Zasilanie silników o zapłonie iskrowym (cz. 2.)

piotr wróblewski

W poprzedniej części cyklu skupiliśmy się głównie na sterowaniu układem zasilania. Przybliżyliśmy cel sterowania oraz wpływ zmiany poszczególnych parametrów wyjściowych na ogólną sprawność silnika i czystość spalania. W drugiej części skupimy się na analizie tych zjawisk w odniesieniu do konkretnych przykładów układów sterowania. Współcześnie wiodącym i obiecującym układem zasilania silników ZI jest bezpośredni wtrysk benzyny, którego zastosowanie pozwoliło zbliżyć się silnikom ZI do silników ZS w wyścigu o ogólną sprawność silnika.

Podział układów zasilania silników ZI
Ze względu na sposób podawania paliwa do powietrza, który ma wpływ na jakość rozpylenia paliwa, rozróżnia się zasadniczo dwie grupy układów zasilania silników o zapłonie iskrowym: gaźnikowy i wtryskowy (rys. 10.). Skupiając się na współczesnych systemach zasilania silników ZI, należy wymienić trzy liczące się grupy systemów zasilania silnika w paliwo. Mowa tu o systemach: wtrysku jednopunktowego, wtrysku wielopunktowego i wtrysku bezpośredniego.
System wtrysku jednopunktowego
W tym układzie paliwo jest wtryskiwane do przewodu dolotowego za pomocą wtryskiwacza umieszczonego w miejscu, gdzie niegdyś znajdował się klasyczny gaźnik. Sterowanie przepływem powietrza (dławienie) odbywa się za pomocą przepustnicy umieszczonej w przewodzie dolotowym. Proces tworzenia mieszanki palnej (mieszanka z założenia jednorodna) odbywa się w następujący sposób: wtryśnięte paliwo odparowuje i miesza się z przepływającym powietrzem na całej długości przewodu dolotowego. Tak przygotowana mieszanka wprowadzana jest do cylindra podczas suwu dolotu. W przypadku silników wielocylindrowych wtrysk jest także jednopunktowy, założeniem jest jednak odpowiednio dopasowany konstrukcyjnie kolektor dolotowy, sam natomiast wtrysk może być ciągły lub przerywany.
System wtrysku wielopunktowego
Zasada działania tego systemu opiera się na zastosowaniu w każdym cylindrze osobnego wtryskiwacza, który umieszczony jest blisko zaworu dolotowego danego cylindra - w rozgałęzionym kolektorze dolotowym. Proces dławienia przepływu powietrza kontrolowany jest przy pomocy jednej przepustnicy dla całego kolektora. Wtryskiwacze pracują w kolejności zapłonu w cylindrach w sposób przerywany (kolejność zapłonów uzależniona jest od konstrukcji wykorbień wału korbowego, co wiąże się z ogólnym założeniem wstępnym, czyli liczbą cylindrów w silniku). Ostateczny proces mieszania się odparowanego paliwa z powietrzem odbywa się już we wnętrzu cylindra.
System wtrysku bezpośredniego
Ideą tego sytemu jest bezpośredni wtrysk paliwa do wnętrza poszczególnych cylindrów silnika. Starannie dobrana, dostatecznie wczesna chwila wtrysku umożliwia odparowanie paliwa i jego wymieszanie się z powietrzem w cylindrze przed zapłonem. W ten sposób w chwili zapłonu wywołanego iskrą elektryczną mieszanka jest względnie jednorodna. Z przedstawionej na rys. 10. klasyfikacji łatwo wywnioskować, że najnowszym rozwiązaniem zasilania silników z zapłonem iskrowym jest wtrysk bezpośredni (ze sterowaniem zamkniętym), w którym mieszanka paliwowo-powietrzna jest tworzona bezpośrednio w cylindrze. Najstarszym rozwiązaniem konstrukcyjnym zasilania silników ZI jest układ gaźnikowy (ze sterowaniem otwartym). W artykule szczególną uwagę poświęcę bezpośredniemu wtryskowi benzyny oraz jego rozwojowi na przestrzeni najbliższych lat.
Ogólna koncepcja układu bezpośredniego wtrysku benzyny
Wysterowany elektronicznie bezpośredni wtrysk benzyny jest najnowszym rozwiązaniem układów wtryskowych zastosowanym do zasilania silników ZI, które dzisiaj wykorzystywane jest przez wielu producentów pojazdów. Ponieważ każdy producent ma prawo do własnego oznaczenia systemu zasilania silnika, bezpośredni wtrysk benzyny przyjął następujące oznaczenia (w zależności od danego producenta pojazdu): GDI - Mitsubishi, IDE - Renault, HPI - grupa PSA (Peugeot, Citroën), FSI - grupa VAG (Volkswagen, Audi, Škoda, Seat), CGI - Mercedes-Benz, SCI - Ford, D4 - Toyota.
Coraz częściej w silnikach ZI stosuje się zasilanie bezpośrednim wtryskiem benzyny. Ze względu na korzyści, jakie on daje, stanie się on z biegiem lat głównym rodzajem układu zasilania silników o zapłonie iskrowym i wyprze z rynku układ pośredniego wtrysku benzyny. Obecnie na rynku motoryzacyjnym dominują dwa rodzaje jednostek napędowych: silnik o zapłonie iskrowym i silnik o zapłonie samoczynnym. Wyścig o wyższą sprawność bezprecedensowo wygrał silnik z zapłonem samoczynnym z oferowanym przez niego bezpośrednim wtryskiem paliwa czy układem zasilania common rail. W celu wyrównania szans w osiągnięciu wyższej sprawności zastosowano w silniku ZI bezpośredni wtrysk benzyny. Sposobem na zrealizowanie tego założenia jest precyzyjne wytworzenie mieszanki palnej z zastosowaniem warstwowego rozłożenia jej w komorze spalania. Zaletą powyższych zabiegów stało się o 20% niższe zużycie paliwa w porównaniu z silnikami z wtryskiem pośrednim do kolektora dolotowego. Silnik ten w zakresie częściowych obciążeń spala „ubogą" mieszankę paliwowo-powietrzną. Zapłon tak sprecyzowanej mieszanki jest możliwy dzięki odpowiedniemu ukształtowaniu tłoka. Odpowiednia konstrukcja tłoka powoduje wytworzenie się najbliżej świecy bogatszej i łatwiej palnej mieszanki paliwowo-powietrznej. Od niej płomień rozprzestrzenia się na obszary mieszanki ubogiej. W chwili, gdy potrzebne jest wytworzenie pełnej mocy, silnik spala mieszankę paliwowo-powietrzną o współczynniku lambda równym 1, czyli w pełni stechiometryczną.

[...]

mgr inż. Piotr Wróblewski

Więcej o zasilaniu silników o zapłonie iskrowym w najnowszym „autoEXPERCIE" 10/2012.

O Autorze

Piotr Wróblewski

Pracownik naukowy WSKM Konin

Chcesz otrzymać nasze czasopismo?

Zamów prenumeratę