Непосредственный впрыск бензина ( GDI ), также известный как непосредственный впрыск бензина ( PDI ), [1] представляет собой систему смесеобразования для двигателей внутреннего сгорания , работающих на бензине (бензине), где топливо впрыскивается в камеру сгорания . Это отличается от систем впрыска в коллектор , которые впрыскивают топливо во впускной коллектор (впускной коллектор).
Использование GDI может помочь повысить эффективность двигателя и удельную мощность, а также снизить выбросы выхлопных газов. [2]
Первый двигатель GDI, запущенный в производство, был представлен в 1925 году для двигателя грузового автомобиля с низкой степенью сжатия. В 1950-х годах в нескольких немецких автомобилях использовалась механическая система GDI Bosch, однако эта технология оставалась редкостью до тех пор, пока в 1996 году компания Mitsubishi не представила электронную систему GDI для автомобилей массового производства. В последние годы GDI быстро внедряется в автомобильной промышленности, увеличившись в Соединенных Штатах с 2,3% производства автомобилей 2008 модельного года до примерно 50% для 2016 модельного года. [3] [4]
«Режим зарядки» двигателя с непосредственным впрыском означает, как топливо распределяется по камере сгорания:
В режиме гомогенного заряда двигатель работает на однородной топливовоздушной смеси ( ), что означает, что в цилиндре находится (почти) идеальная смесь топлива и воздуха. Топливо впрыскивается в самом начале такта впуска, чтобы дать впрыскиваемому топливу как можно больше времени на смешивание с воздухом и образование однородной топливовоздушной смеси. [5] Этот режим позволяет использовать обычный трехкомпонентный катализатор для очистки выхлопных газов. [6]
По сравнению с впрыском через коллектор топливная эффективность увеличивается лишь незначительно, но удельная выходная мощность выше, [7] поэтому гомогенный режим полезен для так называемого уменьшения габаритов двигателя . [6] В большинстве бензиновых двигателей легковых автомобилей с непосредственным впрыском топлива используется режим гомогенного заряда. [8] [9]
Режим послойного заряда создает небольшую зону топливно-воздушной смеси вокруг свечи зажигания, которая в остальной части цилиндра окружена воздухом. Это приводит к меньшему количеству топлива, впрыскиваемому в цилиндр, что приводит к очень высокому общему соотношению воздух-топливо , [10] со средним соотношением воздух-топливо при средней нагрузке и при полной нагрузке. [11] В идеале дроссельная заслонка должна оставаться открытой настолько, насколько это возможно, чтобы избежать потерь на дросселирование. Затем крутящий момент устанавливается исключительно посредством качественного управления крутящим моментом, что означает, что для установки крутящего момента двигателя регулируется только количество впрыскиваемого топлива, но не количество всасываемого воздуха. Режим послойного заряда также удерживает пламя от стенок цилиндра, уменьшая тепловые потери. [12]
Поскольку слишком бедные смеси не могут быть воспламенены свечой зажигания (из-за недостатка топлива), заряд необходимо расслаивать (например, необходимо создать небольшую зону топливно-воздушной смеси вокруг свечи зажигания). [13] Для достижения такого заряда двигатель с послойным зарядом впрыскивает топливо на последних стадиях такта сжатия. «Вихревая полость» в верхней части поршня часто используется для направления топлива в зону вокруг свечи зажигания . Этот метод позволяет использовать сверхбедные смеси, что было бы невозможно при использовании карбюраторов или обычного впрыска топлива в коллектор. [14]
Режим послойного заряда (также называемый режимом «сжигания сверхбедной смеси») используется при низких нагрузках, чтобы снизить расход топлива и выбросы выхлопных газов. Однако режим послойного наддува отключается при более высоких нагрузках, при этом двигатель переключается на гомогенный режим со стехиометрическим соотношением воздух-топливо при умеренных нагрузках и более богатым соотношением воздух-топливо при более высоких нагрузках. [15]
Теоретически режим послойного заряда может дополнительно повысить эффективность использования топлива и снизить выбросы выхлопных газов, [16] однако на практике концепция послойного заряда не доказала существенных преимуществ в эффективности по сравнению с традиционной концепцией гомогенного заряда, а из-за присущей ей обедненной смеси при сгорании образуется больше оксидов азота , [17] для чего иногда требуется установка адсорбера NOx в выхлопной системе для соответствия нормам выбросов. [18] Для использования адсорберов NOx может потребоваться топливо с низким содержанием серы, поскольку сера препятствует правильной работе адсорберов NOx. [19] Двигатели GDI со послойным впрыском топлива также могут производить большее количество твердых частиц , чем двигатели с впрыском в коллектор, [20] иногда требуются сажевые фильтры в выхлопе (аналогично сажевому фильтру ) для соответствия нормам выбросов транспортных средств. [21] Поэтому некоторые европейские производители автомобилей отказались от концепции послойного заряда или никогда не использовали ее вообще, например, бензиновый двигатель Renault 2.0 IDE 2000 года ( F5R ), который никогда не имел режима послойного заряда, [22] или В двигателях BMW N55 2009 года и Mercedes-Benz M256 2017 года исключен режим послойного наддува, использовавшийся в их предшественниках. Группа Volkswagen использовала послойный впрыск топлива в безнаддувных двигателях с маркировкой FSI , однако эти двигатели получили обновление блока управления двигателем, позволяющее отключить режим послойного наддува. [23] Двигатели Volkswagen с турбонаддувом, маркированные TFSI и TSI , всегда использовали гомогенный режим. [24] Как и последние двигатели VW, новые бензиновые двигатели с непосредственным впрыском топлива (начиная с 2017 года) обычно также используют более традиционный режим однородного заряда в сочетании с регулируемыми фазами газораспределения для получения хорошей эффективности. От концепций стратифицированного заряда в основном отказались. [25]
Распространенными методами создания желаемого распределения топлива по камере сгорания являются впрыск с распылением , с направлением воздуха или с направляющим по стенке . В последние годы наблюдается тенденция к впрыску с распылением, поскольку в настоящее время это приводит к более высокой топливной эффективности.
В двигателях с впрыском по стенке расстояние между свечой зажигания и форсункой относительно велико. Чтобы топливо приблизилось к свече зажигания, оно распыляется в завихряющую полость в верхней части поршня (как показано на изображении двигателя Ford EcoBoost справа), которая направляет топливо к свече зажигания. Этому процессу способствуют специальные вихревые или наклонные воздухозаборные отверстия. Момент впрыска зависит от скорости поршня, поэтому при более высоких скоростях поршня момент впрыска и момент зажигания необходимо устанавливать очень точно. При низких температурах двигателя некоторые части топлива на относительно холодном поршне настолько остывают, что не могут нормально сгореть. При переключении с низкой нагрузки двигателя на среднюю нагрузку двигателя (и, таким образом, при увеличении момента впрыска) некоторые части топлива могут впрыскиваться за вихревую полость, что также приводит к неполному сгоранию. [26] Поэтому двигатели с прямым впрыском топлива с направляющей стенкой могут страдать от высоких выбросов углеводородов . [27]
Как и в двигателях с впрыском по стенке, в двигателях с впрыском по воздуху расстояние между свечой зажигания и форсункой относительно велико. Однако, в отличие от двигателей с впрыском через стенку, топливо не контактирует с (относительно) холодными частями двигателя, такими как стенки цилиндра и поршень. Вместо распыления топлива в вихревой полости в двигателях с воздушным впрыском топливо направляется к свече зажигания исключительно за счет всасываемого воздуха. Поэтому всасываемый воздух должен иметь особое вихревое или кувырковое движение, чтобы направить топливо к свече зажигания. Это вихревое или кувыркающее движение должно сохраняться в течение относительно длительного периода времени, чтобы все топливо выталкивалось к свече зажигания. Однако это снижает эффективность зарядки двигателя и, следовательно, выходную мощность. На практике используется комбинация инъекций с воздушным и настенным наведением. [28] Существует только один двигатель, в котором используется только система впрыска с воздушным управлением. [29]
В двигателях с непосредственным впрыском топлива расстояние между свечой зажигания и форсункой относительно невелико. И форсунка, и свеча зажигания расположены между клапанами цилиндра. Топливо впрыскивается на последних стадиях такта сжатия, вызывая очень быстрое (и неоднородное) образование смеси. Это приводит к большим градиентам расслоения топлива, а это означает, что существует облако топлива с очень низким соотношением воздуха в центре и очень высоким соотношением воздуха по краям. Топливо может воспламениться только между этими двумя «зонами». Зажигание происходит практически сразу после впрыска для повышения эффективности двигателя. Свечу зажигания необходимо располагать таким образом, чтобы она находилась точно в зоне воспламенения смеси. Это означает, что производственные допуски должны быть очень низкими, поскольку даже незначительное смещение может привести к резкому ухудшению сгорания. Кроме того, топливо охлаждает свечу зажигания непосредственно перед тем, как она подвергается воздействию тепла сгорания. Таким образом, свеча зажигания должна очень хорошо выдерживать термические удары. [30] При низких оборотах поршня (и двигателя) относительная скорость воздуха/топлива низкая, что может привести к неправильному испарению топлива, что приведет к очень богатой смеси. Богатые смеси не сгорают должным образом и вызывают накопление углерода. [31] При высоких скоростях поршня топливо распространяется дальше внутри цилиндра, что может оттолкнуть воспламеняющиеся части смеси настолько далеко от свечи зажигания, что она больше не сможет воспламенить топливно-воздушную смесь. [32]
Другие устройства, которые используются в дополнение к GDI при создании послойного заряда, включают систему изменения фаз газораспределения , переменный подъем клапана и впускной коллектор переменной длины . [33] Кроме того, рециркуляция выхлопных газов может использоваться для снижения высоких выбросов оксидов азота (NOx), которые могут возникнуть в результате сверхбедного сгорания. [34]
Бензин с непосредственным впрыском не оказывает очищающего действия на клапаны, которое обеспечивается при подаче топлива в двигатель перед цилиндром. [35] В двигателях без GDI бензин, проходящий через впускной канал, действует как очищающее средство от загрязнений, таких как распыленное масло. Отсутствие очищающего действия может привести к увеличению отложений нагара в двигателях GDI. Сторонние производители продают маслоуловители , которые должны предотвращать или уменьшать отложения углерода.
Способность генерировать пиковую мощность при высоких оборотах двигателя (об/мин) более ограничена для GDI, поскольку для впрыска необходимого количества топлива имеется более короткий период времени. При впрыске в коллектор (а также в карбюраторах и впрыске топлива через дроссельную заслонку) топливо можно добавлять во впускную воздушную смесь в любое время. Однако двигатель GDI ограничен впрыском топлива на этапах впуска и сжатия. Это становится ограничением при высоких оборотах двигателя (об/мин), когда продолжительность каждого цикла сгорания короче. Чтобы преодолеть это ограничение, некоторые двигатели GDI (например, двигатели Toyota 2GR-FSE V6 и Volkswagen EA888 I4 ) также имеют набор топливных форсунок коллектора для подачи дополнительного топлива на высоких оборотах. Эти коллекторные топливные форсунки также помогают очищать от нагара систему впуска.
Бензин не обеспечивает такой же уровень смазки компонентов форсунок, как дизельное топливо, что иногда становится ограничивающим фактором давления впрыска, используемого двигателями GDI. Давление впрыска двигателя GDI обычно ограничивается примерно 20 МПа (2,9 фунта на квадратный дюйм), чтобы предотвратить чрезмерный износ форсунок. [36]
Хотя этой технологии приписывают повышение топливной эффективности и сокращение выбросов CO 2 , двигатели GDI производят больше аэрозолей сажи , чем традиционные двигатели с впрыском топлива в порт. Являясь сильным поглотителем солнечной радиации, черный углерод обладает значительными свойствами потепления климата. [37]
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 транспортных средств с двигателями GDI приведет к усилению потепления климата в городских районах США. на количество, которое значительно превышает охлаждение, связанное с уменьшением CO 2 . Исследователи также полагают, что переход от традиционных двигателей с впрыском топлива (PFI) к использованию технологии GDI почти удвоит уровень преждевременной смертности, связанной с выбросами транспортных средств, с 855 смертей ежегодно в Соединенных Штатах до 1599. Они оценивают ежегодные социальные издержки этих преждевременных смертей в 5,95 миллиарда долларов. [38]
Одним из первых изобретателей, пытавшихся использовать непосредственный впрыск бензина, был доктор Арчибальд Лоу , который дал своему двигателю вводящее в заблуждение название « Двигатель с принудительной индукцией» , тогда как принудительная была только подача топлива. Он раскрыл детали своего прототипа двигателя в начале 1912 года [39] , а в 1912 году конструкция была доработана крупным производителем двигателей FE Baker Ltd [40] , а результаты были представлены на их стенде на выставке мотоциклов в Олимпии в ноябре 1912 года. Двигатель представлял собой четырехтактный мотоциклетный двигатель с высокой степенью сжатия, в котором бензиновое топливо отдельно нагнеталось до давления 1000 фунтов на квадратный дюйм и подавалось в цилиндр «в момент наивысшего сжатия» с помощью небольшого поворотного клапана с одновременным воспламенением от свечи зажигания и катушки тремблера. позволяя искрению продолжаться на протяжении всей фазы сгорания. Впрыскиваемое топливо было описано как находящееся в паровой фазе и нагретое цилиндром двигателя. Давление топлива регулировалось топливным насосом, а количество подаваемого топлива контролировалось механически с помощью поворотного впускного клапана. Похоже, что этот радикальный замысел Ф.Э. Бейкер не получил дальнейшего развития.
Хотя непосредственный впрыск стал широко использоваться в бензиновых двигателях только с 2000 года, в дизельных двигателях используется топливо, непосредственно впрыскиваемое в камеру сгорания (или камеру предварительного сгорания) с момента создания первого успешного прототипа в 1894 году.
Ранний прототип двигателя GDI был построен в Германии в 1916 году для самолета Юнкерс . Первоначально двигатель проектировался как дизельный, однако он был переведен на бензиновый, когда военное министерство Германии постановило, что авиационные двигатели должны работать либо на бензине, либо на бензоле. Поскольку в двухтактном двигателе используется сжатие картера , пропуск зажигания может привести к разрушению двигателя, поэтому компания Junkers разработала систему GDI, чтобы предотвратить эту проблему. Демонстрация этого прототипа двигателя авиационным чиновникам была проведена незадолго до прекращения разработки из-за окончания Первой мировой войны. [41]
Двигатель Хессельмана представляет собой гибридную конструкцию двигателя, который производился различными производителями с 1925 по 1951 год. [42] В двигателе Хессельмана топливо не впрыскивается во время такта всасывания вместе с воздухом, как это было бы в случае с обычным циклом Отто. двигатель, а вместо этого впрыскивается во время такта сжатия немного раньше искры. [43] Двигатели Hesselman могли использовать самые разные виды топлива, включая бензин, но обычно работали на обычном дизельном топливе. [42]
Во время Второй мировой войны в большинстве немецких авиационных двигателей использовался GDI, например радиальный двигатель BMW 801 , немецкие перевернутые двигатели V12 Daimler-Benz DB 601 , DB 603 и DB 605 , а также аналогичные по компоновке Junkers Jumo 210 G, Jumo. 211 и Jumo 213 с перевернутыми двигателями V12. Союзными авиационными двигателями, в которых использовались системы впрыска топлива GDI, были советский радиальный двигатель Швецова АШ-82 ФНВ и американский 18-цилиндровый радиальный двигатель Wright R-3350 Duplex Cyclone рабочим объемом 54,9 литра.
Немецкая компания Bosch разрабатывала механическую систему GDI для автомобилей с 1930-х годов [44] , а в 1952 году она была внедрена на двухтактных двигателях Goliath GP700 и Gutbrod Superior. По сути, эта система представляла собой дизельный насос прямого впрыска высокого давления с впускным дроссельным клапаном. Эти двигатели показали хорошие характеристики и имели до 30% меньший расход топлива по сравнению с карбюраторной версией, прежде всего при низких нагрузках двигателя. [44] Дополнительным преимуществом системы было наличие отдельного бака для моторного масла, которое автоматически добавлялось в топливную смесь, что избавляло владельцев от необходимости смешивать собственную топливную смесь для двухтактных двигателей. [45] Mercedes-Benz 300SL 1955 года также использовал раннюю механическую систему GDI от Bosch, став, таким образом, первым четырехтактным двигателем, использующим GDI. Вплоть до середины 2010-х годов в большинстве автомобилей с впрыском топлива использовался впрыск в коллектор, поэтому довольно необычно, что в этих ранних автомобилях использовалась, возможно, более совершенная система GDI. [ оригинальное исследование? ]
В 1970-е годы американские производители American Motors Corporation и Ford разработали прототипы механических систем GDI, названных Straticharge и Programmed Combustion (PROCO) соответственно. [46] [47] [48] [49] Ни одна из этих систем не дошла до производства. [50] [51]
Mitsubishi Galant, вышедший на японский рынок в 1996 году, был первым серийным автомобилем, в котором использовался двигатель GDI, когда была представлена GDI-версия рядного четырехцилиндрового двигателя Mitsubishi 4G93 . [52] [53] Впоследствии он был привезен в Европу в 1997 году на автомобиле Carisma . [54] В 1997 году компания также разработала первый шестицилиндровый двигатель GDI, двигатель Mitsubishi 6G74 V6. [55] Компания Mitsubishi широко применила эту технологию, выпустив к 2001 году более миллиона двигателей GDI в четырех семействах. [56] Хотя она уже используется. на протяжении многих лет, 11 сентября 2001 г. MMC заявила права на товарный знак для аббревиатуры «GDI». [57] Несколько других японских и европейских производителей представили двигатели GDI в последующие годы. Технология Mitsubishi GDI также была лицензирована Peugeot, Citroën, Hyundai, Volvo и Volkswagen. [58] [59] [60] [61] [62] [63] [64]
Двигатель Toyota 2GR-FSE V6 2005 года был первым, в котором сочетались как прямой, так и непрямой впрыск. В системе (называемой «D-4S») используются две топливные форсунки на цилиндр: традиционная топливная форсунка с коллектором (низкое давление) и непосредственная топливная форсунка (высокое давление) и используется в большинстве двигателей Toyota. [65]
В гонках Формулы-1 прямой впрыск стал обязательным в сезоне 2014 года , согласно правилу 5.10.2: «На цилиндр может быть только одна форсунка прямого впрыска, и никакие форсунки не допускаются перед впускными клапанами или после выпускных клапанов». [66]
Существуют дополнительные преимущества GDI для двухтактных двигателей , связанные с очисткой выхлопных газов и смазкой картера.
Аспект продувки заключается в том, что в большинстве двухтактных двигателей впускные и выпускные каналы открыты во время такта выпуска, чтобы улучшить промывку выхлопных газов из цилиндра. Это приводит к тому, что часть топливно-воздушной смеси попадает в цилиндр, а затем выходит из цилиндра несгоревшей через выпускное отверстие. При прямом впрыске из картера поступает только воздух (и обычно немного масла), а топливо не впрыскивается до тех пор, пока поршень не поднимется и все каналы не закроются.
Смазка картера достигается в двухтактных двигателях GDI путем впрыска масла в картер, что приводит к более низкому расходу масла, чем старый метод впрыска масла, смешанного с топливом, в картер. [67]
В двухтактных двигателях используются два типа GDI: с пневмоприводом низкого давления и высокого давления. В системах низкого давления, используемых на мотороллере Aprilia SR50 1992 года , используется воздушный компрессор с приводом от коленчатого вала для нагнетания воздуха в головку блока цилиндров. Затем форсунка низкого давления впрыскивает 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 судовых двигателей компанией Outboard Marine Corporation (OMC) в 1997 году, чтобы соответствовать более строгим нормам выбросов. Однако у двигателей были проблемы с надежностью, и в декабре 2000 года компания OMC объявила о своем банкротстве . Премия 2004 г. [71]
Envirofit International , американская некоммерческая организация, разработала комплекты для модернизации двухтактных мотоциклов с непосредственным впрыском топлива (с использованием технологии, разработанной Orbital Corporation Limited ) в рамках проекта по снижению загрязнения воздуха в Юго-Восточной Азии. [72] 100 миллионов двухтактных такси и мотоциклов в Юго-Восточной Азии являются основной причиной загрязнения региона. [73] [74]
Hyundai уступает только Volvo среди компаний, заимствовавших технологию у Mitsubishi.
Mitsubishi также заключила договор о разработке GDI с французской PSA для автомобилей Peugeot.