Bezpośredni wtrysk benzyny: kręta droga do sukcesu

W przypadku samochodów osobowych, bezpośredni wtrysk benzyny po raz pierwszy pojawił się w Mercedesie 300SL z 1955 roku. Celem było uzyskanie dużej mocy silnika i pozbycie się wad zasilania gaźnikowego. Pomysł wrócił w silniku GDI Mitsubishi z 1996 roku. Tym razem chodziło jednak o coś zupełnie innego.

Tytułem wstępu należy wytłumaczyć różnicę w sposobie sterowania typowym silnikiem z zapłonem iskrowym (benzynowym) a silnikiem z zapłonem samoczynnym (Diesla). Pierwszy pracuje na mieszance jednorodnej stechiometrycznej — takiej w której ilość powietrza odpowiada ilości potrzebnej co całkowitego i zupełnego podanego paliwa. W przypadku benzyny jest to 14,7 kg powietrza na 1 kg paliwa. Regulację mocy silnika benzynowego realizuje się ilościowo — zmieniając, za pomocą przepustnicy, ilość dostarczanej mieszanki.
Inaczej jest w przypadku silnika Diesla, tam nie wymagana jest przepustnica. Poziom mocy regulowany jest wyłącznie ilością dostarczanego paliwa, czyli skład mieszanki ulega zmianie. Wtedy mówimy o regulacji jakościowej.

Dławienie przepustnicą w silniku z zapłonem iskrowym jest źródłem znacznych strat przepływu. To jeden z powodów, przez które silniki benzynowe legitymują się wyższym zużyciem paliwa.

Wprowadzenie spalania ubogich mieszanek do silników ZI mogło pozwolić na wyeliminowanie dławienia przepustnicą. Przynajmniej w części charakterystyki. Problem w tym, że bardzo ubogie mieszanki nie mogą ulec zapłonowi. Należało stworzyć mieszankę heterogeniczną: bogatą przy świecy zapłonowej i bardzo ubogą przy w reszcie komory spalania.

W tym miejscu należy wspomnieć o gaźnikowym silniku CVCC (Compound Vortex Controlled Combustion) Hondy opracowanym w latach 70-tych, w dobie kryzysu paliwowego. Do cylindra dostarczano ubogą mieszankę typowym zaworem dolotowy. Dodatkowo, tuż obok świecy zapłonowej znajdował się mały zaworek, którym wpuszczano mieszankę bogatą.

GDI wkracza na rynek

Rozwiązanie GDI (Gasoline Direct Injection) Mitsubishi rozwinęło pomysł z Hondy, z tą różnicą, że tu za uwarstwienie mieszanki odpowiadał specjalnie ukierunkowany strumień paliwa.

W silniku 4G93 DOHC z 1996 roku, wtryskiwacze pojawiły się w komorach spalania. Wtryskiwane paliwo odbijało się od specjalnego zagłębienia w tłoku i kierowało się w kierunku świecy zapłonowej. Ten rodzaj wtrysku bezpośredniego nazwano wall guided, czyli kierowany ścianką.
Odparowywanie paliwa bezpośrednio w cylindrze obniżało temperaturę sprężanego powietrza, co redukowało ryzyko niekorzystnego spalania stukowego. Pozwoliło to osiągnąć stopień sprężania równy 12, podczas gdy w 4G93 SOHC z wtryskiem paliwa do kolektora dolotowego wynosił zaledwie 9,5.

Efektem była moc 140KM i moment obrotowy 181Nm z 1834 centymetrów sześciennych. To parametry wybijające się ponad ówczesną konkurencję. Jednocześnie obniżeniu uległo zużycie paliwa. Warto wspomnieć, że francuski koncern PSA (Peugeot-Citroen) zakupił system GDI i opracował, na jego bazie, silniki HPI.

Zobacz również: Tylko na Autokult.pl

Niestety spalanie ubogich mieszanek miało, znaną od dziesiątek lat, wadę: nadmierną emisję tlenków azotu (NOx). Renault rozwiązało ten problem stosując w silniku IDE recyrkulację spalin. Wokół świecy znajdowała się mieszanka palna — resztę komory spalania zajmowały gazy wylotowe, wprowadzone ponownie przez zawór EGR (Exhaust Gas Recirculation) i układ dolotowy.

Recyrkulacja spalin w silniku 2.0 FSI

Kolejną innowacją było wprowadzenie wtrysku air guided (kierowany powietrzem) w silnikach FSI (Fuel Stratified Injection lub Fuel Straight Injection). Klapa w kanale dolotowym kierowała strumieniem zasysanego powietrza. Ten porywał wtryskiwane paliw tak by znalazło się przy świecy, bez odbijanie się od denka tłoka. Dzięki temu, przy rozruchu, kiedy tłok był zimny, nie dochodziło do skroplenia paliwa na nim. Rozwiązanie takie sprzyjało redukcji emisji węglowodorów.

FSI - tworzenie mieszanki homogenicznej i uwarstwionej

Inny pomysł zrealizował Mercedes w silniku 350 V6 CGI. Umieszczony pionowo piezoelektryczny wtryskiwacz tworzył strumień w kształcie stożka, którego powierzchnia stykała się z elektrodami świecy. To rozwiązanie nazwano spray guided.

Przekrój przez silnik 350 CGI

Problemy z bezpośrednim wtryskiem benzyny

Emisja tlenków azotu, koszty instalacji wtryskowej pracującej pod ciśnieniem 100–150 barów i wymagania co do jakości paliwa postawiły pod znakiem zapytania zasadność produkcji takich silników. Na domiar złego oszczędności w zużyciu paliwa nie okazały się tak znaczące jak przewidywano, a wtrysk bezpośredni nie sprawdzał się w silnikach wysokoobrotowych — czas na odparowanie benzyny był zbyt krótki.

W czasie eksploatacji silników z bezpośrednim wtryskiem zauważono kolejny problem — pojawiający się osad na ściankach kanałów i zaworów dolotowych. Za powód postrzega się gorące spaliny pochodzące z zaworu EGR, które napotykają drobinki oleju z przewodu przewietrzania skrzyni korbowej. Efekt nie pojawiał się w silnikach z wtryskiem do kolektora. Tam osad zmywany był przez paliwo. PSA i Renault porzuciły produkcję HPI i IDE, a VW znacznie zredukował gamę wolnossących FSI.

Prawdziwy przełom przyniósł rok 2001 i 24-godzinny wyścig Le Mans. Wtedy na starcie pojawiło się Audi R8 z silnikiem 3.6 V8 (pdf) wyposażonym w bezpośredni wtrysk benzyny i dwie turbosprężarki. Wnioski były zaskakujące.

Nie dość, że osiągi poprawiono o 9% to jeszcze zużycie paliwa spadło o 8–10%. Audi zaczęło wygrywać dzięki rzadszym postojom na tankowanie.
Co najważniejsze, 3.6 Turbo FSI nie pracował na mieszance uwarstwionej. Była ona homogeniczna bogata lub ew. stechiometryczna. Tajemnica tkwiła w stopniu sprężania, który dzięki FSI mógł zostać utrzymany na wysokim poziomie, pomimo turbodoładowania. A wysoki stopień sprężania oznacza wysoką sprawność i, co z tego wynika, niskie zużycie paliwa.

Downsizing rozwija skrzydła

Przez downsizing rozumiemy obniżenie zużycia paliwa silników, najczęściej idące w parze z obniżeniem pojemności skokowej, przy zachowaniu dotychczasowej mocy.

Dzięki sukcesowi Audi w Le Mans, wprowadzono do produkcji pierwszą generację silnika 2.0 TFSI. Turbodoładowana jednostka osiągała w najpopularniejszej wersji 200KM.
W silnikach doładowanych, pracujących na mieszankach homogenicznych, nie potrzebna była już recyrkulacja spalin. Zniknęły tym samym wady wcześniejszych jednostek wolnossących. Przy okazji charakterystyki nowych silników stały się bardziej przyjazne dla kierujących. To dobrze znana zaleta turbodoładowania. Niestety, wcześniej doładowanie oznaczało konieczność stosowania niskich stopni sprężania i wysokie zużycie paliwa.

Najlepszym potwierdzeniem nowego trendu jest silnik 1.6 powstały w wyniku współpracy PSA z BMW. Odmiana wolnossąca wyposażona została we wtrysk do kolektora dolotowego, doładowana (nazywana THP) we wtrysk bezpośredni.

Silniki z bezpośrednim wtryskiem i doładowaniem są sukcesywnie wprowadzane przez firmy europejskie (Alfa Romeo TBi, VW/Audi TSI/TFSI, BMW HPI, Mercedes CGI, Peugeot/Citroen THP), amerykańskie (Ford EcoBoost) czy japońskie (Nissan DIG-T, Mazda 2.3 DISI). Ale to już materiał na kolejny tekst…

Zobacz więcej artykułów z serii: Układ zasilania i paliwo

Podziel się:

Przeczytaj także:

Także w kategorii Poradniki i mechanika:

Leki zaburzające zdolność prowadzenia pojazdu [poradnik] Regeneracja wtryskiwaczy Common Rail Smarowanie mechanizmów różnicowych - czy wymiana oleju jest konieczna? Eksploatacja świec zapłonowych – ocena wyglądu świecy Łańcuchy tekstylne - lepsza alternatywa dla stalowych? Świece zapłonowe - budowa i zasada działania Jak eksploatować samochód z instalacją gazową? Tramwaj czy auto - kto ma pierwszeństwo? Amortyzatory o zmiennej charakterystyce tłumienia - ciecze magnetoreologiczne Amortyzatory o zmiennej charakterystyce tłumienia - sterowanie zaworami elektromagnetycznymi Porównanie napędu Mazda SKYACTIV kontra Škoda TSI&DSG Opony zimowe - na co zwrócić uwagę Škoda Octavia 1,2 TSI - którą wersję silnika i jaką skrzynię lepiej wybrać? Amortyzatory o zmiennej charakterystyce tłumienia Jak dbać o oświetlenie pojazdu? Jaka prędkość na autostradzie jest najlepsza? Strefa ruchu i strefa zamieszkania - czym się różnią? Dlaczego opona zimowa lepiej sprawdza się podczas zimy? Jak kupować używane auto z instalacją LPG? – strona techniczna Czujniki ciśnienia w oponach TPMS – jak to działa? Czy zakup oszczędnego silnika się zwróci? Wtryskiwacze Common Rail – zasada działania Jak zabezpieczyć auto przed solą? Światła w samochodzie - kiedy włączyć jakie?

Popularne w tym tygodniu:

Najgorsze silniki Diesla, których nie polecamy w samochodach używanych Skutki nieodśnieżenia auta mogą być bardzo kosztowne Używane części, których nie możesz zamontować w swoim aucie Wjazd samochodem do lasu - kiedy można, a kiedy nie wolno? Czy opłaca się kupić samochód z fabryczną instalacją LPG? Analiza propozycji Opla Używany samochód z dieslem – kiedy warto kupić? Co i dlaczego psuje się w silnikach Diesla? Dlaczego silnik Diesla nie chce odpalić zimą? Jak można, a jak nie wolno wyprzedzać? Czy opłaca się kupić samochód z fabrycznym LPG? Analiza propozycji Hyundaia i Kii