Виды впрыска: непосредственный, распределённый, моновпрыск — разница

Впрыск топлива — это дозированная подача бензина форсункой под давлением вместо смесеобразования в карбюраторе, а виды впрыска различают по тому, где стоит форсунка и под каким давлением она работает. Практически используются четыре схемы: моновпрыск с одной форсункой на весь двигатель перед дросселем; распределённый (PFI, MPI) с форсункой на каждый цилиндр, где топливо подаётся перед впускным клапаном под давлением около 6 бар; непосредственный (GDI, FSI, TFSI, EcoBoost), где форсунка стоит в головке блока и подаёт топливо прямо в камеру сгорания под давлением до 350 бар; комбинированный, где оба контура работают в одном двигателе. Для владельца ключевое различие не в схеме, а в одном её следствии: при распределённом впрыске струя топлива омывает тарелку впускного клапана, при непосредственном не омывает, поэтому отложения на впуске накапливаются непрерывно, и моющая присадка из бака до них не доходит физически.

Классификация: всё определяет место форсунки

Порядок появления схем совпадает с порядком усложнения дозирования.

Карбюратор. Топливо не впрыскивается, а подсасывается потоком воздуха через жиклёры. Дозирование одно на все цилиндры и зависит от разрежения, поэтому состав смеси на переходных режимах точным не бывает.

Моновпрыск (одноточечный). Одна электромагнитная форсунка стоит в корпусе дросселя на месте карбюратора и работает при давлении порядка 1 бар. Смесь по-прежнему готовится на весь двигатель сразу и идёт по впускному коллектору, но дозой управляет электроника, а не разрежение.

Распределённый впрыск. Форсунок столько же, сколько цилиндров, и каждая подаёт топливо перед своим впускным клапаном. Смесь готовится вне камеры сгорания, во впускном тракте.

Непосредственный впрыск. Форсунка вынесена в камеру сгорания, топливо подаётся туда напрямую. Смесеобразование целиком переносится в цилиндр.

Хронология здесь не такая, как принято думать: непосредственный впрыск бензина старше электронного. Первое автомобильное применение Bosch относит к 1951 году (Bosch, Gasoline direct injection); первыми машинами с этой системой стали Gutbrod Superior и фургоны Goliath, и по описанию Bosch она дала прирост мощности порядка 10 % при расходе примерно на 20 % ниже карбюраторного (Bosch brings gasoline injection to cars). Электроника пришла позже: схему электронного впрыска Генрих Кнапп нарисовал в 1959 году, 14 сентября 1967 года Jetronic показали на автосалоне IAA во Франкфурте, в 1973 году вышли сразу два преемника: механический K-Jetronic и электронный L-Jetronic, а в 1979 году появился Motronic, объединивший управление впрыском и зажиганием в одном блоке (Bosch, 50 years of gasoline injection Jetronic).

Распределённый впрыск: смесь готовится до цилиндра

Форсунка распыляет топливо перед закрытым или открывающимся впускным клапаном, и на такте впуска смесь идёт через клапан в цилиндр; смесь при этом образуется вне камеры сгорания, во впускном коллекторе, и получается однородной. Давление в системе составляет около 6 бар, то есть низкое по сравнению с высоким давлением прямого впрыска. Bosch отдельно отмечает два эксплуатационных следствия такой схемы: меньшая сложность управления впрыском по сравнению с системами высокого давления и терпимость процесса сгорания к топливу худшего качества (Bosch, Gasoline port fuel injection).

По способу управления внутри распределённого впрыска различают одновременный (все форсунки открываются вместе), групповой и фазированный, когда каждая форсунка срабатывает под такт своего цилиндра. Разница здесь в точности дозирования на переходных режимах и в выбросах, но место форсунки от этого не меняется, а значит не меняется и главное для эксплуатации: топливо льётся на тарелку клапана.

Непосредственный впрыск: давление вырастает в 50 раз

Топливо подаётся насосом высокого давления в рампу, а форсунки дозируют и распыляют его прямо в камере сгорания: Bosch описывает результат как оптимизированное охлаждение, рост КПД и рост крутящего момента до 50 % на низких оборотах. Максимальное давление в рампе доходит до 350 бар, при этом контур низкого давления подаёт топливо к насосу под давлением до 6 бар, то есть давлений в такой системе два, а не одно. Рабочее давление на серийных моторах обычно лежит в диапазоне 80–200 бар, и этот же диапазон разобран в материале о моющих составах в бак.

Испарение топлива уже внутри цилиндра забирает тепло у заряда, и это охлаждение — часть выигрыша по КПД. Требование по октановому числу берётся из руководства по эксплуатации конкретного двигателя, а не из типа впрыска: само по себе повышение марки бензина расход не снижает, что разобрано в статье об октановом числе.

Обратная сторона — твёрдые частицы. Bosch отмечает, что комбинация распределённого и непосредственного впрыска даёт дополнительное снижение выбросов частиц, а управление фазами клапанов особенно заметно влияет на выбросы частиц на холодном двигателе, пока прогревается катализатор. Отсюда и появились комбинированные системы: на прогреве и малых нагрузках работает впуск, на высоких — прямой впрыск.

Сравнение по четырём схемам

Что видно на пробеге 100 000 км

Именно здесь виды впрыска расходятся сильнее всего, и в перечислениях «карбюратор, моновпрыск, MPI, GDI» этого обычно нет.

Двигатели с непосредственным впрыском склонны к образованию отложений на впускных клапанах: из-за отсутствия процесса смывания топливом, характерного для двигателей с распределённым впрыском, отложения устойчиво накапливаются со временем и способны привести к ухудшению сгорания, неустойчивой работе, залипанию клапана или отказу двигателя. Состав этих отложений исследован на автомобиле с 2,0-литровым турбированным GDI-двигателем: это комбинация моторного масла, продуктов износа, несгоревшего топлива и загрязнителей из отработавших газов, а скорость накопления зависит в том числе от состава смазочного материала (G. Guinther, S. Smith. Formation of Intake Valve Deposits in Gasoline Direct Injection Engines. SAE 2016-01-2252, 17.10.2016).

Из механизма следуют три вещи, которые касаются владельца напрямую.

• Присадка в бак на впускной клапан GDI не попадает. Бензин идёт мимо клапана прямо в цилиндр, и моющий компонент физически не встречается с отложениями на тарелке, ни при какой дозировке. Границы зоны действия такой химии разобраны в статье об очистителе форсунок.
• Задача решается только со стороны впуска. Это либо подача активного состава во впускной тракт, либо снятие коллектора с механической очисткой, либо мягкий абразив на снятой головке, то есть работа, а не заливка.
• Отложения в камере сгорания — отдельная зона со своим инструментом. Плотный спёкшийся слой на днище поршня в топливе не растворяется; что до какой зоны достаёт, разобрано в материалах о раскоксовке и о причинах нагара.

Как определить вид впрыска на своей машине

Смотрят на топливную часть, а не на шильдик. У распределённого впрыска рампа с форсунками закреплена на впускном коллекторе, форсунки входят в патрубки коллектора, топливопровод один и низкого давления. У непосредственного впрыска рампа лежит на головке блока, к ней идёт трубка высокого давления от насоса с приводом от распредвала, а сами форсунки в коллекторе не видны. Косвенный признак — обозначения в названии двигателя: FSI, TFSI, GDI, T-GDI, EcoBoost, JTS. Комбинированные системы выдаёт наличие обеих рамп сразу.

Дальше это влияет на регламент. Для распределённого впрыска обслуживание топливной части ограничивается фильтром и, при подтверждённой потере производительности распылителей, промывкой. Для непосредственного впрыска в план добавляется впуск: оценка состояния тарелок клапанов эндоскопом на пробегах, где симптомы уже возможны, то есть неустойчивый холостой ход, пропуски, ухудшение отклика. Симптоматику по отложениям в цилиндре разбирает отдельный материал о нагаре в цилиндрах.

Вопросы, которые остаются после прочтения

Чем распределённый впрыск отличается от непосредственного? Местом форсунки и давлением. При распределённом форсунка подаёт топливо перед впускным клапаном под давлением около 6 бар, смесь готовится во впускном коллекторе. При непосредственном форсунка стоит в камере сгорания и работает при давлении до 350 бар, смесь образуется в цилиндре. Отсюда все остальные различия, включая омывание тарелки клапана топливом.

Какой впрыск лучше? Сравнивать нужно по критерию. Непосредственный даёт выше КПД и до 50 % больше момента на низких оборотах по данным Bosch. Распределённый проще в управлении, терпимее к топливу худшего качества и не имеет проблемы неомываемого впускного клапана. Комбинированная схема существует именно потому, что у каждой есть своя область, где она сильнее.

Правда ли, что на прямом впрыске зарастают впускные клапаны? Да, и причина названа в исследовании SAE 2016-01-2252: у GDI нет смывания топливом, характерного для распределённого впрыска, поэтому отложения накапливаются устойчиво. Материал их — моторное масло, продукты износа, несгоревшее топливо и загрязнители из отработавших газов.

Поможет ли очиститель в бак на двигателе с непосредственным впрыском? На сами форсунки да, топливо проходит через них целиком. На тарелки впускных клапанов нет: топливо подаётся мимо них прямо в цилиндр. Это разные зоны и разные инструменты.

Нужен ли бензин с более высоким октановым числом при непосредственном впрыске? Ориентироваться следует на требование из руководства по эксплуатации двигателя. Марка выше требуемой сама по себе расход не снижает.

Порядок действий

Вид впрыска задаёт не марку флакона, а порядок работ. При распределённом впрыске топливный тракт и впуск закрываются одной химией через бак. При непосредственном задачи разводятся: топливный тракт закрывают фильтр и промывка распылителей, впуск — состав со стороны впускного тракта или разбор, камера сгорания — третий инструмент.

Разовая очистка возвращает исходное состояние камеры сгорания, но не меняет скорость, с которой отложения набираются заново: город, короткие поездки и длительный холостой ход дадут тот же слой. На постоянную работу рассчитано устанавливаемое под капот оборудование. По заявлению завода-изготовителя в Рязани, подаваемый во впуск водород ускоряет горение основного топлива, а углеродистые отложения в камере сгорания при этом окисляются; съёмка одного и того же двигателя до установки и через 1500 км лежит в кейсах, а разница между разовой сервисной процедурой и постоянно установленной системой разобрана здесь.

Подбор идёт по рабочему объёму двигателя: ВГА-90 до 2 литров, ВГА-120 на 2–6,5 литра. Питание от бортовой сети составляет 65–85 Вт на легковых, паспортное потребление ВГА-120 равно 75 Вт. Обслуживание: долив дистиллированной воды 1 литр на 5000 км, замена раствора каждые 25 000–30 000 км, зимой в раствор и баблер добавляется изопропиловый спирт 15–20 %. Завод-изготовитель даёт 1 год гарантии, расчётный ресурс составляет до 500 000 км или 10 лет. Комплектации и цены собраны на странице стоимости.