НЕПОСРЕДСТВЕННЫЙ ВПРЫСК БЕНЗИНА (GDI) - ОПИСАНИЕ

Сообщение

Введение

Большинство техников, работающих с автомобилями с 1980-х годов, вероятно, знакомы с несколькими типами систем впрыска топлива. С того времени и даже ранее широко использовались системы центрального впрыска (Throttle Body), распределенного электронного впрыска (Multi-Port) и механического впрыска K-Jetronic. «Новичком на рынке» является GDI (непосредственный впрыск бензина). Также известный как SIDI (искровое зажигание с непосредственным впрыском) или FSI (послойный впрыск топлива), GDI — это общее название этой вновь появившейся технологии.

Почему «вновь появившейся»? Потому что, как и многие автомобильные технологии, у нее есть полезная история. Первая система GDI была представлена в 1902 году французским изобретателем Леоном Левавассёром и в конечном итоге использовалась на авиационном двигателе V-16. В начале 1920-х годов технология непосредственного впрыска также применялась в дизельных двигателях и продолжает использоваться по сей день. GDI широко использовалась на самолетах эпохи Второй мировой войны в Германии (BMW и Daimler-Benz), Советском Союзе и Соединенных Штатах (на некоторых авиационных двигателях Wright).

В 1955 году компания Bosch адаптировала свою технологию дизельного впрыска для создания примитивной системы GDI для Mercedes-Benz 300SL — первого серийного спортивного автомобиля, использующего впрыск топлива. American Motors Corporation (AMC) разработала систему Straticharge Continuous Fuel-Injection (SCFI), которая использовалась на AMC Hornet 1973 года (по-настоящему прекрасный автомобиль). В конце 1970-х годов Ford Motor Company разработала систему GDI PROCO (программируемое сгорание), которая была установлена на небольшом количестве моделей Crown Victoria. Все эти ранние системы GDI были дороги в производстве и сложны в обслуживании. Более того, технология не подходила для среднестатистического уровня квалификации среднего автомеханика в области ремонта и диагностики, поэтому были проблемы с пост продажным обслуживанием этих авто.

: НЕПОСРЕДСТВЕННЫЙ ВПРЫСК БЕНЗИНА (GDI) - ОПИСАНИЕ; Screenshot_6.jpg (137.81 КБ) 185 просмотров

Этот двигатель Ford EcoBoost 3.5L V-6 оснащен системой независимого изменения фаз газораспределения и непосредственным впрыском бензина (GDI). Он развивает 365 лошадиных сил при 5500 об/мин и крутящий момент 350 фунт-футов в диапазоне от 1500 до 5000 об/мин. Такая мощность стала возможной только благодаря сложной системе GDI. Установленный в Ford Taurus SHO 2015 года, он потребляет 17 миль на галлон в городе и поразительные 25 миль на галлон на трассе.

: Схема типичной системы GDI; Screenshot_1.jpg (113.38 КБ) 178 просмотров

Схема типичной системы GDI. Топливо под низким давлением обозначено зелеными линиями, красные линии указывают на высокое давление топлива. Топливо из бака (1) подается к топливному фильтру (3) насосом низкого давления (2) при давлении около 50 фунтов на кв. дюйм. Из топливного фильтра топливо поступает в механический топливный насос высокого давления (4), где давление повышается до значения от 500 до 3000 фунтов на кв. дюйм в зависимости от нагрузки двигателя. Перепускной клапан на насосе возвращает топливо в бак. Из насоса высокого давления топливо поступает в общую топливную рампу (5). Форсунки (6) впрыскивают топливо непосредственно в камеру сгорания двигателя. Датчик давления топлива (7) передает информацию о давлении в модуль управления двигателем (PCM). Клапан регулирования высокого давления (8) управляет давлением в рампе и возвращает топливо в бак.

Сообщение

: схема GDI; Screenshot_2.jpg (120.33 КБ) 179 просмотров

В отличие от систем, где форсунка расположена в канале впускного коллектора, в системах GDI форсунка устанавливается непосредственно в камере сгорания. Поршень имеет специальный отражатель, который перенаправляет струю топлива вверх, непосредственно к свече зажигания, для обеспечения более эффективного сгорания. Системы впрыска GDI используют множество различных конструкций днища поршня, которые способствуют предварительному смешиванию топливного облака с поступающим воздухом.

Позже, в 1996 году — том самом, когда был введен стандарт OBD-II — компания Mitsubishi выпустила 1,8-литровый четырехцилиндровый двигатель GDI. С того времени большинство автопроизводителей последовали ее примеру, создав собственные версии технологии GDI. Этот процесс продолжался вплоть до 2014 года, когда General Motors представила свой 6,2-литровый двигатель V-8 с системой изменения фаз газораспределения, отключением цилиндров и системой питания GDI.

Зачем нужен GDI? Это технология предлагает несколько преимуществ, которые соответствуют привычным целям в автомобильной сфере: повышение топливной экономичности (на 8–22% больше, чем у аналогичного двигателя с распределенным впрыском), высокая мощность и снижение выбросов. Благодаря точному контролю за впрыском топлива непосредственно в цилиндры, конструкторы двигателей получили множество возможностей для улучшения экономичности, мощности и экологичности.

Обычные двигатели с впрыском топлива (и даже карбюраторные), где варьируется состав топливовоздушной смеси, и системами зажигания, регулирующими опережение зажигания, — это технологии, знакомые многим домашним мастерам.

Главное отличие GDI от обычного впрыска топлива заключается в том, что GDI использует несколько режимов работы для впрыска бензина непосредственно в камеру сгорания двигателя.

: Топливный насос высокого давления Delphi GDI; Screenshot_3.jpg (88.11 КБ) 179 просмотров

Топливный насос высокого давления Delphi GDI с низким уровнем шума является насосом однопоршневого типа, приводимым от распределительного вала двигателя. Насос может создавать давление топлива от 420 фунтов на кв. дюйм до свыше 2800 фунтов на кв. дюйм и включает в себя интегрированный регулирующий клапан (с электрическим разъемом). Насос может использоваться на двигателях большого объема и работать при частоте вращения до 7500 об/мин.

Хотя терминология, используемая автопроизводителями, может различаться, тремя основными режимами работы GDI являются: сверхбедное сгорание, стехиометрический (относящийся к химическим законам энергии) и полная мощность — все они характеризуются соотношением воздух/топливо. Режим сверхбедного сгорания, или режим послойного заряда, используется для условий работы с малой нагрузкой и постоянными скоростями движения. Топливо впрыскивается в камеру сгорания на поздних стадиях такта сжатия четырехтактного цикла двигателя, а не в начале такта впуска. Соотношение воздух/топливо может быть столь бедным, как 65:1 (бедные смеси в обычном EFI находятся в диапазоне 15:1). Топливно-воздушный заряд размещается рядом со свечой зажигания, где он сгорает при пониженных температурах сгорания, более низких выбросах и тепловых потерях, что в результате дает большую мощность. Эту сверхбедную смесь было бы невозможно достичь с карбюраторами или обычным впрыском топлива.

Стехиометрический режим используется для условий движения с умеренной нагрузкой. Топливный заряд впрыскивается во время такта впуска и создает топливно-воздушную смесь (14,7:1), которая является однородной (полностью перемешанный воздух и топливо). Это приводит к оптимальному сгоранию топлива, при котором все топливо и кислород consumed в процессе сгорания. Отработавшие газы fairly чистые, и любые углеводороды, которые вырываются из двигателя, дополнительно очищаются каталитическим нейтрализатором.

Режим полной мощности GDI (примерно 13:1 воздух/топливо) предназначен для резкого ускорения и больших нагрузок на двигатель. Топливно-воздушная смесь немного богаче стехиометрической и по своей природе однородна. В мощностном режиме топливо впрыскивается во время такта впуска двигателя.

Сообщение

ПЕРЕДОВЫЕ СТРАТЕГИИ GDI

Современные системы GDI стали возможны только благодаря передовой вычислительной мощности. Помимо управления всеми компонентами, связанными с выбросами, и положением дроссельной заслонки, модулю управления двигателем (PCM) приходится работать с множеством режимов системы GDI. Если этого недостаточно, PCM также должен интегрировать работу GDI с другими передовыми системами двигателя.

Одной из таких систем является отключение цилиндров, при котором часть цилиндров двигателя фактически отключается для экономии топлива. Отключение цилиндров в сочетании с GDI является вехой в автомобильных технологиях. Например, отключение трех цилиндров в двигателе V-6 требует увеличения открытия дроссельной заслонки для подачи воздуха в оставшиеся три работающих цилиндра. Большее открытие дроссельной заслонки снижает разрежение во впускном коллекторе для этих цилиндров, что приводит к более высокому рабочему давлению сжатия, которое производит большую мощность двигателя при частичной нагрузке. На холостом ходу более высокое рабочее сжатие способствует более эффективному сгоранию топливовоздушной смеси, что приводит к снижению выбросов.

Для отключения определенных цилиндров в некоторых системах используется соленоид, чтобы разблокировать толкатели распределительного вала на одном ряду цилиндров от соответствующих коромысел. Толкатели свободно перемещаются, а пружины клапанов удерживают клапаны закрытыми. Поршни в этих цилиндрах все еще движутся вверх-вниз, но поскольку воздух не поступает в цилиндр, сжатия не происходит. Когда водитель нажимает на педаль газа, PCM снова включает цилиндры, и двигатель может развивать полную мощность. Во время работы в режиме отключения цилиндров PCM изменяет момент впрыска и режимы GDI, одновременно управляя открытием дроссельной заслонки.

Изменяемые фазы газораспределения — это еще одна система, которая работает в тандеме с GDI. Обычные впускные и выпускные клапаны приводятся в действие распределительным валом, который контролирует их открытие и закрытие в зависимости от положения коленчатого вала. Получаемые фазы газораспределения существенно влияют на выходную мощность двигателя. Недостаток conventional систем заключается в том, что фазы газораспределения и подъем клапана фиксированы для всех оборотов двигателя. Идеальные фазы/подъем клапана на холостом ходу не подходят для работы на полной мощности, и наоборот. Снижение выбросов при частичной нагрузке требует фаз газораспределения, которые не будут идеальны для других условий эксплуатации. Изменяемые фазы и подъем клапана позволяют улучшить производительность двигателя во всем диапазоне оборотов, обеспечивая снижение выбросов и увеличение выходной мощности.

Изменяемые фазы газораспределения могут быть реализованы различными способами. Некоторые производители используют два профиля распределительного вала и переключаются между ними с помощью гидравлических приводов. Другие используют фазовращатели, где кулачки поворачиваются вперед или назад относительно коленчатого вала.

Сочетание изменяемых фаз газораспределения и GDI предоставляет автомобильным инженерам высокую степень контроля над мощностью двигателя, расходом топлива и выбросами. Еще одним улучшением эффективности двигателя в сочетании с GDI является турбонаддув, рассмотренный ранее в этой главе.

Применение непосредственного впрыска бензина в сочетании с сопутствующими разработками, включая отключение цилиндров, турбонаддув, изменяемые фазы и подъем клапанов, передовую конструкцию камеры сгорания и широкополосные датчики соотношения воздух/топливо, приводит к созданию двигателей меньшего рабочего объема, которые развивают мощность, аналогичную более крупным двигателям, но имеют более низкие общие выбросы и лучшую топливную экономичность.

: Принцип работы типичной системы изменения фаз газораспределения.; Screenshot_4.jpg (249.73 КБ) 173 просмотра

Принцип работы типичной системы изменения фаз газораспределения. Распределительный вал (A) и звездочка привода распредвала (B) приводятся в действие ремнем ГРМ — такая же компоновка используется на обычном двигателе. Блок управления двигателем (PCM) управляет фазами газораспределения следующим образом: изменение фаз газораспределения контролируется давлением моторного масла. Клапан управления подачей масла (1) открывается и закрывается по команде PCM. Когда клапан открывается, давление масла подается в исполнительный механизм распредвала (2), где оно воздействует на поршень. Это действие заставляет винтовую шестерню внутри исполнительного механизма поворачивать распределительный вал (3). Возможность опережать и замедлять фазы газораспределения обеспечивает цилиндрам двигателя повышенную объемную эффективность, то есть степень наполнения.

: Принцип работы типичной системы изменения фаз газораспределения.; Screenshot_5.jpg (203.32 КБ) 173 просмотра

Этот двигатель использует два распределительных вала в головке блока цилиндров (DOHC). Цепь ГРМ (A) приводится во вращение коленчатым валом двигателя, который вращает впускной распредвал (B) и выпускной распредвал (C). В зависимости от оборотов двигателя и условий нагрузки, модуль управления двигателем (PCM) может вызывать независимое вращение фазовращателя на выпускном распредвале относительно звездочки распредвала (желтая стрелка). Это действие обеспечивает идеальные фазы газораспределения как для условий работы на высоких, так и на низких оборотах двигателя.

: Двигатели Honda с системой VTEC; Screenshot_7.jpg (196.61 КБ) 172 просмотра

Двигатели Honda с системой VTEC используют переменный подъем клапанов, обеспечивая два различных профиля кулачков распредвала. При работе на низких оборотах используется профиль с малой продолжительностью и высотой подъема для увеличения крутящего момента. В условиях высоких оборотов и нагрузок блок управления двигателем (PCM) переключает подъем клапанов на профиль с большой продолжительностью и высотой, активируя соленоид, управляющий давлением масла. Изменение давления приводит в действие фиксирующий штифт, который соединяет профиль кулачка для высоких оборотов с коромыслом низких оборотов. Поскольку профиль для высоких оборотов максимизирует наполнение цилиндров, двигатель развивает большую мощность.

Сообщение

ПРОБЛЕМЫ GDI

Системы GDI действительно имеют некоторые характерные эксплуатационные проблемы. Накопление нагара на впускных клапанах, чрезмерный износ кулачка распредвала, приводящего ТНВД, и низкоскоростная калильная вспышка поражают некоторые системы.

В отличие от распределенного впрыска, где форсунки распыляют топливо непосредственно на тыльные стороны впускных клапанов двигателя, форсунки системы GDI впрыскивают топливо непосредственно в камеру сгорания. Поскольку топливо не омывает тыльную часть впускных клапанов и их седла для удаления отложений, эти поверхности закоксовываются, что приводит к пропускам зажигания в двигателе. Большая часть углеродистых отложений поступает из системы рециркуляции отработавших газов (EGR) и системы вентиляции картера (PCV). Если отложения значительны, может потребоваться снятие головки блока цилиндров и впускного коллектора для очистки и восстановления поверхности седел клапанов.

Другой проблемой систем GDI является преждевременный износ кулачка распредвала, который приводит в действие ТНВД системы GDI. Некоторые из этих проблем вызваны выбором производителем материалов, используемых для распредвала и толкателей. К счастью, эти проблемы обычно устраняются по гарантии на новый автомобиль. Если не используется моторное масло, специально одобренное производителем для данной модели, кулачок, приводящий топливный насос, может быстро изнашиваться.

При замене моторного масла в двигателе GDI всегда следуйте рекомендациям производителя по типу и марке используемого масла.

Еще одна проблема, не особенно распространенная, но иногда встречающаяся: малолитражные турбированные двигатели GDI могут проявлять детонацию из-за очень мелких капель масла, которые проходят через поршневые кольца, преобразуются из жидкого состояния в пар и самовоспламеняются из-за высоких температур в камере сгорания. Это явление может вызвать механическое повреждение двигателя, нарушая тщательно выверенный процесс сгорания, используемый в двигателях GDI.

Сообщение

ТЕХНИКА БЕЗОПАСНОСТИ ПРИ РАБОТЕ С GDI

Работа с системами распределенного впрыска топлива и бензином связана с риском возгорания, и то же самое справедливо для систем GDI. Однако у GDI есть еще одна потенциальная опасность. Поскольку давление в магистрали высокого давления типичной системы GDI достигает значений от 500 до более 3000 фунтов на кв. дюйм, при работе с этими топливными системами необходимо соблюдать крайнюю осторожность. Резкий выброс топлива из отсоединяемой топливной магистрали под давлением 3000 фунтов на кв. дюйм может привести к тяжелой травме. Перед ремонтом системы GDI это высокое давление необходимо стравить.

Высокое давление создается в участке между выпускным портом топливного насоса высокого давления и топливной рампой форсунок. Для сброса давления некоторые производители рекомендуют отключить топливный насос с помощью двунаправленного управления, доступного в большинстве диагностических сканеров, а затем запустить и дать двигателю поработать до остановки. Другие производители используют альтернативные методы сброса топливного давления. Наиболее распространенный метод — извлечение предохранителя или реле, управляющего работой насоса низкого давления. После этого следует запустить двигатель и дать ему поработать до остановки. Эта процедура может не удалить все высокое давление в системе GDI, поэтому для контроля давления в топливной рампе можно использовать сканер. Всегда обращайтесь к заводскому руководству по ремонту для получения правильной и точной процедуры сброса топливного давления в системе GDI.

Некоторые производители рекомендуют выждать не менее двух часов после сброса давления, прежде чем вскрывать магистраль высокого давления. Кроме того, при повторной сборке многие производители требуют замены всех уплотнительных колец, а также большинства стальных топливных трубок высокого давления и болтов крепления топливного насоса высокого давления на оригинальные запчасти при замене или снятии компонентов.

Сообщение

ДИАГНОСТИКА СИСТЕМ GDI

Типичную систему GDI можно разделить на компоненты низкого и высокого давления. Сторона низкого давления аналогична, если не идентична, системе распределенного электронного впрыска топлива (EFI). В топливном баке расположен подкачивающий насос низкого давления. Некоторые производители используют демпфер пульсаций, встроенный в линию низкого давления, и даже сервисный порт для проверки давления. Давление в магистрали низкого давления аналогично системам распределенного впрыска и находится в диапазоне 40–60 фунтов на кв. дюйм.

Сторона высокого давления систем GDI включает механический топливный насос высокого давления, приводимый от распределительного вала двигателя. Некоторые двигатели V-6 используют два насоса высокого давления. Эти насосы требуют правильной установки по меткам («синхронизации»). Они способны создавать давление от 500 до 3000 фунтов на кв. дюйм и содержат электромагнитный клапан-регулятор давления, управляемый модулем PCM. Также присутствует встроенный предохранительный клапан. Во время работы двигателя насос высокого давления издает щелкающий звук. Топливные рампы в системах GDI изготавливаются из нержавеющей стали для прочности и стойкости к коррозии. Их часто называют «общей рампой», подобно тем, что используются в системах впрыска дизельных двигателей. Форсунки крепятся к рампе с помощью специальных одноразовых зажимов или фиксаторов. Сервисный порт для проверки давления на топливной рампе отсутствует. В магистралях высокого давления могут использоваться одноразовые шаровые соединения, которые необходимо заменять при каждом обслуживании.

Топливная рампа болтами крепится непосредственно к головке блока цилиндров и часто «спрятана» под впускным коллектором. Из-за очень высокого давления топлива средняя длительность импульса форсунки составляет 0,4 мс (400 микросекунд) по сравнению с импульсами распределенного впрыска в диапазоне 1,5–3,5 мс. Чтобы работать с такими короткими импульсами, насос высокого давления должен быстро реагировать на потребности в подаче топлива. Для этого соленоид управления давлением может срабатывать с частотой 4700 раз в секунду. В некоторых системах PCM будет кратковременно включать насос низкого давления на одну секунду — 4–5 раз в течение 6 часов при заглушенном двигателе. Это поддерживает давление на входе насоса высокого давления и предотвращает попадание паров топлива и воздуха в него. Если в насосе высокого давления присутствуют пары топлива, двигатель не запустится, пока при прокрутке не будет создано достаточное давление. PCM не разрешит работу системы зажигания, пока не получит сигнал о достаточном давлении от датчика давления топлива.

Топливные форсунки в системе GDI бывают двух типов: соленоидные (наиболее распространенные) и пьезоэлектрические. Из-за высокого давления для первоначального открытия форсунки требуется 50–65 вольт, после чего напряжение падает до 12 вольт для удержания ее в открытом состоянии. Пьезоэлектрические форсунки используют стопку кристаллов для открытия клапана и могут работать при напряжении до 105 вольт. Не используйте контрольные лампы-индикаторы (noid lights) или 12-вольтовые тестовые лампы для проверки сигналов управления форсунками от PCM, так как шокирующие результаты могут усложнить ваш день.

Ниже приведены некоторые распространенные сервисные компоненты и процедуры для стороны высокого давления: отказ насоса высокого давления (используйте новые болты, уплотнения и прокладки), износ толкателя кулачка насоса высокого давления, отказ форсунки (для снятия могут потребоваться специальные инструменты), отказ датчика давления, удаление нагара с впускного коллектора и впускных клапанов. Многие топливные линии высокого давления имеют одноразовые шаровые соединения и должны заменяться при каждом ослаблении или снятии. Используйте параметры данных (PIDs) GDI для диагностики, так как их значительно больше, чем в системах с распределенным впрыском. Используйте двунаправленное управление диагностического сканера для включения/отключения компонентов при проверке их функционирования. Обращайте внимание на коды неисправностей (DTC), специфичные для систем GDI.