26.4. 2016 Tomáš Dusil Tomáš Dusil

Přímé vstřikování benzínu: Proč je teď tak v kurzu?

 

Dopravovat benzin přímo do spalovacích prostorů zážehového motoru uměla letadla již v meziválečném období. Cesta této koncepce do automobilových pohonných jednotek však trvala další půl století.

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.

Spolupracujeme s TipCars.com
Zápisník Jana Stuchlíka: Obchod a baobaby Zápisník Jana Stuchlíka: Obchod a baobaby

Osud volného světového obchodu je zase o něco temnější.…

Investice do bytu je dnes jistota Investice do bytu je dnes jistota

Pokud nemáte finanční vzdělání, jste v podstatě vydáni na…

Trump zrušil kontroverzní zákon o odebírání dětí migrantům Trump zrušil kontroverzní zákon o odebírání dětí migrantům

Americký prezident Donald Trump dnes podepsal dekret,…

Britský parlament schválil zákon o brexitu Britský parlament schválil zákon o brexitu

Britský parlament dnes schválil konečnou podobu zákona o…

 

Štítky Technika

 

Přidat názorDiskuse: Přímé vstřikování benzínu: Proč je teď tak…







Doporučujeme
Pokuta za rychlost v Chorvatsku, Rakousku či Itálii. Jaký trest vám hrozí v zahraničí? Pokuta za rychlost v Chorvatsku, Rakousku či Itálii. Jaký trest vám hrozí v zahraničí?

Vysoké tresty za rychlost jako již tradičně hrozí v…

Že jsou moderní auta blbuvzdorná? Těmito věcmi si auto ničíte, aniž o tom víte Že jsou moderní auta blbuvzdorná? Těmito věcmi si auto ničíte, aniž o tom víte

Automobil je dnes čistě spotřební záležitostí. V…

 

AutoRevue
Hyundai vyvíjí zajímavou novinku. Naznačuje to zaregistrovaný patent Hyundai vyvíjí zajímavou novinku. Naznačuje to zaregistrovaný patent

Korejský koncern pravděpodobně pracuje na dvojitém…

TEST VW Golf 1.5 TSI Evo DSG: Opravdu má spotřebu dieselu? TEST VW Golf 1.5 TSI Evo DSG: Opravdu má spotřebu dieselu?

Volkswagen dopřál motoru 1.5 TSI Evo Bluemotion řadu…

 





 
Volvo S60: Sedan nové generace přijíždí zpoza Atlantiku

Volvo S60: Sedan nové generace přijíždí zpoza Atlantiku

Včera

Volvo odhalilo podobu sedanu S60 nové generace. Navíc na místě, kde bude vznikat, v už funkční továrně v Charlestonu (USA).




Blesk.cz

Nejlepší lázně v Česku: Poradíme, které se vybrat!

Nejlepší lázně v Česku: Poradíme, které se vybrat!

Máte zdravotní potíže nebo si jen potřebujete oddechnout? Pak popřemýšlejte o lázeňském pobytu. Na chronické…

Budete plakat nad tím, jak jsou tyhle staré hry dobré. Recenze Devil May Cry HD Collection

Budete plakat nad tím, jak jsou tyhle staré hry…

Série Devil May Cry je právem považována za legendu a zároveň zakladatele subžánru zběsilých akcí alias…

 

iSport.cz

Program MS ve fotbale 2018: Kompletní rozpis zápasů, hrací dny, play off

Program MS ve fotbale 2018: Kompletní rozpis zápasů,…

Mistrovství světa ve fotbale 2018 v Rusku nabídne od 14. června celkem 64 zápasů, ze kterých 8. července vzejde…

Martinec o vítězi Pastrňákovi: Je paráda, že chce vždy hrát za nároďák

Martinec o vítězi Pastrňákovi: Je paráda, že chce…

Podruhé za sebou vyhrál anketu Zlatá hokejka David Pastrňák, dvaadvacetiletá hvězdička Bostonu. Na první místo…

 

Reflex.cz

Vyrovnat se mužům nechci, říká bývalá ministryně Daniela Kovářová

Vyrovnat se mužům nechci, říká bývalá ministryně…

Mám za sebou feministické období, ale musela jsem se stát ministryní, abych si uvědomila, že toužím po ocenění…

Přátelé Miloše Zemana aneb Šplhání po shrbených zádech neduživého Hamáčka

Přátelé Miloše Zemana aneb Šplhání po shrbených…

Česká postemigrační sociální demokracie se obnovovala ztěžka. V atmosféře, kdy pojem „levice“ značil bezmála…