Przyzwyczailiśmy się już do myśli, że naprawdę ekonomiczne mogą być tylko silniki wysokoprężne. Tymczasem, jak się okazuje, silniki benzynowe wsparte odpowiednimi technologiami odrabiają straty!

W roku 1952 rozpoczęto seryjny montaż układów wtrysku bezpośredniego (firmy Bosch) w samochodach Gutbrod Superior 600 i Goliath 700 GP. Również legendarny Mercedes 300 SL otrzymał w 1954 układ wtrysku bezpośredniego. Pomysł narodził się jednak znacznie wcześniej - w roku 1937 firma Bosch produkowała już pompy wtryskowe do silników lotniczych.

Kolejne lata przyniosły na tym polu dominację układów gaźnikowych - prostszych i bardziej niezawodnych. Przemysł motoryzacyjny nie był jeszcze przygotowany, także technologicznie, do wtrysku bezpośredniego.

W latach 70. i 80. ubiegłego wieku, za sprawą coraz ostrzejszych norm czystości spalin, gaźniki zostały stopniowo wyparte przez mechaniczne, a potem elektroniczne układu wtrysku benzyny do kolektora dolotowego. Właśnie one dominują teraz we współczesnych silnikach z zapłonem iskrowym, ale można być pewnym, że ich dni są policzone. Przyszłością jest wtrysk bezpośredni benzyny. Już prawie każdy poważny koncern oferuje samochody wykorzystujące ową technologię i oferta ta zwiększa się z miesiąca na miesiąc.

Przypomnijmy - to Mitsubishi było owym pionierem, który jako pierwszy w roku 1998 znów postawił na wtrysk bezpośredni. Silniki GDI z koncernu spod znaku trzech diamentów (lub przynajmniej japońska technologia wtrysku) pojawiły się wkrótce w samochodach europejskich (Volvo, koncern PSA). Dołączyli do tej grupy także inni producenci,  np. Renault, Toyota, Fiat-Alfa Romeo. W roku 2000 do produkcji wszedł DI-Motronic firmy Bosch. Obecnie każda firma może zastosować w swych konstrukcjach osprzęt do wtrysku bezpośredniego.

Dlaczego nie do kolektora?
Zastanówmy się zatem, cóż tak atrakcyjnego jest we wtryskiwaniu (benzyny) bezpośrednio do komory spalania, a nie do kolektora dolotowego? Odpowiedź jest bardzo prosta: zwykły, tłokowy silnik benzynowy pracuje naprawdę efektywnie tylko pod wysokim obciążeniem, to znaczy wtedy, gdy zapotrzebowanie na oddawaną przezeń moc jest takie, iż możliwe jest całkowite napełnianie cylindrów mieszanką paliwa z powietrzem. Niestety, w praktyce takie stany występują rzadko i właściwie każdy silnik jest "za duży" do spokojnego poruszanie się w miejskim ruchu, do oczekiwania w korku, a nawet do zwykłej, nieśpiesznej jazdy szosowej.

Oddawanej mocy nie można ograniczyć poprzez zubożenie mieszanki, gdyż granice jej składu, w jakich nastąpi zapłon, są bardzo wąskie. Ponadto uboga mieszanka powoduje nadmierną emisję tlenków azotu. Tak więc przy niskich obciążeniach układ dolotowy dławiony jest przepustnicą, co drastycznie zmniejsza sprawność silnika.

Tymczasem w układach z wtryskiem bezpośrednim możliwe jest spalanie paliwa w dwu podstawowych konfiguracjach: jako mieszanki uwarstwionej, tj. wypełniającej cylinder i komorę spalania tylko lokalnie (przy niewielkich obciążeniach), oraz jako "zwykłej" mieszanki homogenicznej, przy wysokich obciążeniach. Efektem jest istotne obniżenie zużycia paliwa, np. w jeździe miejskiej, gdy spalana jest mieszanka uwarstwiona (statystycznie o 10-20%), i utrzymanie go na dotychczasowym poziomie przy jeździe szosowej. Dodajmy do tego możliwość dość swobodnego kształtowania strumienia wtryśniętego paliwa, łatwość podziału fazy wtrysku na kilka części (w zależności od potrzeb) oraz to, iż objętość cylindra można dopełniać gazami spalinowymi. W sumie wtrysk bezpośredni pozwala na nieosiągalne w inny sposób dopracowanie procesu spalania, do tego stopnia, że współczesne silniki benzynowe mogą już konkurować (pod względem zużycia paliwa) z silnikami wysokoprężnymi z bezpośrednim wtryskiem.

Mnóstwo nowości
Istnieje kilka podstawowych systemów wtrysku bezpośredniego benzyny (w zależności od położenia kanału dolotowego i wtryskiwacza), a wszystkie one mają swoje określone zalety. Tym razem jednak wspomnijmy o rozwiązaniach przyszłościowych, gdyż nawet ta, całkiem nowa, technologia nie stoi w miejscu.

Bosch informował ostatnio o planowanym połączeniu wtrysku bezpośredniego z turbodoładowaniem. O ile silniki turbodoładowane sprawdzają się przy znacznych obciążeniach, ich wadą jest konieczność stosowania względnie niskich stopni sprężania. Tymczasem wtrysk bezpośredni, schładzający zassany ładunek, umożliwi zastosowanie turbodoładowania wraz z wysokim stopniem sprężania, a efektem będzie możliwość zmniejszenia pojemności skokowej i gabarytów silnika. Pozostaje jeszcze zjawisko tzw. turbodziury, dotychczas nieodłącznie związane z wysilonymi silnikami turbo. Bosch proponuje użycie dodatkowej sprężarki elektrycznej (na 12 V), która całkowicie usunie tą niedogodność przy przejściach ze stanu niskiego do wysokiego obciążenia silnika.

Nowoczesne systemy DI-Motronic Boscha będą oczywiście wykorzystywać wszystkie możliwe rozwiązania mające na celu ograniczenie emisji szkodliwych spalin, z podgrzewaniem katalizatorów (przez zastosowanie specjalnej procedury wtrysku, rozruchem na wysokociśnieniowej mieszance uwarstwionej i pracą, w razie potrzeby, na mieszance homogenicznej.

Ciekawostką jest jeszcze jedna koncepcja - rozruch bez rozrusznika! Przy wtrysku bezpośrednim jest to możliwe, jeżeli tłok w cylindrze zatrzymuje się w odpowiedniej fazie. System ten już został przetestowany. Umożliwia on dokonanie szybkiego rozruchu nagrzanego silnika (np. w oszczędnościowej miejskiej strategii "stop and go"), a także wspomaganie rozrusznika w utrudnionych warunkach rozruchu.

Przyszłościowym rozwiązaniem będzie proces spalania strumieniowego, czyli wtrysk rozdrobnionego paliwa wprost na świecę zapłonową, a nie na ścianki tłoka lub cylindra, co powinno pozwolić na dalsze oszczędności. Tą drogą idzie także firma Delphi, korzystająca w swych badaniach z idei wtrysku bezpośredniego, opracowanej przez australijski Orbital. System polega na centralnym wtrysku nie tylko paliwa, ale paliwa wraz ze sprężonym powietrzem. Takie rozwiązanie pozwoli na idealne kształtowanie procesu spalania, znowu szczególnie przy niskich obciążeniach. Dodatkowe bonusy to możliwość uzyskania wyższego efektywnego stopnia sprężania i lepszego napełnienia cylindra. Inną, komplementarną technologią Delphi i Orbitala jest zintegrowanie wtryskiwacza do wtrysku bezpośredniego ze świecą zapłonową. Takie urządzenie pozwoli na łatwą adaptację systemów DI do wielu istniejących silników.

Wtrysk bezpośredni stosowany jest również w silnikach dwusuwowych - np. zaburtowych i skuterach wodnych, gdzie pozwala na mniejsze zanieczyszczenie środowiska.

Źródło: Jerzy Dyszy "Bezpośrednio jest lepiej", MOTOR nr 32 (2617), 5 sierpnia 2003, str. 38-39