W długiej historii silników spalinowych badacze nie ustawali w wysiłkach, aby wynaleźć sposób jak najbardziej efektywnego mieszania benzyny i powietrza, który zapewni możliwie najwyższą moc wyjściową i całkowite spalanie.

Choć wielu producentów samochodów zaprzestało już prac nad silnikami benzynowymi, nie powinno być wątpliwości, że badania w tym kierunku nadal są prowadzone w wielu firmach i niewykluczone, że w przyszłości zobaczymy nowe, innowacyjne rozwiązania w tej dziedzinie. W dzisiejszym artykule przedstawiamy krótki rys historyczny układów wtryskowych, a także zalety i wady ich głównych typów.

Warunki powstawania mieszaniny

Choć przemysł motoryzacyjny dawno przestawił się z gaźników na wtrysk elektroniczny, to nowe układy wykorzystują te same prawa fizyki. Wtryskiwacze dają projektantom dużą swobodę, ale istnieją pewne aspekty, które należy mimo to uwzględnić przy każdym projekcie.

Wszędzie tam, gdzie dochodzi do mieszania się benzyny z powietrzem, mieszanka musi być gotowa przed zapłonem, w przeciwnym razie spaleniu nie ulegnie cała jej objętość. Jest to szczególnie istotne w przypadku układu wtrysku bezpośredniego.

Kolejnym aspektem są proporcje mieszania: mieszanina oparów benzyny i powietrza jest bowiem łatwopalna tylko w określonych proporcjach. Kolejną bolączką dla projektantów jest doprowadzenie mieszanki do poszczególnych cylindrów oraz problem zimnego rozruchu.

Wtrysk niskociśnieniowy do portu dolotowego

Według podręczników sprzed kilkudziesięciu lat, starannie zaprojektowane i odpowiednio wyregulowane gaźniki spełniają wszystkie wymogi procesu tworzenia mieszanki w silnikach, z wyjątkiem tych dotyczących emisji spalin. Z gaźnika można wydobyć dodatkową moc, która teoretycznie mogłaby przewyższać nowoczesne układy wtryskowe, ale więcej o tym później.

Następcą gaźnika były zewnętrzne układy mieszające, które jako pierwsze pojawiły się w zastosowaniach motoryzacyjnych w maszynach produkcji firmy Bosch-Daimler-Benz w latach 50-tych. Dysze wtryskowe zostały tam umieszczone w przestrzeni przed zaworem dolotowym, podobnie jak w dzisiejszych konstrukcjach.

Ponieważ wymagane ciśnienie wtrysku jest niskie, używane niegdyś tłokowe pompy dozujące stały się teraz zbędne.

Pierwszym mechanicznym układem z ciągłym wtryskiem był Bosch K-Jetronic, a jego pierwsza wersja elektryczna została wprowadzona przez firmę Bendix w roku 1957.

W przypadku wtrysku do rury dolotowej istnieją dwie różne opcje dostarczania paliwa do komory silnika:

• Wtrysk do wspólnego kolektora ssącego: nazywa się to wtryskiem jednopunktowym lub monowtryskiem. W tym przypadku mówimy o wtrysku centralnym.
• Wtrysk do zaworów dolotowych: jest to wtrysk z podziałem na poszczególne cylindry, podczas którego wtryskiwacze danego cylindra są umieszczone w pobliżu zaworów dolotowych.

Jedną z największych zalet wtrysku do portu dolotowego jest to, że jest to bardzo prosta i tania konstrukcja i nie wymaga wysokowydajnej pompy. Ponieważ dostępna jest stosunkowo duża ilość miejsca na mieszankę benzyny i powietrza, układ ten nie rzutuje na konstrukcję silnika.

W przypadku wtrysku umieszczonego przy zaworze dolotowym, za korzystną właściwość uważa się również to, że część benzyny trafia na ściankę komory zaworowej i na płytkę zaworu, gdzie natychmiast odparowuje, co jednocześnie pomaga w chłodzeniu tej części.

Wysokociśnieniowy wtrysk bezpośredni

Moglibyśmy pomyśleć, że ta wersja jest bardziej nowoczesna, ale sam pomysł nie jest nowy. Prawie sto lat temu wtryskiwacze wysokociśnieniowe były niemal bez wyjątku stosowane w silnikach lotniczych, a następnie przeniknęły również do świata samochodów wyścigowych i sportowych. Jeszcze później pojawiły się jako mechanizm usprawniający do silników dwusuwowych pracujących z dużymi stratami. Oprócz wielu niewątpliwych zalet technicznych komplikowały one początkowo prostą konstrukcję silnika dwusuwowego, co stało się przeszkodą w jego szerszym rozpowszechnieniu.

Prawdziwy przełom przyniósł w końcu rozwój elektroniki oraz rosnące znaczenie emisji i jednostkowego zużycia paliwa. Wymagania w zakresie emisyjności bardziej skutecznie spełniał wtrysk bezpośredni, ponieważ umożliwiał on stosowanie niewiarygodnie ubogich mieszanek (tzw. mieszanek warstwowych).

Na pojawienie się większej liczby modeli seryjnych wyposażonych w ten system musieliśmy poczekać do lat 90-tych. Charakterystyczną cechą tych systemów jest to, że zawór wtryskowy znajduje się w głowicy cylindrów, tuż obok zaworów dolotowych. Drobno rozpylony materiał napędowy trafia bezpośrednio do komory spalania. Dzięki odpowiedniej koordynacji zawirowań wpadającego do komory spalania paliwa i powietrza, możliwe jest stworzenie mieszanki warstwowej. Oznacza to, że mieszanka w komorze spalania będzie celowo niejednorodna – bogatsza wokół świecy zapłonowej, a znacznie uboższa dalej.

Wydaje się to sprzeczne z dotychczasową wiedzą, zgodnie z którą celem jest stworzenie całkowicie jednorodnej mieszanki, ale w ten sposób możliwe jest stosowanie skrajnie ubogiej mieszanki (30-40:1) przy częściowo obciążonym silniku, co skutkuje oczywiście znacznymi oszczędnościami paliwa.

Co ważne, opcja ta działa wyłącznie przy obciążeniu częściowym. Przy pełnym obciążeniu silnik przełącza się na pracę z mieszanką jednorodną, w którym to przypadku wtrysk odbywa się już w suwie ssania, przy otwartych zaworach dolotowych, zasadniczo w przestrzeni o niskim ciśnieniu.

To zapewnia dodatkową moc w porównaniu z wtryskiem do rury dolotowej, co ma doniosłe znaczenie dla samochodów wyścigowych. Przy częściowym obciążeniu wadą jest jednak to, że ze względu na zastosowanie bardzo ubogiej mieszanki, stężenie tlenków azotu w produktach spalania znacznie wzrasta, co wiąże się z koniecznością ich późniejszej neutralizacji. Aby rozwiązać ten problem, z jednej strony stosuje się recyrkulację spalin, a z drugiej specjalnie zaprojektowany drugi katalizator.

Wtrysk kombinowany

Ponieważ oba systemy wykazują niezaprzeczalne zalety, znaczna liczba współczesnych samochodów posiada oba jednocześnie. Elektronika sterująca silnikiem korzysta z zalet jednego lub drugiego systemu, a nawet ich połączenia w zależności od warunków pracy.