Bezpośredni wtrysk benzyny – jak to działa?
Benzyna podawana bezpośrednio do komory spalania jest wynalazkiem starym, stosowanym z licznymi porażkami od lat 50., ale dopiero XXI wiek przyniósł w tym zakresie dopracowane rozwiązania. Dziś jest to już coś tak powszechnego, że nowe silniki z wtryskiem pośrednim stały się ciekawą egzotyką. Jednak wciąż nie każdy rozumie różnicę.
Przez dziesięciolecia układy wtryskowe pracowały na zasadzie podawania paliwa do kanałów dolotowych. Wtryskiwacze umieszczano przed zaworami dolotowymi, dzięki czemu paliwo obmywa grzybki zaworów, a także gniazda zaworowe i miesza się z powietrzem, jeszcze zanim wpadnie do komory spalania.
We wtrysku bezpośrednim wtryskiwacz (jego końcówka) umieszczony jest w cylindrze, a nie układzie dolotowym, więc paliwo podawane jest bezpośrednio do komory spalania, stąd też nazwa rozwiązania – bezpośredni wtrysk benzyny (GDI – Gasoline Direct Injection). Kolejną i bardzo ważną różnicą jest ciśnienie wtrysku w okolicach od kilkudziesięciu do ok. 200 barów. Dla porównania, we wtrysku pośrednim jest to raptem kilka barów.
Common Rail nie tylko w dieslu
Układy wtryskowe typu Common Rail kojarzą się wyłącznie z silnikami Diesla, stosowanymi od późnych lat 90., ale to właśnie to rozwiązanie pozwoliło na rozwój także wtrysku bezpośredniego benzyny (GDI). Otóż w silniku benzynowym, tak jak i w dieslu, paliwo, nim trafi do wtryskiwaczy, magazynowane jest w szynie (listwie - rail) wtryskowej, do której trafia pod wysokim ciśnieniem dzięki wysokociśnieniowej pompie paliwa. Tych dwóch elementów nie mają silniki z wtryskiem pośrednim.
W przeciwieństwie jednak do silników Diesla zapłon mieszanki paliwo-powietrze następuje klasycznie, czyli za pomocą iskry ze świecy zapłonowej. Jednak - podobnie jak w dieslach - przy wtrysku bezpośrednim w cylindrze panuje większe ciśnienie po zapłonie mieszanki, zatem wytwarzana jest większa energia, co przekłada się na wyższy moment obrotowy w pełnym, ale w szczególności niskim i średnim zakresie prędkości obrotowych.
Dwa tryby pracy
Silniki z wtryskiem bezpośrednim benzyny pracują zazwyczaj w dwóch trybach: z wtryskiem uwarstwionym i homogenicznym.
Przy wtrysku uwarstwionym silnik pracuje na wyjątkowo ubogiej mieszance paliwa przy niskim i średnim obciążaniu, co pozwala - przy odpowiedniej technice jazdy - zredukować zużycie paliwa. Mieszanka taka - co do zasady - jest trudno palna, ale dzięki uwarstwieniu jej w cylindrze, dochodzi do zapłonu. Chodzi o to, by tak ją ukierunkować, aby bogata jej część trafiła w okolice elektrody świecy zapłonowej, a jej zapłon zainicjował zapłon pozostałej części ładunku. Paliwo jest podawane przez wtryskiwacz bardzo krótko, w niewielkiej dawce, tuż przed uruchomieniem świecy zapłonowej.
Praca układu wtryskowego w trybie homogenicznym jest już zupełnie normalną, dla pełnego zakresu obciążeń. Paliwo podawane jest już podczas suwu dolotu, co pozwala na wytworzenie homogenicznej mieszanki, więc podobnie jak przy wtrysku pośrednim paliwo miesza się z powietrzem, zanim tłok osiągnie górne położenie w suwie sprężania.
Zaletą wtrysku bezpośredniego w procesie spalania paliwa jest to, że odparowanie benzyny odbywa się w przestrzeni roboczej cylindra, skutkując schłodzeniem ładunku i zwiększeniem współczynnika napełnienia cylindra. Ponadto zimne paliwo chłodzi denko tłoka, więc można podnieść stopień sprężania i uzyskać wyższą sprawność silnika, bez obawy o niekorzystne spalanie stukowe.
Dla przykładu - pierwszy masowy silnik Mitsubishi GDI cechował się stopniem sprężania równym 12, a we francuskim silniku HPI stopień sprężania wynosił 11,4. Również wczesne silniki Volkswagena 1.6 FSI cechuje stopień sprężania 12. Dzięki temu osiągano wysoką sprawność silnika.