Двигатель GDI: плюсы и минусы, отзывы специалистов

Двигатель GDI (Gasoline Direct Injection) – бензиновый силовой агрегат с прямым (непосредственным) впрыском топлива. Моторы с аббревиатурой GDI производятся японскими компаниями Mitsubishi, Toyota, Nissan, корейскими автопроизводителями, а также фирмой Bosh.

Рекомендуем также прочитать статью о том, что такое двигатель TSI. Из этой статьи вы узнаете об особенностях, плюсах и минусах моторов данного типа.

Идея постройки двигателя с непосредственным впрыском топлива в цилиндры родилась достаточно давно, при этом массовый GDI впервые был представлен только в 1995 году. Моторы с технологией GDI в большинстве встречаются на автомобилях марки Mitsubishi. Перовой моделью с таким силовым агрегатом стала модель Mitsubishi Galant, которая получила силовую установку 1.8 GDI.

Характеристика

Под данной аббревиатурой подразумевается впрыск непосредственно в камеру сгорания. Вот, на каких автомобилях применяется двигатель GDI:

• «Митсубиси».
• «Киа».
• «Кадиллак».
• «Фольксваген».
• «Тойота».
• «Лексус.
• «Мерседес».
• «БМВ».

Обычный инжекторный мотор имеет коллекторную систему смесеобразования. Так, в цилиндры подается уже готовый безвоздушный состав. Смешивание происходит во впускном коллекторе, на котором монтируются форсунки. Управление последними осуществляет электроника. Но есть также модели, где работа форсунок осуществляется механически (например, старые «Мерседесы» с системой «К-Джетроник»). Что являет собой двигатель GDI?

Потребление топлива в городском цикле

При проведении испытаний в типовом режиме городского движения двигатель GDI потреблял на 35% меньше топлива, чем обычные бензиновые двигатели тех же размеров. Кроме того, испытания показали, что двигатель GDI потребляет даже меньше топлива, чем дизельные двигатели.

Рис. Потребление топлива в городском цикле

Отличия

В отличие от вышеописанных агрегатов, данный мотор имеет форсунку, направленную прямо в камеру сгорания. Подобная система практикуется на дизельных моторах с системой «Коммон Рейл». Однако здесь в цилиндры подается бензин. Подача воздуха осуществляется посредством впускных клапанов, которые открываются и закрываются в определенный момент (согласно вращению распредвала). Таким образом, ключевое отличие двигателя GDI от обычного инжекторного в том, что смесь образовывается непосредственно в цилиндре, а не в коллекторе.

Сгорание ультрабедной смеси

В обычных двигателях МРI существовали пределы обеднения смеси из-за больших вариаций характеристик сгорания. Однако стратифицированная смесь в двигателе GDI позволила значительно уменьшить воздушно-топливное отношение, не приводя к худшему сгоранию. Например, в период холостого хода, когда сгорание является наименее активным и непостоянным, двигатель GDI поддерживает устойчивое и быстрое сгорание даже чрезвычайно бедной смеси с отношением «воздух-топливо» 40:1 (55:1 с включением режима EGR). На рисунке показана разница в работе между GDI и обычной многоточечной системой впрыска.

Рис. Параметры двигателя GDI и двигателя с обычной системой MPI

Потребление топлива автомобилем рассматривается в условиях холостого хода, круиза и городского движения.

Особенности

Конечно, создать идеальное соотношение смеси довольно трудно в таких условиях. Поэтому в работе дополнительно участвует электронный блок с программным обеспечением. Оно рассчитано на несколько разных циклов работы. Также особенности заключаются в самих форсунках. Чтобы получить идеальное смесеобразование, производители применяют вихревые форсунки. Они способны впрыскивать горючее в виде мелкодисперсионного тумана.

Следующая особенность двигателя GDI – это соотношение смеси. Если говорить о классических инжекторных моторах, здесь на одну часть бензина приходится 14 частей воздуха. Двигатель GDI формирует обедненную смесь, где на одну порцию топлива приходится 20 порций воздуха. Но при таком соотношении двигатель не всегда может работать на полную мощность. Поэтому в случае необходимости, состав смеси корректируется. Так, соотношение бензина и воздуха может быть как у моторов с распределенным впрыском – 1:14. Изменению состава смеси способствует двухступенчатая система подачи топлива.

Базовая концепция

В обычных бензиновых двигателях было бы затруднительно обеспечить распыление воздушно-топливной смеси с идеальной плотностью вокруг свечи зажигания. Однако это стало возможным в двигателе GDI. Кроме того, достигнуто чрезвычайно низкое потребление топлива, потому что идеальная стратификация позволяет топливу, введенному на поздней фазе такта сжатия, поддержать сгорание сверхбедных воздушно-топливных смесей.

В ходе тестовых испытаний двигателя было показано, что воздушно-топливная смесь с оптимальной плотностью собирается вокруг свечи зажигания в виде стратифицированного заряда топлива. Это также было подтверждено анализом поведения топливной струи непосредственно перед воспламенением и анализом мгновенного состава воздушно-топливной смеси.

В результате достигнуто чрезвычайно устойчивое сгорание ультрабедной смеси с отношением «воздух-топливо» 40:1 (55:1 при включении рециркуляции выхлопа).

Преимущества

Итак, давайте рассмотрим плюсы данных силовых агрегатов:

• Экономия топлива. Эта характеристика достигается за счет образования более бедной смеси, о чем говорилось выше. Так, при отсутствии нагрузок двигатель работает на бедной смеси. Однако, когда нужно использовать весь потенциал, состав ее меняется на нормальный. За счет двухступенчатой подачи топлива машина экономит порядка 25 процентов на холостых оборотах. Если брать обычную езду, то такой мотор будет расходовать примерно на 10 процентов меньше топлива, нежели тот, что оснащен распределенным впрыском.
• Правильное горение топлива. Специалисты отмечают, что наиболее качественное воспламенение и горение смеси будет в том случае, если топливо находится в непосредственной близости к свече. Так, в цилиндрах бензин сгорает полностью, и отдача от этого максимальная. Также стоит отметить технологию послойного непосредственного впрыска FSI. Она применяется на автомобилях марки «Фольксваген». Впоследствии эту технологию подхватили и другие производители, в том числе и «Киа». Двигатели GDI корейского производства отличаются высокой производительностью и имеют широкую полку крутящего момента, чего нет у простых инжекторных моторов.
• Меньшая токсичность выхлопа. Эта характеристика тесно связана с двумя предыдущими. Отзывы специалистов говорят, что моторы с непосредственным впрыском выбрасывают намного меньше вредных веществ, нежели их аналоги (особенно на холостых оборотах).
• Мощность. Благодаря более правильному горению с одного и того же объема инженерам удалось снять на 10 процентов больше мощности, нежели от ДВС с распределенным впрыском. Также моторы GDI отличается более высокой степенью сжатия. Это положительно сказывается на крутящем моменте.
• Меньшее количество нагара. Как отмечают отзывы, при работе данные моторы не выделяют существенный нагар. Масляные каналы не закупориваются продуктами сгорания. Соответственно, служат эти двигатели дольше простых инжекторных. Также на моторах GDI более чистое масло.

Но не все так гладко, как кажется. У этих двигателей есть свои недостатки, о которых обязательно стоит поговорить.

Оптимальная топливная струя для двух режимов сгорания

Используя собственные уникальные методы и технологии, Mitsubishi смогла добиться, что двигатель GDI обеспечивает и меньшее потребление топлива, и более высокую выходную мощность. Этот внешне противоречивый и трудный трюк реализован путем применением двух режимов сгорания. Кроме того, момент впрыска меняется, чтобы соответствовать нагрузке двигателя.

Для условий нагрузки, испытываемой автомобилем при типичном городском движении, топливо впрыскивается в конце такта сжатия, аналогично дизельному двигателю, благодаря этому достигается ультрабедное сгорание за счет идеального формирования стратифицированной воздушно-топливной смеси. В идеальных условиях движения топливо вводится на такте впуска. Это гарантирует гомогенную воздушно-топливную смесь, подобную смеси обычных двигателей MPI, что обеспечивает более высокую выходную мощность.

Минусы

Первый недостаток касается устройства системы. Двигатели с непосредственным впрыском имеют более сложную систему впуска. Сюда входит ТНВД (топливный насос высокого давления), по конструкции схожий с тем, что применяется на современных дизельных ДВС. Ввиду этого автомобили с впрыском GDI более требовательны к качеству топлива, как и их дизельные собратья. Особенно вредны для этого мотора следующие компоненты:

• Сера.
• Фосфор.
• Железо и прочие минералы.

Все они могут находиться в дешевом, некачественном бензине. Как отмечают отзывы, GDI двигатель сильно боится твердых частиц, поскольку топливо проходит через крайне тонкие отверстия. Они легко забиваются в случае, если будет использован некачественный бензин.

Важно также соблюдать октановое число. В руководстве по эксплуатации написано, что данный мотор работает на бензине с октановым числом 100, который в России очень редко встретишь. Как минимум, такие автомобили следует заправлять топливом с ОЧ не ниже 98. А попытка залить 95-й будет сопровождаться характерными вибрациями по кузову. Также для данных моторов противопоказаны различные очистители, присадки и добавки. Запрещено использовать и этилированный бензин.

Следующий недостаток касается обслуживания. В России мало сервисов, которые специализируются именно на таких двигателях. И если с ремонтом «Коммон Рейла» не возникнет вопросов, то с поиском СТО, что способно отремонтировать GDI-мотор, могут возникнуть проблемы.

Отремонтировать такой двигатель не так просто, как обычный ДВС с распределенным впрыском. Сложности заключаются не только в топливном насосе высокого давления, но и в двухступенчатой системе подачи горючего. И у каждого производителя есть свои специфические поломки. О них мы расскажем ниже.

Какая из систем лучше для простого водителя

Минусы «Джидай» моторов

1. Повышенные требования к качеству бензина.
2. Закоксовывание впускных клапанов, так как они не омываются топливом, как это происходит при многоточечном впрыске.
3. Образование нагара на форсунках топливных форсунок. Их нужно чаще чистить и проверять. Поскольку они рассчитаны на высокое давление, не все крепления могут полностью их промыть. Замена уплотнительных колец форсунок и сопутствующий «геморой».
4. Высокая стоимость обслуживания системы впрыска ГДИ и ее ремонта.

Плюсы

1. Экономическая эффективность;
2. КПД и высокая мощность на грамм топлива до 15%;
3. Доброта к окружающей среде.

Двигатель 4G93 GDI

О нем стоит рассказать отдельно. Что это за мотор? 4G93 — это двухлитровый четырехцилиндровый агрегат, серийно производящийся на протяжении 20 лет. Максимальная мощность в зависимости от модификаций – от 160 до 215 лошадиных сил. Изначально он был карбюраторным, а затем инжекторным. В начале 2000-х этот двигатель оснастили непосредственным впрыском. Агрегат имеет двухвальную головку блока с ременным приводом ГРМ. Также мотор оснащен гидрокомпенсаторами.

Как отмечают отзывы, двигатель GDI «Митсубиси» может иметь проблемы с насосами. Их всего два. Это топливный насос низкого и высокого давления. Зачастую проблемы возникают именно с последним. Так, ТНВД забивается твердыми частицами, что находятся в топливе. В итоге машина глохнет при нажатии на педаль газа и при любых попытках разогнаться. При этом на холостых оборотах двигатели «Мицубиси» GDI могут вести себя нормально. В такой ситуации требуется детальная диагностика и чистка элементов насоса.

Среди прочих проблем данного мотора стоит отметить:

• Проблемы с клапаном рециркуляции газов. Впускной коллектор на этом двигателе требует регулярной чистки.
• Залив свечей зажигания. Это происходит в сильные морозы при попытке запуска двигателя «на холодную».
• Стук двигателя. Такое происходит по причине неисправных гидрокомпенсаторов. Из-за этого зазор клапанов не соответствует норме.

Контроль эмиссии

Предыдущие попытки сжигать бедные воздушно-топливные смеси приводили к трудностям в регулировании эмиссии NOx. Однако для двигателя GDI достигнуто 97-процентное сокращение окислов NOx при использовании высокого (порядка 30%) уровня рециркуляции выхлопного газа. Этот результат достигается благодаря уникально устойчивому сгоранию топлива в двигателе GDI, а также благодаря недавно разработанному катализатору обедненных окислов азота, На рисунке показан график эмиссии NOx для этого двигателя, на рисунке ниже — катализатор обедненных окислов азота.

Рис. Эмиссия окислов азота

Рис. Новейший катализатор обедненных окислов азота

Подводим итоги

Итак, мы выяснили, что собой представляет двигатель с непосредственным впрыском. Как видите, мотор GDI имеет как ряд положительных, так и отрицательных сторон. Стоит ли приобретать себе такой автомобиль? Однозначного ответа на этот вопрос нет. Да, эти моторы более мощные, экологичные и расходуют меньше топлива. В то же время не каждый сервис берется за их обслуживание, а стоимость ремонта всегда будет существенной. Нужно постоянно заправляться на проверенных АЗС, чтобы твердые частицы не забили тонкие полости насоса высокого давления. Поэтому эксплуатация автомобилей с двигателем GDI целесообразна только в крупных городах, где есть качественные АЗС и специализированные мастерские. В остальных случаях содержание такого автомобиля будет проблемным.

Потребление топлива в режиме холостого хода

Двигатель GDI поддерживает устойчивое сгорание даже на низких оборотах холостого хода. Более того, он обеспечивает большую гибкость в регулировании скорости холостого хода. Его потребление топлива в этом режиме на 40% меньше по сравнению с обычными двигателями.

Рис. Потребление топлива в режиме холостого хода

Проблемы и неисправности

В действительности практически все проблемы, которые имеет двигатель GDI, связаны именно с вопросом чувствительности по отношению к низкокачественному бензину. Такая особенность приводит к появлению различных поломок и неисправностей.

Как показывает опыт автовладельцев, на моторах GDI начинают чернеть и выходить из строя свечи зажигания. Топливная система не любит, когда внутрь попадает вода, разные механические примеси и твёрдые минеральные частицы.

Также появляется нагар на поверхностях клапанов и впускных коллекторов. В итоге меняется процесс образования смеси, что обусловлено нарушением траектории перемещения потоков внутри цилиндра. Всё это приводит к снижению мощности и возникновению перебоев.

Чтобы не спровоцировать подобные неисправности, и обеспечить мотору GDI длительную и эффективную работу, рекомендуется выполнять некоторые профилактические мероприятия. Сводятся они к соблюдению следующих правил:

1. Свечи рекомендуется менять ещё до возникновения неисправностей. В наших условиях эксплуатации оптимальным межсервисным периодом считается 10-20 тысяч километров.
2. Дополнительно рекомендуется очищать впускной коллектор от накапливающегося нагара и сажи. Делается это не реже чем 1 раз на каждые 25-30 тысяч километров.
3. Обязательно следите за состоянием инжекторов, проверяйте качество распыления топлива и очищайте форсунки.

Учитывая имеющиеся недостатки, вряд ли стоит говорить о том, что при эксплуатации GDI крайне важно посещать только проверенные и хорошо зарекомендовавшие себя автозаправочные станции, предлагающие максимально качественное, чистое и неразбавленное топливо.

Вспомним теорию

Чтобы топливо сгорело, нужен воздух для полного сгорания. Такое количество воздуха называется стехиометрическим. Например, для бензина оптимальный состав топливной смеси 14,7:1 — на 1 грамм бензина нужно 14,7 грамма воздуха. Смесь, в которой воздуха больше, чем нужно — называется бедной, а в которой воздуха меньше, чем нужно (больше топлива) — называется богатой. Слишком бедную смесь не всегда удается поджечь, при работе на богатой — несгоревшее топливо бесполезно «вылетает в трубу».
Вспомним, как работает мотор машины. У бензинового двигателя на такте впуска смесь воздуха и топлива поступает в цилиндр, затем сжимается и поджигается искрой. У дизеля на такте впуска в цилиндр поступает только воздух, который сжимается поршнем под большим давлением и нагревается. К концу сжатия впрыскивается топливо, которое при высоких давлении и температуре самовоспламеняется. Для дизеля нормальная степень сжатия — 18, а у бензиновых — максимум 12.

Чем выше давление в цилиндре — лучше эффективность. А если поднять степень сжатия в бензиновом двигателе? Больше 12 не получается. Потому что есть детонация и калильное зажигание.

Детонация — очень быстрое сгорание топлива в точках, удаленных от свечи, сопровождается резким местным перегревом и перегрузкой деталей мотора. Внешний признак детонации — стук. Калильное зажигание — преждевременное (до появления искры) воспламенение смеси от перегретых деталей камеры сгорания.

Длительная работа с данными факторами недопустима: мотор быстро выйдет из строя. Поэтому заливают высокооктановый бензин (АИ-98), но выше степени сжатия 12 его «не хватает».

Если хотим сделать бензиновый мотор экономичным, «эластичным» и более мощным, то должны избавиться от детонации и научить «питаться» бедной смесью.

Рациональность покупки

Потенциальных покупателей автомобили с непосредственным впрыском топлива, который используется в системе GDI, привлекает своей экономичностью, хорошей тягой и отличными показателями мощности. Но в противовес можно поставить сразу несколько недостатков, обусловленные падением надёжности под влиянием низкокачественного топлива.

Объективно эксплуатация таких двигателей в наших условиях может привести к тому, что владельцу потребуется регулярно посещать СТО, тратить много денег на ремонт и долго ожидать поставки необходимых запчастей.

Но это было актуально раньше. В настоящее время ситуация меняется в значительно лучшую сторону. Двигатели, выпускаемые зарубежными производителями, проходят процедуру адаптации. Это позволяет снизить чувствительность к качеству бензина, перерабатывать даже не самое хорошее топливо и уменьшать количество проблем.

Адаптированные GDI смело можно заправлять на всех достаточно неплохих АЗС, не опасаясь того, что какие-то примеси приведут к очень быстрому выходу из строя двигателя с последующими внушительными материальными затратами на восстановление работоспособности силовой установки с системой непосредственного впрыска топлива.

Покупать автотранспортные средства с такими моторами или нет, дело лично каждого. Двигатели, прошедшие адаптацию, привлекают намного больше, чем европейские или японские версии. Получить ряд преимуществ от GDI можно. Владельцу потребуется только помнить о рисках посещениях сомнительных автозаправочных станций, а также соблюдать все предписанные рекомендации и советы по эксплуатации, обслуживанию и замене расходных материалов. При таких условиях GDI проявит все свои лучше качества, а о характерных недостатках вы вряд ли будете вспоминать.