ВПРЫСК НЕПОСРЕДСТВЕННЫЙ, НО РАЗНЫЙ
Нет плохих идей, есть не доведенные до ума или нереализованные — так, наверное, считают японские инженеры. По крайней мере, вряд ли кто-то еще сравнится с ними по числу оригинальных решений, применяемых на серийных автомобилях. «А это мы придумали, мы же над этим работали!» — кричат потом в Европе и Америке. Придумали. Но не сделали. Или сочли невыгодным и бросили. А теперь догоняйте! И они бросились в погоню.
Пионером в применении непосредственного впрыска топлива стала компания Mitsubishi, разработавшая систему питания GDI. Сегодня аналогичную технологию используют Mercedes (CGI), BMW (HPI), концерн Volkswagen (FSI, TFSI, TSI – VW, Audi, Skoda, Seat) и Toyota (JIS).
Но обо всем по порядку. Уже более 100 лет на автомобили устанавливается бензиновый ДВС и уже почти 100 — двигатель Дизеля. Мы давно к ним приспособились и, хорошо зная их достоинства и недостатки, применяем тот или другой 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 его мы чаще видим на легковых и небольших грузовых автомобилях.
ПРОСТЫМИ СЛОВАМИ
Немного теории: чтобы топливо сгорело, нужен воздух. Но надо смешать с топливом столько воздуха, сколько нужно для полного сгорания. Такое количество воздуха называется стехиометрическим, и оно, конечно же, давно известно. Например, для бензина оптимальный (теоретически) 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, называется бедной, а та, в которой воздуха меньше, чем нужно (то есть больше топлива), 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.
FSI Turbo – первый серийный двигатель, в котором сочетаются непосредственный впрыск бензина и турбонаддув
НА НЕКАЛОРИЙНОЙ ПИЩЕ
Итак, проблема в том, что искра упорно не желает воспламенять бензовоздушную смесь более бедную, чем в соотношении 17:1. Но ведь можно заполнять цилиндр совсем бедной смесью, а непосредственно к свече подавать более богатую, которая загорится. Пытались: например, 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 впрыскивалось непосредственно в цилиндр...
КАК РАБОТАЕТ GDI
Главный принцип работы данной системы питания – подача бензина не во впускной тракт, а непосредственно в камеру сгорания и формирование послойного и однородного смесеобразования в различных режимах работы мотора. Но подобные топливные системы имеют и различия, причем иногда довольно существенные. Основные из них – рабочее давление в топливной системе, расположение форсунок и их конструкция.
В двигателе FSI от Volkswagen форсунка расположена под большим углом к оси цилиндра. Струя топлива направлена в отраженный от поршня поток воздуха
Действительно, двигатель GDI напоминает по конструкции и 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 различных режима впрыскивания 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 оптимальной 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 количества воздуха входит в цилиндр по инерции.
Поршень необычный — сверху есть выемка сферической формы. Форма поршня обеспечивает три важные 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.
GDI
В двигателях GDI (Gasoline Direct Injection – непосредственный впрыск бензина, Mitsubishi), появившихся осенью 1997 года, используются два или три режима смесеобразования. Для японского рынка реализована двухрежимная технология, а для Европы – трехрежимная.
При частичной нагрузке (скорость до 120 км/ч) двигатель работает на сверхобедненной горючей смеси с послойным смесеобразованием. Топливо подается в камеру сгорания (под давлением 50 бар) в конце такта сжатия, соотношение «воздух–бензин» в среднем по объему камеры может достигать пропорции 40:1. Поджигается такая смесь за счет создания в зоне искрового разряда «облака» с нормальным составом смеси (14,5:1). Формирование облака происходит благодаря завихрению струи топлива, которое уже успело смешаться с воздухом с помощью специальной выемки в днище поршня. У стенок камеры сгорания при этом остается почти чистый воздух. Когда от двигателя требуется больший крутящий момент (высокая скорость, движение на подъем), электроника активирует другой способ смесеобразования – бензин впрыскивается на такте впуска, как в обычных инжекторных двигателях. При необходимости получить максимальную мощность (интенсивный разгон) «работает» третий способ смесеобразования – топливо подается в два этапа: первый – при такте впуска, второй – при такте сжатия. Первая порция топлива дает возможность получить в цилиндре равномерно распределенную сверхобедненную (до 60:1) горючую смесь, а вторая обеспечивает получение нормальной смеси в районе искрового разряда. После воспламенения нормальной смеси фронт пламени распространяется по цилиндру и поджигает сверхобедненную смесь. Японский вариант отличается отсутствием третьего режима.
Сравнение характеристик 2,0-литровых двигателей с распределенным и непосредственным впрыском показывает, что GDI мощнее на 10 л.с. (145 против 135 л.с.) и на 13% экономичнее в городском цикле (10,2 л/100 км против 11,7).
Двигатель CGI Mercedes-Benz: вертикально расположенные пьезоэлектрические форсунки обеспечивают очень точное дозирование подачи бензина
FSI
Система непосредственного впрыска Volkswagen под названием FSI (Fuel Stratified Injection – многослойный впрыск топлива) была представлена в 2000 году. Как и в GDI для японского рынка, FSI может работать в двух режимах – экономичном (при малых и средних нагрузках) и обычном (большие нагрузки). В экономичном (равномерное движение на скоростях до 120 км/ч) впрыск топлива происходит при такте сжатия, а в обычном режиме – при такте впуска, как и в системе питания с распределенным впрыском.
Повышенное давление впрыска (100 бар) обеспечивает более своевременную подачу топлива и качественное его распыление. Увеличен наклон форсунки, а впускной канал разделен специальной перегородкой на две части. Воздух может поступать либо через одну часть его сечения, либо через обе. На малых оборотах поток воздуха проходит через одну половинку канала, что позволяет увеличить его скорость для получения лучшего завихрения потока. На больших оборотах перегородка открывается, воздух поступает через весь канал, и скорость потока остается примерно такой же, как и на малых оборотах.
Если сравнить двигатели Volkswagen рабочим объемом 1,4 л с распределенным и непосредственным впрыском, устанавливаемые на модели Polo, нетрудно заметить, что FSI на 11 л.с. мощнее (86 л.с. против 75 л.с.) и обеспечивает меньший расход горючего (4,7–7,7 л против 5,8–10,2 л/100 км).
T-FSI, TSI
Очень долго бензиновые двигатели с непосредственным впрыском были только атмосферными. И только в 2004 году конструкторы Volkswagen AG создали на основе мотора FSI двигатель с турбонаддувом и непосредственным впрыском бензина (T-FSI или FSI-Turbo), который устанавливался на «заряженных» версиях (VW Golf GTi, Audi A3). Следующей разработкой стал TSI (непосредственный впрыск и двойной турбонаддув). Правда, называть его «двойным турбонаддувом» не совсем корректно, так как на малых оборотах (до 2400 об/мин) воздух подается только механическим компрессором, а на больших – лишь турбокомпрессором, который приводится в действие отработавшими газами. Благодаря такой схеме эффективное давление наддува достигается уже при 1500 об/мин и сохраняется во всем диапазоне оборотов.
В двигателях TSI впервые использовали форсунки для впрыска топлива с шестью отверстиями вместо привычного одного и увеличили давление впрыска до 150 бар, что позволило существенно улучшить качество смесеобразования.
Показатели турбированных моторов еще больше впечатляют. Например, 1,4-литровый агрегат с турбонагнетателем и компрессором развивает мощность 170 л.с. и крутящий момент 240 Нм в диапазоне от 1750 до 4500 об/мин, при этом расход топлива у модели Golf GT составляет 5,9–9,6 л/100 км.
CGI
В двигателях Mercedes CGI (Stratified-Charged Gasoline Injection – послойный впрыск бензина), представленных в 2002 году, используются пьезоэлектрические форсунки, позволяющие реализовать многослойное смесеобразование за счет подачи топлива несколькими порциями. В открытой форсунке между иглой и корпусом образуется кольцевая щель толщиной в несколько микрон, что позволяет получить чрезвычайно тонкое распыление топлива. Форсунка размещена в центре камеры сгорания, а свеча зажигания расположена между выпускными клапанами, причем ее положение выбрано с учетом формы конуса распыленного горючего. Давление в топливной системе – 200 бар, что дополнительно улучшает качество распыления. Применяется собственная система охлаждения для топлива и электронного блока управления системой впрыска. Работа на переобедненных смесях (примерно 35–40:1) допустима и на скоростях около 120 км/ч, в то же время благодаря точному смесеобразованию сохраняется крутящий момент, достаточный для разгона модели CLS от 60 до 120 км/ч на третьей передаче всего за 6,2 с. Новый двигатель 350 CGI развивает 292 л.с. при 6400 об/мин (у мотора с распределенным впрыском – 272 л.с. при 6000 об/мин) и обеспечивает средний расход топлива 9,1–9,3 л/100 км вместо 10,1 л. Другими словами, при более высокой мощности двигателя расходуется примерно на 10% меньше бензина.
Пьезоэлектрическая форсунка расположена почти вертикально, а свеча зажигания находится практически на границе конуса распыла бензина
HPI
Система непосредственного впрыска бензина у BMW HPI (High Precision Injection – высокоточный впрыск) была представлена в 2006 году. Сочетание систем регулирования фаз газораспределения Double-VANOS, высоты подъема клапанов VALVETRONIC и пьезоэлектрических форсунок с давлением впрыска 200 бар, расположенных в непосредственной близости от свечей зажигания, позволило организовать послойное смесеобразование на всех режимах работы двигателя. Форма топливной струи в сочетании со специальной геометрией днища поршня обеспечивает образование нормальной смеси именно в районе искрового разрядника свечи зажигания. Применение двух турбонагнетателей по одному на каждые три цилиндра позволяет практически устранить эффект «турбоямы» и обеспечить быстрый отклик на нажатие педали газа. Новый трехлитровый двигатель развивает 272 л.с. и 315 Нм (у рядной трехлитровой «шестерки» с распределенным впрыском – 258 л.с. и 300 Нм), при этом расход топлива меньше на 10%.
ПОДВЕДЕМ ИТОГИ
При всех имеющихся отличиях двигатели с непосредственным впрыском используют принцип послойного сгорания топливовоздушной смеси и могут работать при более высокой степени сжатия (от 10,5 до 12,5) на бензине с октановым числом 95. В таких моторах у стенок камеры сгорания находится почти чистый воздух, а испарение топлива, происходящее с поглощением тепла непосредственно в цилиндре, приводит к дополнительному охлаждению цилиндров. Все это способствует снижению вероятности детонационного сгорания топлива. Наилучшие результаты дает комплексное использование непосредственного впрыска и других технологий, оптимизирующих рабочий процесс ДВС (регулировка фаз газораспределения, высоты подъема клапанов и т. п.). Подобные топливные системы дают дополнительную экономию горючего и уменьшение выбросов в атмосферу. В то же время они нуждаются в качественном бензине с низким содержанием серы и механических примесей, чтобы обеспечить нормальную работу топливной аппаратуры.
| 
