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

Historia praktycznych zastosowań wtrysku benzyny w silniku spalinowym na potrzeby transportu sięga czasów sprzed Pierwszej Wojny Światowej. Już wtedy lotnictwo pilnie poszukiwało nowych rozwiązań, mogących podnieść sprawność silników i pokonać problemy związane z zasilaniem w różnych położeniach samolotu. Pomocny okazał się właśnie wtrysk paliwa, który po raz pierwszy zagościł we francuskim silniku lotniczym V8 z 1903 r. Seryjnie wtrysk zastosowali w swych samolotach Niemcy w 1930 r. W samochodach pionierem wtrysku był mały samochód Gutbrod z 1951 r., napędzany silnikiem dwusuwowym. Dopiero w 1954 r. zadebiutował zasilany wtryskowo Mercedes 300 SL, powszechnie uznawany za prekursora w tej dziedzinie. W wersji sportowej był jednak pierwszym autem z bezpośrednim wtryskiem benzyny.

Elektroniczny wtrysk paliwa zastosowano po raz pierwszy w silniku Chryslera 300 z 1958 r. Wielopunktowy wtrysk benzyny zaczął pojawiać się powszechnie w samochodach z lat sześćdziesiątych, ale trafiał on głównie do modeli luksusowych. Dla zapewnienia odpowiedniego ciśnienia już wtedy wykorzystywano elektryczne pompy wysokociśnieniowe, ale za sterowanie wciąż odpowiadała mechanika, która odeszła w zapomnienie dopiero w 1981 r. wraz z zakończeniem produkcji Mercedesa 600. Układy wtryskowe wciąż były drogie i nie trafiały do samochodów tanich i popularnych. Ale gdy w latach osiemdziesiątych pojawiła się konieczność montowania katalizatorów we wszystkich autach, niezależnie od ich klasy, trzeba było również opracować tańszą odmianę wtrysku.

Obecność katalizatora wymagała bardziej precyzyjnego sterowania składem mieszanki niż mogły to zapewnić gaźniki. Tak powstał wtrysk jednopunktowy, zubożona wersja „wielopunktowca”, ale wystarczająca na potrzeby tanich aut. Od końca lat dziewięćdziesiątych zaczęła znikać z rynku, wyparta przez wtryski wielopunktowe, które obecnie są najpopularniejszym systemem zasilania w silnikach samochodowych. W 1996 r. wraz z samochodem Mitsubishi Carisma zadebiutował montowany seryjnie bezpośredni wtrysk paliwa. Nowa technologia wymagała wielu poprawek i początkowo znajdowała nielicznych naśladowców.

Jednak w obliczu coraz ostrzejszych norm spalin, które od początku najmocniej wpływały na postęp w dziedzinie układów zasilania samochodów, konstruktorzy musieli w końcu sięgnąć gremialnie po bezpośredni wtrysk benzyny. W najnowszych rozwiązaniach, na razie nielicznych, łączą dwa rodzaje wtrysku benzyny – pośredni wielopunktowy i bezpośredni.    

Wtrysk pośredni jednopunktowy
W jednopunktowych układach wtryskowych silnik zasilany jest przez pojedynczy wtryskiwacz. Montuje się go na wlocie kolektora ssącego. Paliwo podawane jest pod ciśnieniem około 1 bara. Rozpylone paliwo miesza się z powietrzem jeszcze przed wlotami kanałów prowadzących do poszczególnych cylindrów.

Mieszanka paliwowo-powietrzna zasysana jest do kanałów bez precyzyjnego dawkowania mieszanki dla każdego z cylindrów. Ze względu na różnice w długości kanałów i jakości ich wykończenia zasilanie cylindrów nie jest równomierne. Ale są też zalety. Ponieważ droga paliwa wymieszanego z powietrzem od wtryskiwacza do komory spalania jest długa, paliwo może dobrze odparować gdy silnik jest odpowiednio nagrzany. Gdy jest zimny paliwo nie odparowuje, lesz skrapla się na ściankach kolektora i trafia do komory spalania częściowo w formie kropel. W takiej postaci nie może być w pełni spalona podczas suwu pracy, co skutkuje niską efektywnością silnika w fazie nagrzewania.

Konsekwencją jest podwyższone zużycie paliwa i wysoka toksyczność spalin. Wtrysk jednopunktowy jest prosty i tani, nie wymaga wielu części ani skomplikowanych wtryskiwaczy i zaawansowanych systemów sterowania. Niskie koszty produkcji przekładają się na niższą cenę samochodu, a naprawy jednopunktowego wtrysku są nieskomplikowane. Taki rodzaj wtrysku nie jest stosowany w silnikach nowoczesnych samochodów osobowych. Można go znaleźć jedynie w modelach o zacofanej już konstrukcji, choć nadal produkowanych poza Europą. Jednym z przykładów może być irański Samand.

Zalety
- Prosta konstrukcja
- Niskie koszty produkcji i serwisowania
- Niska toksyczność spalin przy nagrzanym silniku

Wady
- Mała precyzja dawkowania paliwa
- Stosunkowo wysokie zużycie paliwa
- Duża toksyczność spalin w fazie nagrzewania silnika
- Małe możliwości w zakresie dynamiki silnika

Wtrysk pośredni wielopunktowy

Rozwinięciem jednopunktowego wtrysku pośredniego jest wtrysk pośredni wielopunktowy, z wtryskiwaczem w każdym kanale dolotowym. Paliwo podawane jest za przepustnicą, bezpośrednio przed zaworem ssącym, Wtryskiwacze osadzone są bliżej cylindrów, ale droga mieszanki paliwowo-powietrznej wciąż jest na tyle długa, że paliwo może odparować przy nagrzanym silniku. Z kolei fazie nagrzewania ma mniejszą tendencję do skraplania się na ściankach kanału dolotowego, bo droga między wtryskiwaczem a cylindrem jest krótsza. 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 podnoszenia dynamiki silnika, zmniejszenia zużycia paliwa i obniżenia toksyczności spalin. Początkowo nie stosowano zaawansowanych układów sterujących i wszystkie wtryskiwacze dawkowały paliwo w tym samym czasie. Takie rozwiązanie nie było optymalne, bo moment wtrysku nie w każdym cylindrze następował w najkorzystniejszym momencie (trafiało na zamknięty zawór ssący). Dopiero rozwój elektroniki pozwolił skonstruować bardziej zaawansowane układy sterujące, dzięki którym wtrysk zaczął działać precyzyjniej.

Początkowo wtryskiwacze otwierane były parami, potem opracowano system sekwencyjnego wtrysku paliwa, w którym każdy wtryskiwacz otwierany jest oddzielnie, w momencie optymalnym dla danego cylindra. Takie rozwiązanie pozwala precyzyjnie dobrać dawkę paliwa dla każdego suwu pracy. System wielopunktowy sekwencyjny jest dużo bardziej skomplikowany niż jednopunktowy, droższy w produkcji i kosztowniejszy w serwisowaniu. Pozwala jednak znacząco podnieść wydajność silnika przy niższym zużyciu paliwa i mniejszej toksyczności spalin.

Zalety
- Duża precyzja dawkowania paliwa
- Niskie zużycie paliwa
- Spore możliwości w zakresie dynamiki silnika
- Mała toksyczność spalin

Wady
- Znacząca komplikacja konstrukcji
- Stosunkowo wysokie koszty produkcji i serwisowania

Wtrysk bezpośredni

W tym rozwiązaniu wtryskiwacz osadzony jest w cylindrze i wtryskuje paliwo bezpośrednio do komory spalania. Z jednej strony jest to bardzo korzystne, bo umożliwia bardzo szybką wymianę ładunku paliwowo-powietrznego nad tłokiem. Na dodatek stosunkowo zimne paliwo dobrze chłodzi denko tłoka i ścianki cylindra, można więc podnieść stopień sprężania i zyskać wyższą sprawność silnika bez obawy o niekorzystne spalanie stukowe.

Silniki z bezpośrednim wtryskiem paliwa z założenia umożliwiają spalanie bardzo ubogich mieszanek paliwowo-powietrznych przy małych obciążeniach silnika, dla osiągnięcia wyjątkowo niskiego zużycia paliwa. Okazało się jednak, że rodzi to problemy z nadmiarem tlenków azotu w spalinach, dla eliminowania których trzeba montować odpowiednie systemy oczyszczające. Konstruktorzy walczą z tlenkami azotu na dwa sposoby: wprowadzając doładowanie i zmniejszając pojemność skokową (downsizing) albo montując skomplikowany system dwufazowych wtryskiwaczy. Praktyka pokazuje też, że przy bezpośrednim wtrysku paliwa pojawia się niekorzystne zjawisko osadzania się nagaru w kanałach dolotowych przy cylindrach oraz na trzonkach zaworów ssących (spadek dynamiki silnika, wzrost zużycia paliwa).

Wynika to z faktu, że zarówno kanały dolotowe jak i zawory ssące nie są omywane mieszanką paliwowo-powietrzną, tak jak przy wtrysku pośrednim. Dlatego nie są z nich zmywane drobne cząsteczki oleju, trafiające do układu ssącego z systemu odpowietrzania skrzyni korbowej. Olejowe nieczystości pod wpływem temperatury twardnieją, tworząc coraz grubszą warstwę niepożądanego osadu.

Zalety
- Bardzo duża precyzja dawkowania paliwa
- Możliwość spalania ubogich mieszanek
- Bardzo dobra dynamika silnika przy niskim zużyciu paliwa

Wady
- Bardzo duża komplikacja konstrukcji
- Bardzo wysokie koszty produkcji i serwisowania
- Problemy z nadmiarem tlenków azotu w spalinach
- Osadzanie się nagaru w układzie dolotowym

Wtrysk dwusystemowy - bezpośredni i pośredni

Mieszana konstrukcja układu wtryskowego wykorzystuje zalety obu rodzajów wtrysku pośredniego i bezpośredniego. Gdy silnik jest zimny działa wtrysk bezpośredni. Mieszanka paliwowo powietrzna trafia wprost nad tłok i nie ma możliwości skroplenia się. Gdy silnik jest już rozgrzany i pracuje pod niewielkim obciążeniem (jazda ze stałą prędkością, delikatne przyśpieszanie) wtrysk bezpośredni przestaje działać, a jego rolę przejmuje wielopunktowy wtrysk pośredni. Paliwo lepiej odparowuje, bardzo drogie wtryskiwacze systemu wtrysku bezpośredniego nie pracują i nie zużywają się, zawory ssące są omywane mieszanką paliwowo-powietrzną, więc nie zbiera się na nich nagar. Przy dużych obciążeniach silnika (mocne przyśpieszenia, szybka jazda) do pracy znowu przystępuje wtrysk bezpośredni, zapewniający bardzo szybkie napełnianie cylindrów.

Zalety
- Bardzo precyzyjne dawkowanie paliwa
- Optymalne zasilanie silnika w każdych warunkach
- Bardzo dobra dynamika silnika przy niskim zużyciu paliwa
- Brak zjawiska osadzania się nagaru w systemie dolotowym

Wady
- Ogromna komplikacja konstrukcji
- Niezwykle wysokie koszty produkcji i serwisowania