Инновационная технология двигателестроения в течение многих лет была приоритетом развита компании Mitsubishi Motors. В частности, компания Mitsubishi стремилась повысить эффективность двигателей в стремлении удовлетворить растущие требования со стороны экологии, как-то уменьшение расхода топлива и сокращение эмиссии СО2, чтобы ограничить отрицательное действие парникового эффекта.

Mitsubishi приложила существенные усилия к развитию двигателя с прямым впрыском бензина. В течение многих лет автомобильные инженеры полагали, что этот тип двигателя имеет самый большой потенциал для оптимизации подачи топлива и сгорания, что, в свою очередь, может обеспечить лучшее качество работы и снизить потребление топлива. Однако до сих пор никто не спроектировал удачный двигатель с прямым впрыском топлива в цилиндр (Gasoline Direct Injection — GDI), пригодный для массового производства. Разработанный в компании Mitsubishi двигатель типа GDI (усовершенствованного прямого впрыска бензина) — это реализация мечты инженера.

Для подачи топлива обычные двигатели используют систему впрыска топлива, которая заменила систему карбюрации. Система MPI, или система многоточечного впрыска, где топливо подводится к каждому устройству ввода, является в настоящее время одной из наиболее широко используемых систем. Однако даже в двигателях MPI имеются ограничения на условия подачи топлива и управление сгоранием, потому что топливо смешивается с воздухом перед введением в цилиндр. Mitsubishi намеревалась раздвинуть эти пределы, разрабатывая двигатель, где бензин вводится непосредственно в цилиндр, аналогично дизельному двигателю, и, кроме того, моментом впрыска управляют в точном соответствии с условиями нагрузки. Двигатель GDI достиг следующих выдающихся показателей:

• чрезвычайно точный контроль порции топлива в результате сгорания ультрабедных смесей топливная, эффективность превышает эффективность дизельных двигателей
• очень эффективный впрыск и уникально высокая степень сжатия обеспечивают данному двигателю GDI высокую эффективность и отличную приемистость, которые превосходят таковые для обычных двигателей MPI

Технология, реализованная Mitsubishi для двигателя GDI, является краеугольным камнем для следующего поколения высокоэффективных двигателей. Очевидно, эта технология будет развиваться и далее.

На рисунке показано развитие системы подачи топлива.

Рис. Развитие системы подачи топлива

Главные цели двигателя GDI

Разработка двигателя GDI позволяет решить следующие основные задачи:

• добиться ультранизкого потребления топлива, лучшего, чем у любого из дизельных двигателей
• обеспечить мощность, превосходящую мощность обычных двигателей MPI

Технические особенности двигателя GDI

Двигатель GDI имеет следующие технические особенности:

• строго вертикальные каналы ввода для оптимального управления потоком воздуха в цилиндре
• поршни с круглой выборкой в верхней части для лучшего сгорания топлива
• топливный насос высокого давления для подачи топлива в инжекторы под давлением
• вихревые инжекторы высокого давления для создания оптимальной воздушно-топливной смеси

Пониженное потребление топлива и повышенная мощность

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.

Режим ультрабедного сгорания

При нормальных условиях движения, до скорости 120 км/ч, двигатель GDI Mitsubishi работает в режиме ультрабедного сгорания, что приводит к наименьшему потреблению топлива. В этом режиме впрыск происходит на последней стадии такта сжатия, и в цилиндре сгорает ультрабедная смесь с отношением «воадух-толливо» 30—40 (включая EGR 35-55).

Режим повышенной выходной мощности

Когда двигатель GDI работает с более высокими нагрузками или на более высоких оборотах, имеет место впрыск топлива во время такта впуска. Это оптимизирует сгорание благодаря гомогенной и более холодной воздушно-топливной смеси, которая минимизирует возможность детонации.

Фундаментальные технологии двигателя GDI

В основе конструкции двигателя GDI лежат четыре технических особенности:

• Вертикально прямой канал ввода — поставляет оптимальный поток воздуха в цилиндр
• Поршень с криволинейной вершиной — управляет сгоранием, помогая формировать воздушно-топливную смесь
• Топливный насос высокого давления — обеспечивает давление необходимое для прямого впрыска в цилиндр
• Вихревой инжектор высокого давления — управляет испарением и дисперсией топливной струи

Эти фундаментальные технологии, объединенные с другими уникальными технологиями управления подачей топлива, позволили компании Mitsubishi достигнуть обеих целей разработки потреблении топлива у двигателя GDI ниже, чем у дизельных двигателей, а выходная мощность выше, чем мощность обычных двигателей MPI.

Струя воздуха внутрь цилиндра

Двигатель GDI имеет вертикальные прямые каналы впуска смеси, а не горизонтальные, используемые в обычных двигателях. Вертикальные прямые каналы эффективно направляют поток, воздуха вниз на поршень с криволинейной поверхностью верхней части, которая сильно изменяет направление струи, образуй обратный вихрь для оптимального перемешивания впрыснутого топлива.

Струя топлива

Недавно разработанные вихревые инжекторы высокого давления обеспечивают идеальную струю со структурой, соответствующей каждому из режимов эксплуатации двигателя. В то же самое время, благодаря сильно турбулентному движению топливной струи, инжекторы обеспечивают достаточную степень распыления топлива, что является обязательным для двигателя типа GDI даже с относительно низким топливным давлением 50 кг/см3.

Оптимизированная конфигурация камеры сгорания

Поршень с криволинейной выемкой на вершине управляет формой воздушно-топливной смеси, так же как и струя воздуха в камере сгорания, что играет важную роль в образовании компактной воздушно-топливной смеси. Смесь, которая вводится на последней стадии такта сжатия, направляется к свече зажигания прежде, чем она сможет рассеяться.

Чтобы определить оптимальную форму вершины поршня компания Mitsubishi использовала передовые методы наблюдения процессов в цилиндре, включая лазерные методы.

Пути достижения более низкого потребления 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).

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

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

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

Потребление топлива в режиме постоянной скорости движения

На скорости 40 км/ч двигатель GDI потребляет на 35% меньше топлива, чем сопоставимый по размерам обычный двигатель.

Рис. Потребление топлива в режиме постоянной скорости движения

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

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

Достижение повышенной мощности

Базовая концепция

Чтобы достичь мощности выше, чем у обычных двигателей типа MPI, двигатель GDI имеет высокую степень сжатия и очень эффективную систему забора воздуха, которые приводят к повышению объемной эффективности.

Повышенная объемная эффективность

По сравнению с обычными двигателями, двигатель GDI от Mitsubishi обеспечивает более высокую объемную эффективность. Вертикальные прямые впускные каналы создают более ровный забор воздуха. Испарение топлива, которое происходит в цилиндре на последней стадии такта сжатия, охлаждает воздух для повышения объемной эффективности.

Рис. Повышенная объемная эффективность

Увеличенная степень сжатия

Охлаждение воздуха в цилиндре за счет испарения топлива имеет и другое преимущество — минимизация возможности детонации. Это позволяет применять высокую степень сжатия, около 12, и, таким образом, улучшить сгорание. По сравнению с обычными двигателями MPI сопоставимого размера, двигатель GDI обеспечивает приблизительно на 10% большую выходную мощность и крутящий момент на всех скоростях вращения.

Рис. Увеличенная степень сжатия

Рис. Характеристики двигателя

В режиме повышенной выходной мощности двигатель GDI обеспечивает значительное постоянное ускорение. На рисунке сравнивается работа двигателя GDI и обычного двигателя MPI в режиме ускорения автомобиля.

Рис. Ускорение автомобиля