Přímé vs. nepřímé vstřikování benzínu: Modernější technologie nemusí být vždy lepší

Vstřikování benzínu do sacího potrubí, coby alternativa k tehdy převládajícím karburátorům, existuje v masovějším měřítku od 70. let. Jak se vyvíjelo řízení motoru ve snaze snížit spotřebu paliva a emise a současně zvýšit výkon, postupem doby vstřikování benzínu zcela vytlačilo před tím nezbytné karburátory.

Snížilo spotřebu, zvýšilo oxidy dusíku

Ve druhé polovině 90. let vznikla alternativa k původnímu vstřikování benzínu, která nepočítala s jeho dopravou do sacího potrubí, či přesněji před sací ventil (ventily), ale přímo do spalovacího prostoru. V tomto případě se jedná o přímé vstřikování benzínu, dnes označované různě, v prvopočátcích ale jako GDI (Gasoline Direct Injection). Současně se vícebodové vstřikování do sacího potrubí začalo obecně označovat MPI (Multi Point Injection).

Přímé vstřikování benzínu sice bylo novinkou na motorech pro běžná auta, u závodních motorů se ale používalo již v 50. letech, například u agregátu slavného Mercedesu 300 SL, přezdívaného „racek“. Slibovalo tehdy výrazné snížení spotřeby paliva, neboť se počítalo s jeho činností ve dvou režimech. A sice s homogenní směsí při větším zatížení a otáčkách a vrstvenou směsí v režimu malého zatížení motoru, případně nízkých otáčkách.

Elektronicky řízený karburátor: Přežil až do devadesátek. Díky Favoritu

Právě v režimu vrstveného spalování si motor vystačí s velmi chudou zápalnou směsí, tedy s velkým přebytkem vzduchu. Toto však současně vede ke zvýšené tvorbě oxidů dusíku. Proto musely být takto řešené motory vybaveny katalyzátorem NOx. Ten však byl tehdy mnohem dražší než dnes. Navíc se časem projevila další nectnost, a to výrazná citlivost na kvalitu benzínu. Výsledkem bylo zanášení spalovacího prostoru motorů, což se projevovalo jejich padáním do nouzového režimu a úbytkem výkonu.

Nakonec se výrobci rozhodli režim vrstvené směsi nepoužívat a zůstat pouze u homogenní. U atmosférických motorů se sice ona výše uvedená výhoda výrazného snížení spotřeby paliva vytratila, avšak bylo to již v době, kdy se začalo masivně uplatňovat přeplňování při současném snížení objemů motorů – neboli downsizing. Právě ve spojení s přeplňováním svitla přímému vstřikování benzínu nová naděje, a jak se později ukázalo, systém přímého vstřiku se dokázal plošně prosadit i u motorů nejmenších automobilů.

Výhody kombinace s přeplňováním

Přímé vstřikování benzínu nabízí ve spojení s přeplňováním některé nezpochybnitelné výhody. Tou patrně největší je fakt, že benzin dopravovaný do spalovacího prostoru má současně chladicí funkci, takže odebírá část tepla spalovacímu prostoru, který tak ochlazuje. Tímto způsobem se eliminují takzvané samozápaly, kdy dochází k zažehnutí zápalné směsi dříve, než přeskočí jiskra na zapalovací svíčce.

Díky tomu tak lze u přeplňovaného motoru zvýšit statický kompresní poměr a tím i účinnost motoru v režimu částečného zatížení. Právě vysoký kompresní poměr je důvodem, proč moderní přeplňované motory mají v režimu částečného zatížení překvapivě malou spotřebu paliva, která jakoby nekoresponduje s nabízeným výkonem. I velmi výkonné přeplňované čtyřválce o objemu kolem dvou litrů (s výkonem klidně přes 147 kW, čili 200 koní) tak umějí jezdit se spotřebou lehce převyšující 8 litrů na 100 km. Kdybyste tohle někomu řekli před čtvrt stoletím, patrně by si ťukal na čelo…

A nevýhody přímého vstřikování?

Přímé vstřikování má ale i nevýhody a bohužel není jich tak úplně málo. K rozprášení paliva potřebujete mnohonásobně vyšší vstřikovací tlak, který je dnes běžně 250 barů, což klade nároky na konstrukci vstřikovacích ventilů, stejně jako třeba na palivovou hrazdu, která musí být podobě masivní jako u vznětových motorů s common-railem.

To u nepřímého vstřikování MPI stačí vstřikovací tlak o dva řády nižší. K tomu systém s přímým vstřikem potřebuje dvě palivová čerpadla. Kromě elektricky poháněného nízkotlakého v nádrži ještě vysokotlaké umístěné na hlavě motoru a poháněné vačkovým hřídelem.

Z pohledu ekologie je největší nevýhodou tvorba značného množství pevných částic. Některé zdroje uvádějí, že moderní motory s přímým vstřikováním benzínu jich tvoří dokonce desetkrát více než současné vznětové motory. Navíc pevné částice tvořené benzinovými agregáty jsou sice povahou podobné těm vznikajícím u dieselů, ovšem rozměrově jsou dokonce menší. Ve snaze eliminovat to, zvyšují výrobci motorů a jejich příslušenství vstřikovací tlak. U nejnovějších počinů (například motor VW 1.5 TSI) tak může být vstřikovací tlak dokonce až 350 barů.

Druhým problémem, je časté zanášení sacího potrubí a zejména talířů sacích ventilů karbonovými úsadami. Toto ještě podporuje současný požadavek na účinnou recirkulaci spalin. U přímého vstřikování benzínu tak chybí jeho čistící funkce, kterou nepřímý vstřik normálně nabízí.

Kombinace přímého a nepřímého vstřikování

Snaha spojit dva výše nastíněné protichůdné požadavky vedla výrobce motorů ke spojení obou systémů vstřikování do jednoho motoru. Jako první to nabídla Toyota coby technologii D-4S. Posléze se přidal Ford, který toto nabízí v USA, a také Audi, či přesněji skupina VW. U koncernu se s tím setkáte u motorů 1.8 TSI (TFSI) a 2.0 TSI (TFSI) ze třetí generace řady agregátů EA888. Nejnověji toto nabízí také japonské Mitsubishi u přeplňovaného motoru 1.5 16V MIVEC označeného 4B10. Najdete jej například v novém crossoveru Eclipse Cross.

Vstřikování benzinu: Historie stará 112 let

Jak to pracuje? Je zajímavé, že každý z uvedených výrobců uplatňuje trochu jiný způsob činnosti a vlastně kombinace obou systémů vstřikování. Třeba Toyota a její systém D-4S pracuje tak, že v režimu nízkých až středních otáček a zároveň nízkého až středního zatížení je benzin vstřikován jak do sacího potrubí (nepřímé vstřikování), tak také do spalovacího prostoru válců (přímé vstřikování). Cílem je zajistit v nejpoužívanějším režimu čistící funkci ventilů a sání. Pouze při vysokých otáčkách a zatížení se uplatní jen přímé vstřikování benzínu, tedy do spalovacích prostorů válců.

Trochu jinou strategii zvolil u svých motorů Ford. Při volnoběžných a rovněž v nízkých otáčkách motoru se uplatní pouze nepřímé vstřikování benzínu, tedy do sání. Důvodem je mimo jiné snaha o dosažení tiššího chodu motoru. V okamžiku, kdy se zvyšuje zatížení motoru a jeho otáčky, k nepřímému vstřikování se přidá přímé vstřikování benzínu. U motorů Ford je tak nepřímý vstřik v činnosti vlastně stále a podílí se na dodávce benzínu přibližně 5 až 10 procenty celkové dávky. Toto velmi dobře řeší problém s čistotou sání a sacích ventilů.

Aby toho nebylo málo, tak u motorů VW/Audi EA888 je tomu zase trochu jinak. Při spouštění motoru, stejně jako při jeho nízké teplotě (VW udává do přibližně 45 stupňů chladicí kapaliny, avšak rozhodující je teplota oleje), je vždy uplatněno přímé vstřikování benzínu.

V režimu vysokého zatížení motoru je naopak použit dokonce zdvojený vstřik přímého vstřikování. Jeden vstřik probíhá do sacího zdvihu, druhý do kompresního zdvihu. Naopak u zahřátého motoru (teplota chladicí kapaliny vyšší než 45 stupňů) v režimu částečného zatížení a středních otáčkách je nastaven režim nepřímého vstřikování, tedy do sacího potrubí.

Aby se to nepletlo, tak Mitsubishi na to jde u svého motoru 1.5 MIVEC 4B10 ještě trochu jinak. V zásadě pracuje palivová soustava ve třech režimech. V prvním, který počítá s nízkým zatížením motoru se uplatní pouze nepřímé vstřikování benzínu. Tím je velmi dobře zajištěna také výše zmíněná čistící funkce paliva. Při vysokém zatížení a otáčkách se nastaví vstřikování kombinované, tedy přímé i nepřímé. To přímé dopravuje benzin do motoru ve fázi sání, čímž je zaručeno velmi dobré promíchání benzinu se vzduchem a tedy homogenita směsi. Poslední režim je vysoké zatížení motoru a zároveň jeho nízké otáčky. Opět je použito přímé i nepřímé vstřikování, avšak to přímé vstřikuje dávku paliva dvojitě a to jak do sacího zdvihu, tak také do kompresního zdvihu.

Nepřímý vstřik se nevzdává

I přes masivní nástup techniky přímého vstřikování benzínu je původní systém s nepřímým vstřikem stále živý. Navíc nyní poté, co nejpřísnější emisní normy stále více řeší pevné částice, začíná být nepřímý vstřik znovu v oblibě. A to ne pouze ve spojení s přímým vstřikem, jak píšeme výše, ale i coby jediný použitý palivový systém na motoru.

Aby se nepřímé vstřikování přizpůsobilo současným náročným požadavkům na čistotu spalin, prošlo důležitou evolucí. Firma Bosch, která je předním dodavatelem automobilové techniky a příslušenství pro motorová vozidla v prvovýrobě, mluví o takzvaném pokročilém nepřímém vstřikování benzínu. Celé to spočívá v zaměření se na čtyři oblasti činnosti systému, což může přinést snížení spotřeby paliva až o 12 procent. Nemluvě o zvýšení výkonu a zlepšení pružnosti motoru.

I u nepřímého vstřikování lze dosáhnout efektu snížení teploty spalovacího prostoru a tedy zvýšit kompresní poměr motoru. Za tímto účelem je benzin vstřikován do sání již během sacího zdvihu pístu. Smyslem je, aby benzin přešel z kapalného do plynného skupenství (odpařil se) nikoliv už v sání, ale až ve válci. Tímto dojde ke snížení teploty spalovacího prostoru, tedy podobně jako u přímého vstřiku, což je žádoucí. Současně toto slibuje snížení spotřeby o 2 procenta.

Vstřikování benzinu včera a dnes: Přímý, nebo nepřímý vstřik? A co třeba oba?

Další změnou je proměnný vstřikovací tlak paliva. Nejvyšší je ve fázi studeného startu motoru, kdy je až 6 barů. Čím vyšší tlak je, tím se palivo rozpráší na menší částice, takže klesne riziko jeho srážení na studených stěnách sacího potrubí. Právě vysrážené palivo v sacím potrubí zvyšuje podíl uhlovodíků ve výfukových plynech, které jsou jak známo rakovinotvorné. Třetí modifikací je snaha zlepšit vyplachování válců, čemuž se obecně říká scavenging. Toto se uplatní hlavně u přeplňovaných motorů, přičemž smyslem je mimo jiné také zmenšit prodlevu turbodmychadla v nejnižších otáčkách.

Tím nejzajímavějším, jak vytěžit z nepřímého vstřikování maximum, je použití takzvaného duálního nebo také zdvojeného vstřikování. V čem to spočívá? Zjednodušeně řečeno v použití dvou vstřikovačů na jeden válec, podobně jako u systému s přímým a nepřímým vstřikem. Jenom s tím, že v tomto případě oba vstřikovače dopravují palivo do sání. Každý vstřikovač tak ústí do jedné větve sacího potrubí a tedy vstřikuje palivo před jeden ze dvou sacích ventilů. Duální vstřikování v této podobě je velmi oblíbené zejména u japonských výrobců. Kromě Suzuki a jeho i v Evropě nabízeného motoru Dualjet jej využívá také Nissan a Honda (na domácím trhu).

Obhájci technologie duálního vstřiku tvrdí, že jeho použití je zejména u maloobjemových motorů výhodnější než přímý vstřik benzínu. Třeba Honda argumentuje snížením spotřeby paliva díky této technologii až o 4 procenta v porovnání s nepřímým vstřikem s jedním vstřikovačem na válec.

Výhodou zdvojeného vstřiku je rozprášení dávky benzínu na ještě menší částice, aniž je k tomu zapotřebí extrémně vysoký tlak paliva. Tím se rovněž snižuje riziko vysrážení benzínu na stěnách sání. Navíc vstřikovače jsou u těchto systémů skutečně těsně před sacími ventily. Další výhodou je fakt, že systém pracuje s nízkým tlakem. Nepotřebuje tedy vysokotlaké čerpadlo. Nevýhodou je ve spojení s přeplňováním omezený účinek ochlazování spalovacího prostoru.