Kiedy w popularnym samochodzie osobowym pojawił się system bezpośredniego wtrysku benzyny, inżynierowie piali z zachwytu. Precyzyjniejsze dozowanie paliwa, oszczędniejsze spalanie, większa moc, możliwość uzyskania większego stopnia sprężania – wydawało się, że nowe rozwiązanie ma same zalety.
Szybko jednak okazało się, że w ówczesnym stadium rozwojowym bezpośredni wtrysk benzyny nie zrewolucjonizował osiągów silnika spalinowego, a w dodatku pojawiały się kłopoty eksploatacyjne. Części zamienne osiągały astronomiczne ceny. Pewna znana japońska firma, która zapragnęła zostać pionierem wtrysku bezpośredniego, szybko ochłonęła z początkowego entuzjazmu. Podobnie stało się w przypadku rozwiązań francuskich, które trafiały na rynek równie szybko, jak były z niego wycofywane.
Od tamtej pory minęło jednak dużo czasu i dziś niemal wszystkie marki stawiają na bezpośredni wtrysk benzyny. Są jednak i takie, które próbują połączyć stare z nowym. Nie, nie mylicie się: mówimy o silniku, który oprócz wtryskiwaczy dostarczających paliwo bezpośrednio do cylindra, ma też wtryskiwacze, które kiedyś można było znaleźć w każdym „benzyniaku”, zamontowane na kolektorze dolotowym i podające paliwo tuż przed zawory ssące.
Takie rozwiązanie znajdziemy na przykład w wolnossącym, dwulitrowym silniku Toyoty GT86, którego system wtryskowy D-4S wykorzystuje oba rodzaje wtrysku benzyny. To jednak silnik o typowo sportowej charakterystyce, dość mocno wysilony (100 KM z litra pojemności skokowej) i ktoś mógłby nam zarzucić, że opisujemy ekstremalne rozwiązania techniczne.
VW Passat 1.8 TSI - klasyka gatunku
Audi 1.8 TFSI: silnik z "podwójnym" wtryskiem
Damy więc inny przykład, a pochodzi on od Audi. To ten producent trzy lata temu zaprezentował silnik 1.8 TFSI, który również wykorzystuje oba rodzaje wtrysku paliwa, a przy tym może się pochwalić nowatorskimi rozwiązaniami technicznymi i konsekwentnym dążeniem do redukcji spalania.
Przy zastosowaniu turbodoładowania, zmiennych faz rozrządu i regulowanego wzniosu zaworów, motor 1.8 TFSI oferuje parametry, jakie jeszcze dziesięć lat temu nawet nie śniły się kierowcom. Moment obrotowy nie tylko osiąga raczej typowo dieslowską wartość 320 Nm, lecz także dostępny jest już od – uwaga – 1400 obrotów na minutę! I nie zmniejsza się aż do 3700 obrotów. Powyżej tej prędkości obrotowej silnik Audi pracuje według charakterystyki stałej mocy, pozwalając na efektywną zmianę biegu: maksymalna moc silnika 1.8 TFSI to 170 KM przy 3800-6200 obrotów na minutę. Mimo takich parametrów, nowa konstrukcja ma spalać o ponad dwadzieścia procent mniej paliwa od poprzedniego silnika o mocy 160 KM.
Według Audi, znaczący udział w osiągach nowego silnika ma właśnie zastosowanie „podwójnego” układu wtrysku benzyny. Jak to działa? Zasada okazuje się dosyć prosta. Podczas zimnego rozruchu uruchamiane są wtryskiwacze podające benzynę bezpośrednio do cylindra. Kiedy motor 1.8 TFSI się rozgrzeje, to przy częściowych obciążeniach pracuje wtrysk pośredni, podający paliwo do kolektora dolotowego – jak za starych, dobrych czasów. Dopiero przy pełnym gazie uaktywnia się znowu wtrysk bezpośredni, pozwalając na osiągnięcie maksymalnej mocy i momentu obrotowego.
Wtrysk pośredni czy bezpośredni?
Ktoś może zapytać: „a jaka to różnica, gdzie wtryśniemy benzynę?”. Każdy rodzaj wtrysku ma swoją specyfikę. Tradycyjny wtrysk wielopunktowy, gdzie paliwo wtryskiwane jest do kolektora ssącego tuż przed zaworami ssącymi, jest prostszy i tańszy do zaprojektowania. Ciśnienie w magistrali paliwowej jest znacznie niższe niż przy wtrysku bezpośrednim.
To, że paliwo zostaje rozpylone w rurze ssącej, ma swoje wady i zalety. Zaleta: podczas cyklu pracy wtryskiwacz ma stosunkowo dużo czasu na dostarczenie odpowiedniej ilości paliwa, a gdy silnik jest rozgrzany, paliwo to ma czas odparować, co jest korzystne. Z drugiej jednak strony, gdy silnik jest zimny, benzyna skrapla się na ściankach kolektora ssącego i trafia do cylindra w postaci kropli, które nie zawsze ulegają całkowitemu spaleniu. To zjawisko potrafi podnieść spalanie i pogorszyć czystość spalin.
Wtrysk bezpośredni jest wolny od tej wady – tutaj paliwo rozpylane jest na ułamek sekundy przed wybuchem i jego droga do świecy przy zimnym (a także ciepłym) silniku jest bardzo krótka. Gdy silnik się rozgrzeje i zapragniemy wykorzystać jego pełną moc, paliwo odparowujące ze ścianek cylindra chłodzi go, a to pozwala na zastosowanie wysokiego stopnia sprężania. Niestety, zalety wtrysku bezpośredniego wiążą się ze znacznym podniesieniem skomplikowania i precyzji wykonania układu wtryskowego – w opisywanym silniku Audi 1.8 TFSI ciśnienie w magistrali paliwowej wynosi 200 bar.
VW Golf 1.2 TSI - popularność w standardzie
Trzeba też pamiętać o tym, że wtryskiwacze w układzie wtrysku bezpośredniego narażone są na działanie temperatur rzędu kilkuset stopni Celsjusza, bo ich końcówki znajdują się w cylindrach silnika. Tymczasem tradycyjny wtrysk MPI to wtryskiwacze w kolektorze ssącym – a tam jest znacznie, znacznie chłodniej.
Skupiliśmy się jedynie na układzie wtryskowym, tymczasem o silniku Audi 1.8 TFSI i jego rywalach ze stajni innych marek można by napisać encyklopedię. Czy nie sądzicie, że stopień skomplikowania współczesnych silników benzynowych jest już tak duży, że została przekroczona granica zdrowego rozsądku? I nie chodzi nam jedynie o wtrysk paliwa, a o cały pakiet rozwiązań, dzięki którym jednostki napędowe mają tak wyśrubowane parametry: podwójne doładowanie, podwójne układy chłodzenia, zmienne fazy rozrządu, odłączane cylindry, skomplikowane i drogie systemy sterowania, dziesiątki kosztownych czujników… A idziemy o zakład, że inżynierowie jeszcze nie powiedzieli ostatniego słowa!
Oto stary, dobry wtrysk wielopunktowy MPI. Wtryskiwacz znajdujący się w kanale dolotowym silnika spalinowego podaje paliwo na zawór ssący. Jeżeli silnik jest rozgrzany, benzyna ma czas odparować i kiedy następnie otworzy się zawór ssący, paliwo jest już częściowo odparowane. A opary benzyny to idealna mieszanka paliwowo-powietrzna. W pierwszych układach wtrysku wielopunktowego wszystkie wtryskiwacze pracowały jednocześnie. Oznacza to, że w silniku czterocylindrowym trzy wtryski przypadały na zamknięty zawór ssący, a tylko jeden wtrysk miał miejsce wtedy, kiedy zawór ssący był otwarty. W przypadku wtrysku sekwencyjnego wtryskiwacze każdego cylindra dostają indywidualne sygnały sterujące.
Bezpośredni wtrysk benzyny - czyli to, co dziś jest najbardziej trendy. Ogromną zaletą takiego rozwiązania jest to, że wtryskiwane paliwo znacząco obniża temperaturę w cylindrze przy dużych obciążeniach silnika. Dzięki temu można podnieść stopień sprężania, szczególnie w silnikach doładowanych. W tych drugich można dodatkowo podnieść ciśnienie doładowania. Oba zabiegi są szeroko stosowane we współczesnych silnikach.
Audi w swoim silniku benzynowym 1.8 TFSI o mocy 180 KM postanowiło zastosować oba znane rodzaje wtrysku benzyny: pośredni i bezpośredni. Ten pierwszy wykorzystywany jest przy częściowych obciążeniach, a więc - jeżeli ktoś jeździ rozsądnie - najczęściej. Wtrysk bezpośredni pracuje wtedy, kiedy zażądamy od silnika maksymalnej mocy, a także w fazie rozgrzewania silnika po zimnym starcie.
W systemach bezpośredniego wtrysku benzyny ciśnienie w magistrali paliwowej dochodzi do 200 bar i tym samym jest znacznie wyższe od tego, które występuje w tradycyjnych systemach wtrysku do kolektora ssącego (MPI). W silnikach z bezpośrednim wtryskiem benzyny standard zabezpieczenia przed wyciekiem paliwa musi być podwyższony.
A oto główny bohater całego zamieszania: wtryskiwacz benzyny. Wykonuje się go przy wykorzystaniu najnowocześniejszej technologii drążenia otworów laserem. Umieszczona w cylindrze silnika końcówka wtryskiwacza musi wytrzymać bardzo wysokie temperatury, dochodzące do kilkuset stopni Celsjusza. Kiedy dojdzie do zużycia wtryskiwacza, jakość rozpylenia paliwa spada.