GDI двигатель: что это такое. Что такое gdi двигатель.

Основной характеристикой двигателей Jidai является бедная топливная смесь. Помните, что соотношение воздух-топливо для правильного сгорания бензина должно составлять 14,7 к 1? В системе прямого впрыска это соотношение может составлять 37 к 1 и более, в зависимости от условий эксплуатации.

GDI двигатель: что это такое

История двигателей GDI (Gasoline Direct Injection) началась в 1925 году, когда шведский инженер Е. Хесселаман разработал легкий и экономичный агрегат с искровым зажиганием, который мог работать на нескольких видах топлива одновременно: Бензин, дизельное топливо, дизельное топливо и парафин. Для закачки топлива в камеры сгорания использовался насос, а для воспламенения слегка сжатой смеси — свечи зажигания. По мере изменения температуры наружного воздуха менялся и вид топлива. Современные агрегаты GDI значительно усовершенствованы по сравнению со своими предшественниками и заслужили признание ведущих мировых автопроизводителей, несмотря на использование в качестве топлива только бензина. Первой компанией, применившей непосредственный впрыск бензина, был Daimler-Benz. Давайте рассмотрим подробнее, что такое двигатель GDI? Как она устроена? Что делает его таким популярным? И есть ли у него какие-либо недостатки?

В основе двигателя GDI лежит идея прямого впрыска топлива в камеру сгорания. Такое решение не характерно для других бензиновых двигателей. Двигатели GDI объединили в себе некоторые особенности бензиновых и дизельных двигателей, что позволило добиться очень хороших эксплуатационных характеристик. Топливный насос с давлением около 4,8 МПа (около 50 кг/см2 ) и окончательный впрыск сжатого воздуха унаследованы от дизельных двигателей GDI, а тип топлива и свечи зажигания — от бензиновых двигателей. В двигателе GDI топливо подается через инжектор непосредственно в цилиндр, где оно смешивается с воздухом, но смесь воспламеняется от искры.

Впрыск топлива в двигатель с обычным инжектором и GDI.

Концепция превосходства

Смесь, впрыскиваемая в цилиндр, имеет хорошую структуру, следует по заранее заданному пути и распределяется по всему объему, но в разных концентрациях. Более бедная, «холодная» концентрация достигает стенок цилиндра, а более богатая, «горячая» концентрация остается в центре, где находится свеча зажигания. В этом и заключается секрет работы двигателя даже при крайне бедной смеси — за счет создания необходимой концентрации в самой свече зажигания. Кроме того, установка оснащена двумя топливными насосами, один из которых стандартно расположен в баке, а другой, насос высокого давления (HPP), создает атмосферу в топливной магистрали.

Инжектор позволил минимизировать время открытия форсунок и снизить расход топлива, обеспечив при этом хороший крутящий момент и ускорение. Инжектор открывается через 3 миллисекунды на холостом ходу на двигателях GDI и через 0,51 миллисекунды на двигателях GDI. Это в 6 раз быстрее!

На практике инженерам пришлось многое сделать, чтобы, например, использовать все преимущества непосредственного впрыска:

• 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.

Читайте также: Двигатель TDI — что это такое и чем он отличается от 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.

Основная проблема заключается в высокой чувствительности двигателей GDI к качеству топлива. Это также относится к любым дефектам, которые могут каким-либо образом повлиять на качество поставляемой смеси.

В бензиновых двигателях с прямым впрыском свечи зажигания иногда могут сильно почернеть или вовсе выйти из строя. Как правило, это связано с высокой чувствительностью топливной системы к воде и микроскопическим примесям. Отложения сажи на впускном коллекторе возникают из-за попадания сажи в камеру сгорания. Частицы сажи могут оседать на клапанах и засорять форсунки, препятствуя правильному впрыску топлива.

Отложения сажи во впускном коллекторе изменяют конфигурацию воздушной катушки; она больше не соответствует спецификациям GDI, что приводит к проблемам сгорания. Количество нагара на свечах зажигания является хорошим индикатором того, насколько засорен впускной коллектор. До определенного момента их нормальная работа не будет нарушена, но после 20 000 км пробега можно подумать о замене, а в качестве меры предосторожности рекомендуется очистить впускной коллектор через 25-30 000 км пробега.

Повышенная токсичность выхлопных газов также является проблемой. При сгорании крайне бедной топливной смеси образуются токсичные NOx. Чтобы адаптировать характеристики выхлопа к Евро-3, японские инженеры сначала модернизировали нейтрализаторы, а затем добились низкой чувствительности к загрязнению серой.

Читайте также: Характеристики двигателя CRDI.

Особенности устройства

Уже было в общих чертах рассказано, что такое GDI-двигатели и каковы их основные особенности. Но это не позволяет полностью понять суть работы двигателя и особенности его конструкции.

Исходя из расшифровки, вы поняли, что такое двигатель GDI и что в нем используется комбинированная система, характерная для бензиновых и дизельных двигателей. Это своего рода смесь двух разных двигателей, что дает ему явное преимущество перед конкурентами.

Некоторые водители не совсем понимают, что такое двигатель GDI и какими особенностями он обладает на практике. Ключевым моментом является тот факт, что двигатель работает на бедной смеси, которая образуется в двигателе при низких нагрузках. Это включает в себя движение с максимальной скоростью 120 километров в час. Однако при увеличении нагрузки система автоматически переключается на обычную систему впрыска. Это приводит к снижению расхода топлива и улучшению экологического профиля, что для многих является важным фактором принятия решения.

Также стоит отметить, что в настоящее время существуют турбокомпрессоры GDI, которые имеют турбонаддув в стандартной комплектации. Это позволило увеличить мощность и производительность, сохранив при этом низкий расход топлива по сравнению с конкурентами. А что такое турбина в двигателе, я уверен, знают все. Двигатель GDI в сочетании с турбокомпрессором обеспечивает превосходные результаты.

Среди автолюбителей бытует мнение, что первым производителем двигателей GDI была японская компания Mitsubishi. Однако в действительности это не так. Первый двигатель с такой комбинированной системой впрыска был установлен на гоночной версии немецкого Mercedes W196.

Через некоторое время японская компания использовала систему впрыска с электронным управлением. Таким образом, они смогли добиться более бедной воздушно-топливной смеси, когда двигатель работал с низкой нагрузкой.

Автомобили Mitsubishi с двигателями GDI появились на рынке только в 1996 году. С тех пор двигатели претерпели ряд изменений и усовершенствований, поскольку первые образцы имели целый ряд недостатков.

Справедливости ради добавим, что сама аббревиатура GDI используется именно японским автопроизводителем Mitsubishi. Другие компании также имеют двигатели с такой же системой, но выпускают их под другими брендами. Renault во Франции использует IDE, Mercedes — CGI, а Toyota может оснащаться двигателями D4.

Принцип работы

Принцип работы любого двигателя внутреннего сгорания основан на подаче топлива и смешивании его с воздухом для образования топливно-воздушной смеси. Без воздуха или кислорода смесь не может быть воспламенена.

Для оптимальной работы бензинового двигателя необходимо соотношение смеси 14,7 к 1. Это означает, что на каждые 14,7 грамма воздуха требуется 1 грамм топлива. Если количество воздуха превышает это соотношение, смесь считается бедной. Если воздуха меньше, смесь богатая.

Если двигатель работает с бедной смесью, расход топлива может быть значительно снижен. Однако, поскольку в нем самом содержится очень мало топлива, воспламенить такое вещество сложнее. Невозможность воспламенить смесь вызывает проблемы.

С другой стороны, смесь, перенасыщенная топливом, очень легко воспламеняется. Однако бензин сгорает не полностью, и несгоревшая часть выбрасывается с выхлопными газами. Это приводит к повышенному расходу топлива и менее эффективному использованию бензина. Кроме того, обогащенная смесь способствует накоплению углеродистых отложений на клапанах двигателя и свечах зажигания.

Принимая во внимание все эти моменты, можно понять принцип работы двигателей GDI и их специфические характеристики. Конструктивное отличие заключается в том, что впрыск происходит не непосредственно во впускной коллектор, как в обычных бензиновых двигателях с впрыском топлива, а в саму камеру сгорания. Принцип работы заимствован у дизельного двигателя.

GDI работает следующим образом:

1. Бензин поступает внутрь камеры сгорания под воздействием высокого давления. При этом сам поток характеризуется закрученностью своей формы, что достигается за счёт применения специальных форсунок. Они отличаются от обычных своим строением.
2. Поток топлива под высоким давлением встречает сопротивление со стороны поршня. Происходит столкновение. Это позволяет части горючего как бы остаться на поверхности поршня. Остальное количество бензина продолжает двигаться дальше, создавая силу трения и обретая определённую форму.
3. Затем происходит загиб потока и уход от поршня с параллельным увеличением скорости. Часть частиц движется медленнее, и они начинают расходиться по сторонам, тем самым разделяя поток.
4. В итоге внутри камеры сгорания формируется одновременно два участка с топливовоздушной смесью. Посередине располагается зона с обычной легковоспламеняемой смесью, а вокруг находится обеднённая субстанция.
5. Завершается цикл воспламенением, которое образуется за счёт работы свечи зажигания, позаимствованной у инжекторного бензинового двигателя. Сначала загорается участок со стандартной смесью, а потом сгорает обеднённое топливо с воздухом.

Для создания таких условий весь процесс контролируется сложным электронным устройством со специальным программным обеспечением, которое может выполнять множество различных циклов.

В конструкции предусмотрены вихревые форсунки. С их помощью можно доставить в камеру смесь, напоминающую по консистенции тонкий туман.

В то время как топливно-воздушная смесь, используемая в обычных или стандартных автомобилях, имеет соотношение 1:14,7, смесь GDI, используемая в легких автомобилях, имеет соотношение 1:20. Это обеспечивает хорошую экономию топлива.

Отличительные особенности

Чтобы понять разницу между системами впрыска GDI и обычными системами впрыска, необходимо рассмотреть конкретные характеристики этого двигателя. Таким образом, можно узнать самые важные моменты о бензиновом двигателе с непосредственным впрыском.

1. Процесс впрыска осуществляется под давлением, которое имеет параметры от 50 атмосфер и более. В классических системах инжекторных моторов давление составляет около 3 атмосфер. Такая подача позволяет создавать мелкодисперсный туман при распылении.
2. Существуют некоторые конструктивные отличия, связанные с дроссельной заслонкой. В моторах типа GDI её устанавливают немного дальше.
3. Топливо подаётся непосредственно в сам рабочий цилиндр, где формируется смесь из горючего и воздуха. А на обычных моторах подача происходит через впускной коллектор, необходимый также и для создания топливовоздушной смеси.
4. В конструкции поршней предусмотрены углубления сферической формы. За счет него становится возможным создание завихрений и управление пламенем при возгорании. Дополнительно выемка нужна для контроля создания смеси, регулируя необходимый объём воздуха и горючего при их соединении в смесь.
5. GDI позволяют создавать очень бедные смеси. На современных двигателях встречается возможность эффективной работы даже на смеси, пропорции которой составляют до 43 к 1. Это при том, что для классических топливных систем характерно соотношение 14 к 1.
6. В ГБЦ устанавливаются специальные вихревые форсунки. С их помощью можно создавать потоки закрученной формы. В итоге движение потока осуществляется по строго заданному направлению и траектории.
7. Для GDI двигателей характерна возможность работы в 2 разных режимах. Это обычный, как у стандартного инжектора, и обеднённый. Причём переход от одного режима к другому происходит в автоматическом режиме. Когда на двигатель увеличивают нагрузку, то есть начинают двигаться с большей скоростью, подаётся обогащённая смесь. В спокойном режиме сгорает обеднённая смесь, за счёт чего экономится топливо.
8. В составе такого мотора обязательное участие принимает ТНВД. Причём топливному насосу высокого давления удаляют особое внимание, поскольку он выступает как ключевой элемент в работе системы непосредственного впрыска на GDI и ему подобных. Насос влияет на качество функционирования силовой установки и всю его работоспособность.

Все это кажется очень интересным и привлекательным с точки зрения потенциального покупателя автомобиля с этим двигателем. Но чтобы быть объективным, необходимо учитывать сильные и слабые стороны двигателя GDI. Таким образом, можно всесторонне оценить возможности двигателя, учитывая все имеющиеся недостатки. И тогда станет ясно, стоит ли покупать такой автомобиль или нет.

Впрыск топлива и разновидности GDI

Двигатели GDI имеют несколько конструктивных отличий, поэтому их можно разделить на две группы:

• для внутреннего японского рынка;
• для европейских рынков;

Они отличаются конструкцией самого двигателя, особенностями системы впрыска топлива и конструкцией системы впрыска топлива. Японские версии имеют два основных режима впрыска топлива GDI:

1. ultra lean combustion mode;
2. superior output mode;

Первый режим позволяет двигателю работать на крайне обедненной смеси, с соотношением от 37:1 до 43:1. Этот режим поддерживается ЭБУ на умеренных скоростях до 110-120 км/ч и обеспечивает плавное ускорение, т.е. без сильного нажатия на педаль акселератора. В этом режиме двигатель GDI обеспечивает максимальный крутящий момент. Форсунки впрыскивают топливо в тот момент, когда поршень находится в такте сжатия и еще не достиг верхней мертвой точки. Инжектор впрыскивает топливо в однородную струю, которая затем закручивается по часовой стрелке и смешивается с воздухом в цилиндре.

Второй режим требует стехиометрической смеси топлива и воздуха. Этот режим активируется, когда двигатель уже находится под нагрузкой (высокая скорость, работа с прицепом, подъем на холм и т.д.).

В европейских версиях двигатель GDI дополнительно доступен в двухступенчатом смешанном режиме. Этот режим предназначен для сильного ускорения с места или для необходимости сильного ускорения при обгоне. В этом режиме топливо впрыскивается в цилиндры в два этапа (4 такта).

Во время такта впуска происходит первый впрыск, в результате чего в цилиндре образуется максимально обедненная смесь с соотношением примерно 60:1. Эта смесь не предназначена для воспламенения. Основная цель — эффективное охлаждение камеры сгорания, так как в охлажденное пространство можно впрыснуть больше воздуха и топлива во время такта сжатия. Другими словами, это решение улучшает наполнение цилиндра. Во время такта сжатия следует второй впрыск, после которого смесь уже 12:1, так что цикл максимально обогащен.

Благодаря этому цилиндры заполняются эффективно, и двигатель развивает максимальную мощность. По сравнению с двигателями с распределенным впрыском, двигатели GDI на 10 процентов мощнее. Поэтому европейские версии GDI более эластичны и могут выдавать больший крутящий момент на низких оборотах двигателя при резком ускорении на скорости 30-60 км/ч.

Также стоит упомянуть о специальной функции двигателя GDI под названием stich F/B. Этот режим наиболее близок к стохиометрической топливно-воздушной смеси и также делится на два подрежима: закрытый и открытый.

В первом случае смесь регулируется на основе данных датчика кислорода, а во втором случае данные датчика не влияют на состав топливно-воздушной смеси. В этом заключается отличие двигателей GDI от других двигателей на холостом ходу. ЭБУ двигателя динамически изменяет степень сжатия в обедненном и сухом состоянии F/B, когда двигатель работает на холостом ходу и цилиндры условно разгружены. Отличительной особенностью является увеличение оборотов холостого хода до 900-950 об/мин при переходе между режимами. Вышеупомянутое изменение режима GDI обычно следует выполнять один раз в 4 минуты. Все режимы изменяются под управлением ЭБУ. Что касается комфорта водителя, то переключение режимов и смена двигателя едва заметны.

Неисправности и проблемы моторов GDI

Основной проблемой данного типа двигателя является его высокая чувствительность к качеству топлива и любым факторам или нарушениям, которые могут повлиять на качество смеси.

В двигателях GDI свечи зажигания быстро чернеют и выходят из строя. Топливная система этих двигателей гораздо более чувствительна к воде и механическим примесям в бензине. Накопление сажи во впускном коллекторе и отложения сажи на клапанах могут изменить процесс смешивания, поскольку нарушается путь потока в цилиндре. В результате GDI теряет мощность и работает с заметными пробуксовками.

Во избежание неисправностей двигателей GDI рекомендуется менять свечи зажигания каждые 10-20 тысяч километров пробега и очищать впускной коллектор от нагара и частиц сажи на его стенках каждые 25-30 тысяч километров пробега. Также необходимо регулярно проверять состояние форсунок, проверять качество впрыска топлива и чистить форсунки.

Плюсы и минусы двигателя с аббревиатурой GDI

В 2000 году российские автомобилисты впервые познакомились с двигателем GDI. Публика быстро обнаружила его преимущества, но недостатки появились позже, когда были куплены соответствующие автомобили и возникли проблемы с двигателем, который прозвали «Джедай».

Как устроен этот силовой агрегат

GDI означает бензиновый двигатель с прямым впрыском. Эти три слова относятся к двигателю, в котором топливо впрыскивается непосредственно в цилиндры. Это единственный двигатель, в котором бензин не впрыскивается во впускной коллектор. Первой компанией, которая стала производить такие механизмы, была японская компания Mitsubishi. Toyota, Nissan и BOSCH взяли эту идею на вооружение.

Для сравнения возьмем обычный ТНВД с системой распределения топлива. В этих двигателях заранее подготовленная бензино-воздушная смесь поступает в цилиндры и формируется в коллекторе. В этой зоне расположены инжекторы, работа которых контролируется электроникой. Двигатель GDI работает по другой системе. Здесь тоже есть сопло, но оно направлено в сторону камеры сгорания. Впускные клапаны пропускают только воздух, который встречается с топливом в цилиндрах.

Однородность топливной смеси контролируется электронным блоком. Он имеет сложный дизайн и серьезное программное обеспечение. Система предназначена для активации различных рабочих циклов. Топливо, поступающее в двигатель, закручивается и смешивается с воздухом. На этом преимущества этого двигателя не заканчиваются, как и недостатки.

Привлекательные и положительные моменты

Потребовалось много усилий, чтобы найти преимущества, которые могли бы сделать покупку двигателя GDI привлекательной. Оказалось, что их не так много:

1. Качественная работа мотора на обеднённой топливной смеси.
2. Передвижение в условиях города сопровождается низким расходом топлива. Эти плюсы хорошо ощущаются при стоянии в пробках, когда двигатель работает на холостых оборотах. В таком режиме бензин расходуется на 25% меньше. При скоростных режимах эта экономия теряет свою актуальность.
3. Высокая мощность и большие показатели тяги.

Негативные особенности

Хотя экспертам пришлось буквально «упасть на голову», проблемы двигателя GDI очевидны на поверхности и настолько серьезны, что игнорировать их невозможно.

Они начинаются с высоких требований к качеству топлива. Эти недостатки являются наиболее существенными для любого россиянина, вынужденного в силу обстоятельств использовать бензин не самого высокого качества. В идеале следует использовать только бензин с октановым числом выше 101. В России такого топлива нет, использование бензина 98, даже самого высокого качества, довольно быстро приводит к поломке двигателя. Не допускается использование топлива с искусственно повышенным октановым числом за счет присадок, добавок и очистителей. Автомобиль информирует своего владельца об использовании неправильного топлива вибрациями, которые не остаются незамеченными. Недостатки не исчерпываются проблемами выбора топлива.

1. Форсунки.

Форсунки создают множество проблем для владельца автомобиля. Они размещаются непосредственно на цилиндрах, в которых создается давление. Обычные модели форсунок не подходят для такой работы. Кажется, что можно купить новую запасную часть, установить ее и продолжать пользоваться автомобилем. Это решение невозможно, поскольку форсунки нельзя разобрать, почистить и обновить, их можно только купить целиком. Эти недостатки устройства создают неудобства для водителей и увеличивают стоимость эксплуатации GDI. Не полагайтесь на низкую стоимость инжекторов. И здесь водителя ждут неприятные новости.

Рабочий потенциал инжекторов, рассчитанных на высокое давление, не совместим с их долговечностью. Недостатки накапливаются как лавина, а мы еще не достигли пункта назначения.

1. Воздухопропускной фильтр и гидрокомпенсаторы.

Покупая двигатель GDI, будьте морально готовы к частому обслуживанию воздушного фильтра. Гидрокомпрессоры напомнят о себе звоном. Даже после их откачки или полной замены проблема через некоторое время возникнет вновь. Такое поведение блока GDI трудно объяснить, и истинная причина пока не найдена.

Обзор оказался катастрофическим и имел негативное послевкусие. У каждого двигателя есть свои недостатки, но они не такие серьезные, как в случае с «Джедаем». Конструкторы все еще работают над усовершенствованием этого механизма и пытаются превратить недостатки в преимущества. Мы надеемся, что их работа вскоре приведет к положительным результатам и каждый российский автолюбитель сможет приобрести автомобиль с двигателем GDI, не беспокоясь о его преимуществах.

Повышенная объемная эффективность

По сравнению с обычными двигателями, двигатель Mitsubishi GDI обеспечивает более высокую эффективность использования рабочего объема. Вертикальные, прямые воздухозаборные каналы обеспечивают более мелкий забор воздуха. Испарение топлива, которое происходит во время последнего такта сжатия в цилиндре, охлаждает воздух для повышения объемной эффективности.

Рис. Увеличение объемного КПД

Проблемы и неисправности

На самом деле, почти все проблемы двигателя GDI связаны именно с его чувствительностью к низкосортному бензину. Такая особенность приводит к различным поломкам и неисправностям.

По опыту автовладельцев, свечи зажигания в двигателях GDI начинают чернеть и выходят из строя. Топливная система не хочет, чтобы в нее попадали вода, различные механические примеси и твердые минеральные частицы.

Загрязнения также имеются на поверхностях клапанов и впускных коллекторов. Это изменяет процесс образования смеси, что вызвано прерыванием пути потока внутри цилиндра. Все это приводит к потере мощности и сбоям в работе.

Чтобы избежать подобных неисправностей и сохранить эффективную работу двигателя GDI на долгое время, рекомендуется принять некоторые профилактические меры. Их можно обобщить, следуя приведенным ниже правилам:

1. Свечи рекомендуется менять ещё до возникновения неисправностей. В наших условиях эксплуатации оптимальным межсервисным периодом считается 10-20 тысяч километров.
2. Дополнительно рекомендуется очищать впускной коллектор от накапливающегося нагара и сажи. Делается это не реже чем 1 раз на каждые 25-30 тысяч километров.
3. Обязательно следите за состоянием инжекторов, проверяйте качество распыления топлива и очищайте форсунки.

Учитывая эти недостатки, само собой разумеется, что при эксплуатации GDI следует посещать только проверенные и зарекомендовавшие себя АЗС, предлагающие топливо высочайшего качества, чистое и неразбавленное.

Потребление топлива в режиме холостого хода

Двигатель GDI обеспечивает ровное сгорание топлива даже на низких оборотах холостого хода. Он также обеспечивает большую гибкость в управлении холостым ходом. Расход топлива в этом режиме на 40% ниже, чем у обычных двигателей.

Рисунок Расход топлива на холостом ходу