Wtrysk pośredni czy bezpośredni? Dlaczego wybór zasilania silnika jest tak ważny

Wtrysk pośredni (do kolektora dolotowego) dostarcza paliwo do kolektora ssącego, a wtrysk bezpośredni rozpyla paliwo bezpośrednio do komory spalania; wtrysk pośredni zapewnia łagodniejszą reakcję na gaz i niższą emisję cząstek stałych, a wtrysk bezpośredni daje wyższą sprawność i niższą emisję CO2. Dlatego producenci, którzy chcą jednocześnie uzyskać równowagę między mocą, sprawnością i emisjami, stosują oba systemy razem na tym samym silniku.

Czym jest wtrysk pośredni i czym różni się od wtrysku bezpośredniego?

Benzyna w stanie ciekłym sama z siebie się nie pali. Aby doszło do spalania, musi najpierw zostać rozdrobniona na drobne kropelki - czyli zmienić się w mgłę (atomizacja) - a następnie odparować. Wszystkie różnice między tymi dwoma rodzajami wtrysku wynikają z tego prostego wymogu fizyki: gdzie i pod jakim ciśnieniem paliwo jest rozpylane, determinuje charakter silnika.

W wtrysku pośrednim (PI, zwany też multi-point/MPFI, ponieważ każdy cylinder ma osobny wtryskiwacz) wtryskiwacz montuje się w kolektorze dolotowym i rozpyla paliwo tuż przed zaworem dolotowym, za zaworem. Paliwo pokonuje długą drogę w kolektorze dolotowym przed dostaniem się do cylindra i ma dużo czasu na odparowanie. Umieszczenie wtryskiwacza z dala od zaworu i świecy, w pozycji nad zaworem, jest również mechanicznie proste; ponieważ system pracuje przy niskim ciśnieniu, jest zarówno tani, jak i niezawodny.

W wtrysku bezpośrednim (GDI/DI) wtryskiwacz otwiera się bezpośrednio do komory spalania przez osobny punkt dostępu w głowicy cylindra. Ciśnienie rośnie wielokrotnie: jest to 50-100 razy więcej niż ciśnienie w systemie pośrednim. Skala pokazuje, jak dramatyczna jest to różnica - paliwo sprężone do 1000 psi, rozpylane przez otwory o średnicy 0,006-0,011 cala, wytwarza mgłę poruszającą się z prędkością 135 mph, o kropelkach o średnicy zaledwie 0,000003 cala. Ta zmiana stanu skupienia zachodzi wewnątrz cylindra i właśnie tam jest odczuwana.

Wtrysk pośredni: Dlaczego wciąż jest aktualną technologią?

Najbardziej niedocenianą zaletą wtrysku pośredniego jest wykorzystanie ciepła pochłanianego przez paliwo podczas odparowania. W systemie PI efekt chłodzenia zachodzi w kolektorze dolotowym; paliwo schładza napływające powietrze, zwiększa jego gęstość i podnosi potencjał mocy silnika wolnossącego. Innymi słowy, wtrysk pośredni daje silnikom atmosferycznym wewnętrzną, niewielką przewagę doładowania.

Druga zaleta dotyczy emisji. Paliwo, dotykając powierzchni za zaworem i odparowując przez dłuższy czas, przygotowuje jednorodną mieszankę; to zmniejsza ilość paliwa, które ucieka ze spalania, i ogranicza emisję cząstek stałych (PM). Reakcja na gaz również z tych samych powodów jest łagodna: mieszanka jest gotowa w każdym warunku, układ jest prosty i przewidywalny. Technicznym odpowiednikiem wrażenia wielu kierowców, że "stare silniki miały więcej charakteru", jest właśnie częściowo ta przewidywalność.

Słabe strony też są jasne. Mieszanina nie może być tak drobno rozpylona jak we wtrysku bezpośrednim; część wtryskiwanego paliwa przywiera do ścianek kanału ssącego, zaburzając zamierzoną proporcję powietrza i paliwa. Ponieważ całość mieszanki wchodzącej do cylindra nie spala się w idealnych warunkach, silnik PI pozostaje w tyle pod względem sprawności cieplnej wobec DI.

Co daje wtrysk bezpośredni, a co odbiera?

Zalety: Sprężanie, sprawność i CO2

Prawdziwa siła wtrysku bezpośredniego polega na przeniesieniu chłodzenia parowaniem do wnętrza komory spalania. Ta zmiana fazy zachodząca w trakcie suwu sprężania zmniejsza ryzyko przedwczesnego i niekontrolowanego zapłonu mieszanki - czyli spalania stukowego. Ponieważ temperatury powierzchni komory spalania spadają, inżynierowie mogą stosować wyższy stopień sprężania zarówno w silnikach wolnossących, jak i turbodoładowanych; a wysoki stopień sprężania oznacza bezpośrednio wyższą sprawność. Bardziej efektywne spalanie paliwa oznacza mniej paliwa do wykonania tej samej pracy i niższą emisję CO2. To podstawowy krok technologiczny, który pozwala nam porównywać stopnie sprężania większości nowoczesnych benzyniaków z silnikami z początku lat 2000.

Wady: Koszt, hałas i cząstki stałe

Ta sama technologia ma też swoją fakturę. Ciśnienie 50-100 razy wyższe oznacza droższe wtryskiwacze i pompę wysokiego ciśnienia; stale wytwarzanie wysokiego ciśnienia przez pompę to dodatkowe źródło hałasu i dlatego większość silników DI pracuje z dwiema pompami paliwa. Wtryskiwacze bezpośrednie są z natury głośne i nadają silnikowi charakterystyczny tikotliwy dźwięk.

Bilans emisji jest dwustronny. DI obniżając CO2 wytwarza więcej cząstek stałych: ponieważ przy wtrysku bezpośrednim paliwo ma mniej czasu na odparowanie, jego część ulatuje z komory spalania i katalizatora w postaci cząstek sadzy. Te cząstki są podobne do tych emitowanych przez silniki wysokoprężne, tylko mniejsze. Ponadto nagar osadzający się za zaworami ssącymi jest dla niektórych użytkowników silników DI realnym problemem serwisowym - ponieważ paliwo nie płucze już zaworów, osad się kumuluje. Z rzadkim, ale poważnym przykładem: niektórzy kierowcy muszą po dziesiątkach tysięcy kilometrów czyścić zawory ssące metodą walnut blasting (czyszczenie skorupą orzecha włoskiego). Temat gromadzenia się nagaru to temat na osobny artykuł; prawdziwe pytanie w tym miejscu brzmi, jak twórcy obu systemów zarządzali ich równowagą.

Tabela porównawcza: PI i DI obok siebie

Patrząc na tabelę, wybór wydaje się prosty: DI dla tych, którzy chcą wydajności, PI dla tych, którzy cenią prostotę. Ale różnica w osiągach nie jest tak duża, jak się wydaje; nawet w technicznych dyskusjach na forach mówi się, że bezpośrednia różnica mocy między tymi dwoma układami utrzymuje się na poziomie kilku procent, a prawdziwym wkładem DI jest umożliwienie wyższego stopnia sprężania. A więc prawdziwa historia to nie pokonanie jednej technologii przez drugą, lecz podział zadań między nimi w tym samym silniku.

Dlaczego producenci stosują oba rodzaje wtrysku jednocześnie?

Podwójny wtrysk (dual injection) oznacza obecność zarówno wtryskiwaczy dolotowych, jak i bezpośrednich w tym samym silniku. ECU włącza jeden, oba lub zaprogramowaną mieszaninę w zależności od obrotów i obciążenia. Logika jest prosta: połączenie zalet DI w zakresie ekonomii paliwa i odporności na spalanie stukowe z zaletami PI w zakresie niskiej emisji i czystości zaworów. W każdym punkcie zakresu pracy silnika wybierana jest optymalna metoda zasilania.

Toyota to najbardziej znany realizator tego podejścia. System D-4S wprowadziła ponad dekadę temu w silniku V-6; dziś stosuje go w rzędowych czwórkach 2,0 l (produkcji Subaru), silnikach V-6 o pojemności 3,5 l oraz V-8 o pojemności 5,0 l. Przy niskim i średnim obciążeniu oraz obrotach, odpowiadających normalnej jazdzie, odpala oba wtryskiwacze jednocześnie - to zwiększa gęstość powietrza dolotowego do silnika wolnossącego, a jednocześnie wtrysk do portu nadal zmywa zawory, czyli faktycznie usuwa nagar. Przy wysokim obciążeniu i obrotach, gdzie ryzyko spalania stukowego jest wysokie, DI przejmuje całe zasilanie paliwem.

Podejście Forda jest inne: wysokociśnieniowemu DI towarzyszy niskociśnieniowy PI, a wtrysk do portu nigdy nie jest całkowicie wyłączany. Zakres zastosowania jest szeroki - wolnossące i turbo silniki V-6/V-8 o pojemności od 2,7 do 5,0 l, F-150 z 3,3 V-6, F-150 Raptor z 2017 roku oraz 3,5-litrowy EcoBoost V-6 w GT i 5,0 V-8 w Mustangu GT z 2018 roku. Na biegu jałowym i niskich obrotach sam PI pracuje cicho i wydajnie; wraz ze wzrostem obrotów i obciążenia oba układy zasilają mieszankę, przy czym PI zawsze pokrywa co najmniej 5-10% paliwa. W nowym silniku V-6 o pojemności 3,5 litra Ford połączył podwójny wtrysk z wyższym ciśnieniem doładowania, zwiększając maksymalny moment obrotowy o 30 lb-ft. Audi stosuje to samo podejście w silnikach V-6 3,0 i 5,2.

O ile tylko zmniejszamy spalanie, naszym zadaniem jest poprawa wydajności silnika przy każdej okazji. Technologia podwójnego wtrysku Forda udowodniła, że jest skuteczną i opłacalną kosztowo strategią.

Literatura naukowa również potwierdza ten kierunek: podwójny wtrysk; wymienia się takie zalety jak większa elastyczność sterowania, wzmocniony efekt chłodzenia, redukcja spalania stukowego, przydatność dla downsize'ingu silnika oraz praca na ubogiej mieszance (lean-burn). W praktyce korzyść jest skromna, ale realna: szczególnie na biegu jałowym i przy niskich prędkościach jazdy miejskiej poprawia się ekonomia paliwa, przy umiarkowanych przyspieszeniach dwa wtryskiwacze wspólnie równoważą atomizację, czystość zaworów i reakcję na gaz.

Trzeba zaznaczyć jeden niuans: nie każdy wtrysk podwójny rozwiązuje problem nagaru. W niektórych silnikach o wysokich osiągach wtryskiwacze portowe włączają się tylko przy wysokich obrotach i doładowaniu, aby dostarczyć dodatkowe paliwo; przez większość normalnej jazdy zawory pozostają wystawione tylko na DI i może dochodzić do odkładania osadów. O tym, czy system działa, decyduje to, w jakim obszarze roboczym wtryskiwacz portowy jest aktywny.

Cykl Atkinsona i jego związek z napędami hybrydowymi

Cykl Atkinsona to strategia pracy, która świadomie poświęca gęstość mocy na rzecz sprawności; produkuje mniej mocy niż tradycyjny cykl Otto, ale poprawia ekonomię paliwa. Dlatego jego naturalnym domem są samochody hybrydowe: silnik elektryczny uzupełnia brak mocy, a silnik spalinowy pracuje w punkcie możliwie najwyższej sprawności. Toyota Prius oraz takie modele jak Ford C-Max i Fusion Hybrid to znane przykłady nowoczesnego cyklu Atkinsona; Toyota jest marką, która przyczyniła się do upowszechnienia tej technologii w produkcji.

Związek ze stroną wtryskową jest następujący: w silnikach z cyklem Atkinsona również mogą współistnieć dwie metody zasilania paliwem - wtrysk bezpośredni i portowy; w zależności od potrzeb używa się jednej lub obu. Ponieważ w cyklu nastawionym na sprawność każdy punkt procentowy jest święty, niewielki, ale realny wkład wtrysku podwójnego w oszczędność paliwa jest na tych platformach szczególnie istotny.

Co to oznacza dla kupującego?

System wpływa na decyzje zakupowe i eksploatacyjne, wykraczając poza techniczną ciekawość. Znalezienie silnika wyłącznie z wtryskiem portowym jest dziś coraz trudniejsze; większość nowych benzynowych jest czystym GDI albo ma wtrysk podwójny. Jeśli kupujesz samochód z czystym DI, uwzględnij nagar na zaworach dolotowych jako pozycję serwisową w dłuższej perspektywie; silnik z wtryskiem podwójnym, w którym wtrysk portowy działa także przy wysokich obrotach, znacznie zmniejsza to ryzyko. Jeśli Twój styl jazdy wymaga dużych obciążeń i wysokich obrotów, liczy się tolerancja spalania stukowego i wytrzymałość na doładowanie DI; przy jeździe miejskiej, z przewagą biegu jałowego, na pierwszy plan wychodzi zaleta PI pod względem emisji i płynności pracy. Decyzja to nie wybór jednego zwycięzcy, lecz wiedza o tym, który system działa w danym obszarze roboczym.

Źródła

• Wyjaśnienie: Dlaczego niektóre silniki mają jednocześnie wtrysk portowy i bezpośredni
• Wtrysk podwójny: skuteczna i wydajna technologia napędu silników
• Wtrysk bezpośredni kontra portowy - wyjaśnienie
• Jak działają silniki z wtryskiem bezpośrednim
• Cykl Atkinsona
• Jak silniki z cyklem Atkinsona oszczędzają paliwo
• Wtrysk portowy kontra bezpośredni: jaka jest różnica?