Что такое бензиновый двигатель с непосредственным впрыском топлива

Непосредственный впрыск топлива — хорошо это или плохо?

Сегодня автомобили с инжекторными двигателями практически полностью вытеснили с автомобильного рынка карбюраторные системы. Принципиальное отличие инжекторов в том, что подача топлива осуществляется в них путем впрыска топлива непосредственно в цилиндр. Начав наступление на карбюраторные системы еще с середины двадцатого века, сегодня инжекторные двигатели пришли к окончательной победе на рынке автомобилестроения.

Существует несколько разновидностей инжекторных двигателей. В двигателях с прямым впрыском впрыск топлива в воздушный поток осуществляется при помощи специальных форсунок. При использовании для впрыска на все цилиндры одной форсунки (моновпрыске) её располагают на месте карбюратора, но такие двигатели сейчас совсем непопулярны. На смену центральному впрыску пришел распределенный, у которого для каждого цилиндра есть своя форсунка. Он бывает нескольких типов (фазированный, попарно-параллельный, одновременный и прямой), именно им оснащено подавляющее большинство современных автомобилей. Но самым последним «веянием» автомобилестроения является непосредственный впрыск топлива, запатентованный компанией Mitsubishi, которая снабдила свои двигатели аббревиатурой GDI. Главное отличие данного типа двигателей от своих предшественников в том, что топливо под большим давлением впрыскивается форсункой не во впускной коллектор, а в цилиндр. Данное нововведение обеспечивает стабильную работу двигателя, позволяет экономить до 13% топлива (особенно при простоях в городских пробках) и использовать сверхобедненные смеси, что в настоящее время весьма актуально из-за растущей дороговизны топлива и его токсичности.

Для того чтобы экономия топлива стала ощутимой, разработчикам данного типа двигателей пришлось немало потрудиться, усложнив конструкцию двигателя. Непосредственный впрыск топлива требует очень высокого давления в топливной магистрали и высокого качества всех компонент системы. А это в свою очередь приводит к жестким требованиям по отношению к топливу. В отличие от европейских автолюбителей, которых ничем не испугать, наши понимают последствия таких жестких требований к бензину. Кто же добровольно захочет стать постоянным клиентом автосервиса, тем более, что грамотных специалистов по моторам с непосредственным впрыском у нас не так много, ремонтнопригодность элементов крайне низка (к примеру, ТНВД дизельного двигателя вообще не подлежит ремонту), да и диагностирующее оборудование есть далеко не на всех СТО. Поэтому стоимость ремонта и узлов для автомобилей с данным типом двигателя довольно высока, что отпугивает потенциального российского покупателя.

Наш потребитель по обыкновению полагает, что чем сложнее конструкция, тем ненадежней она в эксплуатации, а следовательно покупать её не стоит. Однако в случае двигателей с непосредственным впрыском сложность системы и ее высокая цена подкреплены высочайшим качеством и повышенным ресурсом деталей. А если внимательно посмотреть на улучшения мощностных и динамических характеристик двигателя при уменьшении расходов топлива и масла (особенно ощутимых при больших пробегах), а также учесть поддержание стехиометрического состава выхлопной топливо-воздушной смеси в соответствии с нормами Евро 4 и Евро 5, то все эти факторы говорят только в пользу данных двигателей.

Ведущие европейские производители вслед за Mitsubishi тоже снабдили свои детища подобными системами с непосредственным впрыском, так у Mercedes-Benz появились двигатели GGI, у Volkswagen — FSI, а у Toyota — D4. Сегодня и на российском рынке модели, оснащенные подобными двигателями, завоевывают все большую популярность за счет своей экономичности и хороших тяговых характеристик. А завышенной ценой у нас уже давно никого не испугаешь.

По мнению специалистов, будущее так или иначе принадлежит системам непосредственного впрыска, и нашим автолюбителям не стоит опасаться покупать оснащенные ими автомобили, поскольку ресурс компонентов впрыска настолько велик, что очень долго не потребует ремонта или замены. Однако, покупая автомобиль, следует помнить об элементарных правилах, которые позволят сохранить его двигатель — не заправляться где попало, вовремя проходить техобслуживание и пользоваться услугами только качественного сервиса. На сегодняшний день далеко не все СТО оснащены необходимым оборудованием для правильной диагностики подобных двигателей, да и специалистов соответствующего уровня не много, но в любом случае автомобили с непосредственным впрыском в самом ближайшем будущем завоюют российский рынок и покорят сердца автолюбителей.

Версия для печати

Как с нами связаться

ООО «Чистодел-Дизель»

г. Арамиль, ул. Гарнизон, д. 17В

Географические координаты:

8 800 200 0921

(звонок по РФ бесплатный)

+7 (343) 302-00-43

infoek-ar.ru

ВПРЫСК НЕПОСРЕДСТВЕННЫЙ, НО РАЗНЫЙ

ВПРЫСК НЕПОСРЕДСТВЕННЫЙ, НО РАЗНЫЙ

Нет плохих идей, есть не доведенные до ума или нереализованные — так, наверное, считают японские инженеры. По крайней мере, вряд ли кто-то еще сравнится с ними по числу оригинальных решений, применяемых на серийных автомобилях. «А это мы придумали, мы же над этим работали!» — кричат потом в Европе и Америке. Придумали. Но не сделали. Или сочли невыгодным и бросили. А теперь догоняйте! И они бросились в погоню.

Пионером в применении непосредственного впрыска топлива стала компания Mitsubishi, разработавшая систему питания GDI. Сегодня аналогичную технологию используют Mercedes (CGI), BMW (HPI), концерн Volkswagen (FSI, TFSI, TSI – VW, Audi, Skoda, Seat) и Toyota (JIS).

Но обо всем по порядку. Уже более 100 лет на автомобили устанавливается бензиновый ДВС и уже почти 100 — двигатель Дизеля. Мы давно к ним приспособились и, хорошо зная их достоинства и недостатки, применяем тот или другой по обстоятельствам. Бензиновый двигатель легко пускается, разгоняется быстро и до высоких оборотов, имеет большую литровую мощность и дешевле стоит. Но любит «покушать», причем недешево. Поэтому его мы чаще видим на легковых и небольших грузовых автомобилях.

ПРОСТЫМИ СЛОВАМИ

Немного теории: чтобы топливо сгорело, нужен воздух. Но надо смешать с топливом столько воздуха, сколько нужно для полного сгорания. Такое количество воздуха называется стехиометрическим, и оно, конечно же, давно известно. Например, для бензина оптимальный (теоретически) состав топливной смеси выражается соотношением 14,7:1, то есть на 1 грамм бензина нужно 14,7 грамма воздуха. Смесь, в которой воздуха больше, чем нужно, называется бедной, а та, в которой воздуха меньше, чем нужно (то есть больше топлива), называется богатой. Слишком бедную смесь не всегда удается поджечь, при работе на богатой смеси несгоревшее топливо бесполезно «вылетает в трубу» и растет выброс угарного газа.

FSI Turbo – первый серийный двигатель, в котором сочетаются непосредственный впрыск бензина и турбонаддув

НА НЕКАЛОРИЙНОЙ ПИЩЕ

Итак, проблема в том, что искра упорно не желает воспламенять бензовоздушную смесь более бедную, чем в соотношении 17:1. Но ведь можно заполнять цилиндр совсем бедной смесью, а непосредственно к свече подавать более богатую, которая загорится. Пытались: например, в форкамерном двигателе эта идея и была заложена. Реальных же результатов удалось достичь на моторах с распределенным впрыском топлива: здесь добиваются устойчивой работы на смеси с соотношением 22:1, но сильнее обеднить смесь все равно не удается. Ведь в случае обычного распределенного впрыска смесеобразование ВНЕШНЕЕ — форсунка впрыскивает бензин во впускной трубопровод. И доставить более богатую часть потока смеси к свече мы можем только за счет направления потока методами аэродинамики, например, определенным образом его завихряя. Вот если бы топливо впрыскивалось непосредственно в цилиндр.

КАК РАБОТАЕТ GDI

Главный принцип работы данной системы питания – подача бензина не во впускной тракт, а непосредственно в камеру сгорания и формирование послойного и однородного смесеобразования в различных режимах работы мотора. Но подобные топливные системы имеют и различия, причем иногда довольно существенные. Основные из них – рабочее давление в топливной системе, расположение форсунок и их конструкция.

В двигателе FSI от Volkswagen форсунка расположена под большим углом к оси цилиндра. Струя топлива направлена в отраженный от поршня поток воздуха

Действительно, двигатель GDI напоминает по конструкции и обычный бензиновый, и дизель. В каждом цилиндре присутствует и свеча зажигания, и форсунка, а топливо подается насосом высокого давления под давлением 5 МПа (50 атм.). Форсунка обеспечивает два различных режима впрыскивания топлива. Обратим внимание на следующие особенности. Впускной трубопровод подходит к цилиндру сверху. Это позволяет получить падающий поток воздуха, который после контакта с поршнем разворачивается и устремляется вверх, закручиваясь по часовой стрелке (такая организация воздушного потока позволяет достичь оптимальной концентрации топлива непосредственно около свечи). По почти прямому трубопроводу поток движется с очень высокой скоростью, и даже когда поршень достиг нижней мертвой точки, еще некоторое количества воздуха входит в цилиндр по инерции.

Поршень необычный — сверху есть выемка сферической формы. Форма поршня обеспечивает три важные функции. Во-первых, позволяет задать воздушному потоку нужное направление движения. Во-вторых, направляет впрыскиваемое топливо непосредственно к свече зажигания, что важно при работе на предельно бедных смесях. В-третьих, определяет распространение фронта пламени.

В двигателях GDI (Gasoline Direct Injection – непосредственный впрыск бензина, Mitsubishi), появившихся осенью 1997 года, используются два или три режима смесеобразования. Для японского рынка реализована двухрежимная технология, а для Европы – трехрежимная.

При частичной нагрузке (скорость до 120 км/ч) двигатель работает на сверхобедненной горючей смеси с послойным смесеобразованием. Топливо подается в камеру сгорания (под давлением 50 бар) в конце такта сжатия, соотношение «воздух–бензин» в среднем по объему камеры может достигать пропорции 40:1. Поджигается такая смесь за счет создания в зоне искрового разряда «облака» с нормальным составом смеси (14,5:1). Формирование облака происходит благодаря завихрению струи топлива, которое уже успело смешаться с воздухом с помощью специальной выемки в днище поршня. У стенок камеры сгорания при этом остается почти чистый воздух. Когда от двигателя требуется больший крутящий момент (высокая скорость, движение на подъем), электроника активирует другой способ смесеобразования – бензин впрыскивается на такте впуска, как в обычных инжекторных двигателях. При необходимости получить максимальную мощность (интенсивный разгон) «работает» третий способ смесеобразования – топливо подается в два этапа: первый – при такте впуска, второй – при такте сжатия. Первая порция топлива дает возможность получить в цилиндре равномерно распределенную сверхобедненную (до 60:1) горючую смесь, а вторая обеспечивает получение нормальной смеси в районе искрового разряда. После воспламенения нормальной смеси фронт пламени распространяется по цилиндру и поджигает сверхобедненную смесь. Японский вариант отличается отсутствием третьего режима.

Сравнение характеристик 2,0-литровых двигателей с распределенным и непосредственным впрыском показывает, что GDI мощнее на 10 л .с. (145 против 135 л .с.) и на 13% экономичнее в городском цикле (10,2 л/100 км против 11,7).

Двигатель CGI Mercedes-Benz: вертикально расположенные пьезоэлектрические форсунки обеспечивают очень точное дозирование подачи бензина

Система непосредственного впрыска Volkswagen под названием FSI (Fuel Stratified Injection – многослойный впрыск топлива) была представлена в 2000 году. Как и в GDI для японского рынка, FSI может работать в двух режимах – экономичном (при малых и средних нагрузках) и обычном (большие нагрузки). В экономичном (равномерное движение на скоростях до 120 км/ч ) впрыск топлива происходит при такте сжатия, а в обычном режиме – при такте впуска, как и в системе питания с распределенным впрыском.

Повышенное давление впрыска (100 бар) обеспечивает более своевременную подачу топлива и качественное его распыление. Увеличен наклон форсунки, а впускной канал разделен специальной перегородкой на две части. Воздух может поступать либо через одну часть его сечения, либо через обе. На малых оборотах поток воздуха проходит через одну половинку канала, что позволяет увеличить его скорость для получения лучшего завихрения потока. На больших оборотах перегородка открывается, воздух поступает через весь канал, и скорость потока остается примерно такой же, как и на малых оборотах.

Если сравнить двигатели Volkswagen рабочим объемом 1,4 л с распределенным и непосредственным впрыском, устанавливаемые на модели Polo, нетрудно заметить, что FSI на 11 л .с. мощнее ( 86 л .с. против 75 л .с.) и обеспечивает меньший расход горючего (4,7–7,7 л против 5,8–10,2 л/100 км).

Очень долго бензиновые двигатели с непосредственным впрыском были только атмосферными. И только в 2004 году конструкторы Volkswagen AG создали на основе мотора FSI двигатель с турбонаддувом и непосредственным впрыском бензина (T-FSI или FSI-Turbo), который устанавливался на «заряженных» версиях (VW Golf GTi, Audi A3). Следующей разработкой стал TSI (непосредственный впрыск и двойной турбонаддув). Правда, называть его «двойным турбонаддувом» не совсем корректно, так как на малых оборотах (до 2400 об/мин) воздух подается только механическим компрессором, а на больших – лишь турбокомпрессором, который приводится в действие отработавшими газами. Благодаря такой схеме эффективное давление наддува достигается уже при 1500 об/мин и сохраняется во всем диапазоне оборотов.

В двигателях TSI впервые использовали форсунки для впрыска топлива с шестью отверстиями вместо привычного одного и увеличили давление впрыска до 150 бар, что позволило существенно улучшить качество смесеобразования.

Показатели турбированных моторов еще больше впечатляют. Например, 1,4-литровый агрегат с турбонагнетателем и компрессором развивает мощность 170 л .с. и крутящий момент 240 Нм в диапазоне от 1750 до 4500 об/мин, при этом расход топлива у модели Golf GT составляет 5,9–9,6 л/100 км.

В двигателях Mercedes CGI (Stratified-Charged Gasoline Injection – послойный впрыск бензина), представленных в 2002 году, используются пьезоэлектрические форсунки, позволяющие реализовать многослойное смесеобразование за счет подачи топлива несколькими порциями. В открытой форсунке между иглой и корпусом образуется кольцевая щель толщиной в несколько микрон, что позволяет получить чрезвычайно тонкое распыление топлива. Форсунка размещена в центре камеры сгорания, а свеча зажигания расположена между выпускными клапанами, причем ее положение выбрано с учетом формы конуса распыленного горючего. Давление в топливной системе – 200 бар, что дополнительно улучшает качество распыления. Применяется собственная система охлаждения для топлива и электронного блока управления системой впрыска. Работа на переобедненных смесях (примерно 35–40:1) допустима и на скоростях около 120 км/ч , в то же время благодаря точному смесеобразованию сохраняется крутящий момент, достаточный для разгона модели CLS от 60 до 120 км/ч на третьей передаче всего за 6,2 с. Новый двигатель 350 CGI развивает 292 л .с. при 6400 об/мин (у мотора с распределенным впрыском – 272 л .с. при 6000 об/мин) и обеспечивает средний расход топлива 9,1–9,3 л/100 км вместо 10,1 л . Другими словами, при более высокой мощности двигателя расходуется примерно на 10% меньше бензина.

Пьезоэлектрическая форсунка расположена почти вертикально, а свеча зажигания находится практически на границе конуса распыла бензина

Система непосредственного впрыска бензина у BMW HPI (High Precision Injection – высокоточный впрыск) была представлена в 2006 году. Сочетание систем регулирования фаз газораспределения Double-VANOS, высоты подъема клапанов VALVETRONIC и пьезоэлектрических форсунок с давлением впрыска 200 бар, расположенных в непосредственной близости от свечей зажигания, позволило организовать послойное смесеобразование на всех режимах работы двигателя. Форма топливной струи в сочетании со специальной геометрией днища поршня обеспечивает образование нормальной смеси именно в районе искрового разрядника свечи зажигания. Применение двух турбонагнетателей по одному на каждые три цилиндра позволяет практически устранить эффект «турбоямы» и обеспечить быстрый отклик на нажатие педали газа. Новый трехлитровый двигатель развивает 272 л .с. и 315 Нм (у рядной трехлитровой «шестерки» с распределенным впрыском – 258 л .с. и 300 Нм), при этом расход топлива меньше на 10%.

ПОДВЕДЕМ ИТОГИ

При всех имеющихся отличиях двигатели с непосредственным впрыском используют принцип послойного сгорания топливовоздушной смеси и могут работать при более высокой степени сжатия (от 10,5 до 12,5) на бензине с октановым числом 95. В таких моторах у стенок камеры сгорания находится почти чистый воздух, а испарение топлива, происходящее с поглощением тепла непосредственно в цилиндре, приводит к дополнительному охлаждению цилиндров. Все это способствует снижению вероятности детонационного сгорания топлива. Наилучшие результаты дает комплексное использование непосредственного впрыска и других технологий, оптимизирующих рабочий процесс ДВС (регулировка фаз газораспределения, высоты подъема клапанов и т. п.). Подобные топливные системы дают дополнительную экономию горючего и уменьшение выбросов в атмосферу. В то же время они нуждаются в качественном бензине с низким содержанием серы и механических примесей, чтобы обеспечить нормальную работу топливной аппаратуры.

Проблемы двигателей с непосредственным впрыском

Исправная работа автомобиля возможна только в том случае, если владелец будет подбирать правильный уход. Своевременная диагностика и ремонт позволят продлить срок эксплуатации транспортного средства.

Самая частая проблема среди автовладельцев — загрязнение форсунок и клапанов. В большинстве случаев, это встречается у автомобилей VAG с системой непосредственного впрыска. Сопровождается вибрацией, увеличенным топливным расходом и сбоями в управлении при ускорении. Рассмотрим, из-за чего это может возникать, и почему топливо и масло не играют здесь никакой роли.

Моторы с непосредственным впрыском . С данным термином знакомы все, так как подобные конструкции применяют уже с прошлого столетия. Примером может послужить мотор GDI от производителя Mitsubishi. Схожий механизм использует сейчас Volkswagen, но у него иное наименование — LSI. Данная аббревиатура переводится как послойный впрыск топлива. Не все автовладельцы знают, в чем отличия двух этих видов.

И в одном, и в другом случае, действует принцип непосредственного впрыска, но состав жидкости отличается. Первые модели были оснащены топливной форсункой, которая представляла из себя обычный распылитель, при помощи которого удавалось создавать однородную смесь. Непосредственный и распределенный впрыск отличался только количеством отверстий в распылителе и их расположением. Современные модели позволяют разделять топливовоздушную смесь на 2 зоны — переобогащенная и переобедненная. Эта модернизация была необходима из-за особых параметров сгорания. Среди плюсов, которыми отличается работа ДВС на такой смеси, можно отметить:

высокая температура сгорания, коэффициент полезного действия, высокий крутящий момент;

снижение топливного расхода.

Внедрять подобные силовые установки начали с 2005 года. Как пример — массовое переоснащение моторов VW.

Признаки загрязнения форсунок. Данная проблема является основной при работе FSI двигателя. Это может сопровождаться появлением вибрации и повышением топливного расхода. Такое может происходить, когда отклоняется топливная струя от положенной траектории. Совсем маленьких изменений вполне хватает, чтобы испачкать площадь вокруг.

В данных ДВС есть и другая проблема, которая затрагивает впускные клапаны. На них образуется мягкий налет, который очень легко снимается. Многие автовладельцы списывают это на некачественное топливо или неправильный уход за механизмом. Но практика показывает, что даже самое дорогие и лучшие технические жидкости не могут изменить ситуацию, с которой сталкиваются уже после 30 000 км пробега.

Почему нужно держать механизм в чистоте. Распылители топливных форсунок всегда должны находиться в чистом виде. Днище поршня не имеет свойства омываться струей топлива. Это означает, что любое нарушение процесса воспламенения приводит к детонации, а потом — к разрушению поршня.

Заметим, что при создании нового поколения моторов разработчики учли эту проблему и сделали систему смешанного впрыска, при помощи которого можно обойти такие трудности. Однако, владельцам автомобилей VAG , которые были выпущены до 2012 года, предстоит сталкиваться с подобными неприятностями снова и снова.

Итог. Многие моторы с системой непосредственного впрыска, которые выпускались до 2012 года, имеют одну общую проблему — частое загрязнение форсунок и клапанов. Это не связано с качеством технических жидкостей, все дело в самой системе.

Что такое бензиновый двигатель с непосредственным впрыском топлива

Особенности непосредственного впрыска, виды впрыска топлива система FSI часть 3

Как уже говорилось в предыдущей статье, двигатель системы FSI может работать на таких видах смесей:
1 — работа на бедной послойной смеси с добавкой отработавших газов
2 — работа на бедной гомогенной смеси без добавки отработавших газов
3 — работа на гомогенной стехиометрической смеси с добавкой отработавших газов
4 — работа на гомогенной стехиометричской смеси без добавки отработавших газов

«Гомогенная» — это значит, что смесь «однородная» по своему составу.
И должна равномерно распределяться по всему объему камеры сгорания.
Задаются такие вопросы: » Если смесь обедненная, то почему она горит? «.

«Обедненная» — это другими словами «послойная», «расслоенная» смесь.
Посмотрим на рисунок:

Цифрами на риснуке обозначено:

1- пространственная зона камеры сгорания, заполненная инертными газами или воздухом
2 — ограниченная пространственная зона камеры сгорания, заполненная гомогенной топливо-воздушной смесью.

В условиях создания послойного заряда, рабочая смесь является гомогенной только в пределах одной ограниченной пространственной зоны в камере сгорания.
Надо сказать, что гомогенной бывает только такая топливная смесь, которая полностью испарилась.
На испарение влияют такие факторы:
— температура в камере сгорания
— размер капель топлива
— время «жизни» капель толива (то есть, то время, за которое капля топлива испарится полностью)

Почему топливо впрыснутое форсункой не распределяется по всему объему камеры сгорания?
Этому есть несколько причин:
— высокая первоначальная скорость струи топлива, изначально заданная давлением
— особая конструкция форсунки, которая обеспечивает «полет» струи топлива в заданном направлении при сохранении изначально заданной формы — «сплющенной» (актуально не для всех моделей двигателей с ситемой FSI ).
— «сплющенная» форма струи топлива позволяет не касаться поршня двигателя и стенок камеры сгорания.
— исключительно маленькое расстояние от сопла форсунки до «точки» искры

За счет точной дозировки по времени впрыска и объема впрыска, полное испарение топлива и создание гомогенного «облака» смеси происходит как раз в «точке возникновения искры».

Как всегда — приостановимся.
Хорошо, теория есть теория, а насколько она нужна?
И нужна ли вообще?
Недавно пришлось побывать у знакомых в сервисе. Во время перерыва и чаепития разговорились.
И от одного работающего улышал такую замечательную фразу:
— Теория, теория. да зачем она нужна? Зачем мне знать, как вы говорите, что термостат устанавливается отверстием вверх? Я что — проверять буду? Зачем мне это надо? Не работает — заменить. Плохо работает — тоже заменить. И дело с концом. А если начинать разбираться, влазить во все эти тонкости, то тут даже на хлеб не заработаешь.

Вам судить, правильная это позиция человека, который занимается ремонтом автомобилей, или неправильная.
На мой взгляд — не совсем правильная. Потому что «заменить» — да, для ремонтника это легче и быстрее.
А для Клиента?
Пусть тот же термостат стоит и не так дорого ( хотя для кого как, согласитесь), но деньги будут из кармана Клиента. И нет полной уверенности в том, что тот же злополучный термостат неисправный, а он, может быть, изначально был кем-то установлен неправильно и все беды из-за этого.
Для этого и надо знать Теорию.
Знать устройство, принципы и алгоритмы работы.
Вот например, вспомните, что мы говорили в ранних статьях в разделе GDI о свечах зажигания:
» Свечи зажигания в двигателе GDI должны быть черного цвета. Это Нормально. Это Правильно».

Нет, это — «не совсем правильно». Скажем так.
И почему.

Толчком к этому рассуждению послужил разговор со специалистом из Японии.
Это был «чистый японец» и разговаривали мы с ним через переводчика.
В разговоре коснулись темы GDI и я задал вопрос по свечам зажигания, мол, черный цвет свечей зажигания — это нормально или как?
Оказалось, что «анормально». Оказалось, что двигатели GDI , практически все, до своего первого технического обслуживания, «ходят» со свечами зажигания имеющим цвет практически такой же, как и у «обычных» двигателей. То есть, они не «засажены», не «черно-черные», имеющие светлый ободок на кончике изолятора — что является нормальным явлением у тех автомобилей с двигателем GDI , которые бегают по дорогам России.
Почему возникает эффект «засаженности», каковы его причины?
Они же должны быть в таком случае, правильно?

Что удалось выяснить, понять и предположить:
Во время работы двигателя, при большом крутящем моменте, камера сгорания начинает работать нестабильно — в ней начинают возникать локальные зоны переобогащенной смеси:

В результате этого, при продолжающейся работе камеры сгорания, образуются частички сажи, которые начинают оседать на свече зажигания ( в том числе).
При больших оборотах, высокой турбулентности, повышенном (нерасчетном) числе Рейнольдса топливная смесь плохо испаряется, образует локальные зоны переобогащенной смеси, неправильно и не всегда переносится турбулентным потоком непосредственно к свече зажигания и, в результате, камера сгорания начинает работать неправильно.
И доволнительных причин этому — множество.
Например, «засаженные» клапана. Из-за имеющегося на них «нароста» камера сгорания «недополучает» положенное количество воздуха, а попавший в камеру сгорания воздух начинает неправильно перемещаться. Изменяется количественный и качественный состав рабочей смеси в камере сгорания.
Это во время такта впуска.
Если же во время такта выпуска через выпускные клапана «выдует» меньшее количество остаточных газов, то они будут принимать участие в следующем такте работы двигателя, то есть, с каждым тактом работы двигателя состав рабочей смеси в камере сгорания будет стремительно изменяться в сторону ухудшения своих рабочих характеристик.

Вышесказанное можно проиллюстировать рисунком :

Как мы знаем, одной из особенностей работы двигателя системы непосредственного впрыска топлива является особая работа камеры сгорания, где из-за особой формы поршня двигателя, особого построения впускного коллектора и особой работы системы управления двигателем достигается высокая степень турбулизации с большим числом Рейнольдса (подробнее об этом можно прочитать в статье в разделе GDI — «Поршень GDI «).
В турбулизированной смеси скорость распространения пламени в несколько раз выше, чем в «обычной», то есть, не турбулизированной или слабо турбулизированной смеси.
На рисунке 3 вверху показано, что слабо турбулизированная смесь не имеет таких очагов «внутреннего» горения, как на том же рисунке ниже, когда смесь сильно турбулизирована.
Здесь уже имеет место так называемая «турбулентная диффузия», когда осуществляется перенос термически и химически активных частиц сразу некоторыми ограниченными объемами.
Коэфициент турбулентной диффузии намного, в десятки, а иногда и в сотни раз превышает коэффициент молекулярной диффузии (как на «обычном» двигателе, при работе его камеры сгорания).
Именно отсюда можно сделать еще и другой вывод, который касается величины компрессии и давления в цилиндрах двигателя.
Если они имеют сниженные показатели, то в этом случае так же будет иметь место проявления эффекта «засаженности», потому что при снижении давления значительно уменьшается турбулентная скорость распространения пламени в камере сгорания.
И в результате — см.рис.2
Сюда можно приплюсовать свойства нашего отечественного бензина и моторного масла, когда нет полной уверенности в том, что и бензин, и масло полностью соответствуют тем стандартам, при которых двигатель непосредственного впрыска будет работать стабильно.
Кроме того — «плюсуем» психологию русской Души, когда «ездим до упора», пока что-то станет работать «не так» и только после этого едем искать ремонтную мастерскую и бросаем клич по Форумам: «Памагите!».
А надо бы просто сделать: вовремя и регулярно проводить техническое обслуживание своего автомобиля.
Но еще никому и никогда в нашем мире не удавалось переломить русское «авось».

Что бы иметь на двигателе свечи зажигания «правильного» цвета, для начала надо отстроить всю систему управления двигателем, привести ее к исходным, заданным еще на заводе изготовителе параметрам.