Что такое непосредственный впрыск топлива, описание системы

Бензиновые двигатели с системой непосредственного впрыска массово появились на авторынке в начале 2000-х и постепенно стали непременной составляющей любой современной машины среднего или высшего ценового сегмента.

Что такое непосредственный впрыск топлива, описание системы

Всего существует три разновидности систем впрыска:

  1. центральный,
  2. распределенный,
  3. прямой.

До настоящего времени дожили лишь две последние. Что касается центрального впрыска, нередко называемого также моновпрыском, то он оказался неспособным равномерно распределять горючую смесь по отдельным цилиндрам, а также создавал высокое сопротивление на впуске.

Поэтому и центральный впрыск отправился в отставку, как только перестал соответствовать ужесточившимся экологическим требованиям и удовлетворять потребительским запросам к величине расхода топлива.

Что такое система непосредственного впрыска топлива, ее конструкция

Согласно википедии, система непосредственного впрыска топлива (СНВТ) (Gasoline Direct Injection (GDI)) — инжекторная система подачи топлива для бензиновых двигателей внутреннего сгорания с непосредственным впрыском топлива, у которой форсунки расположены в головке блока цилиндров и впрыск топлива происходит непосредственно в цилиндры.

Топливо подается под большим давлением в камеру сгорания каждого цилиндра в противоположность стандартной системе распределённого впрыска топлива, где впрыск производится во впускной коллектор.

Такие двигатели более экономичны (до 20 % экономии), отвечают более высоким экологическим стандартам, однако и более требовательны к качеству топлива.

Из чего состоит система непосредственного впрыска топлива:

Топливный насос высокого давления (ТНВД). Для корректной работы системы (создания тонкого распыливания) бензин в камеру сгорания должен подаваться под высоким давлением (аналогично дизельным моторам) в пределах 5…12 МПа.

Камера высокого давления с регулятором количественного давления топлива. Последний обеспечивает дозированную подачу топлива насосом в соответствии с впрыском форсунки.

Привод топливного насоса.

Топливная рампа служит для распределения топлива по форсункам впрыска и предотвращения пульсации топлива в контуре.

Предохранительный клапан защищает элементы системы впрыска от предельных давлений, возникающих при температурном расширении топлива. Клапан устанавливается на топливной рампе.

Датчик высокого давления. Располагается в топливной рампе и предназначен для передачи информации в электронный блок управления, который изменяет уровень давления в зависимости от актуальных режимов работы двигателя.

Что такое непосредственный впрыск топлива, описание системы

Датчик низкого давления. Фиксирует уровень давления, созданного электрическим насосом.
Форсунки высокого давления. Осуществляют впрыск топлива в цилиндр. Оснащены вихревыми распылителями, позволяющими создавать требуемую форму топливного факела.

Форсунки впрыска обеспечивают распыление топлива в камере сгорания для образования топливно-воздушной смеси.

Блок управления двигателем. Согласованную работу системы обеспечивает электронная система управления двигателем, которая является дальнейшим развитием объединенной системы впрыска и зажигания. Традиционно система управления двигателем объединяет входные датчики, блок управления и исполнительные механизмы.

Блок управления форсунками. 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.

Электрический топливный насос низкого давления. Подает топливо из бензобака к ТНВД под давлением 0,3…0,5 МПа.

Перепускной клапан. 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.

Топливный фильтр.

Фильтры супертонкой очистки топлива. 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.

Входные датчики.

Поршень. Имеет особую форму с выемкой, которая предназначена для перенаправления горючей смеси к свече зажигания двигателя.

Впускные каналы. Имеют вертикальную конструкцию, благодаря чему возникает обратный вихрь (закручен в противоположную сторону по сравнению с другими типами двигателей), выполняющий функцию направления смеси к свече зажигания и обеспечивающий лучшее наполнение камеры сгорания воздухом.

Принцип действия и режимы работы системы непосредственного впрыска

Система непосредственного впрыска в результате работы обеспечивает несколько видов смесеобразования:

  1. послойное ;
  2. стехиометрическое гомогенное ;
  3. 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.

Впрыск в цилиндр на такте сжатия (послойное смесеобразование)

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.

Принцип работы в этом режиме заключается в образовании сверхбедной смеси, что позволяет максимально экономить топливо. В начале в камеру цилиндра подается воздух, который закручивается и сжимается. Далее под высоким давлением осуществляется впрыскивание топлива и перенаправление полученной смеси к свече зажигания.

Факел получается компактным, поскольку формируется на этапе максимального сжатия. При этом топливо как бы окутано прослойкой воздуха, что уменьшает тепловые потери и предотвращает предварительный износ цилиндров. Режим используется при работе мотора на малых оборотах.

Впрыск на такте впуска (гомогенное смесеобразование)

Состав топлива в этом режиме близок к стехиометрическому. Подача воздуха и бензина в цилиндр происходит одновременно, 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. Факел смеси при таком впрыске имеет коническую форму. Применяется при мощных нагрузках (скоростной езде).

Двухстадийный впрыск на такте сжатия и впуска

Применяется при резком ускорении машины, движущейся на малой скорости. Двойной впрыск в цилиндр позволяет снизить вероятность детонации, которая может возникнуть в моторе при резкой подаче обогащенной смеси.

Вначале (на такте впуска воздуха) подается небольшое количество бензина, что приводит к образованию обедненной смеси и снижению температуры в камере сгорания цилиндра. На такте максимального сжатия подается оставшаяся часть топлива, что делает смесь богатой.

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%.

Чем непосредственный впрыск топлива отличается от распределенного?

Зачастую, когда описываются двигательные характеристики, можно увидеть аббревиатуры MPI, а также GDI. Что они означают:

  • GDI — непосредственный впрыск,
  • MPI — распределенный.

Теперь рассмотрим, в чем между ними разница.

Распределенный впрыск топлива

Принцип работы в приготовлении ТВС прямо во впускном коллекторе. Другими словами, расположение форсунок определяется в коллекторе. Во впускной коллектор также обеспечивается доступ воздуха, кода открывается дроссельная заслонка. В результате чего образуется смесь.

Что такое непосредственный впрыск топлива, описание системы

Затем она поступает к цилиндрам сквозь клапана, посредством разреженности получаемой при поршневом движении. Не стоит считать, что MPI более не используется. Производятся двигатели с MPI и сейчас. Хоть они считаются более простыми, но соответственно и меньше стоят.

Непосредственный впрыск топлива

При применении прямого впрыска смесь образуется в самом цилиндре. Расположение форсунок — в двигательном блоке, одна приходится на один цилиндр. Топливо поступает прямо в него в необходимый момент.

Что такое непосредственный впрыск топлива, описание системы

Принципы функционирования определяют достоинства и недостатки каждой из систем коротко: MPI обладает большей простотой и надежностью. Вообще MPI — это развитие карбюраторной системы, более мощная. Однако она уступает системе непосредственного впрыска топлива, поскольку она более современная и эффективная.

Конструктивные сходства и отличия систем впрыска

В обеих системах каждый цилиндр двигателя обслуживается отдельной форсункой, но при распределенном впрыске форсунки распыляют бензин во впускной коллектор.

При прямом впрыске бензин подается непосредственно в камеру сгорания цилиндра. Это главное, что отличает моторы, в зависимости от производителя помечаемые индексами GDI (Mitsubishi), FSI (Volkswagen), HPi (Peugeot), CGI (Mercedes-Benz) и так далее, от двигателей MPI.

Что же хорошего сулит подача бензина прямо внутрь цилиндра? Как ни странно, ничего, если подойти к этому вопросу с точки зрения конструкции двигателя. Проблема состоит в том, что при прямом впрыске на испарение бензина и перемешивание его паров с воздухом отводится примерно в 10 раз меньше времени, чем когда бензин распыляется во впускной коллектор, а в цилиндры поступает уже в смеси с воздухом после того, как открылись впускные клапана.

Как в условиях столь короткого промежутка времени, отводимого при прямом впрыске на смесеобразование, добиться, чтобы смесь получилась качественной, ведь именно от этого зависит, каким будет результат последующего сгорания?

Отсюда другие отличия GDI, FSI, HPi, CGI и иже с ними от MPI. Во-первых, давление, с которым форсунка при прямом впрыске распыляет бензин, в десятки раз превышает давление, действующее в системах питания с распределенным впрыском (порядка 50-120 бар против 3-4).

Это предполагает наличие у двигателей с прямым впрыском топливного насоса высокого давления, в котором нет необходимости при распределенном впрыске.

Во-вторых, распылители форсунок прямого впрыска придают капелькам топлива вращение, что ускоряет их испарение. От форсунки распределенного впрыска требуется гораздо меньше — лишь сформировать факел топлива и направить его в зону впускного клапана.

Другими словами, система питания MPI конструктивно проще, а значит, дешевле как при изготовлении, так и при ремонте для устранения неисправностей, что никак не может считаться ее недостатком.

Плюсы и минусы прямого впрыска топлива

Основной недостаток систем, использующих GDI — это то, что уменьшается надежность в целом. Если произойдет небольшой сбой или выйдет из строя какой нибудь компонент, то двигатель начинает себя вести неправильно. Он может заглохнуть, не работать на полной мощности, показывать на приборке ошибку, в общем показывает что с двигателем что то не в порядке.

Что такое непосредственный впрыск топлива, описание системы

Второй недостаток, тоже немаловажный, — система прямого впрыска стоит достаточно дорого. Она очень сложна в эксплуатации, должна питаться только качественным топливом, здесь необходимо тщательно следить за всеми компонентами GDI, за питанием, зажиганием, электроникой. Этот недостаток отпугивает очень многих автолюбителей, которые рассматривают приобретение машины с GDI.

Дешевое топливо GDI не переносит категорически. Здесь не важно с каким октановым числом залит бензин, многие двигатели спокойно используют А-92, и даже спирт. Но наличие в плохом топливе различных сторонних компонентов, может вывести из строя весь двигатель внутреннего сгорания.

Еще одним недостатком GDI является то, что ее обслуга и запчасти к ней могут вылиться в очень круглую сумму. Эти запчасти сложны в производстве и поэтому дороги. Также эти системы очень требовательны к качеству масел, фильтров и прочих расходных запчастей.

Повышенное внимание к системе фильтрации. Чистка и замена воздушного фильтра в такой системе должна производиться чаще, поскольку качество поступающего воздуха напрямую связано с состоянием форсунок.

В чем преимущества системы прямого впрыска:

Двигатели, которые ее используют — самые технологичные, имеют небольшую массу, потребляют мало топлива.

С такими двигателями хорошо передвигаться в больших городах, поскольку в пробках двигатель, имеющий непосредственный впрыск работает с наибольшей экономией. К тому же в них можно реже менять масло, у них большой ресурс работы, потому что нагар почти не образуется. Потому что ТВС перерабатывается с большим КПД.

Именно моторы с непосредственным впрыском являются наиболее технологичными, экономичными, лёгкими и тяговитыми. Они идеально подходят для эксплуатации в загруженных мегаполисах (именно в пробочных режимах ДВС с непосредственным впрыском наиболее экономичны).

Они позволяют увеличивать интервал замены масла и обладают увеличенным сроком службы из-за уменьшения нагара (это достигается программно максимально эффективным сжиганием топливовоздушной смеси). Однако всего этого удаётся добиться только при чрезвычайно внимательном отношении к автомобилю и грамотном его обслуживании.

Но эти достоинства будут работать только тогда, когда владелец автомобиля будет очень тщательно относится к его обслуживанию у грамотных специалистов, потому как мы уже говорили, что двигатели с GDI очень сложны в устройстве.

Оставьте комментарий

Ваш адрес email не будет опубликован.