Щоб пояснити принцип роботи двигуна GDI з безпосереднім уприскуванням необхідно для початку розглянути теорію роботи двигунів.
ТЕОРІЯ РОБОТИ ДВИГУНА
Щоб паливо згоріло, потрібне повітря. Але треба змішати з паливом стільки повітря, скільки потрібно для повного згоряння. Така кількість повітря називається стехиометрическим. Наприклад, для бензину оптимальний 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».
Повітря потрібен 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.
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 дизеля нормальна ступінь стиснення - 18, а у бензинових - ледь досягає 12. А вище тиск в циліндрі - вище і ефективність.
А якщо підняти ступінь стиснення в бензиновому двигуні? Пробували. Але вище 12 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. Краплинне запалювання - передчасне (до появи іскри) запалення суміші від перегрітих деталей камери згоряння.
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 «годують» високооктанових бензином (АІ-98), але вище ступеня стиснення 12 його «не вистачає».
Якщо хочемо зробити бензиновий двигун економічним, «еластичним» і при цьому більш потужним, то повинні позбавити його від детонації і навчити «харчуватися» бідної сумішшю. Ось якби паливо впорскується безпосередньо в циліндр ...
ЯК ПРАЦЮЄ ДВИГУН GDI?
Двигун GDI 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. Форсунка забезпечує два різних режиму впорскування палива.
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.
Робота на стехиометрической суміші. Цей режим використовується при інтенсивній міській їзді, високошвидкісному заміському русі і обгонах. При стехиометрическом складі суміші із запалюванням ніяких проблем не виникає. 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.
Ще один режим реалізує система управління GDI. Він дозволяє підвищити момент двигуна в тому випадку, коли рухаючись на малих обертах, різко натискається педаль акселератора. Якщо двигун працює на малих обертах, а в нього раптом подається збагачена суміш, ймовірність детонації 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 понад бідної сумішшю (приблизно 60: 1), в якій детонаційні процеси не відбуваються. Потім, в кінці такту стиснення, подається струмінь палива, яка доводить співвідношення повітря і палива в циліндрі до «багатого» 12: 1. А на детонацію часу не залишається.
Що в підсумку? Ступінь стиснення вдалося підняти до 12-12,5, двигун стійко працює на бідній суміші. У порівнянні з бензиновим двигуном, GDI витрачає на 10% менше палива, видає на 10% більше потужності і екологічніше на 20%.