Silniki benzynowe z bezpośrednim wtryskiem paliwa

Czy silnikie benzynowe o bezpośrednim wtrysku umożliwią nam jazdę autami, które są dynamiczne, a jednocześnie nie zużywają dużo paliwa?

Silniki benzynowe z bezpośrednim wtryskiem paliwa

Czy silnikie benzynowe o bezpośrednim wtrysku umożliwią nam jazdę autami, które są dynamiczne, a jednocześnie nie zużywają dużo paliwa?

W ciągu swojej niemal 120-letniej już historii silniki benzynowe ewoluowały stosunkowo powoli. Główne zmiany dotyczyły systemu zasilania, a ściślej sposobów tworzenia mieszanki paliwowo-powietrznej, "pokarmu", dzięki któremu pracuje silnik. Na początku powstawała ona wskutek porywania kropelek paliwa z bawełnianego knota umieszczonego w komorze ssącej. Taki silnik z trudem utrzymywał się w ruchu, nie mówiąc już o tym, że miał małą moc. O niebo lepsze efekty dawało zastosowanie urządzenia przypominającego rozpylacz fryzjerski. Dzięki niemu określenie "mieszanka" (w odniesieniu do tego, co trafiało do cylindrów) zaczęło nieco bardziej odpowiadać rzeczywistości. Potem pojawił się gaźnik, który niepodzielnie królował w silnikach przez prawie sto lat. Dopiero w połowie ubiegłej dekady ustąpił on miejsca wtryskowi paliwa, początkowo jednopunktowemu (SPI), a potem wielopunktowemu (MPI). I tak jest w zasadzie do dzisiaj. W zasadzie, bo po ulicach jeżdżą już pierwsze modele wyposażone w silniki benzynowe z układem zasilania nowej generacji. Można je poznać po literkach GDI, będących skrótem od Gasoline Direct Injection (bezpośredni wtrysk benzyny).Benzyna jak diesel

Kilka lat temu konstruktorzy firmy Mitsubishi obwieścili, że pracują nad czymś, co można określić mianem benzynowego diesla. Chodziło o silnik z zapłonem iskrowym (jak w każdym "benzynowcu"), ale z bezpośrednim wtryskiem (jak w "ropniakach"). Pomysł ciekawy, aczkolwiek nie szokujący. Idea połączenia dynamiki silnika benzynowego z oszczędnością diesla nurtowała producentów samochodów od dziesięcioleci. Te pierwsze zużywają lepsze, bardziej energetyczne paliwo (benzynę), te drugie są za to efektywniejsze, co oznacza, że sprawniej zamieniają energię zawartą w paliwie (którym jest tu ropa) na konie mechaniczne.

Żeby silnik zużywał mniej paliwa, a produkował tyle samo koni mechanicznych, należało przede wszystkim zrobić dwie rzeczy: przystosować go do bardziej ubogiej mieszanki i podnieść stopień sprężania. I tu zaczynają się problemy. Konwencjonalne silniki benzynowe pracują na mieszance, w której na jedną porcję paliwa przypada 14 porcji powietrza. Tymczasem konstruktorzy Mitsubishi założyli, że silnik GDI będzie zadowalał się mieszanką, w której na jedną porcję paliwa będzie przypadać, w zależności od zapotrzebowania na moc, od 25 do 40 porcji powietrza. By uzmysłowić sobie śmiałość tego zamierzenia, wystarczy wspomnieć, że żaden konwencjonalny silnik benzynowy nie poradziłby sobie z tak ubogą mieszanką: po prostu zbyt mała zawartość paliwa uniemożliwiłaby jej zapłon. To trochę tak, jakby chcieć zapalić samo powietrze.

Trzeba było więc uciec się do sposobu - sprawić, by taka mieszanka w różnych swoich miejscach miała różną gęstość. Chodziło o to, by najwięcej paliwa gromadziło się w pobliżu świecy zapłonowej. Im dalej od elektrod, tym mogło go być mniej. To wymuszało dwa posunięcia: zastosowanie wtrysku bezpośredniego i zmianę kształtu denka tłoka.Gdzie zamieszać?

O ile np. w konstrukcjach gaźnikowych mieszanka paliwowa powstawała w dyszach gaźnika, daleko od cylindrów, to już w silnikach MPI (z wielopunktowym wtryskiem paliwa) benzyna miesza się z powietrzem tuż obok zaworu ssącego, przed cylindrem.

Silniki GDI są ukoronowaniem tego procesu: tu paliwo wtryskiwane jest bezpośrednio do cylindra, w nim dopiero miesza się z powietrzem. Jednak najbardziej chyba zadziwiającą cechą silników GDI jest sam przebieg procesu spalania mieszanki. Może on bowiem przebiegać według dwóch scenariuszy: innego podczas dużego zapotrzebowanie na moc oraz innego w czasie spokojnej jazdy.

* W pierwszym przypadku benzyna jest zasysana szeroką strużką podczas ruchu tłoka w dół cylindra. Paliwo jest rozproszone i oziębia powietrze znajdujące się w komorze spalania oraz ścianki cylindra. W końcu ruch tłoka do góry spręża mieszankę paliwowo-powietrzną, ta zaś zapala się od iskry przeskakującej między elektrodami świecy.

W tym trybie pracy silnik GDI zachowuje się bardzo podobnie jak silnik z wielopunktowym wtryskiem paliwa. Jest jednak jedna istotna różnica: paliwo wykorzystuje się do schłodzenia powietrza w cylindrze. Dzięki temu zwiększono moc silnika GDI. W efekcie ma on o 10 proc. większy moment obrotowy od tradycyjnego silnika benzynowego o identycznej pojemności.

* Znacznie bardziej imponujące parametry silnik GDI ma w trybie pracy ekonomicznej. Tym razem chodzi nie o moc, ale o zużycie paliwa.

Podobnie jak w silnikach wysokoprężnych paliwo zostaje tu wstrzyknięte nie podczas suwu ssania, lecz sprężania. Jego strużka jest węższa i mniej obfita niż przy opisanym wyżej trybie pracy. Paliwo trafia na wychylony prawie maksymalnie do góry tłok, tworząc w zagłębieniu jego denka niewielki obłoczek. Chwilę później, kiedy mieszanka paliwowo-powietrzna jest optymalnie rozproszona, iskra ze świecy zapala ją.High-tech na co dzień

Konstruktorzy twierdzą, że dzięki szczególnym rozwiązaniom technicznym silnik GDI zużywa aż o 35 proc. paliwa mniej niż tradycyjny silnik benzynowy. Ich kalkulacje są prawdziwe choć... nie odpowiadają realiom. Opierają się bowiem na wynikach pomiarów przeprowadzonych wg bardzo specyficznej japońskiej normy zużycia paliwa, daleko odbiegającej od rzeczywistych warunków eksploatacji (dopuszczającej np. jazdę z maksymalną prędkością 45 km/godz.).

A jak silniki GDI spisują się w praktyce? Pierwsze wyposażone w nie samochody pojawiły się w Japonii pod koniec 1996 r. Były to Mitsubishi Carisma i Galant. Niedługo potem w salonach w Kraju Kwitnącej Wiśni pojawiło się auto z tego typu silnikiem Toyoty. Swój silnik GDI pokazało również Subaru; zgodnie z tradycją firmy jest to czterocylindrowy bokser (nie dopuszczony, jak na razie, do seryjnej produkcji). W zeszłym roku prototyp silnika GDI pokazał Volkswagen, a takie oszczędne silniki będą też napędzać auta Volvo.

W ubiegłym roku Carisma GDI zadebiutowała w Europie. W Niemczech jest ona tylko o 500 marek droższa od wersji z konwencjonalnym silnikiem. Wysoki stopień sprężania (12,5:1) pozwolił wycisnąć z jej 1,8-litrowego silnika 125 KM, co w porównaniu do silników MPI (benzynowych z wielopunktowym wtryskiem) i TDI (turbo diesli z wtryskiem bezpośrednim) oznacza zysk rzędu 10 KM.

Testy drogowe wykazały, że Carisma ma dwa oblicza. Podczas agresywnej, szybkiej jazdy zachowuje się w sposób zbliżony do samochodu napędzanego silnikiem MPI. Zaś podczas spokojnej eksploatacji lub jazdy autostradą z prędkością nie przekraczającą 120 km/godz. jest niemal tak oszczędna jak bezkonkurencyjne pod tym względem auta z turodieslami w technice bezpośredniego wtrysku. Ta dwoistość ma wytłumaczenie w składzie konsumowanej mieszanki paliwowej: w pierwszym przypadku (dynamiczna jazda) jest ona przeszło półtora raza bogatsza w benzynę (25:1) niż w drugim (jazda spokojna), kiedy to uaktywnia się tryb zasilania ubogą mieszanką (40:1).

Generalnie pod względem zużycia paliwa silnik Carismy GDI okazał się o około 5-10 proc. oszczędniejszy od jednostek z wielopunktowym wtryskiem paliwa i tylko trochę bardziej żarłoczny od diesli z wtryskiem bezpośrednim.Gdyby nie te tlenki...

Wydawałoby się więc, że nic nie stoi na przeszkodzie, by samochody z silnikami GDI szybko podbiły rynki całego świata. A jednak nie. Jest bowiem jedno ale. Ekologia. Wprawdzie silniki GDI doskonale radzą sobie z dwutlenkiem węgla, za to wydzielają zbyt dużo tlenków azotu. I nic na to nie mogą poradzić klasyczne katalizatory. Rozwiązaniem tego problemu miały być katalizatory irydowe. Ale okazało się, że są one zbyt wrażliwe na siarkę obficie występującą w paliwie sprzedawanym w wielu państwach świata. W efekcie samochody z silnikami GDI nie są sprzedawane w USA, gdzie w wielu stanach dopuszcza się do sprzedaży zasiarczone paliwo, a z drugiej strony żąda, by katalizator bezawaryjnie pracował w czasie przebiegu 160 tys. km.

Zalet technologii GDI - zmniejszenia zużycia paliwa co najmniej o siedem procent przez mechanizm niewiele droższy od konwencjonalnego silnika - nie sposób zbagatelizować. Ale przyszłość tych silników będzie przesądzona dopiero wtedy, gdy sprostają one rygorystycznym normom czystości spalin: amerykańskiej ULEV i europejskiej Euro III, które już niedługo zaczną obowiązywać na całym świecie.

Artur Włodarski

Copyright © Agora SA