Что такое бензиновый двигатель с непосредственным впрыском топлива

Двигатель GDI – особенности работы

Статья о двигателях GDI — принцип работы, особенности, отличия от других типов моторов. В конце статьи — интересное видео о силовых агрегатах с прямым впрыском топлива. Статья о двигателях GDI — принцип работы, особенности, отличия от других типов моторов. В конце статьи — интересное видео о силовых агрегатах с прямым впрыском топлива.

Gasoline Direct Injection (GDI) — система прямой подачи топливной смеси в ДВС. В GDI-моторах впрыск осуществляется не во впускной коллектор, как в обычных инжекторных двигателях, а непосредственно в цилиндр. По способу действия двигатели этого типа сочетают в себе принципы бензиновой и дизельной систем.

Принцип работы непосредственного впрыска

Главными агрегатами непосредственных движков считаются ТНВД и форсунки, они же – самые дорогостоящие элементы системы. В топливном насосе эталонная степень обработки поверхности трущихся деталей – 14-го класса. Это идеально даже по сравнению с пищевой нержавейкой, где используют металл зернистостью 9-10-го классов. Поверхность трущихся элементов ТНВД «зеркальнее», чем зеркало, и поцарапать ее можно даже несвежим дыханием.

Что касается форсов, то они конструкционно отличаются от обычных для инжекторных машин, но при газификации критически важна не конструкция, а их месторасположение: при установке ГБО на ТСИ, ФСИ и другие подобные моторы нужно понимать, что отключать бензофорсунки в газовом режиме нельзя, иначе они выходят из стоя от перегрева.

Напомним, что традиционная технология распределенного впрыска предполагает размещение форсов во впускной коллектор. Однако на непосредственных движках бензиновые форсунки расположены в головке блока цилиндров (ГБЦ), а впрыск происходит направленно в камеру сгорания, где бензин смешивается с воздухом за мгновение до искры.

Автопроизводители часто усложняют систему наличием второго топливного контура для впрыска бензина под разным давлением в зависимости от нагрузки на мотор (FSI) или добавляют к воздуху отработанные газы, тем самым повышая экологичность мотора. Все это усложняет штатную систему управления подачи топлива, а значит, установка ГБО на двигатели FSI или подобные им агрегаты должна комплектоваться продвинутыми «мозгами» и осуществляться квалифицированными специалистами исключительно в условиях СТО, укомплектованной диагностическим оборудованием.

Проблемы газификации непосредственных моторов

Основное препятствие перевода «впрысковой» машины на газ кроется в температурных нагрузках, которым подвергаются форсунки. В штатном режиме корпус инжектора охлаждается за счет проходящего через него бензина. Однако если машина работает на пропане, то бензофорсы отключаются, а значит, остаются незащищенными. То есть применять традиционную систему управления газовым впрыском здесь нельзя. Что же делать?

Принцип работы газа на непосредственных двигателях

Установка ГБО на двигатель TSI или любой подобный агрегат совсем не означает полный отказ от бензина. Чтобы не «сжечь» форсунки, приходится оставлять циркуляцию жидкого топлива, но лишь в том объеме, которого достаточно для удержания температуры ниже критической. Происходит это за счет периодического включения бензофорсунки. На холостых и низких оборотах доля бензина в общем расходе топлива составляет 10%, а с ростом оборотов этот показатель увеличивается. На сколько – зависит от конкретного мотора.

Газовая альтернатива для непосредственных ДВС

Единственный вариант для полного перехода на пропан (за исключением момента пуска мотора) – это установить оборудование для «жидкого впрыска» (LPI). Принцип работы здесь совсем иной. Оборудование также сильно отличается, впрочем, как и цена. Из-за дороговизны установки большинство автовладельцев обращаются к традиционной технологии (LPG).

Газ на GDI (Mitsubishi)

Сразу отметим: ставить ГБО 2-го поколения на «джидай» нельзя, что бы ни говорили сетевые «знатоки». Также заметим, что не все моторы «Мицубиси» имеют непосредственный впрыск, а значит, нет необходимости переплачивать за электронный блок для непосредственного впрыска.

В остальном подход следующий: по модификации мотора подбирается комплект или подходящий блок управления. Если планируется монобрендовая комплектация, то здесь проблем нет, так как производитель установки предоставляет нужную комплектацию. В случае сборного комплекта сперва подбирается ЭБУ, а затем под его способности выбирается остальная комплектация. Важно, чтобы редуктор-испаритель и газовые форсунки без проблем «сотрудничали», потому что иногда встречаются несовместимые бренды.

ГБО на FSI: нюансы

В комплект газобаллонного оборудования для таких движков включается электронный блок управления газовой системой (ЭБУ) с прошивками под конкретную модификацию мотора. Каждый производитель газовой аппаратуры указывает перечень моделей, для которых имеются прошивки. К счастью автовладельцев «Ауди», бензиновые модели этой марки представлены полностью, начиная с 2000 года выпуска.

Наиболее удачные комплектации предоставляет голландский производитель «Принс»: инженеры компании изначально нацеливались на немецкий рынок, где у голландцев 60-процентная доля. ГБО комплектуется фирменным редуктором и японскими форсунками Kiehen. После монтажа газовая система не требует дополнительных уточняющих регулировок.

Газ на TSI («Тсай»)

Чрезвычайно популярны в нашей стране двигатели, которыми оснащают ваговские модели. При газификации подход тот же, что и в отношении ФСИ: по VIN-коду подбирается нужная прошивка с уже готовой топливной картой. Отметим, что алгоритмы и коэффициенты для одного мотора не подойдут для другого. Мудрить здесь нельзя, иначе раньше двигателя из строя выйдет турбина. 99% настроек готовятся производителем газобаллонного оборудования. В одних случаях достаточно просто загрузить программу, другие производители перед автокалибровкой запрашивают ВИН-код двигателя.

Дело установщиков в отношении «Тсай» – следовать карте монтажа, а затем убедиться в правильной работе системы. Можно выбирать из брендов ГБО, но итальянские и голландские производители остаются вне конкуренции.

Газ на TFSI

В моторе совмещен послойный впрыск с турбиной: система усложняется за счет эмуляции работы бензиновых форсунок как в системах FSI. Расход бензина уменьшается в разы, в то время как топливный насос продолжает нагнетать давление в штатном режиме. Из-за этого компьютер «ругается» и происходит аварийный сброс давления.

Однако установщикам, а тем более автовладельцам, вникать в такие нюансы не требуется, потому что персонифицированная программа управления газовым впрыском включает эмуляцию и учитывает текущие параметры. То есть на алгоритме процесса установки сложность бензиновой системы не сказывается. Главное – выбрать и корректно установить управляющую программу. Ну, и качественный монтаж тоже никто не отменял.

Заключение

Получается, что ГБО на TFSI или другие моторы с прямым впрыском не требует дополнительных регулировок, как в случае с обычными установками 4-го поколения. Система изначально работает корректно за счет программ, подготовленных производителем для конкретной модели движка. И то, что здесь реализуется сложный алгоритм поочередного впрыска бензин/газ не осложняет работу установщиков, а даже наоборот.

Однако отказываться от сертифицированных центров пока рано – установить газ все равно сложнее, чем поставить «Винду» на ПК. Остаются повышенные требования к точности подбора комплектации, диагностике и обслуживанию аппаратуры. Поэтому производители ГБО сотрудничают исключительно с авторизованными представительствами. Приобретать аппаратуру и делать монтаж у «серых» дилеров крайне не рекомендуется из-за отсутствия гарантии и последующих сложностей с регистрацией.

Моновпрыск (центральный впрыск) – одна форсунка, которая распыляет топливо на все цилиндры и устанавливается, как правило, во впускном коллекторе. Теряет популярность в связи с ужесточением экологических требований к дозировке топлива.

Распределенный впрыск – для каждого цилиндра установлена отдельная изолированная форсунка во впускном коллекторе, вблизи впускного клапана.

Типы распределенного впрыска

• Фазированный впрыск – отдельное управление каждой форсункой, при чем форсунка открывается незадолго перед тактом впуска.
• Непосредственный впрыск – впрыск топлива форсункой непосредственно в камеру сгорания.

• Одновременный впрыск , когда все форсунки открываются в одно время.
• Попарно-параллельный впрыск – когда форсунки открываются попарно.

На современных автомобилях применяется электронное управление системой впрыска,это когда системой подачи топлива управляют специальные микроконтроллеры, которые воспринимаеют сигналы от датчиков системы питания.

Технические характеристики

*устанавливался не на все версии.

Чем моновпрыск отличается от инжектора и карбюратора

Ключевое отличие моновпрыска от распределённого инжектора заключается в том, что здесь используется одна форсунка для всех цилиндров. У распределённого инжектора форсунки стоят на каждом цилиндре отдельно. Благодаря этому при его использовании топливо расходуется экономичнее. Кроме того, использование общей форсунки снижает срок эксплуатации двигателя.

Дело в следующем. Если форсунка начинает работать неправильно, создаётся плохая топливно-воздушная смесь, ухудшается работа двигателя, появляется дополнительный нагар, внутрь камер сгорания попадает влага и т.д. Таким образом, ухудшение состояния форсунки сказывается на всём блоке цилиндров. В случае с распределённой подачей горючего износ одной из форсунок сказывается на работе только одного цилиндра.

По сравнению с карбюраторными системами, моновпрыск позволяет быстро запустить двигатель за счёт специального клапана, запускающего все необходимые процессы.

Инжекторные системы подачи топлива (включая моновпрыск) не «страдают» таким типичными для карбюраторов болезнями, как частое засорение, забивание жиклёров, залипание иглы, необходимость регулировки в соответствии с пробегом.

Для водителей-обывателей, которые не разбираются в особенностях настройки карбюраторов и влиянии качества горючего на работу двигателя, инжекторная система удобнее, потому что долго сохраняет заданные при установке условия езды. Карбюраторная система, в свою очередь, со временем теряет настройки, поэтому начинает «сжигать» больше бензина.

Читайте также: Инжектор и карбюратор — в чем разница и что лучше?.

Что является причиной появления отложений на впускных клапанах?

Отложения на впускном клапане образуются в результате медленного просачивания масла через уплотнения направляющих впускного клапана и вниз по направляющим клапана. Для смазки направляющих требуется небольшое количество масла, но когда масло достигает горячей поверхности клапана, оно может прилипнуть и сгореть, образуя тяжелые черные углеродистые отложения, которые постепенно накапливаются со временем. Чем больше пробег двигателя и чем больше износ направляющих и уплотнений, тем быстрее накапливаются отложения на впускных клапанах.

Моторные масла с низкой вязкостью (например, 5W-20 и 0W-20) могут усугубить проблему, поскольку они легче текут по направляющим клапана. Обычные моторные масла в равной степени имеют более низкую температуру горения, чем синтетические масла, которые могут в равной степени увеличивать образование отложений с течением времени.

Другим фактором, ответственным за образование отложений на впускных клапанах, являются несгоревшие пары топлива и пары масла, которые откачиваются обратно во впускной коллектор через систему принудительной вентиляции картера. Это выполняется для контроля выбросов в картер двигателя и для удаления влаги из масла (что помогает продлить срок службы масла). Пары топлива, частиц углерода и масла, которые система принудительной вентиляции картера направляет обратно во впускной коллектор, возвращаются в двигатель для снижения загрязнения. Но эти же пары могут образовывать нагар и отложения углерода на впускных клапанах.

Чем больше циркуляция воздуха в двигателе из-за износа цилиндров и поршневых колец, тем больше объем паров, которые втягиваются обратно в двигатель системой. Двигатели с большим пробегом обычно подвержены большей циркуляции воздуха, поэтому накопление отложений на впускных клапанах часто происходит быстрее.

Технология Common Rail принцип работы и история эволюции технологий.

Дизельный двигатель с топливной системой Common Rail — это один ихз самый современных этапов эволюции дизельных двигателей с прямым впрыском топлива. В отличие от традиционных дизелей с низким давлением подачи топлива (с рядными насосами или насос-форсунками), такой двигатель оборудован аккумулятором топлива — рампой, куда под большим давлением (от 1350 до 2500 бар) подается дизельное топливо и далее распределяется между электрическими форсунками с соленоидными клапанами или с пьезокристаллами внутри. Последние поколения систем Common Rail отличаются применением пьезоэлектрических инжекторов для увеличения точности впрыска с количественным увеличением фаз впрыска, а также повышением давления подачи топлива в рампу (свыше 2500 бар). Разновидность для бензиновых двигателей называется Прямой впрыск (FSI, GDI и т.п.).

История создания системы

Когда в конце 60-х годов Робертом Хубером в Швейцарии был разработан прототип системы Common Rail. Его технология была развита Марко Гансером из Швейцарского Федерального Института Технологии в Цюрихе. К середине 90-х годов Доктор Шохей Ито и Масахико Мияки из Корпорации DENSO, Япония, разработали систему Common Rail для коммерческого транспорта и воплотили ее в системе ECD-U2, которая стала использоваться на грузовиках HINO Rising Ranger, а потом в 1995 году продали технологию другим производителям. Поэтому DENSO считает себя пионером в адаптации системы Common Rail к нуждам автомобилестроения. Первенство этого факта оспаривает итальянский концерн FIAT, который декларирует создание первого в мире автомобиля с прототипом дизельного двигателя с прямым впрыском в 1987 году (CHROMA TDid). В это же время итальянцы начинают работать над полностью электронным дизелем с принципом COMMON RAIL. Концепция получила название UNIJET 1900сс:

Современные же системы Common Rail работают по тому же принципу. Они управляются Блоком Электронного Управления, который открывает каждый инжектор электронно, а не механически. Эта технология была детально разработана общими усилиями компаний Magneti Marelli, Centro Ricerche Fiat и Elasis. После того, как FIAT разработал концепцию и принципиальную конструкцию системы в начале 90-х годов (название проекта UNIJET), патент на нее в 1993 году был продан немецкой компании Robert Bosch GmbH для последующего завершения разработки массового продукта. В целом, это стало большим просчетом компании FIAT, поскольку новая технология стала очень выгодна. Но итальянский концерн был в то время в удручающем финансовом состоянии и не имел ресурсов для завершения выполненых работ. Тем не менее итальянцы первые применили систему Common Rail в 1997 на Alfa Romeo 156 1.9 JTD (второе поколение системы COMMON RAIL с многоточечным впрыском MULTIJET) и только потом она появилась на Mercedes-Benz C 220 CDI. В 2003 FIAT применил принцип MULTIJET на самом маленьком на то время четырех-цилиндровом дизельном двигателе с объёмом 1300сс.
Двигатели Common Rail используются в энергетике, судостроении и для локомотивов. Система Cooper-Bessemer GN-8 представила модифицированную систему Common Rail, где используется гидравлический контроль.

Принцип работы

Английское слово COMMON RAIL обозначает одинаково высокое давление в трубке-аккумуляторе (рампе или рейке), которое распределяется по всем цилиндрам. Конструкция имеет два контура давления подачи топлива — низкое давление до ТНВД (от вакуума до 6 бар) и высокое давление от ТНВД до форсунок (от 1350 до 2500 бар). В зависимости от конфигурации, погружной электрический насос в баке или вакуумный насос на задней части ТНВД поставлет дизельное топливо через подогреватель топлива и фильтр к насосу высокого давления. ТНВД приводится в работу двигателем (через ремень или распредвал) и направляет топливо под высоким давлением в рампу. Для нормальной работы системы необязательно поддерживать постоянно самое высокое давление. Трубки рампы имеют одинаковую длину и оканчиваются форсунками. На рампе также расположен регулятор давления, который отправляет лишнюю часть топлива обратно в бак через охладитель. С помощью датчика давления в рампе Блок Управления Двигателем (ЭБУ) может получать информацию о давлении в рампе и контролировать его. Избыточное давление в рампе может контролироваться механическим клапаном, который стравливает лишнее топливо в магистраль обратки в бак. Отличительная особенность системы SIEMENS — размещение клапана контроля давления на корпусе ТНВД, а не на рампе.

Способ управления давлением система COMMON RAIL может иметь несколько вариаций:
— Управление давлением на стороне низкого давления с помощью дозирующего клапана; Изменением сигнала скважности ЭБУ двигателя подаёт нужное количество топлива в область сжатия топлива.
— Управление давлением на стороне высокого давления с помощью регулятора давления; Изменением сигнала скважности ЭБУ двигателя сливает нужное количество топлива в обратную магистраль для поддержки нужного давления.
— Управление давлением с помощью дозирующего клапана в цепи низкого давления, так и с помощью регулятора давления на рампе (Dual Control). В зависимости от стратегии впрыска и режима работы двигателя ЭБУ управляет и объемом топлива, которое подаётся для сжатия, и объёмом топлива, сливаемого в обратку с рейки.

Выбор нужного типа управления определяется размером двигателя, мощностью и его задачами, а также целесообразной стоимостью автомобиля. Управляющий сигнал на клапаны может быть пропорционален давлению, когда при увеличении скважности давление также растёт, а может быть обратно пропорционален, когда с увеличением скважности давление падает. Это зависит от выбранной конструкции клапана и может отличаться на разных версиях одного и того же двигателя. Поэтому всегда следует точно знать как работает клапан на конкректном автомобиле, чтобы провести правильную диагностику его работы.

Наличие аккумулятора давления — это прямой признак приминения системы COMMON RAIL. Рампы могут быть сферической или цилиндрической формы, кованные или литые. Иметь механические или электрические аварийные клапана для слива топлива в магистраль обратки. В V-образных системах применяются минимум 2 рейки на каждый блок. Одна с датчиком давления, вторая может иметь регулятор давления. В некоторых типах использовалась распределительная третья рейка из которой топливо подаётся на две другие (Land Rover, Jaguar, Ford). Основная задача рампы — уметь сохранять максимально возможное давление топлива, не разрушаясь, и равномерно распределять топливо по форсункам.

В системе COMMON RAIL используются форсунки определенной конструкции. На первых поколениях применялись форсунки с электрическим соленоидным клапаном, который управляет подъёмом иглы в распылителе. По причине необходимости контроля впрыска под более высоким давлением стали применяться форсунки с пьезоэлементом. В последнее время некоторые производителеи возвращаются к технологии соленоидных форсунок, поскольку время их реакции на команды ЭБУ удалось сделать короче, их можно легко перебирать и восстанавливать, они дешевле в производстве.

Датчики

Основными датчики, которые используются в системе — это датчик давления топлива в рампе, датчик потока воздуха, датчики распредвала и коленвала, температурные датчики двигателя, топлива и входящего воздуха, датчик положения педали аккселератора, датчик системы подогрева топлива.

Активаторы

Соленоидные клапана в системе Common rail должны реагировать в течение полсекудны: это топливные форсунки, клапан регулятор давления в рампе, клапан турбонадува и клапана рециркуляции выхлопных газов.

Форсунки

Форсунки включаются по команде контроллера — блока EDC (ЭБУ) посредством магнитного соленоида или пьезоэлемента. Гидравлическая сила давления позволяет открывать и закрывать форсунку, однако активация происходит с блока управления. Если форсунка с пьезокристаллом, то в ней под влиянием магнитного поля кристалл увеличивается в своих физических размерах, мгновенно изменяя гидравлическое равновесие внутри форсунки и тем самым поднимая иглу. В форсунке типа Piezo Inline кристалл находится близко к игле и поэтому в нем не используется механических деталей для поднятия иглы. В ранних системах применялся двойной впрыск — пилотный и основной для предотвращения детонации. В современных системах используется до семи фаз впрыска, в самых современных с поддержкой стандарта Евро 6 и до девяти. Каждая форсунка производится и тестируется в лаборатории, где ей присваивают определенный код по измеренным данным её работы. После замены форсунок код должен быть прописан в память блока управления с помощью сканера.

Причины вытеснения традиционных дизелей

Способность добиться соответствия строгим экологическим нормам по вредному выхлопу, меньший шум работы двигателя, меньшие габариты, простая конструкция, простота диагностики и обслуживания, более дешевое производство компонентов.

Наши задачи

Данный портал создан энтузиастами и последователями технологии дизельных систем с прямым впрыском типа COMMON RAIL. На страницах нашего сайта Вы можете познакомиться более детально с разными типами систем, которые доминируют на современных автомобилях, узнать об оборудовании с помощью которого можно быстро, эффективно и недорого провести диагностику неисправностей и последующий ремонт. На страницах портала мы размещаем новости и видео с описанием разных систем и приемов ремонта форсунок, клапанов и других компонентов. Мы также проходим регулярное обучение и курсы подготовки специалистов по ремонту дизельных систем типа COMMON RAIL. Если у Вас возникли какие-то вопросы, то мы всегда рады ответить на них в разделе комментарии.

Что из себя представляет Common Rail сегодня

В настоящее время наиболешее распространения получили четыре типа систем, названным по имени их производителя. Это BOSCH, DELPHI, DENSO и SIEMENS , которые также идентифицировались как VDO, а сейчас позиционируется как CONTINENTAL. Каждый автопроизводитель в целях маркетинга имеет собственную аббревиатуру, которая обозначает как систему COMMON RAIL, так и ее отдельные элементы :
— BMW : D-двигатели (также используются Land Rover Freelander как TD4)
— Cummins и Scania : XPI (Совместная разработка)
— Cummins : CCR (Насос Cummins с инжекторами Bosch)
— Daimler : CDI (для автомобилей Chrysler и Jeep — CRD)
— Fiat : Fiat, Alfa Romeo and Lancia — JTD (также называется MultiJet, JTDm, Ecotec CDTi, TiD, TTiD , DDiS, Quadra-Jet)
— Ford Motor : TDCi Duratorq и Powerstroke
— General Motors : Opel/Vauxhall — CDTi (производится Fiat и GM Daewoo) и DTi для Isuzu
— General Motors : Daewoo/Chevrolet — VCDi (лицензирован от VM Motori также имеет брэнд Ecotec CDTi)
— Honda : i-CTDi
— Hyundai и Kia : CRDi
— Mahindra : CRDe
— Maruti Suzuki : DDiS (производится по лицензии Fiat)
— Mazda : CiTD
— Mitsubishi : DI-D (недавно разработано новое поколение 4N1 с давлением в системе впрыска до 2000 bar)
— Nissan : dCi
— PSA Peugeot Citroen : HDI или HDi (Volvo S40/V50 использует двигатели от PSA 1,6D & 2,0D, также используется брэнд
JTD)
— Renault : dCi
— SsangYong : XDi (двигатели собираются по лицензии Daimler AG)
— Subaru Legacy : TD (с января 2008)
— Tata : DICOR
— Toyota : D-4D
— Volkswagen Group : TDI. Полная гамма дизельных двигателей с технологией CR в 2005 году пришла на смену насосу-форсунке.
— Volvo : D3, D4 и D5
— Skoda : TDI