GDI – Přímé vstřikování benzínu

„Neexistují špatné nápady, jen nedodělané nebo nerealizované,“ takhle si asi myslí japonští inženýři. Alespoň se s nimi v počtu originálních řešení aplikovaných na sériové vozy jen stěží někdo jiný může srovnávat. „My jsme s tím přišli, my jsme na tom pracovali!“ křičí pak v Evropě a Americe. Přišli s tím. Ale neudělali to. Nebo to považovali za nerentabilní a opustili to. Teď to dožeňte!

Již více než 100 let jsou automobily vybaveny benzínovými spalovacími motory a téměř 100 let – dieselovými motory. My jsme se jim již dávno přizpůsobili a dobře známe jejich výhody a nevýhody, takže podle okolností používáme jeden nebo druhý. Benzínový motor snadno startuje, rychle akceleruje a dosahuje vysokých rychlostí, má velký objem v litrech a je levnější. Ale rád „žere“, a to ne levně. Proto ho často vídáme u osobních automobilů a malých nákladních vozů.

Samotný diesel je dražší, dražší na údržbu, pomalejší, produkuje méně výkonu na litr zdvihového objemu, má vyšší hladinu hluku a hůře startuje. Ale, a to je hlavní, spotřebuje mnohem méně paliva a navíc levnější palivo. Je jasné, že téměř všechna těžká a užitková vozidla „jezdí“ na dieselové motory. Ale „nic jako peníze navíc neexistují“ a kupující aut, nejen v Evropě, stále častěji přemýšlejí, který motor upřednostnit. A poměrně často volí diesel. I když by bylo ještě lepší, kdyby byly dva v jednom. Rychlý, tichý, snadno startovatelný, a aby v zimě nezamrzlo palivo, a větší výkon by neuškodil, jen kdyby méně „žral“. Ale zázraky se nedějí. Existuje teorie motorů.

Jednoduchá slova

Aby palivo hořelo, je potřeba vzduch. Ale je třeba s palivem smíchat tolik vzduchu, kolik je potřeba pro úplné spálení. Toto množství vzduchu se nazývá stechiometrický, a to je samozřejmě známo již dlouhou dobu. Například u benzínu je optimální (teoretické) složení palivové směsi vyjádřeno poměrem 14,7:1, tj. 1 gram benzínu vyžaduje 14,7 gramu vzduchu. Směs, ve které je více vzduchu, než je nutné, se nazývá chudý, a ten, ve kterém je méně vzduchu, než je nutné (tj. více paliva), se nazývá bohatýPříliš chudou směs není vždy možné zapálit; při práci s bohatou směsí nespálené palivo zbytečně „vytéká potrubím“ a zvyšují se emise oxidu uhelnatého.

Vzduch je ale potřeba nejen ke spalování. Čím vyšší je tlak ve válci před zapálením směsi, tím větší je výkon motoru. A pro nás je velmi výhodné, že při sacím zdvihu se do válce dostane více vzduchu: tím vyšší bude tlak. Ale nyní je čas zjistit, proč je nafta úspornější.

Vzpomeňme si, jak funguje spalovací motor. U benzínového motoru se během sacího zdvihu do válce dostává směs vzduchu a paliva, která se poté stlačí a zapálí jiskrou. U vznětového motoru se během sacího zdvihu do válce dostává pouze vzduch, který je pístem stlačován pod vysokým tlakem a v důsledku toho se také zahřívá. Na konci komprese se do válce vstřikuje palivo, které se při vysokém tlaku a teplotě samovolně vznítí. Tlak ve válci vznětového motoru je mnohem vyšší než ve válci benzínového motoru: kompresní poměr 20 je pro moderní atmosférický vznětový motor zcela normální, zatímco u sériových benzínových motorů, i těch nejvíce „utažených“, sotva dosahuje 11. A čím vyšší je tlak ve válci, tím vyšší je účinnost. Okamžitá myšlenka: co takhle zvýšit kompresní poměr v benzínovém motoru?! Zkusili jsme to. Ale nad 11 to nejde. Protože existují jevy, jako je detonace a předčasné zapálení.

Detonace — velmi rychlé spalování paliva v místech vzdálených od zapalovací svíčky, doprovázené prudkým lokálním přehřátím a přetížením částí motoru. Vnější známku detonace — klepání — slyšíme například tehdy, když se po natankování nízkooktanového benzinu pokusíme prudce zrychlit v Žiguli.

Žhavící zapalování — předčasné (před objevením se jiskry) zapálení směsi z přehřátých částí spalovací komory (například ze stejné elektrody zapalovací svíčky).

Dlouhodobý provoz s detonací a žhavicím zapalováním je nepřijatelný: motor rychle selže. Detonace a zážeh jsou vyvolány vysokou teplotou a vysokým tlakem. Aby nedocházelo k detonaci, jsou motory s vysokým kompresním poměrem „krmeny“ vysokooktanovým benzínem (98), ale nad kompresním poměrem 11 je ho málo.

Nyní se podívejme, co se děje při nízkém zatížení. Zde „snížíme plyn“ a jedeme pomaleji. Co to znamená pro benzínový motor? Když uvolníme plynový pedál, škrticí klapka se u sání uzavře, což znamená, že snižujeme nejen množství dodávaného paliva, ale i množství vzduchu. Méně vzduchu ve válci znamená menší tlak na konci komprese. Ale to je u karburátoru, říkáte si. Ale co benzínový motor se vstřikováním paliva? Vždyť tam můžete snížit přívod paliva, aniž byste snížili množství vzduchu? Ano, ale do určité hranice. Protože příliš chudá směs se jiskrou nezapálí a aby se směs nestala příliš chudou, bude muset být škrticí klapka stále uzavřena a tlak se sníží. Menší tlak ve válci znamená menší točivý moment na výstupu.

Co znamená „uvolnit pedál“ u vznětového motoru? Znamená to, že do válce bude jednoduše dodáno méně paliva. Množství nasávaného vzduchu však zůstane stejné a tlak na konci sacího zdvihu se nezmění. Ano, směs ve válci se zchudne, ale vznětový motor pracuje dobře s chudou směsí – koneckonců má jiný princip zapalování a jiné palivo! A vznětový motor zůstává velmi účinný i při nízkém zatížení. A zdá se, že jsme dospěli k hlavnímu bodu: pokud chceme, aby byl benzínový motor ekonomický, „elastický“ a výkonnější, musíme ho zbavit detonace a naučit ho „živit se“ chudou směsí.

O nízkokalorických potravinách

Problém je tedy v tom, že jiskra tvrdohlavě odmítá zapálit směs paliva a vzduchu chudší než 17:1. Ale můžete naplnit válec velmi chudou směsí a bohatší směs přivést přímo do zapalovací svíčky, která se zapálí. Zkoušeli to: například tato myšlenka byla položena v motoru s předkomorou. Skutečných výsledků bylo dosaženo u motorů s distribuovaným vstřikováním paliva: zde dosahují stabilního provozu na směsi s poměrem 22:1, ale stále nemohou směs chudší. Koneckonců, v případě konvenčního distribuovaného vstřikování je tvorba směsi externí – vstřikovač vstřikuje benzín do sacího potrubí. A bohatší část proudu směsi můžeme dodat do zapalovací svíčky pouze nasměrováním proudu pomocí aerodynamiky, například jeho určitým vířením. Tedy kdyby se palivo vstřikovalo přímo do válce.

Benzínové motory s přímým vstřikováním se objevily poměrně dávno a v letectví se používaly již během druhé světové války. Vyvíjely se i motory pro automobily, alespoň u nás se testovaly již koncem 40. let. Dlouho se však nepodařilo vyrovnat se závažnými nedostatky přímého vstřikování, zejména s „dieselovým“ kouřením ve výkonových režimech. A motor se ukázal být poměrně drahý, a proto ekonomicky nerentabilní. A na přímém vstřikování se prakticky přestalo pracovat.

Ale ne Japonci. Mitsubishi si jako první uvědomilo výhody přímého vstřikování v kontextu zpřísňujících se environmentálních norem a benzín v Japonsku nikdy nebyl levný. 15 let úsilí bylo korunováno úspěchem: první motory s přímým vstřikováním benzínu, uvedené do výrobní připravenosti, byly veřejnosti představeny na autosalonech ve Frankfurtu a Tokiu na podzim roku 1995. Byly označeny GDI — Gasoline Direct Injection — přímé vstřikování benzínuO rok později se na japonském trhu objevil sériový Mitsubishi Galant 1.8 GDI a konečně v roce 1997 byla Evropanům nabídnuta Carisma s motorem 1.8 GDI.

Jak funguje GDI

Opravdu, Motor Mitsubishi GDI má podobnou konstrukci jako konvenční benzínové i naftové motory. Každý válec má zapalovací svíčku i vstřikovač a palivo je dodáváno vysokotlakým čerpadlem pod tlakem 5 MPa (50 atm). Vstřikovač umožňuje dva různé režimy vstřikování paliva. Věnujme pozornost následujícím vlastnostem. Sací potrubí se k válci přibližuje shora. To umožňuje klesající proud vzduchu, který se po kontaktu s pístem otáčí a řítí se nahoru, kroutí se ve směru hodinových ručiček (taková organizace proudění vzduchu umožňuje optimální koncentraci paliva přímo v blízkosti zapalovací svíčky). Proud se pohybuje velmi vysokou rychlostí podél téměř rovného sacího potrubí a i když píst dosáhne dolní úvrati, stále se do válce setrvačností dostává část vzduchu.

Píst je neobvyklý – nahoře je kulové vybrání. Tvar pístu zajišťuje tři důležité funkce. Za prvé umožňuje nastavit proudění vzduchu v požadovaném směru pohybu. Za druhé směřuje vstřikované palivo přímo na zapalovací svíčku, což je důležité při práci s extrémně chudými směsmi. Za třetí určuje šíření čela plamene.

Jak funguje GDI

GDI má tři možné režimy v závislosti na jízdním režimu. Provoz na ultra chudé směsi. Tento režim se používá při nízkém zatížení: při klidné jízdě ve městě a příměstské jízdě rychlostí do 120 km/h. V tomto případě je palivo do válce dodáváno téměř jako u vznětového motoru – na konci kompresního zdvihu. Palivo je vstřikováno kompaktním hořákem a po smíchání se vzduchem je veden kulovým vybráním pístu. V důsledku toho se oblak nejbohatší na palivo nachází přímo v blízkosti zapalovací svíčky a bezpečně se zapálí, čímž se zapálí chudá směs. Výsledkem je, že motor pracuje stabilně i při celkovém poměru vzduch-palivo ve válci 40:1.

Pracujte na stechiometrické směsi. Tento režim se používá pro intenzivní jízdu ve městě, vysokorychlostní příměstský provoz a předjíždění. Při stechiometrickém složení směsi nevznikají problémy se zapálením. Ale protože by bylo žádoucí zvýšit kompresní poměr, je důležité zabránit detonaci a zážehu. Vstřikování paliva probíhá během sacího zdvihu. Palivo je vstřikováno kónickým hořákem, rozstřikováno po celém válci a odpařováním ochlazuje vzduch ve válci. Díky chlazení se snižuje pravděpodobnost detonace a zážehu.

A ještě jeden režim realizuje řídicí systém GDI. Umožňuje zvýšit točivý moment motoru v případě, že řidič jedoucí v nízkých otáčkách prudce sešlápne plynový pedál. Když motor běží v nízkých otáčkách a náhle se do něj dostane obohacená směs, pravděpodobnost detonace se ještě více zvyšuje. Proto se vstřikování provádí ve dvou stupních. Malé množství paliva se vstřikuje do válce během sacího zdvihu a ochlazuje vzduch ve válci. Současně se válec plní ultra-chudou směsí (přibližně 60:1), ve které nedochází k detonačním procesům. Poté, na konci kompresního zdvihu, se dodává kompaktní proud paliva, který snižuje poměr vzduchu a paliva ve válci na „bohatých“ 12:1. A nezbývá čas na „přípravu“ na detonaci.

Takže, jaký je konečný výsledek? Kompresní poměr byl zvýšen na 12-12,5, zlepšilo se plnění vzduchem. Motor pracuje stabilně i na velmi chudou směs. Výsledek: ve srovnání s „běžným“ benzínovým motorem spotřebuje GDI o 10 % méně paliva, produkuje o 10 % více výkonu a emituje o 20 % méně oxidu uhličitého. Ale to je v Japonsku. Vzhledem k tomu, že benzín v Evropě obsahuje hodně síry, musela být při přípravě evropské verze motoru jedna z výhod – zvýšený výkon – opuštěna.

V Rusku debutoval motor GDI na jaře roku 2000 u modelů Mitsubishi Pajero Pinin (1,8) a Pajero III (3,5 – V6). Na podzim se k nim přidal model Carisma 1.8 GDI a další modely se mohou objevit v roce 2001. V současné době řada motorů Mitsubishi s přímým vstřikováním benzínu zahrnuje řadové čtyřválce s objemem 1,5; 1,8; 1,8 s přeplňováním; 2,0; 2,4 litru, a také 3,0 a 3,5litrové šestky ve tvaru V. Celkový počet motorů GDI vyrobených v závodě v Kjótu již překročil 720 tisíc kusů. Kromě vozů Mitsubishi jsou instalovány i v některých modifikacích modelů Volvo S40/V40. Kromě toho výrobu motorů GDI v licenci Mitsubishi zvládla i společnost Hyundai Motor (včetně V8 o objemu 4,5 l) a připravuje se i u společnosti Peugeot. Probíhají jednání s mnoha dalšími automobilkami.