Наверное, японские инженеры уверены в том, что плохих идей быть не может, просто есть те, что нужно реализовать и довести до ума. Во всяком случае, по числу оригинальных решений, применённых к серийным автомобилям, с ними явно никто не сравнится. А в Европе и Америке потом возмущаются, что это придумали они, и работали над этим. Конечно, может и подумали. Но, тем не менее, ничего реализации задуманного так и не сделали. Или просто в итоге забросили, так как посчитали невыгодным.
Вот уже не менее 100 лет на многих автомобилях устанавливается ДВС бензиновый, и почти столько же – дизельный двигатель. Мы давно к ним привыкли и отлично знаем обо всех (или почти всех) достоинствах и недостатках, умеем применять их в зависимости от обстоятельств. Бензиновый двигатель быстро разгоняется, легко пускается, дешевле стоит и имеет более высокую литровую мощность. Однако он требует больше топлива, которое стоит довольно дорого. По этой причине он обычно встречается на небольших грузовых и легковых автомобилях.
Дизельный двигатель имеет более высокую стоимость и его обслуживание тоже обходится дороже. Он не так быстроходен, и его литровая мощность несколько ниже, кроме того, он хуже пускается и производит больше шума. Зато расход топлива у него намного ниже, и стоит оно значительно дешевле. По этой причине коммерческие и тяжёлые автомобили оснащаются дизельным типом двигателя. Автовладельцы всё чаще начинают задумываться о том, какой предпочесть им двигатель. И в итоге нередко выбирают дизель. Но как было бы хорошо, если бы было два в одном - и легко пускается, и быстрый, и тихий, и мощность высокая, и топливо зимой не замерзает, и «ест» немного… Однако чудеса не происходят, существует лишь только теория двигателей.
Простыми словами
Чтобы сгорело топливо, ему нужен воздух. Однако нужно ли смешивать с топливом количество воздуха, требуемое для его полного сгорания? Это количество воздуха носит название стехиометрическое, и, разумеется, значение его давно уже известно. Для бензина, например, оптимальный состав топливной смеси выражается соотношением 14, 7:1. Смесь с более высоким содержанием воздуха называется бедной, а с меньшим – богатой. Небогатую топливную смесь далеко не всегда можно стабильно поджечь, а с богатой несгоревшее топливо будет вылетать в трубу, что увеличит выброс углекислого газа.
Однако воздух требуется не только для сгорания. Чем выше перед воспламенением будет давление в цилиндре, тем больше будет отдача двигателя. И нам выгодно, чтобы на такте впуска в цилиндр попало больше воздуха, чтобы увеличилось давление. Давайте теперь разберёмся, почему дизель отличается большей экономичностью.
Вспомним, как работает двигатель внутреннего сгорания. На такте впуска в цилиндр поступает смесь воздуха и топлива, потом она сжимается и поджигается искрой. В дизельном двигателе в цилиндр на такте впуска поступает воздух, который сжимается впоследствии под большим давлением, в результате чего он нагревается. К концу сжатия в цилиндр поступает топливо, которое при высокой температуре и давлении самовоспламеняется. В цилиндре дизельного двигателя намного выше давление, чем в цилиндре бензинового. Для безнаддувного современного дизеля нормальной степенью сжатия считается 20, а в бензиновом двигателе она едва достигает 11. А, между тем, от давления напрямую зависит эффективность. Немедленно возникает вопрос, можно ли значительно увеличит степень сжатия в двигателе бензиновом. Такие попытки предпринимались, однако результата не принесли, так как есть такие явления, как зажигание калильное и детонация.
Детонация – это излишне быстрое сгорание топлива в удалённых от свечи точках, которое сопровождается перезагрузкой деталей и резким местным перегревом. Первым признаком детонации является стук, который мы слышим, когда резко пытаемся разогнаться после того, как заправим автомобиль низкооктановым бензином.
Калильное зажигание – это преждевременное (до того, как появится искра) воспламенение свечи от нагревшихся слишком сильно деталей камеры сгорания, к примеру, от электрода свечи.
Теперь разберёмся, что происходит при малых нагрузках. Мы «убавили газ» и поехали более медленно. Как это повлияет на бензиновый мотор? Когда мы отпускаем педаль, дроссельная заслонка прикрывается при впуске, что таким образом уменьшает не только количество подаваемого топлива, но также и количество воздуха. А уменьшение воздух в цилиндре ведёт к уменьшению давления в конце сжатия. Но вы скажете, что это лишь при карбюраторе. А что же с бензиновым двигателем с впрыском топлива? Ведь там возможно не уменьшая количество воздуха уменьшить подачу топлива. Можно, но, разумеется, есть предел. Слишком бедная смесь искрой поджигаться не будет, придётся прикрывать дроссель, что уменьшит давление. А невысокое давление в цилиндре приведёт к меньшему моменту на выходе.
А что значит «опустить педаль» у дизеля. Это предполагает то, что в цилиндры будет подаваться меньшее количество топлива. Однако давление в конце такта впуска останется прежним, и количество всасываемого воздуха не изменится. Да, смесь от этого станет бедной, однако дизель успешно работает и на такой – ведь там другое топливо и иначе действует принцип распределения. Дизель остаётся вполне эффективным даже при малых нагрузках. Вот мы и дошли до главного: чтобы сделать бензиновый двигатель экономичным и в тоже время мощным, необходимо избавиться от детонации и научить его работать на бедной смеси.
Некалорийная пища
Проблема не в том, что воспламенять бедную смесь, соотношение которой меньше, чем 17:1, искра упорно отказывается. Ведь цилиндр можно заполнять бедной смесью, а к свече подавать уже более богатую, которая загорится без труда. Сделать это пытались в форкамерном двигателе и была заложена именно эта идея. Реальные результаты получилось достигнуть на моторах с распределённым впрыском топлива. Устойчивой работы здесь удалось добиться на смеси с соотношением 22:1, однако сделать смесь ещё более бедной не получается. Ведь при обычном распределённом впрыске смесеобразование внешнее – во впускной трубопровод форсунка впрыскивает бензин. Доставить более обогащённую смесь к свече мы можем только путём направления потока при помои методов аэродинамики, к примеру, завихряя его особым образом. Если бы только топливо могло впрыскиваться непосредственно в цилиндр.
Бензиновые двигатели с непосредственным топливным впрыском появились уже достаточно давно, в авиации они активно применялись в годы Второй мировой войны. Такие двигатели разрабатывались и для автомобилей, по крайней мере, в нашей стране они испытывались в конце 40-вых годов. Однако с серьёзными недостатками непосредственного впрыска, например, с дымлением при мощностных режимах, не удавалось справиться достаточно долго. Поэтому впрыском непосредственным заниматься практически прекратили.
Однако японцы его не забросили. На Mitsubishi поняли раньше других, какую непосредственный впрыск может принести пользу, в условиях ужесточения экологических норм. Спустя 15 лет удалось довести до готовности к производству моторы с непосредственным впрыском бензина. Широкой публике их представили на Токийском и Франктфурском автосалонах осенью 1995-ого года. Через год после этого на японском рынке появился серийный Митсубисиi, а ещё через год европейцам предложили автомобиль Carmisma с двигателем 1.8 GDI.
Особенности устройства GDI
Действительно, двигатель Митсубиси GDI по своей конструкции одновременно напоминает как обычный бензиновый, так и дизельный двигатель. В каждом цилиндре присутствует и форсунка, и свеча зажигания, а топливо подаётся насосом с высоким давлением. Форсунка предоставляет возможность использования двух разных режимов впрыскивания топлива. Обратим внимание на следующие особенности. Сверху подходит к цилиндру впускной трубопровод. Это обеспечивает получение падающего потока воздуха, разворачивающегося и устремляющегося вверх после контакта с поршнем. По практически прямому трубопроводу поток движется с очень большой скоростью, некоторое количество воздуха входить будет в поршень по инерции, даже в случае достижения поршнем нижней мёртвой точки.
Поршень – не совсем обычный – сверху имеется выемка сферической формы. Такая форма обеспечивает 3 значимые функции. Во-первых, позволяет задать нужное направление движения воздушному потоку. Во-вторых, направляет непосредственно к свече зажигания впрыскиваемое топливо, что весьма необходимо при работе на очень бедных смесях. В-третьих, даёт возможность определить распространение фронта пламени.
Принципы работы GDI
В работе GDI выделяются 3 возможных режима, которые, в свою очередь, зависят от режима движения:
- Работа на сверхбедных смесях. Данный режим применяется при малых нагрузках: при загородном движении и спокойной городской езде на скорости не более 120 километров в час. В данном случае топливо в цилиндр подаётся как дизеле – по окончанию такта сжатия. Впрыскивается оно компактным факелом, потом смешивается с воздухом и направляется выемкой поршня в форме сферической. В итоге этого облако, обогащённое топливом, оказывается ближе всего к свече зажигания, оно благополучно зажигается, а потом поджигает бедную смесь. В результате этого двигатель устойчиво работает даже в таком общем соотношении топлива и воздуха в цилиндре, как 40:1.
- Режим работы на стехиометрической смеси. История возникновения и развитие двигателей DOHC. Данный режим прекрасно подходит для интенсивной городской езды, быстром загородном движении и обгонах. При составе смеси стехиометрическом не возникает никаких проблем с её воспламенением. Но так как степень сжатия будет лучше повысить, то весьма важным является не допустить появление детонации и калильного зажигания. Впрыск топлива происходит во время процесса такта впуска. Топливо впрыскивается коническим факелом, после чего испаряется и, тем самым, охлаждает в цилиндре воздух. Благодаря охлаждению уменьшается вероятность зажигания калильного и детонации.
- Режим, реализующийся системой управления GDI. Он позволяет увеличить момент двигателя в том случае, если водитель неожиданно надавливает на педаль акселератора, двигаясь при этом на малых оборотах. Когда при работе на малых оборотах в двигатель друг подаётся обогащённая смесь, значительно возрастает вероятность детонации. По этой причине впрыск осуществляется в 2 этапа. Малое количество топлива попадает в цилиндр на такте впуска и охлаждает воздух в нём. Цилиндр при этом заполняется сверхбедной смесью, в которой не могут происходить детонационные процессы. После этого по окончанию такта сжатия подаётся компактная топливная струя, которая обогащает смесь, делая соотношение воздуха и топливо в цилиндре равным 12:1. На то, чтобы к детонации подготовиться времени при этом не остаётся.
Итак, что мы в итоге получаем на выходе
Степень сжатия удаётся поднять 12.5, наполнение воздухом улучшилось. Двигатель может работать устойчиво и на бедной мощность, на 20% уменьшается выброс углекислого газа. Однако такое лишь в Японии. В странах европейских в бензине содержится слишком много серы, поэтому такое преимущество, как повышенная мощность в европейских странах в настоящий момент невозможно.
