Что такое система GDI двигателя автомобиля и как работает

Чтобы объяснить принцип работы двигателя автомобиля GDI с непосредственным впрыском необходимо для начала рассмотреть теорию работы двигателей.

Вспомним теорию

Чтобы топливо сгорело, нужен воздух для полного сгорания. Такое количество воздуха называется стехиометрическим. Например, для бензина оптимальный состав топливной смеси 14,7:1 — на 1 грамм бензина нужно 14,7 грамма воздуха. Смесь, в которой воздуха больше, чем нужно — называется бедной, а в которой воздуха меньше, чем нужно (больше топлива) — называется богатой.

Слишком бедную смесь не всегда удается поджечь, при работе на богатой — несгоревшее топливо бесполезно «вылетает в трубу».

Вспомним, как работает мотор машины. У бензинового двигателя на такте впуска смесь воздуха и топлива поступает в цилиндр, затем сжимается и поджигается искрой. У дизеля на такте впуска в цилиндр поступает только воздух, который сжимается поршнем под большим давлением и нагревается. К концу сжатия впрыскивается топливо, которое при высоких давлении и температуре самовоспламеняется. Для дизеля нормальная степень сжатия — 18, а у бензиновых — максимум 12.

Чем выше давление в цилиндре — лучше эффективность. А если поднять степень сжатия в бензиновом двигателе? Больше 12 не получается. Потому что есть детонация и калильное зажигание.

Детонация — очень быстрое сгорание топлива в точках, удаленных от свечи, сопровождается резким местным перегревом и перегрузкой деталей мотора. Внешний признак детонации — стук. Калильное зажигание — преждевременное (до появления искры) воспламенение смеси от перегретых деталей камеры сгорания.

Длительная работа с данными факторами недопустима: мотор быстро выйдет из строя. Поэтому заливают высокооктановый бензин (АИ-98), но выше степени сжатия 12 его «не хватает».

Если хотим сделать бензиновый мотор экономичным, «эластичным» и более мощным, то должны избавиться от детонации и научить «питаться» бедной смесью.

Как работает двигатель GDI

Напоминает по конструкции обычный бензиновый и дизель.

В каждом цилиндре присутствует свеча зажигания, форсунка, а топливо подается насосом высокого давления под давлением 5 МПа. Форсунка обеспечивает два различных режима впрыскивания топлива.

В работе GDI различаются три возможных режима в зависимости от режима движения автомобиля.

Работа на сверхбедных смесях

Реализуется при малых нагрузках авто: при спокойной езде и движении по трассе на скоростях до 120 км/ч. Топливо подается в цилиндр практически как в дизеле — в конце такта сжатия.

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

Работа на стехиометрической смеси

Используется при интенсивной городской езде, движении по высокой скорости и обгонах автомобилей. При стехиометрическом составе смеси с воспламенением никаких проблем не возникает.

Впрыск топлива осуществляется в процессе такта впуска. Топливо впрыскивается коническим факелом, распыляется по всему цилиндру и, испаряясь, охлаждает при этом воздух в цилиндре. Благодаря охлаждению снижается вероятность детонации и калильного зажигания.

Третий режим двигателя GDI

Позволяет повысить момент двигателя авто, когда двигаясь на малых оборотах, резко нажимается педаль акселератора. Если двигатель работает на малых оборотах, а в него вдруг подается обогащенная смесь, вероятность детонации возрастает. Поэтому впрыск осуществляется в два этапа.

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

В итоге степень сжатия удалось поднять до 12 — 12,5. Двигатель автомобиля устойчиво работает на бедной смеси. По сравнению с бензиновым двигателем, GDI расходует на 10% меньше горючего, выдает на 10% больше мощности и экологичнее на 20%.

Двигатель GDI: история, особенности, нюансы работы

В чем заключается принципиальное отличие нового двигателя от стандартных решений?

В классических инжекторных двигателях с коллекторной системой образования смеси в цилиндры подается уже готовая топливно-воздушная смесь, качество которой определяет мощность мотора, уровень токсинов в выхлопных газах. Смешивание горючего и воздуха осуществляется во впускном коллекторе с форсунками, которые управляются электроникой. Отличительная особенность двигателей GDI — форсунка, направленная прямо в камеру сгорания. Впускные клапаны в этой системе служат только для подачи воздуха, а уже в самих цилиндрах смешивается топливо и воздух. Электрическая искра отвечает за зажигание. Так как обеспечить однородный состав смеси в этих условиях проблематично, производители оснастили двигатель GDI сложным электронным блоком с программным обеспечением, рассчитанным на различные рабочие циклы.

Еще нюанс — упорядоченная структура топливно-воздушной смеси в цилиндре, причем смесь эта перемещается по определенной траектории, имея разный уровень концентрации в зависимости от места нахождения: у стенок цилиндра смесь «холодная», возле свечи «горячая», то есть уровень концентрации, необходимый для работы, создается непосредственно возле свечи, что позволяет двигателю работать даже на обедненной смеси.

Работа на обедненной топливно-воздушной смеси при небольших нагрузках — основное достоинство двигателей GDI, так как такой принцип работы позволяет заметно снижать расходы топлива при движении в городском или смешанном цикле. Исследования показали: при длительной работе двигателя на холостых оборотах в городском заторе затраты горючего удается снизить на 20-25%.

Двигатели GDI: разновидности впрыска горючего

Для рынков Японии и европейских стран предназначены разные типы двигателей 4G93. Мы поговорим о японских моделях, которые оснащены двумя системами впрыска топлива:

1. Работа на сверх бедных смесях. В этом режиме двигатель способен работать на очень обедненной топливно-воздушной смеси, параметры которой могут колебаться в диапазоне 37:1 — 43:1. За идеальный вариант принимается пропорция 40:1. В таком режиме двигатель способен работать на скорости до 120 км/ч, если машина разгоняется плавно;
2. Работа на стехиометрической смеси. Режим запускается на скорости более 120 км/ч или, если двигатель подвергается повышенным нагрузкам — при наличии у автомобиля прицепа, при подъеме в горку и так далее.

Европейские двигатели имеют третий режим работы, который включается при высоких нагрузках на малых оборотах (такое случается при стремительном разгоне с 40 км/ч на высоких передачах). Принцип этой системы достаточно прост: двойной впрыск топлива в цилиндры обеспечивает мотор обогащенной топливно-воздушной смесью, что приводит к повышению уровня эластичности мотора, крутящего момента при низких оборотах.

GDI и черные свечи

Существует несколько причин, по которым свечи на GDI могут быть черные: помимо традиционных — неверное зажигание, наличие в камере сгорания масла, неправильно подобранный вид свечи, к причинам «засаживания» следует отнести неправильный состав топливно-воздушной смеси — сажа со стенок впускного коллектора попадает в камеру сгорания, препятствуя созданию запрограммированного «воздушного винта» и приводя к некачественному перемешиванию топлива и воздуха.

Остановить процесс «засаживания» нельзя, но можно его существенно замедлить, уделяя пристальное внимание регулярной чистке впускного коллектора. При этом не стоит забывать, что не только коллектор приводит к загрязнению свечей: к возникновению проблемы причастны клапаны, на которых также накапливается сажа, и которые препятствуют правильному распылу топлива.

Радует тот факт, что особенная схема смесеобразования делает GDI двигатель не слишком чувствительным к чистоте свечей, поэтому первое время на цвет этих элементов можно большого внимания не обращать. Но не обольщайтесь слишком сильно: через каждые 15-20000 километров комплект свечей требуется менять.

GDI: свечи

Среди наиболее распространенных свечей заживания, используемых в двигателях GDI, можно выделить:

• иридиевые;
• платиновые;
• двухконтактные.

Последний вариант представляет собой наиболее оптимальное соотношение цены и качества.

Несколько слов об особенностях непосредственного впрыска

Чтобы суметь воплотить в реальность все теоретические преимущества системы непосредственного впрыска, японцы разработали конструкцию — днище поршня адаптированной формы, который направляет топливный «факел» непосредственно к свече зажигания. Кроме того, специалисты обеспечили максимально высокое давление горючего в системе (50 бар против традиционных трех), в головке блока для повышения эффективности завихрения воздушных потоков в цилиндре создали впускные вертикальные каналы.

Пришлось также устранять проблему токсичности. Сгорание обедненной топливной смеси приводит к активному выделению ядовитых окислов азота NOx. Для очистки выхлопа до европейских норм были созданы каталитические нейтрализаторы.

Практические рекомендации для владельцев авто с двигателями GDI

Самый важный момент: качество топлива, заливаемого в бак, должно быть максимально высоким. Единственно приемлемый вариант — чистое, высокооктановое топливо. Никакого этилированного бензина, никаких очистителей и присадок и прочее.

Откуда взялся этот запрет? Его диктуют особенности строения двигателя. Не важно, оснащен ли двигатель клапаном мембранного типа или плунжерами, речь идет о деталях повышенной точности. При наличии в топливе грязи или посторонних примесей, ТНВД через время просто «сядет» и уже не сможет обеспечить требуемое нагнетание топлива в вихревые форсунки с необходимым давлением.

Разумеется, конструкторы разработали систему очистки топлива, включающую в себя четыре ступени — это очистка:

• «сеткой» топливоприемника насоса;
• стандартным топливным фильтром;
• при поступлении бензина в ТНВД с помощью «сеточки-стакана»;
• через «сеточку-стакан», когда топливо выходит в бак.

Представленная система очистки наверняка хороша — для высококачественного бензина, но не для нашего топлива, поэтому очень важно пристально следить за работой двигателя, отмечая малейшие отклонения от нормы.

Так, нужно срочно начинать предпринимать действия (лететь на всех порах на СТО), если вы видите, что показатели мощности и приемистости двигателя начинают снижаться. Если вы проигнорируете этот момент, через некоторое время двигатель просто откажется заводиться и придется обращаться в мастерскую, чтобы произвести ремонт ТНВД «Мицубиси», BOSCH, Toyota.

Вместо вывода

Сегодня, к сожалению, авто с двигателями GDI не способны долго ездить на российском топливе. Если же вы все-таки стали владельцем машины с двигателем GDI и отказываться от своего приобретения не желаете, уделяйте своему транспортному средству максимум внимания — через каждые несколько тысяч км проводите полноценную очистку ТНВД в специализированной мастерской.

Важный совет для тех, у кого двигатель GDI

Еще в 1980-х годах средний семейный седан обычно производил менее 150 лошадиных сил от двигателей внутреннего сгорания, которые не были такими уж маленькими. Я до сих пор не могу поверить, что мы ездили на 3,3-литровых Pontiac 6000 мощностью 135 лошадиных сил, и это было хорошо.

С тех пор бесконечный список различных технологических достижений сделал двигатели значительно более эффективными и мощными. Одной из технологий, которая стала повсеместной, является прямой впрыск бензина, обычно называемый GDI. Его популярность распространяется по целому ряду положительных причин, но у него есть и недостатки. Если у вас есть автомобиль, в котором используется эта технология, важно знать, как она работает и в чем заключаются ее неисправности, чтобы вы могли предотвратить и/или сразу решить эти проблемы. Вот что вам нужно знать.

Что такое GDI?

Примерно 10 лет назад большинство автомобилей имели систему впрыска через порт. Это означает, что топливо распыляется вместе с воздушной смесью, омывает клапаны и сгорает для создания мощности. В двигателях с непосредственным впрыском топливо впрыскивается непосредственно в камеру сгорания. Результатом является более полный цикл сгорания с меньшим расходом топлива. Повышение мощности при меньшем количестве топлива позволяет автопроизводителям использовать меньшие по размеру и более эффективные двигатели, которые при этом обеспечивают хорошую производительность.

Вроде все хорошо, а в чем проблема?

Бензин едкий, что не всегда плохого качества. В давние времена люди использовали газ для очистки грязных металлических инструментов.

В двигателях с распределенным впрыском газ постоянно омывает впускные клапаны. Это приводит к очистке от любого накопления углерода, масла или других загрязняющих веществ, которые накапливаются во время нормальной работы. В двигателе с непосредственным впрыском обратная сторона впускных клапанов остается сухой, так как газ не омывает клапаны. Масло и нагар все еще накапливаются на задней стороне клапанов, но топливо не смывает всю эту гадость.

Нагар может повредить двигатель. Впускные клапана забивается нагаром, и тогда ничего не работает корректно.

Как узнать, есть ли в моей машине GDI?

Узнать, есть ли у вашего автомобиля GDI, просто взглянув на двигатель, немного сложно, потому что нет ничего действительно визуально очевидного, уникального для них. Однако на пластиковой крышке двигателя вашего автомобиля может быть большая этикетка с буквами GDI. Попробуйте проверить руководство по эксплуатации автомобиля.

Если ничего не помогает, позвоните в отдел запчастей дилерского центра, и вы получите ответ, с прямым впрыском топлива в вашем автомобиле или нет. Или вы всегда можете просто погуглить «это марка/модель с прямым впрыском?» и найдите свой путь к официальному листу спецификаций.

Как это исправить?

Некоторые автопроизводители заметили эту проблему с выбросами углерода и попытались решить ее. В новых двигателях Toyota M-серии, используемых в новейших Camry и Corolla, используется как прямой, так и портовый впрыск, чтобы поддерживать чистоту задней части клапанов. Производители масел также добавляют растворители и другие химические вещества в масла некоторых марок, чтобы уменьшить накопление отложений.

Но если и когда возникает избыточное накопление, вам необходимо его очистить. В зависимости от марки и модели автомобиля, это может быть довольно сложный процесс. Чаще всего это связано со снятием клапанной крышки и впускного коллектора. Оттуда вы можете удалить грязь с задней части клапанов.

Многие используют скорлупу грецкого ореха, которая достаточно прочна, чтобы смыть налет, но при этом достаточно мягкая, чтобы не повредить детали двигателя. Для взрыва средства техник подаст в двигатель сильно сжатый воздух, смешанный, в данном случае, с кусочками скорлупы грецкого ореха, который соскребает отложения. В то же время они будут использовать пылесос, чтобы всасывать лишнюю пыль и кусочки скорлупы грецких орехов, которые разлетаются в стороны.

Где я могу позаботиться об этом?

Большинство достойных дилеров или независимых механиков знают о нагаре на двигателях GDI. Некоторые бренды более активно, чем другие, рекомендуют (или не рекомендуют) услуги по струйной очистке или удалению нагара на клапанах.

Что произойдет, если вы просто проигнорируете это?

Во-первых, вы можете увидеть снижение производительности. Впускные клапаны не будут работать правильно, и ваш компьютер попытается это компенсировать. В этом случае, скорее всего, загорится индикатор проверки двигателя.

В конце концов, может произойти серьезное повреждение. У отца моего друга был Kia Soul 2013 года с пробегом около 140 000 миль. У автомобиля были проблемы со случайными пропусками зажигания и в целом низкая производительность. Проверка компрессии показала, что в первом цилиндре было низкое давление, поэтому что-то плохо герметизировалось.

Вот как выглядел двигатель:

Гаррет Рабенольд Гаррет Рабенольд Гаррет Рабенольд

У машины сгорел выпускной клапан. Согласно интернет-форумам и беседам с техниками в отделе запасных частей дилерского центра Kia, это довольно распространено для автомобилей с чрезмерным накоплением углерода, которые никогда не чистились. Теория моего друга состоит в том, что плохо работающие двигатели, особенно с пропусками зажигания, имеют тенденцию работать на обедненной смеси, что резко повышает температуру сгорания. В конце концов, эта избыточная температура сжигает детали двигателя. В данном случае клапан.

Гарретт Рабенольд

Этого можно было бы избежать, проведя профилактическое обслуживание. Снятие впускного коллектора и продувка носителя несколько более интенсивны, чем, скажем, сброс бутылки «очистителя инжектора» в бензобак автомобиля. Знаешь, вроде тех вещей Лукаса, которые кассиры в магазине запчастей всегда толкают, когда тебе звонят? Тем не менее, небольшая струйная обработка ранее могла спасти этот двигатель от дорогостоящей работы по замене клапанов. Двигатели

GDI могут потребовать немного больше усилий, чтобы поддерживать свои аналоги с впрыском через порт, но я думаю, что это того стоит. Реальные преимущества как для мощности, так и для экономии нельзя недооценивать, и сейчас на рынке есть несколько отличных двигателей, в которых используется эта технология.

Эта статья первоначально была опубликована на Car Bibles.

INNOSPEC » Понимание разницы между двигателями GDi и PFI.

Компания Innospec объясняет, почему это важно. Двигатели GDi вывели технологию впрыска топлива на новый уровень.

Бензиновые двигатели внутреннего сгорания прошли долгий путь с тех пор, как Луиджи Де Кристофорис впервые изобрел карбюратор в 1876 году. Однако смешивание топлива с воздухом в карбюраторе до того, как он попадет в камеру сгорания, по-прежнему было основной технологией, используемой в бензиновых автомобилях вплоть до 1980-е годы.

Только в этом десятилетии производители оригинального оборудования (OEM) начали переход от карбюраторных двигателей к одноточечному впрыску топлива, чтобы преодолеть некоторые проблемы с управляемостью и растущую озабоченность по поводу выбросов выхлопных газов. Хотя технологии развивались быстро.

Когда в конце 1980-х годов появился PFI, это был большой шаг вперед в конструкции впрыска топлива. Он преодолел многие проблемы с производительностью, связанные с одноточечным впрыском и более ранними карбюраторными двигателями. При распределенном впрыске топлива (PFI) или многоточечном впрыске топлива (MPFI) топливо впрыскивается во впускное отверстие каждой камеры сгорания через специальный инжектор.

В двигателях PFI используется трехкомпонентный каталитический нейтрализатор, датчики выхлопных газов и система управления двигателем с компьютерным управлением для постоянной регулировки соотношения топлива и воздуха, впрыскиваемого в каждый цилиндр. Тем не менее, технология развивается, и по сравнению с современной технологией бензиновых двигателей с непосредственным впрыском (GDi), PFI не так экономично расходует топливо и не может соответствовать сегодняшним все более строгим стандартам выбросов.

Copyright Innospec 2021

В двигателе GDi топливо впрыскивается непосредственно в камеру сгорания, а не во впускное отверстие. Преимущество этой системы в том, что топливо используется более эффективно. Без необходимости закачки топлива во впускной канал значительно снижаются механические и насосные потери.

В двигателе GDi топливо также впрыскивается под более высоким давлением, поэтому размер капель топлива меньше. Давление впрыска превышает 100 бар по сравнению с давлением впрыска PFI от 3 до 5 бар. Размер капель топлива с GDi составляет <20 мкм по сравнению с размером капель PFI от 120 до 200 мкм.

В результате двигатели GDi обеспечивают более высокую выходную мощность при том же количестве топлива. Бортовые системы управления уравновешивают весь процесс и точно контролируют регулируемые выбросы. Система управления двигателем запускает форсунки в оптимальный момент на определенное время в зависимости от потребности и условий движения в этот момент. В то же время бортовой компьютер вычисляет, работает ли двигатель слишком богато (слишком много топлива) или слишком бедно (слишком мало топлива), и немедленно соответствующим образом регулирует ширину импульса форсунки (IPW).