Новые двигатели Hyundai T-GDI: меньше объем, больше мощность

Система непосредственного впрыска топлива применяется на бензиновых двигателях последних поколений с целью повышения их экономичности и увеличения мощности. Она предполагает впрыск бензина напрямую в камеры сгорания цилиндров, где и происходит его смешение с воздухом и образование топливовоздушной смеси. Первыми двигателями, которые были оснащены такой системой впрыска, стали моторы GDI (Mitsubishi). Аббревиатура GDI — расшифровывается как «Gasoline Direct Injection», что дословно переводится как «непосредственный впрыск бензина».

Особенности и недостатки двигателей GDI

Технология прямого впрыска является весьма актуальной, но она не избавлена от недостатков. Итак, чем же плох двигатель GDI?

• Крайне прихотливый к топливу, из-за использования топливного насоса высокого давления (аналогичный в дизельных авто). За счёт использования ТНВД двигатель реагирует не только на твёрдые частицы (песок и т.п.), но и на содержание серы, фосфора, железа и их соединений. Стоит отметить, что отечественное топливо имеет повышенное содержание серы.
• Специфика форсунок. Так, в двигателях GDI форсунки размещаются прямо на цилиндры. Они должны обеспечивать высокое давление, но рабочий потенциал их невысок. Также невозможен их ремонт, а потому форсунки меняются целиком, что приносит владельцам немало дополнительных расходов.
• Необходимость непрерывного контроля за качеством воздуха. Поэтому приходится постоянно контролировать чистоту воздушного фильтра.
• На автомобилях с GDI первого поколения топливный насос высокого давления (ТНВД) имел малый ресурс.
• Владельцам “немолодых” автомобилей необходимо использовать очиститель впуска двигателя раз в 2-3 года. В основном для этого используются спреи-аэрозоли (например: SHUMMA).

Несмотря на перечисленные минусы, многие автовладельцы утверждают, что при заправке автомобиля на проверенных АЗС 95-98 бензином (а не из Петькиного “трахтера”), своевременной замене свечей (оригинальных, что крайне важно) и масла, двигатели GDI не вызывают проблем даже при пробеге до 200 000 км и более.

Привлекательные и положительные моменты

Чтобы найти плюсы, которые могли сделать двигатель GDI привлекательным для покупки, пришлось сильно постараться. Получилось их немного:

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.

В двигателе впрыск топлива осуществляется непосредственно в камеру сгорания

Негативные особенности

Если плюсы нам приходилось буквально «высасывать из пальца», то проблемы двигателя GDI находятся на поверхности, они очевидны и настолько серьёзны, что игнорировать их не получится.

1. Выбор топлива.

Начать стоит с высокой требовательности относительно качества топлива. Эти минусы самые существенные для каждого россиянина, который в силу обстоятельств вынужден пользоваться не самым качественным бензином. В идеале необходимо использовать бензин, октановое число которого превышает отметку 101. Для России такое топливо недоступно, использование 98-го бензина, пусть даже самого качественного, приведёт к тому, что двигатель довольно быстро выйдет из строя. Не позволительно использование топлива с искусственно увеличенным октановым числом за счёт присадок, добавок и очистителей. Автомобиль оповестит своего владельца про использование ненадлежащего бензина вибрациями кузова, которые мимо внимания точно не пройдут. Минусы не заканчиваются на проблемах с выбором топлива.

У бензина, который можно использовать для GDI двигателя, октановое число должно превышать отметку 101

1. Форсунки.

Форсунки доставляют немало проблем автовладельцу. Они устанавливаются непосредственно на цилиндры, внутри которых создаётся давление. Обычные модели форсунок не выдержат таких условий работы. Казалось бы, можно купить новую деталь, установить её и продолжать эксплуатацию авто. Такое решение невозможно, поскольку форсунки не поддаются разборке, их нельзя прочистить и реанимировать, а купить можно только в цельном виде. Такие минусы в работе агрегата приносят неудобства водителям и приумножают расходы на эксплуатацию GDI. Не стоит надеяться на низкую стоимость форсунок. Здесь водителя также ждёт неприятная новость.

Рабочий потенциал форсунок, которые созданы для работы в условиях повышенного давления, не радует своей длительностью. Минусы нарастают, как снежный ком, а мы ещё не подобрались к последнему пункту.

1. Воздухопропускной фильтр и гидрокомпенсаторы.

Приобретая двигатель GDI, морально подготовьте себя к частому обслуживанию воздушного фильтра. Гидрокомпенсаторы будут напоминать о себе стучанием. Даже после прокачки или полноценной замены этих элементов проблема возникнет вновь после короткого времени. Такое поведение агрегата GDI сложно объяснить, адекватная причина до сих не найдена.

Обзор получился разгромным, с негативным оттенком. Минусы имеются в каждом двигателе, но не такие существенные, как в случае с «джедаем». Конструкторы продолжают работать над усовершенствованием этого автомобильного механизма, пытаясь недостатки превратить в плюсы. Мы не теряем надежды, что в ближайшем будущем их работа принесёт положительные результаты и каждый российский водитель сможет без опасений купить автомобиль с двигателем GDI, в котором будут одни плюсы.

Главные недостатки

Минусы двигателей с прямым впрыском связаны с использованием более сложной системы впуска, в состав которой входит и топливный насос высокого давления, похожий на аналогичную конструкцию в дизельном силовом агрегате. Применение таких агрегатов приводит к тому, что двигатель GDI становится чувствительным к качеству топлива. Это касается не только содержания твёрдых частиц, но также наличия в горючем соединений серы, железа, фосфора и многих других минералов. Минусы проявляются в частых поломках мотора при заправке некачественным топливом.

Схема системы питания двигателя GDI

Кроме того, проблемы двигателей с непосредственным впрыском связаны и с тем, что в них применяются очень специфические технологические решения, которые пока знакомы лишь немногим специалистам сервисных центров. За счёт этого отремонтировать двигатель GDI не так просто, как обычный агрегат с распределённым впрыском. Минусы этих двигателей могут быть связаны и с упомянутой в теоретической части двухступенчатой системой подачи топлива. Практически у каждого производителя есть свои специфические поломки:

• Моторы Toyota и Lexus с непосредственным впрыском страдают от поломки клапанов двухступенчатого насоса, приводимого распредвалом. В результате бензин поступает в картер двигателя, что приводит к его непоправимым поломкам в течение 1–2 дней;
• Двигатели Mitsubishi оснащаются двумя различными насосами — низкого и высокого давления. Второй узел достаточно часто забивается твёрдыми частицами, содержащимися в некачественном топливе. В результате мотор может отлично работать на холостых и низких оборотах, но глохнуть при нажатии на педаль газа;
• В двигателях Cadillac применяются пьезофорсунки с особым напылением. При длительной работе на топливе с высоким содержанием серы они разрушаются, что приводит к необходимости ремонта стоимостью в 1500–2000 долларов.

Пьезофорсунка двигателя GDI

Рекомендуем: Газораспределительный механизм двигателя

Минусы могут заключаться и в малой распространённости запчастей к таким двигателям — очень часто их приходится ожидать в течение 2–3 недель, что приводит к длительным простоям автомобиля. Поэтому, приобретая машину с прямым впрыском топлива, стоит серьёзно задуматься о вопросах её ремонта, а также о необходимости заправки качественным топливом на фирменных АЗС.

Минусы

Первый недостаток касается устройства системы. Двигатели с непосредственным впрыском имеют более сложную систему впуска. Сюда входит ТНВД (топливный насос высокого давления), по конструкции схожий с тем, что применяется на современных дизельных ДВС. Ввиду этого автомобили с впрыском GDI более требовательны к качеству топлива, как и их дизельные собратья. Особенно вредны для этого мотора следующие компоненты:

• Сера.
• Фосфор.
• Железо и прочие минералы.

Все они могут находиться в дешевом, некачественном бензине. Как отмечают отзывы, GDI двигатель сильно боится твердых частиц, поскольку топливо проходит через крайне тонкие отверстия. Они легко забиваются в случае, если будет использован некачественный бензин.

Важно также соблюдать октановое число. В руководстве по эксплуатации написано, что данный мотор работает на бензине с октановым числом 100, который в России очень редко встретишь. Как минимум, такие автомобили следует заправлять топливом с ОЧ не ниже 98. А попытка залить 95-й будет сопровождаться характерными вибрациями по кузову. Также для данных моторов противопоказаны различные очистители, присадки и добавки. Запрещено использовать и этилированный бензин.

Следующий недостаток касается обслуживания. В России мало сервисов, которые специализируются именно на таких двигателях. И если с ремонтом «Коммон Рейла» не возникнет вопросов, то с поиском СТО, что способно отремонтировать GDI-мотор, могут возникнуть проблемы.

Отремонтировать такой двигатель не так просто, как обычный ДВС с распределенным впрыском. Сложности заключаются не только в топливном насосе высокого давления, но и в двухступенчатой системе подачи горючего. И у каждого производителя есть свои специфические поломки. О них мы расскажем ниже.

Принцип работы.

В повседневных размеренных городских поездках бедная топливная смесь поступает на последнем этапе сжатия и в последующем воспламеняется свечой зажигания. Такой режим работы на бедной смеси только при небольших нагрузках обусловлен тем, что обедненная топливовоздушная смесь при увеличенной степени сжатия может приводить к перегреву внутренних деталей цилиндра и таким нехорошим моментам, как калильное зажигание и детонация. Именно по этой причине в обычных бензиновых двигателях степень сжатия не превышает 12 единиц, в отличии от дизельных, где порядка 18.

При интенсивных городских и загородных скоростных поездках, не требующих резкого увеличения мощности, топливо в классической (стехиометрической) для бензинового двигателя смеси поступает на этапе впуска.

При необходимости резкого старта, GTI работает сразу в двух перечисленных режимах. Сначала, на этапе впуска, подается сверх обедненная смесь, которая не способна воспламениться от горячих элементов цилиндра (калильное зажигание), а на последнем этапе сжатия к ней подается дополнительная порция топлива, что в целом увеличивает отдачу мотора, но при этом исключает детонацию.

Проблемы GDI двигателя

Основная проблема состоит в высокой чувствительности GDI-двигателей к качеству топлива. Это в равной мере относится и к любым неисправностям, способным хоть как-то отразиться на качестве подаваемой смеси.

На установках Gasoline Direct Injection иногда наблюдается сильное почернение свечей зажигания или они вовсе выходят из строя. Обычно это результат высокой чувствительности топливной аппаратуры к воде и мельчайшим примесям. Накопление сажи во впускном коллекторе объясняет её попаданием в камеру сгорания. Её частички могут оседать на клапанах и забивать форсунки, что мешает нормальному распылению бензина.

Вследствие накопления нагара на внутренней поверхности впускного коллектора меняется конфигурация спирали воздуха; она уже не соответствует норме для GDI, в итоге чего сгорание нарушается. По количеству нагара на свечах достаточно объективно определяется степень засоренности впускного тракта. До определенного момента нормальной их работе это не мешает, но через 20 тыс. км пробега можно подумать об замене, а впускной коллектор в профилактических целях рекомендуется очищать через 25-30 тыс. км.

Также проблемой является повышенная токсичность выхлопов. Сгорание сверхобедненной топливной смеси приводит к образованию токсичных окислов азота NOx. Чтобы подогнать показатели выхлопа под требования Euro 3 японские инженеры сначала модернизировали нейтрализаторы, а позже добились их невысокой чувствительности к серным примесям.

Устройство и принцип действия системы GDI

В наши дни системы, аналогичные Gasoline Direct Injection, используют и другие производители автомобилей, обозначая данную технологию TFSI (Audi), FSI или TSI (Volkswagen), JIS (Toyota), CGI (Mercedes), HPI (BMW). Принципиальными отличиями этих систем являются рабочее давление, конструкция и расположение топливных форсунок.

Конструктивные особенности двигателей GDI

Система питания воздухом двигателя GDI

Классическая система непосредственного впрыска топлива конструктивно состоит из следующих элементов:

• Топливный насос высокого давления (ТНВД). Для корректной работы системы (создания тонкого распыливания) бензин в камеру сгорания должен подаваться под высоким давлением (аналогично дизельным моторам) в пределах 5…12 МПа.
• Электрический топливный насос низкого давления. Подает топливо из бензобака к ТНВД под давлением 0,3…0,5 МПа.
• Датчик низкого давления. Фиксирует уровень давления, созданного электрическим насосом.
• Форсунки высокого давления. Осуществляют впрыск топлива в цилиндр. Оснащены вихревыми распылителями, позволяющими создавать требуемую форму топливного факела.
• Поршень. Имеет особую форму с выемкой, которая предназначена для перенаправления горючей смеси к свече зажигания двигателя.
• Впускные каналы. Имеют вертикальную конструкцию, благодаря чему возникает обратный вихрь (закручен в противоположную сторону по сравнению с другими типами двигателей), выполняющий функцию направления смеси к свече зажигания и обеспечивающий лучшее наполнение камеры сгорания воздухом.
• Датчик высокого давления. Располагается в топливной рампе и предназначен для передачи информации в электронный блок управления, который изменяет уровень давления в зависимости от актуальных режимов работы двигателя.

Режимы работы системы прямого впрыска

Схема работы непосредственного впрыска топлива

Как правило, двигатели с непосредственным впрыском имеют три основных режима работы:

• Впрыск в цилиндр на такте сжатия (послойное смесеобразование). Принцип работы в этом режиме заключается в образовании сверхбедной смеси, что позволяет максимально экономить топливо. В начале в камеру цилиндра подается воздух, который закручивается и сжимается. Далее под высоким давлением осуществляется впрыскивание топлива и перенаправление полученной смеси к свече зажигания. Факел получается компактным, поскольку формируется на этапе максимального сжатия. При этом топливо как бы окутано прослойкой воздуха, что уменьшает тепловые потери и предотвращает предварительный износ цилиндров. Режим используется при работе мотора на малых оборотах.
• Впрыск на такте впуска (гомогенное смесеобразование). Состав топлива в этом режиме близок к стехиометрическому. Подача воздуха и бензина в цилиндр происходит одновременно. Факел смеси при таком впрыске имеет коническую форму. Применяется при мощных нагрузках (скоростной езде).
• Двухстадийный впрыск на такте сжатия и впуска. Применяется при резком ускорении машины, движущейся на малой скорости. Двойной впрыск в цилиндр позволяет снизить вероятность детонации, которая может возникнуть в моторе при резкой подаче обогащенной смеси. Вначале (на такте впуска воздуха) подается небольшое количество бензина, что приводит к образованию обедненной смеси и снижению температуры в камере сгорания цилиндра. На такте максимального сжатия подается оставшаяся часть топлива, что делает смесь богатой.

Особенности и отличия моторов GDI

Принцип работы двигателя GDI представляет собой своеобразный «симбиоз» привычных бензиновых и дизельных ДВС. Начнем с того, что для нормальной работы любого двигателя внутреннего сгорания в цилиндры необходимо подать так называемую топливно-воздушную смесь. Другими словами, определенная часть горючего смешивается в необходимой пропорции с частью воздуха применительно к разным режимам работы мотора. От состава смеси напрямую зависит мощность двигателя, КПД, экономичность, экологичность и ряд других характеристик.

Большинство бензиновых и дизельных двигателей сегодня:

• моторы с внешним смесеобразованием. К таковым относятся устаревшие карбюраторные агрегаты на бензине и современные атмосферные, компрессорные или турбированные инжекторные бензиновые моторы. В таких двигателях процесс приготовления топливно-воздушной смеси происходит отдельно (во впускном коллекторе), после чего готовый заряд поступает в цилиндры и воспламеняется от свечи системы зажигания;
• двигатели с внутренним смесеобразованием. Данный тип агрегатов представлен дизельными моторами, в которых порция дизтоплива подается напрямую в цилиндры и смешивается с уже имеющимся там воздухом. Воспламенение заряда происходит от контакта подаваемой солярки с разогретым от сжатия объемом воздуха, то есть без участия внешнего источника воспламенения;

Двигатель GDI представляет собой бензиновый мотор, в котором процесс смесеобразования аналогичен дизельному, то есть топливо впрыскивается прямо в цилиндры, где происходит смешивание с поданным ранее воздухом. При этом полученная топливно-воздушная смесь воспламеняется в цилиндре посредством искры от свечи зажигания.

Если сказать иначе, воздух поступает в двигатель отдельно, форсунка GDI осуществляет непосредственный впрыск топлива в цилиндр, затем происходит перемешивание компонентов, после чего поджиг смеси осуществляет электрическая искра свечи зажигания. Следует добавить, что во время такого смесеобразования конструкторами учитывается ряд аэродинамических особенностей для получения оптимально упорядоченного состава смеси. По этой причине конструкция поршня и камеры сгорания существенно отличается от аналогов в двигателях с внешним смесеобразованием, а также форкамерных ДВС. Днище поршня имеет особую форму для направления факела распыла на свечу зажигания, ГБЦ получила вертикальные прямые впускные каналы, что позволяет «закручивать» воздух в цилиндрах двигателя. Благодаря такому устройству топливно-воздушная рабочая смесь в GDI движется по строго заданной траектории.

Более того, состав смеси отличается в разных участках общего объема цилиндра. В результате подобных решений двигатели линейки GDI способны работать на сильно обедненной смеси, которая была бы непригодна для работы обычного бензинового мотора. Необходимое для воспламенения от искры соотношение топлива и воздуха концентрируется в цилиндре GDI в области расположения свечи зажигания, в то время как по условным «краям» цилиндра смесь остается максимально обедненной.

Рекомендуем также прочитать статью о том, что такое двигатель TDI. Из этой статьи вы узнаете об особенностях конструкции, преимуществах и недостатках агрегатов данного типа.

Еще одной особенностью двигателя GDI является наличие двух топливных насосов:

• привычный электробензонасос в топливном баке;
• топливный насос высокого давления (ТНВД) с механическим приводом от ДВС;

Данное решение также является аналогом принципа подачи топлива в дизельном двигателе. В моторах GDI давление впрыска составляет около 50 бар, в то время как в обычных бензиновых ДВС около 3 бар.

Режимы работы двигателя GDI

Технология прямого впрыска GDI

GDI двигатель способен работать в различных режимах (их три), каждый из которых зависит от преодолеваемой нагрузки. Рассмотрим эти режимы:

• Режим работы на сверхбедной смеси. Включается данный режим, когда двигатель слабо нагружен. При нём впрыск топлива осуществляется в конце такта сжатия. Соотношение воздух/топливо в этом случае 40/1.
• Режим работы на стехиометрической смеси. Этот режим включается, когда двигатель испытывает среднеинтенсивную нагрузку (например: разгон). Топливо подаётся на впуске, оно впрыскивается коническим факелом, заполняя цилиндр и охлаждая воздух в нём, что предупреждает детонацию.
• Режим работы системы управления. При нажатии “тапки в пол” с малых оборотов, впрыск топлива осуществляется поэтапно, в две стадии. Малая часть топлива впрыскивается на впуске, охлаждая воздух в цилиндре. В цилиндре образуется сверх обеднённая смесь (60/1), которой не свойственны детонационные процессы. А под конец такта сжатия в цилиндр впрыскивается необходимое количество топлива, что “обогащает” топливно-воздушную смесь (12/1). При этом для детонации уже не остаётся времени.

Рекомендуем: Чем отличается инжектор от карбюратора в автомобиле

В итоге, увеличилась степень сжатия до 12-13, а двигатель нормально функционирует на бедной смеси. Совместно с этим повысилась мощность двигателя, уменьшился расход топлива и уровень вредных выбросов в атмосферу.

А самые новые двигатели GDI от КИА оснащены турбонаддувом, а именуются они T-GDI. Так последние двигатели семейства Kappa отражают мировую тенденцию к “даунсайзингу”, что выражается в уменьшении объёмов двигателей вместе с увеличением их эффективности. Например, двигатель 1.0 T-GDI от КИА имеет мощность 120 л.с. и крутящий момент 171 Нм.

Различия (разновидности) двигателей GDI. Марки автомобилей, где используется GDI

Несложно предугадать, что другие ведущие автопоизводители займутся разработкой системы, работающей по схеме GDI. Причина тому – ужесточение экологических стандартов, жесткая конкуренция со стороны электротранспорта (большинство автомобилистов склонны отдать предпочтение тем автомобилям, которые потребляют минимальное количество горючего).

Сложно создать полный перечень марок авто, в которых можно встретить подобный мотор. Гораздо легче сказать, какие бренды еще не решились перенастроить свои производственные линии на изготовление такого типа ДВС. Большинство машин последнего поколения, скорее всего, будут оснащаться этими агрегатами, так как они показывают достаточную экономичность вместе с увеличением КПД.