Techniczne innowacje: wtrysk paliwa

Mówiąc o wtrysku benzyny należy wspomnieć o historii rozwoju układów zasilania w silnikach niskoprężnych. Ponieważ spalane paliwo musi być mieszanką paliwowo-powietrzną, niezbędne jest zapewnienie w komorze spalania odpowiedniej proporcji powietrza i oparów benzyny. Początkowo realizował to klasyczny gaźnik, ale obecnie zastąpiły go układy wtryskowe. Historycznie występowały sterowane mechanicznie, hydraulicznie i elektromechanicznie. Dzisiaj powszechnie występuje elektroniczne i komputerowe sterowanie wtryskiem.

Dlaczego zniknął gaźnik? Wtrysk paliwa zapewnia w porównaniu z gaźnikiem lepszą kontrolę dawkowania paliwa dzięki dokładniejszemu sterowaniu wtryskiwaczami oraz lepsze wymieszanie z powietrzem, poprzez rozpylenie pod większym ciśnieniem i w lepszych warunkach. W efekcie samochody których silnik ma wtrysk paliwa mają większą elastyczność, wyższą kulturę pracy i mniejsze spalenie. Ponadto spaliny silnika zasilanego wtryskiem paliwa zawierają mniej tlenku węgla i tlenków azotu w stosunku do zasilania gaźnikowego. To jedne z powodów dla których gaźnik praktycznie wyszedł z użycia.

Jak ewoluował układ wtryskowy?

1. wtrysk jednopunktowy (SPI - Single Point Injection, CPI - Central Port Injection) - jeden wtryskiwacz umieszczony w kolektorze dostarcza paliwo dla wszystkich cylindrów,
2. wtrysk wielopunktowy (MPI - Multi Point Injection) - każdy cylinder ma osobny wtryskiwacz, umieszczony w kolektorze, przed zaworem dolotowym,
3. wtrysk bezpośredni (DI - Direct Injection) - wtryskiwacz umieszczony jest w cylindrze.

W najnowszym układzie DI, który jest coraz bardziej rozpowszechniany przez koncerny samochodowe, wtryskiwacze nie dostarczają benzyny do kolektora ssącego, lecz pod wysokim ciśnieniem bezpośrednio do cylindrów. W ten sposób odparowujące paliwo znacznie obniża temperaturę ładunku cylindra. Tym samym tendencja do spalania stukowego (czyli samozapłonu mieszanki paliwowo - powietrznej) się zmniejsza. Dzięki temu można było zmienić konstrukcję komory spalania i zastosować wyższy stopień sprężania.

Silniki o wyższym stopniu sprężania charakteryzują się bardziej efektownym spalaniem i osiągają większą moc, niż konwencjonalne jednostki. System bezpośredniego wtrysku benzyny udowodnił swój potencjał już w roku 2001. Wtedy to silnik benzynowy z wtryskiem bezpośrednim napędzał sportowy prototyp Audi R8, który zwyciężył w 24-godzinnym wyścigu Le Mans. W następnych latach R8 wyposażone w silniki z wtryskiem bezpośrednim na 80 startów, aż 64 razy jako pierwsze mijały linię mety.

Jeszcze większą innowacją okazało się być połączenie wtrysku bezpośredniego i turbodoładowania. Pierwszym producentem na świecie, który połączył te dwie technologie w samochodach seryjnych była firma Audi.

Ponieważ bezpośredni wtrysk benzyny odbiera ciepło z komór spalania, rozwiązuje się podstawowy problem wszystkich silników doładowanych: duże napełnienie komory spalania i wynikająca z tego większa skłonność do spalania stukowego, jeśli równocześnie nie zostanie zmniejszony stopień sprężania. W Audi dzięki wtryskowi bezpośredniemu - i w efekcie jego zastosowania - obniżeniu temperatury wewnątrz cylindra - stało się możliwe zwiększenie stopnia sprężania do 10, czyli do wartości zarezerwowanej dla silników wolnossących (silnik Audi 1,8 turbo o mocy 150 KM miał stopień sprężania 9,3. Obecnie 1,8 TFSI o mocy 160 KM ma stopień sprężania 9,6, a 1,4 TFSI o mocy 125 KM nawet 10,1 ). W ten sposób zdecydowanie poprawiono efektywność spalania i wydajność silnika.

System łączenia wtrysku bezpośredniego i turbodoładowana jest jedną z głównych cech strategii „downsizingu”, stosowanej przez koncern Volkswagena, czyli zastępowania pojemności skokowej turbodoładowaniem, bez rezygnacji z dynamiki. System realizowany jest już w większości czterocylindrowych silników benzynowych: w 1,4 TFSI, 1,8 TFSI i 2,0 TFSI. Zazwyczaj do doładowania wykorzystywana jest turbosprężarka, ale w przypadku nowego V6 3,0 TFSI wykorzystano też kompresor.

Bogusław Korzeniowski