GDI двигатель: что это такое

История двигателей GDI (Gasoline Direct Injection) берет начало в 1925 году, когда шведский инженер Е.Хесселаман создал легкую и экономичную установку с искровым зажиганием, работающую сразу на нескольких видах топлива: бензине, солярке, масле и керосине. Подача топлива в камеры сгорания осуществлялась насосом, а для воспламенения слабо сжимаемой смеси использовались свечи. По мере изменения внешних температур менялся и вид топлива. В сравнении с предшественником современные GDI-агрегаты многократно улучшены и заслужили признание ведущих компаний мирового автопрома, хотя в качестве топлива в них используется лишь бензин. Первой серийный выпуск авто с установкой Gasoline Direct Injection начала компания Daimler-Benz. Рассмотрим подробнее, что такое GDI двигатель? Как он устроен? Что делает его популярным? И есть ли у него недостатки?

Чем отличается GDI двигатель

В GDI-двигателях реализована идея прямого впрыска топлива в камеру сгорания. Подобное решение для остальных бензиновых агрегатов нехарактерно. GDI двигатели объединили в себе некоторые черты двигателей на бензине и на дизельном топливе, получив в итоге очень достойные характеристики. От дизелей GDI достался топливный насос, подающий топливо под давлением около 4,8 Мпа (примерно 50кг/см²) и система впрыска на финальной стадии сжатия, а от бензиновых – тип топлива и свечи зажигания. Форсунка в GDI направляет топливо прямо в цилиндр, там же происходит его смешивание с воздухом, однако для зажигания смеси используется искра.

Впрыск топлива в обычном инжекторном двигателе и GDI.

Концепция превосходства

Подаваемая в цилиндр смесь хорошо структурирована, направляется по выверенной траектории, распределяется по всему объему, но в разной концентрации. Обедненная порция так называемой «холодной» концентрацией достигает стенок цилиндра, тогда как более богатая «горячая» – остается в центре, где располагается свеча. В этом секрет сохранения работоспособности двигателя, несмотря на использование сверхобедненных смесей, что объясняется созданием необходимой концентрации у самой свечи. Вдобавок агрегат оснащается двумя топливными насосами, один из которых дислоцируется в баке, что типично, а другой, насос высокого давления (ТНВД), создает атмосферу в топливной рампе.

Благодаря ТНВД удалось свести к минимуму время открывания форсунок и понизить расход бензина, сохранив на достойном уровне крутящий момент и разгонные показатели. В двигателях с инжектором на холостых оборотах открытие форсунки происходит через 3 мс, а в GDI-двигателях – через 0,51 мс. Это в 6 раз быстрее!

На практике для достижения всех плюсов прямого впрыска инженерам пришлось сделать многое, например:

• изменить форму поршневого днища так, чтобы она обеспечивала подачу смеси непосредственно к свече;
• увеличить давление бензина с 3 до 50 бар;
• выполнить в головке блока каналы впуска для получения воздушного винта в цилиндрах и др.

Движение воздуха в камере сгорания и форма поршня. Двигатель Mitsubishi 4G93 GDI.

Прогрессивность GDI

• Выпускаемые в Японии агрегаты располагают режимом Ultpa Lean Combustion Mode, разрешающим использовать супер-обедненную смесь в пропорции 37-41:1. Этот режим задействуется до достижения порога в 115-120 км/ч если нет резких изменений нагрузки и обеспечивается постепенное наращивание скорости. Впрыск осуществляется спиральной струей по ходу стрелки часов.
• Стехиометрический режим Superior Output Mode используется, когда стрелка показывает 125 км/ч и более, автомобиль преодолевает затяжной подъем или же буксирует прицеп.
• В режиме Stich F/B состав рабочей смеси очень похож на характерный для стехиометрического. Технология имеет свои подрежимы, в одном из которых (Closed loop) воздушно-бензиновый баланс определяется показаниями кислородного датчика, в другом же (Open loop) — сенсоры на состав топливной смеси не влияют.
• В двигателях GDI европейского образца есть еще одно усовершенствование – Two-Stage Mixing, – обеспечивающее эффективный двухступенчатый бензиновый впрыск в момент резкого старта либо стремительного обгона. Технология подразумевает двукратный впрыск в течение четырехтактного цикла. На впуске в цилиндр попадает двукратно супер-обедненная смесь, но она не воспламеняется и содействует преимущественно охлаждению камеры. А в момент сжатия подается уже сверх-обогащенная смесь, в пропорции воздуха и горючего 12:1, так коэффициент заполняемости камеры повышается и двигатель показывает предельную мощность.

Проблемы GDI двигателя

Основная проблема состоит в высокой чувствительности GDI-двигателей к качеству топлива. Это в равной мере относится и к любым неисправностям, способным хоть как-то отразиться на качестве подаваемой смеси.

На установках Gasoline Direct Injection иногда наблюдается сильное почернение свечей зажигания или они вовсе выходят из строя. Обычно это результат высокой чувствительности топливной аппаратуры к воде и мельчайшим примесям. Накопление сажи во впускном коллекторе объясняет её попаданием в камеру сгорания. Её частички могут оседать на клапанах и забивать форсунки, что мешает нормальному распылению бензина.

Вследствие накопления нагара на внутренней поверхности впускного коллектора меняется конфигурация спирали воздуха; она уже не соответствует норме для GDI, в итоге чего сгорание нарушается. По количеству нагара на свечах достаточно объективно определяется степень засоренности впускного тракта. До определенного момента нормальной их работе это не мешает, но через 20 тыс. км пробега можно подумать об замене, а впускной коллектор в профилактических целях рекомендуется очищать через 25-30 тыс. км.

Также проблемой является повышенная токсичность выхлопов. Сгорание сверхобедненной топливной смеси приводит к образованию токсичных окислов азота NOx. Чтобы подогнать показатели выхлопа под требования Euro 3 японские инженеры сначала модернизировали нейтрализаторы, а позже добились их невысокой чувствительности к серным примесям. 

Видео на тему