В середине 1980-х годов, большинство автомобилей на дороге все еще были карбюраторными, в том числе самые дикие суперкары, такие как Lamborghini Countach QV и Aston Martin Zagato. Карбюраторы были полностью механическими, поэтому они были дешевы и легко ремонтировались или заменялись. Они могли бы обладать большой гибкостью в настройках, особенно те, которые были произведены Weber, но они не могли контролировать количество и интервалы впрыска топлива, что, таким образом, приводило к огромному расходу топлива и загрязнению. Когда были введены более строгие правила выбросов, они постепенно стали заменяться системами впрыска топлива. Американский рынок сделал это сначала в 1970-х годах, а затем в Европе в конце 1980-х годов. К началу 1990-х годов большинство новых автомобилей были оснащены впрыском топлива.

   Впрыск топлива фактически появился намного раньше. В 1954 году Mercedes представил механическую систему впрыска Bosch на свой дорожный автомобиль 300SL, помогая своему 3-литровому двигателю достичь 215 лошадиных сил. Ранние системы  впрыска топлива способны производить больше энергии, чем карбюраторы, неудивительно, что они широко использовалась в автогонках. Однако их потенциал не был реализован до тех пор, пока на сцену не попали электронные элементы управления, которые не только значительно улучшили точность момента впрыска, но и могли адаптироваться к различным условиям работы двигателя. С середины 1980-х годов Bosch доминировал на рынке с системами впрыска топлива Jetronic, которые в конечном итоге превратились в систему управления двигателем Motronic.

   Больше форсунок: от одноточечного и MPI до двойного инжектора

Ранние системы впрыска топлива имели только один инжектор, расположенный во впускном коллекторе вблизи корпуса дроссельной заслонки. Очевидно, это было не идеально, поскольку отдельные цилиндры нуждались в топливе в разное время. Поэтому он вскоре был заменен многоточечным впрыском ( MPI ), который обеспечивает один инжектор в каждом цилиндре. MPI также позволяет независимо дозировать топливо в каждый цилиндр, тем самым более точно контролируя распыление топлива. MPI также называется последовательным впрыском топлива, потому что инъекции предназначены для синхронизации с порядком работы цилиндров.

   Система Dualjet от Suzuki В последнее время некоторые двигатели MPI представили 2 
инжектора на каждый цилиндр, такие как Suzuki Dualjet. Это позволяет устанавливать форсунки ближе к впускным клапанам, поэтому частички топлива испаряются и наполняют цилиндр лучше. В результате камера сгорания охлаждается, что позволяет использовать более высокую степень сжатия для повышения производительности и снижения расхода топлива. 

   Двигатели Lean Burn - предшественники прямого впрыска

В конце 1980-х годов японские производители во главе с Toyota, Nissan и Honda упорно работали над Lean - технологией с целью повышения эффективности использования топлива. Традиционная мудрость гласит, что идеальное соотношение воздух-топливо для бензина составляет 14,6: 1 по массе. Это отношение называется стехиометрическим соотношением. Его можно рассчитать по формуле химической реакции и молекулярным массам. Другими словами, если все работает идеально, одна часть топлива и 14,6 части воздуха будут полностью сгорать. Если будет применено дополнительное топливо, оно будет растрачиваться и выбрасываться в виде загрязняющих веществ. Если впрыскивается меньше топлива, он будет вырабатывать меньше энергии. Однако, когда двигатель работает при более легких нагрузках, нам действительно не нужна такая мощь. Мы можем уменьшить открытие дроссельной заслонки, чтобы замедлить работу двигателя, Valvetronic ). В результате чем медленнее работает двигатель, тем он становится малоэффективнее. Если бы мы могли увеличить соотношение воздух-топливо, мы могли бы использовать меньше топлива, но проблема в том, что двигатель не смог бы устойчиво работать на очень обедненной воздушно-топливной смеси.

   Lean Burn двигатели избегают этой проблемы, вводя «стратифицированный заряд». В то время как обычные двигатели распыляют топливо равномерно во всех камерах сгорания (например, «однородный заряд»), двигатели с острой горелкой имеют особые форму поршней и впускных отверстий, расположенные таким образом, что более богатая смесь концентрируется вблизи свечи зажигания, а более бедные части смеси заполняются в другом месте. Таким образом, успешное зажигание гарантируется даже при соотношении воздух-топливо до 25:1. С другой стороны, смесь настолько скудная, что некоторые молекулы кислорода не имеют топлива для взаимодействия, поэтому они реагируют с азотом и образуют NOx-загрязнители. Чтобы справиться с этим, Lean Burn двигатели нуждаются в специальных каталитических нейтрализаторах с NOx-захватом. 

   Сегодня Lean Burn технология превратилась в непосредственный впрыск бензина, поэтому мы больше не слышим этого термина.

 

   Непосредственный (прямой) впрыск топлива


Прямое впрыскивание использовалось на дизельных двигателях в течение длительного времени, но получение его работы на двигателях с искровым зажиганием оказалось более сложным. За последние несколько десятилетий было много попыток, но отсутствие сложного электронного контроля и микроанализа процесса горения отсрочило созревание технологии GDI. Это стало реальностью массового производства с конца 1990-х годов.


Stratified Charged Direct Injection - Mitsubishi GDI

 Mitsubishi был пионером современной технологии GDI. Он ввел первый двигатель GDI в 1996 году, а затем быстро расширил использование большинства своих двигателей - от 1,5-литрового четырехцилиндрового до 4,5-литрового V8. По данным компании, ее технология GDI экономила 20-35 процентов топлива, производила на 10 процентов больше мощности и на 20 процентов меньше выбросов CO2. Разработанный на основе технологии Lean Burn, Mitsubishi GDI позволил получить соотношение ультра-сухого воздуха и топливных смесей до 40:1. Это стало возможным благодаря стратифицированному заряду, а также форсункам высокого давления.

   В обычных двигателях с поршневым впрыском топливо вводится во впускное отверстие перед входом в камеры сгорания. Почему бы не вводить непосредственно в цилиндр? Потому что с обычными форсунками невозможно равномерно распределять топливо везде. Вместо этого впрыскивание перед впускным клапаном обеспечивает достаточное время для измельчения топлива и смешивания с потоком воздуха. В GDI топливо закачивается в камеры сгорания при значительно более высоком давлении, что обеспечивает лучшее распыление.

Другим преимуществом прямых инжекторов высокого давления является то, что впрыск выполняется быстрее и точнее, чем в случае предкамерного смесеобразования. Это позволяет использовать не один, а два впрыска в течение цикла сжигания. «Предварительный впрыск» происходит до  основного впрыска и использует небольшое количество топлива для охлаждения камер сгорания (которые могут сильно нагреваться во время сжатия), что приводит к более плотному воздуху и, следовательно, более высокой объемной эффективности. Сниженная температура также повышает устойчивость к детонации, что позволяет принять более высокую степень сжатия 12,5:1. Следовательно, двигатель GDI может производить больше энергии.

   

   Чтобы сжечь очень обедненную воздушно-топливную смесь, не вызывая пропусков зажигания, GDI использовали вогнутые секции поршней и очень вертикальные клапаны для всасывания. Вместе они концентрируют более богатую топливную смесь в области свечи зажигания, поэтому успешное зажигание достигается даже при очень обедненной смеси (см. Рисунки ниже).

   Чем беднее смесь, тем меньше энергии она производит, конечно. Итак, как GDI экономит топливо? Ответ такой же, как у Lean Burn. GDI работает в режиме стратифицированного заряда только при частичной нагрузке, где требуется меньше энергии. Поскольку мощность двигателя в настоящее время зависит от соотношения воздух-топливо, дроссельная заслонка может удерживать широкое раскрытие, что уменьшает потери в насосе. Это в основном нужно для экономии топлива. При большей или полной нагрузке GDI возвращается к более богатой смеси, чтобы увеличить мощность.

   Недостатки ранних двигателей GDI

Как поясняется в разделе двигателей Lean Burn, сверхобеднённая смесь означает, что некоторые молекулы кислорода не имеют топлива, чтобы реагировать, таким образом, они реагируют с азотом с образованием загрязняющих веществ NOx. Чтобы соответствовать требованиям по выбросам, двигатели GDI нуждаются в специальном катализаторе для обработки NOx. К сожалению, эти катализаторы могут быть повреждены из-за высокого содержания серы в бензине. В то время как Япония использовала топливо с низким содержанием серы в течение длительного времени, Европа и Северная Америка не делали этого до начала и середины 2000-х годов соответственно. В результате Mitsubishi пришлось настраивать свои европейские двигатели GDI для запуска более богатой воздушно-топливной смеси, т.е. 20: 1 вместо 40: 1, чтобы производить меньше NOx. Это привело к снижению топливной эффективности. Проблема была окончательно решена, когда низкосернистое топливо стало широко доступным.

   Ранние двигатели GDI также подвергались критике за завышенную топливную экономичность. В Японии регламентированный правительством цикл испытаний состоял в основном из низкоскоростных операций, поэтому двигатель мог работать в стратифицированном режиме на более длительное время. Это объясняет, почему Mitsubishi может требовать повышения топливной эффективности на 20-35 процентов. В Европе цикл испытаний состоял из гораздо более скоростной езды, поскольку европейские автомобилисты больше ездили на шоссе. Это означает, что двигатель работал гораздо меньше в стратифицированном режиме, поэтому экономия топлива пострадала.

   Прямой впрыск EGR - Renault IDE

   Примечание: технология Renault IDE больше не используется в отрасли, но все же интересно знать, как Renault пыталась использовать непосредственный впрыск, прежде чем низкосернистое топливо стало доступно в Европе. Renault был первым европейским производителем, который поставил в производство бензиновые двигатели с прямым впрыском. В 1999 году он запустил 2,0-литровый двигатель F5R IDE (Injection Direct Essence). Чтобы избежать проблем, с которыми столкнулся Mitsubishi, он реализовал прямое впрыскивание совсем по-другому.

Вместо того, чтобы проводить сверхтекучую воздушно-топливную смесь, IDE приняла сверхвысокую рециркуляцию отработавших газов (EGR). Направляя некоторые высоконапорные, быстродействующие выхлопные газы обратно во впускной коллектор, он может ускорить поток всасываемого воздуха, чтобы уменьшить потери в насосе. Более того, поскольку выхлопной газ в значительной степени невоспламеняющийся и не участвует в сгорании, эффективная мощность двигателя фактически снижается, что требует меньше топлива для впрыска. При легкой нагрузке двигатель IDE допускал до 25% EGR по сравнению с 10-15% на автомобилях с обычным EGR.

Как двигатель IDE мог работать на 25% EGR без сбоев? Благодарим вас за то, чтобы прямо на топливной форсунке, расположенной в центре верхней части каждой камеры сгорания, вместо свечи зажигания. Последний был перемещен в сторону рядом, очень близко к форсунке. Инжектор Siemens впрыскивал топливо высокого давления (при 100 бар или 1450 фунтов на квадратный дюйм) непосредственно в камеру сгорания. Поскольку наклонная свеча зажигания находилась только на пути распыления топлива, гарантированное сгорание гарантировалось даже при 25% выхлопных газах, присутствующих в камере.

В зависимости от нагрузки на двигатель, IDE работала по одному из трех доступных коэффициентов EGR, среди которых режим полной нагрузки не использовал рециркуляцию выхлопных газов для максимальной мощности. Поэтому, как и у Mitsubishi GDI, при полной нагрузке не было топлива. Однако в целом говоря, Renault заявила о сокращении потребления топлива на 16% в соответствии с европейским циклом испытаний. 

Это также немного улучшило мощность. Двигатель 1998 cc произвел твердые 140 л.с. и 148 lbft крутящего момента. Для сравнения, версия, отличная от IDE, но с изменяемой фазой газораспределения, имела тот же 140 л.с., но всего 139 фунт-сила крутящего момента. Коэффициент усиления на выходе снизился до более высокого коэффициента сжатия 11,5: 1. Как и Mitsubishi GDI, предварительная инъекция перед основной инъекцией помогла охладить камеры сгорания, повышая сопротивление ударам, что позволило повысить степень сжатия.