плюсы и минусы двигателей GDI, что это такое

Gasoline Direct Injection, или же более распространенная аббревиатура GDI, скрывает под собой инжекторную систему подачи топлива для бензиновых двигателей с непосредственным (прямым) впрыском топлива. Конструкция устройств у разных производителей идет под разными аббревиатурами. Mitsubishi (а также KIA и Hyndai) дали название GDI, Volkswagen – FSI, Ford – Ecoboost, Toyota – 4D, Mercedes, BMW и некоторые другие скрывают понятие «непосредственный впрыск» в индексе двигателя. При таких системах подачи топливные форсунки вставлены в головку 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 топливный насос высокого давления (ТНВД).

Отличия и особенности работы двигателей GDI прямого впрыска топлива

По факту мы имеем некий симбиоз дизельного и бензинового двигателей в одном. От дизеля GDI унаследовал систему впрыска и ТНВД, от бензина – 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 по характеру и звукам в работе, напоминающим дизель.

Двигатель с непосредственным впрыском топлива явился миру гораздо раньше. В 1950-х годах такие моторы использовал Daimler-Benz на своих гоночных машинах, позже в гражданских, а в авиации они присутствовали еще в начале 1940-х годов.

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 также 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 немалую роль играет электронная начинка.  Блок управления 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 данном виде процедуры 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 присутствует увеличенная степень сжатия топливовоздушной смеси. Это помогает избежать калильного зажигания и детонации, и таким образом, увеличивается ресурс.
• Также к положительным моментам двигателя с непосредственным впрыском GDI нужно отнести существенное снижение выброса в атмосферу углекислого газа и других вредных веществ. Это достигается за счет многослойного смесеобразования, которое обеспечивает 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 экономичной, обеспечивает 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 моментов ах эксплуатации.

• Главный минус связан со сложностями 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. Она вызовет потерю мощности и увеличение расхода топлива.
• Также 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.
• Дополнительно, двигатели GDI и другие с непосредственным впрыском топлива, выбрасывают большее количество сажевых частиц, чем устройства с впрыском MPI (распределенным, в коллектор), что вынуждает ставить сажевые фильтры в последних поколениях моторов.
• Также, двигатели GDI склонны к нагарообразованию во впускном коллекторе и на клапанах при пробеге более 100 тысяч километров, что вынуждает владельцев обращаться в сервис для очистки.

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 – простое решение для владельца автомобиля с системой непосредственного впрыска двигателя GDI или аналогичными системами. Как мы уже писали выше, качество топлива будет играть основную роль. Понятно, что без лабораторных исследований судить о качестве этой составляющей 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, артикул 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 также есть надежное средство, артикул 7554 очиститель систем непосредственного впрыска топлива Direkt Injection Reiniger. Заменяет стендовую очистку форсунок, работает по нагару, смолам. Немаловажный момент, что топливные присадки Liqui Moly начинают работать в системе при повышении температуры, то есть именно там, где чаще всего нужна очистка, 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, такие моторы требуют специального профилактического ухода. В первую очередь, это уход за форсунками. Наиболее 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.

Что такое система GDI двигателя автомобиля и как работает

Чтобы объяснить принцип работы двигателя автомобиля GDI с непосредственным впрыском необходимо для начала рассмотреть теорию работы двигателей.

Вспомним теорию

Чтобы топливо сгорело, нужен воздух для полного сгорания. Такое количество воздуха называется стехиометрическим. Например, для бензина оптимальный состав топливной смеси 14,7:1 — на 1 грамм бензина нужно 14,7 грамма воздуха. Смесь, в которой воздуха больше, чем нужно — называется бедной, а в которой воздуха меньше, чем нужно (больше топлива) — называется богатой.

Слишком бедную смесь не всегда удается поджечь, при работе на богатой — несгоревшее топливо бесполезно «вылетает в трубу».

Вспомним, как работает мотор машины. У бензинового двигателя на такте впуска смесь воздуха и топлива поступает в цилиндр, затем сжимается и поджигается искрой. У дизеля на такте впуска в цилиндр поступает только воздух, который сжимается поршнем под большим давлением и нагревается. К концу сжатия впрыскивается топливо, которое при высоких давлении и температуре самовоспламеняется. Для дизеля нормальная степень сжатия — 18, а у бензиновых — максимум 12.

Чем выше давление в цилиндре — лучше эффективность. А если поднять степень сжатия в бензиновом двигателе? Больше 12 не получается. Потому что есть детонация и калильное зажигание.

Детонация — очень быстрое сгорание топлива в точках, удаленных от свечи, сопровождается резким местным перегревом и перегрузкой деталей мотора. Внешний признак детонации — стук. Калильное зажигание — преждевременное (до появления искры) воспламенение смеси от перегретых деталей камеры сгорания.

Длительная работа с данными факторами недопустима: мотор быстро выйдет из строя. Поэтому заливают высокооктановый бензин (АИ-98), но выше степени сжатия 12 его «не хватает».

Если хотим сделать бензиновый мотор экономичным, «эластичным» и более мощным, то должны избавиться от детонации и научить «питаться» бедной смесью.

Как работает двигатель GDI

Напоминает по конструкции обычный бензиновый и дизель. В каждом цилиндре присутствует свеча зажигания, форсунка, а топливо подается насосом высокого давления под давлением 5 МПа. Форсунка обеспечивает два различных режима впрыскивания топлива.

В работе GDI различаются три возможных режима в зависимости от режима движения автомобиля.

Работа на сверхбедных смесях

Реализуется при малых нагрузках авто: при спокойной езде и движении по трассе на скоростях до 120 км/ч. Топливо подается в цилиндр практически как в дизеле — в конце такта сжатия.

В результате, наиболее обогащенное топливом облако оказывается около свечи зажигания и благополучно воспламеняется, поджигая затем бедную смесь. В результате двигатель устойчиво работает даже при общем соотношении воздуха и топлива в цилиндре 40:1.

Работа на стехиометрической смеси

Используется при интенсивной городской езде, движении по высокой скорости и обгонах автомобилей. При стехиометрическом составе смеси с воспламенением никаких проблем не возникает. Впрыск топлива осуществляется в процессе такта впуска. Топливо впрыскивается коническим факелом, распыляется по всему цилиндру и, испаряясь, охлаждает при этом воздух в цилиндре. Благодаря охлаждению снижается вероятность детонации и калильного зажигания.

Третий режим двигателя GDI

Позволяет повысить момент двигателя авто, когда двигаясь на малых оборотах, резко нажимается педаль акселератора. Если двигатель работает на малых оборотах, а в него вдруг подается обогащенная смесь, вероятность детонации возрастает. Поэтому впрыск осуществляется в два этапа.

Небольшое количество топлива впрыскивается в цилиндр на такте впуска и охлаждает воздух в цилиндре. При этом цилиндр заполняется сверхбедной смесью (примерно 60:1), в которой детонационные процессы не происходят. Затем, в конце такта сжатия, подается струя топлива, которая доводит соотношение до «богатого» 12:1. А на детонацию времени не остается.

В итоге степень сжатия удалось поднять до 12 — 12,5. Двигатель автомобиля устойчиво работает на бедной смеси. По сравнению с бензиновым двигателем, GDI расходует на 10% меньше горючего, выдает на 10% больше мощности и экологичнее на 20%.

TGDI, LSPI и GPF — что они означают и почему они связаны? :: Моррис Лубрикантс

TGDI, LSPI и GPF — что они означают и почему они связаны?

Законодательство о выбросах продолжает определять конструкцию оборудования двигателя, и эта непрерывная эволюция породила новые технологии со своими проблемами.

TGDI или турбированный бензин с непосредственным впрыском был принят многими производителями двигателей для повышения производительности, снижения выбросов и экономии топлива. Этот подход к заправке отдаляет нас от впрыска топлива во впускной коллектор (PFI), когда топливо вводится во впускной коллектор, что позволяет предварительно смешивать его с воздухом перед поступлением в камеру сгорания. В TGDI топливо впрыскивается непосредственно в камеру сгорания. Это, вместе со значительным увеличением давления впрыска, приводит к более тонкому распылению топлива. Процесс сгорания более эффективен, увеличивается мощность при одновременном снижении количества используемого топлива. Меньше топлива, конечно, означает меньше углекислого газа.

Этот усовершенствованный метод заправки имеет вышеуказанные преимущества, но также имеет потенциально катастрофический побочный эффект: LSPI или преждевременное зажигание на низкой скорости.

Низкая скорость Преждевременное зажигание — это явление, с которым сталкиваются небольшие высокопроизводительные бензиновые двигатели. Считалось, что первые случаи LSPI имели место по крайней мере 15 лет назад в очень небольшом ограниченном диапазоне типов двигателей. Однако по мере того, как размеры двигателей уменьшались, для обеспечения мощности и производительности были введены прямой впрыск бензина, турбонаддув и наддув, количество случаев LSPI также увеличилось до опасного уровня. Так что же такое LSPI?

Предварительное зажигание на низкой скорости — это неконтролируемое воспламенение. На такте впуска двигателя TGDI топливо (бензин) впрыскивается непосредственно в камеру сгорания под очень высоким давлением, до 2000 фунтов на квадратный дюйм. Это эффективно вымывает смазку из хонинговальных следов на стенке цилиндра, создавая топливно-смазочную смесь, которая скапливается на головке поршня, когда он движется вверх. На такте сжатия в горячих пределах камеры сгорания происходит преждевременное воспламенение топливно-смазочной смеси. Поршень все еще движется вверх, и в самой высокой точке сжатия оставшаяся топливно-воздушная смесь воспламеняется свечой зажигания, которая заставляет поршень возвращаться вниз на рабочем такте. Однако эта управляемая волна давления встречается с неуправляемой волной давления, которая уже начала двигаться вверх. В месте их встречи выделяется огромное количество энергии, что может вызвать трещины в поршне. Размер этой энергетической волны может варьироваться и в некоторых случаях быть катастрофическим.

Исследования были сосредоточены на топливной системе, химии топлива и смазочных материалов. Хотя фактическая причина этого явления все еще исследуется, с точки зрения химии смазочных материалов было обнаружено, что соединения кальция могут способствовать этому. Имея это в виду, необходимо было разработать новую химию, которая заменит давнюю химию кальция, чтобы помочь смягчить этот вредный побочный эффект.

Другим побочным эффектом TGDI является введение бензиновых сажевых фильтров (GPF). Дизельные сажевые фильтры (DPF) уже более 15 лет являются устройством для нейтрализации отработавших газов и используются для снижения уровня вредных твердых частиц (твердых частиц), попадающих в атмосферу, где они представляют опасность для окружающей среды и здоровья. Высокий уровень распыления в двигателях TGDI существенно увеличивает доступную площадь поверхности топлива, что приводит к образованию углерода. Точно так же, как углерод в дизельных двигателях (сажа) проходит через выхлопную систему, неся вредные побочные продукты сгорания, углерод, образующийся в двигателях TGDI, может делать то же самое. Это привело к внедрению GPF для улавливания этого углерода, чтобы предотвратить его попадание в атмосферу.

Конечно, появление нового оборудования (TGDI, GPF) и новых задач (LSPI) делает выбор смазочного материала еще более важным. Как упоминалось ранее, был разработан новый химический состав, чтобы уменьшить вероятность LSPI, и новые отраслевые спецификации (как международные, так и ориентированные на OEM) теперь доступны на рынке. GPF так же подвержены засорению из-за неправильного выбора смазки, как и DPF, поэтому правильный выбор смазки имеет первостепенное значение. Правильный выбор смазочных материалов поможет избежать дорогостоящих счетов за ремонт и обеспечить максимальную защиту компонентов.

Если есть какие-либо сомнения относительно типа требуемой смазки, всегда обращайтесь за технической консультацией. Вы можете связаться с нашей технической командой здесь.

Блог Адриана Хилла, менеджера по автомобильным продуктам компании Morris Lubricants.

Бензиновый двигатель с непосредственным впрыском (GDI и TGDI) — что это такое, что он обещает и каковы его недостатки?

In Cars, Local News, Proton, Technology / Мохан К. Рамануджам / 18 января 2016 г. 19:07 / 67 комментариев

Сегодня компания Proton Holdings провела успешные испытания своего нового двигателя GDI на заводе Ricardo в Великобритании. Итак, что такое GDI и TGDI и что это означает с точки зрения конструкции двигателя?

GDI означает непосредственный впрыск бензина, а буква T означает Turbo. С точки зрения разработки двигателей Proton это означает переход от многоточечного впрыска (MPI), когда форсунки впрыскивают топливо во впускной тракт, к более эффективному GDI, при этом форсунки стреляют непосредственно в камеру сгорания.

Отличается от других форм впрыска топлива тем, что топливо подается под гораздо более высоким давлением непосредственно в камеру сгорания. Преимущество этого заключается в том, что топливо можно более точно контролировать с точки зрения объема и времени, что приводит к увеличению мощности двигателя при заданной мощности.

Разработка GDI не нова, она впервые появилась в авиационных двигателях более 120 лет назад. В 1990-х годах GDI возродился, и Mitsubishi включила его в свой двигатель 4G93. Другие автопроизводители последовали их примеру в 2000-х годах, а BMW даже опробовала GDI низкого давления в своем V12.

Согласно Proton, его двигатель GDI даст экономию топлива на 25% по сравнению с предыдущим двигателем VVT в Iriz. Как правило, механизм GDI работает в одном из трех режимов. При нормальной работе ECU установит GDI как можно ближе к стехиометрическому соотношению, которое теоретически составляет 14,7: 1 воздуха к бензину по массе.

В то время как идеальное сгорание никогда не достижимо в реальном мире, усилия инженеров, направленные на достижение этой цели, приведут к повышению эффективности использования топлива и уменьшению выбросов. Для новых двигателей Proton это означает работу над будущим стандартом Euro 6C.

При низких оборотах двигателя, когда двигатель работает на холостом ходу или почти на холостом ходу, ЭБУ настраивает двигатель на работу на сверхбедной смеси. В то время как Proton ничего не сказал о том, как далеко они собираются раздвинуть предел, некоторые двигатели других производителей доходят до 65% обеднения, прямо на грани детонации.

Для полностью открытой дроссельной заслонки GDI идет другим путем, обогащая смесь, чтобы обеспечить доступную мощность, и немного оставляя для охлаждения. В приложениях TGDI топливно-воздушная смесь может быть оптимизирована в соответствии с давлением наддува и любыми изменениями атмосферного давления, к которым могут быть чувствительны турбины, которые могут повлиять на работу двигателя.

Преимущество пути GDI заключается в размещении топливной смеси в оптимальном положении, чтобы искра распространяла фронт пламени наиболее эффективным образом. Это означает, что максимальное количество топлива сжигается во время цикла сгорания для максимальной мощности для скорости поршня. Хотя MPI может это сделать, это в гораздо меньшей степени, и эффективность зависит от портирования впускного отверстия.

Итак, если это так и есть преимущества, то каковы недостатки? Одна сложность. Вместо того, чтобы иметь форсунки в коллекторе или впускном тракте, форсунки впрыскивают топливо непосредственно в камеру сгорания.

Это означает одну форсунку на цилиндр, иногда две, в зависимости от конструкции. Головка блока цилиндров должна быть переработана, чтобы приспособиться к этому. Во-вторых, подача топлива находится под гораздо более высоким давлением. Система подачи топлива должна быть модернизирована, а это также означает шланги высокого давления и фитинги.

Кроме того, форсунки GDI более чувствительны к загрязненному топливу или топливу, содержащему слишком высокий процент неоригинальных присадок в неправильном соотношении. Засорение форсунок и нагарообразование вполне возможны, так как отверстия форсунок намного тоньше, чем в MPI.

Поскольку топливо больше не распыляется на заднюю часть впускных клапанов, на впускных отверстиях могут образовываться отложения. Расслоение топливной смеси также может привести к нагарообразованию на стенках камеры сгорания, при этом углеродные примеси блокируют форсунки и забивают каталитические нейтрализаторы, вызывая локальные точки перегрева и приводя к отказу нейтрализатора.

Некоторые конструкторы двигателей решают проблему расслоения и нагарообразования, используя как GDI, так и распределенный впрыск. Блок управления двигателем в таких двигателях, как Toyota D-4S и VW EA888, запрограммирован на использование одной или обеих форсунок, в зависимости от нагрузки и состояния двигателя.

Все это стоит денег, и Proton заявляет, что потратила 600 миллионов ринггитов на разработку новой линейки двигателей. Эта сложность несколько компенсируется включением диагностического программного обеспечения для устранения ошибок в GDI.

Для Proton цифры, которые он ищет в 1.5 TGDi, составляют 180 л.с. и 250 Нм, что уже намного выше, чем у MPI 1.6 CFE, 138 л.с., 205 Нм и на 25% эффективнее. В краткосрочной перспективе двигатели GDI обещают лучшую топливную экономичность и большую мощность на литр топлива, а в долгосрочной перспективе сокращение выбросов пойдет на пользу окружающей среде.