Vstřikování paliva u benzínových motorů. Výhody, nevýhody a možné problémy

Typ vstřikovacího systému určuje parametry motoru a provozní náklady. Ovlivňuje dynamiku, spotřebu paliva, emise výfukových plynů a náklady na údržbu vozu.

Historie praktického uplatnění vstřikování benzínu ve spalovacím motoru v dopravě sahá až do období před první světovou válkou. Již tehdy letectví naléhavě hledalo nová řešení, která by mohla zlepšit účinnost motorů a překonat problémy s výkonem v různých polohách letadla. Osvědčilo se vstřikování paliva, které se poprvé objevilo ve francouzském leteckém motoru V8 z roku 1903. Teprve v roce 1930 debutoval Mercedes 1951 SL se vstřikováním paliva, všeobecně považovaný za průkopníka v této oblasti. Ve sportovní verzi však šlo o první vůz s přímým vstřikováním benzínu.

Elektronické vstřikování paliva bylo poprvé použito u 300 v motoru Chrysler z roku 1958. Vícebodové vstřikování benzinu se začalo na autech objevovat v 1981. letech, ale většinou se používalo u luxusních modelů. K zajištění správného tlaku se již používala vysokotlaká elektrická čerpadla, ale ovládání bylo stále v kompetenci mechaniků, kteří upadli v zapomnění až v roce 600 s ukončením výroby Mercedesu. Vstřikovací systémy byly stále drahé a nezměnily se na levné a oblíbené vozy. Ale když bylo nutné v XNUMX instalovat katalyzátory na všechna auta bez ohledu na jejich třídu, musel být vyvinut levnější typ vstřikování.

Přítomnost katalyzátoru vyžadovala přesnější kontrolu složení směsi, než jaké mohly poskytnout karburátory. Vzniklo tak jednobodové vstřikování, skrovná verze „vícebodového“, ale pro potřeby levných vozů dostačující. Od konce devadesátých let začal mizet z trhu a nahrazovaly je vícebodové vstřikovače, které jsou v současnosti nejoblíbenějším palivovým systémem v automobilových motorech. V roce 1996 mělo přímé vstřikování paliva svůj standardní debut na Mitsubishi Carisma. Nová technologie potřebovala vážné vylepšení a zpočátku našla jen málo následovníků.

Tváří v tvář stále přísnějším normám výfukových plynů, které měly od samého počátku silný vliv na pokrok v automobilových palivových systémech, však nakonec museli konstruktéři přejít k přímému vstřikování benzínu. V nejnovějších řešeních, kterých je zatím málo, kombinují dva typy vstřikování benzínu – nepřímé vícebodové a přímé.    

Nepřímé jednobodové vstřikování

U jednobodových vstřikovacích systémů je motor poháněn jediným vstřikovačem. Instaluje se na vstupu sacího potrubí. Palivo se dodává pod tlakem asi 1 bar. Rozprášené palivo se mísí se vzduchem před sacími otvory kanálů vedoucích k jednotlivým válcům.

Směs paliva a vzduchu je nasávána do kanálků bez přesného dávkování směsi pro každý válec. Kvůli rozdílům v délce kanálů a kvalitě jejich povrchové úpravy je napájení válců nerovnoměrné. Ale jsou tu i výhody. Jelikož je dráha směsi paliva se vzduchem z trysky do spalovacího prostoru dlouhá, může se při správném zahřátí motoru palivo dobře odpařovat. V chladném počasí se palivo nevypařuje, štětiny kondenzují na stěnách kolektoru a částečně odcházejí ve formě kapek do spalovací komory. V této podobě nemůže zcela shořet v pracovním cyklu, což vede k nízké účinnosti motoru ve fázi zahřívání.

Důsledkem toho je zvýšená spotřeba paliva a vysoká toxicita výfukových plynů. Jednobodové vstřikování je jednoduché a levné, nevyžaduje mnoho dílů, složité trysky a pokročilé řídicí systémy. Nízké výrobní náklady mají za následek nižší cenu vozidla a opravy s jednobodovým vstřikováním jsou snadné. Tento typ vstřikování se u moderních motorů osobních automobilů nepoužívá. Najdeme ho pouze u modelů se zaostalým designem, i když vyráběných mimo Evropu. Jedním z příkladů je íránský Samand.

privilegia

– Jednoduchý design

– Nízké náklady na výrobu a údržbu

– Nízká toxicita výfukových plynů, když je motor horký

závady

– Nízká přesnost dávkování paliva

– Relativně vysoká spotřeba paliva

– Vysoká toxicita výfukových plynů ve fázi zahřívání motoru

– Špatný výkon z hlediska dynamiky motoru

Nepřímé vícebodové vstřikování

Rozšířením jednobodového nepřímého vstřikování je vícebodové nepřímé vstřikování se vstřikovačem v každém sacím otvoru. Palivo je dodáváno za škrticí klapkou, těsně před sacím ventilem.Vstřikovače jsou blíže k válcům, ale dráha směsi vzduch/palivo je stále dostatečně dlouhá, aby se palivo vypařilo u horkého motoru. Na druhou stranu má fáze ohřevu menší tendenci ke kondenzaci na stěnách sacího otvoru, protože vzdálenost mezi tryskou a válcem je kratší. Ve vícebodových systémech se palivo dodává pod tlakem 2 až 4 bary.

Samostatný vstřikovač pro každý válec dává konstruktérům zcela nové možnosti z hlediska zvýšení dynamiky motoru, snížení spotřeby paliva a snížení emisí výfukových plynů. Zpočátku nebyly použity žádné pokročilé řídicí systémy a všechny trysky vydávaly palivo současně. Toto řešení nebylo optimální, protože vstřikovací moment nenastal v každém válci v nejvýhodnějším okamžiku (když narazil na uzavřený sací ventil). Teprve vývoj elektroniky umožnil vybudovat pokročilejší řídicí systémy, díky nimž začalo vstřikování fungovat přesněji.

Zpočátku se trysky otevíraly ve dvojicích, poté byl vyvinut systém sekvenčního vstřikování paliva, kdy se každá tryska otevírá samostatně, v optimálním okamžiku pro daný válec. Toto řešení umožňuje přesně zvolit dávku paliva pro každý zdvih. Sériový vícebodový systém je mnohem složitější než jednobodový, dražší na výrobu a nákladnější na údržbu. Umožňuje však výrazně zvýšit účinnost motoru při menší spotřebě paliva a menší toxicitě výfukových plynů.

privilegia

– Vysoká přesnost dávkování paliva

– Nízká spotřeba paliva

– Mnoho možností z hlediska dynamiky motoru

– Nízká toxicita výfukových plynů

závady

- Značná složitost designu

– Relativně vysoké náklady na výrobu a údržbu

Přímé vstřikování

V tomto řešení je vstřikovač instalován ve válci a vstřikuje palivo přímo do spalovací komory. To je na jednu stranu velmi přínosné, protože to umožňuje velmi rychlou výměnu náplně paliva a vzduchu nad pístem. Poměrně studené palivo navíc dobře ochlazuje korunu pístu a stěny válce, takže je možné bez obav z nepříznivého klepání spalování zvýšit kompresní poměr a získat vyšší účinnost motoru.

Motory s přímým vstřikováním jsou navrženy tak, aby spalovaly velmi chudou směs vzduchu a paliva při nízkém zatížení motoru, aby bylo dosaženo extrémně nízké spotřeby paliva. Ukázalo se však, že to způsobuje problémy s přebytkem oxidů dusíku ve výfukových plynech, k jejichž odstranění je nutné instalovat příslušné čisticí systémy. Konstruktéři se s oxidy dusíku vyrovnávají dvěma způsoby: přidáním boostu a zmenšením velikosti nebo instalací složitého systému dvoufázových trysek. Praxe také ukazuje, že u přímého vstřikování paliva dochází k nepříznivému jevu usazování karbonu v sacích kanálech válců a na dřících sacích ventilů (snížení dynamiky motoru, zvýšení spotřeby paliva).

Je to proto, že jak sací otvory, tak sací ventily nejsou proplachovány směsí vzduch/palivo jako u nepřímého vstřikování. Nejsou proto smývány jemnými částicemi oleje vstupujícími do sacího systému ze systému odvětrávání klikové skříně. Olejové nečistoty vlivem teploty tvrdnou a vytvářejí stále silnější vrstvu nežádoucího kalu.

privilegia

– Velmi vysoká přesnost dávkování paliva

– Možnost spalování chudých směsí

– Velmi dobrá dynamika motoru při nízké spotřebě paliva

závady

- Extrémně složitý design

– Velmi vysoké náklady na výrobu a údržbu

– Problémy s přebytkem oxidů dusíku ve výfukových plynech

- Usazeniny uhlíku v sacím systému

Duální vstřikování - přímé a nepřímé

Konstrukce smíšeného vstřikovacího systému využívá výhody nepřímého i přímého vstřikování. Přímé vstřikování funguje, když je motor studený. Směs paliva a vzduchu proudí přímo přes píst a je vyloučena kondenzace. Když je motor zahřátý a běží pod mírnou zátěží (jízda konstantní rychlostí, plynulá akcelerace), přestává fungovat přímé vstřikování a jeho roli přebírá vícebodové vstřikování nepřímé. Palivo se lépe odpařuje, velmi drahé vstřikovače systému přímého vstřikování nefungují a neopotřebovávají se, sací ventily jsou omývány směsí paliva a vzduchu, takže se na nich netvoří usazeniny. Při velkém zatížení motoru (silné akcelerace, rychlá jízda) se opět zapíná přímé vstřikování, které zajišťuje velmi rychlé plnění válců.

privilegia

- Velmi přesné dávkování paliva

– Optimální dodávka motoru za všech podmínek

– Velmi dobrá dynamika motoru při nízké spotřebě paliva

– Žádné karbonové usazeniny v sacím systému

závady

- Obrovská složitost designu

– Extrémně vysoké náklady na výrobu a údržbu