоже прошли долгий путь от карбюраторов до непосредственного впрыска. Здесь эта технология также не нова, но широкое распространение получила лишь в последние 20-30 лет, а сейчас становится все популярнее. Такая система питания дает те же преимущества: это и возможность точной настройки рабочих параметров, и «послойный» впрыск, когда топливо подается в цилиндр несколько раз за такт, и выигрыш в экономичности, и снижение вредных выбросов. Ну а оборотную сторону медали мы уже знаем: повышенные требования к качеству бензина, т. к. форсунки работают в условиях высоких температур и давления и быстро закоксовываются.

Ведь, по сути, форсунка представляет собой достаточно простой электромагнитный клапан игольчатого типа, что предопределяет загрязнение как основную причину его выхода из строя. Форсунка не очень боится механического засорения – фильтры, установленные в топливной магистрали и самой форсунке, успешно отсеивают частицы размером свыше 20 микрон. Гораздо большую опасность представляет загрязнение продуктами сгорания топлива, которые со временем перекрывают распылительные каналы и нарушают нормальную работу игольчатого клапана. На дизельных и бензиновых моторах с прямым впрыском топлива ситуация усугубляется тем, что здесь распылители форсунок выходят в камеру сгорания, а значит, нагреваются они еще быстрее. И нагар формируется уже не только внутри, но и на поверхности распылителей.

Еще одна технология, помимо прямого впрыска, позволившая вывести моторы на новый уровень мощности и экологичности – это наддув. О том, что такое наддув, знают все: это принудительная подача в цилиндр под давлением большего количества воздуха, позволяющая сжечь за один такт большее количество топлива и тем самым повысить мощность мотора при том же рабочем объеме. Зародившись в прошлом веке как инструмент повышения мощности в судовых дизелях, наддув доказал свою эффективность в автоспорте, а затем прочно закрепился в двигателестроении как одна из ключевых технологий. При этом наддув стимулировал развитие не только двигателей, но и топлива для них. Ведь рост давления в камере сгорания в бензиновых двигателях приводит в том числе и к повышению риска детонации, так что современные турбированные двигатели, как правило, требуют бензина с октановым числом не ниже 95.

Итак, наддув, непосредственный впрыск и высокая степень сжатия – это ключевые особенности современных двигателей.

Изменилось ли топливо так же сильно, как двигатели?

Разумеется, за эти десятилетия эволюционировали не только двигатели, но и топливо. Даже если вспомнить не столь далекое прошлое, то как бензин, так и дизельное топливо были иными. Во-первых, топливо стало другим по компонентному составу. Модернизация большинства НПЗ России, проведенная в последние два десятилетия, позволила как существенно увеличить глубину переработки нефти, так и улучшить качество производимых компонентов, в т. ч. и высокооктановых. В состав бензина теперь повсеместно вовлекаются продукты установок сернокислотного алкилирования, низкотемпературной изомеризации, каталитического и ароматического риформинга, каталитического крекинга (кстати, бензины каталитического и ароматического риформинга и сернокислотного алкилирования обеспечивают получение топлива с октановым числом 95 и выше). Ранее большинства из перечисленных процессов не было в технологических схемах российских НПЗ. Во-вторых, ранее при производстве топлива практически не использовались присадки, а если и использовались, то негативный побочный эффект от их применения перечеркивал выгоду. Сейчас же некоторые эксплуатационные характеристики топлива невозможно достичь только за счет применения технологических процессов/методов производства на НПЗ. Так, для производства того же дизельного топлива на НПЗ используются депрессорно-диспергирующие, цетаноповышающие, противоизносносные и антистатические присадки. При производстве бензина в случае необходимости применяют антиокислительные и октаноповышающие присадки.

Отдельно стоит остановиться на присадках, ведь они также претерпели существенные изменения. Расскажем сначала об эволюции присадки для повышения октанового числа. В прошлом одной из популярных октаноповышающих присадок являлся тетраэтилсвинец. Состав, разработанный в США в 20-е годы прошлого века, был столь же эффективен, сколь и ядовит. Применение этилированного бензина, «улучшенного» с помощью тетраэтилсвинца, приводило к выбросам огромных объемов вредных соединений и накоплению свинца в организме, а люди, работавшие на производствах, массово гибли от отравления. Тем не менее тетраэтилсвинец продержался в массовом производстве бензина до 70-х годов, а полностью запрещен в большинстве стран мира был и вовсе к началу 21 века. Россия ввела запрет на этилированное топливо в конце 2002 года – на тот момент его оборот уже был невелик. Соответственно, все современные бензины, производящиеся в России, являются неэтилированными, а повышение октанового числа достигается другими, более безопасными методами.

Как правило, так называемого «октанофонда» большинства НПЗ сейчас вполне достаточно, чтобы производить товарный бензин без использования каких-либо «сторонних» октаноповышающих компонентов. Дополнительным высокооктановым компонентом, который сейчас повсеместно используется при производстве бензина, является метил-трет-бутиловый эфир (МТБЭ) с октановым числом 115 (МТБЭ является малоопасным веществом). Он применяется, как правило, для выпуска бензина с октановым числом 100 и выше.

Одним из последних требований автопроизводителей стало требование к уровню отложений на важных деталях двигателя (форсунки инжекторов, впускные клапаны). Ведь общеизвестно, что отложения образуются от сгорания любого топлива – это неизбежный процесс. Основное влияние на уровень и скорость образования отложений оказывает именно компонентный состав топлива: чем больше в нем непредельных и ароматических углеводородов, тем быстрее происходит процесс смоло- и нагарообразования на деталях двигателя. Достичь требуемого автопроизводителями уровня отложений невозможно только за счет совершенствования технологий производства на НПЗ. Поэтому улучшение данного эксплуатационного показателя стало возможным только за счет разработки многофункциональных моющих присадок. Поэтому здесь на сцену выходит отдельный класс компонентов топлива: моющие присадки.

Как работают моющие присадки?

Казалось бы, какие еще моющие присадки нужны машине? Что они должны отмывать? Ответ на этот вопрос мы дали чуть выше: топливо по своей природе при сгорании неизбежно образует отложения на деталях двигателя. А это со временем, несомненно, отражается на его нормальной работе. И зависимость здесь простая: чем больше пробег, тем больше отложений.

Косвенным признаком наличия существенного объема отложений на впускных клапанах, форсунках, камерах сгорания может являться увеличение расхода топлива и нехарактерная работа двигателя, вплоть до выхода из строя его важнейших деталей. Здесь продукты сгорания могут превращаться в твердые смолистые отложения, которые снижают поперечное сечение трубопроводов и каналов, нарушая нормальное движение воздушно-топливной смеси. Даже попав в цилиндры, топливо не всегда сгорает без остатка. Те же самые смолистые вещества оседают на впускных клапанах в виде твердых отложений, которые в просторечии называются нагаром. Со временем эти отложения нарушают форму камеры сгорания и правильность посадки клапанов, изменяя их пропускную способность. Как следствие, развиваются завихрения воздушно-топливной смеси, причем на автомобилях с непосредственным впрыском возникают проблемы с самим ее формированием.

Последствия загрязнения отражаются на эксплуатационных характеристиках: двигатель запускается с трудом, работает неустойчиво на холостых оборотах, часто перегревается и потребляет слишком много топлива, активно загрязняя окружающую среду. Снижаются четкость реакций на нажатие педали газа, динамика и эластичность. Деградация перечисленных параметров развивается постепенно, поэтому автовладелец ее практически не замечает и долгое время сохраняет уверенность в исправности своего автомобили. В зону особого риска попадают современные турбодизельные двигатели, которые отличаются особо сложной конструкцией системы впрыска топлива и демонстрируют повышенную чувствительность к загрязнениям. Некачественное дизтопливо вызывает появление характерного нагара на распылителях и иглах форсунок, что приводит к нарушению корректности их работы. Затрудняется холодный пуск, падает мощность и растет расход топлива. Ключевую важность все это приобретает для владельцев техники коммерческого назначения, поскольку при больших пробегах даже незначительное увеличение потребления топлива оборачивается серьезными финансовыми потерями. К тому же отложения сокращают интервалы между ремонтами двигателя и оказывают самое непосредственное влияние на срок его службы.

Можно ли избавиться от смолистых отложений в камере сгорания, на клапанах, форсунках и других деталях силового агрегата? Разумеется, да. Наилучшие результаты в теории обещает полная переборка двигателя, однако это процедура долгая, дорогая и не всегда целесообразная с экономической точки зрения. Специальные препараты, которые предполагается периодически заливать в топливный бак, бывают как недостаточно эффективными, так и излишне агрессивными в плане химического воздействия на элементы топливной системы. Мировая практика показывает, что есть более действенный и, самое главное, более комфортный для автовладельцев способ поддержания двигателя в чистоте.

Речь идет о комплексных моющих присадках, вводимых в состав моторного топлива. Такие присадки, помимо собственно моющего агента, включают в себя ингибиторы коррозии, деэмульгаторы, растворители и несущую жидкость на минеральной, полусинтетической или синтетической основе. Ингибитор обеспечивает надежную защиту от коррозии, покрывая бак и систему питания защитной пленкой. Деэмульгатор борется с таким побочным эффектом действия моющего агента, как образование топливо-водяной эмульсии. Растворитель повышает текучесть топлива, что принципиально важно при низких температурах, а жидкость-носитель способствует стеканию остатков нагара с клапанов, уменьшая вероятность их «залипания». В бензиновых пакетах может присутствовать также модификатор трения. То есть, «фирменное» топливо на крупных АЗС– это не просто переплата за бренд.

Например, розничная сеть bp еще в 2018 году вывела на наш рынок топливо с технологией ACTIVE, которой отведено гораздо больше задач, чем обычно. Она не только удаляет существующие отложения, но и предотвращает формирование новых. Ну а чистота топливной системы обеспечивает следующие логичные преимущества: восстановление мощности мотора, продление его ресурса и экономию топлива благодаря корректной работе топливной аппаратуры. Причем очистка происходит не только за счет обычного растворения отложений: в bp заявляют о технологии активных молекул, которые, во-первых, связываются с частицами отложений и тем самым разрушают слой, унося грязь в камеру сгорания, а во-вторых, прикрепляются к чистым металлическим поверхностям и защищают их от образования налета. При этом защитный слой, по словам инженеров bp, эффективно образуется уже с первой заправки. Таким образом, регулярное применение современного топлива BP Ultimate с технологией ACTIVE обеспечивает не только корректную и эффективную работу любых двигателей, от старых до самых современных, но и продлевает их срок службы, а также помогает увеличить пробег на одном баке за счет восстановления рабочих характеристик топливной системы. Топливный портфель bp включает в себя не только бензины с технологией ACTIVE, но и дизельное топливо, которое в полной мере выполняет те же функции по очистке и защите мотора и топливной системы. А учитывая стоимость ремонта дизельной топливной аппаратуры, для многих владельцев таких машин топливо с технологией ACTIVE в долгосрочной перспективе может дать даже большую выгоду, чем для тех, кто ездит на бензине.

Ну а в заключение можно, наконец, дать ответ на вопрос, которым мы задались в самом начале. Действительно ли современные моторы с наддувом и непосредственным впрыском требуют особого топлива? Однозначно да. В вопросе выбора топлива для своего автомобиля всегда необходимо строго следовать рекомендациям автопроизводителей. Если автопроизводитель рекомендует к заправке топливо с ОЧ не ниже 95 и содержащее моющую присадку, то только таким топливом и следует заправляться. Но в чем качественное топливо всегда оказывается впереди, так это в обеспечении чистоты и продлении ресурса мотора и топливной системы, а вместе с этим и снижении расхода, и увеличении пробега на одной заправке. Поэтому такое топливо, так BP Ultimate с технологией ACTIVE, будет актуальным для любых моторов в любом возрасте

Несовершенство непосредственности: надежность и проблемы моторов с прямым впрыском

«В новый век – с новой системой питания!». Похоже, с таким девизом европейские производители стали внедрять технологию. А что им оставалось? Требования по снижению расхода топлива заставляли делать моторы сложнее, к тому же непосредственный впрыск (особенно в сочетании с наддувом) позволял увеличить мощность. И при этом оставлял мотор вполне экономичным на малой нагрузке. Начал входить в моду и даунсайз – постепенно для машины С-класса стало вполне нормальным иметь мотор объемом в литр, а мощные авто начинаются с объема в 1,4. Даже седаны D+ и Е классов не брезгуют моторами 1,4 и 1,6 с турбонаддувом.

Снова те же грабли, но в XXI веке

Собственно о минусах подобной системы питания было известно с самого начала. Сложность и высокая стоимость сюрпризом не были – опыт внедрения непосредственного впрыска накопился изрядный. Надежность сложных систем честно постарались увеличить. Правда, цену особенно опустить не пытались.

Как известно, для подачи топлива непосредственно в цилиндры нужен насос высокого давления. Вообще-то и в системах «обычного» распределенного впрыска в системе питания давление немаленькое, но у прямого впрыска оно примерно в 10 раз больше.

На дизельных моторах непосредственный впрыск и ТНВД появился существенно раньше, и ресурс узлов был не таким уж низким. У бензиновых все получилось иначе: насосы оказались весьма недолговечными. Почему? Потому что дизтопливо имеет более высокие смазочные свойства, чем бензин, и без специальных смазывающих присадок ресурс всех узлов трения очень мал.

Современные мембранные ТНВД не так зависят от смазки, как поршневые, но, тем не менее, нуждаются в ней. Да и в целом насос высокого давления – штука довольно хрупкая, любые загрязнения выведут его из строя. Улучшить ситуацию смогли введением стандарта на смазывающие присадки в топливе. Конечно, 15% масла, как в двухтактные моторы, добавлять не стали, но топливо Евро-4 и выше обязательно содержит небольшое количество специальных смазок. Не в последнюю очередь – именно для ТНВД на бензиновых машинах. Учитывая, что официальный запрет на продажу топлива Евро-3 вступил в России в силу лишь 1 января 2015 года, неудивительно, что «непосредственные» машины у нас жили так недолго и несчастливо.

С форсунками ситуация аналогичная, они дороже и менее надежны, чем на системах распределенного впрыска. Требования к их работе тоже намного выше. Небольшое изменение факела распыла, даже без изменения общего расхода подачи, ведет к серьезным нарушением работы мотора. В результате для сохранения работоспособности резко растут требования по чистоте топлива и рабочей температуре.

Пьезофорсунки еще и имеют ограниченное количество циклов срабатывания, чувствительны к перегреву, а также обладают склонностью при выходе из строя «лить» бензин, что может вызвать гидроудар при запуске. Особенно это характерно для очень распространенных «высокоточных» пьезофорсунок Bosch, которые имеют ограниченный ресурс, а компания на протяжении последних десяти лет не может создать действительно хорошо работающий вариант.

Склонность к закоксовке впускных клапанов и худшие условия их работы проявились на моторах Мицубиси довольно быстро. Обычно форсунки подают бензин на впускной клапан и охлаждают его. И заодно смывают с него отложения. У непосредственного мотора такой возможности нет, клапан греется сильнее, больше нагревает воздух, а масло из системы вентиляции картера и из сальника клапана постепенно образует «шубу», которая затрудняет газообмен и приводит к зависанию клапанов и его перегреву. Особенно тяжело приходится моторам с повышенным расходом масла, а в самой критической группе риска – моторы, которые часто работают с малой нагрузкой, то есть в пробках.

Плохие пусковые качества из-за неудовлетворительного испарения топлива при пуске тоже проявились давно. Оказалось, что оптимизация формы факела впрыска на холодном и горячем моторе должна производиться более тщательно. Любое попадание топлива на стенки цилиндра приводит к резкому увеличению количества несгоревшего топлива и попаданию его в масло. А при запуске при отрицательных температурах большое значение приобретает качество распыла бензина: оно должно оказаться намного выше, чем при обычной работе, и давление топлива на пуске должно быть очень высоким. Поначалу этого не учли.

Повышенное количество твердых частиц в выхлопе проявилось позже, когда непосредственный впрыск на европейских машинах уже стал мэйнстримом. Более точные исследования показали, что эта особенность смесеобразования роднит такой бензиновый мотор с дизелем. Действительно, в процессе работы образуются частички сажи, которые необходимо тоже как-то задерживать. Например, вводя сажевый фильтр, как на дизельных моторах. Компания Mercedes уже анонсировала подобную опцию для своих машин.

Попадание топлива в масло из-за неисправностей топливного насоса высокого давления – в общем-то чисто конструктивный недостаток насосов Bosch, но в силу их широкого распространения и общности конструкций насосов свойственен почти всем моторам с непосредственным впрыском. Бензин в масле не так уж и страшен, но в больших количествах ведет к снижению вязкости масла до критической, что приводит к повреждениям моторов. И, к тому же, дает повод многим «экспертам» говорить о том, что топливо является причиной «масляной чумы».

Что же делать?

Почти у всех проблем есть пути решения. Например, двойной впрыск, когда топливо подается и в цилиндры, и во впускной трубопровод – это справляется сразу со сложностью с закоксовкой клапанов, экологичностью и плохим запуском в холода. Такая схема применялась на некоторых двигателях Volkswagen EA888, но продавались они исключительно в США и были заточены под жесткие экологические нормы Калифорнии. Но в конце 2014-го комбинированный впрыск появился и у нас – на моторе 6AR-FE (2 литра, 150 л. с.) Toyota Camry последнего поколения. Пока сложно судить о надежности, ибо пробеги машин пока небольшие в основной массе, однако предпосылки хорошие.

Под капотом 2015–н.в. Toyota Camry XLE

С поршневыми кольцами и топливными насосами приходится разбираться чисто конструктивными методами, экспериментируя с формой – часто «дизайн» поршневой группы производители дорабатывают уже после того, как машина вышла на рынок и поразила всех угаром масла. Так, скажем, делала Toyota в 2005 году, доводя до ума моторы серии ZZ (еще без непосредственно впрыска), а позже – Volkswagen с уже упомянутыми выше EA888. Насосы высокого давления тоже стараются сделать надежнее – эта задача технически выполнима.

Но все непросто: система очень сложная и дорогая – накладным для производителей выходит не только себестоимость конечной продукции, но и исследования с экспериментами. А маркетологи не дают возможности по 10 лет заниматься испытаниями, требуют все более новых моторов с еще более привлекательными характеристиками.

Рискнуть в сегодняшнем автобизнесе репутацией производителя ненадежных машин считается делом благородным. Если что, всегда выручит отзывная кампания. Куда хуже – показаться производителем консервативным или, не дай бог, незацикленным на идее спасения планеты от выхлопных газов. Вот это, как мы видимо по примеру Volkswagen и Mitsubishi – действительно страшно. Тут можно и самостоятельность компании потерять, и топ-менеджмента лишиться.

Мотор с непосредственным впрыском. Насколько экологичный «зеленый» двигатель?

Николай Макаренко

25 февраля 2020, 05:40

Отличительной чертой всех двигателей с непосредственным впрыском бензина является оптимальное соотношение мощности и экономного расходования топлива. ДВС этой линейки обеспечивают незаурядную динамику и отличную тягу во всех диапазонах оборотов. Хотя этой технологии приписывают повышение эффективности использования топлива и сокращение выбросов СО₂, двигатели GDI производят больше аэрозолей черного углерода, чем традиционные двигатели с впрыском топлива во впускной коллектор. Сильный поглотитель солнечной радиации, черный углерод проявляет значительное влияние на потепление климата.

Система непосредственного впрыска топлива является самой современной системой питания бензиновых двигателей. Ее работа основана на впрыске топлива в камеру сгорания двигателя. Впервые такая система была применена на двигателе GDI (Gasoline Direct Injection – прямой впрыск бензина), устанавливаемом на автомобили компании Mitsubishi. В настоящее время она используется в двигателях многих автопроизводителей. Передовики: Audi (двигатели TFSI) и Volkswagen (двигатели FSI, TSI), которые практически полностью перешли на бензиновые двигатели с непосредственным впрыском.

 

Установка компрессора параллельно турбине обеспечила данному мотору эластичность и позволила избавиться от ряда свойственных турбодвигателям проблем. Непосредственный впрыск TSI позволяет реализовать наиболее эффективное смесеобразование и подачу топлива в цилиндры. Уровень выбросов СО₂ позволяет ему оставаться в списке лидеров в плане экологичности.

Система прямого впрыска обеспечивает несколько видов смесеобразования: послойное; стехиометрическое гомогенное; гомогенное. Многообразие в смесеобразовании определяет высокую эффективность использования топлива (экономия, качество образования смеси, ее полное сгорание, увеличение мощности, уменьшение вредных выбросов) на всех режимах работы двигателя.

 

Послойное смесеобразование используется при работе двигателя на малых и средних оборотах и нагрузках. Стехиометрическое (другое наименование – легковоспламеняемое) гомогенное (другое наименование – однородное) смесеобразование применяется при высоких оборотах двигателя и больших нагрузках. На бедной гомогенной смеси двигатель работает в промежуточных режимах.

При послойном смесеобразовании дроссельная заслонка почти полностью открыта, впускные заслонки закрыты. Воздух поступает в камеры сгорания с большой скоростью, с образованием воздушного вихря. Впрыск топлива производится в зону свечи зажигания в конце такта сжатия. За непродолжительное время до воспламенения в районе свечи зажигания образуется топливно-воздушная смесь с коэффициентом избытка воздуха от 1,5 до 3. При воспламенении смеси вокруг нее остается достаточно много чистого воздуха, выступающего в роли теплоизолятора.

Гомогенное стехиометрическое смесеобразование происходит при открытых впускных заслонках, дроссельная заслонка при этом открывается в соответствии с положением педали газа. Впрыск топлива производится на такте впуска, что способствует образованию однородной смеси. Коэффициент избытка воздуха составляет 1. Смесь воспламеняется и эффективно сгорает во всем объеме камеры сгорания.

 

 

Бедная гомогенная смесь образуется при максимально открытой дроссельной заслонке и закрытыми впускными заслонками. При этом создается интенсивное движение воздуха в цилиндрах. Впрыск топлива производится на такте впуска. Коэффициент избытка воздуха поддерживается системой управления двигателем на уровне 1,5. При необходимости в состав смеси добавляются отработавшие газы из выпускной системы, содержание которых может доходить до 25%.

В отличие от обычных двигателей с впрыском топлива через форсунку во впускном трубопроводе (PFI), которые смешивают топливо и воздух перед впрыском в цилиндры двигателя, технология GDI предусматривает распыление топлива непосредственно в цилиндры, что позволяет повысить степень сжатия. В результате двигатели GDI достигают более высокой эффективности сгорания по сравнению со своими аналогами PFI, что приводит к повышенной экономии топлива и, следовательно, сокращает выбросы СО₂ до 14%.

Таким образом, в бензиновом двигателе с прямым впрыском (GDI) используются наиболее прогрессивные идеи для достижения целей экономии топлива и снижения выбросов углекислого газа, установленных Агентством по охране окружающей среды США в 2012 году. Доля рынка автомобилей, оснащенных GDI, увеличилась с 2,3% в 2008 модельном году до 51% в 2018 модельном году. EPA прогнозирует, что 93% автомобилей в США будут оснащены двигателями GDI к 2025 году.

 

 

Но кроме выбросов СО2 имеются и другие показатели токсичности отработанных газов. Подобно дизельным двигателям, прямой впрыск топлива в двигателях GDI создает богатые топливом карманы вблизи зоны впрыска, и особые условия сгорания в этих карманах способствуют образованию углеродистых твердых частиц (ТЧ), особенно черного углерода (ЧУ). Следовательно, двигатели GDI выделяют большее количество черного углерода, чем двигатели PFI, что было подтверждено несколькими лабораторными исследованиями.

 

В исследовании, опубликованном в журнале ACS Environmental Science and Technology , группа исследователей из UGA определила, что увеличение выбросов черного углерода от транспортных средств, работающих на GDI, будет способствовать изменению климата, особенно в городских районах, воздействие которого будет значительно превышать преимущество, связанное с снижением выбросов СО₂.

Увеличение выбросов черного углерода приведет к среднегодовому положительному радиационному эффекту (по США, равному примерно +0,075 Вт / м2, со значениями, равными +0,45 Вт/м², в городских районах). С другой стороны, сокращение выбросов CO2, связанное с повышенной экономией топлива транспортных средств с GDI, даст глобально однородный отрицательный радиационный эффект, который оценивается для США в -0,013 Вт/м² в течение 20-летнего периода времени. Таким образом, климатическое бремя увеличения выбросов черного углерода доминирует в США, особенно в регионах, являющихся источниками загрязнений. greencarcongress.com

 

Кроме того, исследователи полагают, что увеличение выбросов черного углерода почти вдвое увеличит риск преждевременной смертности, связанной с выбросами транспортных средств, с 855 смертей в год до 1599. Ученые оценивают ежегодную социальную стоимость этих преждевременных смертей в 5,95 миллиарда долларов.

Хотя выбросы от бензиновых транспортных средств составляют небольшую долю черного углерода в атмосфере, выбросы транспортных средств концентрируются в регионах с высокой плотностью населения, что усиливает их влияние.

 

Таким образом увеличение выбросов сажи является непреднамеренным следствием перехода на автомобили, оснащенные GDI. Исследование UGA является первым, проведенным с целью поместить эти экспериментальные результаты в комплексную смстему моделирования, чтобы исследовать компромисс между снижением содержания CO2 и увеличением содержания черного углерода.

 

В то время как предыдущие исследования показали, что переход на двигатели GDI приведет к чистым преимуществам для глобального климата, исследователи UGA свидетельствуют, что эти преимущества довольно малы и могут быть реализованы только в течение десятилетий. Между тем, негативное влияние черного углерода можно почувствовать мгновенно.

 

 

Источник

Нашли опечатку? Выделите фрагмент и нажмите Ctrl+Enter.

Новости о науке, технике, вооружении и технологиях.

Подпишитесь и будете получать свежий дайджест лучших статей за неделю!

Email*

Подписаться

Как заметно продлить жизнь двигателя машины с прямым впрыском топлива — Прилавок

• Прилавок
• Автохимия

Последние десятилетия в автомобильном моторостроении отметились ростом выпуска моторов с непосредственным впрыском топлива. При всех достоинствах этих агрегатов у них выявились и некоторые эксплуатационные недостатки, которые могут откровенно разорить автовладельца. Что это за недостатки, и как с ними бороться своими силами, выяснил портал «АвтоВзгляд».

Ставка на снижение веса автомобильных силовых агрегатов, их металлоемкости и себестоимости, а также ужесточение норм содержания вредных веществ в выхлопных газах и требований к топливной экономичности бензиновых двигателей — таковы современные тенденции мировой автоиндустрии. И сегодня эта задача решается довольно успешно: достаточно оценить масштабы массового внедрение систем непосредственного впрыска бензина. Наиболее известные обозначения таких систем — GDI (а также TSI, D4, DISI, CGI, HPi).

Напомним, что применение систем GDI позволило реализовать такой уникальный режим работы двигателя, как устойчивая работа на сверхбедных топливных смесях. На горизонте бензинового моторостроения замаячила идиллическая картина — легкий компактный силовой агрегат, развивающий высокую мощность, обеспечивающий отличные экологические показатели и способный соперничать с дизелями по топливной экономичности. Но как говорится, во всем есть свои нюансы.

И здесь важно более детально остановиться на особенностях современных двигателей с непосредственным впрыском топлива. Одной из главных является возможность работы силового агрегата на нескольких видах смесеобразования. Это обстоятельство является неоспоримым плюсом систем GDI, так как разнообразие этих процессов позволяет получить максимальную эффективность сгорания смеси. Например, как уже отмечалось выше, в системах непосредственного впрыска удается получить экономию топлива за счет режима работы на сверхобедненной смеси, причем без потери мощности.

Кроме того, в двигателях GDI заметно увеличена степень сжатия топливовоздушной смеси, а это помогает избежать калильного зажигания и детонации, а таким образом увеличивается ресурс. Так же к положительным моментам моторов с непосредственным впрыском нужно отнести существенное снижение выброса в атмосферу углекислого газа и других вредных веществ, а это достигается за счет многослойного смесеобразования, в свою очередь дающего еще более полное сгорание смеси, что дополнительно повышает мощность двигателя.

Некачественный бензин в моторах с непосредственным впрыском топлива ведет к закоксовыванию фосунок и появлению нагара в камере сгорания и на поршнях.

Фото avtovzglyad.ru

Перечисление положительных свойств двигателей GDI, конечно же, было бы неуместным без упоминания ряда отрицательных моментов его эксплуатации. Главный минус таких силовых агрегатов связан со сложностью технического исполнения узлов системы впуска и ее элементов подачи топлива. Поэтому, как любая сложная электронно-механическая конструкция, работающая на жидком топливе, моторы с системами GDI оказываются крайне чувствительным к качеству используемого горючего.

Совершенно очевидно, что игнорирование этого факта неизменно будет провоцировать появление разного рода дефектов топливного тракта. Что, собственно, можно часто наблюдать в ситуациях, когда многие водители, пренебрегая правилами и требованиями эксплуатации, заливают в бак машины бензин сомнительного качества. Итог таких действий — быстрое закоксовывание форсунок, ведущее к резкой потере мощности двигателя и, безусловно, увеличению расхода топлива. А за устранение подобных дефектов в сервис-центре придется выложить кругленькую сумму.

Впрочем, подобного развития событий вполне можно избежать, если заблаговременно принять меры «противодействия» в случаях, когда есть сомнения в качестве используемого горючего, например, при заправке на незнакомой АЗС во время дальнего автопутешествия. Как раз для таких ситуаций специалистами немецкой фирмы Liqui Moly была разработана и успешно применяется уникальная топливная присадка Direkt Injection Reiniger, которая значительно снижает риск возникновения поломок связанных с некондиционным бензином в системах непосредственного впрыска топлива.

В частности, данный продукт специально создан для лечения и профилактики загрязнений форсунок GDI. Его эффективность такова, что он вполне может заменить даже стендовую очистку форсунок. При этом препарат гарантированно удаляет нагар, смолистые отложения, а попутно чистит и камеру сгорания. Еще одним достоинством присадки Direkt Injection Reiniger является ее направленное действие — она начинает работать только в горячих узлах аппаратуры (форсунках, камере сгорания), тогда как в баке, где происходит лишь смешивание с горючим, она остается инертной.

29884

29884

Преимущества непосредственного впрыска топлива на автомобиле Foton Sauvana

Автомобили Foton Sauvana оснащаются бензиновыми двигателями мощностью 160 кВт или 148 кВт, с максимальным крутящим моментом 320 Нм и 300 Нм соответственно.

Двигатель G01 – это рядный четырехтактный шестнадцатиклапанный двигатель с непосредственным впрыском топлива в цилиндр, двумя распределительными валами с системой изменения фаз газораспределения VVT, турбокомпрессором и системой изменения геометрии впускного коллектора

Модернизированный электронный блок управления двигателем позволяет сочетать отличные динамичные и мощностные характеристики с высокой топливной экономичностью и низким уровнем выброса вредных веществ. Двигатель G01 соответствует стандарту Euro-5, и может быть обновлен до класса Euro-6.

Почему на этом двигателе применяется непосредственный впрыск в цилиндр?

Бензиновый двигатель внутреннего сгорания работает за счет воспламенения топливовоздушной смеси от системы зажигания автомобиля.

На современных двигателях с электронным впрыском топлива, как и на старых карбюраторных двигателях прошлого века, смешение топлива и воздуха происходит вне цилиндра. Готовая смесь до начала такта впуска находится во впускном коллекторе, а в камеру сгорания она попадает за счет разряжения, создаваемого движением поршня, только после открытия впускного клапана.

С каждым годом данная система впрыска топлива прогрессирует с точки зрения оптимизации момента открытия форсунок и количества подаваемого топлива, но, тем не менее, смесь готовится вне цилиндра, что влечет за собой ряд существенных недостатков: начало подачи смеси зависит только от момента открытия клапана, а не от реальных условий работы двигателя; мелкие частицы топлива прилипают к стенкам коллектора и самому клапану, следовательно, снижается эффективность используемого топлива.

Применение различных систем изменения фаз газораспределения и турбонаддува несколько улучшают контроль смеси и эффективность сгорания. Однако, этих технологий недостаточно для удовлетворения растущих с каждым днем требований к рабочим характеристикам двигателя и нормам выброса вредных веществ. Значительное увеличение давления наддува может привести к снижению надежности двигателя. Общее количество клапанов двигателя ограничено сложностью конструкции и невозможностью регулировать фазы и ход клапанов.

Но современные производственные технологии позволили пойти по иному пути, имеющему ряд значительных преимуществ – реализовать впрыск топлива непосредственно в камеру сгорания.

Бензиновый двигатель с впрыском внутри цилиндра аналогичен дизельному двигателю. Топливо подается к электромагнитным форсункам под давление от 50 до 150 бар, создаваемого насосом высокого давления в рампе. Затем электронный блок управления подает команду на открытие форсунок.

Из-за того, что теперь впрыск осуществляется непосредственно в цилиндр, у двигателя появилась возможность работать на сверхбедных смесях. Смесь в цилиндре получается не однородной: облако из паров топлива, формируемое в непосредственной близости от свечи зажигания, имеет стехиометрическое соотношение, т.е. на 1 часть топлива приходится 14,7 частей воздуха, и, соответственно, может воспламениться. Но в среднем по всему цилиндру это соотношение может доходить до 1 к 30, за счет чего достигается отличная топливная экономичность.

Так же следует отметить, что впрыск топлива теперь не зависит от положения впускного клапана. Топливо может подаваться в любой момент, можно формировать любое значение коэффициента избытка воздуха, обусловленное режимами работы двигателя, его температурой, нагрузкой на ДВС. Что положительно сказывается не только на улучшении динамики автомобиля, но и на экологии.

Но при всем при этом, система стала более требовательна к качеству заправляемого топлива. На автомобиле Sauvana компания Foton рекомендует использовать бензин не ниже уровня АИ-95

Бензиновый двигатель с непосредственным впрыском топлива: устройство и особенности

Система непосредственного впрыска топлива в бензиновых двигателях на сегодняшний день представляет собой наиболее совершенное и современное  решение. Главной особенностью непосредственного впрыска можно считать то, что горючее подается в цилиндры напрямую.

По этой причине данную систему также часто называют прямым впрыском топлива. В этой статье мы рассмотрим, как работает двигатель с непосредственным впрыском топлива, а также какие преимущества и недостатки имеет такая схема.

Содержание статьи

Прямой впрыск топлива: устройство системы непосредственного впрыска

Как уже было сказано выше, горючее в подобных системах питания подается непосредственно в камеру сгорания двигателя. Это значит, что форсунки распыляют бензин не во впускном коллекторе, после чего топливно-воздушная смесь поступает через впускной клапан в цилиндр, а впрыскивают топливо в камеру сгорания напрямую.

Первыми бензиновыми двигателями с непосредственным впрыском стали моторы GDI на моделях японской компании Mitsubishi. В дальнейшем схема получила широкое распространение, в результате чего сегодня ДВС с такой системой подачи топлива можно встретить в линейке многих известных автопроизводителей.

Например, концерн VAG представил ряд моделей Audi и Volkswagen с атмосферными и турбированными бензиновыми двигателям TFSI, FSI и TSI, которые получили непосредственный впрыск топлива. Также двигатели с прямым впрыском производит компания BMW, Ford, GM, Mercedes и многие другие.

Такое широкое распространение непосредственный впрыск топлива получил благодаря высокой экономичности системы (около 10-15% по сравнению с распределенным впрыском), а также более полноценному сгоранию рабочей смеси в цилиндрах и снижению уровня токсичности отработавших газов.

Система непосредственного впрыска: конструктивные особенности

Итак, давайте в качестве примера возьмем двигатель FSI с его так называемым «послойным» впрыском. Система включает в себя следующие элементы:

• контур высокого давления;
• бензиновый ТНВД;
• регулятор давления;
• топливную рампу;
• датчик высокого давления;
• инжекторные форсунки;

Начнем с топливного насоса. Указанный насос создает высокое давление, под которым топливо подается к топливной рампе, а также на форсунки. Насос имеет плунжеры (плунжеров может быть как несколько, так и один в насосах роторного типа) и приводится в действие от распредвала впускных клапанов.

РДТ (регулятор давления топлива) интегрирован в насос и отвечает за дозированную подачу топлива, что соответствует впрыску форсунки. Топливная рейка (топливная рампа) нужна для того, чтобы распределить горючее на форсунки. Также наличие данного элемента позволяет избежать скачков давления (пульсации) горючего в контуре.

Кстати, в схеме используется специальный клапан-предохранитель, который стоит в рейке. Указанный клапан нужен для того, чтобы избежать слишком высокого давления топлива и тем самым защитить отдельные элементы системы. Рост давления может возникать по причине того, что горючее имеет свойство расширяться при нагреве.

Датчик высокого давления является устройством, которое измеряет давление в топливной рейке. Сигналы от датчика передаются на ЭБУ (электронный блок управления двигателем), который, в свою очередь, способен изменять давление в топливной рейке.

Что касается инжекторной форсунки, элемент обеспечивает своевременную подачу  и  распыл топлива в камере сгорания, чтобы создать необходимую топливно-воздушную смесь. Отметим, что описанные процессы протекают под управлением ЭСУД (электронная система управления двигателем). Система имеет группу различных датчиков, электронный блок управления, а также исполнительные устройства.

Если же говорить о системе прямого впрыска, вместе с датчиком высокого давления топлива для ее работы задействованы: датчик коленчатого вала, ДПРВ, датчик положения дроссельной заслонки, воздухорасходомер, датчик температуры воздуха во впускном коллекторе, датчик температуры ОЖ и т.д.

Благодаря работе этих датчиков на ЭБУ поступает нужная информация, после чего блок посылает сигналы на исполнительные устройства. Это позволяет добиться слаженной и точной работы электромагнитных клапанов, форсунок, предохранительного клапана и ряда других элементов.

 Как работает система непосредственного впрыска топлива

Главным плюсом непосредственного впрыска является возможность добиться различных типов смесеобразования. Другим словами, такая система питания способна гибко изменять состав рабочей топливно-воздушной смеси с учетом режима работы двигателя, его температуры, нагрузки на ДВС и т.д.

Следует выделить послойное смесеобразование, стехиометрическое, а также гомогенное. Именно такое смесеобразование позволяет в конечном итоге максимально эффективно расходовать топливо. Смесь всегда получается качественной независимо от режима работы ДВС, бензин сгорает полноценно, двигатель становится более мощным, при этом одновременно снижается токсичность выхлопа.

• Послойное смесеобразование задействуется тогда, когда нагрузки на двигатель низкие или средние, а обороты коленвала небольшие. Если просто, в таких режимах смесь несколько обедняется в целях экономии.  Стехиометрическое смесеобразование предполагает приготовление такой смеси, которая легко воспламеняется, при этом не является слишком обогащенной.
• Гомогенное смесеобразование позволяет получить так называемую «мощностную» смесь, которая нужна при больших нагрузках на двигатель. На обедненной гомогенной смеси в целях дополнительной экономии силовой агрегат работает на переходных режимах.
• Когда задействован режим послойного смесеобразования, дроссельная заслонка широко открыта, при этом впускные заслонки находятся в закрытом состоянии. В камеру сгорания воздух подается с высокой скоростью, возникают завихрения воздушных потоков. Горючее впрыскивается ближе к концу такта сжатия, впрыск производится в область расположения свечи зажигания.

За короткое время до того, как на свече появится искра, образуется топливно-воздушная смесь, в которой коэффициент избыточного воздуха составляет 1.5-3. Далее смесь воспламеняется от искры, при этом вокруг зоны воспламенения сохраняется достаточно количество воздуха. Указанный воздух выполняет функцию температурного «изолятора».

Если же рассматривать гомогенное стехиометрическое смесеобразование, такой процесс происходит тогда, когда впускные заслонки открыты, при этом дроссельная заслонка также открыта на тот или иной угол (зависит от степени нажатия на педаль акселератора).

В этом случае горючее впрыскивается еще на такте впуска, в результате чего удается получить однородную смесь. Избыток воздуха имеет коэффициент, близкий к единице. Такая смесь легко воспламеняется и полноценно сгорает по всему объему камеры сгорания.

Обедненная гомогенная смесь создается тогда, когда дроссельная заслонка полностью открыта,  а впускные заслонки закрыты. В этом случае воздух активно движется в цилиндре, а впрыск горючего приходится на такт впуска. ЭСУД поддерживает избыток воздуха на отметке 1.5.

Дополнительно к чистому воздуху могут быть добавлены отработавшие газы. Это происходит благодаря работе системы рециркуляции отработавших газов EGR. В результате выхлоп повторно «догорает» в цилиндрах без ущерба для мотора. При этом снижается уровень выброса вредных веществ в атмосферу.

Что в итоге

Как видно, прямой впрыск позволяет добиться не только экономии топлива, но и хорошей отдачи от двигателя как в режимах низких и средних, так и высоких нагрузок. Другими словами, наличие непосредственного впрыска означает, что оптимальный состав смеси будет поддерживаться на всех режимах работы ДВС.

Что касается недостатков, к минусам прямого впрыска можно отнести разве что повышенную сложность  во время ремонта и цену запчастей, а также высокую чувствительность системы к качеству горючего и состоянию фильтров топлива и воздуха.

Читайте также

Что означает прямой впрыск топлива?

Direct Fuel Injection — это не что иное, как инжектор, подающий топливо непосредственно в цилиндр двигателя внутреннего сгорания. Это относительно новый концепт , впервые представленный в середине 90-х годов в дизельных двигателях, но в последнее время получивший широкое распространение в бензиновых двигателях. Возможность подачи топлива непосредственно в цилиндр позволяет снизить выбросы, снизить температуру головки блока цилиндров, увеличить мощность и улучшить экономию топлива.Скорее всего, если вашему автомобилю всего несколько лет, он оснащен двигателем с прямым впрыском.

Желтый компонент на этих фотографиях — топливные форсунки

Традиционный метод подачи топлива представлял собой впрыск топлива через порт, при котором топливные форсунки помещались во впускные каналы и распылялось топливо через заднюю часть клапанов перед подачей в цилиндр. Это было стандартом с тех пор, как был введен впрыск топлива, пришедший на смену карбюраторам в начале 90-х годов. Так зачем же производителям переходить с впрыска через порт на прямой впрыск? Прямой впрыск обеспечивает больший контроль во время процесса подачи топлива за счет распыления распыляемого топлива в цилиндре, обеспечивая лучшее распределение топлива по камере сгорания и позволяя реализовать расширенные протоколы управления двигателем, такие как Variable Valve Timing.

Хотя на бумаге прямой впрыск звучит прекрасно, у него есть некоторые недостатки. Наиболее распространенная проблема, связанная с прямым впрыском, — это агрессивное количество углерода, которое накапливается во впускных каналах и на задней части клапанов. Ранее мы упоминали, что предшествующим методом подачи топлива был впрыск через каналы, при котором топливо распылялось во впускных каналах, а затем поступало в цилиндры. В системах подачи топлива этого поколения не наблюдалось такого большого накопления углерода, потому что моющие средства в бензине помогали поддерживать эти отверстия и клапаны в чистоте.

Углерод, скопившийся на задней части этих впускных клапанов

Другая проблема с прямым впрыском заключается в том, что тонко распыленное топливо не любит более низких температур сгорания, поэтому производительность и эффективность сильно снижаются, пока двигатель не достигнет идеальной рабочей температуры. Последний недостаток — сложность, которую эти системы добавляют к производственному движку. Для прямого впрыска требуется дополнительный топливный насос высокого давления, а также более мощные форсунки большего размера.Дополнительный топливный насос — это еще одна потенциальная точка отказа, когда дело касается топливной системы. Замена форсунок для тяжелых условий эксплуатации также может быть немного дороже, чем замена стандартных.

При всем вышесказанном, транспортная отрасль — это игра в числа, которая вращается вокруг выбросов и топливной экономичности, поэтому есть несколько автомобильных компаний, которые начали производить двигатели как с портовым, так и с топливным впрыском. Эти двигатели сочетают в себе оба метода подачи топлива и позволяют еще больше настраивать двигатель, охлаждение, эффективность и выбросы.Впрыск через порт помогает свести накопление углерода к минимуму. Инъекция через порт также поможет при холодном пуске и последующих периодах прогрева. Эти механизмы обеспечат лучшее из обоих миров для преимуществ каждого метода доставки; Единственный видимый недостаток — это потенциальные точки отказа, добавленные к топливной системе.

Хотя идеальной конструкции двигателя не существует, достоинства двигателя с непосредственным впрыском намного перевешивают недостатки, поэтому не торопитесь обменивать свой автомобиль на автомобиль с прямым впрыском или двойным впрыском.Есть еще кое-что, что вы можете сделать в краткосрочной перспективе, чтобы избежать некоторых долгосрочных головных болей, связанных с двигателем с прямым впрыском. Первый — использовать полностью синтетическое (не обычное или полусинтетическое) моторное масло в двигателе. Полностью синтетические масла сопротивляются разрушению и с меньшей вероятностью испаряются в картере двигателя — это испарение приведет к тому, что больше масла пройдет через систему выбросов и попадет во впускные отверстия в виде углерода. Другой мерой было бы запускать специализированный сервисный комплект для индукционного впрыска с прямым впрыском через ваш двигатель каждые 16 месяцев или 20 000 миль.Наша услуга индукции прямого впрыска (это полный рот), которую мы выбрали в Auto Stop, — это многогранный комплект BG. Первая часть набора состоит из распыления раствора для чистки портов в мелкий туман и его пропускания через верхнюю часть приемного отверстия транспортного средства в течение 45 минут. Следующая часть включает в себя очистку дроссельной заслонки на корпусе дроссельной заслонки от мусора или загрязнений. Наконец, в комплект входит моющее средство, которое покрывает топливный бак и очищает кончики форсунок во время нормального вождения.

Многие из этих нововведений в области выбросов хорошо звучат в теории и на бумаге, но после тысяч и тысяч миль эти высокотехнологичные двигатели могут оказаться менее прощающими, когда дело доходит до технического обслуживания. По иронии судьбы, когда эти механизмы не обслуживаются должным образом, они могут препятствовать тому, для чего они были разработаны, — топливной эффективности, мощности и снижению выбросов. Если у вас есть какие-либо вопросы относительно обслуживания вашего двигателя прямого впрыска, не стесняйтесь обращаться к одному из наших опытных консультантов по обслуживанию в Арлингтоне или Фолс-Черч.Мы обслуживаем все марки и модели автомобилей с прямым впрыском и соблюдаем рекомендуемые производителем интервалы обслуживания.

Основы прямого впрыска | HowStuffWorks

Непрофессионалу лабиринт шлангов, жгутов проводов, коллекторов и трубок под капотом автомобиля может показаться устрашающим. Но когда дело доходит до бензинового двигателя, просто знайте следующее: для работы ему нужны топливо, воздух (если быть точным, кислород) и искра.

Два наиболее важных различия между двигателем с прямым впрыском и стандартным бензиновым двигателем заключаются в том, как они подают топливо и как топливо смешивается с поступающим воздухом.Эти основные предпосылки имеют огромное значение для общей эффективности двигателя.

Прежде чем мы заглянем внутрь двигателя с непосредственным впрыском, давайте посмотрим на короткую секунду из жизни стандартного бензинового двигателя (для более полного взгляда на бензиновый двигатель см. Как работают автомобильные двигатели). Сначала топливо проходит через насос из топливного бака по топливопроводу в топливные форсунки, которые установлены в двигателе. Форсунки распыляют бензин во впускной коллектор, где топливо и воздух смешиваются в мелкий туман.Через точно заданные промежутки времени открываются впускные клапаны, соответствующие различным цилиндрам двигателя. Когда впускной клапан цилиндра открывается, поршень в этом цилиндре опускается, всасывая топливно-воздушный туман из воздушного коллектора вверху в нижнюю камеру. Когда поршень снова поднимается вверх, он сжимает (сжимает) топливно-воздушную смесь, пока она не станет почти в девять раз плотнее, чем была вначале. Затем загорается свеча зажигания этого цилиндра, воспламеняя камеру до высокого давления и высокой энергии.Этот небольшой удар толкает поршень обратно вниз с огромной силой, заставляя его вращать коленчатый вал и, в конечном итоге, передавать мощность на колеса.

Понял? Довольно сложно, да? Это работает, но с инженерной точки зрения оставляет желать лучшего и довольно расточительно.

Однако с двигателем с прямым впрыском топливо пропускает ступеньку и добавляет немного эффективности. Вместо того, чтобы болтаться во впускном коллекторе, топливо впрыскивается прямо в камеру сгорания.С помощью современных компьютеров управления двигателем топливо сжигается там, где это необходимо, и тогда, когда это необходимо [источник: Fueleconomy.gov].

Чтобы узнать больше о том, что делает двигатели с прямым впрыском топлива более эффективными, перейдите на следующую страницу.

Почему в некоторых двигателях используется прямой впрыск и впрыск через порт

В каждом новом автомобиле, продаваемом сегодня в США, используется впрыск топлива, но не все системы впрыска одинаковы. В некоторых автомобилях используется впрыск через порт, в других — прямой впрыск.Некоторые даже используют и то, и другое. Какая в этом польза? Джейсон Фенске из Engineering Explained разбирает это в сопроводительном видео.

Впрыск топлива — это более точный способ подачи топлива в цилиндры, чем его предшественник, карбюратор. Он получил широкое распространение в 1980-х годах благодаря развитию электронного управления. Портовый впрыск — впрыск топлива во впускной канал — был по умолчанию с того времени и до конца века.

Прямой впрыск впервые был использован в самолетах, а механическая версия использовалась в 1950-х годах на Mercedes-Benz 300SL.Но эта технология не получила широкого распространения до 2000-х годов, когда более строгие стандарты экономии топлива вынудили автопроизводителей искать новые способы повышения эффективности. EcoBoost от Ford и SkyActiv от Mazda — лишь несколько примеров семейств двигателей, в которых используется прямой впрыск. Как следует из названия, прямой впрыск включает впрыск топлива непосредственно в камеру сгорания цилиндра, и это делается при гораздо более высоком давлении, чем впрыск через порт.

Совсем недавно автопроизводители начали комбинировать две системы впрыска топлива.Toyota, например, использует свою систему D-4S на пикапе Tacoma и спорткаре 86.

Эти системы, как правило, используют впрыск через порт при более низких нагрузках и оборотах двигателя и прямой впрыск при более высоких оборотах, говорит Фенске. Но он отмечает, что это зависит от автопроизводителя.

Портовый впрыск обеспечивает более стабильную воздушно-топливную смесь при более низких оборотах двигателя, что приводит к более плавной работе при запуске. На более высоких оборотах прямой впрыск обеспечивает больший охлаждающий эффект, увеличивая мощность и снижая вероятность детонации.

Toyota D-4S работает в «стратифицированном» режиме, ориентированном на эффективность, и в «однородном» режиме для большей мощности. В стратифицированном режиме в основном используется впрыск через порт для создания различных топливно-воздушных смесей, в том числе обедненных смесей для быстрого нагрева двигателя и каталитических нейтрализаторов до рабочей температуры.

В гомогенном режиме всегда используется одна и та же более богатая топливно-воздушная смесь с использованием как прямой, так и портовой форсунок.

Уменьшение нагара — еще одна причина использовать оба типа впрыска.Исследования показали, что двигатели с прямым впрыском топлива, как правило, более склонны к образованию нагара, чем двигатели с прямым впрыском, особенно на впускных клапанах. Добавляя впрыск через порт, топливо может смыть эти клапаны, чтобы уменьшить нагар.

Чтобы узнать больше, нажмите на видео выше.

Бензиновый двигатель с прямым впрыском

— обзор

1.4 Система впрыска топлива под высоким давлением

Система впрыска топлива является ключевым компонентом бензинового двигателя DI. Он должен иметь возможность обеспечивать как поздний впрыск для послойного сгорания заряда при частичной нагрузке, так и ранний впрыск во время такта впуска для однородного сгорания заряда при работе с высокой нагрузкой.Для работы с однородной заправкой требуется хорошо распыленный и равномерно распределенный топливный распылитель с ранним впрыском при низком давлении в цилиндре. Для режима послойной загрузки желательна хорошо распыленная, но компактная и повторяемая форма струи для достижения быстрого образования смеси и контролируемого расслоения.

Ключевым технологическим фактором для современного бензинового двигателя DI является разработка систем впрыска топлива с электронным управлением. До 1990-х годов использовались механические системы впрыска топлива насос – магистраль – форсунка с фиксированным временем впрыска и однократным впрыском.Электронная топливная форсунка высокого давления с электромагнитным приводом, первоначально разработанная для двухтактных бензиновых двигателей с прямым впрыском, стала доступна в конце 1980-х годов и вскоре была использована для разработки четырехтактных бензиновых двигателей с прямым впрыском. Как показано на рис. 1.2, топливная система высокого давления для бензиновых двигателей с прямым впрыском содержит насос высокого давления, приводимый непосредственно в действие одним из распределительных валов, который подает топливо под давлением в общую топливную рампу, установленную в головке блока цилиндров, и топливную систему высокого давления. электронные топливные форсунки под давлением.

Первое поколение современных бензиновых двигателей DI спроектировано с настенной системой сгорания. Электромагнитные форсунки высокого давления в основном имеют вихревую конструкцию, как показано на рис. 1.7, которая имеет штифт, открывающийся внутрь, и одно выходное отверстие (например, Hentschel et al. , 1999). Жидкость выходит из единственного выпускного отверстия в виде кольцевого листа, который распространяется радиально наружу, образуя струю в виде полого конуса. Однако форма распыления от такого открывающегося внутрь вихревого инжектора претерпевает значительные изменения в зависимости от давления впрыска, давления или плотности окружающей среды и рабочей температуры инжектора.При расчетном давлении впрыска (от 50 до 100 бар) и повышенной плотности окружающей среды во время позднего впрыска во время операции расслоенного заряда произойдет схлопывание струи в виде полого конуса, образуя узкую оболочку струи с увеличенным проникновением струи. В результате структура струи из вихревой форсунки существенно изменяется в рабочем диапазоне плотности в цилиндре и давления в топливной рампе, что приводит к значительным трудностям в оптимизации операций послойного заряда в широком диапазоне условий частичной нагрузки.

1,7. Бензиновые форсунки с прямым впрыском в производстве.

Одним из основных ограничений бензиновых двигателей DI первого поколения с системами сгорания, направляемыми стенками, является требование сильного движения заряда в цилиндре, такого как кувырок или завихрение. Для создания движения заряда требуется либо впускной канал с высоким крутящим моментом, либо винтовой канал, что часто приводит к снижению объемного КПД и, следовательно, к снижению характеристик полного крутящего момента. Чтобы уменьшить зависимость от системы регулирования расхода, в бензиновом двигателе DI второго поколения Toyota использовался щелевой инжектор высокого давления (Кеанда и др., 2000). Инжектор щелевого типа имеет одно прямоугольное отверстие, и его прорезь расположена так, чтобы производить веерообразную струю либо на оси, либо вне оси. Соотношение длины и ширины прямоугольной щели можно регулировать для создания диапазона номинальных углов включения вентилятора. Сообщалось, что использование инжектора щелевого типа обеспечивает как улучшенную кривую крутящего момента, так и более широкий диапазон операций послойного заряда.

Для достижения стратифицированной системы сгорания с разбрызгиванием при частичной нагрузке и улучшения характеристик полной нагрузки бензинового двигателя с непосредственным впрыском были разработаны и внедрены форсунки с несколькими отверстиями и пьезоэлектрическим приводом. в автомобили массового производства.Основное преимущество форсунок с несколькими отверстиями состоит в том, что любой пространственный рисунок распределения топлива может быть получен в принципе за счет количества отверстий, включая угол или углы рисунка распыления, на оси форсунки или смещенной от нее. Таким образом, можно спроектировать портфель форсунок с несколькими отверстиями в соответствии с необходимой оптимизацией системы сгорания, как показано на рис. 1.7. Однако, поскольку распыление под давлением является единственным механизмом для образования капель топлива, относительно более высокое давление впрыска ( c .150 МПа) обычно используется для получения качественного распыления. Кроме того, малый диаметр отверстия сопла и более высокая температура заряда при искровом воспламенении увеличивают тенденцию к закупорке отверстия форсунки отложениями сажи. Поэтому инжектор следует размещать в зоне, где инжектор может быть хорошо охлажден до температуры ниже 130 ° C, чтобы предотвратить образование отложений сажи.

Инжектор с открыванием наружу, показанный на рис. 1.7, по сравнению с этим может эффективно исключить блокировку сопла инжектора сажей через его штифт, открывающийся наружу.Более того, начальная толщина жидкого слоя спрея напрямую регулируется ходом иглы. В результате открывающийся наружу инжектор позволяет контролировать угол распыления, глубину проникновения и размер капель.

Пьезоэлектрический привод основан на быстром изменении размеров некоторых керамических материалов под воздействием электрического поля. Быстрое время открытия и закрытия позволяет значительно сократить минимальный период открытия и увеличить впрыск топлива при полном подъеме цапфы.Изменение характеристик открывания от срабатывания к срабатыванию также лучше у пьезоактуатора. Возможность работать с гораздо более короткой продолжительностью впрыска с повторяемой динамикой срабатывания и количеством топлива приводит к существенному улучшению динамического диапазона и рабочего расхода форсунки. Расширенный динамический диапазон и большая скорость потока являются предпосылками для разработки бензиновых двигателей с форсированным двигателем DI и двигателей, которые могут работать как на спиртовом, так и на бензиновом топливе.Кроме того, быстрый пьезоэлектрический инжектор позволяет использовать несколько впрысков за цикл.

В таблице 1.1 приведены основные характеристики трех основных типов форсунок, как описано выше. И соленоидные форсунки с несколькими отверстиями, и форсунки с пьезоэлектрическим приводом, открывающиеся наружу, в настоящее время серийно производятся с насосами высокого давления, обеспечивающими давление топлива до 20 МПа (Stach et al., 2007; Achleitner et al. , 2007).

Таблица 1.1. Сравнение трех типов бензиновых форсунок DI

Зависимость от обратного давления

Характеристики	Форсунка с несколькими отверстиями	Пьезо-открывающаяся наружу форсунка	Вихревой / открывающаяся вовнутрь форсунка
Гибкость формы распыления	+ +	+	+
Наклонная ось распыления	+	—	+
Качество распыления при 10 МПа	—	+	+	+ +	+ +	—
Приготовление гомогенной смеси с ранним впрыском		+ +	+
Расход и динамический диапазон	—	+ +
Многократный впрыск	+	+ +	+
Robustne SS против обрастания	—	+ +	+

Двигатель с прямым впрыском — обзор

7.4 Конструкция и оптимизация системы сгорания с прямым впрыском (DI) со стратифицированным наддувом

Двигатель с прямым впрыском со стратифицированным наддувом работает в смешанных режимах. Он работает с расслоенной топливовоздушной смесью при более низких нагрузках и скоростях, в то время как при более высоких нагрузках и скоростях он работает с «гомогенной» смесью. Преимущество экономии топлива в режиме послойной загрузки проистекает из четырех аспектов: снижение насосных потерь из-за общей обедненной смеси, уменьшение тепловых потерь на стенки цилиндра из-за более низких температур газа, более высокий термический КПД из-за повышенного удельного теплового отношения и улучшенная теплоотдача. эффективность за счет более высокой степени сжатия.Требования к топливовоздушной смеси для состояния расслоенного заряда принципиально отличаются от требований, предъявляемых к условиям однородного заряда. Во время зажигания требуется локально богатое топливно-воздушное облако вокруг зазора свечи зажигания, а бедная смесь — за пределами этой богатой области. Возможность работы двигателя на обедненной смеси является ключевым фактором повышения экономии топлива. Качество расслоения смеси напрямую влияет на стабильность горения и выбросы, такие как UHC, NO _x и сажа.Хорошая система сгорания с расслоенным зарядом должна стабильно работать в широком диапазоне скоростей и нагрузок с низким уровнем выбросов.

Существует много различных способов достижения такого расслоения заряда с помощью формы распыления форсунки, геометрии поршня и движения потока в цилиндре. Системы сгорания со стратифицированным зарядом можно разделить на категории с направлением от стены, направлением воздуха и направлением распыления в соответствии с основным механизмом формирования стратификации заряда. В системах с направляемой стенкой различные схемы потока в цилиндре наряду с типичным взаимодействием между топливной струей и корпусом поршня могут использоваться для достижения расслоения смеси.Инженеры Mitsubishi (Kume et al., 1996) и Ricardo (Jackson et al., 1997) впервые предложили концепцию обратного вращения в сочетании со специально разработанной полостью поршня, которая создавала расслоенный заряд рядом с зазором свечи зажигания. Полость была спроектирована для управления падением струи и распространением пламени. Volkswagen (Krebs et al., 1999) использовал опрокидывающее движение вперед в своем двигателе DI. В последнее время в Тойоте широко применяется вихревое движение вместе с конструкцией корпуса поршня (Harada et al., 1997), Ford (Han et al., 2002) и GM (Lippert et al., 2004b) в их системах сгорания двигателей со стратифицированным зарядом. Одним из преимуществ вихревого движения является то, что структура вихревого потока может сохраняться дольше в такте сжатия, чтобы помочь стабилизировать расслоенный заряд вокруг места расположения свечи зажигания. Система стратифицированных зарядов FEV является примером системы с воздушным направлением (Гейгер и др., 1999). Он использует поступательное качающееся движение всасываемого воздуха вместе с большой, но неглубокой поршневой полостью для контроля образования смеси.Концепция VISC (стратифицированное горение, вызванное вихрями) VanDerWege и др. (2003) представляет собой типичную распыляемую систему с инжектором pizeo, установленным в центре камеры сгорания. В нем используется вихрь, естественным образом образующийся на внешней стороне широкого распылительного конуса, который усиливается за счет регулирования объемного потока газа и конструкции днища поршня. Этот вихрь переносит пары топлива от распылительного конуса к искровому промежутку. Основными преимуществами системы с распылительной направляющей являются меньшее смачивание поршня топливом и более оптимальная фазировка сгорания по сравнению с системами с направляющей стенкой.

CFD-моделирование сыграло очень важную роль в оптимизации конструкции камеры, поршневой полости и конфигураций струи в системах сгорания со стратифицированным зарядом. Abe et al. (2001) применил CFD-моделирование для исследования процесса образования топливно-воздушной смеси для горения с установленным сбоку вентилятором (щелевым) распылителем форсунки и прямыми впускными отверстиями (рис. 7.21). Моделирование помогло понять влияние формы поршня на стратификацию и выбросы. Результаты их моделирования показали, что с овальной стенкой полости смесь была более сконцентрирована вокруг свечи зажигания по сравнению со случаем поршня в форме раковины (таблица VII (между страницами 172 и 173)).

7.21. Система сгорания с расслоенным наддувом Toyota с установленным сбоку вентилятором (щелевым) распылителем, поршневой полостью и прямым впускным каналом в 4-цилиндровом DOHC, 4-клапанном двигателе с диаметром цилиндра и ходом 86 мм и 86 мм (Abe et al. ., 2001).

Хан et al. (2002) оптимизировал схему распыления вихревой форсунки для снижения смачивания поршня при работе со стратифицированным зарядом, основываясь на физическом понимании взаимодействия топлива со стенкой, полученном посредством моделирования CFD. Они исследовали распыление топлива, смешивание топлива с воздухом и процесс эволюции поля потока, показанный на Таблице VIII (между страницами 172 и 173), в двигателе со стратифицированным зарядом с диаметром цилиндра 89 мм и ходом поршня 79.5 мм, с вихревым инжектором под впускными отверстиями. Согласно результатам исследования CFD, большая часть столкнувшегося топлива прилипла к поверхности стены. Приставшее жидкое топливо либо испарялось и способствовало образованию очень богатых смесей у стенки, либо оставалось жидкой фазой во время искры (например, 20-25 ° до ВМТ). Основываясь на своем моделировании и «отпечатке ноги» столкновения с топливом, наблюдаемом в динамометрическом двигателе, они полагали, что смачивание поршня вызывает горение «лужи лужи» в богатой топливом области в чаше поршня и, следовательно, является основным источником образования сажи. .С помощью корреляции и моделирования CFD для оптимизированной системы сгорания была предложена новая конструкция поршня и новая форма распыления с увеличенным конусом распыления. Испытания двигателя подтвердили, что новая форма распыления и конструкция поршня производят гораздо меньше выбросов сажи, как показано на рис. 7.22.

7.22. Влияние угла распылительного конуса для вихревого инжектора на смачивание поршня, рассчитанное с помощью CFD, и выбросы сажи, измеренные динамометром. Смоделированные условия двигателя такие же, как и на рис. VIII, за исключением того, что конусы распыления изменяются (Han et al., 2002).

Липперт et al. (2004b) исследовал влияние формы распыления на экономию топлива и выбросы в режимах со стратифицированным зарядом с помощью экспериментов с двигателями и моделирования CFD. Их динамометрические испытания показали, что форсунка с вентиляторным распылителем дает равные или лучшие (более низкие) значения удельного расхода топлива и выбросов, чем форсунки MH (с несколькими отверстиями), за исключением холостого хода. На холостом ходу Mh5 имел значительно лучшие выбросы углеводородов, а также COV IMEP, который был на 50% ниже, чем у других форсунок.Для понимания этого явления использовалось моделирование CFD. Результаты моделирования CFD, некоторые из которых показаны на рис. 7.23, показали, что лучшая работа Mh5 на холостом ходу могла быть связана с лучшим удержанием брызг внутри барабана, и это также способствовало более широкому окну зажигания на холостом ходу. Благодаря особому распределению массы и импульса от инжектора Mh5, была сформирована и поддерживалась гораздо более плотная рециркуляция топливного облака вокруг искрового промежутка. Это привело к тому, что в барабане содержалось больше смеси, что привело к лучшим выбросам углеводородов и большей стабильности сгорания.Однако форсунка с вентиляторным распылителем имела более сильное глобальное проникновение пара, и в результате пары топлива быстро перемещались вверх по направлению к головке. Это привело к более высокому пику эквивалентности на искровом промежутке, но более быстрому затуханию. Результатом стали более высокие выбросы углеводородов и менее стабильное горение.

7.23. Поперечное сечение (справа) искрового промежутка при 25 ° bTDC для работы на холостом ходу (650 об / мин, MAP = 80 кПа, SI = 1,4, EOI = 50, EGR = 51%, AF = 32) для Fan1 (слева), Mh4 и инжекторы Mh5 (в центре) (Lippert et al., 2004b).

Iyer et al. (2004) исследовали механизм образования стратифицированного заряда в своей системе сгорания с разбрызгиванием и расслоением заряда с помощью моделирования CFD. Моделирование показало, что на периферии струи образуется вихревая структура из-за вязкого сдвига между каплями струи с высокой скоростью и окружающим газом с низкой скоростью. Эта вихревая структура обеспечивает воспламеняющуюся смесь для свечи зажигания. Моделирование CFD также объяснило физику, лежащую в основе влияния относительного положения между форсункой и свечой зажигания на пропуски зажигания и стабильность сгорания.Результаты моделирования CFD на Таблице IX (между страницами 172 и 173) показывают, что устранение пропусков зажигания при поднятом положении форсунки происходило благодаря двум основным механизмам. Во-первых, вихрь на периферии струи имеет больше места для образования, прежде чем он столкнется с поршнем при поднятом положении инжектора, чем в исходном положении инжектора. Таким образом, вовлечение воздуха может развиваться с меньшим вмешательством со стороны движения поршня. Во-вторых, свеча зажигания имеет лучшее расположение относительно топливного вихря, потому что облако смеси выше вокруг свечи зажигания для поднятого положения форсунки.

Почему в некоторых двигателях есть и порт, и прямой впрыск

Половина парка новых легковых и грузовых автомобилей в США теперь оснащена системой прямого впрыска бензина (также известной как GDI), что означает, что топливо распыляется прямо в камеру сгорания. Возникает вопрос: какие следующие инновационные двигатели выйдут из лаборатории?

Ответ заключается в том, чтобы подавать топливо в огонь двумя разными путями, и некоторые производители уже оснастили свои двигатели как левым, так и прямым впрыском.Toyota представила эту технологию, которую она называет впрыском D-4S, на двигателе V-6 более десяти лет назад и теперь использует порт и прямой впрыск на своем 2,0-литровом четырехцилиндровом двигателе (который производится Subaru), 3,5-литровый V-образный двигатель. -6, и 5,0-литровый V-8. Audi использует его на своих 3,0-литровых двигателях V-6 и 5,2-литровых V-10.

Система Toyota D-4S была представлена ​​на 3,5-литровом двигателе V-6 Lexus IS350 2006 года.

Ford в настоящее время является доминирующим игроком в сфере так называемого двухтопливного прямого впрыска высокого давления (DI) и впрыска через порт низкого давления (PI).Применения включают в себя бензиновые двигатели V-6 и V-8 с турбонаддувом и без наддува — всего четыре — объемом от 2,7 до 5,0 литров. И летающий пикап F-150 Raptor, и суперкар GT оснащены новыми 3,5-литровыми двигателями EcoBoost V-6. Наземные F-150 также в значительной степени полагаются на эту технологию с базовым 3,3-литровым двигателем V-6 с двойным топливом и дополнительными 2,7- и 3,5-литровыми двигателями V-6 EcoBoost. Последнее заявленное на данный момент приложение Ford — это новый 5,0-литровый двигатель V-8, который будет установлен на Mustang GT 2018 года.

Основы

Прежде чем углубляться в тонкости объединения PI и DI, уместно сделать краткое руководство. Вопреки голливудским изображениям автомобилей, падающих со скал, самовозгорания не существует. Поскольку сжиженный бензин не горит, подготовка топлива из бака для сжигания внутри двигателя представляет собой двухэтапный процесс.

Первый этап — распыление жидкости на мелкие капли, что достигается путем нагнетания бензина под давлением с помощью насоса через крошечные отверстия форсунок.Исследование, проведенное инженерами Hitachi, показало, что топливо под давлением до 1000 фунтов на квадратный дюйм и впрыскивание через отверстия диаметром от 0,006 до 0,011 дюйма приводило к образованию тумана со скоростью 135 миль в час из капель диаметром всего 0,000003 дюйма. Это хорошо.

Испарение следует за распылением. Здесь мелкие капли топлива претерпевают фазовый переход из жидкости в газ, становясь паром, который может смешиваться с воздухом и воспламеняться свечой зажигания.

Поскольку во время этого фазового перехода поглощается тепло, возникает охлаждающий эффект, который можно использовать для повышения эффективности работы двигателя.В режиме PI воздух, проходящий через впускной коллектор, охлаждается до того, как достигнет камеры сгорания. При использовании DI охлаждение происходит внутри самой камеры.

Ford оснащает несколько двигателей EcoBoost V-6 с двойным впрыском, включая суперкар GT.

У каждой стратегии есть свои плюсы и минусы. PI удобен для двигателей без наддува, поскольку охлаждение поступающего воздуха увеличивает его плотность и потенциал производства энергии.Намного легче размещать форсунки во впускных каналах, подальше от клапанов и свечей зажигания. Такое расположение выше по потоку обеспечивает достаточно времени для полного испарения. Одним из недостатков является то, что капли топлива иногда оседают на стенках впускного канала, нарушая предполагаемое соотношение топлива и воздуха.

С DI вероятность детонации — преждевременного воспламенения топливно-воздушной смеси — снижается, поскольку эффект охлаждения с фазовым переходом имеет место во время такта сжатия непосредственно перед зажиганием.Понижение температуры поверхности камеры сгорания позволяет повысить степень сжатия и повысить эффективность независимо от того, является ли двигатель безнаддувным или наддувным. Ford увеличил максимальный крутящий момент на 30 фунт-фут в своем новом 3,5-литровом двигателе V-6, объединив новую стратегию двойного впрыска с более высоким давлением наддува.

У DI есть свои недостатки. Система DI более дорогая, потому что давление, необходимое для впрыскивания топлива в камеру сгорания, в 50-100 раз выше, чем с PI, а насос более высокого давления вызывает паразитные потери.Прямые форсунки обычно шумят. Отложения углерода — как на задней стороне впускных клапанов, так и на выхлопных трубах — являются проблемами обслуживания для некоторых пользователей DI. Поскольку время для испарения меньше, часть топлива выходит из камеры сгорания и каталитического нейтрализатора в виде твердых частиц или сажи. Эти частицы углерода похожи на частицы, выбрасываемые дизельными двигателями, но меньше по размеру.

Комбинация

Конечная стратегия — объединить преимущества PI и DI, используя каждое из них для уменьшения отрицательных сторон друг друга.Toyota, например, запускает обе форсунки при низких и средних нагрузках и оборотах, другими словами, при нормальном вождении. Это увеличивает плотность поступающего заряда без наддува и смывает нагар с впускных клапанов. В условиях высоких нагрузок и оборотов, когда необходимо максимальное охлаждение камеры сгорания, поскольку детонация более вероятна, DI обрабатывает всю подачу топлива.

Каждый производитель использует свою стратегию относительно того, когда использовать порт, прямой или оба инжектора.Здесь показана одна из зависимостей крутящего момента Toyota от частоты вращения и использования форсунок.

Питер Даудинг, главный инженер Ford по бензиновым системам трансмиссии, раскрыл иную стратегию. Ford использует только PI на холостом ходу и на низких оборотах для плавной, тихой и эффективной работы двигателя. При увеличении числа оборотов и нагрузки подача топлива становится запрограммированной смесью PI и DI. В отличие от методологии Toyota, PI Ford всегда работает, отвечая по крайней мере за 5–10 процентов поставок топлива.

Даудинг и его коллега по инженерам Ford Стивен Расс подчеркивают, что отложения углерода на выхлопных трубах и впускных клапанах никогда не были проблемой в их двигателях DI.Доудинг добавляет: «Теперь, когда электродвигателям отводится все больше ролей в силовых установках, наша задача — повышать эффективность двигателей, когда это возможно. Двухтопливная технология Ford уже зарекомендовала себя как ценная и рентабельная стратегия в этом направлении ».

Проектирование и разработка современных двигателей — это попытка уравновесить мощность, выбросы, пробег, долговечность, управляемость и другие проблемы. Двухтопливная стратегия дает инженерам дополнительный ключ к повороту, поскольку они стремятся высвободить больше энергии из каждой капли газа.По мере извлечения уроков и снижения затрат на компоненты можно ожидать, что все больше производителей примут на вооружение этот подход к разжиганию костров.

Этот контент создается и поддерживается третьей стороной и импортируется на эту страницу, чтобы помочь пользователям указать свои адреса электронной почты. Вы можете найти больше информации об этом и подобном контенте на сайте piano.io.

Direct Injection Guide — Основы двигателей с прямым впрыском топлива

Бензиновые двигатели с прямым впрыском (DI) десятилетиями скрывались в тени разработки двигателей внутреннего сгорания, работающих на бензине, но теперь они становятся мейнстримом.Все это хорошо, поскольку двигатели DI можно настраивать на неуправляемый уровень мощности, при этом демонстрируя приятные уличные манеры и хороший пробег. Но как это работает и почему это хорошо? Эта история призвана ответить на эти вопросы.

DI? Основным аспектом, определяющим двигатель DI, является подача топлива непосредственно в камеру сгорания. В настоящее время в большинстве промышленных газовых двигателей используется впрыск топлива в порт, когда топливо подается во впускные отверстия перед впускным клапаном. Канальный впрыск топлива и DI реализованы с помощью электронных топливных форсунок и компьютера двигателя, сообщающего форсункам, когда открывать и закрывать, чтобы топливо под давлением могло пройти в двигатель.Но впрыск топлива в порт менее точен, поскольку он просто распыляет топливо во впускной канал, который затем смешивается с воздухом в канале и устремляется в камеру сгорания, когда впускной клапан открывается. Применение топлива DI — это большой шаг вперед. Это позволяет точно определить момент, когда топливо поступает в камеру сгорания, и открывает множество возможностей для настройщиков двигателей, чтобы увеличить мощность, снизить выбросы и повысить долговечность двигателей — и все это одновременно.

Посмотреть все 9 фотографий

Время — это все Возможность регулировки при добавлении топлива в цилиндр — это святой Грааль производства энергии.Разработчики ранних карбюраторных двигателей с распределительным зажиганием и двигателей с впрыском топлива и распределителя имели только одну настраиваемую переменную, которую можно было динамически регулировать в зависимости от оборотов двигателя и нагрузки: угол опережения зажигания (с противовесами на распределителе и вакуумной линией от впускного коллектора, соответственно. ). Более поздние двигатели с впрыском топлива были разработаны с распределительными валами, которые можно было фазировать (опережать или замедлять) примерно на 20 градусов в зависимости от частоты вращения и нагрузки. Теперь DI позволяет добавить время подачи топлива к фазе кулачка и синхронизации зажигания в качестве еще одного инструмента динамической настройки.Применение топлива DI определяется двумя категориями: скорость подачи топлива и время подачи топлива.

Норма подачи топлива Норма подачи топлива регулируется посредством давления в общей топливной магистрали, к которой подключены топливные форсунки, количества раз, когда форсунка открывается, чтобы топливо могло пройти через нее (во время цикла впуска) и продолжительность этих открытий. Топливные системы DI имеют существенную конструкцию, потому что они обычно генерируют и удерживают топливо под давлением 2200 фунтов на кв. до 60 фунтов на квадратный дюйм обычного впрыска.Эти чрезвычайно высокие давления позволяют инжектору пропускать достаточно топлива для достижения стехиометрического сгорания (желаемое соотношение топлива и воздуха 14: 1) при чуть меньшем, чем половине числа градусов вращения кривошипа по сравнению с двигателем с распределенным впрыском топлива.

Вот объяснение этого утверждения: Форсунки на двигателе с распределенным впрыском топлива могут пропускать топливо почти на все 720 градусов поворота кривошипа (на более низких оборотах они иногда закрываются, но на более высоких оборотах они могут быть открыты до тех пор, пока 720 градусов).Это приемлемо, поскольку топливно-воздушная смесь, заполняющая впускные каналы, попадает в камеры сгорания только при открытом впускном клапане.

Посмотреть все 9 фотографий Камеры сгорания на впрыскивании топлива через порт …

На двигателе с прямым впрыском топлива форсунка обычно подает топливо в камеру сгорания после закрытия выпускного клапана (во избежание просто разбрызгивания топлива через выпускное отверстие) и до свеча зажигания загорается — обычно при повороте кривошипа примерно на 310 градусов. Наличие менее половины вращения кривошипа для получения всего топлива в камере означает, что давление, толкающее топливо, должно быть намного выше, таким образом, 2200 фунтов на квадратный дюйм.Топливные форсунки на двигателе с прямым впуском часто открываются и закрываются более одного раза во время такта впуска, чтобы обеспечить достаточное количество топлива для сгорания при подаче его в идеальное время.

Выбор времени подачи топлива Вероятно, самая захватывающая особенность современной системы DI — это возможность отсчитывать время (в градусах поворота кривошипа), когда топливо подается в камеру сгорания. В программе серийных автомобилей это небесная мечта для калибраторов двигателей, поскольку они сталкиваются с очень сложными, но специализированными ситуациями, такими как необходимость разогреть каталитический нейтрализатор до температуры в первые несколько секунд запуска, чтобы свести к минимуму выбросы.Эта важная ситуация умело обрабатывается калибратором двигателя, который программирует выпускной клапан так, чтобы он оставался открытым дольше обычного (увеличивая перекрытие клапанов), замедляя зажигание и используя обедненное топливо, чтобы зажечь большую часть сгорания в выхлопной трубе. .

Посмотреть все 9 фотографий

Еще более круто то, что в момент перед этим моментом — при запуске двигателя — калибратор двигателя может настроить подачу топлива на полную обогащенную смесь (подача топлива с более длительным сроком действия) с немного меньшей задержкой по времени и очень мало перекрытия клапанов.Это распыляет топливо, когда поршень приближается к отверстию, отскакивая топливо от поршня (вот почему поршень имеет эту странную чашу на его вершине) и напрямую ударяет по электроду свечи зажигания. Понимаете, что мы имеем в виду? Количество комбинаций безумно, но возможность дать двигателю именно то, что он хочет / нужно, для максимизации эффективности и выработки мощности при любой комбинации оборотов и нагрузки — все это есть с DI.

Недостатки Пока что, наверное, все звучит хорошо, и вам интересно, почему DI не появлялся на улицах в течение десятилетий.Простой ответ — технология не была готова к использованию в прайм-тайм. Аппаратное обеспечение для DI, такое как форсунки, топливные насосы и т. Д., Похоже на то, что использовалось в дизельных двигателях много лет назад, но управляющие компьютеры двигателя и программное обеспечение, используемое для управления всеми этими переменными, не подходили для производства. автомобильные приложения (которые, по сути, представляют собой космические шаттлы, построенные для управления «Трех марионеток»). Эти компоненты удовлетворили потребность несколько лет назад, поэтому сегодня вы видите все больше и больше двигателей DI.Но будьте осторожны. Огромные возможности DI сочетаются с ошеломляющей сложностью. Сегменты вторичного рынка и энтузиастов, несомненно, поймут это, но отрасль следует сравнить с тем, что было в 1985 году в отношении впрыска топлива через порт — без дополнительных форсунок, насосов, элементов управления, опыта и так далее. Но запомните наши слова: это изменится, когда несколько ключевых игроков ощутят потенциал власти.

Различия между прямым впрыском бензина и традиционным впрыском топлива
	DI	Порт впрыска топлива
Где используется топливо	Камера сгорания	Впускной канал
Давление в топливной рампе	2200 фунтов на кв. Дюйм	Приблизительно 60 фунтов на кв. Дюйм
Подача топлива (градусы поворота)	Приблизительно 310 градусов	До 720 градусов
Зажигание	Свечи зажигания на основе	Свечи зажигания на основе
Степень сжатия	Примерно на 10 процентов выше	Ограничено заявкой на топливо
Фазировка кулачка	Обязательно	рекомендуется
Температура воздуха / топлива на впуске	Нижняя часть от испаряющегося топлива	Ограничено заявкой на топливо

Показать все

DI любит Boost Приложения DI, которые обладают наибольшим потенциалом с точки зрения энтузиастов, — это турбонаддув и наддув.Точная настройка подачи топлива и времени действительно позволяет калибратору проявить творческий подход. Одним из примеров потенциала мощности является ускорение от низких до высоких оборотов при высокой нагрузке. С двигателем DI обычный способ увеличения мощности аналогичен тому, что делают гонщики с турбонаддувом на стартовой линии, чтобы их турбины вращались быстро и получали ускорение.

При ускорении калибровка двигателя DI настроена на добавление перекрытия выпускных / впускных клапанов. Это позволяет небольшому количеству наддува на впуске проходить непосредственно через камеру сгорания и раскручивать турбонагнетатель.Кроме того, подача топлива и синхронизация задерживаются, чтобы минимизировать количество топлива или продуктов сгорания, выходящих из выхлопной трубы (но при этом сохраняется стехиометрическое соотношение воздух / топливо). Это похоже на то, как запускается дрэг-кар с большим турбонаддувом и электронным впрыском топлива. Калибровка двигателя устанавливается по двухэтапной программе, чтобы ограничить искру несколькими цилиндрами при каждом обороте, а зажигание задерживается на максимальную величину. Это приводит к взрывному возгоранию в выхлопной трубе и помогает быстро запустить турбонагнетатель на максимальной скорости.Оба метода включают турбонаддув, но ситуация с дрэг-рейсингом ужасно жестокая (они лопаются и стучат очень громко), в то время как ситуация с DI незаметно обеспечивает крутящий момент, который заставляет вас откинуться назад на сиденье — от двигателя объемом около 2 литров.

Вероятно, самым крутым аспектом системы DI является то, что это всего лишь один пример — ее можно настроить на любую тысячу ситуаций, чтобы максимизировать выходную мощность. И по этим причинам DI станет следующей большой вещью в мире перформанса.

Отечественные автомобили с двигателями DI от ’09 до ’10 Buick LaCrosse и Enclave’10 Cadillac STS и CTS’10 Chevrolet Camaro V-6’10 Chevrolet HHR SS’10 Chevrolet Traverse’10 GMC Acadia’07 до ’10 Pontiac Solstice GXP’07 — ’10 Saturn Sky Red Line

LNF Установка сценического комплекта В GM Performance Parts (PN 19212670) доступен сценический комплект для Chevrolet HHR SS, Cobalt SS, Solstice GXP и Sky Red Line ( все они оснащены впечатляющим двигателем 2,0 л с турбонаддувом, стандартным производственным заказом LNF, поэтому энтузиасты называют его двигателем LNF), который обеспечивает поистине удивительное увеличение мощности.