Как устроены моторы FSI, GDI, HPi или IDE: особенности двигателей с непосредственным впрыском

Мощность и экономичность любого ДВС напрямую зависят от эффективности сгорания в нём топлива. Его нужно подать в цилиндры ровно столько, сколько требуется, а ещё — хорошо перемешать со строго определённой порцией воздуха, необходимого для горения. Поэтому любая топливная система — один из самых сложных компонентов мотора. Особенно если впрыск в машине — непосредственный. В Volkswagen, например, его называют FSI, а двигатели Mitsubishi с ним имеют индекс GDI. Разбираем, в чём преимущества и недостатки такой системы.

Основное отличие GDI- или FSI-двигателя от обычного мотора c традиционным впрыском — в принципе смесеобразования. У него бензин подаётся не во впускной коллектор, а прямо в цилиндры. Там он смешивается с воздухом и сразу сгорает. Кстати, официальное обозначение непосредственного впрыска, введённое SAE, — DFI (Direct Fuel Injection), но автопроизводители предпочитают собственные аббревиатуры. Mercedes-Benz использует обозначение CGI, Peugeot — HPi, Renault — IDE, Mazda — DISI и так далее.

Для FSI-двигателя расшифровка немного другая — Fuel Stratified Injection. Дословно — «послойный впрыск топлива». При чём здесь слои? Одно из достоинств непосредственного впрыска — возможность работы такого мотора на сильно обеднённой смеси. Если в обычном двигателе оптимальное соотношение воздуха к топливу 14,7:1, то мотор FSI способен сжигать смесь 20:1, а в некоторых режимах — ещё беднее, экономя бензин. Но достигается это сложным распределением смеси внутри цилиндра теми самыми «слоями». Топливо впрыскивается так, чтобы смесь была нормального качества только около свечи зажигания. Тогда воспламенение в цилиндре будет устойчивым, а сгорание — полным.

Первыми подобный процесс серийно внедрили в Mitsubishi, создав линейку двигателей GDI, а следом за ними в начале 2000-х идею реализовал концерн Volkswagen с моторами FSI.

Когда не нужна большая мощность (например, в режиме холостого хода), двигатель с непосредственным впрыском работает в режиме максимального обеднения смеси. В этом случае бензин впрыскивается в камеры сгорания ближе к концу такта сжатия, причём подаётся преимущественно в область свечи зажигания, возле электродов которой смесь за счёт конфигурации цилиндра и поршня завихряется и легко воспламеняется.

Диаметрально полярный случай — максимальная нагрузка на двигатель. Здесь необходимо реализовать весь потенциал его рабочего объёма, поэтому бензин впрыскивается ещё на такте впуска, причём этих впрысков за один такт может быть несколько. В результате в камере сгорания образуется более «мощностная», гомогенная или немного обогащённая топливовоздушная смесь.

Промежуточные сценарии смесеобразования существуют и для получения необходимой рабочей смеси при равномерных нагрузках на двигатель, и для переходных режимов его работы.

Но не думайте, что технически FSI-двигатель отличается от обычного инжекторного только местом впрыска. Это радикально иная конструкция с другими компонентами. Например, специальными форсунками и топливным насосом высокого давления (ТНВД). Если в системах питания обычных моторов рабочее давление топлива 3–4 атмосферы, то ТНВД двигателя с непосредственным впрыском сжимает его до 50–130 атмосфер. Кроме того, требуется иная, более сложная геометрия камеры сгорания, а также повышение степени сжатия двигателя (обычно до 12:1, хотя доходит и до 14:1). 

Наконец, FSI — это более сложный и дорогой каталитический нейтрализатор отработавших газов. Дело в том, что работа на обеднённой смеси имеет существенный недостаток — «лишний» кислород, нагретый до высокой температуры, который вступает в реакцию с азотом. В итоге образуются чрезвычайно вредные оксиды азота NOx. Для их разрушения нужны дополнительные компоненты-катализаторы.

Применение непосредственного впрыска предъявляет более высокие требования не только к конструкции силового агрегата, но и к качеству бензина и смазочных материалов.

Теперь о практической стороне более сложного устройства FSI-двигателя. Преимущества следующие:

• За счёт более эффективного сжигания топливовоздушной смеси моторы FSI, HDI или IDE экономичнее двигателей с обычным впрыском в среднем на 15–25%.
• Литровая мощность тоже выше на 10–15%, то есть можно получать ту же самую отдачу при меньшем объёме двигателя. А чем меньше объём — тем меньше и вес.
• Такой мотор может соответствовать более строгим экологическим нормам, а также эффективнее использовать в конструкции наддув воздуха. Дело в том, что прямой впрыск бензина в цилиндры снижает температуру в них и, как следствие, склонность к детонации, которая является слабым местом многих турбомоторов.

Впрочем, FSI-двигатель имеет и немало минусов:

• Конструкция сложнее, чем у моторов с распределённым впрыском, что оборачивается общим снижением надёжности. 
• FSI-двигатели более требовательны к обслуживанию и качеству расходных материалов. В том числе и топлива — то, какое «переварит» мотор с распределённым впрыском, у двигателя с непосредственным впрыском может вызвать неполадки в топливной системе (в первую очередь, с форсунками или ТНВД).
• Повышается стоимость такого двигателя — как при производстве, так и в случае ремонта. Ему требуется более обширная номенклатура более дорогих запасных частей.

• Послойный впрыск требует очень точной дозировки — из-за этого выше риск того, что мотор не заведётся в холодную погоду. Например, с этим столкнулись первые российские владельцы машин с моторами FSI, и автопроизводителю пришлось дорабатывать их «прошивки».