Как ни странно, но прямой или непосредственный впрыск топлива в бензиновых моторах появился раньше тех, которые он сейчас только начал вытеснять. В этом есть определённая логика, конструкторы прошлого ещё не знали о проблемах, с ним связанных, поэтому смело поступили так, как им подсказывала простая логика работы двигателя. Ведь это так просто – где топливо будет сгорать, туда его и надо подать, желательно под высоким давлением. Дизели всегда примерно так и работали, и неплохо получалось.
Как это устроено и работает
Прямой перенос технологий непосредственного впрыска из авиации показал их преимущество перед преобладающими тогда двигателями с распылением бензина в карбюраторах, но массовое производство автомобилей, с присущими ему заботами о надёжности, стоимости и ремонтопригодности, заставили не спешить. Перспективная инжекторная система настоятельно требовала постепенности во внедрении, поэтому для начала серийная продукция получала схемы моновпрыска в модуль, очень похожий на карбюратор, или распределённого размещения форсунок по цилиндрам, но всё равно действующих в пределах впускного коллектора.
Столкнувшись с проблемами, разработчики топливных систем пытались экспериментировать, применяя схему форкамерного зажигания, а окончательно поместить форсунки в камеру сгорания смогли лишь совсем недавно. За новыми моторами закрепилась аббревиатура GDI (Gasoline Direct Injection), по мере попадания на российский вторичный рынок они тут же были названы «джедаями». С некоторой долей опаски и недоумения, ведь никаких видимых преимуществ это не давало, зато создавало много головной боли владельцам.
Вопрос вполне резонный – зачем усложнять, если распределённый впрыск и так прекрасно работает, моторы экономичны, легко пускаются, обеспечивают все существующие и перспективные экологические нормы. Но конструкторам приходится смотреть вперёд куда дальше, чем покупателям.
Организация непосредственного впрыска подразумевает наличие следующей аппаратуры:
- подкачивающий бензонасос, под низким давлением поставляющий бензин из бака;
- топливный насос высокого давления (ТНВД), создаёт необходимое для прямого впрыска давление бензина на входе в форсунки порядка сотни атмосфер;
- форсунки непосредственного впрыска, электроуправляемые клапаны с распылителями, расположенные в камерах сгорания;
- электронный блок управления, датчики и прочая аппаратура, свойственная системам впрыска с программным управлением.
Топливо подаётся под давлением, меньшим, чем у дизельных двигателей, что связано с легко распыляющимся бензином, но значительно большим, чем у систем впрыска в коллектор (MPI). Всё это позволяет более тонко организовать смесеобразование и получить новые возможности для совершенствования моторов.
Принципиально разные способы впрыска
Получить хорошее смешивание бензина с воздухом (гомогенизацию) достаточно несложно, с этим прекрасно справляются все системы распределённого впрыска. Разве что увеличенное давление в GDI даёт небольшой прирост качества распыла. Но основной причиной внедрения прямого впрыска стали иные причины.
На режимах холостого хода и малых нагрузок стало возможным работать на сверхбедных смесях. Такой состав поджечь искрой невозможно. Но если подать бензин в конце такта сжатия точно в область свечи, то смесеобразование станет послойным. Зажигание произойдёт в зоне нормального состава, топливо будет устойчиво воспламеняться и образовавшийся факел обеспечит полное сгорание в условиях избытка кислорода. Будет получена существенная экономия по расходу, а токсичность выхлопа станет минимальной.
На средних нагрузках питание происходит в обычном режиме. Топливо впрыскивается на такте впуска, благодаря качественному распылению и особой организации геометрии хорошо гомогенизируется и эффективно сгорает, давая одновременно экономию и необходимый крутящий момент.
При значительной нагрузке, когда от двигателя требуется мощность, близкая к максимальной, производится неоднократный впрыск. Это создаёт условия для дополнительного охлаждения заряда, что позволяет повысить степень сжатия без риска детонации. Смесь обогащается, что необходимо на мощностных режимах, но сгорает достаточно мягко.
Стали популярны системы комбинированного впрыска, когда в дополнение к GDI впускной коллектор комплектуется обычными форсунками MPI. Они выполняют сразу две функции – промывают впускные клапаны от последствий работы системы рециркуляции выхлопных газов (EGR) и поставляют в цилиндры дополнительное топливо на мощностных режимах. Усложнение конструкции даёт достаточный эффект для оправдания дополнительных затрат.
Достоинства и недостатки реально работающих конструкций
Всё идеально работает только при теоретическом рассмотрении системы прямого впрыска. На практике возникают сложности.
- Бензин обладает посредственной смазывающей способностью, в отличие от дизельного топлива. Поэтому ТНВД и форсунки работают в условиях дефицита смазки и быстро изнашиваются. При этом их цена очень высока, как и у любой прецизионной аппаратуры. Приходится предъявлять повышенные требования к качеству топлива, что создаёт проблемы при эксплуатации.
- Возрастает роль системы рециркуляции. Если не разбавлять смесь выхлопными газами, то при горении сверхбедных составов будут образовываться ядовитые азотистые соединения, нейтрализация которых малоэффективна и затратна. С этим столкнулись и разработчики дизельных двигателей в последних поколениях. Однако работа EGR в моторах с прямым впрыском быстро загрязняет канал впуска, поскольку клапаны уже не омываются бензином. Падают рабочие сечения, нагар покрывает стебли, клапан может просто зависнуть и встретиться с поршнем. Помогает описанный выше комбинированный впрыск и рекомендации периодически ездить на мощностных режимах.
- Наличие серы в товарных бензинах при высоких давлениях и температурах вызывает образование серной кислоты, которая разрушает форсунки и ТНВД. Это препятствует эксплуатации таких моторов в районах, где трудно заправиться высококачественным топливом.
Получается, что преимущества системы, а к ним можно отнести экономию топлива на режимах малых и средних нагрузок и простоту обеспечения экологических норм, не перевешивают в глазах водителей связанных с новыми технологиями затрат. Всем нравится, когда двигатель с прямым впрыском и турбонаддувом по расходу топлива приближается к хорошему дизелю, но ровно до того момента, с которого становится ясно во сколько это обходится. Но обратный путь вряд ли возможен, требования по выбросу вредных веществ и углекислого газа уже никто не отменит. А развитие техники постепенно устранит все недостатки в целом перспективного прямого впрыска.
