Новий більш ефективний двигун GDI із системою безпосереднього упорскування палива забезпечує підвищення потужності на 13% і збільшення моменту, що крутить, на 10% в порівнянні з попереднім 2,4-літровим мотором. Комбінація цього двигуна та нової коробки передач забезпечує середню витрату всього 7,9 літрів на 100 км.

У чому проблема GDI?

Головний мінус повязаний з складностями системи впуску та подачі палива. У такому варіанті впорскування, двигун GDI стає вкрай чутливим до якості палива, що використовується. У результаті проблема закоксовування форсунок стає актуальною для водія. Вона викличе втрату потужності та збільшення витрати палива.

Чим відрізняється двигун GDI від звичайного?

У більшості бензинових двигунів паливо з повітрям змішуються у впускному колекторі. Для правильного утворення горючої суміші у двигуна GDI особливої ​​форми поршні і камери згоряння, а також прямі впускні канали в головці блоку циліндрів, що дозволяє закручувати повітря, що надходить в циліндри..

Чим погане безпосереднє упорскування?

Образний недолік моторів з безпосереднім упорскуванням витрати палива. Справа в тому, що класну економічність вони видають лише в містах та на дорогах місцевого значення, де швидкості порівняно невисокі.

GDI двигун: що це таке

Історія двигунів GDI (Gasoline Direct Injection) бере початок у 1925 році, коли шведський інженер Е.Хесселаман створив легку та економічну установку з іскровим запаленням, що працює відразу на кількох видах палива: бензині, солярці, маслі та гасі. Подача палива в камери згоряння здійснювалася насосом, а для займання суміші, що слабо стискається, використовувалися свічки.У міру зміни зовнішніх температур змінювався і вид палива. У порівнянні з попередником сучасні GDI-агрегати багаторазово покращені і заслужили визнання провідних компаній світового автопрому, хоча як паливо в них використовується лише бензин. Перший серійний випуск авто з установкою Gasoline Direct Injection розпочала компанія Daimler-Benz. Розглянемо докладніше, що таке двигун GDI? Як він улаштований? Що робить його популярним? І чи має він недоліки?

Чим відрізняється GDI двигун

У GDI-двигунах реалізовано ідею прямого впорскування палива в камеру згоряння. Таке рішення інших бензинових агрегатів нехарактерно. GDI двигуни поєднали в собі деякі риси двигунів на бензині та на дизельному паливі, отримавши в результаті дуже гідні характеристики. Від дизелів GDI дістався паливний насос, що подає паливо під тиском близько 4,8 Мпа (приблизно 50кг/см 2 ) та система упорскування на фінальній стадії стиснення, а від бензинових – тип палива та свічки запалювання. Форсунка GDI направляє паливо прямо в циліндр, там же відбувається його змішування з повітрям, проте для запалювання суміші використовується іскра.

Упорскування палива у звичайному інжекторному двигуні та GDI.

Концепція переваги

Суміш, що подається в циліндр, добре структурована, направляється по вивіреній траєкторії, розподіляється по всьому обєму, але в різній концентрації. Збіднена порція так званої холодної концентрацією досягає стінок циліндра, тоді як багатша гаряча залишається в центрі, де розташовується свічка. У цьому секрет збереження працездатності двигуна, незважаючи на використання надзбіднених сумішей, що пояснюється створенням необхідної концентрації біля свічки.Також агрегат оснащується двома паливними насосами, один з яких дислокується в баку, що характерно, а інший, насос високого тиску (ТНВД), створює атмосферу в паливній рампі.

Завдяки ТНВД вдалося звести до мінімуму час відкривання форсунок і знизити витрату бензину, зберігши на гідному рівні момент, що крутить, і розгінні показники. У двигунах з інжектором на неодружених оборотах відкриття форсунки відбувається через 3 мс, а в GDI-двигунах через 0,51 мс. Це у 6 разів швидше!

На практиці для досягнення всіх плюсів прямого упорскування інженерам довелося зробити багато, наприклад:

• змінити форму поршневого днища так, щоб вона забезпечувала подачу суміші безпосередньо до свічки,
• збільшити тиск бензину з 3 до 50 бар,
• виконати в головці блоку канали впуску для отримання повітряного гвинта в циліндрах та ін.

Рух повітря в камері згоряння та форма поршня. Двигун Mitsubishi 4G93 GDI.

Читайте також: TDI двигун що це таке і чим він відрізняється від GDI.

Прогресивність GDI

• Випущені в Японії агрегати мають у своєму розпорядженні режим Ultpa Lean Combustion Mode, що дозволяє використовувати супер-збіднену суміш у пропорції 37-41:1. Цей режим задіюється до досягнення порога в 115-120 км/год, якщо немає різких змін навантаження і забезпечується поступове нарощування швидкості. Упорскування здійснюється спіральним струменем по ходу стрілки годинника.
• Стехіометричний режим Superior Output Mode використовується, коли стрілка показує 125 км/год і більше, автомобіль долає затяжний підйом або буксирує причіп.
• У режимі Stich F/B склад робочої суміші дуже нагадує характерний для стехиометрического.Технологія має свої підрежими, в одному з яких (Closed loop) повітряно-бензиновий баланс визначається показаннями кисневого датчика, в іншому ж (Open loop) – сенсори на склад паливної суміші не впливають.
• У двигунах GDI європейського зразка є ще одне удосконалення – Two-Stage Mixing, – що забезпечує ефективне двоступінчасте бензинове впорскування в момент різкого старту або стрімкого обгону. Технологія має на увазі дворазове впорскування протягом чотиритактного циклу. На впуску в циліндр потрапляє дворазово супер-збіднена суміш, але вона не займається і сприяє переважно охолодженню камери. А в момент стиснення подається вже надзбагачена суміш, у пропорції повітря та пального 12:1, так коефіцієнт заповнюваності камери підвищується і двигун показує граничну потужність.

Проблеми GDI двигуна

Основна проблема полягає у високій чутливості GDI-двигунів до якості палива. Це однаково відноситься і до будь-яких несправностей, здатних хоч якось позначитися на якості суміші, що подається.

На установках Gasoline Direct Injection іноді спостерігається сильне почорніння свічок запалювання або вони виходять з ладу. Зазвичай це результат високої чутливості паливної апаратури до води та найдрібніших домішок. Накопичення сажі у впускному колекторі пояснює її потраплянням у камеру згоряння. Її частинки можуть осідати на клапанах і забивати форсунки, що заважає нормальному розпорошенню бензину.

Внаслідок накопичення нагару на внутрішній поверхні впускного колектора змінюється конфігурація спіралі повітря, вона не відповідає нормі для GDI, у результаті згоряння порушується.За кількістю нагару на свічках досить обєктивно визначається ступінь засміченості впускного тракту. До певного моменту нормальної роботи це не заважає, але через 20 тис. км пробігу можна подумати про заміну, а впускний колектор у профілактичних цілях рекомендується очищати через 25-30 тис. км.

Також проблемою є підвищена токсичність вихлопів. Згоряння надзбідненої паливної суміші призводить до утворення токсичних оксидів азоту NOx. Щоб підігнати показники вихлопу під вимоги Euro 3 японські інженери спочатку модернізували нейтралізатори, а пізніше досягли їх невисокої чутливості до сірчаних домішок.

Читайте також: Особливості CRDI двигуна

Відео на тему

Система упорскування GDI

Двигуни GDI це бензинові двигуни з безпосереднім або прямим упорскуванням палива. Чим вони відрізняються від звичайних бензинових? Чи краще? Щоб відповісти на ці питання, треба спочатку розглянути теорію роботи та відмінності двигунів взагалі.

Як працює двигун внутрішнього згоряння

Незалежно від типу палива, бензину або дизеля, для його згоряння необхідне повітря. Але важлива не просто присутність повітря, а його правильна кількість. Така збалансована суміш палива та повітря називається стехіометричною. Стехіометричну суміш для бензину визначає співвідношення 14,7:1, це означає, що для згоряння 1 г бензину необхідно 14,7 г повітря. Якщо кількість повітря перевищує це значення, суміш називається бідною. Якщо ж повітря надто мало, тобто, навпаки, перебір палива багатим.

І бідна, і багата суміш – це не надто добре. Бідолашну суміш іноді не вдається спалахнути. А в багатій паливо, що не вигоріло, просто зникає даремно.

Повітря у системі запалення грає ще одну важливу роль. Він підвищує тиск у циліндрі. А чим воно вище безпосередньо перед займанням паливної суміші, тим вища і потужність двигуна. Тому ефективність зростає, якщо більший обєм повітря потрапляє в циліндр на такті впуску, так можна досягти найвищого тиску.

Ця обставина робить дизельні мотори економічнішими за бензинові. Причина у технологічних відмінностях. У бензиновому двигуні в циліндр на такті впуску надходить суміш повітря і палива, там вона стискається і спалахує від іскри. У дизельному на такті впуску подається лише повітря. У циліндрі його стискає поршень: тиск зростає, а разом із ним і температура. Паливо надходить лише наприкінці стиснення. Існуючі на той момент в циліндрі високі тиск і температура призводять до самозаймання.

Таким чином, дизельний двигун дозволяє досягти більшого тиску, ніж бензиновий. Так, для дизеля нормальний ступінь стиснення – 18, а для бензину – невпевнені 12. Нагадаємо, що саме рівень тиску в циліндрах визначає ефективність двигуна.

Підвищити ж ступінь стиснення, а разом з нею і тиск звичайного бензинового двигуна неможливо. На перешкоді стоять такі явища, як детонація та напальне запалювання.

Детонація двигуна – занадто швидке згоряння паливно-повітряної суміші на віддаленні від свічки запалювання. Її наслідки – різке місцеве підвищення температури, що веде до перегріву, та підвищення навантаження на окремі деталі. Визначити детонацію можна за характерним стукотом у двигуні.

Калільне запалення передчасне займання паливоповітряної суміші.Вони відбувається ще до появи іскри, як запалювач виступають перегрілися деталі камери згоряння.

Експлуатація мотора, в якому виникає детонація або напальне запалювання, призводить до його швидкої поломки.

Причина обох явищ – високі тиск та температура. Щоб якось впоратися з детонацією, для бензинових двигунів з великим ступенем стиснення використовують високооктанове паливо (АІ-98), але це не дозволяє отримати стиснення більше 12.

Щоб підвищити економічність бензинового двигуна, при цьому, не втрачаючи потужності, необхідно якось вирішити проблему детонації і перевести мотор на бідну суміш. У цьому може допомогти упорскування палива безпосередньо в циліндр.

Конструктивно двигун GDI схожий одночасно і на бензиновий, і дизельний. У кожному циліндрі такого двигуна є і свічка запалювання, і форсунка, паливо подається насосом під високим тиском, що дорівнює 5МПа. Наявність форсунки дозволяє змінювати режим упорскування палива залежно від характеру руху.

Двигуни GDI можуть працювати у трьох різних режимах: на надбідній суміші, на стехіометричній суміші, при розгоні на малих обертах.

Робота на надбідній суміші

Цей режим хороший для спокійної їзди: для спокійного пересування в міському режимі або заміських поїздок на швидкостях до 120 км/год.

Подача палива здійснюється майже так, як і в дизельному двигуні, в кінці такту стиснення. Тому насичена паливом порція суміші виявляється безпосередньо у свічки запалювання в момент розряду і запалюється, а потім від неї спалахує решта бідної суміші. Це дозволяє двигуну стабільно та надійно працювати навіть при співвідношенні повітря та палива в циліндрі 40:1.

Робота на стехіометричній суміші

Подача палива відбувається у процесі такту впуску. Воно поступово розподіляється по циліндру, а, випаровуючись, охолоджує його. Запалення відбувається завжди, без будь-яких складнощів. Охолодження ж знижує ймовірність виникнення детонації та калільного запалення.

Робота при розгоні на малих обертах

Якщо двигун працює на малих оборотах і відбувається різке прискорення (несподівано вичавлюється педаль газу), непідготовлений двигун подається збагачена паливом суміш, а це істотно збільшує ризик детонації. Спеціальний режим двигуна GDI розроблений для того, щоб нівелювати цей ризик: момент двигуна підвищується, паливо подається в два етапи.

На такті впуску циліндр надходить невелика порція палива. Це охолоджує повітря, а у верхній частині циліндра утворюється бідна суміш (співвідношенням близько 60:1), де детонація неможлива.

Наприкінці такту стиснення впорскується решта палива, яке доводить співвідношення з повітрям до стану багатої суміші (12:1). У цьому процес відбувається настільки стрімко, що у детонацію не залишається часу.

Висновки

На перший погляд, ефективність двигуна GDI у порівнянні зі звичайним бензиновим зростає не значно. Але на практиці використання системи упорскування GDI означає: