Určitě jste si všimli, že na označení typu TDI, HDI a podobně narazíte na každém kroku. Zkrátka naftové motory jsou v módě a zaznamenaly prudký vzestup. Naopak ty benzínové jsou lehce na ústupu. Je to celkem pochopitelné. Moderní nafťáky vám nabídnou nízkou spotřebu a slušný točivý moment. Ale co když se objeví technologie, která má stejné výhody u benzinových motorů?
Vydáno: 22.2.2008
Ačkoli by se na první pohled mohlo zdát, že přímé vstřikování paliva do válců je záležitostí posledních několika let, není to úplně pravda. Dalo by se říci, že technologie přímého vstřiku zažívá jakési znovuzrození. První motory s touto palivovou soustavou se objevily už v roce 1937. Šlo o letecké motory.
Premiéra přímého vstřiku v automobilovém průmyslu proběhla v roce 1952, kdy přišly na trh první sériové vozy s touto moderní technologií. Byly to automobily Gutbrod Superior 600 a Goliath 700 GP. Ale kvůli vysokým nákladům na výrobu a provoz se postupně přešlo na finančně výhodnější způsoby tvorby směsi. Začátek nové éry přinesl rok 2000 kdy firma Bosch představila systém DI-Motronic.
Goliath 700 GP
Systém z naftových motorů pro benzinové
Takže jak to celé funguje? Řečeno hodně zjednodušeně, vezměte prostě systém moderních dieslových motorů a dejte ho do benzinového. Ano, dalo by se říci, že co se týká dopravy paliva do pístu, princip je podobný. Ale u benzinových motorů se objevuje několik problémů, které způsobily, že se systémy přímého vstřikování prosazují až v současné době. Motor vybavený přímým vstřikem je totiž velmi náročný na regulaci a vůbec přesnost veškerého plnění. Tyto nároky splní bez problémů až současná elektronika.
Princip je stejný jako u všech ostatních zážehových motorů, akorát směs se tvoří přímo ve válci. U nepřímých vstřiků se mísí palivo se vzduchem v sacím potrubí a nasává se už hotová směs. Na rozdíl od tohoto systému se u přímého vstřiku nasává pouze vzduch podobně, jako u naftových motorů. Elektronika ve spojení s modrními vstřikovači umožňuje velice přesně upravovat množství paliva.
Nízké zatížení má hospodárnost, vysoký výkon
Motor pracuje ve třech základních režimech. Režim nízkého, středního a vysokého zatížení. Pokud zatížení nepřesáhne 50 %, mluvíme o režimu nízkého zatížení. V tomto případě se spaluje extrémně chudá směs. To znamená, že vzduchu je na dané množství paliva podstatně více, než je optimální poměr.
Aby se náplň válce vůbec zapálila, musí se okolo svíčky zajistit směs, která neobsahuje tolik vzduchu, tedy směs dostatečně bohatá. Jakmile začne část okolo svíčky hořet, bez problémů zapálí i zbývající obsah. Náplň válce má tak různé vrstvy s různým poměrem paliva a vzduchu (vrstvené plnění). Díky tomu, že se spaluje v podstatě nejmenší možné množství paliva, je motor s přímým vstřikem v režimu nízkého zatížení úspornější než běžné motory.
Motor v režimu středního zatížení spaluje mírně chudou směs, palivo se do válce vstřikuje během sacího zdvihu. Také v režimu středního zatížení je motor hospodárnější než konvenční provedení. To je dáno především rostoucí termickou účinností se zvyšujícím se kompresním poměrem a součinitelem přebytku vzduchu. Další výhodou je, že při poklesu zatížení, tedy přechodu do režimu nízkého zatížení, není nutné škrcení přiváděného vzduchu. Pomocí elektroniky se upravuje součinitel přebytku vzduchu. Tím, že odpadá nutnost škrcení, snižujeme ztráty, a tedy zvyšujeme účinnost.
Nakonec plné zatížení. Zde se spaluje homogenní směs. Protože je nutné, aby se relativně velké množství paliva promísilo a odpařilo během velmi krátké doby, vstřikuje se palivo na začátku, nebo v průběhu sání. Moment vstřiku se upravuje v závislosti na otáčkách. Odpaření a promíchání paliva urychluje také široký kužel vstřikovacího paprsku.
Průběh vstřiku v motoru FSI
Možnost měnit moment vstřiku tak, aby se vše odehrávalo v optimálním načasování, přináší několik výhod. Objemová účinnost se zvýší až o 5 %, motor má menší sklon ke klepání, tj. nežádoucí samovznícení směsi, a v neposlední řadě také nižší oktanové nároky. Ve srovnání s konvenčním provedením motoru má přímý vstřik v režimu plného zatížení nepatrně vyšší výkon. Naftový motor je ale omezen hranicí kouřivosti. Tím pádem rozdíl ve výkonu mezi naftovým motorem a motorem s přímým vstřikem je v režimu plného zatížení poměrně výrazný.
Celková konstrukce je velmi složitá. S rostoucími otáčkami se mění rychlost celého procesu, protože vír vzduchu ve válci také roste. I když se vše odehrává rychleji, je nutné posunout vstřik paliva více dopředu tak, aby bylo dostatek času na odpaření a promíchání paliva se vzduchem. Jenže tím vyvstává problém. Posouváním vstřiku se mění hustota směsi a dolet kapiček paliva. Nízké zatížení představuje malý vír a kapičky se proletí celým válcem. Jak se vír zvětšuje, strhává kapičky dříve.
Proces směšování a hoření musí být přesně daný a řízený. Protože se základní faktory mění, je zřejmé, že sladění a optimalizace celého procesu klade vysoké nároky na konstrukci motoru. A to od konstrukce válců a pístů, které musí mít přesně daný tvar, aby se vznikající vír choval tak, jak potřebujeme, až po elektroniku, která řídí téměř vše.
Nesilnější motor pro Audi RS 6
Emise, emise…
Aby toho nebylo málo, složitější konstrukce se nevyhnula ani výfukovému potrubí. Výfukové plyny nemůžou odcházet jen tak přes klasický katalyzátor. A to především proto, že se spaluje v různých režimech chudá směs s velkým přebytkem vzduchu. Z přebytku vzduchu vyplývá menší výhoda, podobně jako u naftových motorů, že produkce jedovatého oxidu uhelnatého je minimální. Naproti tomu se výrazně zvyšuje množství oxidů dusíku (NOx). Ti sice nejsou tak jedovatí, ale každý ví, že můžou za oteplování, skleníkové efekty a tak dále. Běžný katalyzátor by takové množství nezvládl. Nabízejí se dva způsoby, jak tento problém eliminovat.
První je přidání dalšího katalyzátoru, který bude speciálně určený pro likvidaci oxidů dusíku. Přesněji řečeno se jedná o sběrný (zásobníkový) katalyzátor NOx. Je umístěn za standardním katalyzátorem. Během provozu mění pomocí oxidů baria oxidy dusíku na bariumnitráty, a ty ukládá. Jeho kapacita je však omezená, a tak se musí každých 30 až 60 sekund regenerovat. Čidlo umístěné v tomto katalyzátoru, pošle signál řídící jednotce, ta krátkodobě upraví směs na bohatou, zvýší se obsah oxidu uhelnatého a dochází k reakci s oxidy dusíku v bariumnitrátech.
Druhým způsobem je recirkulace výfukových plynů. Pomocí ventilu ve výfukovém potrubí se část plynů přepouští do sání. Výfukové plyny lze považovat za inertní, protože se spalování neúčastní, ale spotřebovávají teplo. Množství oxidů dusíku závisí právě na teplotě spalování. Tím pádem se s klesající teplotou sníží i obsah oxidů dusíku. Obě možnosti se samozřejmě můžou kombinovat.
Neuvěřitelná křivka výkonu motoru V10 TFSi pro Audi RS 6
Downsizing
Spojení přímého vstřiku s trubodmychadlem se využívá právě v této oblasti. Jde o snížení objemu motoru, ale zároveň zachování výkonových parametrů. Například motor VW TSI 1,4 vám poskytne 125 kW. Asi nemusím zdůrazňovat, že pokud naopak přidáme objem i počet válců, dostaneme velmi výkonný agregát. Za špičku lze považovat motor Audi V10 TFSI 5,0 l. Výsledná charakteristika tohoto high tech motoru je úchvatná.
Budoucnost ve znamení druhé generace
Z uvedeného popisu sice vyplývá řada výhod, ale jedná se jen o princip a teorii celého procesu. Pravdou však zůstává, že reálná provedení sice přináší zmíněné výhody, ale ne v takové míře, aby výrobci začali hojně investovat do vývoje tohoto systému. Ale to se brzy může změnit. Druhá generace přináší nové možnosti. Především díky nové konstrukci vstřikovačů lze efektivně měnit vstřikovací paprsek a bránit usazování nečistot na vstřikovačích.
Piezoelelektrický prvek na vstřikovačích představuje mnohem rychlejší odezvu na elektrický impuls. Díky tomu můžeme během jednoho cyklu rozdělit vstřik na několik předvstřiků, hlavní vstřik a tak podobně. Zvýší se tím přesnost, sníží spotřeba, maximálně se využije potenciál paliva.
Lze předpokládat, že stejně jako moderní systémy u naftových motorů nahradily ty staré, nahradí tento systém nepřímé vstřikování. Na nižší spotřebu a menší emise se dnes hodně hledí a přímý vstřik představuje možnost, jak toho dosáhnout. V současnosti se setkáváme s celou řadou provedení.
Motor JTS
Asi nejznámější je systém FSI (Fluid-Structural Interface) koncernu Volkswagen nebo JTS (Jet Thrust Stoichiometric) používaný u Alfy Romeo. Systémy přímého vstřiku má i BMW nebo Mitsubishi. Přímý vstřik ve spojení s variabilním časování ventilů a turbem nabídne relativně nízkou spotřebu, plochou křivku točivého momentu a vysoký výkon.
Můžeme tak očekávat, že oblíbeným turbodieslům nastanou horší časy. Technologie přímého vstřiku na to potenciál rozhodně má.
Text: Lukáš Dittrich
Foto: vwvortex.com, auto-innovations.com, ČZU
