Бензиновый непосредственный впрыск изначально был разработан, чтобы заставить бензиновый мотор работать с повышенной степенью сжатия, а в режиме малой нагрузки ещё и с полностью открытой заслонкой, на сильно обеднённой смеси, то есть ровно как дизель.
Первый такой бензиновый мотор с возможностью работы на обеднённой смеси был реализован ещё в середине 80-х, и работал в трёх режимах:
- на малой нагрузке на сильно обеднённой,
- на средней на стехиометрической,
- на высокой, на обогащённой.
Сразу, возникла проблема контроля: на обеднённой такой мотор регулируется как дизель, количеством топлива, при полностью открытом дросселе, а в стехиометрическом количеством топлива и приоткрытием дросселя, как бензин. Реализовать всё это, чтобы пользователь не заметил переходных процессов при переключении между режимами, было сложно, особенно с тросовым приводом дросселя.
Также, с работой на обеднённой смеси вылезла проблема нестабильности её поджига. Чтобы уйти от этого, пришлось заставить мотор работать в четырёх режимах, включая т. н. стратифицированный:
- на малой нагрузке на сильно обеднённой,
- на пониженной на стратифицированной, когда у свечи создаётся облако из стехиометрической, а вне его воздух,
- на средней на стехиометрической,
- на высокой, на обогащённой.
Отсюда, появилась необходимость в применении непосредственного впрыска, так как с коллекторным создать около свечи облако было невозможно. Поработали над выточкой в поршне, формирующей облако вокруг свечи, а также с вихревыми заслонками на впуске, и в середине 90-х создать стратификацию получилось.
Проблему незаметных переходов между режимами решили переходом с тросового на быстродействующий электронно-контролируемый дроссель.
Но, тут же всплыла пачка новых.
Первая, поджига: добиться стабильности работы на обеднённой смеси не удалось, что подняло в этом режиме выбросы несгоревших углеводородов.
Вторая, новых выбросов: ровно как и с дизелем, из-за работы в этом режиме на смеси, богатой кислородом, в выхлопе появились в большом количестве оксиды азота, чего не было с коллекторным. Пришлось разрабатывать и оснащать такие моторы дополнительным их катализатором, LNT-NSC, впоследствие пригодившимся и для дизеля.
По этой причине в начале 2000-х работу на обеднённой забросили, как бесперспективную, и не оправдывающую снижением расхода топлива усложнение, и переключились на считавшийся более перспективным дизель. Оставив для непосредственного впрыска бензина только стратифицированный и стехиометрический режимы, это позволяло обойтись без дорогого катализатора оксидов азота. Фольксваген так и назвал свой бензиновый мотор с непосредственным, Fuel Stratified Injection (FSI).
При эксплуатации моторов с ним вылезли новые проблемы.
Во-первых, коллекторный впрыск мыл бензином впускные клапаны, а непосредственный нет, поэтому они и впускной коллектор со временем зарастали маслом из системы вентиляции картера, и нагаром, который сужал проходное сечение, и отдачу мотора. Появилась необходимость время от времени разбирать мотор, и убирать его нагар. Или же, ставить две системы, непосредственного и коллекторного.
Во-вторых, в форсунках непосредственного, из-за высокой температуры в цилиндре, бензин полимеризовался, и они начинали обеднять смесь. Из-за чего, шёл рост температуры выше конструктивного предела, начинали прогорать клапана и поршни. Для устранения полимеризации пришлось менять состав бензинов.
В третьих, из-за высокой температуры, бензин давал лаковые отложения, за счёт чего формировался нагар у выпускных отверстий форсунок. Форма факела от этого менялась, вместо распыления бензин начинал идти струями, смывавшими масляную пленку со стенок цилиндров, из-за чего начинался повышенный износ, поверхности стенок, и поршневых колец. Также, он в заметном количестве попадал в картер, где разжижал масло, от этого страдали подшипники скольжения по всему мотору. Для минимизации этого эффекта также пришлось менять состав бензинов.
В четвёртых, сера в бензине пагубно влияла на металлические компоненты системы впрыска, для чего пришлось также менять их состав, с минимизацией её содержания.
В пятых, возникла проблема новых выбросов: из-за быстроты процессов смесеобразования, неполного смешивания бензина с воздухом, при высоком давлении, возникало неполное его сгорание, поэтому шёл выброс твёрдых частиц, чего не было с коллекторным впрыском. Пришлось, начиная с EU-6d, ставить в выхлопной системе бензина с непосредственным впрыском такой же фильтр частиц, что и для дизеля.
В шестых, эти частицы как и в дизеле быстро загрязняли моторное масло, чего не было с коллекторным.
Почему производители за эту систему впрыска до сих пор так держатся?
Дело в том, что она не имеет одной отрицательной особенности коллекторной, а именно смачивания бензином стенок впускного коллектора, без смешивания его с воздухом, приводящего к повышенным потерям топлива в режиме малой нагрузки.
Вдобавок, при применении непосредственного, за счёт атомизации прямо в цилиндре, топливовоздушная смесь охлаждается, что позволяет снизить детонацию. Это даёт возможность поднять степень сжатия с 10:1 до 12.5:1, и точно отстроить опережение зажигания, вплоть до самой границы её появления, на том же топливе что и ранее. Повышение степени сжатия в свою очередь даёт рост отдачи, на 10-15%. Что, в сочетании с отсутствием смачивания, даёт снижения расхода топлива в режиме малой нагрузки, примерно на эту же величину.
Однако, в реальности, зарастание впуска снижает отдачу, и обнуляет достигнутое её повышение. А рост экономичности на малой нагрузке со временем нивелируется ухудшением распыла.
Чтобы убрать зарастание, нужно ставить вдобавок к непосредственной коллекторную систему, это рост расходов. При том что непосредственная значительно дороже в производстве, чем коллекторная, из-за более высокого давления в ней.
Она вдобавок требует фильтрации частиц, это новые расходы.
Она же потребовала от промышленности нефтепереработки изменить состав бензинов, это тоже дополнительные расходы, лёгшие в цену топлива.
Наконец, она более шумная, чем коллекторная, по причине наличия насоса высокого давления.
И сильно менее отказоустойчивая. Если что-то в ней отказывает, а оно, как показал опыт, отказывает, а также из-за последствий её неправильного функционирования, итог оказывается очень дорогим.
К сожалению, из-за давления со стороны регуляторов по снижению расхода и связанных с этим выбросов СО2, измеряемых в искусственном испытательном цикле, производители продолжают её применять. Когда мотор с ней ещё новый, она даёт небольшое снижение расхода.
Поэтому они продолжают её ставить, всё активнее вытесняя коллекторную.
) , запас хода уменьшается на 25-30%.
