Непосредственный и распределённый впрыск: в чём разница

Непосредственный впрыск (GDI, FSI, TFSI, EcoBoost) подаёт бензин форсункой прямо в камеру сгорания под давлением до 350 бар, а распределённый (MPI, PFI) распыляет его во впускном канале перед клапаном при давлении около 6 бар. Из одного этого различия следуют три вещи, которые владелец видит на эксплуатации. Топливная часть прямого впрыска сложнее: к обычному контуру добавляется насос высокого давления с приводом от распредвала. Тарелка впускного клапана у него не омывается бензином, поэтому отложения на впуске копятся, а присадка из бака до них не доходит. Выброс твёрдых частиц выше, и отдельный лимит по их числу в нормах Евро-6 адресован именно бензиновым двигателям с непосредственным впрыском. Распределённый впрыск проще, спокойнее относится к качеству топлива и лишён проблемы неомываемого клапана, но проигрывает по моменту на низких оборотах и по удельной мощности.

Один топливный контур против двух

У распределённого впрыска тракт один. Электрический насос поднимает давление примерно до 6 бар, топливо идёт в рампу, форсунки открываются в патрубки впускного коллектора. Bosch перечисляет состав такой системы поимённо: рампа, топливоподающий модуль, форсунки, блок управления двигателем, электронная дроссельная заслонка, катушка зажигания, датчики температуры, положения распредвала, частоты вращения, детонации и лямбда-зонд. Насоса высокого давления, датчика высокого давления, клапана дозирования и форсунок высокого давления в этой схеме нет вовсе (Bosch, Gasoline port fuel injection).

У непосредственного впрыска контура два. Первый, низкого давления, доводит топливо до насоса высокого давления под давлением до 6 бар. Второй начинается за этим насосом: он питает рампу, из которой форсунки впрыскивают топливо прямо в камеру сгорания, и максимальное давление в рампе доходит до 350 бар (Bosch, Gasoline direct injection). Разница в давлении получается почти шестидесятикратной, и она объясняет остальное: стоимость узлов, требования к чистоте топлива и характерный стрекочущий звук форсунок на холостом ходу, по которому мотор с прямым впрыском узнаётся на слух.

Что схема даёт двигателю

Непосредственный впрыск ставят ради наполнения и КПД. Bosch указывает на рост крутящего момента до 50 % на низких оборотах и на удельную мощность 60–100 кВт с литра, которая достигается сочетанием турбонаддува с уменьшенным рабочим объёмом. Часть выигрыша даёт само место впрыска: топливо испаряется уже в цилиндре и охлаждает заряд, что позволяет поднять степень сжатия без детонации.

Распределённый впрыск выигрывает по другой шкале. Bosch называет границу, до которой схема остаётся экономически оправданной против системы высокого давления: двигатели с удельной мощностью примерно 60 кВт с литра и даунсайзинг до 25 %. Это не характеристика мотора, а порог окупаемости: выше него дешевле поставить прямой впрыск. Дополнительно завод отмечает менее сложное управление впрыском и терпимость процесса к топливу худшего качества.

Сравнение двух систем

Впускной клапан, которому нечем смывать отложения

При распределённом впрыске струя бензина попадает на тарелку впускного клапана в каждом цикле, и моющие компоненты топлива работают там просто по факту контакта. При непосредственном впрыске топливо идёт мимо клапана в цилиндр. Всё, что приносит на тарелку впускной тракт, на ней и остаётся: пары масла из системы вентиляции картера, вынос из контура рециркуляции отработавших газов, продукты износа.

Состав слоя на клапанах двигателя с непосредственным впрыском разбирали на 2,0-литровом турбированном моторе. В отложениях нашли моторное масло, продукты износа, несгоревшее топливо и загрязнители из отработавших газов; накопление шло устойчиво именно потому, что смывания топливом, обычного для распределённого впрыска, здесь не происходит, а результатом названы ухудшение сгорания, неустойчивая работа, залипание клапана и отказ двигателя (G. Guinther, S. Smith. Formation of Intake Valve Deposits in Gasoline Direct Injection Engines. SAE 2016-01-2252, 17.10.2016).

Практический вывод из механизма один: впуск и топливный тракт на таком моторе обслуживаются раздельно. Форсунки чистит то, что через них проходит, а тарелки клапанов только то, что подаётся со стороны впускного коллектора или снимается механически при разборе. Универсального пробега для такой процедуры не существует, ориентиром служат состояние тарелок, которое видно эндоскопом через снятый патрубок, и поведение двигателя на холостом ходу. Что именно снимает каждый способ, разобрано в материале об очистке нагара, а перечень факторов, ускоряющих накопление, собран в статье о причинах нагара.

Частицы в выхлопе и норма Евро-6

Смесеобразование в цилиндре идёт быстрее, чем во впускном тракте, и часть топлива не успевает перемешаться с воздухом равномерно. Локально богатые зоны дают сажу, поэтому бензиновый мотор с прямым впрыском выбрасывает больше твёрдых частиц, чем такой же по объёму с распределённым.

Регулятор развёл эти схемы прямо. Для Евро-6 установлен предел по числу частиц 6,0 × 10¹¹ на километр, а переходное значение 6,0 × 10¹² на километр действовало по выбору изготовителя в течение трёх лет после дат, указанных в статье 10(4) и 10(5) Регламента (ЕС) № 715/2007. Сноска к таблице предельных значений сформулирована без вариантов: предельные значения по массе и числу частиц для двигателей с принудительным зажиганием применяются только к автомобилям с двигателями непосредственного впрыска (Регламент Комиссии (ЕС) № 459/2012). Отсюда и появились бензиновые сажевые фильтры GPF, которых на моторах с распределённым впрыском не ставят.

LSPI: явление, пришедшее вместе с наддувным прямым впрыском

На небольших по объёму наддувных бензиновых двигателях с непосредственным впрыском при низких оборотах и высокой нагрузке случается преждевременное воспламенение смеси, а неконтролируемое преждевременное воспламенение способно разрушить двигатель. Под это явление сделан отдельный моторный метод: Sequence IX оценивает способность сдерживать преждевременное воспламенение в камерах сгорания наддувных бензиновых двигателей с непосредственным впрыском, работает на 2,0-литровом четырёхцилиндровом моторе Ford 2012 года и держит режим 1750 об/мин при нагрузке 269 Н·м (Intertek, Sequence IX Test).

Владельца это касается через допуск на канистре. В спецификации моторных масел API SP и ILSAC GF-6 включено испытание, защищающее от низкоскоростного преждевременного воспламенения (API, Latest Oil Categories). Для атмосферного мотора с распределённым впрыском этот пункт спецификации смысла не несёт, а для наддувного GDI он и есть причина, по которой допуск масла выбирают по руководству, а не по цене.

Вопросы перед покупкой и обслуживанием

Какое давление в рампе у распределённого и у непосредственного впрыска? Около 6 бар и до 350 бар соответственно. У прямого впрыска контура два: низкое давление до 6 бар подаёт топливо к насосу высокого давления, высокое идёт от насоса к форсункам.

Можно ли понять тип впрыска на слух? Косвенно да. Форсунки высокого давления на холостом ходу стрекочут заметно громче обычных, звук напоминает лёгкий дизельный. Надёжнее смотреть на топливную часть: трубка высокого давления к рампе на головке блока означает непосредственный впрыск, рампа на впускном коллекторе означает распределённый. Полный разбор схем собран в статье о видах впрыска.

Почему бензиновый сажевый фильтр ставят только на прямой впрыск? Потому что лимит Евро-6 по числу частиц 6,0 × 10¹¹ на километр адресован двигателям с принудительным зажиганием и непосредственным впрыском. Распределённый впрыск под это требование не попадает, и фильтр ему не нужен.

Что такое LSPI и на всех ли GDI оно бывает? Преждевременное воспламенение на низких оборотах под высокой нагрузкой. Метод Sequence IX построен на наддувном двигателе, и спецификации масел с защитой от LSPI адресованы наддувным моторам. Атмосферный GDI в этой формулировке не участвует.

Зачем в одном двигателе делают оба контура сразу? Чтобы взять сильные стороны каждого: распределённый впрыск лучше работает на частичных нагрузках и на прогреве, непосредственный на полной нагрузке. Такие комбинированные системы Bosch выпускает серийно.

Что из этого следует владельцу

Разница между схемами превращается в разный план обслуживания. На распределённом впрыске топливная часть закрывается фильтром и, если распылители потеряли производительность, промывкой. На непосредственном к этому добавляется впуск, которого ни одна заливка в бак не достаёт, и камера сгорания, где слой плотнее и снимается третьим инструментом.

Сервисная процедура возвращает мотор к исходной точке, но темп повторного накопления задают режим и условия работы, а не дата последней чистки. Поэтому под капот ставят оборудование, работающее постоянно. Завод-изготовитель в Рязани заявляет, что подача водорода во впуск ускоряет горение основного топлива, а углеродистые отложения в камере сгорания при этом окисляются; фотофиксация одного двигателя до установки и через 1500 км собрана в кейсах, а чем постоянно работающая система отличается от разовой сервисной водородной процедуры, разобрано отдельно.

Подбор идёт по рабочему объёму: ВГА-90 до 2 литров, ВГА-120 на 2–6,5 литра, старшая модель от 6,5 литра. Питание берётся от бортовой сети, на легковых это 65–85 Вт, паспортное потребление ВГА-120 равно 75 Вт. Регламент короткий: 1 литр дистиллированной воды на 5000 км, замена раствора каждые 25 000–30 000 км, зимой в раствор и баблер добавляется изопропиловый спирт 15–20 %. Гарантия завода-изготовителя составляет 1 год, расчётный ресурс до 500 000 км или 10 лет. Цены по трём моделям и комплектациям собраны на странице стоимости.