Система непосредственного впрыска топлива является самой современной системой питания бензиновых двигателей. Ее работа основана на впрыске топлива в камеру сгорания двигателя. Впервые такая система была применена на двигателе GDI (Gasoline Direct Injection – прямой впрыск бензина), устанавливаемом на автомобили компании Mitsubishi. В настоящее время она используется в двигателях многих автопроизводителей. Передовики: Audi (двигатели TFSI) и Volkswagen (двигатели FSI, TSI), которые практически полностью перешли на бензиновые двигатели с непосредственным впрыском.
Установка компрессора параллельно турбине обеспечила данному мотору эластичность и позволила избавиться от ряда свойственных турбодвигателям проблем. Непосредственный впрыск TSI позволяет реализовать наиболее эффективное смесеобразование и подачу топлива в цилиндры. Уровень выбросов СО2 позволяет ему оставаться в списке лидеров в плане экологичности.
Послойное смесеобразование используется при работе двигателя на малых и средних оборотах и нагрузках. Стехиометрическое (другое наименование – легковоспламеняемое) гомогенное (другое наименование – однородное) смесеобразование применяется при высоких оборотах двигателя и больших нагрузках. На бедной гомогенной смеси двигатель работает в промежуточных режимах.
Гомогенное стехиометрическое смесеобразование происходит при открытых впускных заслонках, дроссельная заслонка при этом открывается в соответствии с положением педали газа. Впрыск топлива производится на такте впуска, что способствует образованию однородной смеси. Коэффициент избытка воздуха составляет 1. Смесь воспламеняется и эффективно сгорает во всем объеме камеры сгорания.
Бедная гомогенная смесь образуется при максимально открытой дроссельной заслонке и закрытыми впускными заслонками. При этом создается интенсивное движение воздуха в цилиндрах. Впрыск топлива производится на такте впуска. Коэффициент избытка воздуха поддерживается системой управления двигателем на уровне 1,5. При необходимости в состав смеси добавляются отработавшие газы из выпускной системы, содержание которых может доходить до 25%.
Таким образом, в бензиновом двигателе с прямым впрыском (GDI) используются наиболее прогрессивные идеи для достижения целей экономии топлива и снижения выбросов углекислого газа, установленных Агентством по охране окружающей среды США в 2012 году. Доля рынка автомобилей, оснащенных GDI, увеличилась с 2,3% в 2008 модельном году до 51% в 2018 модельном году. EPA прогнозирует, что 93% автомобилей в США будут оснащены двигателями GDI к 2025 году.
Но кроме выбросов СО2 имеются и другие показатели токсичности отработанных газов. Подобно дизельным двигателям, прямой впрыск топлива в двигателях GDI создает богатые топливом карманы вблизи зоны впрыска, и особые условия сгорания в этих карманах способствуют образованию углеродистых твердых частиц (ТЧ), особенно черного углерода (ЧУ). Следовательно, двигатели GDI выделяют большее количество черного углерода, чем двигатели PFI, что было подтверждено несколькими лабораторными исследованиями.
В исследовании, опубликованном в журнале ACS Environmental Science and Technology , группа исследователей из UGA определила, что увеличение выбросов черного углерода от транспортных средств, работающих на GDI, будет способствовать изменению климата, особенно в городских районах, воздействие которого будет значительно превышать преимущество, связанное с снижением выбросов СО2.
Кроме того, исследователи полагают, что увеличение выбросов черного углерода почти вдвое увеличит риск преждевременной смертности, связанной с выбросами транспортных средств, с 855 смертей в год до 1599. Ученые оценивают ежегодную социальную стоимость этих преждевременных смертей в 5,95 миллиарда долларов.
Хотя выбросы от бензиновых транспортных средств составляют небольшую долю черного углерода в атмосфере, выбросы транспортных средств концентрируются в регионах с высокой плотностью населения, что усиливает их влияние.
Таким образом увеличение выбросов сажи является непреднамеренным следствием перехода на автомобили, оснащенные GDI. Исследование UGA является первым, проведенным с целью поместить эти экспериментальные результаты в комплексную смстему моделирования, чтобы исследовать компромисс между снижением содержания CO2 и увеличением содержания черного углерода.
В то время как предыдущие исследования показали, что переход на двигатели GDI приведет к чистым преимуществам для глобального климата, исследователи UGA свидетельствуют, что эти преимущества довольно малы и могут быть реализованы только в течение десятилетий. Между тем, негативное влияние черного углерода можно почувствовать мгновенно.
