Портовый впрыск или прямой? Почему выбор системы питания двигателя так важен

Портовый впрыск подаёт топливо во впускной коллектор, а непосредственный впрыск распыляет топливо прямо в камеру сгорания; портный впрыск обеспечивает более мягкую реакцию на газ и низкий выброс частиц, а непосредственный впрыск даёт более высокий КПД и более низкий уровень CO2. Поэтому производители, стремящиеся одновременно сбалансировать мощность, эффективность и выбросы, используют обе системы вместе на одном двигателе.

Что такое портный впрыск и чем он отличается от непосредственного?

Бензин в жидком состоянии сам по себе не горит. Для сгорания его сначала нужно разделить на мелкие капли - то есть распылить, а затем испарить. Все различия между двумя типами впрыска вытекают из этого простого физического требования: то, куда и под каким давлением распыляется топливо, определяет характер двигателя.

При портном впрыске (PI, или multi-point/MPFI, поскольку каждому цилиндру назначен отдельный инжектор) инжектор устанавливается на впускной коллектор и распыляет топливо непосредственно перед впускным клапаном, за его спиной. Топливо проходит длинный путь по впускному каналу до попадания в цилиндр и имеет много времени для испарения. Разместить инжектор вдали от клапана и свечи, в верхней позиции клапана, также механически просто; поскольку система работает при низком давлении, она и дешёвая, и надёжная.

При непосредственном впрыске (GDI/DI) инжектор открывается прямо в камеру сгорания через отдельную точку доступа в головке цилиндра. Давление возрастает многократно: в 50–100 раз выше, чем в портной системе. Масштаб показывает, насколько драматична разница - топливо, сжатое до 1000 psi , при распылении через отверстия диаметром 0,006–0,011 дюйма создаёт туман с каплями всего 0,000003 дюйма и скоростью 135 mph. Это быстрое фазовое превращение происходит внутри цилиндра, и его эффект ощущается именно там.

Портный впрыск: почему это всё ещё актуальная технология?

Наиболее недооценённое преимущество портного впрыска - способ использования тепла, поглощаемого топливом при испарении. В системе PI этот охлаждающий эффект происходит во впускном коллекторе; топливо, охлаждающее поступающий воздух, увеличивает плотность воздуха и повышает потенциал мощности атмосферного двигателя. Иными словами, портный впрыск даёт атмосферным двигателям внутренний небольшой эффект наддува.

Второе преимущество - на стороне выбросов. Топливо, касаясь поверхностей за клапаном и испаряясь в течение более длительного времени, готовит гомогенную смесь; это снижает количество топлива, не сгорающего в процессе, и уменьшает выброс твёрдых частиц (PM). Отклик на газ тоже мягкий по тем же причинам: смесь готова в любых условиях, система проста и предсказуема. Техническое объяснение впечатления многих водителей, что «старые двигатели были более характерными», - отчасти именно эта предсказуемость.

Их слабые стороны тоже очевидны. Смесь не может быть распылена так тонко, как при непосредственном впрыске; часть распылённого топлива прилипает к стенкам впускного канала, нарушая заданное соотношение воздух-топливо. Поскольку не вся смесь, поступающая в цилиндр, сгорает в идеальных условиях, PI-двигатель уступает DI в термическом КПД.

Что даёт и что отнимает непосредственный впрыск?

Преимущества: степень сжатия, эффективность и CO2

Главная сила непосредственного впрыска в том, что он переносит охлаждение при испарении внутрь камеры сгорания. Это изменение фазы, происходящее во время такта сжатия, снижает вероятность раннего и неконтролируемого воспламенения смеси - то есть детонации. Поскольку температура поверхностей камеры сгорания снижается, инженеры могут использовать более высокую степень сжатия как в атмосферных, так и в турбированных двигателях; а высокая степень сжатия означает напрямую более высокую эффективность. Более полное сгорание топлива означает меньше топлива для той же работы и более низкие выбросы CO2. Это фундаментальный технологический шаг, позволяющий нам сравнивать степени сжатия большинства современных бензиновых двигателей с моторами начала 2000-х.

Недостатки: стоимость, шум и твёрдые частицы

У этой технологии есть и свой счёт. В 50–100 раз более высокое давление означает более дорогие форсунки и насос высокого давления; постоянное производство высокого давления насосом также создаёт источник шума, и поэтому большинство DI-двигателей работают с двумя топливными насосами. Форсунки непосредственного впрыска структурно шумные и добавляют двигателю характерный тикающий звук.

Баланс выбросов тоже двусторонний. Снижая CO2, DI производит больше твёрдых частиц: поскольку на испарение перед впрыском остаётся меньше времени, часть топлива выходит из камеры сгорания и каталитического нейтрализатора в виде частиц сажи. Эти частицы похожи на выделяемые дизельными двигателями, только меньшего размера. Кроме того, нагар, скапливающийся за впускными клапанами, для некоторых пользователей DI - реальная сервисная проблема, поскольку топливо больше не омывает клапан и отложения накапливаются. Редкий, но серьёзный пример: некоторые водители вынуждены чистить впускные клапаны методом дробеструйной очистки скорлупой грецкого ореха (walnut blasting) после десятков тысяч километров. Тема нагара - предмет отдельной статьи; главный вопрос здесь - как производители управляют балансом этих двух систем.

Сравнительная таблица: PI и DI бок о бок

На первый взгляд, выбор прост: DI для эффективности, PI для простоты. Но разница в производительности не так велика, как кажется; даже на уровне форумных технических дискуссий отмечается, что прямая разница в мощности между двумя системами составляет всего несколько процентов, а главное достоинство DI - возможность более высокой степени сжатия. То есть суть не в том, что одна технология побеждает другую, а в том, что обе выполняют разделение труда в одном двигателе.

Почему производители используют оба типа впрыска вместе?

Двойной впрыск (dual injection) означает наличие в одном двигателе как впускных, так и форсунок - точнее, форсунок как во впускном коллекторе, так и прямых. ЭБУ в зависимости от оборотов и нагрузки задействует одну из них, обе или запрограммированную смесь. Логика проста: объединить преимущества топливной экономичности и устойчивости к детонации DI с преимуществами низких выбросов и очистки клапанов у PI. На каждом участке рабочего диапазона двигателя выбирается оптимальный способ подачи топлива.

Toyota - самый известный приверженец этого подхода. D-4S свою систему она представила более десяти лет назад на V-6; сегодня 2,0 литра рядный четырёхцилиндровый (производства Subaru), 3,5 литра V-6 и 5,0 литра V-8. При низкой и средней нагрузке и оборотах, характерных для обычной езды, срабатывают обе форсунки - это повышает плотность поступающего атмосферного воздуха, при этом впрыск во впускной коллектор продолжает омывать клапаны, то есть фактически очищает нагар. При высокой нагрузке и оборотах, где риск детонации высок, DI полностью берёт на себя подачу топлива.

Подход Ford иной: высоконапорному DI сопутствует низконапорный PI, и впрыск во впускной коллектор никогда полностью не отключается. Область применения широка - от 2,7 до 5,0 литров турбированные и атмосферные V-6/V-8, F-150 с 3,3 V-6, F-150 Raptor 2017 и 3,5-литровый EcoBoost V-6 у GT, а также Mustang GT 2018 с его 5,0 V-8. На холостом ходу и низких оборотах работает только PI - тихо и эффективно; с ростом оборотов и нагрузки обе системы питают двигатель в смеси, причём PI всегда обеспечивает не менее 5–10% топлива. Ford, объединив двойной впрыск с более высоким давлением наддува в новом 3,5-литровом V-6, увеличил пиковый крутящий момент на 30 lb-ft Audi применяет ту же идею на 3,0-литровом V-6 и 5,2-литровых V-10.

По мере того как электромоторам отводится всё большая роль в приводе, наша задача - улучшать эффективность двигателей при любой возможности. Технология двойного впрыска Ford доказала, что является ценной и экономически эффективной стратегией в этих усилиях.

Научная литература также подтверждает эту тенденцию: у двойного впрыска перечисляются такие преимущества, как большая гибкость управления, усиленный охлаждающий эффект, снижение детонации, пригодность к даунсайзингу двигателя и возможность работы на обеднённой смеси (lean-burn). На практике выгода скромная, но реальная: особенно на холостом ходу и при городской езде на низкой скорости улучшается экономия топлива, а при средних ускорениях две форсунки вместе балансируют распыление, чистоту клапанов и реакцию на газ.

Стоит отметить один нюанс: не всякий двойной впрыск решает проблему накопления нагара. В некоторых высокопроизводительных двигателях форсунки впускного коллектора включаются только для подачи дополнительного топлива при высоких оборотах и наддуве; большую часть обычной езды клапаны по-прежнему подвергаются только непосредственному впрыску, и может происходить накопление отложений. Работает ли система на пользу, определяется тем, в какой зоне работы двигателя активна форсунка впускного коллектора.

Цикл Аткинсона и его связь с гибридами

Цикл Аткинсона - это рабочая стратегия, которая сознательно жертвует удельной мощностью ради эффективности; он производит меньше мощности, чем традиционный цикл Отто, но улучшает экономию топлива. Поэтому его естественной средой являются гибридные автомобили: электромотор компенсирует нехватку мощности, а двигатель работает в наиболее эффективной точке. Toyota Prius, а также такие автомобили, как Ford C-Max и Fusion Hybrid, - известные примеры современного цикла Аткинсона; именно Toyota стала маркой, которая способствовала распространению этой технологии в производстве.

Его связь с системой впрыска такова: и в двигателях с циклом Аткинсона два способа подачи топлива - непосредственный и распределённый впрыск - могут присутствовать рядом; в зависимости от потребности используется один из них или оба. Поскольку в цикле, ориентированном на эффективность, каждый процентный пункт священен, небольшой, но реальный вклад двойного впрыска в экономию особенно значим на этих платформах.

Что Это Значит для Покупателя?

Система влияет на решение о покупке и эксплуатации не меньше, чем техническое любопытство. Найти сегодня двигатель только с распределённым впрыском становится всё сложнее: большинство новых бензиновых моторов либо чисто GDI, либо имеют двойной впрыск. Если вы покупаете автомобиль с чистым непосредственным впрыском, учитывайте накопление нагара на впускных клапанах как статью расходов на дальнюю перспективу; двигатель с двойным впрыском, где распределённый впрыск также работает на высоких оборотах, существенно снижает этот риск. Если ваш стиль езды требует больших нагрузок и высоких оборотов, на первый план выходят устойчивость DI к детонации и стойкость к наддуву; при городской эксплуатации с преобладанием холостого хода важнее преимущества PI по выбросам и плавности работы. Решение - это не выбор единственного победителя, а понимание того, какая система работает в каком режиме эксплуатации двигателя.

Источники

• Explained: Why Some Engines Have Both Port and Direct Injection
• Dual injection: An effective and efficient technology to use engines
• Direct vs Port Fuel Injection Explained
• How Direct Injection Engines Work
• Atkinson cycle
• Here's how Atkinson-cycle engines work to save gas
• Port Injection vs Direct Injection: What's the Difference?