Vstrekovanie paliva v benzínových motoroch. Výhody, nevýhody a možné problémy

Typ vstrekovacieho systému určuje parametre motora a prevádzkové náklady. Ovplyvňuje dynamiku, spotrebu paliva, emisie výfukových plynov a náklady na údržbu auta.

História praktickej aplikácie vstrekovania benzínu do spaľovacieho motora v doprave siaha do obdobia pred prvou svetovou vojnou. Už vtedy letectvo naliehavo hľadalo nové riešenia, ktoré by mohli zlepšiť účinnosť motorov a prekonať problémy s výkonom v rôznych polohách lietadla. Osvedčilo sa vstrekovanie paliva, ktoré sa prvýkrát objavilo vo francúzskom leteckom motore V8 z roku 1903. Až v roku 1930 debutoval Mercedes 1951 SL so vstrekovaním paliva, všeobecne považovaný za predchodcu v tejto oblasti. V športovej verzii však išlo o prvé auto s priamym vstrekovaním benzínu.

Elektronické vstrekovanie paliva bolo prvýkrát použité v 300-ke v motore Chrysler z roku 1958. Viacbodové vstrekovanie benzínu sa na autách začalo objavovať v 1981. rokoch, no najviac sa využívalo v luxusných modeloch. Na zabezpečenie správneho tlaku sa už používali vysokotlakové elektrické čerpadlá, no ovládanie bolo stále v kompetencii mechanikov, ktorí upadli do zabudnutia až v roku 600 s ukončením výroby Mercedesu. Vstrekovacie systémy boli stále drahé a nezmenili sa na lacné a obľúbené autá. Ale keď bolo v XNUMX potrebné inštalovať katalyzátory na všetky autá bez ohľadu na ich triedu, musel byť vyvinutý lacnejší typ vstrekovania.

Prítomnosť katalyzátora si vyžadovala presnejšiu kontrolu zloženia zmesi, ako by mohli poskytnúť karburátory. Vzniklo tak jednobodové vstrekovanie, chudobná verzia „viacbodového“, no pre potreby lacných áut postačujúca. Od konca deväťdesiatych rokov sa začal vytrácať z trhu a nahrádzali ho viacbodové vstrekovače, ktoré sú v súčasnosti najpopulárnejším palivovým systémom v automobilových motoroch. V roku 1996 malo priame vstrekovanie paliva svoj štandardný debut na Mitsubishi Carisma. Nová technológia potrebovala vážne zlepšenie a spočiatku našla len málo nasledovníkov.

Avšak vzhľadom na stále prísnejšie normy výfukových plynov, ktoré mali od začiatku silný vplyv na pokrok v palivových systémoch automobilov, museli konštruktéri nakoniec prejsť na priame vstrekovanie benzínu. V najnovších riešeniach, ktorých je zatiaľ málo, kombinujú dva typy vstrekovania benzínu – nepriame viacbodové a priame.    

Nepriama jednobodová injekcia

V jednobodových vstrekovacích systémoch je motor poháňaný jedným vstrekovačom. Je inštalovaný na vstupe sacieho potrubia. Palivo sa dodáva pod tlakom približne 1 bar. Rozprášené palivo sa mieša so vzduchom pred sacími otvormi kanálov vedúcich k jednotlivým valcom.

Zmes paliva a vzduchu je nasávaná do kanálov bez presného dávkovania zmesi pre každý valec. Kvôli rozdielom v dĺžke kanálov a kvalite ich povrchovej úpravy je napájanie valcov nerovnomerné. Ale sú tu aj výhody. Keďže cesta zmesi paliva so vzduchom z dýzy do spaľovacieho priestoru je dlhá, môže sa pri správnom zahriatí motora palivo dobre odparovať. V chladnom počasí sa palivo neodparuje, štetiny kondenzujú na stenách kolektora a čiastočne odchádzajú do spaľovacej komory vo forme kvapiek. V tejto forme nemôže úplne vyhorieť v pracovnom cykle, čo vedie k nízkej účinnosti motora vo fáze zahrievania.

Dôsledkom toho je zvýšená spotreba paliva a vysoká toxicita výfukových plynov. Jednobodové vstrekovanie je jednoduché a lacné, nevyžaduje veľa dielov, zložité dýzy a pokročilé riadiace systémy. Nízke výrobné náklady vedú k nižšej cene vozidla a opravy s jednobodovým vstrekovaním sú jednoduché. Tento typ vstrekovania sa v moderných motoroch osobných automobilov nepoužíva. Nájdeme ho len v modeloch so zaostalým dizajnom, hoci vyrábaným mimo Európy. Jedným z príkladov je iránsky Samand.

privilégiá

– Jednoduchý dizajn

- Nízke náklady na výrobu a údržbu

– Nízka toxicita výfukových plynov, keď je motor horúci

defekty

– Nízka presnosť dávkovania paliva

– Relatívne vysoká spotreba paliva

– Vysoká toxicita výfukových plynov vo fáze zahrievania motora

– Slabý výkon z hľadiska dynamiky motora

Nepriame viacbodové vstrekovanie

Rozšírením jednobodového nepriameho vstrekovania je viacbodové nepriame vstrekovanie so vstrekovačom v každom sacom otvore. Palivo je dodávané po škrtiacej klapke, tesne pred sacím ventilom.Vstrekovače sú bližšie k valcom, ale cesta zmesi vzduch/palivo je stále dostatočne dlhá na to, aby sa palivo vyparilo na horúcom motore. Na druhej strane má zahrievacia fáza menšiu tendenciu kondenzovať na stenách sacieho otvoru, pretože vzdialenosť medzi tryskou a valcom je kratšia. Vo viacbodových systémoch sa palivo dodáva pod tlakom 2 až 4 bary.

Samostatný vstrekovač pre každý valec dáva konštruktérom úplne nové možnosti z hľadiska zvýšenia dynamiky motora, zníženia spotreby paliva a zníženia emisií výfukových plynov. Spočiatku sa nepoužívali žiadne pokročilé riadiace systémy a všetky trysky čerpali palivo súčasne. Toto riešenie nebolo optimálne, keďže vstrekovací moment nenastal v každom valci v najvýhodnejšom momente (pri náraze na uzavretý sací ventil). Až vývoj elektroniky umožnil vybudovať pokročilejšie riadiace systémy, vďaka ktorým začalo vstrekovanie fungovať presnejšie.

Spočiatku sa dýzy otvárali v pároch, potom bol vyvinutý systém sekvenčného vstrekovania paliva, v ktorom sa každá dýza otvára samostatne, v optimálnom momente pre daný valec. Toto riešenie umožňuje presne zvoliť dávku paliva pre každý zdvih. Sériový viacbodový systém je oveľa zložitejší ako jednobodový, je drahší na výrobu a nákladnejší na údržbu. Umožňuje však výrazne zvýšiť účinnosť motora s menšou spotrebou paliva a menšou toxicitou výfukových plynov.

privilégiá

- Vysoká presnosť dávkovania paliva

– Nízka spotreba paliva

– Veľa možností z hľadiska dynamiky motora

– Nízka toxicita výfukových plynov

defekty

- Značná zložitosť dizajnu

– Relatívne vysoké náklady na výrobu a údržbu

Priame vstrekovanie

V tomto riešení je vstrekovač inštalovaný vo valci a vstrekuje palivo priamo do spaľovacej komory. Na jednej strane je to veľmi výhodné, pretože to umožňuje veľmi rýchlu výmenu palivovo-vzduchovej náplne nad piestom. Pomerne studené palivo navyše dobre ochladzuje hlavu piestu a steny valca, takže je možné zvýšiť kompresný pomer a dosiahnuť vyššiu účinnosť motora bez obáv z nepriaznivého klepania spaľovania.

Motory s priamym vstrekovaním sú navrhnuté tak, aby spaľovali veľmi chudobnú zmes vzduchu a paliva pri nízkom zaťažení motora, čím sa dosahuje extrémne nízka spotreba paliva. Ukázalo sa však, že to spôsobuje problémy s prebytkom oxidov dusíka vo výfukových plynoch, na odstránenie ktorých je potrebné inštalovať príslušné čistiace systémy. Dizajnéri sa vyrovnávajú s oxidmi dusíka dvoma spôsobmi: pridaním boostu a zmenšením veľkosti alebo inštaláciou komplexného systému dvojfázových trysiek. Prax tiež ukazuje, že pri priamom vstrekovaní paliva dochádza k nepriaznivému javu karbónových usadenín v sacích potrubiach valcov a na driekoch sacích ventilov (zníženie dynamiky motora, zvýšenie spotreby paliva).

Je to spôsobené tým, že sacie otvory ani sacie ventily nie sú preplachované zmesou vzduch/palivo ako pri nepriamom vstrekovaní. Preto ich neodmývajú jemné čiastočky oleja, ktoré sa dostávajú do sacieho systému zo systému vetrania kľukovej skrine. Olejové nečistoty vplyvom teploty tvrdnú a vytvárajú čoraz hrubšiu vrstvu nežiaduceho kalu.

privilégiá

– Veľmi vysoká presnosť dávkovania paliva

– Možnosť spaľovania chudých zmesí

– Veľmi dobrá dynamika motora pri nízkej spotrebe paliva

defekty

- Mimoriadne zložitý dizajn

- Veľmi vysoké náklady na výrobu a údržbu

– Problémy s nadbytkom oxidov dusíka vo výfukových plynoch

- Uhlíkové usadeniny v sacom systéme

Dvojité vstrekovanie - priame a nepriame

Konštrukcia zmiešaného vstrekovacieho systému využíva výhody nepriameho aj priameho vstrekovania. Priame vstrekovanie funguje pri studenom motore. Zmes paliva a vzduchu prúdi priamo cez piest a kondenzácia je vylúčená. Keď je motor zahriaty a beží pri miernom zaťažení (jazda konštantnou rýchlosťou, plynulá akcelerácia), priame vstrekovanie prestáva fungovať a jeho úlohu preberá viacbodové nepriame vstrekovanie. Palivo sa lepšie odparuje, veľmi drahé vstrekovače systému priameho vstrekovania nefungujú a neopotrebúvajú sa, sacie ventily obmýva zmes paliva so vzduchom, takže sa na nich netvoria usadeniny. Pri veľkom zaťažení motora (silné akcelerácie, rýchla jazda) sa opäť zapína priame vstrekovanie, ktoré zabezpečuje veľmi rýchle plnenie valcov.

privilégiá

- Veľmi presné dávkovanie paliva

– Optimálna dodávka motora za všetkých podmienok

– Veľmi dobrá dynamika motora pri nízkej spotrebe paliva

– Žiadne usadeniny uhlíka v sacom systéme

defekty

- Obrovská zložitosť dizajnu

- Extrémne vysoké náklady na výrobu a údržbu