Wtrysk paliwa w silnikach benzynowych. Zalety, wady i możliwe problemy

Rodzaj układu wtryskowego determinuje parametry silnika oraz koszty eksploatacji. Wpływa na dynamikę, zużycie paliwa, emisję spalin oraz koszty utrzymania samochodu.

Historia praktycznego zastosowania wtrysku benzyny w silniku spalinowym w transporcie sięga okresu przed I wojną światową. Już wtedy lotnictwo pilnie poszukiwało nowych rozwiązań, które mogłyby poprawić sprawność silników i przezwyciężyć problemy z mocą w różnych pozycjach samolotu. Przydatny okazał się wtrysk paliwa, który po raz pierwszy pojawił się we francuskim silniku lotniczym V8 z 1903 roku. Dopiero w 1930 roku zadebiutował Mercedes 1951 SL z wtryskiem paliwa, powszechnie uważany za prekursora w tej dziedzinie. Jednak w wersji sportowej był to pierwszy samochód z bezpośrednim wtryskiem benzyny.

Elektroniczny wtrysk paliwa został po raz pierwszy zastosowany w modelu 300 w silniku Chryslera z 1958 r. Wielopunktowy wtrysk benzyny zaczął pojawiać się w samochodach w latach 1981. XX wieku, ale był stosowany głównie w modelach luksusowych. Elektryczne pompy wysokiego ciśnienia były już w użyciu, aby zapewnić odpowiednie ciśnienie, ale za sterowanie nadal odpowiadali mechanicy, którzy odeszli w zapomnienie dopiero w 600 wraz z końcem produkcji Mercedesa XNUMX. Układy wtryskowe były nadal drogie i nie zamieniły się na tanie i popularne samochody. Kiedy jednak w latach XNUMX-tych konieczne stało się instalowanie katalizatorów we wszystkich samochodach, niezależnie od ich klasy, trzeba było opracować tańszy rodzaj wtrysku.

Obecność katalizatora wymagała dokładniejszej kontroli składu mieszanki niż gaźniki. W ten sposób powstał wtrysk jednopunktowy, skromna wersja „wielopunktowego”, ale wystarczająca na potrzeby tanich samochodów. Od końca lat dziewięćdziesiątych zaczął znikać z rynku, zastępując go wtryskiwaczami wielopunktowymi, które są obecnie najpopularniejszym układem paliwowym w silnikach samochodowych. W 1996 roku bezpośredni wtrysk paliwa zadebiutował jako standard w Mitsubishi Carisma. Nowa technologia wymagała poważnych ulepszeń i początkowo znalazła niewielu naśladowców.

Jednak w obliczu coraz bardziej rygorystycznych norm emisji spalin, które od samego początku miały ogromny wpływ na postęp w samochodowych układach paliwowych, projektanci ostatecznie musieli przejść na bezpośredni wtrysk benzyny. W najnowszych rozwiązaniach, jak dotąd nielicznych, łączą one dwa rodzaje wtrysku benzyny – pośredni wielopunktowy i bezpośredni.    

Pośredni wtrysk jednopunktowy

W układach wtrysku jednopunktowego silnik zasilany jest jednym wtryskiwaczem. Montuje się go na wlocie kolektora dolotowego. Paliwo podawane jest pod ciśnieniem około 1 bara. Zatomizowane paliwo miesza się z powietrzem przed otworami wlotowymi kanałów prowadzących do poszczególnych cylindrów.

Mieszanka paliwowo-powietrzna zasysana jest do kanałów bez precyzyjnego dozowania mieszanki na każdy cylinder. Ze względu na różnice w długości kanałów i jakości ich wykończenia zasilanie siłowników jest nierównomierne. Ale są też korzyści. Ponieważ droga mieszanki paliwowo-powietrznej od wtryskiwacza do komory spalania jest długa, paliwo może dobrze odparować, gdy silnik się odpowiednio nagrzeje. W chłodne dni paliwo nie paruje, włosie skrapla się na ściankach kolektora i częściowo trafia do komory spalania w postaci kropel. W tej postaci nie może się całkowicie spalić w cyklu roboczym, co prowadzi do niskiej sprawności silnika w fazie rozgrzewania.

Konsekwencją tego jest zwiększone zużycie paliwa oraz wysoka toksyczność spalin. Wtrysk jednopunktowy jest prosty i tani, nie wymaga wielu części, skomplikowanych dysz i zaawansowanych systemów sterowania. Niskie koszty produkcji przekładają się na niższą cenę pojazdu, a naprawy wtryskiem jednopunktowym są łatwe. Ten rodzaj wtrysku nie jest stosowany w nowoczesnych silnikach samochodów osobowych. Można go spotkać jedynie w modelach o wstecznej konstrukcji, choć produkowanej poza Europą. Jednym z przykładów jest irański Samand.

przywileje

– Prosta konstrukcja

– Niskie koszty produkcji i utrzymania

– Niska toksyczność spalin przy gorącym silniku

defekty

– Mała dokładność dawkowania paliwa

– Stosunkowo wysokie zużycie paliwa

– Wysoka toksyczność spalin w fazie rozgrzewania silnika

– Słabe osiągi w zakresie dynamiki silnika

Pośredni wtrysk wielopunktowy

Rozszerzeniem wtrysku pośredniego jednopunktowego jest wtrysk pośredni wielopunktowy z wtryskiwaczem w każdym króćcu dolotowym. Paliwo podawane jest za przepustnicą, tuż przed zaworem dolotowym.Wtryskiwacze są bliżej cylindrów, ale droga mieszanki paliwowo-powietrznej jest wciąż wystarczająco długa, aby paliwo odparowało na gorącym silniku. Z drugiej strony faza grzania ma mniejszą tendencję do skraplania się na ściankach króćca wlotowego, ponieważ odległość między wtryskiwaczem a cylindrem jest mniejsza. W układach wielopunktowych paliwo podawane jest pod ciśnieniem od 2 do 4 barów.

Oddzielny wtryskiwacz dla każdego cylindra daje konstruktorom zupełnie nowe możliwości w zakresie zwiększenia dynamiki silnika, zmniejszenia zużycia paliwa oraz redukcji emisji spalin. Początkowo nie stosowano zaawansowanych systemów sterowania, a wszystkie dysze jednocześnie odmierzały paliwo. Rozwiązanie to nie było optymalne, ponieważ moment wtrysku nie wystąpił w każdym cylindrze w najkorzystniejszym momencie (gdy uderzył w zamknięty zawór dolotowy). Dopiero rozwój elektroniki umożliwił zbudowanie bardziej zaawansowanych układów sterowania, dzięki którym wtrysk zaczął działać dokładniej.

Początkowo dysze otwierały się parami, następnie opracowano system sekwencyjnego wtrysku paliwa, w którym każda dysza otwiera się osobno, w optymalnym momencie dla danego cylindra. Takie rozwiązanie pozwala na dokładne dobranie dawki paliwa dla każdego skoku. Szeregowy system wielopunktowy jest znacznie bardziej złożony niż system jednopunktowy, droższy w produkcji i droższy w utrzymaniu. Pozwala jednak znacznie zwiększyć wydajność silnika przy mniejszym zużyciu paliwa i mniejszej toksyczności spalin.

przywileje

– Wysoka dokładność dawkowania paliwa

– Niskie zużycie paliwa

– Wiele możliwości w zakresie dynamiki silnika

– Niska toksyczność spalin

defekty

- Znacząca złożoność projektu

– Stosunkowo wysokie koszty produkcji i utrzymania

Bezpośredni wtrysk

W tym rozwiązaniu wtryskiwacz montowany jest w cylindrze i wtryskuje paliwo bezpośrednio do komory spalania. Z jednej strony jest to bardzo korzystne, gdyż pozwala bardzo szybko wymienić ładunek paliwowo-powietrzny nad tłokiem. Dodatkowo stosunkowo zimne paliwo dobrze chłodzi dekiel tłoka i ścianki cylindra, dzięki czemu można zwiększyć stopień sprężania i zwiększyć wydajność silnika bez obawy o niekorzystne spalanie stukowe.

Silniki z wtryskiem bezpośrednim są zaprojektowane do spalania bardzo ubogich mieszanek paliwowo-powietrznych przy niskich obciążeniach silnika w celu osiągnięcia bardzo niskiego zużycia paliwa. Okazało się jednak, że powoduje to problemy z nadmiarem tlenków azotu w spalinach, których wyeliminowanie wymaga zainstalowania odpowiednich systemów czyszczących. Konstruktorzy walczą z tlenkami azotu na dwa sposoby: dodając doładowanie i zmniejszając rozmiar lub instalując skomplikowany system dwufazowych dysz. Praktyka pokazuje również, że przy bezpośrednim wtrysku paliwa występuje niekorzystne zjawisko osadzania się nagaru w kanałach dolotowych cylindrów oraz na trzonkach zaworów dolotowych (spadek dynamiki silnika, wzrost zużycia paliwa).

Wynika to z faktu, że zarówno otwory dolotowe, jak i zawory dolotowe nie są przepłukiwane mieszanką paliwowo-powietrzną, jak ma to miejsce w przypadku wtrysku pośredniego. Dlatego nie są wymywane przez drobne cząsteczki oleju dostające się do układu ssącego z układu wentylacji skrzyni korbowej. Zanieczyszczenia olejowe twardnieją pod wpływem temperatury, tworząc coraz grubszą warstwę niepożądanego osadu.

przywileje

– Bardzo wysoka dokładność dawkowania paliwa

– Możliwość spalania ubogich mieszanek

– Bardzo dobra dynamika silnika przy niskim zużyciu paliwa

defekty

- Niezwykle złożona konstrukcja

– Bardzo wysokie koszty produkcji i utrzymania

– Problemy z nadmiarem tlenków azotu w spalinach

- Osady węgla w układzie dolotowym

Podwójny wtrysk - bezpośredni i pośredni

Konstrukcja mieszanego układu wtrysku wykorzystuje zarówno wtrysk pośredni, jak i bezpośredni. Wtrysk bezpośredni działa, gdy silnik jest zimny. Mieszanka paliwowo-powietrzna przepływa bezpośrednio nad tłokiem i kondensacja jest wykluczona. Gdy silnik jest ciepły i pracuje pod lekkim obciążeniem (jazda ze stałą prędkością, płynne przyspieszanie) przestaje działać wtrysk bezpośredni i przejmuje go wtrysk wielopunktowy pośredni. Paliwo lepiej odparowuje, bardzo drogie wtryskiwacze z bezpośrednim wtryskiem nie działają i nie zużywają się, zawory dolotowe są myte mieszanką paliwowo-powietrzną, więc nie tworzą się na nich osady. Przy dużych obciążeniach silnika (duże przyspieszenie, szybka jazda) ponownie włączany jest wtrysk bezpośredni, co zapewnia bardzo szybkie napełnianie cylindrów.

przywileje

– Bardzo precyzyjne dawkowanie paliwa

– Optymalna dostawa silnika w każdych warunkach

– Bardzo dobra dynamika silnika przy niskim zużyciu paliwa

– Brak osadów węglowych w układzie dolotowym

defekty

- Ogromna złożoność projektu

– Ekstremalnie wysokie koszty produkcji i utrzymania