Ostatni oddech gaźnika: narodziny wtrysku paliwa

Przejście z gaźnika na elektroniczny wtrysk paliwa to najcichsza, ale najbardziej przełomowa rewolucja techniczna w stuletniej historii silnika o spalaniu wewnętrznym: Wtrysk paliwa zadomowił się w samochodach osobowych na początku lat 50., między 1960 a latami 80. rodzina Bosch Jetronic obaliła gaźnik, a na początku lat 2000. całkowicie zniknął on z nowo produkowanych samochodów. Ta strona opisuje, jak przebiegło to przejście, jakimi liczbami zostało wygrane i co zmieniło w inżynierii.

Od około 125 lat zasada pracy czterosuwowego silnika benzynowego się nie zmieniła: powietrze, paliwo, sprężanie, zapłon. Zmieniło się to, jak precyzyjnie dozowana jest ta mieszanka do silnika. Gaźnik przez stulecie wykonywał tę pracę mechaniczną inteligencją, opierając się na sile ssącej przepływu powietrza. Elektroniczny wtrysk paliwa (EFI) nauczył się wykonywać tę samą pracę poprzez pomiar, obliczenia i oddzielnie dla każdego cylindra. Różnica między nimi okazała się decydująca nie tylko w tabelach wydajności, ale także w kierunku historii silnika.

Dlaczego Gaźnik Przetrwał Sto Lat?

Siła gaźnika tkwiła w jego prostocie. Do zmieszania paliwa z przepływem powietrza w kolektorze dolotowym wystarczała ruchoma membrana, kilka dysz i komora pływakowa; montaż był łatwy, serwis wykonywano narzędziami ręcznymi, a koszt niski. Przez całe stulecie ta prostota uczyniła gaźnik faktycznym standardowym rozwiązaniem zasilania czterosuwowego silnika benzynowego.

Ale właśnie tutaj tkwiła strukturalna granica gaźnika: nie był precyzyjny w rozdzielaniu paliwa. Stosunek powietrza do paliwa mierzy się wagowo; 15:1 oznacza 15 funtów powietrza na 1 funt benzyny. Wyrażony objętościowo stosunek ten odpowiada około 9.000 galonów powietrza na 1 galon benzyny; utrzymanie przez gaźnik tej równowagi przy każdym obrocie i w każdej temperaturze to inżynierska sztuczka, a nie gwarantowana wartość pomiaru. Czterosuwowe silniki benzynowe mogą pracować na mieszankach od najbogatszej 8:1 do najubogiej 18,5:1-19:1; idealny przedział dla maksymalnej mocy to 12:1-13,5:1, a dla najlepszej ekonomii paliwowej 15:1-16:1. Gaźnik musiał przeskakiwać między tymi przedziałami i gdy nadeszła era emisji, nie potrafił tego robić z wystarczającą precyzją.

Jak Narodził się Wtrysk Paliwa? Od Motorsportu do Produkcji Seryjnej

Korzenie idei wtrysku sięgają roku 1925 i szwedzkiego inżyniera Jonasa Hesselmana; ale na upowszechnienie tej technologii trzeba było czekać ponad czterdzieści lat. Pierwszy wtrysk paliwa w silniku benzynowym nadszedł natomiast nietypową drogą: Goliath GP700 - 1952, niemal wtedy nieznany, noszący zaadaptowany układ diesla. Następnie Mercedes-Benz zaprezentował pierwszy silnik benzynowy z wtryskiem bezpośrednim w legendarnym samochodzie sportowym 300SL Gullwing.

Prawdziwym laboratorium były tory wyścigowe. Mechaniczny układ wtrysku opracowany przez Stu Hilborna nad słonymi jeziorami Bonneville pojawił się w silnikach Meyer-Drake Offy podczas Indianapolis 500 w 1949 roku; Wtryskiwacze Hilborn zdobyły ponad 34 zwycięstwa w Indianapolis 500 między latami 50. a 70. XX wieku. Na drogach i ulicach również istniały wczesne przykłady: W Chevrolet Corvette z 1957 roku zastosowano układ Rochester Ramjet Fuel Injection i stał się on jednym z rzadkich wtryskowych przykładów ery klasyków.

Bendix Electrojector: Pierwsza elektroniczna próba

Pierwszym seryjnie produkowanym elektronicznym układem wtrysku paliwa był Bendix Electrojector. Chrysler oferował ten układ przez krótki czas w roku modelowym 1958; w tym samym roku Electrojector znajdował się w modelach Chrysler 300D, DeSoto Adventurer, Dodge D-500 i Plymouth Fury. Były to pierwsze znane samochody korzystające z elektronicznego wtrysku paliwa. Znacząca część oryginalnej pracy inżynieryjnej nad systemem wykonano w 1951 roku w firmie Bendix Corp. w USA - rodzina Bosch Jetronic jest w istocie spadkobierczynią tego amerykańskiego pioniera.

Rodzina Bosch Jetronic: Układy, które pokonały gaźnik

Bosch wyznaczył punkt startowy rodziny Jetronic schematem elektronicznego układu wtrysku benzyny z roku 1959. Opracowany na początku lat 60. D-Jetronic stał się pierwszym seryjnie produkowanym elektronicznym systemem wtrysku paliwa tej firmy i został zaprezentowany jako pierwszy skuteczny elektroniczny system wtryskowy, który w połowie lat 60. zastąpił gaźnik. D-Jetronic po raz pierwszy pojawił się w 1967 roku w modelu VW 1600 TL; w niektórych rynkach pierwszego użytkownika odnotowuje się jako model 1968 VW Type 3. Mercedes-Benz natomiast stosował D-Jetronic w swoich sześciocylindrowych i silnikach V8 od 1967 roku aż do 1976 roku. Podany przez Wikipedię zakres produkcji jest jasny: 1967-1979.

Logika działania D-Jetronic w dawnej terminologii to zasada "speed-density" (prędkość-gęstość): mierzy się ciśnienie powietrza w kolektorze dolotowym (czujnik MAP) i obroty silnika, a paliwo oblicza się na podstawie tych dwóch danych. Zamiast bezpośrednio ważyć powietrze faktycznie wpadające do silnika, szacuje się je na podstawie dwóch mierzalnych zmiennych - dokładnie taka była logika pierwszego kroku wtrysku elektronicznego.

Droga mechaniczna: K-Jetronic

Bosch opracował K-Jetronic jako mechaniczny odpowiednik elektronicznego D-Jetronic. Następny członek tej rodziny, L-Jetronic (L od niemieckiego "Luft", czyli powietrze), został wprowadzony w połowie lat 70.: mierzył objętość powietrza ruchomym czujnikiemwgłosowym umieszczonym nad przepustnicą i został przyjęty przez Forda oraz wielu azjatyckich i europejskich producentów. W 1974 roku D-Jetronic został zastąpiony przez K-Jetronic i L-Jetronic; choć niektóre pojazdy - na przykład Volvo 164 - nadal korzystały z D-Jetronic. W latach 70. Bosch i BMW byli pionierami tych wczesnych systemów; natomiast Ford wprowadził swój pierwszy cyfrowy system w 1980 roku.

Dlaczego przejście przyspieszyły normy emisji?

To, co pokonało gaźnik, nie była tylko wydajność ani spalanie; prawdziwą siłą napędową były zaostrzające się normy emisji w USA i na świecie. Gaźnik nie potrafił utrzymać mieszanki paliwowo-powietrznej w wąskim przedziale, jakiego wymagał katalizator i zaostrzające się przepisy. Wtrysk, zapewniając dokładniejszą kontrolę mieszanki, oferował czystsze spalanie i niższe emisje - celem we współczesnych silnikach jest stechiometryczny stosunek 14,7:1, ustalający równowagę między emisjami a mocą/ekonomią, i można go osiągnąć tylko z dokładnością, jaką zapewnia wtrysk sterowany komputerowo.

Interesująca była również droga przejścia: systemy TBI (wtrysk w korpusie przepustnicy) w praktyce przypominały "elektroniczny gaźnik" - wieżyczkę wentylacyjną i komorę pływakową zastępowano wtryskiwaczem z jednym-dwoma elektrozaworami. Było to ekonomiczne i skuteczne rozwiązanie przejściowe, ale ponieważ dzieliło słabości gaźnika, w dużej mierze zniknęło z produkcji na początku lat 90.. Prawdziwy skok nastąpił w połowie i pod koniec lat 80., gdy wzrosła szybkość przetwarzania komputerów sterujących silnikiem: możliwy stał się wtrysk sekwencyjny, czyli wtryskiwanie paliwa zgodnie z fazą ssania każdego cylindra. Nowelizacje Clean Air Act z początku lat 90. i wymagania OBD-II faktycznie wymusiły sterowanie paliwem na każdym zaworze dolotowym. Od tego momentu dyskusja została zakończona: cyfrowe sterowanie komputerowe uczyniło standardem dokładność pomiaru paliwa, której gaźnik nigdy nie był w stanie zapewnić.

Wtrysk czy gaźnik? Porównanie w liczbach

Zebranie różnic obu systemów w jednej tabeli to najjaśniejszy sposób, by dostrzec równowagę inżynieryjną:

Jak widać w tabeli, tam gdzie gaźnik przegrał z wtryskiem, była dokładność pomiaru; tam gdzie nadal wygrywa, to prostota. Słabości wczesnego EFI również nie powinny być ignorowane: W połowie lat 80. zapchane wtryskiwacze portowe i osady na zaworach dolotowych spowodowane benzyną bez detergentów były znanymi problemami pierwszych systemów wtrysku portowego - pokonano je dzięki dodatkom do paliwa i właściwemu pozycjonowaniu wtryskiwaczy. Systemy oparte na MAF oferowały najbardziej precyzyjną kontrolę paliwa, ale z powodu swojej złożoności elektronicznej były przez pewien czas uważane za jedne z najbardziej problematycznych. Krótko mówiąc, EFI nie było od razu doskonałe; dojrzało.

Tempo przejścia: Cały rynek w dziesięć lat

Amerykańscy producenci upowszechnili EFI w zwykłych samochodach seryjnych na początku lat 80.: Ford w 1983, GM i Chrysler w 1983-84. Japońscy producenci również zwrócili się w tym samym kierunku pod koniec lat 70. i na początku lat 80. Dziś EFI jest uniwersalnym standardem dla prawie wszystkich samochodów osobowych i lekkich pojazdów użytkowych na świecie; gaźnik całkowicie zniknął z nowo produkowanych samochodów osobowych na początku lat 2000.

Ta sama przemiana dokonała się również w motocyklach, a proces został tam wyraźnie udokumentowany: Harley-Davidson testował EFI w modelach policyjnych w latach 80.; w 1995 modele turystyczne FLH stały się pierwszymi Harleyami z fabrycznym EFI; system został ustandaryzowany w serii Touring w 2002, a w 2007 wszystkie modele przychodziły z EFI - motocykle gaźnikowe oficjalnie odeszły do historii w gamie produktów. Tradycjonaliści nadal bronią prostoty gaźnika i elastyczności regulacji mechanicznej; ale konieczność ponownej regulacji silnika z gaźnikiem przy zmianie wysokości nad poziomem morza pozostawała praktyczną wadą w porównaniu z automatycznym dostosowaniem EFI.

Dziedzictwo cichej rewolucji

Przejście od gaźnika do elektronicznego wtrysku paliwa nie było przekształceniem jednej części w drugą; była to zmiana koncepcji "zarządzania" silnikiem. Gaźnik opierał się na samoczynnym zachowaniu silnika; EFI ustanowiło architekturę komputerową, która mierzyła, co robi silnik, i podejmowała decyzje na tej podstawie. Ten komputer z czasem ewoluował w jednostkę sterującą silnika, a cała współczesna technologia silnikowa, od zarządzania turbosprężarką po strategie wykrywania spalania stukowego, wzniosła się na tym fundamencie.

Podsumowując liczbami: Elektroniczny wtrysk, przetestowany w 1958 roku na kilku setkach elitarnych modeli Chryslera, zadebiutował legalnie w rodzinnym samochodzie w 1967 roku z VW 1600 TL, w latach 1983-84 stał się standardowym punktem przejścia dla wszystkich dużych producentów, a na początku lat 2000. skreślił gaźnik z linii produkcyjnych, kończąc jego erę. Droga od pomysłu Emila Hesselmana z 1925 roku do nowoczesnego EFI trwała około 75 lat; ale ostatnia dekada - czyli właściwa transformacja - nie zajęła nawet dekady. To jeden z najczystszych przykładów w historii inżynierii pokazujących, że to, co naprawdę zabija technologię, to dojrzewanie lepszej alternatywy.

Źródła

• Mastering the Basics: Electronic Fuel Injection | MOTOR
• A backbone of Automotive Electronics – Bosch Stories
• Fuel injection - Wikipedia
• Electrojector i D-Jetronic: Wczesny elektroniczny wtrysk paliwa - Ate Up With Motor
• Układy wtryskowe Bosch D-Jetronic, K-Jetronic i KE-Jetronic - Hemmings
• Długa i kręta droga do wtrysku paliwa EFI - Hagerty
• Pieśń o powietrzu i paliwie: Jak wtrysk paliwa trafił do samochodów - Škoda Motorsport
• D-Jetronic rozdział 1: Historia - jetronic.org
• Ostatnie egzemplarze gaźników w Harley-Davidson - Caliente Harley-Davidson
• Dlaczego współczesne samochody już nie używają gaźników? - Inmon Auto