Přímé a nepřímé vstřikování benzínu v jednom: Opravdu je k něčemu?

První sériový zážehový motoru v osobním automobilu, u něhož bylo palivo dopravováno nikoliv do sacího potrubí, ale přímo do spalovacích prostorů, se objevil ve druhé polovině 90. let. V autech šlo o zcela novou technologii, ovšem třeba v leteckých hvězdicových pístových motorech se toto používalo už v dobách druhé světové války.

U automobilů se stalo pionýrem japonské Mitsubishi a jeho osmnáctistovka 4G93 s přídomkem GDI. O pár let později se přidala Alfa Romeo 2.0 JTS, Citroën 2.0 HPi či Renault IDE. Ve všech případech však šlo o ojedinělé počiny, které neměly přímé následovníky a ani se nedočkaly masovějšího rozšíření. Až teprve koncern VW a jeho motory FSI se v Evropě rozšířily plošněji.

Vrstvená kontra homogenní

Původní motory s přímým vstřikováním benzínu se ještě nepojily s přeplňováním, jak je tomu dnes. Navíc většina výrobců se nechala zlákat myšlenkou dvou pracovních režimů těchto agregátů. V nízkých otáčkách a při malé zátěži se uplatňoval vrstvený režim spalování, zatímco ve vysokých otáčkách a při vyšším zatížení se využíval obvyklý homogenní režim.

Ve vrstveném režimu pracoval motor s extrémně chudou zápalnou směsí se směšovacím poměrem lambda až 40:1. Výkon motoru se v této fázi řídil kvalitativně změnou složení zápalné směsi. V praxi tak píst nasával pouze vzduch. Palivo se vstřikovalo až těsně před ukončením kompresního zdvihu, navíc do specificky tvarované prohlubně ve dně pístu. Tedy podobně jako u vznětových motorů, u nichž je také výkon regulován kvalitativně.

Režim spalování vrstvené směsi měl snížit spotřebu paliva o 15 až 20 procent, což se ale v praxi moc nepotvrdilo. Navíc tím, že nebyl výkon motoru regulován škrticí klapkou, mohla ta být trvale otevřena, což výrazně snižovalo odpor v sání, obecně nazývaný čerpací ztráty. Motor tak vykazoval vyšší účinnost, což se za normálních okolností děje u zážehového motoru pouze v režimu vysokého zatížení, kdy je škrticí klapka více otevřená.

Jenže to mělo i úskalí. Při spalování chudých směsí vzniká velké množství oxidů dusíku. Proto tyto motory musely mít dodatečný emisní systém v podobě zásobníkového katalyzátoru NOx, který doplňoval klasický trojčinný s lambda regulací. Při někdejší kvalitě benzínu trpěly tyto motory na časté zanášení spalovacích prostorů, což se projevovalo stále častějším padáním řídicí elektroniky do nouzového režimu, až už motor nejel vůbec. Nemluvě o vysoké ceně katalyzátoru oxidů dusíku. Navíc režim vrstevné směsi a s ním související snížení čerpacích ztrát nelze použít u přeplňovaného motoru. Velice záhy tak výrobci přešly na výhradně homogenní směs, čímž se ale dříve proklamované výhody přímého vstřikování docela zúžily.

Bude filtr povinný?

Přednosti přímého vstřikování benzínu v kombinaci s výhradně homogenní směsí ale našly nové uplatnění ve spojení s přeplňováním. Hlavní výhodou je fakt, že palivo vstříknuté do spalovacího prostoru v tomto případě už ve fázi sacího zdvihu přijmutím tepla změní svoje skupenství z kapalného na plynné a současně tím vlastně ochladí spalovací prostor. To je hlavní důvod, proč mohou mít přeplňované přímovstřikové motory tak vysoký statický kompresní poměr, aniž by docházelo k nežádoucím samozápalům. Vysoká statická komprese současně znamená vysokou účinnost spalování. Proto přeplňované motory s přímým vstřikem v režimu částečného zatížení spotřebovávají méně paliva než při vysoké zátěži. To staré přeplňované motory bez přímého vstřiku žraly pořád skoro stejně bez ohledu na to, zda jste výkon motoru využívali nebo se pouze jenom tak lehce vezli.

Přímé vstřikování benzínu: Proč je teď tak v kurzu?

Problém je, že přímé vstřikování benzínu způsobuje dříve u zážehového motoru nevídaný jev a to tvorbu velkého množství pevných částic. Tedy problém, s nímž se dosud potýkaly pouze vznětové motory. Až do příchodu normy Euro 6 si s tím u benzinových agregátů nikdo hlavu nelámal, neboť starší normy, konkrétně po Euro 5, toto u zážehových motorů nesledovaly. Současná norma to však již ošetřuje, právě v souvislosti s masivním nasazením přímého vstřiku benzínu. V blízké budoucnosti tak lze očekávat, že se filtry pevných částic, dosud používané jen u dieselů, stanou součástí emisního systému také u zážehových motorů. Třeba koncern PSA plánuje uvést zážehový motor s přímým vstřikováním benzínu, vybavený filtrem pevných částic, už během letošního léta. Pokud se tak stane, bude v dané věci opět průkopníkem, stejně jako tomu bylo v roce 2000, kdy jako první zavedli Francouzi z PSA DPF u dieselů. Podrobnosti ale zatím žádné známy nejsou… Pro zajímavost - Audi uvádí, že současné přímovstřikové motory produkují až desetkrát více pevných částic než stávající diesely, které ale filtr pevných částic mají.

Půjde to i bez něj?

Nabízí se otázka, zda je možné při současné a také připravovaných emisních normách částicový filtr u zážehových motorů nějak obejít. Jako odpověď se nabízí technologie zdvojeného vstřikování benzínu. V současnosti jej používá u některých motorů Ford. Dále Toyota pod označením D4-S a také skupina Volkswagen u třetí generace motorů řady EA888 1.8 TSI a 2.0 TSI. A samozřejmě velké motory Audi V6 a V8.

Systém zdvojeného vstřikování (nezaměňovat se Suzuki Dualjet, které má výhradně nepřímý vstřik, pouze se dvěma vstřikovači na válec) kombinuje přímý vstřik benzínu do spalovacích prostor s nepřímým do sacího traktu. Použití zdvojeného vstřikování benzínu umožnilo u přeplňovaného čtyřválce VW/Audi v případě přímého vstřiku dokonce zvýšit vstřikovací tlak ze stávajících 150 na 200 barů. Kromě snížení množství pevných částic ve výfukových plynech si od uvedené technologie výrobci slibují také redukci stále ostře sledovaných emisí oxidů dusíku.

Jednou z výhod, kterou ale automobilky moc nezmiňují, je návrat čistící funkce. Ta se zavedením přímého vstřikování benzínu odpadla a výsledkem je častá karbonizace přímovstřikových motorů, konkrétně jejích sání či sacích ventilů. Majitelé motorů VW TSI či PSA THP vědí, o čem je řeč, neboť právě tyto motory postihuje karbonizace poměrně často. Primárním důsledkem toho je však vysoká recirkulace spalin, ve snaze snížit emise oxidů dusíku. U nepřímého vstřikování byly zmíněné části motoru soustavně omývány proudem paliva, což u přímého vstřikování nelze.

Jak to celé funguje

Činnost zdvojeného vstřikování se pokusíme nastínit na motoru VW/Audi EA888 3. generace. Snahou v tomto případě je, aby v co nejširším rozsahu činnosti motoru byl zachován směšovací poměr lambda rovno 1, tedy takzvaný stechiometrický, kdy na 14,8 kg vzduchu připadá 1 kg benzínu. Dle VW/Audi to lze i díky integrovaným výfukovým svodům, které pomáhají rychleji ohřát chladicí kapalinu na provozní teplotu. A opačně - v režimu vysokého zatížení snižují teplotu výfukových plynů. To je důležité pro katalyzátor, který tak není třeba dodatečně chladit dodatečnou dávkou benzínu, což by samozřejmě zvyšovalo spotřebu.

Přímé vstřikování se u motoru EA888 3. generace uplatní u studeného motoru, při teplotě chladicí kapaliny do přibližně 45 stupňů, ale současně i v závislosti na teplotě oleje. A zároveň také při každém jeho spouštění. Aby při dlouhodobém používání nedocházelo ke karbonizaci, je krátce po vstříknutí dávky benzínu přímým vstřikováním aktivováno také nepřímé.

Následně se použije funkce pro co nejrychlejší ohřátí katalyzátoru. Ta počítá až se třemi vstřiky v průběhu sacího a také kompresního zdvihu. Současně dochází ke zpoždění zážehu a zároveň k zavření klapek v sacím traktu. Následuje režim částečného zatížení motoru při teplotě chladicí kapaliny vyšší než 45 stupňů. Při tom se v plné míře uplatní vstřikování do sacího potrubí, tedy nepřímé. A to bez ohledu na otáčky motoru. Snahou je poskytnout co možná nejdelší dobu na promíchání paliva se vzduchem, což nepřímé vstřikovaná umožňuje lépe.

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

Při vyšším zatížení a zároveň nižších otáčkách motoru přebírá úlohu opět přímý vstřik, dopravující benzin ve dvou dávkách – v sacím zdvihu a kompresním zdvihu. Ve vysokých otáčkách a současně vysokém zatížení je již palivo vstřikováno přímým vstřikem pouze v jedné dávce. Popsaný režim spalování se týká motoru VW/Audi EA888 3. generace.

S ohledem na to se může mapa dodávky paliva do motoru v závislosti na otáčkách a zatížení lišit napříč jednotlivými výrobci. Třeba u motorů Toyota s technologií D4-S lze z dostupných údajů vyčíst, že v režimu od nízkých do středních otáček agregátu a při současně nízkém až středním zatížení pracují přímý a nepřímý vstřik téměř současně. Pouze přímé vstřikování se uplatní při vysokém zatížení, ale už od nejnižších otáček, a dále vždy od středních po vysoké otáčky bez ohledu na míru zatížení motoru.