Двигатель GDI: чем отличается от аналогов (преимущества и недостатки)

Двигатель GDI: чем отличается от аналогов (преимущества и недостатки)

Впервые наши соотечественники увидели аббревиатуру GDI еще в начале 2000-х, рядом с параметром объема силового агрегата на транспортных средствах от знаменитого концерна Мицубиси.

Такое обозначение предполагает, что горючее впрыскивается непосредственно в цилиндры мотора. Автовладельцы несколько неоднозначно относятся к подобным транспортным средствам, так что следует подробно рассмотреть все плюсы и минусы этих движков.

Стоит отметить, что данная статья будет актуальной не только для тех, кто желает приобрести для себя Mitsubishi. Мотор Джи сейчас устанавливают и многие другие автоконцерны, включая такие знаменитые бренды, как Тойота, Мерседес, Фольксваген и прочие.

Теоретический аспект вопроса

В случае использования традиционного инжекторного двигателя, в цилиндры попадает уже готовая смесь из бензина и воздуха. При этом сам процесс смешивания происходит в элементе, что называется впускным коллектором.

Основное отличие GDI двигателя тесно связано с тем, что форсунки в движке направляются прямо в камеры сгорания. Как результат, топливо и воздух смешиваются в самих цилиндрах.

Для однородной смеси используется достаточно сложная электроника, которая способна работать в нескольких различных режимах.

Чтобы добиться идеальных параметров в ходе смесеобразования, необходимы особые вихревые форсунки, с помощью которых горючее попадает внутрь в форме тумана.

Подобные моторы позволяют уменьшить соотношение между топливом и воздушной массой до 1:20 (традиционные инжекторные моторы предполагают соотношение 1:14).

Но подобный мотор не может все время функционировать исключительно в этом режиме, в силу чего его оснащают 2-ступенчатой системой подачи горючего.

Со всем этим и связаны особенности двигателей GDI. Сейчас же мы попробуем подробно расписать все достоинства таких устройств, а также опишем, с какими проблемами могут столкнуться владельцы транспортных средств с подобным движком.

Далее видеообзор про двигатель GDI с непосредственным впрыском:

Основные преимущества

Как уже говорилось, двигатель GDI позволяет изменить соотношение топлива и воздушной смеси до 1:20. Таким образом, расход бензина сильно уменьшается во время езды как по городу, так и в смешанном цикле.

Согласно сведениям экспертов, установка подобных моторов позволяет сократить расход топлива во время езды по пробкам до 25 процентов. В то же время, на трассе для таких моторов требуется столько же горючего, как и для машин с обычным движком.

Еще одним преимуществом является то, что воздух и топливо смешиваются непосредственно в цилиндре. Смесь распределяется неравномерно, основное ее количество приближается к свече. При этом улучшенная электроника учитывает все нюансы процесса сгорания.

Подобные моторы отличаются не только меньшим расходом горючего, но и повышенной экологичностью. Кроме того, они намного стабильнее работают на низких оборотах.

Также уменьшается объем нагара, что приводит к росту предельного срока эксплуатации силового агрегата, а масло, которое находится в движке, дольше сохраняет свои эксплуатационные свойства. Как результат, сильно снижается вероятность масляных закупорок.

Наконец, еще один плюс по достоинству оценят любители скорости и динамики. Тяга и мощность подобных движков увеличиваются на 10-15 процентов, если сравнивать с обычными моторами.

Убедиться во всех этих плюсах вы можете, почитав отзывы о двигателях GDI.

Основные недостатки

В то же время, такая система является достаточно сложной, так что избежать определенных недостатков практически невозможно.

В основном, минусы подобных моторов имеют отношение к усложненной системе впуска, одним из элементов которой выступает насос высокого давления (сильно напоминает аналогичный узел в дизельных движках).

Использование такого узла приводит к тому, что мотор приобретает высокую чувствительность к качеству горючего. И это имеет отношение не только к твердым частицам, но также и к различным минералам, типа серы и железа минералам.

В результате, все это сказывается на частых неисправностях в случае регулярной заправки горючим плохого качества.

Также некоторые проблемы имеют отношение и к специфической конструкции подобных движков. Каждый бренд использует свои решения в ходе производства моторов такого типа.

При этом не все сотрудники сервисных центров хорошо разбираются в тонкостях устройства данных узлов. В результате, провести ремонт подобного мотора не так уж и легко.

У каждой торговой марки есть свои характерные неисправности GDI движков:

• Мицубиси. Такие моторы комплектуются 2 разными насосами (с низким и высоким давлением). Последний часто забивают твердые частицы, которые содержит низкокачественное горючее. В итоге, мотор отлично функционирует на холостых оборотах, но может глохнуть при нажатии на газ;
• Тойота и Лексус. Тут часто неисправности возникают с 2-ступенчатым насосом. Горючее может попадать в картер, что приводит к выходу из строя данного элемента;
• Кадиллак. Производитель использует особые пьезофорсунки. Если в горючем содержится сера, данный элемент будет разрушаться. Стоимость его ремонта составляет в районе 1,5-2 тысяч долларов США.

Наконец, еще одним общим минусом выступает достаточно затрудненный доступ к запчастям для подобных моторов. Достаточно часто нужную деталь приходится ждать до одного месяца, так что машина будет подолгу простаивать.

Таким образом, перед покупкой авто с таким движком, необходимо очень тщательно продумать, есть ли рядом с вами сервисные центры, которые специализируются на ремонте таких моторов, а также фирменные АЗС, где можно заправиться высококачественным бензином.

Актуальны ли машины с таким двигателем

Конечно, моторы такого типа обладают повышенной тягой и мощностью, при этом они потребляют на порядок меньше горючего. С другой стороны, подобные машины также обладают и рядом минусов.

Прежде всего, они очень требовательны к топливу, что в России будет сказываться в постоянных поломках движков.

В то же время, многие производители учли эту проблему, так что адаптировали свои автомобили под отечественные условия эксплуатации.

Подобные машины обладают не столь внушительными преимуществами, как транспортные средства с традиционными двигателями GDI.

В то же время, они уже экономичнее и мощнее моделей без прямого впрыскивания, при этом ломаются адаптированные версии достаточно редко, так что угрозы для больших финансовых затрат тут не будет.

Далее видео про GDI двигатель с непосредственным впрыском:

Особенности работы двигателя GDI

Mitsubishi можно назвать первопроходцем на пути массового внедрения системы непосредственного впрыска топлива. В отличие от Mersedes, которые задолго до Mitsubishi делали попытки внедрения прямого впрыска на авто, просто применяя наработки из опыта в авиастроении, инженеры Mitsubishi создавали систему, которая была бы удобной и пригодной для повседневной эксплуатации автомобиля. Рассмотрим GDI двигатель, устройство и принцип работы системы питания.

Базовые понятия

В статье о принципе работы инжекторной системы питания мы уяснили, что существует несколько видов систем впрыска топлива:

• одноточечный впрыск (моноинжектор);
• распределенный впрыск на клапаны (полный инжектор);
• распределенной впрыск в цилиндры (прямой впрыск).

Gasoline Direct Injection, что в переводе означает – прямой впрыск бензина, сразу говорит нам о том, что в двигателях GDI происходит внутреннее смесеобразование. Иными словами, топливо впрыскивается непосредственно в цилиндры. Но какие именно преимущества дает прямой впрыск:

• снижение температуры в камере сгорания, так как топливо может подаваться в жидкой фазе непосредственно в конце такта сжатия. Такая особенность снижает риск появления детонации, что позволяет получать больший КПД от сжатия топливовоздушной смеси (ТПВС) и регулировать угол опережения зажигания в более широком диапазоне;
• возможность регулировки состава ТПВС, что позволяет более эффективно использовать энергию сгорания ТПВС на разных режимах работы двигателя.

Проблема низкого КПД бензинового двигателя, по сравнению с дизелем, в небольших рамках регулировки состава ТПВС. Теоретическим и экспериментальным путем было установлено, что для полного сгорания 1 кг бензина необходимо 14,7 кг воздуха. Такое соотношение называется стехиометрическим. Двигатель может работать на обедненной смеси – около 16,5 кг воздуха/ 1 кг бензина, но уже при 19/1 ТПВС от свечи зажигания не воспламенится. Но даже смесь 16,5/1 считается слишком бедной для нормальной работы, так как ТПВС горит медленно, что чревато потерей мощности, перегревом поршневых колец и стенок камеры сгорания, а поэтому рабочая бедная гомогенная смесь лежит в пределах 15-16/1. Приготавливая в цилиндрах богатую смесь с соотношением 12,1-12,3/1 и сдвигая УОЗ, мы получаем прибавку в мощности, при этом значительно ухудшаются экологические показатели мотора.

Экономичность GDI

Проблема обычных двигателей с распределенным впрыском на клапаны в том, что топливо подается исключительно на такте впуска. Перемешивание топлива с воздухом начинает происходить еще во впускном коллекторе, в итоге при перемещении поршня к ВМТ смесь становится близкой к однородной, то есть гомогенной. Преимущество GDI в том, что двигатель может работать на сверхбедной смеси, когда соотношение топлива к воздуху может достигать 37-41/1. Способствует этому несколько факторов:

• специальная конструкция впускного коллектора;
• форсунки, которые позволяют не только точно дозировать количество подаваемого топлива, но и регулировать форму факела;
• особая форма поршней.

Но в чем именно особенность принципа работы, позволяющая быть моторам GDI настолько экономичными? Поток воздух, благодаря особой форме впускного коллектора, состоящего из двух каналов, еще на такте впуска имеет определенное направление, а не попадает в цилиндры хаотически, как в случае с обычными двигателями. Попадая в цилиндры и ударяясь об поршень, он продолжает закручиваться, способствуя тем самым турбулизации. Топливо, которое подается в непосредственной близости поршня к ВМТ небольшим факелом, ударяется о поршень и, подхватываемое закручивающимся потоком воздуха, перемещается таким образом, что в момент подачи искры находится в непосредственной близости к электродам свечи зажигания. В итоге происходит нормальное воспламенение ТПВС вблизи свечи, в то время как в окружающей полости находится смесь чистого воздуха и отработавших газов, подающихся во впуск системой EGR. Как вы понимаете, в обычном двигателе реализовать такой способ газообмена не представляется возможным.

Режимы работы двигателя

Моторы GDI могут эффективно работать в нескольких режимах:

• Ultra-LeanCombustionMode – режим сверхбедной смеси, принцип протекания которого был рассмотрен выше. Используется, когда на двигатель нет большой нагрузки. К примеру, при плавных разгонах либо постоянном поддержании не слишком высокой скорости;
• SuperiorOutputMode – режим, в котором топливо подается на такте впуска, что позволяет получить гомогенную стехиометрическую смесь с соотношением близким к 14,7/1. Используется, когда двигатель работает под нагрузкой.
• Two-stageMixing – режим обогащенной смеси, при котором соотношение воздуха к топливу близко к 12/1. Используется при резких ускорениях, большой нагрузке на двигатель. Такой режим еще называют режимом открытой петли (Open loop), когда не опрашивается лямбда-зонд. В таком режиме топливная коррекция для урегулирования выбросов вредных веществ не проводится, так как главная цель – получить максимальную отдачу от двигателя.

За переключение режимов отвечает электронный блок управления двигателем (ЭБУ), который делает выбор, ориентируясь на показания датчиковой аппаратуры (ДПДЗ, ДПКВ, ДТОЖ, лямбда-зонда и т.д.)

Two-stage Mixing

Режим двухэтапного впрыска также является особенностью, позволяющей моторам GDI быть крайне приемистыми. Как уже говорилось выше, состав смеси в таком режиме достигает 12/1. Для обычного двигателя с распределительным впрыском такое соотношение топлива к воздуху является слишком богатым, а поэтому эффективно воспламеняться и гореть такая ТПВС не будет, значительно ухудшаться выбросы вредных веществ в атмосферу.

Режим открытой петли предполагает 2 этапа впрыскивания топлива:

• небольшая порция на такте впуска. Главное предназначение – охлаждение оставшихся в цилиндре газов и самих стенок камеры сгорания (состав смеси при этом близок к 60/1) Впоследствии это позволяет поступить в цилиндры большему количеству воздуха и создать благоприятные условия для поджигания основной порции бензина;
• главная порция в конце такта сжатия. Благодаря благоприятным условиям, созданным предварительным впрыском, и турбулентности в камере сгорания, полученная смесь сгорает крайне эффективно.

Есть большое желание поговорить о том, как именно инженеры Mitsubishi «приручили» турбулентность, о ламинарном и турбулентном движении и числе Re, введенным О.Рейнольдсом. Все это помогло бы лучше понять, как именно в моторах GDI создается послойное смесеобразование, но для этого, к сожалению, нам не хватит и двух статей.

Как и в дизельном двигателе, для создания достаточного давления в топливной рампе используется топливный насос высокого давления. За годы производства моторы комплектовались ТНВД нескольких поколений:

1. семиплунжерный ТНВД (с начала 1996 до середины 1997). Короткий срок пребывания на конвейере обуславливается отсутствием надежности. В особенности это касается эксплуатации авто в регионах с плохим качеством бензина;
2. трехсекционный ТНВД, который уже имел значительный запас прочности;
3. ТНВД, в народе получивший прозвище «таблетка»;
4. доработанная «таблетка». ТНВД, по сути, ни чем не отличался от предыдущего поколения, кроме как вынесенным из корпуса насоса регулятором высокого давления.

Форсунки

Для обеспечения высокоточной регулировки состава ТПВС форсунки должны обладать крайне высокой точностью. Сам принцип открытия плунжера для подачи топлива схож с обычной электромагнитной форсункой. Особенности форсунок системы GDI:

• возможность формирования разных видов распыла бензина;
• максимальное сохранение точности дозирования вне зависимости от температуры и давления в камере сгорания.

Особенно примечательно устройство завихрения, располагающееся в корпусе форсунки. Именно благодаря ему топливо, вылетая из форсунки, лучше подхватывается закручивающимся потоком воздуха, что способствует лучшему перемешиванию ТПВС и перенаправлению смеси к свече зажигания.

Эксплуатация

Главные неприятности, связанные с эксплуатацией двигателей с прямым впрыском от Mitsubishi на отечественных просторах:

• износ ТНДВ. Насос является узлом с претенциозными требованиями к подгонке деталей, и главная проблема не в уровне изготовления, а в качестве отечественного топлива. Разумеется, и сейчас можно нарваться на плохое топливо. Но времена, когда качество бензина было настоящей головной болью и риском финансовых потерь для владельцев авто с двигателями GDI, к счастью, уже прошли;

засорение воздушных каналов впускного коллектора. Образование наростов вносит корректив в движение воздушных масс и процесс перемешивания топлива с воздухом. Именно это называют одной из причин образования черного нагара на свечах зажигания, так хорошо известного владельцам авто с двигателями GDI.

Новый cee’d GT положил начало эпохе двигателей KIA GDI

Со 2 июня на российском рынке начались продажи модели cee’d GT, заслужившей звание самой спортивной за историю KIA серийной модели.

Это первая модель марки KIA в сегменте компактных автомобилей «С», которая обладает мощностью свыше 200 л.с. Такой впечатляющий показатель достигнут благодаря новому бензиновому двигателю c турбонаддувом семейства Gamma (1,6 литров), созданному с применением технологии GDI. С выходом на рынок «горячего» хэтчбека, дебютировавшего на автосалоне в Женеве в 2013 году, открывается новая эпоха в истории KIA.

Мощный и экономичный

Двигатель T-GDI (Turbocharged, Gasoline Direct Injection) с турбонагнетателем и системой непосредственного впрыска топлива имеет рабочий объем 1,6 литра. Это первый турбомотор среди двигателей KIA нового поколения Gamma. Он воплотил в себе все преимущества концепции «downsize», или двигателей с небольшим рабочим объемом, но высокой мощностью. Такая концепция дала возможность создавать компактные, легкие и экономичные двигатели не в ущерб динамическим характеристикам автомобиля. На cee’d GT установлен 1,6 T-GDI мощностью 204 л.с. – это рекордная по мощности модель KIA в «компактном» сегменте.

Турбонагнетатель нового двигателя выполнен по схеме Twin-scroll – сдвоенных спиральных камер. Как известно, одна из самых основных проблем, объединяющая моторы с турбонаддувом – так называемая «турбояма», которая заключается в неизбежной потере мощности на относительно низких оборотах двигателя. Это происходит, так как турбина не успевает раскрутиться до высоких оборотов, кроме того, потери обусловлены тем, что в один момент на такте выпуска работают лишь два из четырех цилиндров, а другие два – напротив, находятся на такте впуска. При классической конструкции турбины необходимо также использование дополнительных клапанов, которые помогают избегать противодавления на высоких оборотах. Все эти недостатки отсутствуют в конструкции Twin-scroll, которая, во-первых, эффективно нейтрализует эффект «турбоямы», не требуя при этом значительного удорожания двигателя, а во-вторых, способствует максимальному использованию энергии выхлопных газов. Так называемые «улитки» – сдвоенные спиральные камеры – обеспечивают разделение потоков выхлопных газов от каждой пары цилиндров, тем самым обеспечивая им возможность без взаимных помех действовать на ротор турбины. Двигатель 1,6 T-GDI KIA cee’d GT имеет широкую «полку» крутящего момента: максимальное значение 265 Нм поддерживается в диапазоне от 1750 до 4500 оборотов в минуту. Такая особенность придает автомобилю превосходную «эластичность»: он может уверенно выходить на обгон на самых часто используемых для движения по трассе скоростях – от 80 до 120 км/ч, проходить виражи в «спортивном» стиле без лишних переключений передач, дает возможность всегда иметь некоторый запас тяги.

Испытание «Северной Петлей» Нюрбургринга

1,6 T-GDI тестировался в самых разных климатических условиях – как в жарком пустынном климате, так и в суровых северных широтах. Автомобиль прошел более пятисот кругов по знаменитой своей сложностью трассе Нюрбургринг и более 160 тысяч километров по российским дорогам.

На новый KIA cee’d GT, как и на весь модельный ряд марки, распространяются уникальные условия заводской гарантии KIA – 5 лет или 150 тысяч километров пробега.

Популярные модели KIA ждут Вас в «Аларм-Моторс»! Смотрите список автомобилей в наличии!

Чем «кормить» GDI: как проехать больше на одном баке

Системы Gasoline Direct Injection обладают рядом неоспоримых преимуществ. Из-за особенностей смесеобразования (всего три режима: гомогенное, послойное и стехиометрическое гомогенное), которое достигается впрыском топлива под большим давлением непосредственно в камеры сгорания цилиндров двигателя, обеспечивается концентрация топлива, строго соответствующая режиму работы ДВС, а также равномерное, контролируемое и полное его сгорание. Руководящая процессом работы мотора электроника делает все, чтобы извлечь энергию из каждого кубического миллиметра топлива, снизить показатель общего расхода горючего, а также обеспечить достижение высоких экологических стандартов. Разумеется, за такие прогрессивные технологии и экономичность нужно платить значительным усложнением системы питания — например, применением насосов высокого давления, развивающих более 100 атмосфер, и форсунок с распылителями, диаметр отверстий которых меньше человеческого волоса.

Однако и это еще не все. Даже минимальные отложения, образующиеся при сгорании топлива на внутренних частях двигателя, существенно снижают производительность системы. Поэтому производители автомобилей с прямым впрыском предъявляют высокие требования к качеству используемого топлива, которое должно иметь в своем составе, компонент регулирующий уровень отложений. С топливом, как ни крути, процесс образования продуктов сгорания неизбежен. Но если при работе на обычном топливе продукты сгорания откладываются на деталях двигателя, образуя отложения, то при работе на топливе, имеющем в составе моющий компонент, такого не происходит. Продукты сгорания образуются, это неизбежно, но на деталях уже не откладываются.

И вот здесь выясняется самое интересное: оказывается, соблюдая высокие требования в плане использования высококачественного топлива, можно не только обеспечить стабильно высокую отдачу систем GDI по надежности и экономичности, но и улучшить эти показатели. Факт остается фактом — проехать больше на одном баке реально!

Акцизы на топливо снова вырастут: что будет с ценами на бензин

Как такое возможно? Да очень просто. Приведем пример с топливом BP Ultimate с технологией ACTIVE. Дело в том, что топливо BP Ultimate с технологией ACTIVE содержит в своем составе миллионы особых молекул, которые способствуют удалению уже существующих отложений, прикрепляясь к ним и унося вместе с собой в камеру сгорания цилиндра. Кроме того часть молекул остается на внутренних поверхностях деталей двигателя, создавая защитный слой, препятствующий возникновению новых отложений. Осуществляя постоянное очищение двигателя, высококачественное топливо способствует тому, что все системы мотора не только работают надлежащим образом, но и полезная энергия извлекается из каждого кубического миллиметра топлива — отсюда и берется дополнительный пробег на одном баке.

Для того, чтобы понять, насколько непростой является задача создания топлива для моторов с непосредственным впрыском, озвучим несколько интересных цифр. Так, научно-исследовательская команда bp работала над созданием топлива BP Ultimate с технологией ACTIVE целых пять лет, в течение которых было проведено 50 000 часов испытаний на различных автомобилях, в разных климатических и дорожных условиях.

Эффективность работы полученного в результате топлива лучше всего отражают цифры: согласно данным исследований, бензин BP Ultimate 100 с технологией ACTIVE удаляет до 77,8% отложений за первые 60 часов работы мотора, а BP 95 с технологией ACTIVE за то же время избавит двигатель от 59,1% отложений. Как мы уже говорили выше, благодаря постоянной очистке системы питания и восстановлению нормальной работы форсунок, которые, как известно, в процессе работы ДВС постепенно закоксовываются, восстанавливается мощность двигателя и снижается расход топлива. Также отметим, что регулярное использование улучшенного топлива позволяет поддерживать чистоту системы питания без применения какой-либо сторонней автохимии, самостоятельное использование которой может привести к поломке двигателя и отказу в гарантийном ремонте.

Помимо бензина с технологией ACTIVE в розничной сети bp в России можно найти и дизельное топливо. Применение дизельного топлива BP Ultimate с технологией ACTIVE за 32 часа работы способно повысить мощность двигателя с 95% до 99,7% и увеличить пробег до 56 км на одном заправленном баке — то есть, не только обеспечить экономный расход топлива, но и сохранить «нежную» прецизионную топливную аппаратуру, увеличить пробег ДВС до его ремонта.