GDI (Gasoline Direct Injection)
Понад 100 років на автомобілі встановлюється бензиновий ДВС і вже майже 100 - двигун Дизеля. Ми давно до них пристосувалися і, добре знаючи їх достоїнства і недоліки, застосовуємо той або інший за обставинами. Бензиновий двигун легко пускається, розгониться швидко і до високих оборотів, має велику літрову потужність і дешевше коштує. Тому його ми частіше бачимо на легкових і невеликих вантажних автомобілях.
Дизель і сам по собі коштує дорожче, і дорожче в обслуговуванні, не настільки швидкохідний, видає меншу потужність з літра робочого об'єму, має підвищений рівень шуму і гірше пускається. Зате, і це головне, - споживає куди менше палива. причому більш дешевого. Зрозуміло, що практично весь важкий і комерційний транспорт "їздить» на дизелях. Але покупці легкових автомобілів, все частіше замислюються про те, який двигун їм перевагу. І досить часто вибирають дизель. Хоча ще краще, якби два в одному. І швидкий, і тихий, і з легким пуском, і щоб паливо взимку не застигало, та й потужність вище не завадить. Але чудес не буває. Буває теорія двигунів.
Щоб паливо згоріло, потрібне повітря. Але треба змішати з паливом стільки повітря, скільки потрібно для повного згоряння. Така кількість повітря називається стехиометрическим. і воно, звичайно ж, давно відомо. Наприклад, для бензину оптимальний (теоретично) склад паливної суміші виражається співвідношенням 14,7: 1, тобто на 1 грам бензину потрібно 14,7 грама повітря. Суміш, в якій повітря більше, ніж потрібно, називається бідною, а та, в якій повітря менше, ніж потрібно (тобто більше палива), називається багатою. Занадто бідну суміш не завжди вдається підпалити, при роботі на багатій суміші незгоріле паливо марно «вилітає в трубу» і росте викид чадного газу.
Але повітря потрібне не тільки для згоряння. чим вище тиск в циліндрі перед займанням суміші, тим більше віддача двигуна. І нам дуже вигідно, щоб більше повітря потрапило в циліндр на такті впуску: тим більше потім буде тиск. А ось тепер пора розбиратися, чому дизель економічніше.
Принцип роботи ДВС
Згадаймо, як працює ДВС. У бензинового двигуна на такті впуску суміш повітря і палива надходить в циліндр, потім вона стискається і підпалюється іскрою. У дизеля на такті впуску в циліндр надходить тільки повітря, який стискається поршнем під великим тиском і від цього ще й нагрівається. До кінця стиснення в циліндр впорскується паливо, яке при високих тиску і температурі самозаймається. Тиск в циліндрі дизеля набагато вище, ніж в циліндрі двигуна внутрішнього згоряння: для сучасного безнаддувного дизеля цілком нормальна ступінь стиснення 20, а у серійних бензинових, навіть самих «затиснутих», ледь досягає 11. А вище тиск в циліндрі - вище і ефективність. Відразу думка: а підняти ступінь стиснення в бензиновому двигуні. Пробували. Але вище 11 ніяк не виходить. Тому що є такі явища, як детонація і краплинне запалювання.
Детонація - дуже швидке згоряння палива в точках, віддалених від свічки. супроводжується різким місцевим перегрівом і перевантаженням деталей двигуна. Зовнішня ознака детонації - стук - ми чуємо, коли, намагаємося різко розігнатися після заправки низькооктанових бензином.
Краплинне запалювання - передчасне (до появи іскри) запалення суміші від перегрітих деталей камери згоряння (наприклад - від того ж електрода свічки). Тривала робота з детонацією і калильним запалюванням неприпустима: мотор швидко вийде з ладу. Детонацію і краплинне запалювання провокують висока температура і високий тиск. Щоб уникнути детонації мотори з високим ступенем стиснення заправляють високооктанових бензином (98), але вище ступеня стиснення 11 і його не вистачає.
Що відбувається при малих навантаженнях. Ми зменшили газ і поїхали повільніше. Що це означає для бензинового мотора? Коли ми відпускаємо педаль акселератора. на впуску прикривається дросельна заслінка. а це значить, що ми зменшуємо не тільки кількість палива, що подається, але і кількість повітря. Менше повітря в циліндрі - менше тиск в кінці стиснення. Але це при карбюраторі. скажете ви. А як же бензиновий двигун з уприскуванням палива? Адже там-то можна зменшити подачу палива, що не зменшуючи кількість повітря? Можна, але до певної межі. Тому що занадто бідна суміш не буде спалахувати іскрою, і щоб суміш не збіднюючи занадто сильно, дросель все ж доведеться прикрити, і тиск знизиться. Менше тиск в циліндрі - менше момент на виході.
А що значить відпустити педаль у дизеля? Це означає, що в циліндр буде просто подаватися менше палива. Але кількість всмоктуваного повітря залишиться колишнім. і тиск в кінці такту впуску не зміниться. Так, суміш в циліндрі стане бідною, але дизель благополучно працює і на бідній суміші - адже там інший принцип займання і інше паливо! І дизель залишається досить ефективним і при малих навантаженнях. Якщо ми хочемо зробити бензиновий двигун економічним, «еластичним» і при цьому більш потужним, то ми повинні позбавити його від детонації і навчити харчуватися бідної сумішшю.
Отже, проблема в тому, що іскра вперто не бажає запалювати бензоповітряна суміш більш бідну, ніж в співвідношенні 17: 1. Але ж можна заповнювати циліндр зовсім бідною сумішшю, а безпосередньо до свічки подавати багатшу, яка займеться. Намагалися: наприклад, в форкамерно двигуні ця ідея і була закладена. Реальних же результатів вдалося досягти на моторах з розподіленим уприскуванням палива: тут домагаються стійкої роботи на суміші з співвідношенням 22: 1, але сильніше збіднити суміш все одно не вдається. Адже в разі звичайного розподіленого уприскування смесеобразование зовнішнє - форсунка впорскує бензин у впускний трубопровід. І доставити багатшу частину потоку суміші до свічки ми можемо тільки за рахунок спрямування потоку методами аеродинаміки, наприклад, певним чином його завихрюючись. Ось якби паливо впорскується безпосередньо в циліндр.
Бензинові двигуни з безпосереднім уприскуванням з'явилися досить давно і застосовувалися в авіації вже в роки Другої світової війни. Двигуни для автомобілів теж розроблялися, по крайней мере в нашій країні їх випробовували вже в кінці 40-х. Однак ще довгий час не вдавалося впоратися з серйозними недоліками безпосереднього вприскування, зокрема - «дизельним» димленням на потужних режимах. Та й мотор виходив досить дорогим, а тому економічно невигідним. І безпосереднім уприскуванням практично перестали займатися.
пристрій GDI
Дійсно, цей двигун нагадує за конструкцією і звичайний бензиновий, і дизель. У кожному циліндрі присутній і свічка запалювання. і форсунка. а паливо подається насосом високого тиску під тиском 5 МПа (50 атм.). Форсунка забезпечує два різних режиму впорскування палива. Звернемо увагу на такі особливості. Впускний трубопровід підходить до циліндра зверху. Це дозволяє отримати падаючий потік повітря, який після контакту з поршнем розвертається і рухається вгору, закручуючись за годинниковою стрілкою (така організація повітряного потоку дозволяє досягти оптимальної концентрації палива безпосередньо біля свічки). За майже прямому трубопроводу потік рухається з дуже високою швидкістю, і навіть коли поршень досяг нижньої мертвої точки. ще деякий кількості повітря входить в циліндр за інерцією.
Поршень незвичайний - зверху є виїмка сферичної форми. Форма поршня забезпечує три важливі функції. По-перше, дозволяє задати повітряному потоку потрібний напрямок руху. По-друге, направляє впорскується паливо безпосередньо до свічки запалювання, що важливо при роботі на гранично бідних сумішах. По-третє, визначає поширення фронту полум'я.
Як працює GDI
Розрізняються три можливих режиму в залежності від режиму руху.
Цей режим використовується при малих навантаженнях: при спокійній міській їзді і заміському русі на швидкостях до 120 км / ч. У цьому випадку паливо подається в циліндр практично як в дизелі - в кінці такту стиснення. Паливо впорскується компактним факелом і, змішуючись з повітрям, направляється сферичної виїмкою поршня. В результаті найбільш збагачене паливом хмара виявляється безпосередньо біля свічки запалювання і благополучно запалюється, підпалюючи потім бідну суміш. В результаті двигун стійко працює навіть при загальному співвідношенні повітря і палива в циліндрі 40: 1.
Цей режим використовується при інтенсивній міській їзді, високошвидкісному заміському русі і обгонах. При стехиометрическом складі суміші із запалюванням ніяких проблем не виникає. Але оскільки було б бажано підвищити ступінь стиснення. то важливим стає не допустити детонації і гартівного запалення. Впорскування палива здійснюється в процесі такту впуску. Паливо впорскується конічним факелом, розпорошується по всьому циліндру і, випаровуючись, охолоджує при цьому повітря в циліндрі. Завдяки охолодженню знижується ймовірність детонації і гартівного запалення.
- І ще один режим реалізує система управління GDI.
Він дозволяє підвищити момент двигуна в тому випадку, коли водій, рухаючись на малих обертах, різко натискає педаль акселератора. Коли двигун працює на малих обертах, а в нього раптом подається збагачена суміш, ймовірність детонації ще зростає. Тому впорскування здійснюється в два етапи. Невелика кількість палива впорскується в циліндр на такті впуску та охолоджує повітря в циліндрі. При цьому циліндр заповнюється надбідній сумішшю (приблизно 60: 1), в якій детонаційні процеси не відбуваються. Потім, в кінці такту стиснення, подається компактний струмінь палива, яка доводить співвідношення повітря і палива в циліндрі до «багатого» 12: 1. А на «підготовку» детонації часу вже не залишається.
Отже, що, врешті-решт, получется на виході? Ступінь стиснення вдалося підняти до 12-12,5, покращився наповнення повітрям. Двигун стійко працює і на дуже бідної суміші. Результат: у порівнянні з «звичайним» бензиновим двигуном GDI витрачає на 10% менше палива, видає на 10% більше потужності і викидає на 20% менше вуглекислого газу.