Принцип работы Джедая или "GDI"
Наткнулся как то в просторах интернета на интересную статейку про джедай, может кому интересно будет знать, и так: �� Что такое система впрыска GDI?
Мы хорошо знаем достоинства и недостатки двигателей. Бензиновый — легко пускается, разгоняется быстро, но любит «покушать». Дизель дороже в обслуживании, не столь быстроходен, имеет повышенный уровень шума. Зато потребляет куда меньше топлива. Вот бы совместить их оба и сделать быстрый и тихий, да и мощность повыше и расход топлива меньше. Такими качествами обладают двигатели GDI с непосредственным впрыском топлива.
�� Теория работы двигателя
Чудес не бывает, даже в двигателестроении. Чтобы объяснить принцип работы двигателя GDI с непосредственным впрыском рассмотрим теорию двигателей.
Чтобы топливо сгорело, нужен воздух. Но надо смешать с топливом столько воздуха, сколько нужно для полного сгорания. Такое количество воздуха называется стехиометрическим, и оно, конечно же, давно известно. Например, для бензина оптимальный состав топливной смеси выражается соотношением 14,7:1, то есть на 1 грамм бензина нужно 14,7 грамма воздуха. Смесь, в которой воздуха больше, чем нужно, называется бедной, а та, в которой воздуха меньше, чем нужно (то есть больше топлива), называется богатой.
Слишком бедную смесь не всегда удается поджечь, при работе на богатой смеси несгоревшее топливо бесполезно «вылетает в трубу» и растет выброс угарного газа.
Но воздух нужен не только для сгорания. Чем выше давление в цилиндре перед воспламенением смеси, тем больше отдача двигателя. И нам очень выгодно, чтобы больше воздуха попало в цилиндр на такте впуска: тем больше потом будет давление. А вот теперь пора разбираться, почему дизель экономичнее.
Вспомним, как работает ДВС. У бензинового двигателя на такте впуска смесь воздуха и топлива поступает в цилиндр, затем она сжимается и поджигается искрой. У дизеля на такте впуска в цилиндр поступает только воздух, который сжимается поршнем под большим давлением и от этого еще и нагревается. К концу сжатия в цилиндр впрыскивается топливо, которое при высоких давлении и температуре самовоспламеняется. Давление в цилиндре дизеля намного выше, чем в цилиндре бензинового двигателя: для современного безнаддувного дизеля вполне нормальна степень сжатия 20, а у серийных бензиновых, даже самых «зажатых», едва достигает 11. А выше давление в цилиндре — выше и эффективность.
Сразу мысль: а поднять степень сжатия в бензиновом двигателе?! Пробовали. Но выше 11 никак не получается. Потому что есть такие явления, как детонация и калильное зажигание.
Детонация — очень быстрое сгорание топлива в точках, удаленных от свечи, сопровождается резким местным перегревом и перегрузкой деталей двигателя. Внешний признак детонации — стук.
Калильное зажигание — преждевременное (до появления искры) воспламенение смеси от перегретых деталей камеры сгорания.
Длительная работа с детонацией и калильным зажиганием недопустима: мотор быстро выйдет из строя. Детонацию и калильное зажигание провоцируют высокая температура и высокое давление. Во избежание детонации моторы с высокой степенью сжатия «кормят» высокооктановым бензином (98), но выше степени сжатия 11 и его «не хватает».
Если мы хотим сделать бензиновый двигатель экономичным, «эластичным» и при этом более мощным, то мы должны избавить его от детонации и научить «питаться» бедной смесью. Вот если бы топливо впрыскивалось непосредственно в цилиндр…
На Mitsubishi раньше других осознали, какую пользу может принести непосредственный впрыск в условиях ужесточения экологических норм. 15 лет усилий увенчались успехом: первые доведенные до готовности к производству моторы с непосредственным впрыском бензина были представлены осенью 1995 г. Их обозначили GDI — Gasoline Direct Injection — непосредственный впрыск бензина.
�� Как устроен двигатель GDI
Действительно, двигатель GDI напоминает по конструкции и обычный бензиновый, и дизель. В каждом цилиндре присутствует и свеча зажигания, и форсунка, а топливо подается насосом высокого давления под давлением 5 МПа. Форсунка обеспечивает два различных режима впрыскивания топлива.
Обратим внимание на следующие особенности. Впускной трубопровод подходит к цилиндру сверху. Это позволяет получить падающий поток воздуха, который после контакта с поршнем разворачивается и устремляется вверх, закручиваясь по часовой стрелке (такая организация воздушного потока позволяет достичь оптимальной концентрации топлива непосредственно около свечи). По почти прямому трубопроводу поток движется с очень высокой скоростью, и даже когда поршень достиг нижней мертвой точки, еще некоторое количества воздуха входит в цилиндр по инерции.
Поршень необычный — сверху есть выемка сферической формы. Форма поршня обеспечивает три важные функции. Во-первых, позволяет задать воздушному потоку нужное направление движения. Во-вторых, направляет впрыскиваемое топливо непосредственно к свече зажигания, что важно при работе на предельно бедных смесях. В-третьих, определяет распространение фронта пламени.
�� Как работает двигатель GDI?
В работе GDI различаются три возможных режима в зависимости от режима движения. Работа на сверх бедных смесях. Этот режим используется при малых нагрузках: при спокойной городской езде и загородном движении на скоростях до 120 км/ч. В этом случае топливо подается в цилиндр практически как в дизеле — в конце такта сжатия. Топливо впрыскивается компактным факелом и, смешиваясь с воздухом, направляется сферической выемкой поршня.
В результате наиболее обогащенное топливом облако оказывается непосредственно 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. Этот режим используется при интенсивной городской езде, высокоскоростном загородном движении и обгонах. При стехиометрическом составе смеси с воспламенением никаких проблем не возникает. Но поскольку было бы желательно повысить степень сжатия, то важным становится не допустить детонации и калильного зажигания. 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.
И еще один режим реализует система управления GDI. Он позволяет повысить момент двигателя в том случае, когда водитель, двигаясь на малых оборотах, резко нажимает педаль акселератора. Когда двигатель работает на малых оборотах, а в него вдруг подается обогащенная смесь, вероятность детонации еще 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 сверх бедной смесью (примерно 60:1), в которой детонационные процессы не происходят. Затем, в конце такта сжатия, подается компактная струя топлива, которая доводит соотношение воздуха и топлива в цилиндре до «богатого» 12:1. А на «подготовку» детонации времени уже не остается.
Что в итоге? Степень сжатия удалось поднять до 12—12,5, улучшилось наполнение воздухом. Двигатель устойчиво работает и на очень бедной смеси. По сравнению с «обычным» бензиновым двигателем, GDI расходует на 10% меньше топлива, выдает на 10% больше мощности и выбрасывает на 20% меньше углекислого газа. Но из-за содержания в бензине серы пришлось отказаться от одного из преимуществ — повышенной мощности.
Как работает система непосредственного впрыска топлива GDI
Система непосредственного впрыска топлива применяется на бензиновых двигателях последних поколений с целью повышения их экономичности и увеличения мощности. Она предполагает впрыск бензина напрямую в камеры сгорания цилиндров, где и происходит его смешение с воздухом и образование топливовоздушной смеси. Первыми двигателями, которые были оснащены такой системой впрыска, стали моторы GDI (Mitsubishi). Аббревиатура GDI – расшифровывается как “Gasoline Direct Injection”, что дословно переводится как “непосредственный впрыск бензина”.
Устройство и принцип действия системы GDI
В наши дни системы, аналогичные Gasoline Direct Injection, используют и другие производители автомобилей, обозначая данную технологию TFSI (Audi), FSI или TSI (Volkswagen), JIS (Toyota), CGI (Mercedes), HPI (BMW). Принципиальными отличиями этих систем являются рабочее давление, конструкция и расположение топливных форсунок.
Конструктивные особенности двигателей GDI
Классическая система непосредственного впрыска топлива конструктивно состоит из следующих элементов:
- Топливный насос высокого давления (ТНВД). Для корректной работы системы (создания тонкого распыливания) бензин в камеру сгорания должен подаваться под высоким давлением (аналогично дизельным моторам) в пределах 5…12 МПа. низкого давления. Подает топливо из бензобака к ТНВД под давлением 0,3…0,5 МПа.
- Датчик низкого давления. Фиксирует уровень давления, созданного электрическим насосом. . Осуществляют впрыск топлива в цилиндр. Оснащены вихревыми распылителями, позволяющими создавать требуемую форму топливного факела.
- Поршень. Имеет особую форму с выемкой, которая предназначена для перенаправления горючей смеси к свече зажигания двигателя.
- Впускные каналы. Имеют вертикальную конструкцию, благодаря чему возникает обратный вихрь (закручен в противоположную сторону по сравнению с другими типами двигателей), выполняющий функцию направления смеси к свече зажигания и обеспечивающий лучшее наполнение камеры сгорания воздухом.
- Датчик высокого давления. Располагается в топливной рампе и предназначен для передачи информации в электронный блок управления, который изменяет уровень давления в зависимости от актуальных режимов работы двигателя.
Режимы работы системы прямого впрыска
Как правило, двигатели с непосредственным впрыском имеют три основных режима работы:
- Впрыск в цилиндр на такте сжатия (послойное смесеобразование). Принцип работы в этом режиме заключается в образовании сверхбедной смеси, что позволяет максимально экономить топливо. В начале в камеру цилиндра подается воздух, который закручивается и сжимается. Далее под высоким давлением осуществляется впрыскивание топлива и перенаправление полученной смеси к свече зажигания. Факел получается компактным, поскольку формируется на этапе максимального сжатия. При этом топливо как бы окутано прослойкой воздуха, что уменьшает тепловые потери и предотвращает предварительный износ цилиндров. Режим используется при работе мотора на малых оборотах.
- Впрыск на такте впуска (гомогенное смесеобразование). Состав топлива в этом режиме близок к стехиометрическому. Подача воздуха и бензина в цилиндр происходит одновременно. Факел смеси при таком впрыске имеет коническую форму. Применяется при мощных нагрузках (скоростной езде).
- Двухстадийный впрыск на такте сжатия и впуска. Применяется при резком ускорении машины, движущейся на малой скорости. Двойной впрыск в цилиндр позволяет снизить вероятность детонации, которая может возникнуть в моторе при резкой подаче обогащенной смеси. Вначале (на такте впуска воздуха) подается небольшое количество бензина, что приводит к образованию обедненной смеси и снижению температуры в камере сгорания цилиндра. На такте максимального сжатия подается оставшаяся часть топлива, что делает смесь богатой.
Особенности эксплуатации системы
Главным требованием для корректной работы двигателя с прямым впрыском топлива является использование качественного бензина. Оптимальная марка топлива, как правило, указывается в инструкции к автомобилю.
Обычно рекомендуется заливать бензин с октановым числом не менее 95. Однако важно учитывать, что этот уровень не должен быть обеспечен за счет различных присадок. Исключение составляют присадки, рекомендованные производителем двигателя и автомобиля.
Низкое качество топлива, особенно при высоком проценте содержания серы, бензола и углеводородов в отечественном бензине способствует преждевременному износу форсунок, что может вывести двигатель GDI из строя.
Не менее требователен бензиновый мотор с непосредственным впрыском к тому, какое масло применяется в системе. Здесь лучше всего следовать инструкциям производителя.
Плюсы и минусы использования
Главной особенностью двигателя gdi является подача топлива напрямую в цилиндр, что сокращает время цикла и существенно повышает мощность автомобиля (до 15%). Помимо этого уменьшается расход топлива (до 25%) и повышается экологичность выхлопа. Это обеспечивает более эффективную эксплуатацию автомобиля в городских условиях.
Для автомобилей, на которых установлен GDI двигатель, проблемы эксплуатации связаны прежде всего со следующим перечнем недостатков:
- Необходимость нейтрализации отработавших газов при работе мотора на малых оборотах. При образовании обедненной топливно-воздушной смеси в выхлопных газах образуется много вредных компонентов, для устранения которых требуется установка системы рециркуляции отработавших газов.
- Повышенные требования к топливу и маслу. Наилучшим бензином для GDI считается топливо с октановым числом 101, который практически недоступен на отечественном рынке.
- Высокая стоимость производства двигателей и ремонта. Весомую долю проблем доставляют форсунки, подающие бензин в цилиндры. Они должны выдерживать высокое давление. Если они забиваются по причине некачественного топлива, их невозможно разобрать и почистить – форсунки подлежат только замене. Их стоимость в несколько раз выше, чем у обычных.
- Повышенное внимание к системе фильтрации. Чистка и замена воздушного фильтра в такой системе должна производиться чаще, поскольку качество поступающего воздуха напрямую связано с состоянием форсунок.
Отечественные автомобилисты весьма скептически относятся к системе непосредственного впрыска, что обусловлено высокой стоимостью обслуживания автомобиля. С другой стороны, такие двигатели считаются передовой технологией, которая развивается и активно внедряется в автомобилестроение по всему миру.
GDI: особенности форсунок
Форсунка двигателя системы GDI представляет собой дозирующее устройство высокой точности, конструкция которого предопределена техническими условиями:
— точное дозирование топлива по временному показателю
— точное дозирование топлива по массовому показателю
— возможность формирования разных видов распыла топлива в зависимости от режимов работы двигателя
— способность сохранения точности дозирования вне зависимости от изменения условий по давлению и температуре
Форсунка состоит из (фото 1):
1 – впускной канал с находящимся внутри «фильтриком»
2 – электрический разъем
3 – корпус форсунки
4 – нижняя рабочая часть с расположенным внутри утройством для создания первоначального завихрения исходящего топлива
Внутри корпуса форсунки находится:
1 – устройство завихрения « unit swirl »
2 – игла форсунки
3 – пружина форсунки
Принцип действия
В зависимости от режима работы двигателя, токовый импульс от ECU ( бортового компьютера) или от Driver Injector («усилителя» форсунок), проходит через обмотку соленоида форсунки , вследствии чего создается магнитное поле.
Игла форсунки преодолевает сопротивление пружины, приподнимается над седлом и открывает канал сопла форсунки.
Так как давление в топливной рейке перед форсункой превышает давление в камере сгорания, то за счет разницы давлений топливо поступает в цилиндр двигателя.
Условия создания топливо-воздушной смеси
Для каждого режима работы двигателя системы GDI требуется топливо-воздушная смесь с различными параметрами по соотношениям «воздух – топливо».
Основная задача форсунки – подача топлива в камеру сгорания в нужное время и в нужном объеме.
Важной составляющей этого процесса является качество распыления топлива, так как после поступления в камеру сгорания топливо должно за очень короткое время нагреться, испариться и образовать вместе с воздухом топливо-воздушную смесь требуемого состава.
Чем быстрее струя топлива из форсунки распадется на мелкие капли, тем быстрее увеличится площадь распыленного топлива, тем самым создавая наиболее благоприятные условия для испарения топлива и перемешивания его с воздухом.
На качество распыления оказывают влияние такие факторы:
— давление топлива перед форсункой ( чем больше давление \ перепад давления , тем больше скорость истечения топлива из форсунки )
— конструкция форсунки: наличие устройства для завихрения позволяет первоначально «закрутить» струю топлива, тем самым создавая наиболее благоприятные условия для качественного и полного распыления топлива
— температура в камере сгорания: при более высокой температуре все химические процессы в камере сгорания происходят быстрее
В зависимости от перепада давления между «предфорсуночной камерой» и камерой сгорания, от состояния и работоспособности устройства завихрения внутри форсунки, завихрение и распыление топлива происходит по-разному.
«Отпечаток» капель топлива при различных условиях работы
(теоретический пример)
1 – практически «идеальное» распыление
2 – пониженное давление перед форсункой
3 – неисправность форсунки: «засаженность» устройства завихрения, осмоление седла иглы
Одно из основных отличий форсунки двигателя GDI от «обычной» форсунки, является наличие устройства для завихрения топлива:
Конструктивно оно исполнено таким образом, что топливо, проходя через него, начинает «завихряться» и на выходе форсунки имеет уже высокую степень турбулизации , что помогает более быстрому испарению топлива и смешиванию его с воздухом для создания ТВС требуемого состава.
Примечание *А* :
- «ТВС» — топливо-воздушная смесь
- Фото форсунки предоставлено Дмитрием Юрьевичем ( ник « mek » на нашем Форуме), в мастерской которого и распиливалась данная форсунка, на что было потрачено около 5 ножовочных полотен (по количеству истраченных полотен можно судить о прочности
«изделия»?)
Примечание *В* (лирическое):
Мы как «дети малые».
Верим и доверяем всей информации, которую нам соизволит предоставить производитель той или иной автомобильной фирмы.
Вот сказали — и весь автомобильный Интернет дружно «подхватил» утверждение о «завихрении топлива из форсунки».
Все поверили мгновенно и сразу.
На слово поверили.
Но разве так жить интересно?
Верить всему, что говорят Авторитеты.
Нет, так жить — неинтересно!
«Доверяй, но проверяй», — правильно?
Да, все вышесказанное можно опровергнуть, мол, нет смысла куда-то лазать и что-то разбирать, если «мануалы не врут», если «утверждение насчет завихрения» подтвердилось.
Может быть и «не врут».
Но точно — многое не договаривается. Оставляется «за кадром».
Потому что «кто-то и когда-то» решил ограничить наши Знания той планкой, которые «они» установили в силу определенных причин.
Это может быть и правильно, но.
Основная масса читающих эти статьи работают не в дилерском или «полу-дилерском» автосервисе, где нельзя отступать от «мануалов», а надо строго выполнять все их требования.
Где, например, если написано что «если сопротивление больше такого-то значения», то далее ничего делать нельзя, кроме одного — «заменить».
И к нашей рассматриваемой теме это имеет самое прямое отношение.
Раньше в мастерской Дмитрия Юрьевича было много форсунок, которые были «отбракованными».
Но после того, как несколько форсунок было распилено и изучено — после этого стеллаж с «отбракованными» форсунками просто перестал существовать.
Потому что их научились ремонтировать.
Как научились?
А это пришло «само собой» после того, как «влезли» внутрь конструкции форсунки, досконально разобрались с ней и поняли ее «слабые» места.
Так во всем остальном.
Надо постоянно помнить, что «политика недоговоренности» всегда существовала и будет существовать.
И если читать (изучать) какие-то «мануалы», то обязательно помнить: «Здесь сказано не все, здесь сказано только то, что разрешено сказать».
Не будем касаться такой темы, как «коммерческая или технологическая тайны», тут все понятно.
Надо касаться темы «недоговоренности».
И продолжать помнить об этом.
Потому что именно в какой-то «недоговоренности» и заключается «Тайна сия Великая».
Надо только обратить внимание на «недоговоренность», понять что скрывается «между строчек».
Ну например: мы все знаем (опять-таки из «мануалов»), что двигатель системы GDI имеет несколько режимов работы:
Ultra Lean Combustion Mode – впрыск топлива на такте сжатия
Superior Output Mode – врыск топлива на такте впуска
Two — stage nixing – впрыск топлива на такте впуска и такте сжатия
Это теоретически.
А практически что показывает нам сканер?
Он показывает такие режимы:
1. Compression on Lean ( работа на обедненной смеси)
2. STICH ( работа на смеси приблизительно стехиометрического состава).
Да, по сканеру можно узнать, что режим STICH можно условно разделить еще на два режима:
— работа в режиме «открытой петли»
— работа в режиме «закрытой петли»
И все. А режим Two-stage mixing не показывается и никак не обозначается. Где он? Когда он начинается и когда заканчивается?
Именно здесь и надо начинать «читать между строк».
Зная и понимая «недоговоренности», можно пытаться регулировать «дикий» расход топлива при помощи (например), того же TPS .
И с 20 литров его можно «снизить» до приемлимых 10 (например).
Такое отношение к работе можно назвать как «техническое подвижничество».
И если вы хотите, что бы перед воротами вашей мастерской постоянно «толпились» автомобили , то к мысли такой прийти придется.
Рано или поздно.
Тестирование форсунок GDI/MPI/FSI
Характерные особенности и способы тестирования и проверки топливной аппаратуры бензиновых моторов с прямым впрыском. FSI/GDI/MPI.
Всем известно, что форсунки FSI работают в автомобилях с непосредственным (прямым) впрыском топлива непосредственно в цилиндр (камеру сгорания) двигателя автомобиля. Форсунки прямого впрыска работают при давлении в топливной магистрали до 100 атм. И для проверки данного вида форсунок требуются специальные установки «для тестирования GDI/MPI/FSI». В контуре подачи топлива именно таких установок развивается данное давление.
Наша компания занимается разработкой проверочных стендов для автомобильных форсунок. В процессе создания установки для тестирования форсунок GDI мы пришли к выводу, что данные установки пользуются очень ограниченным спросом по причине довольно узкого применения и дороговизны, для таких установок нужны насосы стоимость которых начинается от 800 долларов, это означает, что учитывая все остальные производственные составляющие такие установки не могут стоить дешевле 180 000 – 200 000 рублей. Кроме того, из за высокого давления в топливной системе, форсунки практически не загрязняются. За исключением той части форсунки, которая находится непосредственно внутри цилиндра. На ней может образовываться нагар, который в свою очередь может мешать правильному образованию факела. Нагар образуется при неправильной работе не только самой форсунки GDI, но и периферийных датчиков температуры, массового расхода воздуха, лямбда зонда и пр.. Указанные проблемы вычисляются с помощью системных сканеров типа AUTEK или мотортестером, а нагар удаляется в ультразвуковой ванне типа LANTECH US. Разумеется, мы знаем, что на рынке представлены установки, якобы предназначенные для обслуживания форсунок FSI/GDI/MPI и тестирующие их стоимостью до 100 000 рублей, но по факту в них создается такое же давление, как и в установках производства LANTECH LUC, открытие форсунок осуществляется по той же схеме, что и в наших установках. Зато производители написали программу, автоматически определяющую тип форсунки и выдающую эту информацию на экран. На первый взгляд, это типичный рекламный трюк, а по факту введение в заблуждение потребителя. Но вернемся к тому, как мы видим тестирование автомобилей с форсунками FSI/GDI/MPI.
Что же делать…? Для начала, работу и показания датчиков автомобиля можно проанализировать подключив мультимарочный сканер для автомобильной диагностики ( мы предлагаем то, в чем уверены: на выбор AUTEK PCI A6 или PS GDS Xtool).
После чего, предлагаем воспользоваться установкой для тестирования и ультразвуковой очистки форсунок LANTECH LUC 304/306/308 в зависимости, от того сколько форсунок вы одновременно собираетесь проверять, в установке должно быть на одно «форсунко-место» больше, для установки новой, так называемой эталонной форсунки. Форсунки FSI стандартно встанут в штатные крепления установки (кроме форсунок для BMW). Далее выполняйте тест на удержание, наша установка выдает 5,1 атм, даже в режиме работы форсунок, при закрытых форсунках, она способна выдать давление ( пиковое) до 20 атм., чего вполне достаточно для понимания «держит» не «держит» форсунка, далее тестовые режимы «работа», визуальная оценка факела, производительности, однотипности и пр. Как мы и говорили , форсунки типа FSI редко могут забиться, и среднестатистическую производительность и «одинаковость» количества впрыска увидеть можно, проведя тест на установке. Конечно наша установка не имеет возможность выдать на открытие первичного высокого «буферного» напряжения ( порядка 120V, это необходимо для абсолютно одновременного открытия всех форсунок, несмотря на возможные отличия технических параметров ), но 12 вольт открытия, удержания и закрытия форсунок установка способна подавать синхронно и вы сможете сделать примерный тест сравнения форсунок снятых с одного двигателя , а при наличии новой ( тестовой GDI форсунки ) еще и сравнить старые (тестируемые форсунки) с новой.