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

Slavnou a dlouhou éru kralování karburátorů začalo v první polovině 70. let narušovat stále častější pronikání vstřikování benzínu do konstrukce zážehových motorů. Zatímco systémy jako SPICA či Kügellfischer se vinou složitosti a ceny hodily téměř výhradně pro závodní motory, představil Bosch v roce 1973 dvě odlišné verze vstřikování benzínu pro motory sériových aut. První bylo mechanicko-hydraulické kontinuální vstřikování K-Jetronic a druhé plně elektronicky ovládané L-Jetronic. Ještě dříve, na sklonku 60. let byl uveden systém D-Jetronic, který se ale stal specialitou mercedesů. A bylo s ním hodně problémů, takže „benz“ časem také přesedlal na K-Jetronic.

Do sacího potrubí

V roce 1979 Němci uvedli první Motronic, tedy vstřikování řízené komplexně se zapalováním. To se v dalších 20 letech prosadilo snad u všech výrobců automobilů v četných verzích. Existovalo jak ve variantě s centrálním vstřikovačem (tedy Mono-Motronic), tak i ve vícebodové verzi, kdy měl každý válec vlastní vstřikovač.

Bez ohledu na systém dopravuje nepřímé vstřikování benzin vždy do sacího potrubí. Tedy vlastně před sací ventil, jehož talíř proud benzínu neustále smáčí, čímž zároveň ventily čistí. Vstřikovaný benzín je v sání strháván proudem nasávaného vzduchu. Předností je dostatečně dlouhá doba k promísení. Samotné palivo se rychle mění z kapalného na plynné skupenství.

Rozlišujeme vstřikování kontinuální, tedy nepřetržité, kdy všechny vstřikovače vstřikují palivo stále, bez ohledu na pracovní takt příslušného válce. Dále skupinové, kdy současně vstřikuje skupina ventilů. Nejvyspělejší je sekvenční vstřikování, kdy benzin vstřikuje každý ventil samostatně. Zdrojem tlaku je u nepřímého vstřikování podávací čerpadlo v nádrži. U systémů s elektromagneticky ovládanými ventily (L-Jetronic a jeho modifikace (LH, LE) a dále Motronic) stačí pouze jedno, u mechanicko-hydraulických systémů (K-Jetroni, KE-Jetronic, K-Motronic) jsou podávací čerpadla dvě: nízkotlaké a vysokotlaké. Vstřikovače jsou v tomto případě otevírány tlakem paliva, podobně jako u dieselů až do příchodu common-railu či PD jednotek. Všechny tyto systémy existují s lambda regulací, která upravuje bohatost směsi na základě informace o množství zbytkového kyslíku ve výfukových plynech.

Přímo do válců

Stále vzrůstající požadavky na co nejmenší množství emisí ve výfukových plynech dalo vzniknout motorům s přímým vstřikováním benzínu. Nešlo o žádnou technickou novinku. Třeba v letectví se toto používalo už v době 2. světové války. Prvenství patří firmě Mitsubishi a jejímu motoru 1.8 GDI (označení 4G93) z roku 1996. V Evropě se stal průkopníkem Volkswagen a jeho agregát 1.4 FSI, který v premiéře poháněl malinké Lupo. Následovala Alfa Romeo (JTS), PSA (HPI), Renault (IDE) a další značky.

U všech těchto motorů byl vstřikovací tlak o řád vyšší, než u nepřímého vstřikování. Původně to bylo 100 barů, v současnosti ale spíše 150 až 200 barů. Tehdy se uvádělo snížení spotřeby o 5 až 40 procent v závislosti na jízdních podmínkách. Vůbec největší úsporu měly tyto motory přivést při městských jízdách – až o 30 procent méně paliva. Jak se ale později ukázalo, motory s přímým vstřikem benzínu skutečně dokázaly palivo uspořit, ovšem zdaleka ne v té míře, kterou jejich tvůrci původně slibovali. Později se přímé vstřikování uplatnilo ve spojení s přeplňovanými motory, takže se vlastně stalo základem dodnes kontroverzního downsizingu.

Původně dvě verze

Myšlenka přímého vstřikování benzínu se zpočátku opírala o dva odlišné režimy chodu motoru. Pokud by se to osvědčilo, možná by se skutečně ona proklamovaná úspora paliva stala realitou. Motory měly pracovat ve dvou režimech: Při částečném zatížení s takzvanou vrstvenou směsí, při plném zatížení, a tedy při požadavku na výkon, s homogenní směsí.

Takto tomu bylo i u druhé generace Škody Octavia. Ta měla zprvu dva motory FSI: 1.6 FSI, který pracoval výhradně s homogenní směsí a 2.0 FSI, jenž se nabízel ve dvou variantách: S výhradně homogenní směsí pracovala verze BLR, s oběma režimy v závislosti na zatížení BLX. Druhou jmenovanou měly výhradně verze s pohonem všech kol.

Pokud motor spaloval vrstvenou směs, byla velice chudá. Vtip spočíval v tom, že její bohatost rostla směrem k zapalovací svíčce. To znamená, že okolo ní byla směs nejbohatší a čím dále od ní postupně chudla – zvyšoval se u ní podíl vzduchu. Současně s přechodem na vrstevný režim došlo k uzavření poloviny průřezu sacího potrubí rozděleného na dvě části klapkou. Smyslem bylo, aby nasávaný vzduch zrychlil. Ve válci navíc vzduch příčně rotoval (takzvaný tumble efekt – tedy rotace ve vertikální rovině).

V režimu homogenní směsi se benzin vstřikoval už při sacím zdvihu, tedy jako u nepřímo vstřikových motorů. Smyslem bylo co nejlepší promíchání vzduchu a benzinu a vytvořit tak maximálně homogenní směs. Naopak ve vrstevném režimu se palivo vstřikovalo až ve fázi komprese, tedy podobně jako u dieselů. Ve dvou režimech pracovaly i jiné přímo-vstřikové motory té doby, vlastně všechny výše uvedené. Motory FSI navíc měly ještě doplňkové programy. Třeba dvojitý vstřik při plném zatížení do otáček 3000 za minutu.

Později jen homogenní

Režim pracující s vrstevnou směsí se ale v praxi příliš neujal, a to hned z několika důvodů. Ve vrstveném režimu totiž docházelo k rychlému usazování karbonu ve válcích. Motory začaly padat do nouzového režimu stále častěji, až už nejely vůbec. Jistě i proto se dnes s těmito prvními motory s přímým vstřikem benzínu takřka nesetkáte. Obecně motory s přímým vstřikem benzínu tvoří karbon více, než s nepřímým. A to zejména v sacím potrubí a dále na ventilech. Prostě chybí onen čistící efekt nepřímého vstřiku. Děje se to zejména pokud se používá palivo o nízkém oktanovém čísle. Však také původní motory FSI vyžadovaly primárně palivo minimálně o oktanovém čísle 98. V opačném případě hrozilo brzké zakarbonování (klidně po ujetí 100.000 km) i v případě motoru s výhradně homogenní směsí.

Druhý problém se týkal emisního systému. Motory spalující vrstevnou směs totiž produkují velké množství oxidů dusíku jako projev hoření směsi s extrémním přebytkem vzduchu. Aby se produkce NOx snížila, musely být vybaveny zásobníkovým katalyzátorem NOx s dvojicí dodatečných snímačů. Rychle se ucpával, takže další důvod padání motoru do nouzového režimu.

Situace dnes

Nejnovější zážehové motory kombinují přímé i nepřímé vstřikování. To je ale i v tomto případě vždy s homogenní směsí. Vrstvená směs se už nepoužívá. Příkladem řešení se zdvojeným vstřikováním je motor Audi EA888 gen. 3. Dále jsou to motory Toyota/Lexus – systém D4-S, motory 2GR-FSE, 4U-GSE a samozřejmě pohon kupé Toyota GT-86/Subaru BRZ FA20.

V režimu nízkého zatížení je palivo dopravováno systémem nepřímého vstřikování. Aby se směs dobře promíchala, je navíc do sání integrováno zařízení podporující víření směsi (tumble efekt). Naopak v režimu středního a vysokého zatížení se řízení motoru přepne na přímé vstřikování, tedy přímo do spalovacích prostorů, tedy až za sací ventily. Kromě snížení emisí zejména oxidu uhličitého se tímto opatřením eliminovalo výše zmíněné zanášení sání a ventilů karbonem.

Předností zdvojeného tedy přímého/nepřímého vstřikování je eliminace zanášení motoru karbonem a zároveň ještě nižší emise. Rovněž je dobře splněn požadavek na rychlou reakci motoru na přidání plynu, což zejména motory s nepřímým vstřikováním benzínu a současně splňující přísné emisní normy plní jen s obtížemi.