Přímé vstřikování benzínu: Proč je teď tak v kurzu?
V sériové výrobě toto uvedli pod označením GDI jako první Japonci, konkrétně firma Mitsubishi. Psal se rok 1996.
V sériové automobilové produkci se přímé vstřikování benzínu sice objevilo až v polovině 90. let, avšak mnozí výrobci o něm snili už dříve. Jako první dokázal toto nabídnout Mercedes-Benz, a to u vozu 300 SL Gullwing (racek), jemuž motor s přímým vstřikováním benzínu pomohl vyhrát slavný závod v Le Mans v roce 1952. Měl totiž zhruba o 10 procent vyšší výkon při současném stejném snížení spotřeby paliva. Vše v porovnání s motorem bez přímého vstřikování. Následně se přímý vstřik dostal také do útrob dvoutaktního motoru a sice Goliath GP 300E. Bez elektronického řízení a potřebné technologie a materiálů muselo být ale všem jasné, že do sériové výroby je ještě daleko. A to se tehdy nesledovaly žádné emise…
V podobě, v jaké známe přímé vstřikování benzínu od konce 90. let, jej uvedl Ford již o dvě dekády dříve, a to ve spolupráci s firmou Texaco. Koncem 70. let představily motor pojmenovaný PROCO. Označení bylo akronymem slov „PROgrammed COmbustion“. Neboli volně přeloženo řízené spalování.
Volkswagen následoval Ford a Texaco v roce 1989, kdy ukázal studii zajímavého vozu, pojmenovaného příznačně Futura. Šlo o koncept jakéhosi MPV s aktivním řízením všech kol, elektromechanickým posilovačem řízení a celou řadou dalších progresivních technických prvků. Mimo jiné také s motorem o objemu 1,7 litru, třemi válci a přímým vstřikováním benzínu. Motor se vyznačoval extrémně nízkou úrovní spotřeby paliva. To se povedlo mimo jiné díky regulaci výkonu změnou složení směsi, nikoliv tradičním škrcením vzduchu škrticí klakou. Tedy jako u dieselů. Emise motoru však byly i na někdejší poměry dost vysoké, neboť nešlo použít klasický katalyzátor s kyslíkovou lambda sondou. A zásobníkový katalyzátor oxidů dusíku byl v roce 1989 v plenkách.
Do sériové výroby zavedl VW přímý vstřik benzínu o 11 let později jako první evropský výrobce automobilů. Pionýrem se stal malinký model Lupo s motorem 1.4 FSI.
Až o 40 procent
Na přelomu tisíciletí došlo ke zvýšenému zájmu o přímé vstřikování benzínu, které přetrvává do současnosti. Mottem všeho byla zejména snaha o výrazné snížení spotřeby paliva. Někdejší studie uváděly, že se může dosáhnout až čtyřicetiprocentní úspory v porovnání s konvenčním vstřikováním do sacího potrubí, tedy nepřímým vícebodovým (označovaným MPI). To vše při současném snížení emisí oxidů uhličitého. Jde o dnes tolik „populární“ a výrobci často proklamovanou hodnotu CO2, která se podílí na vzniku jevu známého jako skleníkový efekt.
Při i dnes stále používaném evropském měřícím cyklu spotřeby paliva, jakkoliv ten o opravdové spotřebě mnoho nevypovídá, byla uváděna úspora paliva až 30 procent v porovnání se systémem vstřikování benzínu do sacího potrubí.
Přímé vstřikování benzínu obecně vyžaduje některé úpravy a dodatečná zařízení. Zatímco u nepřímého vstřikování stačí vstřikovací tlak pouhých asi 3,3 MPa, vyžaduje přímý vstřik benzínu o řád více, klidně až 100 MPa. K tomu je nezbytně nutné použití vysokotlaké pumpy. Obvykle je nasazena na hlavě válců a poháněná vlastní vačkou od některého z vačkových hřídelů. Stlačuje benzin do společného palivového zásobníku (railu), v němž je tlak paliva asi 12 MPa. Také vstřikovače jsou odlišné (opět z důvodu výrazně vyššího tlaku).
Diesel, ale bez detonačního spalování
Zavádění přímého vstřikování na sklonku 90. let pracovalo s myšlenkou dvou zcela odlišných režimů práce motoru, respektive vstřikování. Tak tomu bylo u pionýrského agregátu Mitsubishi 4G93 GDI a také u pozdějších systémů od PSA (HPi), Renaultu (IDE), VW (FSI) či Toyota (D4). Smyslem bylo dosažení co nejnižší spotřeby paliva a zároveň vysokého výkonu motoru ve špičce.
První požadavek zajišťoval režim s takzvanou vrstvenou směsí, druhý režim pracující s homogenní směsí. V režimu s vrstvenou směsí motory pracovaly s extrémním přebytkem vzduchu. Uplatnil se při částečném zatížení motoru. Karburační poměr lambda činil neobvyklých 1,5 až 3,0. Pokud byl navíc použit režim s recirkulací výfukových plynů EGR, mohlo to být dokonce ještě o něco více.
V režimu s vrstvenou směsí byl benzin do spalovacích prostorů vstřikován v konečné fázi kompresního zdvihu, tedy podobně jako u vznětových motorů. Na rozdíl od nich se ale používala normální svíčka. Aby vůbec taková směs chytla, musela směs ve válci výrazně rotovat, a to kolmo na osu válce – jde o takzvané tumble plnění. K jeho podpoření rozdělili konstruktéři u motorů FSI sací potrubí na dvě části – horní a spodní, přičemž do jedné z nich vložili elektromotoricky ovládanou klapku. V režimu vrstevné směsi byla zavřena.
Obecně se rozlišovaly tři způsoby proudění směsi ve válci: vedené paprskem, stěnou a vzduchem. V závislosti na tom pak byl použit vhodný tvar dna pístu. Vždy šlo o to, aby v blízkosti svíčky byla směs co možná nejbohatší, naopak směrem ke stěnám válce (spalovacího prostoru) byla stále chudší, takže v okrajových částech se nacházel prakticky už jen čistý vzduch.
Při přechodu na vyšší zatížení motoru a také při zvýšení otáček, začal nejprve pracovat s chudou směsí, kdy je hodnota lambda asi 1,5. Současně docházelo k otevírání výše zmíněné klapky, vložené do poloviny sacího potrubí. V konečné fázi byla lambda rovno 1 a tedy navozen takzvaný stechiometrický (ideální) poměr, při němž na 14,7 kg vzduchu připadá 1 kg benzínu. V režimu s homogenní směsí je palivo vstřikováno do spalovacího prostoru už při sacím zdvihu pístu.
Tudy cesta nevedla
Byl to právě vrstvený režim, který sliboval výrazné snížení spotřeby paliva. Bohužel to s sebou přinášelo také četná úskalí. Obecně vzato, při spalování chudé směsi a tedy s velkým přebytkem vzduchu, vzniká velké množství emisí oxidu dusíku (NOx). K jejich odbourání bylo zapotřebí použití dodatečného katalyzátoru NOx, který se nacházel za klasickým trojčinným katalyzátorem.
Dnes je něco podobného hojně používané coby zásobníkový katalyzátor NOx u vznětových motorů v rámci normy Euro 6, přičemž se to běžně jmenuje TRAP nebo DeNOX. Před více než 15 lety šlo ovšem o docela exotickou technologii. To stejné platí pro použití dvojice lambda sond – před třícestným katalyzátorem a za ním. Opět v době, kdy platila norma Euro 2 šlo o věc nevídanou. Později v rámci přechodu motorů na Euro 3 ale již běžnou.
Zásobníkový katalyzátor oxidů dusíku měla historicky patentovaný Toyota. K vyprázdnění katalyzátoru docházelo v režimu homogenní směsi, kdy se NOx redukovaly na neškodný dusík. Systém pracoval rovněž se snímačem zaplněnosti katalyzátoru NOx. Pokud byl katalyzátor plný, dal snímač povel řídicí jednotce motoru k přepnutí na režim z vrstvené směsi na homogenní. Toto se u někdejších systémů odehrávalo v časových intervalech zhruba jedné minuty. Samotná regenerace a tedy vyprázdnění zásobníkového katalyzátoru přitom proběhla asi za dvě sekundy.
Zásobníkový katalyzátor NOx se ovšem zanášel také sírou, které bylo na sklonku 90. let v palivu ještě docela dost, a to zejména na trzích v postkomunistických zemích či Velké Británii případně USA. Síra jako taková snižovala účinnost zásobníkového katalyzátoru oxidů dusíku. K jejímu odbourání bylo zapotřebí zahřát katalyzátor na teplotu asi 650 stupňů Celsia. To při krátkých jízdách nebylo možné, takže nakonec musela být použita bohatá směs s lambda menší než 1, čímž došlo ke zvýšení teploty v katalyzátoru. Tím se síra spálila.
Bylo to právě značné množství síry v palivu, které se ukázalo být hřebíčkem do rakve motorů s přímým vstřikováním benzínu pracujících v režimu s vrstvenou směsí. Jako první to pocítilo právě Mitsubishi, jistě i proto, že bylo první. Zatímco v Japonsku údajně s motory GDI nebyly nijak velké problémy, v Evropě se tento systém ukázal jako nevyhovující.
A nešlo jen o zásobníkový katalyzátor NOx, ale také o spalovací prostory motorů. Ty z toho důvodu hodně karbonovaly a ve výsledku tak „žraly“ stejně jako ty bez přímého vstřiku, což by v konečném důsledku vadilo asi méně, než stále častější padání do nouzového režimu doprovázeného svítící kontrolkou elektroniky motoru a hlavně výrazným omezením výkonu. Kdo někdy vlastnil vozidla s výše uvedenými motory, jistě ví, o čem je řeč. Nejhorší na celé věci bylo, že ani autorizované servisy nedokázaly nešťastníkům pomoci.
Homogenní směs musí stačit
Druhým hřebíčkem do rakve režimu práce motoru s vrstevnou směsí byla cena. Zásobníkový katalyzátor na oxidy dusíku je i dnes docela drahý. Tehdy však stál „majlant“. To zatěžovalo rozpočty automobilek, v případě nutnosti výměny po záruce také kapsu majitele vozidla.
Netrvalo dlouho a většina automobilek přešla u motorů s přímým vstřikováním benzínu výhradně na homogenní směs. Motory FSI měla také od samého začátku druhá generace Škody Octavia, a to sice 1.6 FSI (85 kW) a 2.0 FSI (110 kW). V době představení vozu uváděly firemní materiály, že oba motory pracují ve dvou popsaných režimech. Pravda to však nebyla, neboť záhy po náběhu výroby přešla Škoda u Octavie u obou motorů FSI výhradně na režim s homogenní směsí. Výjimkou byla dle vyjádření někdejšího tiskového mluvčího Škody Auto verze s pohonem všech kol, která si režim s vrstvenou směsí zachovala. Otázkou je, jak dlouho…
Vozy značky Seat používaly od samého začátku výhradně verze motorů s homogenní směsí, zatímco Volkswagen či Audi nabízely zprvu obě varianty motoru, zřejmě v závislosti na cílovém trhu. Později ale přešly také na homogenní směs. Odpadla potřeba zásobníkového katalyzátoru a také karbonování motoru. A ve výsledku auta spotřebovala paliva v zásadě takřka stejně. A navíc bez problémů. Ona někdejší proklamovaná výhoda se v praxi takřka nepotvrdila.
Nejlepší je to s turbem
Přímé vstřikování benzínu chytilo druhý dech v souvislosti se zmenšováním objemů motorů, takzvaným downsizingem. Právě v kombinaci s turbodmychadlem je přímý vstřik velice výhodný a skutečně umožňuje v režimu částečného zatížení snížit spotřebu paliva. Jelikož palivo, dopravované do spalovacího prostoru jej zároveň ochlazuje, lze i při přeplňování použít výrazně vyšší statický kompresní poměr. A jak známo s jeho zvyšováním roste tepelná účinnost pístového stroje. Pravdou je, že tato výhoda byla také u motorů s přímým vstřikováním bez přeplňování. Třeba pionýrský motor Mitsubishi GDI 4G93 se chlubil kompresí 12:1, zatímco jeho verze bez GDI měla jen 10,5:1.
Motory s přímým vstřikováním benzínu a turbodmychadlem pracují od samého začátku výhradně v režimu s homogenní směsí.
Přímý vstřik benzínu je tak stále hojně využíván. V blízké budoucnosti mu však vyvstanou omezení v podobě tvorby pevných částic, které se v rámci normy Euro6 už sledují také u zážehových motorů. Důvodem je skutečnost, že přímé vstřikování benzínu vytváří ve výfukových plynech pevné částice (podobně jako diesel). Jistě jste si někdy všimli, jak mají vozy koncernu VW s motory TSI černé výfuky… Do budoucna se tak počítá s filtry pevných částic také pro zážehové motory, o čemž jsme již několikrát psali. Již nějaký čas se navíc začíná kombinovat přímé i nepřímé vstřikování, což dokazuje třeba třetí generace motoru VW/Audi EA888, tedy 1.8 TSI a 2.0 TSI či Toyota D4-S. Ale o tom někdy jindy.
