Bezpośredni wtrysk benzyny: kręta droga do sukcesu

Tytułem wstępu należy wytłumaczyć różnicę w sposobie sterowania typowym silnikiem z zapłonem iskrowym (benzynowym) a silnikiem z zapłonem samoczynnym (silnikiem 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, a konkretnie powietrza, do którego dodawane jest paliwo w odpowiedniej do ilości powietrza proporcji.

Inaczej jest w przypadku silnika Diesla. Tam nie jest wymagana 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 charakteryzują 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., w dobie kryzysu paliwowego. Do cylindra dostarczano ubogą mieszankę typowym zaworem dolotowym. Dodatkowo, tuż obok świecy zapłonowej znajdował się mały zaworek, którym wpuszczano mieszankę bogatą.

Rozwiązanie GDI (Gasoline Direct Injection) Mitsubishi rozwinęło pomysł 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, jak w dieslu. 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 obniża temperaturę sprężanego powietrza, co redukuje 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 jest moc 140KM i moment obrotowy 181 Nm z pojemności 1834 cm3. 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.

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 znajduje się mieszanka palna - resztę komory spalania zajmowały gazy wylotowe, wprowadzone ponownie przez zawór EGR (Exhaust Gas Recirculation) i układ dolotowy.

Kolejną innowacją było wprowadzenie wtrysku air guided (kierowany powietrzem) w silnikach FSI (Fuel Stratified Injection lub Fuel Straight Injection) z Grupy Volkswagena. Klapa w kanale dolotowym kieruje strumieniem zasysanego powietrza. Ten "porywa" wtryskiwane paliwo tak, by znalazło się przy świecy, bez odbijania się od denka tłoka. Dzięki temu, przy rozruchu, kiedy tłok jest zimny, nie dochodzi do skroplenia paliwa na nim. Rozwiązanie takie sprzyja redukcji emisji węglowodorów.

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

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 nagar 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. Francuskie firmy porzuciły produkcję HPI i idE, a VW znacznie zredukował gamę wolnossących FSI, choć nie zaprzestał ich rozwoju.

Prawdziwy przełom przyniósł rok 2001 i 24-godzinny wyścig Le Mans. Wtedy na starcie pojawiło się Audi R8 z silnikiem 3.6 V8 wyposażonym w bezpośredni wtrysk benzyny i dwie turbosprężarki. Wnioski były zaskakujące. Nie dość, że osiągi poprawiono o 9 proc., to jeszcze zużycie paliwa spadło o 8-10 proc. Audi zaczęło wygrywać dzięki rzadszym postojom na tankowanie.

Co najważniejsze, silnik 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.

Przez downsizing rozumiemy obniżenie pojemności skokowej silnika przy zachowaniu dotychczasowej mocy lub jej zwiększeniu względem większego silnika.

Dzięki sukcesowi Audi w Le Mans, wprowadzono do produkcji pierwszą generację silnika 2.0 TFSI. Turbodoładowana jednostka osiągała w najpopularniejszej wersji 200 KM.

W silnikach doładowanych, pracujących na mieszankach homogenicznych, niepotrzebna 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 VTi wyposażona została we wtrysk do kolektora dolotowego, doładowana (nazywana THP) we wtrysk bezpośredni.

Silniki z bezpośrednim wtryskiem i doładowaniem były od połowy lat 2000. sukcesywnie wprowadzane przez firmy europejskie (Alfa Romeo, VW/Audi, BMW, Mercedes, Peugeot/Citroen), amerykańskie (Ford) czy japońskie (Nissan, Mazda). Obecnie stanowią niemalże standardowe rozwiązanie.