Введение
Система формирования смеси
Непосредственный впрыск бензина (GDI), также известный как непосредственный впрыск топлива (PDI), – это система формирования смеси для двигателей внутреннего сгорания, работающих на бензине, в которой топливо впрыскивается непосредственно в камеру сгорания. Это отличается от систем впрыска во впускной коллектор, которые впрыскивают топливо во впускной коллектор. Использование GDI может способствовать повышению эффективности двигателя и удельной мощности, а также снижению выбросов отработавших газов. Первый двигатель GDI, запущенный в серийное производство, был представлен в 1925 году для малокомпрессионного двигателя грузовика. В 1950-х годах несколько немецких автомобилей использовали механическую систему GDI от Bosch, однако применение этой технологии оставалось редким до тех пор, пока в 1996 году компания Mitsubishi не представила электронную систему GDI для автомобилей массового производства. В последние годы GDI быстро распространяется в автомобильной промышленности, увеличившись в Соединенных Штатах с 2,3% производства автомобилей 2008 модельного года до примерно 50% в 2016 модельном году.
Гомогенный режим зарядки
В режиме однородного заряда двигатель работает на однородной воздушно-топливной смеси, то есть в цилиндре содержится (почти) идеальное смешение топлива и воздуха. Топливо впрыскивается в самом начале впускного такта, чтобы обеспечить максимальное время для смешивания впрыскиваемого топлива с воздухом и формирования однородной воздушно-топливной смеси. Этот режим позволяет использовать традиционный трехкомпонентный катализатор для очистки выхлопных газов. По сравнению с впрыском во впускной коллектор, топливная экономичность увеличивается лишь незначительно, но удельная мощность выше, что делает гомогенный режим полезным для так называемого уменьшения рабочего объема двигателя.
Режим пластовой зарядки
В режиме расслоенного заряда вокруг свечи зажигания создается небольшая зона топливовоздушной смеси, которая окружена воздухом в остальной части цилиндра. Это приводит к уменьшению количества впрыскиваемого в цилиндр топлива, что обеспечивает очень высокие общие значения соотношения воздух/топливо, со средними значениями соотношения воздух/топливо при средней нагрузке и при полной нагрузке. В идеале, дроссельная заслонка остается открытой максимально, чтобы избежать дроссельных потерь. В этом случае регулировка крутящего момента осуществляется исключительно за счет качественного управления крутящим моментом, то есть изменяется только количество впрыскиваемого топлива, а не количество поступающего воздуха. Режим расслоенного заряда также удерживает пламя от стенок цилиндров, снижая тепловые потери. Поскольку слишком обедненные смеси не могут быть воспламенены свечой зажигания (из-за недостатка топлива), необходимо обеспечить расслоение заряда (например, создать небольшую зону топливовоздушной смеси вокруг свечи зажигания). Для достижения такого заряда двигатель с расслоенным зарядом впрыскивает топливо на последних этапах такта сжатия. "Завихряющая полость" в верхней части поршня часто используется для направления топлива в зону вокруг свечи зажигания. Эта технология позволяет использовать ультраобезднеенные смеси, которые были бы невозможны с карбюраторами или обычным впрыском топлива во впускной коллектор. Режим расслоенного заряда (также называемый режимом "ультраобезднеенного сгорания") используется при низких нагрузках для снижения расхода топлива и выбросов. Однако при более высоких нагрузках режим расслоенного заряда отключается, и двигатель переходит в однородный режим со стехиометрическим соотношением воздух/топливо при умеренных нагрузках и более богатым соотношением воздух/топливо при высоких нагрузках. Теоретически режим расслоенного заряда может еще больше повысить топливную эффективность и снизить выбросы, однако на практике концепция расслоенного заряда не продемонстрировала значительных преимуществ по эффективности по сравнению с традиционной однородной концепцией заряда, но из-за присущего ей обедненного сгорания образуется больше оксидов азота, что иногда требует установки адсорбера NOx в выхлопной системе для соответствия нормам по выбросам. Использование адсорберов NOx может потребовать топлива с низким содержанием серы, поскольку сера препятствует нормальной работе адсорберов NOx. Двигатели GDI с расслоенным впрыском топлива также могут производить больше твердых частиц, чем двигатели с впрыском топлива во впускной коллектор, что иногда требует установки сажевых фильтров в выхлопной системе (аналогичных дизельным сажевым фильтрам) для соответствия требованиям к выбросам транспортных средств. Поэтому несколько европейских автопроизводителей отказались от концепции расслоенного заряда или вообще не использовали ее, например, бензиновый двигатель Renault 2.0 IDE (F5R) 2000 года, который никогда не оснащался режимом расслоенного заряда, или двигатели BMW N55 2009 года и Mercedes Benz M256 2017 года, отказавшиеся от режима расслоенного заряда, использовавшегося их предшественниками. Volkswagen Group использовал расслоенный впрыск топлива в атмосферных двигателях, обозначаемых FSI, однако эти двигатели получили обновление блока управления двигателем для отключения режима расслоенного заряда. Турбированные двигатели Volkswagen, обозначаемые TFSI и TSI, всегда использовали однородный режим. Как и более поздние двигатели VW, новые бензиновые двигатели с непосредственным впрыском (с 2017 года) обычно также используют более традиционный однородный режим заряда в сочетании с изменяемыми фазами газораспределения для достижения высокой эффективности. Концепции расслоенного заряда в основном были заброшены.
Режимы впрыска
Общими методами создания желаемого распределения топлива в камере сгорания являются впрыск, направляемый распылением, впрыск, направляемый воздухом, или впрыск, направляемый стенкой. В последние годы наблюдается тенденция к впрыску, направляемому распылением, поскольку он в настоящее время обеспечивает более высокую топливную эффективность.
Прямое впрыск с настройкой на стенку
В двигателях с впрыском с настенным управлением расстояние между свечой зажигания и форсункой впрыска относительно велико. Чтобы топливо приблизилось к свече зажигания, оно распыляется в вихревую полость на вершине поршня (как видно на изображении двигателя Ford EcoBoost справа), которая направляет топливо к свече зажигания. Специальные впускные каналы, создающие завихрение или кувыркание, способствуют этому процессу. Время впрыска зависит от скорости поршня, поэтому при увеличении скорости поршня время впрыска и время зажигания должны быть очень точно выпреждены. При низких температурах двигателя некоторые части топлива на относительно холодном поршне охлаждаются настолько, что не могут нормально сгорать. При переходе от низкой нагрузки двигателя к средней (и, следовательно, выпреждению времени впрыска), часть топлива может попасть за вихревую полость, что также приводит к неполному сгоранию. Поэтому двигатели с непосредственным впрыском с настенным управлением могут характеризоваться повышенными выбросами углеводородов.
Прямое впрыск с воздухом
Как и в двигателях с впрыском, управляемым по стенке, в двигателях с впрыском, управляемым по воздуху, расстояние между свечой зажигания и форсункой впрыска относительно велико. Однако, в отличие от двигателей с впрыском, управляемым по стенке, топливо не контактирует с (относительно) холодными деталями двигателя, такими как стенка цилиндра и поршень. Вместо распыления топлива в вихревую полость, в двигателях с впрыском, управляемым по воздуху, топливо направляется к свече зажигания исключительно потоком воздуха впуска. Поэтому воздух впуска должен иметь специальное вихревое или кувыркающее движение для направления топлива к свече зажигания. Это вихревое или кувыркающее движение должно сохраняться в течение относительно длительного времени, чтобы все топливо было направлено к свече зажигания. Однако это снижает эффективность наполнения цилиндра и, следовательно, мощность двигателя. На практике используется комбинация впрыска, управляемого по воздуху и по стенке. Существует только один двигатель, который использует исключительно впрыск, управляемый по воздуху.
Прямое впрыск с помощью спрея
В двигателях с прямой инжекцией с управляемым распылением расстояние между свечой зажигания и форсункой впрыска относительно невелико. И форсунка, и свеча зажигания расположены между клапанами цилиндра. Топливо впрыскивается на последних этапах такта сжатия, что вызывает очень быстрое (и неоднородное) образование смеси. Это приводит к большим градиентам стратификации топлива, то есть образуется облако топлива с очень низким соотношением воздух/топливо в центре и очень высоким – по краям. Топливо может воспламениться только в промежутке между этими двумя "зонами". Зажигание происходит практически сразу после впрыска для повышения эффективности двигателя. Свеча зажигания должна быть расположена точно в зоне, где смесь способна к воспламенению. Это означает, что производственные допуски должны быть очень малы, поскольку даже незначительное смещение может привести к резкому ухудшению сгорания. Кроме того, топливо охлаждает свечу зажигания непосредственно перед воздействием тепла сгорания. Таким образом, свеча зажигания должна хорошо выдерживать тепловые удары. При низких оборотах поршня (и двигателя) относительная скорость воздуха и топлива низкая, что может привести к неполному испарению топлива и образованию слишком богатой смеси. Богатые смеси сгорают неполно и вызывают образование нагара. При высоких оборотах поршня топливо распространяется дальше по цилиндру, что может отодвинуть воспламеняющиеся участки смеси настолько далеко от свечи зажигания, что она не сможет воспламенить топливовоздушную смесь.
Сопутствующие технологии
Другие устройства, используемые для дополнения непосредственного впрыска топлива (GDI) при создании расслоенной смеси, включают в себя систему изменения фаз газораспределения, систему изменения высоты подъема клапанов и впускной коллектор переменной длины. Также рециркуляция отработавших газов может быть использована для снижения высоких выбросов оксидов азота (NOx), которые могут возникать при ультраобедненном сгорании.
Недостатки
Непосредственный впрыск бензина не обладает очищающим эффектом на клапаны, который достигается при подаче топлива в двигатель до цилиндра. В двигателях, не использующих GDI, бензин, проходящий через впускной канал, действует как очиститель от загрязнений, таких как распыленное масло. Отсутствие этого очищающего эффекта может приводить к увеличению образования нагара в двигателях GDI. Сторонние производители предлагают маслоуловители, предназначенные для предотвращения или уменьшения этих отложений. Возможность развивать максимальную мощность на высоких оборотах двигателя (RPM) у GDI ограничена, поскольку доступно меньше времени для впрыска необходимого количества топлива. Во впрыске во впускной коллектор (а также в карбюраторах и системах впрыска топлива в дроссельную заслонку) топливо можно добавлять в смесь с воздухом в любое время. Однако двигатель GDI ограничен впрыском топлива только во время фаз впуска и сжатия. Это становится препятствием на высоких оборотах двигателя (RPM), когда продолжительность каждого цикла сгорания сокращается. Для преодоления этого ограничения некоторые двигатели GDI (например, Toyota 2GR FSE V6 и Volkswagen EA888 I4) также оснащены дополнительными форсунками во впускном коллекторе для подачи дополнительного топлива на высоких оборотах. Эти форсунки во впускном коллекторе также способствуют очистке нагара из впускной системы. Бензин обеспечивает меньшую смазку компонентов форсунок по сравнению с дизельным топливом, что иногда является ограничивающим фактором для давления впрыска в двигателях GDI. Давление впрыска в двигателе GDI обычно ограничено примерно , чтобы предотвратить чрезмерный износ форсунок.
Неблагоприятное воздействие на климат и здоровье
Хотя эта технология признана способствующей повышению топливной эффективности и сокращению выбросов CO2, двигатели GDI производят больше аэрозолей черного углерода, чем традиционные двигатели с распределенным впрыском топлива. Черный углерод, являясь сильным поглотителем солнечного излучения, обладает значительными свойствами, усиливающими потепление климата. В исследовании, опубликованном в январе 2020 года в журнале Environmental Science and Technology, группа исследователей из Университета Джорджии (США) предсказала, что увеличение выбросов черного углерода от автомобилей с двигателями GDI приведет к усилению потепления климата в городских районах США в объеме, значительно превышающем эффект охлаждения, связанный с сокращением CO2. Исследователи также полагают, что переход от традиционных двигателей с распределенным впрыском топлива (PFI) к технологии GDI почти удвоит уровень преждевременной смертности, связанной с выбросами транспортных средств, с 855 случаев в год в Соединенных Штатах до 1599. По их оценкам, годовой социальный ущерб от этих преждевременных смертей составит 5,95 миллиарда долларов.
19111912 год
Одним из первых изобретателей, пытавшихся реализовать непосредственный впрыск бензина, был доктор Арчибальд Лоу, который дал своему двигателю вводящее в заблуждение название "двигатель с принудительной подачей", хотя принуждалось лишь поступление топлива. Он представил детали своего прототипа двигателя в начале 1912 года, а компания F. E. Baker Ltd, крупный производитель двигателей, продолжила его разработку в течение 1912 года, продемонстрировав результаты на своем стенде на выставке Olympia Motor Cycle в ноябре 1912 года. Двигатель представлял собой высококомпрессионный четырехтактный мотоциклетный двигатель, в котором бензин отдельно сжимался до 1000 фунтов на квадратный дюйм и подавался в цилиндр "в момент максимального сжатия" с помощью небольшого роторного клапана, одновременно с зажиганием от свечи зажигания и катушки зажигания с прерывателем, обеспечивающим искрение на протяжении всей фазы сгорания. Впрыскиваемое топливо описывалось как находящееся в парообразном состоянии, нагретом цилиндром двигателя. Давление топлива регулировалось на топливном насосе, а количество подаваемого топлива контролировалось механически на роторном впускном клапане. Кажется, компания F. E. Baker не стала развивать эту радикальную конструкцию.
19161938
Хотя прямой впрыск стал широко использоваться в бензиновых двигателях только с 2000 года, дизельные двигатели применяли непосредственный впрыск топлива в камеру сгорания (или предкамеру сгорания) с момента создания первого успешного прототипа в 1894 году. Ранний прототип двигателя GDI был построен в Германии в 1916 году для самолета Junkers. Изначально двигатель проектировался как дизельный, однако его переориентировали на бензин, когда немецкое военное ведомство постановило, что авиационные двигатели должны работать на бензине или бензоле. Поскольку двигатель имел двухтактную конструкцию с принудительным заполнением картера, пропуск зажигания мог привести к его разрушению, поэтому Junkers разработал систему GDI для предотвращения этой проблемы. Демонстрация этого прототипа авиационным чиновникам состоялась незадолго до прекращения разработки в связи с окончанием Первой мировой войны. Двигатель Hesselman – это гибридная конструкция, которая выпускалась различными производителями с 1925 по 1951 год. В двигателе Hesselman топливо не впрыскивается во время всасывания вместе с воздухом, как в обычном двигателе по циклу Отто, а впрыскивается во время сжатия, немного раньше момента зажигания. Двигатели Hesselman могли использовать широкий спектр топлива, включая бензин, но обычно работали на обычном дизельном топливе. В 1952 году эта система была применена в двухтактных двигателях Goliath GP700 и Gutbrod Superior. По сути, это был высоконапорный насос непосредственного впрыска дизельного топлива с установленным дроссельным клапаном на впуске. Эти двигатели демонстрировали хорошую производительность и обеспечивали снижение расхода топлива до 30% по сравнению с карбюраторными версиями, особенно при низких нагрузках. Mercedes-Benz 300SL 1955 года также использовал раннюю механическую систему GDI Bosch, став таким образом первым четырехтактным двигателем, использующим GDI. До середины 2010-х годов большинство автомобилей с впрыском топлива использовали впрыск во впускной коллектор, что делает довольно необычным тот факт, что эти ранние автомобили использовали, возможно, более продвинутую систему GDI. В 1970-х годах американские производители American Motors Corporation и Ford разработали прототипы механических систем GDI под названиями Straticharge и Programmed Combustion (PROCO) соответственно. Ни одна из этих систем не была запущена в серийное производство.
1997 г. по настоящее время
На японском рынке в 1996 году Mitsubishi Galant стал первым серийно выпускаемым автомобилем, использующим двигатель GDI, когда была представлена версия GDI четырехцилиндрового двигателя Mitsubishi 4G93. Впоследствии в 1997 году он был представлен в Европе в модели Carisma. Компания также разработала первый шестицилиндровый двигатель GDI – Mitsubishi 6G74 V6 – в 1997 году. Mitsubishi широко применяла эту технологию, выпустив более миллиона двигателей GDI в четырех семействах к 2001 году. Несмотря на многолетнее использование, 11 сентября 2001 года MMC заявила о регистрации товарного знака на аббревиатуру "GDI". В последующие годы несколько других японских и европейских производителей представили двигатели GDI. Технология Mitsubishi GDI также была лицензирована компаниям Peugeot, Citroën, Hyundai, Volvo и Volkswagen. Двигатель Toyota 2GR FSE V6 2005 года стал первым, объединившим как прямой, так и косвенный впрыск. Система (под названием "D 4S") использует два топливных инжектора на цилиндр: традиционный инжектор во впускном коллекторе (низкое давление) и прямой инжектор (высокое давление) и применяется в большинстве двигателей Toyota. В гонках Формулы-1 прямой впрыск стал обязательным для сезона 2014 года, согласно регламенту 5.10.2, который гласит: "На цилиндр допускается только один прямой инжектор, и никакие инжекторы не допускаются выше по потоку от впускных клапанов или ниже по потоку от выпускных клапанов".
Двухтактные двигатели
Для двухтактных двигателей существуют дополнительные преимущества GDI, связанные с продувкой выхлопных газов и смазкой картера. Суть продувки заключается в том, что в большинстве двухтактных двигателей и впускные, и выпускные порты открыты во время выпуска, чтобы улучшить удаление выхлопных газов из цилиндра. Это приводит к тому, что часть топливно-воздушной смеси попадает в цилиндр, а затем выходит из него через выпускной порт, не сгорев. При непосредственном впрыске из картера поступает только воздух (и обычно небольшое количество масла), а топливо впрыскивается только после того, как поршень поднимается и все порты закрываются. Смазка картера в двухтактных двигателях GDI достигается путем впрыска масла непосредственно в картер, что обеспечивает меньший расход масла по сравнению со старым методом впрыска масла, смешанного с топливом, в картер. В двухтактных двигателях используются два типа GDI: системы с низким давлением и воздушной поддержкой, и системы с высоким давлением. Системы низкого давления, такие как используемая в мотороллере Aprilia SR50 1992 года, используют воздушный компрессор, приводимый в действие коленчатым валом, для впрыска воздуха в головку цилиндра. Затем форсунка низкого давления распыляет топливо в камеру сгорания, где оно испаряется при смешивании со сжатым воздухом. Система GDI высокого давления была разработана немецкой компанией Ficht GmbH в 1990-х годах и внедрена для морских двигателей компанией Outboard Marine Corporation (OMC) в 1997 году для соответствия более строгим нормам выбросов. Однако двигатели имели проблемы с надежностью, и OMC объявила о банкротстве в декабре 2000 года. Evinrude E Tec – это улучшенная версия системы Ficht, выпущенная в 2003 году и удостоенная награды EPA Clean Air Excellence Award в 2004 году. Американская некоммерческая организация Envirofit International разработала комплекты для модернизации двухтактных мотоциклов с непосредственным впрыском (с использованием технологии, разработанной Orbital Corporation Limited) в рамках проекта по сокращению загрязнения воздуха в Юго-Восточной Азии. 100 миллионов двухтактных такси и мотоциклов в Юго-Восточной Азии являются основной причиной загрязнения в регионе.