Historia zasilania silników – od gaźników do wtrysku bezpośredniego

Bardzo rozpowszechnionym i długo stosowanym rozwiązaniem zasilania był gaźnik. Jednak nie był on pierwszy. W samochodach z początku wieku stosowano prostą zasadę parowania paliwa i łączenia się z powietrzem. W ten sposób powstawała mieszanka. Efektywność oczywiście była niska, dlatego też proces zastąpienia "ulatniaków" gaźnikiem przebiegł stosunkowo sprawnie.

Gaźniki wykorzystują prawo Bernoulliego dotyczące przepływu cieczy, aby utworzyć mieszankę paliwowo-powietrzną dzięki przepływowi strumienia powietrza zasysanego przez silnik. Więcej o gaźnikach dowiecie się z poświęconego nim artykułu.

Pomimo rozwoju gaźnika ten układ zasilania nie sprostał wyzwaniom stawianym przez coraz nowocześniejsze samochody. Problemy dotyczyły efektywności dostarczania paliwa do poszczególnych cylindrów oraz zróżnicowania dostaw w zależności od potrzeb pracującego w szerokim zakresie obrotów silnika.

Nie pomogły nawet wprowadzane dodatkowe urządzenia dawkujące, elektroniczne układy sterowania ani konstrukcje gaźników stopniowanych i zespolonych.

Problemem okazało się także zorientowanie na ekologię. Wprowadzone w Europie na początku lat 70., a nieco wcześniej w USA, normy emisji spalin spowodowały zmierzch ery gaźników. Odtąd paliwo musiało być dostarczane dokładniej, a samo spalanie znacznie bardziej efektywne. Przyczyną rozwoju nowych form podawania paliwa był także rozwój elektroniki, stwarzający nowe możliwości sterowania.

Tak oto do samochodów zawitał wtrysk paliwa. Było to rozwiązanie znane od dawna, a wykorzystywane głównie w samolotach, które podczas powietrznych akrobacji potrzebowały ciągłego zasilania paliwem. Mechaniczny wtrysk stosowany był już w 1908 roku w samolotach francuskich.

Za pierwszy układ wtryskowy w samochodzie osobowym uznaje się wprowadzony w 1954 roku układ zasilania w Mercedesie 300 SL. Ten ponadczasowo piękny samochód to również zaawansowana jak na ówczesne czasy i szybka maszyna.

W tamtym układzie podstawowym elementem była wysokociśnieniowa pompa paliwa i wtryskiwacze umieszczone bezpośrednio w komorze spalania. Pompa produkcji Boscha wytwarzała ciśnienie wtrysku na poziomie 100-120 barów. W konstrukcji zamontowano czujnik umieszczony w rurze ssącej, odpowiedzialny za sterowanie dawkowania. Wtrysk paliwa do komory spalania następował przez wtryskiwacze iglicowe lub grzybkowe.

W latach 60. nastąpił rozwój z wykorzystaniem mechanicznych lub elektrycznych pomp wtryskowych. Rozwiązanie wtrysku paliwa trafiało również do innych marek samochodów, w tym do Jaguara, Rovera, Chryslera, Chevroleta czy Lincolna. Rozwiązanie produkowało wiele marek m.in. Bosch, Bendix czy Lucas.

W roku 1967 opracowano i zaczęto produkować elektroniczny układ wtryskowy Bosch D-Jetronic. Była to niemała rewolucja, ponieważ to rozwiązanie umożliwiało doprowadzenie do cylindra odmierzonej dawki paliwa. Układ zastosowano po raz pierwszy w samochodzie Volkswagen 1600 TL.

Dopiero 9 lat później, w 1976 roku, opracowano układ K-Tronic oraz L-Tronic. Ten ostatni współpracował z sondą lambda. Pod koniec lat 70. stworzono system Motronic, w którym zintegrowano wszystko w jedną centralną jednostkę, opartą na mikroprocesorach. System ten składał się z sekwencyjnego wtrysku wielopunktowego oraz w pełni elektronicznego zapłonu.

Ponieważ takie układy wtrysku paliwa były dość drogie, Bosch zdecydował się zmodyfikować to rozwiązanie, zubożyć je i wprowadzić do aut niższych klas. Przyczyną konieczności jego stosowania były wprowadzane w latach 80. katalizatory. W taki sposób powstał wtrysk jednopunktowy Mono-Jetronic. Oczywiście szybko podobne konstrukcje wprowadziły także inne firmy.

Systemy wtrysku jednopunktowego miały pewne ograniczenia. Ze względu na różny kształt kanałów dolotowych do poszczególnych cylindrów następuje nierównomierna dawka paliwa do cylindrów, co powoduje różnice napełniania. Drugą wadą jest dostarczanie paliwa w sposób ciągły, niezależnie od potrzeb każdego cylindra.

Te wady spowodowały koniec montowania wtrysku jednopunktowego mniej więcej około końca XX wieku. Jednym z ostatnich pojazdów z takim rozwiązaniem był nasz poczciwy Polonez (choć były też wersje z wtryskiem wielopunktowym). Rozwiązanie, które je zastąpiło, to oczywiście wtrysk wielopunktowy, zwykle sekwencyjny, tzn. taki, w którym podawanie paliwa do cylindrów nie przebiega w sposób ciągły.

Kolejną ewolucją jest wtrysk bezpośredni. Rozwiązanie to w produkcji seryjnej w silniku z zapłonem iskrowym zostało zastosowane w 1996 roku, przy okazji premiery Mitsubishi Carisma z silnikiem 1,8 GDI (wcześniej wykorzystywano wtrysk bezpośredni w silnikach TDI od 1991 roku).

Ideą rozwiązania jest wtrysk pod wysokim ciśnieniem (110 do 200 barów) oraz dążenie do lepszego uwarstwienia mieszanki. Uwarstwienie polega na tym, że mieszanka lokalnie ma optymalny skład stechiometryczny, a w pozostałej objętości jest mieszanką ubogą.

Dzięki temu spalanie jest jeszcze bardziej efektywne. Przy niskim obciążeniu silnik pracuje na ubogiej mieszance, co zmniejsza zużycie paliwa. Niestety przy takim składzie mieszanki silnik produkuje dużą ilość spalin pod postacią tlenków azotu. Obecnie problem ten w nowoczesnych silnikach jest już rozwiązany, ale np. Mitsubishi nie potrafiło sobie z nim poradzić, co przyczyniło się do wycofania silnika GDI.

Osobną kwestią jest też awaryjność. Silniki z bezpośrednim wtryskiem nie mają dobrej opinii. Zarówno silniki GDI sprawiały problemy, jak i późniejsze silniki FSI (problem m.in. z nagarem). Niemniej jednak w kontekście coraz ostrzejszych norm emisji spalin oraz trendu na zmniejszanie zużycia paliwa silniki z wtryskiem bezpośrednim to przyszłość motoryzacji.