Бедные, бедные смесители — Как капля русского бензина убивает лошадь японского прогресса
Что делать? С новыми автомобилями все понятно. Если фирма официально решается поставлять новые технологии в Россию (или конкретно в Сибирь), значит, знает, на что идет, и будет отвечать за свое "поведение". А как быть с японским second hand?
Mitsubishi Chariot GDI
Красив умен, но не предсказуем.
"Паровоз ни-ка-кой пылинки не любит: машина, брат, это — барышня… Женщина уже не годится — с лишним отверстием машина не пойдет…" Это фраза из романа Андрея Платонова. Такой самобытной мудростью наставлял старый машинист паровоза своего ученика. То было начало 20 века, когда технический прогресс семимильными шагами шел мимо России. Сейчас начало 21 века, последние паровозы догнивают на запасных путях, а люди ездят на автомобилях, которые посложнее паровоза будут. И вот ведь какая закономерность — чем дальше мы от творения Стефенсона, тем актуальней слова того старого машиниста. Во всяком случае, современные Hightec-автомобили из Японии настолько претенциозны в своем строении, что могут напрочь отказаться ехать буквально из-за одной пылинки в бензине. И в первую очередь это касается автомобилей с двигателями с прямым впрыском, работающими на сверхобедненной смеси. А уж бензин у нас бывает такой, что впору не на автомобилях ездить, а возвращаться к паровой тяге.
Что и говорить, сбываются худшие прогнозы иркутских сервисменов — японские ноу-хау, проникающие в последнее время с дальневосточных рынков праворульного second hand, оказываются в крайне враждебной для себя среде и не способны показывать ту замечательную неприхотливость, за которую мы любим "японцев" уже добрых десять лет. Иногда достаточно одной заправки жидкостью, называемой у нас бензином, а на самом деле представляющую собой какую-нибудь смесь из газового конденсата с добавлением чистого тетраэтилсвинца. И конец всем высоким технологиям. Такие жидкости появляются на рынке, когда случаются перебои с поставками кондиционного бензина, что недавно и наблюдалось в регионе. Вот тут-то и началось. Даже традиционные двигатели с карбюратором или впрыском зачастили в сервисы по причине отказов систем зажигания и впрыска, а уж двигатели с прямым впрыском — GDI у Mitsubishi и D4 у Toyota, так и вовсе начали вставать, даже не успев доехать до сервиса. Им не то что суррогат принимать смертельно, даже нормальный заводской бензин противопоказан. Как уже показала практика.
Сейчас нет смысла очень подробно вдаваться в мир теории и всех нюансов моторов GDI (Gasoline Direct Injection — бензиновый прямой впрыск). Он придуман не вчера и не японцами, а в заслугу фирмы Mitsubishi или Toyota можно поставить собственные доработки и внедрение в массовое производство. Чем всегда и отличались японцы. Но то, что прямой впрыск бензина — это не только торчащая непосредственно в цилиндре форсунка, надо представлять очень хорошо. В целом процесс получения и использования энергии выполнен на ином качественном уровне, нежели в обычном двигателе с распределенным впрыском. Конечно, это не ядерный реактор в сравнении с той же паровой машиной, но тем не менее.
Непосредственный впрыск как очередное и эффективное средство в деле оптимизации сгорания смеси и повышения КПД бензинового двигателя реализует простые принципы. А именно, более тщательно распыляет топливо, лучше перемешивает с воздухом и грамотней распоряжается готовой смесью на разных режимах работы двигателя. Цель одна — добиться большей экономичности при сохранении или даже увеличении мощности, а заодно снизить вредные выбросы. Главная сущность прямого впрыска — работа двигателя в ненагрузочных режимах на сверхобедненной смеси, когда соотношение воздух/бензин может доходить до 40:1. И для этого потребовалось внедрять много решений: вихревую форсунку высокого давления вверху камеры сгорания, сложную форму поршня, особенной формы впускные каналы, повышенную до 12 степень сжатия, разные моменты впрыска бензина, более сложный катализатор — иридиевый и платиновый. Первый нужен для работы в экономичных режимах на сверхобедненной смеси, когда резко возрастает выделение окислов азота, а второй для мощностных режимов, когда двигатель работает на смеси в обычной пропорции. Ведь даже двигатель GDI не способен обеспечить силовые нагрузки на обедненной смеси, хотя и здесь расходует топливо более рационально за счет лучшего распыла и прямого впрыска. Стало быть, и электронное управление впрыском здесь куда более сложное и точное, с кучей датчиков. Например, на экономичных режимах маленькую порцию бензина нужно быстро впрыснуть только в конце такта сжатия, а на силовых (разгон, высокие скорости) в начале и "по полной программе", как в обычных двигателях. А ведь могут дополнительно использоваться и "обычные" причиндалы: турбонаддув, система рециркуляции отработавших газов, система изменения фаз газораспределения и т. д. И все же определяющим "наворотом" двигателя GDI является его топливная система, где рабочее давление в случае Mitsubishi почти в двадцать раз выше, чем давление в обычных двигателях с распределенным впрыском, а в случае Toyota и того больше. Иначе не добиться необходимого распыла и т. д. Как следствие, необходимо использовать мощные форсунки, мощные соленоиды, да и другие детали из-за более жесткого режима работы должны быть крепче и, стало быть, более дорогими. А главное, для достижения таких давлений используются прецизионные топливные насосы по типу дизельных.
И что характерно, требования двигателя GDI к октановому числу как раз обычные. Несмотря на высокую степень сжатия, хорошее охлаждение смеси при непосредственном впрыске предполагает использование бензинов с обычными числами (в пределах 92-95). Но система питания и система нейтрализации отработавших газов крайне требовательны к степени очистки и составу бензина, содержанию грязи, свинца и серы. Последней, в принципе, вообще не должно быть, поскольку от серы сразу же "загнется" иридиевый катализатор, но главное — обилие серы вызовет скорый абразивный и коррозийный износ топливной аппаратуры, а также отказ электроники. В Японии двигатели GDI пошли в серийное производство еще в 1996 году, но там к тому времени бензин уже отвечал должным требованиям. В Европе до сих пор выпускается бензин с содержанием серы в 5 раз выше, чем в японском. И только в 2002 году предполагается начать выпуск чистых от серы бензинов. Чтобы успешно продвигать в Европе свои двигатели GDI, фирма Mitsubishi пошла на ряд ухищрений — адаптировала систему нейтрализации и внесла изменения в алгоритм моментов впрыска, чтобы наиболее полно отвечать особенностям езды в Европе. Ведь европейские противники GDI прямо обвиняли японцев в некорректном навязывании своих технологий. Мысль такая: двигатели GDI хороши только для Японии, которой присущи невысокие скорости движения и постоянные пробки — условия, в которых GDI показывает наилучшие результаты по топливной экономии. А для Европы, с ее протяженными автобанами и высокими скоростями (а следовательно, высокими нагрузками на двигатель) преимущества прямого впрыска уже не столь ощутимы. Вот инженеры из Mitsubishi и "подшаманили" двигатели под более жесткие условия работы. Но это касается только тех моторов, что идут на европейский рынок. Таковы общие и схематичные сведения по двигателям GDI, которые у разных фирм по исполнению и принципам работы, конечно, отличаются. А ведь кроме японцев и ряд европейских фирм уже подготовили свои GDI.
А теперь зададимся вопросом, во сколько раз больше серы в нашем бензине? Черт ее знает. Да и всего остального "мусора" не меньше. При этом к нам на рынок second hand поступают Mitsubishi c двигателями GDI с японского рынка, где двигатели не проходили адаптацию даже для Европы и "ждут" чистого, как слеза, бензина. Наплыв таких автомобилей небольшой и начался не так давно, но уже сервисмены отметили ряд характерных проблем, связанных с их эксплуатацией. Как тех, что уже случились, так и тех, которые могут возникнуть впереди.
В первую очередь, надо ясно понимать, что праворульный "японец" даже свежего года уже поездил в Японии и в случае с GDI "съел" определенный ресурс его прецизионной топливной системы. И если даже речь не идет о скорой кончине насоса, то работа электроники из-за плохого бензина начинает давать сбои, и с весьма скоротечными осложнениями.
Обычный двигатель с впрыском топлива
Конкретно по автомобилям Mitsubishi с двигателями GDI уже были и повторялись такие случаи. Машина вдруг начинает глохнуть при добавлении газа, хотя заводится и работает на холостых прекрасно, и даже едет, если нога едва-едва касается педали. Но чуть газанул, и двигатель заглох. В чем дело? А дело как раз в особенностях работы GDI на разных нагрузочных режимах, т. е. в данном случае в особенностях неработы. Как удалось выяснить в ходе "коленочного" обследования и ремонта, дело вот в чем.
Напорная топливная магистраль у Mitsubishi как бы двухступенчатая. Первый насос, что стоит в баке, закачивает бензин и под регулируемым электроникой давлением подает его к основному насосу, который последовательно доводит давление уже до необходимого. Без нагрузки давление маленькое, потому как цилиндры сжигают сверхобедненные смеси и топлива требуется мало. При увеличении давление растет. То есть первый насос работает циклично — "давит" под нагрузкой и "отдыхает" при спокойном режиме. В главном же насосе стоит датчик, который строго следит за давлением. Но к его рабочей части подходит очень узенький каналец, который нетрудно перекрыть бензиновым "мусором". Что и произошло. В таком случае истинное давление в магистрали датчик не "видит". Судя по всему, на легких режимах поступающие от него сигналы не нужны блоку управления, поскольку регулирования впрыска не происходит. Двигатель работает. Но при силовых нагрузках "недостаток" давления становится ложной командой к блокировке впрыска. Двигатель глохнет. Прочисткой забившегося канала, казалось бы, можно решить проблему, но "слепой" датчик успел еще и кончить погружной насос. Судя по всему, он из-за сигналов о ложном топливном голодании перешел на постоянный напорный режим, на что он не рассчитан. Так что пришлось менять и насос.
В другом случае в сервис привезли машину, у которой погружной насос сдох из-за обилия грязи в баке. Грязь забила приемную сетку, давление упало и насос в конце-концов устал бороться с топливным голоданием, постоянно работая на полную катушку. При этом он смог "продавить" часть грязи и погонять ее по топливной системе… Нетрудно предположить, к чему приведет абразивный и коррозийный износ главного насоса, из-за чего давление в магистрали тоже упадет со всеми вытекающими для всего двигателя последствиями. Но пока о случаях капитального ремонта систем впрыска GDI фирмы Mitsubishi сведений не поступало.
А вот тойотовский D4 (устанавливается на некоторые модели Corona, Camry и другие) уже успел ужаснуть собственным "смертельным" номером, которого никто на нашем рынке просто не мог предположить. В двигателе D4 высоконапорный насос представляет единый блок и приводится распредвалом. Установлен непосредственно на головке блока. В этом насосе как раз используется плунжер (в отличие от насоса Mitsubishi, это уже удалось установить достоверно), который на нашем бензине способен очень быстро увеличить зазор между корпусом. Плунжерные пары дизельных ТНВД хоть немного, но смазываются самой соляркой, а здесь этого нет. Наверняка современные зарубежные бензины тоже обладают смазывающими присадками, но в нашем нет ни смазки, ни подобающей очистки. В общем, плунжерная пара изнашивается и давление в системе падает, что тоже ведет к перебоям работы двигателя. Но самое страшное в другом. Проникающий через плунжер лишний бензин должен уходить по специальному отводному каналу. Но это при допустимых порциях. А при сильном износе бензин начинает стекать ручьем мимо канала… прямо в поддон картера! Хорошо разбавляя масло. При сильном износе всего за день-два езды уровень масла может увеличиться вдвое. Таким образом, сначала бензин "разъедает" топливный насос высокого давления, а потом способствует катастрофическому износу кулачков распредвала, вкладышей, поршневой и т. д.
Новый высоконапорный блок для D4 стоит около $900, но не придется ли менять и весь двигатель? Кстати, примеры из жизни показывают, что между привозом машины с двигателем D4 из Японии и началом кончины топливного насоса может пройти всего несколько дней эксплуатации. С одной стороны, это говорит об особенностях заправляемой в бак жидкости, а с другой подтверждает некоторые истины. По идее, при определенном пробеге прецизионные детали должны были поменяться на новые еще в Японии, но японец не стал тянуть до дорогостоящего ТО и сдал машину. Потом она попала в Россию. Кстати, фирма Toyota официально так и не решилась поставлять автомобили с D4 в нашу страну, именно из-за качества топлива. Фирма Mitsubishi отважилась, хотя известно, что уже были проблемы с топливной системой совсем новой Carisma GDI, и все из-за грязного бензина. Похоже, не лучше себя будут чувствовать и европейские автомобили с подобными двигателями, если их начнут завозить в Россию с началом серийного производства.
Очевидно одно — импортные автомобили новаторской волны сегодня мало пригодны для нашего рынка. По двум основным причинам: качество топлива и совсем иные требования к регламенту техобслуживания, к которому наш потребительский рынок еще не готов. Многие прецизионные детали суперсистем уже явно не готовы отхаживать два или даже три срока, как это спокойно могли их более простые "предки". Они требуют своевременной замены и только. Что делать? С новыми автомобилями все понятно. Если фирма официально решается поставлять новые технологии в Россию (или конкретно в Сибирь), значит, знает, на что идет, и будет отвечать за свое "поведение". А как быть с японским second hand? Уже состоявшимся владельцам таких автомобилей можно посоветовать только тщательный выбор топлива с использованием хороших присадок и более внимательное "наблюдение" за работой двигателей. Как ни печально признать, сейчас многие сервисы стараются не связываться с подобными автомобилями, поскольку мало что знают сами и боятся сделать еще хуже. К тому же, и без того в последнее время проблем, вызванных рядом "стихийных бедствий", было достаточно даже с обычными автомобилями. Суррогатный бензин при дефиците заводского испортил не одну систему зажигания в лучшем случае, и топливную — в худшем. К этому еще добавились замаскированные "утопленники" с востока. Как правило, у многих вся электрика уже на стадии разложения и процессор давно включил лампочку Check engine, но ради продажи щиток на каком-то этапе был вскрыт и лампочку просто убрали.
Так что сегодня доверяться супертехнологиям не стоит. Конечно, приятно, когда твоя машина расходует топлива на 10-30% меньше, чем обычный одноклассник, но, похоже, это самообман. Лучше уж довериться традиционным японским конструкциям, старым добрым распределенным системам впрыска, которые пока еще доминируют на рынке second hand и в рекомендациях не нуждаются.
Gasoline Direct Injection, или же более распространенная аббревиатура GDI, скрывает под собой инжекторную систему подачи топлива для бензиновых двигателей с непосредственным (прямым) впрыском топлива. При такой системе подачи, топливные форсунки расположены в головке блока цилиндров, и распыление происходит сразу в каждую камеру сгорания, минуя впускной коллектор и впускные клапана. Топливо подается под большим давлением в цилиндр, чему способствует ТНВД (топливный насос высокого давления).
Отличия моторов прямого впрыска топлива GDI. Особенности работы двигателей GDI
По факту мы имеем некий симбиоз дизельного и бензинового двигателей в одном и каждый производитель именует такую систему по своему. GDI двигатели у Mitsubishi, FSI ставит обозначение VW, D4 обозначение Toyota. От дизеля GDI унаследовал систему впрыска и ТНВД, от бензинового двигателя сам тип топлива и свечи зажигания. Родоначальником моторов GDI стала компания Mitsubishi, когда в 1995 году был представлен Mitsubishi Galant 1.8 GDI. Сегодняшний двигатель с непосредственным впрыском это сложная система механизмов и электронных блоков.
Двигатель с непосредственным впрыском топлива явился миру гораздо раньше — в 50-х годах такие моторы использовал Daimler-Benz на своих гоночных машинах.
Различия (разновидности) двигателей GDI. Марки автомобилей, где используется GDI
Предпосылки создания и массового перехода большинства ведущих автопроизводителей на системы впрыска, аналогичных GDI, были достаточно предсказуемы. Экологические нормы, требующие усовершенствования систем выхлопа отработанных газов, а так же глобальная задача по созданию экономичных двигателей. В двигателях GDI реализованы несколько типов смесеобразования топливовоздушной смеси, это позволило выполнить задачи по экономии топлива, более полному сгоранию смеси и дополнительно увеличить мощность. В совокупности такой двигатель получился благодаря доработанной системе прямого впрыска, где не малую роль играет электронная начинка. Блок управлением двигателя, через датчики, раскиданные по системе, оперативно реагирует на малейшие изменения поведения автомобиля и подстраивает работу топливной системы под необходимые требования водителя
Преимущества (плюсы) двигателей GDI
Особенностью двигателей с непосредственным впрыском является возможность работы в нескольких видах смесеобразования. Это является неоспоримым плюсом, так как многообразие в смесеобразовании дает максимальную эффективность использования топлива. При исправно работающей системе непосредственного впрыска мы получим экономию топлива за счет режима работы на сверхобедненной смеси, причем без потери мощности. В двигателях GDI увеличенная степень сжатия топливовоздушной смеси, это помогает избежать калильного зажигания и детонации, а таким образом увеличивается ресурс. Так же в положительные моменты двигателя с непосредственным впрыском нужно отнести существенное снижение выброса в атмосферу углекислого газа и других вредных веществ, а это достигается за счет многослойного смесеобразования, в свою очередь дающее более полное сгорание смеси, что дополнительно влияет на мощность двигателя.
Система GDI в результате работы обеспечивает несколько видов смесеобразования:
— послойное;
— стехиометрическое гомогенное ;
— гомогенное.
Такое многообразие делает работу двигателя экономичным, лучшее качество образования смеси, ее полное сгорание, увеличение мощности, уменьшение вредных выбросов.
Недостатки (минусы) двигателей GDI
Описание двигателей GDI было бы не полным, без упоминания отрицательных моментах эксплуатации. Главный минус GDI связан со сложностью самой системы впуска и подачи топлива. В таком варианте впрыска, двигатель GDI становится крайне чувствительным к качеству используемого топлива. В итоге проблема закоксовывания форсунок становится актуальной для водителя, потеря мощности и увеличение расхода топлива никого не обрадует. Так же в минусы можно отнести сложность обслуживания и стоимость ремонта, замены деталей и агрегатов топливной системы, поэтому важным моментом является контроль за состоянием топливной системы автомобиля.
Да, в обслуживании двигатель GDI дороже, но рабочие характеристики перекрывают этот минус. Тем более, есть средства помогающие повысить ресурс капризных деталей и узлов.
Профилактика неисправностей моторов GDI
Профилактика — это простое решение для владельца автомобиля с системой непосредственного впрыска GDI или аналогичными системами. Как мы уже писали выше, качество топлива будет играть основную роль. Понятно, что без лабораторных исследований судить о качестве топлива невозможно, поэтому в качестве профилактических мер и защиты топливной системы от возникающих проблем могут помочь топливные присадки. Компания Liqui Moly один из мировых лидеров в производстве автохимии рекомендует, для поддержания необходимого уровня смазывающих и очищающих присадок в используемом топливе применять Langzeit Injection Reiniger арт. 7568. Постоянное применение присадки значительно снизит риск возникновения поломок связанных с топливом, пакеты присадок, поднимающие смазывающие свойства топлива надежно защитят топливную аппаратуру от скорого износа. Для лечения и профилактики загрязнений форсунок так же есть надежное средство, арт. 7554 Очиститель систем непосредственного впрыска топлива Direkt Injection Reiniger. Заменяет стендовую очистку форсунок, работает по нагару, смолам и чистит камеру сгорания. Немаловажный момент, что топливные присадки Liqui Moly начинают работать в топливной системе при повышении температуры, а в баке происходит только смешивание с топливом.
Стоит ли покупать автомобили с двигателями GDI
При должном подходе и своевременном обслуживании владелец автомобиля с системой GDI получает комфортный в управлении автомобиль с высокой тягой, мощностью и хорошей экономией топлива. И как показывают продажи таких автомобилей, на дорогах встречаться они будут чаще.
Итог
Двигатели GDI – были одними из первопроходцев систем непосредственного впрыска топлива. Обладая очевидными преимуществами, двигатели GDI требуют специального профилактического ухода. В первую очередь, это уход за форсунками. Самым простым способом является использование присадок в топливную систему. Производя профилактический уход за топливной системой автомобилей с двигателями GDI, автовладелец может продлить его ресурс и наслаждаться повышенной мощностью и динамикой.
Автопроизводители не стоят на месте, развитие и усовершенствование двигателей с системами непосредственного впрыска продолжается. Уже представлены автомобили с моторами T-GDI, но это уже другой рассказ.
Инновационная технология двигателестроения в течение многих лет была приоритетом развита компании Mitsubishi Motors. В частности, компания Mitsubishi стремилась повысить эффективность двигателей в стремлении удовлетворить растущие требования со стороны экологии, как-то уменьшение расхода топлива и сокращение эмиссии СО2, чтобы ограничить отрицательное действие парникового эффекта.
Mitsubishi приложила существенные усилия к развитию двигателя с прямым впрыском бензина. В течение многих лет автомобильные инженеры полагали, что этот тип двигателя имеет самый большой потенциал для оптимизации подачи топлива и сгорания, что, в свою очередь, может обеспечить лучшее качество работы и снизить потребление топлива. Однако до сих пор никто не спроектировал удачный двигатель с прямым впрыском топлива в цилиндр (Gasoline Direct Injection — GDI), пригодный для массового производства. Разработанный в компании Mitsubishi двигатель типа GDI (усовершенствованного прямого впрыска бензина) — это реализация мечты инженера.
Для подачи топлива обычные двигатели используют систему впрыска топлива, которая заменила систему карбюрации. Система MPI, или система многоточечного впрыска, где топливо подводится к каждому устройству ввода, является в настоящее время одной из наиболее широко используемых систем. Однако даже в двигателях MPI имеются ограничения на условия подачи топлива и управление сгоранием, потому что топливо смешивается с воздухом перед введением в цилиндр. Mitsubishi намеревалась раздвинуть эти пределы, разрабатывая двигатель, где бензин вводится непосредственно в цилиндр, аналогично дизельному двигателю, и, кроме того, моментом впрыска управляют в точном соответствии с условиями нагрузки. Двигатель GDI достиг следующих выдающихся показателей:
- чрезвычайно точный контроль порции топлива в результате сгорания ультрабедных смесей топливная, эффективность превышает эффективность дизельных двигателей
- очень эффективный впрыск и уникально высокая степень сжатия обеспечивают данному двигателю GDI высокую эффективность и отличную приемистость, которые превосходят таковые для обычных двигателей MPI
Технология, реализованная Mitsubishi для двигателя GDI, является краеугольным камнем для следующего поколения высокоэффективных двигателей. Очевидно, эта технология будет развиваться и далее.
На рисунке показано развитие системы подачи топлива.
Рис. Развитие системы подачи топлива
Главные цели двигателя GDI
Разработка двигателя GDI позволяет решить следующие основные задачи:
- добиться ультранизкого потребления топлива, лучшего, чем у любого из дизельных двигателей
- обеспечить мощность, превосходящую мощность обычных двигателей MPI
Технические особенности двигателя GDI
Двигатель GDI имеет следующие технические особенности:
- строго вертикальные каналы ввода для оптимального управления потоком воздуха в цилиндре
- поршни с круглой выборкой в верхней части для лучшего сгорания топлива
- топливный насос высокого давления для подачи топлива в инжекторы под давлением
- вихревые инжекторы высокого давления для создания оптимальной воздушно-топливной смеси
Оптимальная топливная струя для двух режимов сгорания
Используя собственные уникальные методы и технологии, Mitsubishi смогла добиться, что двигатель GDI обеспечивает и меньшее потребление топлива, и более высокую выходную мощность. Этот внешне противоречивый и трудный трюк реализован путем применением двух режимов сгорания. Кроме того, момент впрыска меняется, чтобы соответствовать нагрузке двигателя.
Для условий нагрузки, испытываемой автомобилем при типичном городском движении, топливо впрыскивается в конце такта сжатия, аналогично дизельному двигателю, благодаря этому достигается ультрабедное сгорание за счет идеального формирования стратифицированной воздушно-топливной смеси. В идеальных условиях движения топливо вводится на такте впуска. Это гарантирует гомогенную воздушно-топливную смесь, подобную смеси обычных двигателей MPI, что обеспечивает более высокую выходную мощность.
Режим ультрабедного сгорания
При нормальных условиях движения, до скорости 120 км/ч, двигатель GDI Mitsubishi работает в режиме ультрабедного сгорания, что приводит к наименьшему потреблению топлива. В этом режиме впрыск происходит на последней стадии такта сжатия, и в цилиндре сгорает ультрабедная смесь с отношением «воадух-толливо» 30—40 (включая EGR 35-55).
Режим повышенной выходной мощности
Когда двигатель GDI работает с более высокими нагрузками или на более высоких оборотах, имеет место впрыск топлива во время такта впуска. Это оптимизирует сгорание благодаря гомогенной и более холодной воздушно-топливной смеси, которая минимизирует возможность детонации.
Фундаментальные технологии двигателя GDI
В основе конструкции двигателя GDI лежат четыре технических особенности:
- Вертикально прямой канал ввода — поставляет оптимальный поток воздуха в цилиндр
- Поршень с криволинейной вершиной — управляет сгоранием, помогая формировать воздушно-топливную смесь
- Топливный насос высокого давления — обеспечивает давление необходимое для прямого впрыска в цилиндр
- Вихревой инжектор высокого давления — управляет испарением и дисперсией топливной струи
Эти фундаментальные технологии, объединенные с другими уникальными технологиями управления подачей топлива, позволили компании Mitsubishi достигнуть обеих целей разработки потреблении топлива у двигателя GDI ниже, чем у дизельных двигателей, а выходная мощность выше, чем мощность обычных двигателей MPI.
Струя воздуха внутрь цилиндра
Двигатель GDI имеет вертикальные прямые каналы впуска смеси, а не горизонтальные, используемые в обычных двигателях. Вертикальные прямые каналы эффективно направляют поток, воздуха вниз на поршень с криволинейной поверхностью верхней части, которая сильно изменяет направление струи, образуй обратный вихрь для оптимального перемешивания впрыснутого топлива.
Струя топлива
Недавно разработанные вихревые инжекторы высокого давления обеспечивают идеальную струю со структурой, соответствующей каждому из режимов эксплуатации двигателя. В то же самое время, благодаря сильно турбулентному движению топливной струи, инжекторы обеспечивают достаточную степень распыления топлива, что является обязательным для двигателя типа GDI даже с относительно низким топливным давлением 50 кг/см3.
Оптимизированная конфигурация камеры сгорания
Поршень с криволинейной выемкой на вершине управляет формой воздушно-топливной смеси, так же как и струя воздуха в камере сгорания, что играет важную роль в образовании компактной воздушно-топливной смеси. Смесь, которая вводится на последней стадии такта сжатия, направляется к свече зажигания прежде, чем она сможет рассеяться.
Чтобы определить оптимальную форму вершины поршня компания Mitsubishi использовала передовые методы наблюдения процессов в цилиндре, включая лазерные методы.
Базовая концепция
В обычных бензиновых двигателях было бы затруднительно обеспечить распыление воздушно-топливной смеси с идеальной плотностью вокруг свечи зажигания. Однако это стало возможным в двигателе GDI. Кроме того, достигнуто чрезвычайно низкое потребление топлива, потому что идеальная стратификация позволяет топливу, введенному на поздней фазе такта сжатия, поддержать сгорание сверхбедных воздушно-топливных смесей.
В ходе тестовых испытаний двигателя было показано, что воздушно-топливная смесь с оптимальной плотностью собирается вокруг свечи зажигания в виде стратифицированного заряда топлива. Это также было подтверждено анализом поведения топливной струи непосредственно перед воспламенением и анализом мгновенного состава воздушно-топливной смеси.
В результате достигнуто чрезвычайно устойчивое сгорание ультрабедной смеси с отношением «воздух-топливо» 40:1 (55:1 при включении рециркуляции выхлопа).
Сгорание ультрабедной смеси
В обычных двигателях МРI существовали пределы обеднения смеси из-за больших вариаций характеристик сгорания. Однако стратифицированная смесь в двигателе GDI позволила значительно уменьшить воздушно-топливное отношение, не приводя к худшему сгоранию. Например, в период холостого хода, когда сгорание является наименее активным и непостоянным, двигатель GDI поддерживает устойчивое и быстрое сгорание даже чрезвычайно бедной смеси с отношением «воздух-топливо» 40:1 (55:1 с включением режима EGR). На рисунке показана разница в работе между GDI и обычной многоточечной системой впрыска.
Рис. Параметры двигателя GDI и двигателя с обычной системой MPI
Потребление топлива автомобилем рассматривается в условиях холостого хода, круиза и городского движения.
Потребление топлива в режиме холостого хода
Двигатель GDI поддерживает устойчивое сгорание даже на низких оборотах холостого хода. Более того, он обеспечивает большую гибкость в регулировании скорости холостого хода. Его потребление топлива в этом режиме на 40% меньше по сравнению с обычными двигателями.
Рис. Потребление топлива в режиме холостого хода
Потребление топлива в режиме постоянной скорости движения
На скорости 40 км/ч двигатель GDI потребляет на 35% меньше топлива, чем сопоставимый по размерам обычный двигатель.
Рис. Потребление топлива в режиме постоянной скорости движения
Потребление топлива в городском цикле
При проведении испытаний в типовом режиме городского движения двигатель GDI потреблял на 35% меньше топлива, чем обычные бензиновые двигатели тех же размеров. Кроме того, испытания показали, что двигатель GDI потребляет даже меньше топлива, чем дизельные двигатели.
Рис. Потребление топлива в городском цикле
Контроль эмиссии
Предыдущие попытки сжигать бедные воздушно-топливные смеси приводили к трудностям в регулировании эмиссии NOx. Однако для двигателя GDI достигнуто 97-процентное сокращение окислов NOx при использовании высокого (порядка 30%) уровня рециркуляции выхлопного газа. Этот результат достигается благодаря уникально устойчивому сгоранию топлива в двигателе GDI, а также благодаря недавно разработанному катализатору обедненных окислов азота, На рисунке показан график эмиссии NOx для этого двигателя, на рисунке ниже — катализатор обедненных окислов азота.
Рис. Новейший катализатор обедненных окислов азота
Базовая концепция
Чтобы достичь мощности выше, чем у обычных двигателей типа MPI, двигатель GDI имеет высокую степень сжатия и очень эффективную систему забора воздуха, которые приводят к повышению объемной эффективности.
Повышенная объемная эффективность
По сравнению с обычными двигателями, двигатель GDI от Mitsubishi обеспечивает более высокую объемную эффективность. Вертикальные прямые впускные каналы создают более ровный забор воздуха. Испарение топлива, которое происходит в цилиндре на последней стадии такта сжатия, охлаждает воздух для повышения объемной эффективности.
Рис. Повышенная объемная эффективность
Увеличенная степень сжатия
Охлаждение воздуха в цилиндре за счет испарения топлива имеет и другое преимущество — минимизация возможности детонации. Это позволяет применять высокую степень сжатия, около 12, и, таким образом, улучшить сгорание. По сравнению с обычными двигателями MPI сопоставимого размера, двигатель GDI обеспечивает приблизительно на 10% большую выходную мощность и крутящий момент на всех скоростях вращения.
Рис. Увеличенная степень сжатия
В режиме повышенной выходной мощности двигатель GDI обеспечивает значительное постоянное ускорение. На рисунке сравнивается работа двигателя GDI и обычного двигателя MPI в режиме ускорения автомобиля.
