Система непосредственного впрыска топлива GDI принцип работы

Общие сведения

Считается, что впервые эту разновидность двигателя использовала компания Mitsubishi, однако это не совсем верно. Первый двигатель такого типа был установлен на гоночный автомобиль Mercedes-Benz W196. Позже Mitsubishi использовали систему электронно-управляемого впрыска, что позволяло двигателю работать (при малых нагрузках) на топливовоздушной смеси с минимальным количеством горючего, то есть обедненной.

Первые автомобили Mitsubishi с моторами GDI начали производиться в 1996 году. С тех пор двигатель претерпел многие изменения и улучшения, так как первоначальный вариант был далек от совершенства.

Что касается аббревиатуры GDI, то она относится к машинам марки Mitsubishi, хотя многие автоконцерны используют ту же систему, но под другим названием. У Toyota это D4, у Mercedes — CGI, у Renault — IDE и т.д.

Особенность двигателя в том, что при малых нагрузках (равномерная езда со скоростью до 120 км/ч) он работает на обедненной топливовоздушной смеси. При повышении нагрузки происходит автоматический переход на классическую систему впрыска. Это делает автомобиль экономичным (до 20% экономии) и экологичным.

Немного истории

Прямой впрыск – идея не новая, в истории имеется ряд примеров, где такая система использовалась. Первое массовое использование такого типа питания мотора было в авиации в средине прошлого века. Использовать ее пытались и на автотранспорте, однако широкого распространения она не получила. Систему тех годов можно рассматривать как некий прототип, поскольку она была полностью механической.

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

Прямой впрыск топлива

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

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

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

Особенности ТНВД

Общий принцип работы ДВС заключается в подаче и смешивании топлива с воздушной массой, так как без последней возгорание невозможно. В бензиновых двигателях для оптимальной работы требуется 14,7 г воздушной смеси на 1 г бензина. Если воздуха оказывается больше нормы, такая топливовоздушная смесь носит название обедненной (бедной), если меньше — богатой.

Обедненная воздушная смесь снижает расход топлива, однако с ее возгоранием часто возникают проблемы. Чрезмерно насыщенная бензином смесь возгорается легко, однако излишки топлива не сгорают и выводятся вместе с переработанными газами, что приводит к бесполезной растрате. Не говоря уже о том, что на свечах и клапанах интенсивно образуется слой нагара.

Система GDI отличается от обычной тем, что впрыск горючего производится не во впускной коллектор, а напрямую в камеру сгорания, как у моторов, работающих на дизтопливе.

Принцип действия двигателя GDI:

  1. Бензин подается в камеру сгорания под высоким давлением и потоком закрученной формы, благодаря специальному строению форсунок.
  2. Поток на высокой скорости сталкивается с поршнем, после чего часть его как бы закрепляется на теле поршня, а другая часть продолжает движение, создавая трение и приобретая соответствующую форму.
  3. После этого поток загибается и уходит от поршня, увеличивая скорость. Некоторые частицы движутся медленно и расходятся в разные стороны, создавая разделение потока.
  4. В результате этого в камере сгорания образуется два участка с бензовоздушной смесью. В центре находится участок стехиометрической (обыкновенной) легковоспламеняемой топливной смеси. Вокруг него образовывается участок обедненной смеси.
  5. После этого происходит воспламенение (с помощью искры свеч зажигания) участка с высоким содержанием бензина. Затем процесс горения перекидывается на обедненные участки.
Читать далее:  Система контроля давления в шинах TPMS устройство и принцип работы

Топливный насос высокого давления (ТНВД) является ключевым элементом системы непосредственного впрыска. Именно от него зависит качество и работоспособность мотора в целом.

Первые и самые недолговечные. Устанавливались в автомобили марки Mitsubishi с 1996 до 1998 года. Не имеют системы отслеживания давления и чрезвычайно чувствительны к качеству бензина. Ремонту не подлежат и при износе (а это происходит очень быстро) необходима полная замена.

Являются модификацией семиплунжерных. Устанавливались с 1998 по 2000 год. Здесь производитель учел прошлые недоработки и уделил внимание их устранению. Имеют регулятор и датчик давления, в случае его резкого падения переводят работу автомобиля в аварийный режим. Это позволяет автомобилю продолжать движение достаточно времени, чтобы добраться до СТО.

Модель стала несколько «лояльнее» к качеству бензина и более долговечной.

Имеется датчик давления, а регулятор не встроен в систему. Привод работает от распределительного вала.

Последняя и самая совершенная модель. Относительно долговечна, менее чувствительна к качеству топлива, отличается компактностью и надежностью. Основной недостаток — самооткручивающиеся крепежные гайки. Их состояние необходимо регулярно проверять, так как их ослабление приводит к нарушению работы системы и деформации пластин, выровнять которые довольно сложно.

Конструкция топливных насосов высокого давления зависит от конкретной модели.

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

Конструкция данной системы питания включает:

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

Схема топливной системы с непосредственный впрыском

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

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

Также в систему включены клапана, которые предотвращают превышение давления топлива в системе выше критических значений. В целом же регулировка давления выполняется в нескольких местах – на выходе из насоса высокого давления регулятором, который входит в конструкцию ТНВД. Имеется перепускной клапан, контролирующий давление на входе в насос. Предохранительный же клапан следит за давлением в рампе.

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

Система непосредственного впрыска топлива GDI принцип работы

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

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

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

Прямой впрыск

Основные отличия GDI от обычной системы впрыска

  1. Впрыск производится под давлением от 50 атмосфер (в обычном инжекторном двигателе всего лишь 3 атм). Это дает возможность осуществить мелкодисперсное направленное распыление.
  2. Дроссельная заслонка расположена несколько дальше, чем у обычных моторов.
  3. Горючее подается напрямую в цилиндр и там происходит образование топливовоздушной смеси. В обычных двигателях горючее подается во впускной коллектор, там же смешивается с воздушной массой.
  4. На поршнях имеется сферическое углубление. При помощи этого углубления осуществляется управление образованием вихря и возникшим пламенем. Также выемка дает возможность управлять образованием горючей смеси, регулируя количество воздушной массы и бензина в процессе соединения.
  5. Существует возможность образования максимально обедненной горючей смеси в цилиндрах. Оптимальное соотношение воздуха и бензина — 40:1 (в отличие от обычного впрыска с соотношением 14,7:1), однако количество воздуха может колебаться от 37 до 43 к 1.
  6. Форсунки, расположенные в ГБЦ, имеют конфигурацию, которая позволяет придать топливному потоку нужную, как бы закрученную, форму. Благодаря этому поток движется по четко заданной траектории.
  7. GDI-моторы работают в двух режимах: STICH (обыкновенный, как у других инжекторных системах) и Compression on Lean (работа на максимально обедненной смеси). Переключение между режимами происходит автоматически; при повышении нагрузки автомобиль переходит на работу при обогащенной топливной смеси. При снижении нагрузки переходит обратно в обедненный.
  8. Конструкция оснащена насосом высокого давления.
Читать далее:  Устройство и технические характеристики ВАЗ 2105 инжектор габариты объем бака расход топлива

Типы смесеобразования

Используя непосредственный впрыск топлива, инженерам удалось снизить расход бензина. И все достигнуто возможностью использования нескольких типов смесеобразования. То есть под определенные условия работы силовой установки подается свой тип смеси. Причем система контролирует и управляет не только подачей топлива, для обеспечения того или иного типа смесеобразования устанавливается еще и определенный режим подачи воздуха в цилиндры.

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

  • Послойная;
  • Стехиометрическая гомогенная;

Система непосредственного впрыска топлива GDI принцип работы

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

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

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

При таком смесеобразовании в камеру сгорания воздух, направленный заслонкой, поступает на большой скорости. В конце такта сжатия форсунка впрыскивает топливо, которое достигая днища поршня, за счет завихрения поднимается вверх к свече зажигания. В результате в зоне электродов смесь является обогащенной и легковоспламенимой, в то время как вокруг этой смеси находится воздух практически без частиц топлива.

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

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

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

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

Двигатель GDI – особенности работы

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

Первая закачка топлива выполняется на такте впуска, при этом топливо выступает в качестве охладителя стенок камеры сгорания, что исключает детонацию. Вторая порция бензина подается уже на конце такта сжатия.

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

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

В этом и кроется основное достоинство такой системы питания. Но есть у нее и немаловажный недостаток. В топливном насосе высокого давления, а также в форсунках используются прецизионные пары с высокой степенью обработки. Именно они и являются слабым местом, поскольку эти пары очень чувствительны к качеству бензина.

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

Читать далее:  Обзор автомобиля Mercedes-Benz А-class

Новые разработки

Система непосредственного впрыска топлива GDI принцип работы

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

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

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

Насколько важно качество топлива

Основная проблема двигателей GDI — чувствительность к малейшим отклонениям в качестве горючего. Первые ТНВД страдали этим недугом особо остро, что приводило к очень быстрому износу и необходимости производить замену. Последующие усовершенствования частично или полностью решили эту проблему и модели 2-4 поколения стали более надежными.

Кроме особенностей самой впрысковой системы, на долговечность двигателя влияет и тщательная система фильтрации. Она имеет 4 стадии:

  1. Очистка происходит с помощью фильтра-сеточки в насосе бензобака.
  2. Производится очистка обыкновенным фильтром. В зависимости от марки автомобиля, его месторасположения может меняться. Фильтр может устанавливаться в баке либо под днищем.
  3. Фильтрация происходит с помощью фильтра-стакана, расположенного в топливопроводе ТНВД.
  4. Последний этап очистки происходит в тот момент, когда горючее подается из «топливной рейки» в бак.

Такой основательный процесс фильтрации способен привести в порядок даже не слишком чистый бензин. Но одно дело — некачественное топливо по японским или европейским меркам, и совсем другое — для отечественного бензина. Даже четыре этапа очистки не смогут справиться с присадками и прочими атрибутами кустарного производства от которого так и не удалось избавиться полностью.

Система непосредственного впрыска топлива GDI принцип работы

Например, мембранный клапан и плунжеры изготовлены с высокой степенью точности, за счет чего и происходит нагнетание топливной смеси под требуемым давлением. Если же бензин окажется с частицами песка или другими примесями, особенно обладающими абразивными свойствами, система подачи подвергнется их воздействию и ее работа утратит точность. Что и приведет сначала к снижению эффективности работы двигателя, а затем и к поломке ТНВД.

В первую очередь, при возникновении проблемы снижается мощность двигателя. Через некоторое время он начинает и вовсе отказывать. Если обратиться в ремонтную мастерскую при первых признаках неисправности, топливный насос еще можно будет спасти. В противном случае его придется полностью заменить, так как сильно поврежденные детали восстанавливать бессмысленно.

Еще одна распространенная проблема GDI — плавающие обороты. Причиной может послужить как воздействие низкосортного горючего, так и естественный износ элементов ТНВД.

При падении давления система автоматически переводит работу в «классический» режим. После этого давление выравнивается и двигатель обратно переводится в режим работы на обедненной смеси, после чего давление снова падает, система опять переводит работу в «классический». И так до бесконечности.

В процессе этих переходов машина и начинает «плавать». При обнаружении подобного отклонения автомобиль следует отправить на диагностику, чтобы найти точную причину неполадки.

Заключение

Двигатели GDI отличаются мощностью и экономичностью, но достоинства почти всегда являются и причиной недостатков. В данном случае это чрезмерная чувствительность к малейшим отклонениям в системе впрыска и качеству топлива. Чтобы продлить срок службы автомобиля, следует регулярно производить замену свечей зажигания (на них быстро образуется нагар), чистить впускной коллектор и форсунки.

Не лишним будет регулярно осматривать инжектор и проверять качество распыления, устраняя малейшие неполадки на стадии их возникновения. И, конечно же, необходимо постоянно контролировать состояние фильтров и менять по мере необходимости.

Рейтинг
( Пока оценок нет )
Понравилась статья? Поделиться с друзьями:
AutoJiza
Adblock
detector