Очевидный вопрос для любого непрофессионала: почему топливо впрыскивается во впускной трубопровод, а не прямо в камеру сгорания? Есть три основных причины: во-первых, потому, что это упрощает конструкцию самой форсунки, во-вторых, потому, что больше времени отводится на приготовление топливно-воздушной смеси, и, в-третьих, потому, что при этом упрощается конструкция головки блока.


Обычная форсунка располагается вне камеры сгорания, защищенная от всего того, что происходит во время воспламенения и после закрытия впускного клапана. Форсунка, входящая в камеру сгорания, должна выдержать все те изменения температур и давления, которые там происходят. Короче говоря, в результате она будет более дорогой. Она также должна впрыскивать топливо быстрее. Когда двигатель работает на максимальных оборотах и мощности, другими словами, когда он требует больше топлива, время, отведенное на впрыскивание, уменьшается.


Если необходимо, обычная форсунка может подавать топливо в течение большинства циклов, в то время как форсунка непосредственного впрыска не может подавать топливо, когда открыт выпускной клапан, потому что топливо будет удаляться вместе с отработавшими газами, создавая ужасные хлопки в выпускной системе. При непосредственном впрыске время, отводимое на процесс впрыскивания, гораздо меньше, поэтому форсунка должна подавать топливо быстрее, а это требует достаточно высокого давления топлива.


Смешивание — потенциальная проблема непосредственного впрыска. В обычной системе топливо начинает смешиваться с воздухом, когда они проходят через впускной клапан, и продолжают перемешиваться при закручивании и завихрении, когда поршень опускается, а затем поднимается снова. Форсунка непосредственного впрыска заполняет топливом центральную часть камеры сгорания за короткое время и должна сделать это лучше, чтобы гарантировать однородный состав смеси. Топливо должно быть «разбито» на мельчайшие капельки с помощью комбинации высокого давления и маленьких, многочисленных выходных отверстий.


К тому же конструкторы двигателей должны найти место для размещения форсунки непосредственного впрыска в головке цилиндров. Форсунки обычного типа являются составной частью впускного трубопровода, а форсунка непосредственного впрыска должна бороться за место вверху камеры сгорания, где уже размещаются клапаны и, особенно, свеча зажигания. Идеальным положением для обоих является центральное и вертикальное, но очевидно, что для этого есть только одно место. Кроме того, остается мало места для прохода охлаждающей жидкости вокруг жизненно важных зон головки цилиндров.


Тот факт, что обычные системы впрыска работают очень хорошо, свидетельствует о том, что нет особой причины беспокоиться относительно непосредственного впрыска. Тем не менее большинство производителей автомобилей или работают над созданием таких двигателей, или уже производят их. Раньше других на этом поле выступила Mitsubishi со своим двигателем GDI (Gasoline Direct Injection), затем последовали другие производители, включая Toyota, Renault и Pegeot-Citroen, которые внесли незначительные изменения в конструкцию, чтобы не иметь неприятностей с патентами.


Притягательность непосредственного впрыска заключена в основном в лучшей топливной экономичности, хотя налицо и некоторое увеличение мощности. Экономичность объясняется способностью двигателя с непосредственным впрыском преодолеть один из недостатков обычного впрыска. Обычно топливо (более или менее) равномерно перемешивается с воздухом в камере сгорания. Это означает, что когда смесь «бедная» — имеется больше воздуха по отношению к необходимому для сгорания топливу, возникают трудности с воспламенением. Теоретически для полного сгорания одной весовой части бензина необходимо иметь 14 весовых частей воздуха (в воздухе 80% веса приходится на азот, а не на кислород), такая смесь называется «стехиометрической», или «лямбда один», а отношение воздуха к топливу составляет 14:1. Если соотношение воздуха к топливу составляет 18:1 (лямбда 1,3), смесь становится «бедной», обычный двигатель начинает работать с перебоями, время от времени, топливо сгорает не полностью или не в камере сгорания.


При соотношении 22:1 (лямбда 1,6) очень трудно заставить устойчиво работать обычный двигатель и обеспечить хорошее сгорание.


Но зачем нужно работать на таких бедных смесях, если они вызывают проблемы? По двум причинам. Во-первых, сжигание топлива при избытке воздуха, условие, известное, как работа на обедненных смесях, означает, что имеется шанс более полного сгорания всего топлива (если будет возможность его воспламенить). Во-вторых, если вы сжигаете очень маленькое количество топлива в большом количестве воздуха, то можно открыть дроссельную заслонку шире, даже при небольших нагрузках. Это уменьшает насосные потери и таким образом повышает эффективность работы двигателя, а следовательно, и топливную экономичность. Обратите внимание, что улучшение возможно только при работе на маленьких оборотах и небольших нагрузках. Никто в здравом смысле не будет создавать двигатель, который работал бы на «бедных» смесях, с широко открытой дроссельной заслонкой на полной мощности, потому что тогда он был бы неоправданно большим и тяжелым.


Двигатель с непосредственным впрыском дает возможность работать на очень бедных смесях, потому что топливо впрыскивается точно в центр закрученного и завихренного потока воздуха в цилиндре. Даже если в среднем смесь бедная по составу, в районе свечи зажигания она может быть достаточно богатой, для того чтобы воспламеняться бесперебойно. Двигатели с непосредственным впрыском, подобные Mitsubishi GDI, могут работать на бедных смесях с соотношением 40:1 (близко к лямбда 3), на режимах средних нагрузок.


Когда требуется пик мощности, двигатели с непосредственным впрыском должны подавать достаточно топлива, чтобы происходила работа при лямбда равной единице. Впрыскивание под высоким давлением топлива непосредственно в цилиндр снижает температуру подобно тому, как если брызнуть из аэрозольного баллона на кожу, почувствуешь холод. Подобное явление дало возможность поднять степень детонационной стойкости такого двигателя (двигатель Mitsubishi GDI работает при степени сжатия 13:1), что увеличило выходную мощность и внесло небольшой вклад в дальнейшее повышение эффективности.


Поскольку топливная экономичность сейчас основной приоритет для всех конструкторов автомобилей, за исключением, может быть, США, непосредственный впрыск видится, как будущее бензиновых двигателей. Среди европейских производителей Renault, Pegeot и Скгоёп уже устанавливают их на автомобили средних размеров, а к 2005 году технология уже будет хорошо отработана, хотя и не будет универсальной, и большинство производителей будет предлагать их в отличающемся виде. Одна из новых концепций, которая широко изучается, — это воздушно-топливный впрыск, в котором сжатый воздух нагнетается через специально модернизированную форсунку, для того чтобы увеличить топливный поток и улучшить качество смеси в цилиндре.