Особенности работы двигателя GDI

В последние годы технологии двигателей внутреннего сгорания изменились, и одним из значительных достижений стало внедрение системы непосредственного впрыска топлива GDI (Gasoline Direct Injection). Эта статья рассматривает особенности работы GDI двигателя, его устройство и принцип функционирования, а также распространённые проблемы, с которыми могут столкнуться владельцы автомобилей с данной системой. Понимание работы GDI двигателя поможет автолюбителям лучше заботиться о своих автомобилях и принимать обоснованные решения при выборе транспортного средства.

Базовые понятия

В статье о принципах работы инжекторных систем питания рассмотрены несколько типов впрыска топлива:

• одноточечный впрыск (моноинжектор);
• распределенный впрыск на клапаны (полный инжектор);
• распределенный впрыск в цилиндры (прямой впрыск).

Термин Gasoline Direct Injection (прямой впрыск бензина) указывает на то, что в двигателях GDI смесь образуется внутри цилиндров. Топливо подается непосредственно в цилиндры. Прямой впрыск имеет несколько преимуществ:

1. Снижение температуры в камере сгорания, так как топливо подается в жидком состоянии в конце такта сжатия. Это уменьшает вероятность детонации, повышая КПД сжатия топливовоздушной смеси (ТПВС) и позволяя регулировать угол опережения зажигания в более широких пределах.
2. Настройка состава ТПВС, что способствует более эффективному использованию энергии сгорания в различных режимах работы двигателя.

Одной из причин низкого КПД бензинового двигателя по сравнению с дизельным является ограниченная возможность регулировки состава ТПВС. Для полного сгорания 1 кг бензина требуется 14,7 кг воздуха — это стехиометрическое соотношение. Двигатель может работать на обедненной смеси с соотношением около 16,5 кг воздуха на 1 кг бензина. Однако при соотношении 19/1 ТПВС не воспламенится от свечи зажигания. Смесь 16,5/1 также считается слишком бедной, так как горит медленно, что может привести к потере мощности и перегреву поршневых колец и стенок камеры сгорания. Рабочая бедная гомогенная смесь обычно находится в пределах 15-16/1. При приготовлении богатой смеси с соотношением 12,1-12,3/1 и сдвиге угла опережения зажигания можно увеличить мощность, но это ухудшает экологические характеристики двигателя.

Работа двигателя с непосредственным впрыском – GDI Gasoline Direct Injection Technology

Эксперты отмечают, что двигатели с непосредственным впрыском топлива (GDI) представляют собой значительный шаг вперед в технологии автомобилестроения. Основное преимущество таких двигателей заключается в повышенной эффективности сгорания, что позволяет значительно снизить расход топлива и уменьшить выбросы вредных веществ. Однако, по мнению специалистов, GDI-двигатели также имеют свои особенности, требующие внимания. Например, они подвержены образованию отложений на впускных клапанах, что может негативно сказаться на производительности и долговечности. Кроме того, необходима регулярная диагностика и обслуживание системы впрыска для предотвращения проблем. В целом, эксперты считают, что при правильном уходе и эксплуатации GDI-двигатели могут обеспечить отличные показатели мощности и экономичности.

Что не так с непосредственным впрыском от японцев? Разбираем двигатель Mitsubishi 1.8 GDI (4G93).

Экономичность GDI

Проблема обычных двигателей с распределенным впрыском на клапаны — топливо подается исключительно на такте впуска. Перемешивание топлива с воздухом начинает происходить еще во впускном коллекторе. В итоге при перемещении поршня к ВМТ смесь становится близкой к однородной, то есть гомогенной. Преимущество GDI в том, что двигатель может работать на сверхбедной смеси, когда соотношение топлива к воздуху может достигать 37-41/1.

Способствует этому несколько факторов:

• специальная конструкция впускного коллектора;
• форсунки, которые позволяют не только точно дозировать количество подаваемого топлива, но и регулировать форму факела;
• особая форма поршней.

Но в чем именно особенность принципа работы, позволяющая быть моторам GDI настолько экономичными? Поток воздух, благодаря особой форме впускного коллектора, состоящего из двух каналов, еще на такте впуска имеет определенное направление, а не попадает в цилиндры хаотически, как в случае с обычными двигателями. Попадая в цилиндры и ударяясь об поршень, он продолжает закручиваться, способствуя тем самым турбулизации. Топливо, которое подается в непосредственной близости поршня к ВМТ небольшим факелом, ударяется о поршень и, подхватываемое закручивающимся потоком воздуха, перемещается. И в момент подачи искры находится в непосредственной близости к электродам свечи зажигания. В итоге происходит нормальное воспламенение ТПВС вблизи свечи. В то время как в окружающей полости находится смесь чистого воздуха и отработавших газов, подающихся во впуск системой EGR. Как вы понимаете, в обычном двигателе реализовать такой способ газообмена не представляется возможным.

Интересные факты

Вот несколько интересных фактов о работе двигателей с непосредственным впрыском топлива (GDI):

1. Эффективность сгорания: Двигатели GDI обеспечивают более полное сгорание топлива по сравнению с традиционными системами впрыска. Это достигается за счет непосредственного впрыска топлива в камеру сгорания под высоким давлением, что позволяет лучше контролировать процесс сгорания и уменьшает выбросы вредных веществ.

2. Разные режимы работы: Двигатели GDI могут работать в различных режимах, включая стехиометрический (сбалансированный) и обедненный (с низким содержанием топлива). Это позволяет оптимизировать производительность и экономию топлива в зависимости от условий эксплуатации, что делает их более универсальными.

3. Проблемы с отложениями: Одной из особенностей двигателей GDI является склонность к образованию отложений на впускных клапанах. Это связано с тем, что топливо не омывает клапаны, как в системах с портовым впрыском. Поэтому производители рекомендуют периодическую очистку системы или использование специальных добавок для предотвращения накопления отложений.

Режимы работы двигателя

Моторы GDI эффективно работают в нескольких режимах:

1. Режим сверхбедной смеси (Ultra-Lean Combustion Mode). Активируется при низкой нагрузке на двигатель, например, во время плавного разгона или при умеренной скорости.
2. Режим повышенной мощности (Superior Output Mode). Топливо подается на этапе впуска, создавая однородную стехиометрическую смесь с соотношением около 14,7:1. Используется при работе двигателя под нагрузкой.
3. Режим обогащенной смеси (Two-stage Mixing). Соотношение воздуха к топливу составляет примерно 12:1. Активируется при резком ускорении или высокой нагрузке. Этот режим также называется режимом открытой петли (Open loop), так как не учитывает данные лямбда-зонда и не проводит коррекцию топлива для снижения выбросов, сосредоточиваясь на максимальной производительности.

Переключение между режимами осуществляется электронным блоком управления двигателем (ЭБУ), который принимает решения на основе показаний различных датчиков (ДПДЗ, ДПКВ, ДТОЖ, лямбда-зонд и др.).

Two-stage Mixing

Режим двухэтапного впрыска также является особенностью, позволяющей моторам GDI быть крайне приемистыми. Как уже говорилось выше, состав смеси в таком режиме достигает 12/1. Для обычного двигателя с распределительным впрыском такое соотношение топлива к воздуху является слишком богатым, а поэтому эффективно воспламеняться и гореть такая ТПВС не будет, значительно ухудшаться выбросы вредных веществ в атмосферу.

Режим открытой петли предполагает 2 этапа впрыскивания топлива:

1. Небольшая порция на такте впуска. Главное предназначение – охлаждение оставшихся в цилиндре газов и самих стенок камеры сгорания (состав смеси при этом близок к 60/1) Впоследствии это позволяет поступить в цилиндры большему количеству воздуха и создать благоприятные условия для поджигания основной порции бензина.
2. Главная порция в конце такта сжатия. Благодаря благоприятным условиям, созданным предварительным впрыском, и турбулентности в камере сгорания, полученная смесь сгорает крайне эффективно.

Есть большое желание поговорить о том, как именно инженеры Mitsubishi «приручили» турбулентность, о ламинарном и турбулентном движении и числе Re, введенным О.Рейнольдсом. Все это помогло бы лучше понять, как именно в моторах GDI создается послойное смесеобразование, но для этого, к сожалению, нам не хватит и двух статей.

ТНВД

В дизельных двигателях для создания необходимого давления в топливной рампе используется топливный насос высокого давления (ТНВД). На протяжении многих лет двигатели оснащались различными поколениями ТНВД:

1. Семиплунжерный ТНВД (с начала 1996 до середины 1997 года). Краткий срок его использования объясняется низкой надежностью, особенно в условиях эксплуатации с некачественным топливом.
2. Трехсекционный ТНВД, обладающий значительным запасом прочности.
3. ТНВД, известный как «таблетка».
4. Модифицированная версия «таблетки», отличающаяся вынесенным из корпуса насоса регулятором высокого давления.

Форсунки

Для обеспечения высокоточной регулировки состава ТПВС форсунки должны обладать крайне высокой точностью. Сам принцип открытия плунжера для подачи топлива схож с обычной электромагнитной форсункой. Особенности форсунок системы GDI:

• возможность формирования разных видов распыла бензина;
• максимальное сохранение точности дозирования вне зависимости от температуры и давления в камере сгорания.

Особенно примечательно устройство завихрения, располагающееся в корпусе форсунки. Именно благодаря ему топливо, вылетая из форсунки, лучше подхватывается закручивающимся потоком воздуха, что способствует лучшему перемешиванию ТПВС и перенаправлению смеси к свече зажигания.

Эксплуатация

Основные проблемы эксплуатации двигателей с прямым впрыском Mitsubishi на российских дорогах:

1. Износ топливного насоса высокого давления (ТНДВ). Этот компонент требует высокой точности в изготовлении деталей. Основная трудность заключается в качестве местного топлива. Хотя сейчас можно столкнуться с некачественным бензином, времена, когда это было серьезной проблемой для владельцев автомобилей с двигателями GDI, остались в прошлом.

2. Засорение воздушных каналов впускного коллектора. Накопление отложений нарушает движение воздушных потоков и процесс смешивания топлива с воздухом. Это считается одной из причин появления черного нагара на свечах зажигания, знакомого владельцам автомобилей с двигателями GDI.

GDI Injector Operation

Преимущества и недостатки GDI

Двигатели с непосредственным впрыском топлива (GDI) обладают рядом преимуществ и недостатков, которые делают их уникальными в мире автомобильной техники. Рассмотрим их более подробно.

Преимущества GDI

• Повышенная топливная эффективность: Одним из основных преимуществ GDI является возможность более точного контроля впрыска топлива. Это позволяет достичь более полного сгорания, что, в свою очередь, приводит к снижению расхода топлива и уменьшению выбросов CO2.
• Увеличенная мощность: Двигатели GDI способны развивать большую мощность по сравнению с традиционными системами впрыска. Это связано с тем, что непосредственный впрыск позволяет создавать более богатую топливную смесь, что улучшает характеристики двигателя.
• Лучшие показатели крутящего момента: GDI обеспечивает более высокий крутящий момент на низких оборотах, что делает автомобили более отзывчивыми и динамичными при старте и в городских условиях.
• Снижение выбросов: Благодаря более полному сгоранию топлива, двигатели GDI могут снижать уровень выбросов вредных веществ, таких как углеводороды и оксиды азота, что делает их более экологически чистыми.

Недостатки GDI

• Образование отложений: Одним из основных недостатков GDI является склонность к образованию отложений на впускных клапанах. Поскольку топливо впрыскивается непосредственно в камеру сгорания, оно не омывает впускные клапаны, что может привести к накоплению углеродных отложений и снижению производительности двигателя.
• Сложность конструкции: Двигатели GDI имеют более сложную конструкцию по сравнению с традиционными двигателями. Это может привести к увеличению стоимости обслуживания и ремонта, а также потребовать более высококвалифицированного персонала для работы с такими системами.
• Чувствительность к качеству топлива: Двигатели GDI могут быть более чувствительными к качеству используемого топлива. Низкокачественное топливо может привести к проблемам с сгоранием и образованию отложений, что негативно скажется на работе двигателя.
• Проблемы с холодным запуском: В некоторых случаях двигатели GDI могут испытывать трудности при холодном запуске, особенно в условиях низких температур. Это связано с особенностями работы системы впрыска и необходимостью достижения оптимальной температуры для эффективного сгорания.

Таким образом, двигатели GDI представляют собой интересное решение для современных автомобилей, предлагая как преимущества, так и недостатки. Понимание этих аспектов поможет потребителям сделать осознанный выбор при покупке автомобиля с данным типом двигателя.

Вопрос-ответ

Каковы особенности двигателя GDI?

Основное отличие GDI- или FSI-двигателя от обычного мотора с традиционным впрыском — в принципе смесеобразования. У него бензин подаётся не во впускной коллектор, а прямо в цилиндры. Там он смешивается с воздухом и сразу сгорает.

В чем недостатки двигателя GDI?

Недостатки (минусы) двигателей GDI. Двигатель GDI становится крайне чувствительным к качеству используемого топлива. В итоге проблема закоксовывания и засорения форсунок становится первоочередной для водителя. Это вызывает потерю мощности и увеличение расхода топлива.

GDI — хороший двигатель?

Двигатель Kia GDI, или Kia Gasoline Direct Injection, — это мощная и эффективная система, обеспечивающая отличную топливную экономичность и производительность автомобиля. В сочетании с лучшим топливом он станет отличным выбором для автомобиля. Однако есть некоторые недостатки.

Как работает GDI?

В отличие от этого, форсунки GDI устанавливаются на головках цилиндров двигателя, подавая топливо непосредственно в камеры сгорания, где оно смешивается с всасываемым воздухом. В обоих случаях топливовоздушная смесь сжимается поднимающимися поршнями и сгорает, когда свеча зажигания вырабатывает электрический заряд.

Советы

СОВЕТ №1

Проводите регулярное обслуживание двигателя GDI, включая чистку инжекторов и системы впуска. Это поможет избежать накопления углерода и обеспечит оптимальную работу двигателя.

СОВЕТ №2

Используйте качественное топливо с добавками, которые помогают поддерживать чистоту системы впрыска. Это может значительно снизить риск образования отложений и продлить срок службы двигателя.

СОВЕТ №3

Обратите внимание на режимы работы двигателя. Избегайте длительных поездок на короткие расстояния, так как это может привести к недостаточному прогреву и увеличению образования углерода.

СОВЕТ №4

Следите за состоянием свечей зажигания и заменяйте их по мере необходимости. Правильная работа свечей способствует более эффективному сгоранию топлива и снижает риск проблем с двигателем GDI.