Послойный впрыск топлива что это
«Грязнуля» FSI: чем «болеют» моторы с непосредственным впрыском и как их вылечить
Загрязнение форсунок и клапанов – головная боль владельцев автомобилей VAG с непосредственным впрыском. Она сопровождается вибрацией, повышенным расходом топлива и дерганьем автомобиля при разгоне. Разберёмся, что является причиной этой проблемы и почему качество топлива или масла здесь ни при чём
Что такое послойное смесеобразование, и почему моторы с непосредственным впрыском завоевывают мир
Термин «непосредственный впрыск» хорошо известен, поскольку данная конструкция широко применяется автопроизводителями еще с 1990-х годов – вспомним, например, моторы GDI (Gasoline Direct Injection – прямой впрыск бензина) от Mitsubishi. Похожая система сейчас используется концерном Volkswagen, но именуется иначе – FSI, сокращение от Fuel Stratified Injection — «послойный» впрыск топлива». Так в чем же отличие «джидаев» от тех систем, которые применяются теперь? Там и там – непосредственный впрыск, но вот состав самой смеси различается. Если на первых моделях топливная форсунка представляла собой обычный распылитель, при котором получалась однородная (гомогенная) смесь, и различие между непосредственным и распределенным (MPI) впрыском было только в количестве отверстий распылителя, их расположении и разных показателей давления, то на современных моделях производители уже научились разделять топливовоздушную смесь на зоны с переобогащенной и переобедненной смесью. Зачем это понадобилось? Из-за характеристик сгорания переобедненной смеси. Перечислим плюсы, которые мы получаем во время работы ДВС на такой смеси.
Вполне достаточно, чтобы заработать на звание «Мотор года», не находите? Внедрение таких моторов пошло полным ходом с 2005 года. В качестве примера можно вспомнить массовый переход на FSI-моторы концерна VW. И, разумеется, первые «блины» вышли комом – достаточно спросить обладателей первых Passat B6 с атмосферными FSI-моторами, выпущенных в 2006 году, с их многочисленными прошивками ЭБУ и проблемами с запуском зимой. «Четырехколечное» подразделение концерна поступило мудрее, не став рисковать своим имиджем ради новых технологий. Вот выдержка из материала самообучения по двигателю 2.0 TFSI, то, что написано в самом начале документа (здесь и далее цитаты из официальных и обучающих документов VW AG).
Впрочем, полностью отказаться от послойного смесеобразования производитель все же не смог. Давайте рассмотрим подробнее, что же такое послойное смесеобразование.
Опять мы видим в области средних/малых нагрузок работу именно на переобедненной смеси. Каким же образом реализуется такая работа? С помощью ввода специальных управляемых воздушных заслонок во впускном коллекторе.
…и ориентации (и формы) распылителей форсунок, имеющих возможность впрыска топлива прямо в цилиндры (непосредственный впрыск), собственно и становится возможным осуществить процесс работы ДВС на обедненной смеси.
Предлагаем взглянуть на моделирование начального процесса без привязки к конкретному исполнению мотора, как это воспринималось разработчиками системы непосредственного впрыска Bosch MED 7.
Обратите внимание: поток восходящий, симметричный, образующий две равнозначные, однонаправленные циркуляции (топливное «облако» и воздушный поток) в объеме ½ поперечной плоскости цилиндра. Степень насыщения воздушного «факела» топливом сильно зависит от формы днища поршня, но довольно слабо – от смещения и отклонения самой топливной струи, в данном случае сглаживаемых самой формой днища поршня.
Трудности реализации и необходимые профилактические меры
При всех положительных моментах эксплуатации двигателя на переобедненных смесях у современных автомобилей имеются проблемы, у которых нет «общих точек соприкосновения» со старым семейством MPI-впрыска, что в свою очередь вызывает трудности в диагностике. Чтобы понять, какие изменения последовали в конструкции, и сравнить, надо обратиться к самому началу появления данного типа системы впрыска в производстве. Конкретную реализацию разберем на примере моделей VW AG. Итак, сравнение поршневой группы атмосферного и турбированного ДВС.
В первом случае видна схема «встречных потоков» описанных ранее, во втором очевидно играет гораздо большую роль предварительное завихрение потока воздуха во впускном коллекторе (в этом одно из различий исполнения данных моторов) и полная направленная циркуляция в полном объеме цилиндра.
Предварительное завихрение воздушного потока во впускном коллекторе и обедняет классическую однородную (гомогенную) смесь при смешивании воздушного потока с топливом. На практике первая схема обеспечивает лучшее охлаждение поршня (а с ним – эффективную борьбу с детонационными явлениями при рабочем цикле, о чем подробнее поговорим далее). В то же время для таких моторов характерна проблема зимнего пуска, при котором свечи просто «заливало» топливом, и мотор не запускался, а самое смешное в этом вопросе (думаю, владельцы Passat B6 первых годов выпуска об этом хорошо помнят), что самая простая «жигулевская» и даже не первой свежести свеча помогала запустить замерзший ДВС, после чего следовала еще одна замена – возвращение оригинальных свечей назад. Последовало порядка десятка изменений версий программного обеспечения блока управления ДВС, прежде чем удалось решить эту проблему. Разумеется, владельцев ДВС с турбокомпрессором такие проблемы не коснулись. Пуск на гомогенной смеси при минусовой температуре воздуха отработан автопроизводителями до мелочей. В дальнейшем на цепных моторах 2008 года и далее эксперименты с формой днища поршня проводить не стали. Обычно такие поршни обладают плоской поверхностью со стандартными выемками под клапана.
Или имеют ярко выраженную сферическую вогнутую поверхность по всей ширине гильзы цилиндров, назначение которой будет понятно немного позже.
А теперь посмотрим на организацию подачи топлива и воздуха на этих ДВС:
Используются форсунки с 6-ю отверстиями, что положительно влияет на качество распыления топлива. Обратите внимание на расположение топливной форсунки и впускного канала: они находятся в одной плоскости, а это значит, суммарного восходящего потока уже не получится. Учитывая, что топливо должно успеть равномерно распределиться по топливовоздушному заряду, получаем единственный вариант —организацию встречного потока с довольно большим дефицитом по времени эффективного распыления. Разумеется, об эффективном охлаждении поршней в этом случае речь тоже не идет. Давайте посмотрим, что думают об этом сами создатели.
Довольно простое решение подачи топлива непосредственно в зону свечи, т.е. топливный заряд оборачивается, условно говоря, в «кокон» воздушного заряда (эффект дополнительного охлаждения смеси достигается ее изолированием воздушным потоком, если говорить точнее). В итоге в зоне электрода свечи мы имеем обогащенную, легко воспламеняемую смесь, а в остальных местах камеры сгорания – переобедненную. Но путь смешивания топливного и воздушного зарядов очень короткий, в отличие от схемы, обсуждаемой ранее, а нормальное перемешивание, с отражением от поверхности поршня и равномерным распределением по фронту потока (как это было с атмосферным мотором), к сожалению, невозможно. Именно этот аспект и влияет на возможную проблемную работу ДВС в целом, а причина возникновения трудностей стабильного воспламенения довольна простая:
Симптомы и признаки загрязнения форсунок
Да, основная причина загрязнение распылителей форсунок и приносит наибольшую головную боль обладателям современных FSI-моторов. Обычно сопровождается это вибрацией, пропусками воспламенения при холодном пуске, а также повышенным расходом топлива и дерганьем автомобиля при разгоне. Почему так происходит, вы, наверное, уже догадались. Разумеется, из-за отклонения топливной струи от расчетной траектории, ведь в данном случае совсем небольшого отклонения вполне достаточно, чтобы резко «обеднить» зону вокруг центрального электрода, при котором устойчивого воспламенения уже не будет. Но и это далеко не последняя проблема в данном ДВС. Довольно часто обсуждают следующее явление на впускных клапанах:
А вот так выглядит начало такого процесса:
Обратите внимание: налет мягкий, легко снимаемый и совершенно непохожий на тот твердый светло-бурый налет на MPI-моторах, который иначе как механической обработкой не снять. Больше всего он напоминает налет на впускных коллекторах дизельных моторов. И в этом есть часть ответа на вопрос по образованию такого нагара.
Очень часто на вопрос о загрязнении впускных клапанов и форсунок отвечают стандартными фразами: «некачественное топливо», «несвоевременное обслуживание» или «неправильно подобранное масло». Но, к сожалению, даже при использовании высококачественных материалов и сокращенном интервале обслуживания ситуация радикальным образом не изменится. Чтобы понять причину этой проблемы, давайте рассмотрим диаграмму фаз газораспределения. Один из наиболее характерных режимов, описывающий важность регулирования фаз газораспределения, на стандартной круговой диаграмме выглядит так:
Но, как быть с увеличением NOx при повышении температуры отработавших газов? Каталитический нейтрализатор для данного соединения человечество еще не придумало. Была изобретена система возврата отработавших газов EGR, которая и занималась снижением температуры ОГ и, как следствие, уменьшением доли NOx в выхлопных газах. Но поскольку со временем клапан EGR не сильно отличался по виду от впускных клапанов, выложенных ранее, по степени негативных эмоций он прочно занимал второе место и у механиков, и у владельцев. Одна из самых «оптимистичных» конструкций клапана EGR выглядела так:
Тут конструкторы немного погорячились: поставить дроссельную заслонку на выпускные газы?! Кто хоть раз видел дроссельную заслонку на впуске, может представить, как она будет выглядеть на выпуске. Думаю, понятно, почему последствия загрязнения и отказа этого клапана занимают второе место по негативу у владельцев Passat B6. Однако, несмотря на многочисленные отказы регулирующих элементов этой системы, надо было как-то решать данный вопрос согласно постоянно ужесточающимся экологическим нормам. В ходе изысканий появилась система внутренней рециркуляции отработавших газов. Реализована она была как составляющая другой системы и не имела своих компонентов.
Теперь начинает прояснятся происхождение отложений на впускных клапанах, как и довольно слабая их зависимость от топлива, обслуживания, масла и т.д. Надо учитывать, что и загрязнение форсунок, и загрязнение поверхности впускных клапанов – процессы связанные и влияющие на один фактор – качество смеси в районе центрального электрода. В то же время заметим, что определяющим фактором влияния на характер воспламенения в цилиндрах все же является именно загрязнение распылителей форсунок. Этот «процесс» начинает беспокоить владельцев с 35 000 – 45 000 км пробега, и, увидев ошибки по «пропускам воспламенения», далеко не всегда начинают решать проблему с «правильного конца». А что же официальные лица? Неужели такой проблеме не уделяется внимание? Так сказать нельзя. Официально существует пункт при техническом обслуживании. Для примера возьмем Audi Q5:
Но возникает вопрос: а говорили ли вам о необходимости использования этой промывки на официальном ТО? А о регулярности такого мероприятия? Ведь подобные рекомендации для эксплуатации автомобиля в России есть и у BMW, и у Mercedes-Benz, и у других крупных автопроизводителей. Также нужно понимать, что использование такой промывки, учитывая ее концентрацию в полном баке, играет только профилактическую роль и полностью не очищает распылители. Но, разумеется, длительность нормального функционирования топливных форсунок увеличивает и рекомендуется к использованию.
А теперь коснемся того, почему же так важно, чтобы распылители топливных форсунок были исправными (чистыми). Дело в том, что конструкция поршней новых двигателей FSI отнюдь не обладает весомым запасом прочности к детонационному сгоранию смеси, поскольку главный принцип построения таких моторов – максимальное облегчение конструкции и снижение трения. И тут уместно вспомнить, что днище поршня в таком типе конструкции не имеет возможности омываться (охлаждаться) топливной струей, а это значит, что при любом нарушении процесса воспламенения вполне возможна детонация и, как следствие, разрушение самого поршня (перемычек), что как раз и происходит на моторах 1.4, 1.8 и 2.0 TSI.
Отметим, что, проектируя третье поколение моторов серии 888, конструкторы VAG учли этот момент и создали смешанный впрыск MPI+FSI, который как раз и призван обойти описанные проблемы. Но вот обладатели автомобилей VAG, выпущенных до 2012 года, должны учитывать и такую печальную вероятность событий.
Надеемся, что после прочтения этого материала у вас не возникнет вопроса, для чего необходимо использовать промывку топливной системы и очищать детали впускной системы двигателей с непосредственным впрыском.
Что такое FSI (Fuel Stratified Injection): (послойный впрыск топлива)
Admin
Создатель сайта
Какие бы аббревиатуры ни изобретали автомобильные компании в желании не повторить друг друга – GDI, FSI, DI, D4, – речь идет об одном и том же, о технологии непосредственного впрыска бензина. То есть когда бензин впрыскивается не во впускной патрубок, как у «обычных» моторов с впрыском, а непосредственно в цилиндр двигателя.
Конечно, моторы с непосредственным впрыском сложнее и дороже традиционных. Тем не менее в последние годы ими «обзавелись» автомобили многих известных марок. Почему?
Запасов нефти на нашей планете не прибавляется – для европейских и японских автовладельцев, не избалованных низкими ценами на топливо, экономичность очень важна. Проблему загрязнения атмосферы тоже никто со счетов пока не сбрасывал. Конечно, благодаря ужесточению экологических норм удалось уменьшить выбросы наиболее вредных веществ – угарного газа, несгоревших углеводородов и оксидов азота. Но разговоры о парниковом эффекте ведутся не на пустом месте, а потому снижению выбросов углекислого газа в атмосферу посвящено немало национальных и международных программ. Применительно к автомобилю эти проблемы взаимосвязаны: у двигателя внутреннего сгорания выброс углекислого газа пропорционален расходу топлива. Так что повышение эффективности работы ДВС полезно не только для кошелька автовладельца, но и для нашей атмосферы.
Поднять эффективность современного бензинового двигателя – задача непростая: и конструкция, и технологии ДВС совершенствуются уже 150 лет, и многие резервы давно выбраны. Однако многие решения в свое время применялись, но так и не прижились, а сейчас, на новом витке развития науки и технологии, снова становятся актуальными. Непосредственный впрыск бензина как раз из этой области.
Теория двигателей гласит: чем выше давление в цилиндре перед воспламенением смеси, тем больше отдача двигателя. А давление в цилиндре зависит от того, сколько воздуха попадет в него за время такта впуска: чем больше воздуха, тем больше будет давление, когда его сожмет поршень. И нам выгодно, чтобы даже на малых нагрузках, когда не нужно сжигать много топлива, в цилиндр все равно попадало много воздуха – больше будет давление в конце такта сжатия.
Но также известно, что для полного сгорания бензина необходимо, чтобы на каждый грамм топлива в цилиндре приходилось 14,7 грамма воздуха. Если воздуха будет больше, такая смесь называется бедной. И в отличие от дизеля в бензиновом двигателе с работой на очень бедных смесях не все хорошо получается. Ведь смесь воздуха и топлива здесь поджигается искрой свечи зажигания. И если соотношение воздуха и топлива в смеси будет больше 17:1 (больше 17 частей воздуха на 1 часть бензина), начинаются проблемы с воспламенением от свечи. Именно поэтому в традиционных двигателях с впрыском бензина (во впускной патрубок) активную роль по-прежнему играет дроссельная заслонка – мы вынуждены ограничивать количество поступающего в цилиндры воздуха, чтобы смесь не стала слишком бедной.
Таким образом, если мы хотим поднять эффективность работы бензинового двигателя на малых нагрузках, должны научить его «переваривать» бедную смесь.
И вот тут на помощь приходит непосредственный впрыск. Ведь форсунка здесь подает топливо не в поток воздуха на впуске, а непосредственно в цилиндр, и мы можем сделать так, чтобы при общем «бедном» соотношении воздуха и топлива в цилиндре около свечи оказалось более «богатое» облако смеси, которое хорошо воспламеняется.
АККУМУЛЯТОРНАЯ СИСТЕМА ВПРЫСКА
Система впрыска топлива двигателя FSI практически такая же, как у большинства современных дизелей – она называется «аккумуляторная», но более известно «импортное» название common rail. Насос создает высокое (от 30 до 110 бар) давление в единой магистрали. Магистраль имеет большой диаметр, потому что одновременно служит гидроаккумулятором – в большом количестве топлива гасятся пульсации давления от насоса.
Такое распределение топливной смеси в цилиндре называется послойным в отличие от гомогенного, когда топливо и воздух перемешаны равномерно. Кстати, аббревиатура FSI, которую использует группа Volkswagen для обозначения моторов с непосредственным впрыском, расшифровывается как Fuel Stratified Injection – «послойный впрыск топлива».
Понятно, что в реальных условиях движения мотор должен работать в разных режимах. Послойное распределение – для работы на бедных смесях, то есть в экономичном режиме, при малых нагрузках, например, когда мы, никуда особо не торопясь, ровно едем с комфортной скоростью. А вот для больших нагрузок, для мощностных режимов (разгон, движение на высоких оборотах, с высокой скоростью) нам обязательно потребуется гомогенная смесь.
Ничего не потерять
ПОТОК ВОЗДУХА НА ВПУСКЕ ДВИГАТЕЛЕЙ FSI
Для обеспечения послойного смесеобразования необходима высокая скорость потока воздуха. Чтобы ее получить, в некоторых моторах с непосредственным впрыском бензина используют вертикальные впускные патрубки большой длины. Но такие патрубки не всегда удается скомпоновать с очень полезной системой изменения их длины. Заслонки во впускных патрубках моторов FSI создают некоторое сопротивление, зато позволяют увеличить скорость потока воздуха при наклонных патрубках, легко совместимых с системой изменения их длины.
Переключение между этими режимами осуществляется разными способами. Например, в моторах FSI предусмотрена специальная заслонка на впуске, которая в режиме послойного распределения закрывается. В результате поток воздуха сужается, ускоряется и, влетая в цилиндр, закручивается в «баранку». Топливо впрыскивается во время такта сжатия (поэтому для непосредственного впрыска нужен насос высокого давления). Сплющенная поршнем, но еще движущаяся «баранка» воздуха не так уж и сильно рассеивает впрыснутое топливо, зато помогает ему компактным факелом попасть на свечу. И еще создает вокруг топливного заряда прослойку воздуха, снижая потери тепла в днище поршня и в стенке цилиндра.
В режиме гомогенного смесеобразования заслонка на впуске полностью открыта. В результате воздух поступает в цилиндр равномерно и широким потоком. В этот поток, еще во время такта впуска, и впрыскивается основная порция топлива. В горячем цилиндре оно испаряется и хорошо перемешивается с воздухом – образуется равномерная топливовоздушная смесь по всему цилиндру.
У других компаний можно встретить иные способы переключения режимов впрыска – например, специальные двухрежимные форсунки, которые могут впрыскивать топливо в цилиндр либо компактным узким факелом (для послойного распределения), либо равномерным широким конусом (для образования гомогенной смеси). Кстати, в режиме гомогенной смеси двигатель с непосредственным впрыском тоже эффективнее традиционного собрата. Ведь в нем можно обеспечить впрыск топлива не в одну, а в несколько стадий и таким образом решить множество проблем – от ускоренного прогрева нейтрализатора при холодном пуске до снижения риска детонации и улучшения процесса сгорания при высоких нагрузках, а значит, повышения мощности.
Конечно, «бесплатных пирожных» в технике не бывает. Мы уже отметили: чтобы впрыскивать бензин непосредственно в цилиндр во время такта сжатия, нужен топливный насос высокого давления – почти такой же, как на дизелях. И соответствующая система питания. А для получения вакуума (без которого, скажем, не работает усилитель тормозов) потребуется вакуумный насос. Ведь в режиме послойного распределения двигатель работает на малых порциях топлива, но при полностью открытой дроссельной заслонке (чего мы, собственно, и добивались). А если дроссельная заслонка открыта, разрежение в задроссельном пространстве не создается!
Не так все просто и с обеднением смеси. Ведь и двигатели с традиционным впрыском бензина могут работать на более бедной смеси, чем работают сейчас. Конечно, не на такой сверхбедной, как мотор с непосредственным впрыском, но все равно, экономия топлива была бы заметной. Тем не менее в большинстве современных автомобилей эта возможность не используется. И причиной тому – экология. Ведь при работе на бедной смеси значительно растет выброс оксидов азота – традиционный трехкомпонентный нейтрализатор в этой ситуации с ними не справляется. И если мы хотим работать на бедных смесях, то даже для соответствия нормам Евро 3 нам потребуется дополнительный специальный нейтрализатор-поглотитель оксидов азота. И, понятно, электроника для обеспечения его работы. А «противоазотный» нейтрализатор мало того, что недешев, так еще быстро выходит из строя при высоком содержании серы в топливе. Так что, пока еще не нормируется выброс углекислого газа, а бензин в большинстве стран мира содержит достаточно много серы, производителям автомобилей приходится отказываться от отдельных преимуществ непосредственного впрыска бензина, в первую очередь – от работы на бедных смесях. И, конечно, выдающейся экономии топлива в этом случае получить не удается. Правда, и не так возрастает стоимость автомобиля – нет необходимости устанавливать «противоазотный» нейтрализатор и оборудование для его работы.
Но, если получаемая экономия топлива с ростом цен на нефть станет целесообразной или, скажем, более активно будет вестись борьба с выбросом углекислого газа (CO2), двигатель с непосредственным впрыском готов продемонстрировать свои достоинства в любой момент. Достаточно будет поставить второй нейтрализатор и изменить программу блока управления.
Что такое система впрыска FSI. Особенности и принцип работы
— Механизмы топливного насоса высокого давления (ТНВД) и рампы форсунок оснащаются специальными антикоррозионными реагентами, которые в свою очередь обеспечивают их защиту от воздействия топлива, содержащего в своем составе этанол до 10 процентов;
— В системе FSI изменено управление насосом высокого давления;
— Удален за ненадобностью отвод трубопровода топливного бака. Топливо ранее просачивалось вдоль плунжера;
— Отвод топлива, которое сбрасывалось через установленный на рампе форсунок предохранительный клапан, теперь осуществляется через небольшой по длине трубопровод в контур низкого давления, установленный перед насосом высокого давления.
Видео обзор: «Что такое система впрыска FSI. Особенности и принцип работы»