Непосредственный впрыск.

Непосредственный впрыск GDI - революция на границе тысячелетий.
     Уже более 100 лет на автомобили устанавливают бензиновый и дизельный ДВС. Мы давно к ним приспособились, и хорошо зная их достоинства  и недостатки, применяем тот или иной по обстоятельствам.
     Бензиновый двигатель легко пускается, разгоняется быстро и до высоких оборотов, имеет большую литровую мощность и дешевле стоит. Но любит "покушать", причем недешево. Поэтому мы его чаще видим на легковых и небольших грузовых автомобилях.
     Дизель и сам по себе стоит дороже, и дороже в обслуживании, не столь быстроходен, выдает меньшую мощность с литра рабочего объема, имеет повышенный уровень шума и хуже пускается. Зато, и это главное, потребляет куда меньше топлива, причем более дешевого. Понятно, что практически весь тяжелый и комерческий транспорт "ездит" на дизелях.
     Но лишних денег не бывает, и покупатели легковых автомобилей, причем не только в Европе, все чаще задумываются о том, какой двигатель им предпочесть. И довольно часто выбирают дизель. Хотя еще лучше , если бы два в одном... И быстрый , и тихий, и с легким пуском, и чтобы топливо зимой не застывало, да и мощность повыше не помешает, но вот только бы "ел" поменьше.
     Но чудес не бывает. Есть теория двигателей...


Простыми словами. Чтобы топливо сгорало, нужен воздух. Но надо смешать с воздухом столько топлива, сколько нужно для полного сгорания. Такое количество воздуха называется стехиометрическим, и оно, конечно же , давно известно. Например, для бензина оптимальный состав топливной смеси выражается соотношением 14.7 : 1 то есть на 1 грамм бензина нужно 14.7 грамма воздуха. Смесь в которой воздуха больше, чем нужно, называют "бедной", а там, в которой воздуха меньше, чем нужно, называется "богатой". Слишком бедную смесь не всегда удается поджечь, при работе на богатой смеси несгоревшее топливо бесполезно "вылетает" в трубу и растет выброс угарного газа.
     Но воздух нужен не только для сгорания . Чем выше давление  в цилиндре перед воспламенением смеси, тем больше отдача  двигателя. И нам очень выгодно, чтобы больше воздуха попало в цилиндр на такте впуска; тем больше потом будет давление.
     А теперь разберемся, почему дизель экономичнее.
     Вспомним, как работает двигатель внутреннего сгорания. У бензинового двигателя на такте впуска смесь воздуха и топлива поступает в цилиндр, затем он сжимается и поджигается искрой. У дизеля на такте впуска в цилиндр поступает только воздух, который сжимается поршнем под большим давлением и при этом еще и нагревается. В конце сжатия в цилиндр впрыскивается топливо, которое при высоких давлении и температуре самовоспламеняется. Давление в цилиндре дизеля намного выше, чем в цилиндре бензинового двигателя. Для современного безнаддувного дизеля вполне нормальна степень сжатия 20, а у серийных бензиновых, даже самых "зажатых", едва достигает 11. А выше давление в цилиндре, выше и эффективность. Поднять выше степень сжатия в бензиновом моторе мешают такие явления как детонация и калильное зажигание.

     Детонация - очень быстрое сгорание топлива в точках удаленных от свечи, сопровождается резким местным перегревом и перегрузкой деталей двигателя. Внешний признак детонации - стук, мы слышим , когда например, на "Жигулях" пытаемся резко разогнаться после заправки низкооктановым бензином.
     Калильное зажигание - преждевременное, (до появления искры) воспламенение смеси от перегретых деталей камеры сгорания (например от того же электрода свечи). Длительная работа с детонацией и калильным зажиганием недопустима для двигателя и ведет к его разрушению.
     Детонация и калильное зажигание провоцируют высокая температура и высокое давление. Во избежание детонации моторы с высокой степенью сжатия "кормят" высокооктановым бензином (98). но выше степени 11 и этого "не хватает".
     Теперь посмотрим, что происходит при малых нагрузках. Вот мы убавили газ и поехали медленнее. Что это значит для бензинового мотора? Когда мы отпускаем педаль акселератора, на впуске перекрывается дроссельная заслонка, а это значит, что мы уменьшаем не только количество подаваемого топлива, но и количество воздуха. Меньше воздуха в цилиндре  - меньше давления в конце сжатия.
     А как же бензиновый двигатель с впрыском топлива? Ведь там то можно уменьшить подачу топлива, не уменьшая количество воздуха. Можно, но до определенного предела. Потому, что слишком бедная смесь не будет поджигаться искрой, и чтобы смесь не обеднилась слишком сильно, дроссель все же придется прикрыть, и давление снизится. Меньше давление в цилиндре - меньше момент на выходе.
     А что значит отпустить педаль у дизеля? Это значит, что в цилиндр будет подаваться меньше топлива. Но количество всасываемого воздуха останется прежним, и давление в конце такта впуска не изменится. Да, смесь в цилиндре станет бедной , но дизель благополучно работает и на бедной смеси, ведь там другой принцип воспламенения и другое топливо..
 И дизель остается эффективным и при малых нагрузках.
     Вот, мы и дошли до главного, если мы хотим сделать бензиновый двигатель экономичным, и при этом более мощным, то мы должны избавить его от детонации и научить питаться бедной смесью.


На некалорийной пище. Итак, проблема в том, что искра упорно не желает воспламенять бензовоздушную смесь более бедную, чем 17:1. Но ведь можно заполнить чилиндр более бедной смесью, а непосредственно к свече подавать более богатую,которая загорится. В форкамерном двигателе эта идея и была заложена.  
     Реальных же результатов удалось достичь на моторах с распределенным впрыском топлива: здесь добиваются устойчивой работы на смеси с соотношением 22:1, но сильнее обеднить смесь все равно не удается. Ведь в случае обычного распределенного впрыска смесеобразование внешнее - форсунка впрыскивает бензин во впускной трубопровод. И доставить более богатую часть потока смеси к свече мы можем только за счет направления потока методами аэродинамики, например, определенным образом его завихряя. Вот если бы топливо впрыскивалась непосредственно в цилиндр....
     Бензиновые двигатели с непосредственным впрыском появились довольно давно и применялись в авиации уже в годы Второй Мировой войны. Двигатели для автомобилей тоже разрабатывались, по крайней мере в нашей стране их испытывали уже в конце 40-х. Однако еще долгое время не удавалось справиться с серьезными недостатками непосредственного впрыска, в частности - "дизельным" дымлением на мощностных режимах. Да и мотор получался довольно дорогим, а потому экономически невыгодным. И непосредственным впрыском практически перестали заниматься.
     Но не японцы. На Mitsubishi раньше других осознали, какую пользу может принести непосредственный впрыск в условиях ожесточения экологических норм, а бензин в Японии дешевым никогда не был. 15 лет усилий увенчались успехом, первые доведенные до готовности моторы с непосредственным впрыском бензина были представлены публике на Фракфуртском и Токийском автосалонах осенью 1995 года. Их обозначили GDI (Gasoline Direct Injection - непосредственный впрыск бензина). Спустя год на японском рынке появился серийный Mitsubishi Galant 1.8 GDI и наконец, в 1997 году европейцам была предложена Carusma с двигателем 1.8 GDI.

Как устроен GDI.   Действительно, этот двигатель напоминает по конструкции  обычный бензиновый и дизель. В каждом цилиндре присутствует и свеча зажигания и форсунка, а топливо подается насосом высокого давления под давлением 5 МПа (50 атм). Форсунка обеспечивает два режима впрыска топлива.

     Обратим внимание на следующие особенности . Впускной трубопровод подходит к цилиндру сверху. Это позволяет получить падающий поток воздуха, который после контакта с поршнем разворачивается и устремляется вверх, закручиваясь по часовой стрелке ( такая организация воздушного потока позволяет достичь оптимальныой концентрации топлива непосредственно около свечи). По почти прямому трубопроводу поток движется с очень высокой скоростью, и даже когда поршень достиг нижней мертвой точки, еще некоторое количество воздуха входит по инерции.

     Поршень необычный , сверху есть выемка сферической формы. Форма поршня обеспечивает  три важных функции. Во-первых, позволяет задать воздушному потоку нужное направление движения. Во-вторых, направляет впрыскиваемое топливо непосредственно к свече зажигания, что важно при работе  на предельно бедных смесях. В-третьих, определяет распространение фронта пламени.

Как работает GDI. В работе GDI различают три возможных режима в зависимости от режима движения.
     Работа на сверхбедных смесях. Этот режим используется на малых нагрузках: при спокойной городской езде и загородном движении на скорости до 120 км/час. В этом случае топливо подается в цилиндр практически как в дизеле - в конце такта сжатия. Топливо впрыскивается компактным факелом и смешиваясь с воздухом, направляется сферической выемкой поршня. В результате наиболее обогащенное топливом облако оказывается непосредственно 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. Этот режим используется при интенсивной городской езде, высокоскоростном загородном движении и обгонах. При стехиометрическом составе смеси с воспламенением никаких проблем не возникает. Но поскольку было бы желательно повысить степень сжатия, то важным становится недопустить детонацию и калильное зажигание. Впрыск топлива осущесвтляется в процессе такта впуска. Топливо впрыскивается коническим факелом, распыляется по всему цилиндру и испаряясь, охлаждает воздух в цилиндре. Благодаря охлаждению снижается поверхность детонации и калильного зажигания.
     И еще один режим реализует система управления GDI. Он позволяет повысить момент двигателя в том случае, когда водитель, двигаясь на малых оборотах, резко нажимает педаль акселератора.
     Когда двигатель работает на малых оборотах, а в него вдруг подается обогащенная смесь, вероятность детонации еще возрастает. Поэтому впрыск осущесвтляется в два этапа. Небольшое количество топлива впрыскивается в цилиндр на такте впуска и охлаждает воздух в цилиндре. При этом цилиндр наполняется сверх бедной смесью (примерно 60:1), в котором детонационные процессы не происходят. Затем, в конце такта сжатия, подается компактная струя топлива, ктоторая доводит соотношение воздуха и топлива в цилиндре до 12:1. А на подготовку детонации времени уже не остается.
     Итак, что в конце концов получается на выходе. Степень сжатия удалось поднять до 12-12.5, улучшилось наполнение воздухом. Двигатель устойчиво работает и на очень бедной смеси. Результат: по сравнению с "обычным" бензиновым двигателем GDI расходует на 10% меньше топлива, выдает на 10% больше мощности и выбрасывает на 20% меньше углекислого газа.

     Но это в Японии. Из-за того, что бензин в Европе содержит больше серы, при подготовке европейской версии мотора, от одного из преимуществ, повышения мощности, пришлось отказаться...
     Но это уже история. Сегодня двигатели с непосредственным впрыском топлива GDI успешно устанавливаются на многих моделях автомобилей разных марок и производителей...

www.gpmar.ru