Вне зависимости от того, какие аббревиатуры придумывали автомобильные компании, стараясь не повторяться — GDI, FSI, DI, D4 — это все об одном и том же, с технологией непосредственного впрыска бензина. То есть, когда бензин впрыскивается не во впускной коллектор, как в «обычных» инжекторных двигателях, а непосредственно в цилиндр двигателя.
Конечно, двигатели с непосредственным впрыском сложнее и дороже обычных двигателей. Тем не менее, в последние годы они появились у многих популярных марок автомобилей. Почему?
На нашей планете больше нет нефти — экономика очень важна для европейских и японских автовладельцев, не избалованных низкими ценами на топливо. Проблема загрязнения воздуха до сих пор не снята со счетов. Конечно, более строгие экологические нормы позволили сократить выброс наиболее вредных веществ – угарного газа, несгоревших углеводородов и оксидов азота. Но разговоры о парниковом эффекте исходят не из воздуха, поэтому существует множество национальных и международных программ, посвященных сокращению выбросов углекислого газа в атмосферу. Когда дело доходит до автомобилей, эти вопросы взаимосвязаны: выбросы углекислого газа двигателя внутреннего сгорания пропорциональны расходу топлива. Таким образом, повышение эффективности двигателя внутреннего сгорания хорошо не только для кошелька автовладельца, но и для нашей атмосферы.
Повышение эффективности современного бензинового двигателя — задача не из легких: и конструкция, и технология двигателя внутреннего сгорания совершенствовались 150 лет, и многие резервы давно исчерпаны. Однако многие решения применялись в прошлом, но не прижились, а сейчас, с новым витком научно-технического развития, вновь становятся актуальными. Непосредственный впрыск бензина является лишь одним из таких решений.
Согласно теории двигателя, чем выше давление в цилиндре перед воспламенением смеси, тем больше мощность двигателя. Давление в цилиндре зависит от того, сколько воздуха поступает в него во время такта впуска: чем больше воздуха, тем выше давление, когда поршень его сжимает. И пользуемся тем, что даже при малых нагрузках, когда нет необходимости сжигать много топлива, в цилиндр все равно поступает много воздуха — давление в конце такта сжатия будет больше.
Но мы также знаем, что для полного сгорания бензина необходимо 14,7 граммов воздуха на каждый грамм топлива в цилиндре. Если воздуха больше, смесь называется бедной. И в отличие от дизеля, бензиновый двигатель плохо работает с очень бедной смесью. Здесь топливно-воздушная смесь воспламеняется искрой от свечи зажигания. Если соотношение воздуха и топлива в смеси больше 17:1 (более 17 частей воздуха на 1 часть бензина), начинаются проблемы с зажиганием через свечу зажигания. Поэтому в традиционных двигателях с впрыском бензина (во впускной коллектор) дроссель все же играет активную роль — нам нужно ограничить количество воздуха, поступающего в цилиндры, чтобы смесь не была слишком бедной.
Так что если вы хотите повысить эффективность бензинового двигателя при малых нагрузках, вам придется научить его «переваривать» обедненную смесь.
Здесь на помощь приходит прямой впрыск. Это связано с тем, что клапан впрыска направляет топливо не в поток всасываемого воздуха, а непосредственно в цилиндр, и мы можем сделать общее «обедненное» соотношение воздух-топливо в цилиндре возле свечи зажигания, образуя «более богатое» облако смеси, которое воспламеняется. хорошо .
шина
АККУМУЛЯТОРНАЯ СИСТЕМА ВПРЫСКА
Система впрыска топлива двигателя FSI практически такая же, как и у большинства современных дизелей – она называется «аккумуляторная», но более известно «импортное» название common rail. Насос создает высокое (от 30 до 110 бар) давление в одной линии. Шланг имеет большой диаметр, т. к. он служит еще и аккумулятором давления — при большом количестве топлива гасятся пульсации давления от насоса.
Такое распределение топливной смеси в цилиндре называется слоистым, в отличие от гомогенного, при котором топливо и воздух смешиваются равномерно. Кстати, аббревиатура FSI, используемая концерном Volkswagen для двигателей с непосредственным впрыском топлива, расшифровывается как Fuel Stratified Injection.
Очевидно, что в реальных условиях движения двигатель должен работать в разных режимах. Послойное распределение используется для работы на бедных смесях, т.е. в экономичном режиме, с небольшими нагрузками, например, когда мы не торопимся, едем плавно с комфортной скоростью. Но для высоких нагрузок, для силовых режимов (разгон, движение на высоких оборотах, на большой скорости) обязательно нужна однородная смесь.
Нечего терять
ПОТОК ВОЗДУХА НА ВПУСКЕ ДВИГАТЕЛЕЙ FSI
Для получения однородной смеси необходим сильный поток воздуха. Для этого в некоторых двигателях с непосредственным впрыском используются длинные вертикальные впускные отверстия. Но такие шипы не всегда можно сочетать с очень полезной системой изменения длины. Заслонки на впускных отверстиях двигателей FSI обеспечивают некоторое сопротивление, но позволяют увеличить поток воздуха благодаря наклонным вентиляционным отверстиям, которые легко регулировать по длине.
Переключение между этими режимами может осуществляться несколькими способами. Например, двигатели FSI имеют специальный входной люк, закрывающийся в режиме штабелирования. В результате воздушная струя сжимается, ускоряется и, летя к цилиндру, по спирали попадает в «таран». Топливо впрыскивается во время такта сжатия (отсюда необходимость в насосе высокого давления для непосредственного впрыска). Сплющенный поршнем, но все еще движущийся, воздушный «руль» не рассеивает слишком большой впрыск топлива, а помогает ему достичь свечи зажигания плотным факелом. А также создает слой воздуха вокруг топливной загрузки, уменьшая потери тепла в нижней части поршня и в стенке цилиндра.
В режиме однородного сжатия впускная заслонка полностью открыта. В результате воздух поступает в цилиндр равномерным, широким потоком. Во время цикла впуска в этот поток впрыскивается основное количество топлива. Когда цилиндр горячий, топливо испаряется и хорошо смешивается с воздухом, создавая однородную топливно-воздушную смесь по всему цилиндру.
Другие фирмы могут найти и другие способы переключения режима впрыска — например, специальные двухрежимные форсунки, способные впрыскивать топливо в цилиндр, или компактный, узкий факел (для послойного распределения), или даже широкий конус ( для создания однородной смеси). Кстати, в режиме гомогенной смеси двигатель с непосредственным впрыском также более эффективен, чем его традиционный аналог. По сути, он может обеспечить впрыск топлива не в один, а в несколько этапов и тем самым решить многие проблемы — от ускоренного прогрева нейтрализатора при холодном пуске, до снижения риска детонации и улучшения процесса сгорания при высоких нагрузках, а значит и до увеличение мощности.
Конечно, в технике не бывает «бесплатных куки». Мы уже заметили: чтобы впрыскивать бензин прямо в цилиндр на такте сжатия, нужен топливный насос высокого давления — почти такой же, как в дизеле. И правильная система питания. А для получения вакуума (без которого не работают, например, электрические тормоза) понадобился бы вакуумный насос. Ведь в послойном режиме двигатель работает на малом количестве топлива, но на полном газу (именно это мы и имели в виду). Но если заслонка открыта, то отрицательного давления в области заслонки нет!
Выбежать из смеси не так просто. На самом деле, даже двигатели с традиционным впрыском бензина могут работать на более обедненной смеси, чем сегодня. Очевидно, что он не такой компактный, как двигатель с непосредственным впрыском топлива, но в любом случае будет экономить топливо. Однако в большинстве современных автомобилей эта функция не используется. И причина тому — окружающая среда. Ведь выбросы оксидов азота значительно увеличиваются при езде на обедненной смеси – обычный трехкомпонентный каталитический нейтрализатор с ними в этой ситуации не справляется. Так что, если вы хотите работать с бедной смесью, вам нужен специальный поглотитель оксида азота даже для соответствия стандарту Евро 3. Ну и, конечно, электроника, чтобы он работал. «Антиазотный» нейтрализатор не только дорог, но и быстро разрушается при высоком содержании серы в топливе. Так что, пока выбросы углекислого газа не будут регулироваться, а бензин в большинстве стран мира будет иметь высокое содержание серы, производители транспортных средств должны отказаться от некоторых преимуществ прямого впрыска бензина, в первую очередь от работы на обедненной смеси. И, конечно же, выдающейся экономии топлива в этом случае добиться не удастся. Правда, стоимость автомобиля не слишком возрастает – нет необходимости устанавливать «антиазотный» нейтрализатор и оборудование для его работы.
Но если полученная экономия топлива при росте цен на нефть станет прибыльной или, скажем, активизируется контроль за выбросами углекислого газа (CO2), двигатель с непосредственным впрыском готов в любой момент продемонстрировать свои преимущества. Достаточно второго катализатора и смены программы блока управления.
