Największe możliwości rozwoju silników z zapłonem iskrowym stwarza bezpośredni wtrysk benzyny. Historię jego powstania oraz sportowe sukcesy, do których się przyczynił, już opisaliśmy. Teraz przedstawiamy budowę i działanie systemu bezpośredniego wtrysku MED-Motronic firmy Bosch.

W latach 90. ubiegłego wieku powrócono do pomysłu bezpośredniego wtrysku benzyny, który miał uczynić silniki bardziej oszczędnymi. Jednak musiano uporać się z problemem trwałości jednostek napędowych i koniecznością spełniania norm czystości spalin. Dopiero opracowanie reaktora katalitycznego tlenków azotu umożliwiło rozpowszechnianie się bezpośredniego wtrysku benzyny. Badania wykazały, że rozwiązanie to umożliwia zwiększenie maksymalnego momentu obrotowego i mocy jednostki napędowej. Przy doładowaniu turbosprężarką i zastosowaniu zmiennych faz rozrządu zaworów moc maksymalna silnika z wtryskiem bezpośrednim o pojemności skokowej 2,0 l może wzrosnąć nawet do 220 kW/300 KM. Te możliwości nie są ograniczone wzrostem zużycia paliwa i toksyczności spalin. Układ bezpośredniego wtrysku benzyny MED-Motronic firmy Bosch wdrożony do produkcji w 2000 r. ma możliwość wytwarzania ubogiej mieszanki uwarstwionej lub jednorodnej. Dzięki dowolnemu kształtowaniu przebiegu wtrysku można uzyskać szybsze nagrzewanie się reaktora katalitycznego ciepłem spalin i w konsekwencji mniejszą emisję weglowodorów po rozruchu zimnego silnika. Obecnie niemal każdy producent samochodów ma w swojej ofercie silniki z bezpośrednim wtryskiem benzyny. Poszczególne rozwiązania nieco się od siebie różnią, jednak zasada działania pozostaje taka sama. Można ją przedstawić na przykładzie coraz popularniejszych w Polsce silników koncernu Volkswagen oznaczonych FSI. Wykorzystują one system wtrysku bezpośredniego MED-Motronic firmy Bosch.

Fot. 1. Charakterystyczne elementy układu bezpośredniego wtrysku benzyny: wysokociśnieniowy wtryskiwacz benzyny, pompa wysokiego ciśnienia, sterownik elektroniczny. Fot. Bosch

Budowa układu wtryskowego
W układzie MED-Motronic elektryczna pompa paliwa tłoczy benzynę pod niskim ciśnieniem do pompy wysokiego ciśnienia. Pompa wysokiego ciśnienia w zależności od stanu pracy silnika wytwarza odpowiednio wysokie ciśnienie paliwa, które kierowane jest do zasobnika (common rail). Paliwo przechowywane jest w zasobniku pod ciśnieniem 5-12 MPa. Następnie benzyna z zasobnika kierowana jest do elektromagnetycznych wtryskiwaczy uruchamianych sygnałem z elektronicznego sterownika. Warto zauważyć, że benzynę wtryskuje się pod znacznie wyższym ciśnieniem, a czas wtrysku jest znacznie krótszy niż we wtrysku pośrednim. Przy obrotach wału korbowego wynoszących 6000 obr./min. czas wtrysku bezpośredniego wynosi tylko 5 ms. Sercem układu MED-Motronic jest sterownik elektroniczny, który uwzględnia takie parametry jak: ilość zasysanego powietrza, kąt wyprzedzenia zapłonu, położenie pedału przyspieszenia, włączony bieg. W układzie bezpośredniego wtrysku benzyny stosuje się cewki zapłonowe zdolne do przygotowania większej ilości energii od wymaganej we wtrysku pośrednim.

Działanie silnika FSI
W silniku z bezpośrednim wtryskiem benzyny stosuje się dwa główne tryby pracy: na mieszance uwarstwionej lub jednorodnej. W silniku FSI wykorzystano kolektor dolotowy o zmiennym przekroju regulowanym przepustnicą, którego wielkość zależy od trybu pracy silnika. Gdy silnik pracuje z częściowym obciążeniem (jazda ze stałą prędkością do około 3000 obr./min., jazda po płaskim terenie), spala ubogą mieszankę uwartwioną, o współczynniku lambda 1,5-3. Jest ona wtryskiwana pod koniec suwu sprężania, a przekrój kanału dolotowego zostaje zmniejszony, by zwiększyć prędkość przepływu powietrza. Zapalenie tak ubogiej mieszanki umożliwia jej uwarstwienie – w okolicy świecy zapłonowej mieszanka jest bogata, a współczynnik lambda wynosi 0,8. Uwarstwienie mieszanki uzyskano dzięki odpowiedniemu wyprofilowaniu denka tłoka, o które uderza strumień wtryskiwanego paliwa. Podczas suwu ssania do cylindra zasysane jest powietrze wraz z niewielką ilością gazów spalinowych, dostarczanych przez układ recyrkulacji spalin, co zmniejsza ilość tworzących się tlenków azotu. Jeżeli silnik pracuje z dużym obciążeniem (jazda z wysokimi prędkościami, jazda pod górę, rozpędzanie pojazdu), układ zasilania wytwarza mieszankę jednorodną o współczynniku lambda wynoszącym 0,8 – 1,0. Ponieważ wtrysk paliwa następuje pod koniec suwu ssania, jego strumień nie uderza o denko tłoka, ale miesza się z całym powietrzem znajdującym się w cylindrze. Powietrze dostarczane jest do cylindra pełnym przekrojem kanału dolotowego, co pozwala na pełne wypełnienie komory spalania. W tym trybie pracy silnik osiąga maksymalne wartości momentu obrotowego. Oprócz dwóch opisanych trybów pracy układ MED-Motronic umożliwia okresowe zasilanie silnika innymi rodzajami mieszanki, dzięki dwufazowemu wtryskowi. Możliwe jest okresowe wytworzenie mieszanki jednorodnej przeciwdziałającej spalaniu stukowemu czy wytworzenie mieszanki homogeniczno-uwarstwionej podczas przechodzenia silnika z mieszanki uwarstwionej na jednorodną. W tym ostatnim przypadku pierwsza część dawki benzyny (tzw. wtrysk wstępny) wtryskiwana jest podczas suwu ssania, a druga część dawki (tzw. dotrysk) podczas suwu sprężania. Bogata mieszanka tworzy się wówczas w pobliżu świecy zapłonowej i dzięki takiemu uwarstwieniu jest łatwo zapalna.

Fot. 3. Wykres charakterystyk momentu obrotowego, dla różnych wariantów silnika o pojemności 2,0 l. Fot. Bosch

Fot. 4. Elementy układu bezpośredniego wtrysku benzyny MED-Motronic firmy Bosch. Ten rodzaj wtrysku paliwa pozwala na istotne zwiększenie maksymalnego momentu obrotowego i mocy przy ograniczeniu emisji toksycznych związków. (Fot. Bosch)

Oczyszczanie spalin
Podczas spalania ubogiej mieszanki uwarstwionej klasyczny reaktor katalityczny potrójnego działania eliminuje jedynie 70 proc. tlenków azotu. Dlatego zainstalowano drugi konwerter zasobnikowy (NOx), wiążący tlenki azotu w azotany, wymagający jednak okresowej regeneracji. W tym czasie silnik automatycznie przestawia się na krótkotrwałe spalanie jednorodnej mieszanki bogatej (współczynnik lambda 0,8), a w konwerterze azotany zostają przekształcone w tlen, azot, wodę i dwutlenek węgla emitowane do atmosfery. Zmiana trybu pracy silnika nie jest odczuwalna przez kierowcę. W przypadku spalania zasiarczonego paliwa wykorzystywany jest wtrysk dwufazowy, dzięki któremu wytwarza się mieszanka uwarstwiona podgrzewająca konwerter NOx do temperatury 6500C, a następnie przełączenie zasilania od wzbogaconego (lambda 0,95) do zubożonego (lambda 1,05).
Mimo znacznych możliwości układu MED-Motronic planuje się dalszy jego rozwój, wprowadzając piezoelektryczne wtryskiwacze, które cechują się szybszą reakcją i precyzyjniejszym dozowaniem dawki paliwa od dotychczasowych. Prowadzone są też prace nad zastosowaniem spalania mieszanki uwarstwionej prowadzonej strumieniem. Pozwoli to na obniżenie zużycia paliwa o dalszych 5 proc., ponieważ paliwo nie będzie rozprowadzane wzdłuż ściany komory spalania jak dotychczas (spalanie przyścienne). W spalaniu prowadzonym strumieniem wtryskiwacz umieszczony jest centralnie w komorze spalania i wtryskuje paliwo w bliskości świecy zapłonowej.