Polovina vozového parku nových osobních a nákladních automobilů v USA je nyní vybavena přímým vstřikováním benzinu (známým také jako GDI) – což znamená, že palivo je vstřikováno přímo do spalovacího prostoru. To vyvolává otázku:
Odpovědí je přivádění paliva do ohně dvěma oddělenými cestami a několik výrobců již vybavuje své motory jak vstřikováním do otvoru, tak přímým vstřikováním. Toyota tuto technologii, kterou nazývá vstřikování D-4S, představila u šestiválce před více než deseti lety a nyní používá portové i přímé vstřikování u svého 2,0litrového plochého čtyřválce (který vyrábí Subaru), 3,5litrového šestiválce a 5,0litrového osmiválce. Audi jej má u svých motorů 3,0 l V-6 a 5,2 l V-10.
Ford je v současné době dominantním hráčem s takzvaným dvoupalivovým přímým vstřikováním (DI) s vysokým tlakem a vstřikováním s nižším tlakem (PI). Aplikace zahrnují přeplňované a přirozeně nasávané zážehové motory V-6 a V-8 – celkem čtyři – o objemu od 2,7 do 5,0 litru. Létající pickup F-150 Raptor 2017 a supersportovní vůz GT jsou poháněny novými takto vybavenými šestiválci EcoBoost o objemu 3,5 litru. Na tuto technologii spoléhají také pozemní vozy F-150 se základním 3,3litrovým šestiválcem se dvěma palivy a volitelnými 2,7litrovým a 3,5litrovým šestiválcem EcoBoost. Zatím nejnověji oznámenou aplikací společnosti Ford je nový osmiválec 5,0 l, který bude pohánět Mustang GT 2018.
Základy
Než se pustíme do jemných detailů spojení PI s DI, je třeba udělat krátký úvod. Na rozdíl od hollywoodských vyobrazení automobilů padajících z útesů neexistuje nic takového jako samovznícení. Protože kapalný benzin nehoří, příprava paliva načerpaného z nádrže ke spalování v motoru probíhá ve dvou krocích.
Prvním krokem je rozprašování kapaliny na jemné kapičky, kterého se dosáhne tím, že se benzin natlakovaný čerpadlem protlačí malými otvory vstřikovačů. Studie inženýrů společnosti Hitachi odhalila, že palivo natlakované na 1000 psi a vstřikované přes otvory o průměru od 0,006 do 0,011 palce dává mlhu o rychlosti 135 km/h s kapičkami o průměru pouhých 0,000003 palce. To je v pořádku.
Odpařování následuje po atomizaci. Jemné kapičky paliva zde procházejí fázovou změnou z kapaliny na plyn a mění se v páru, kterou lze smíchat se vzduchem a zapálit zapalovací svíčkou.
Protože se při této fázové změně absorbuje teplo, dochází k ochlazování, čehož lze využít ke zvýšení provozní účinnosti motoru. Pomocí PI se vzduch proudící sacím potrubím ochladí dříve, než se dostane do spalovací komory. U DI dochází k přínosu chlazení v samotné komoře.
Každá strategie má své klady i zápory. PI je výhodné pro motory s přirozeným nasáváním, protože chlazení přiváděného vzduchu zvyšuje jeho hustotu a výkonový potenciál. Je podstatně snazší umístit vstřikovače do sacích otvorů, daleko od ventilů a zapalovacích svíček. Toto umístění proti proudu poskytuje dostatek času pro úplné odpaření. Jednou z nevýhod je, že se kapičky paliva někdy usazují na stěnách sacího otvoru a narušují zamýšlený poměr paliva a vzduchu.
Při DI se snižuje možnost detonace – předčasného vznícení směsi paliva a vzduchu, protože k ochlazení fázovou změnou dochází během kompresního zdvihu těsně před zážehem. Snížení povrchových teplot ve spalovacím prostoru umožňuje dosáhnout vyššího kompresního poměru a lepší účinnosti bez ohledu na to, zda je motor atmosférický nebo přeplňovaný. Ford u svého nového 3,5litrového šestiválce zvýšil maximální točivý moment o 30 N.m díky kombinaci nové strategie dvojitého vstřikování a vyššího plnicího tlaku.
Díky DI existují i nevýhody. Systém DI je dražší, protože tlak potřebný ke vstříknutí paliva do spalovacího prostoru je 50 až 100krát vyšší než u PI a čerpadlo s vyšším tlakem způsobuje parazitní ztráty. Přímé vstřikovače bývají hlučné. Karbonové usazeniny – jak na zadní straně sacích ventilů, tak na výfukovém potrubí – představují pro některé uživatele DI servisní problém. Protože je méně času na odpařování, část paliva uniká ze spalovací komory a katalyzátoru ve formě pevných částic nebo sazí. Tyto uhlíkové částice jsou podobné, ale menší než částice vyplivované vznětovými motory.
Kombinace
Konečnou strategií je kombinace výhod PI i DI a využití každého z nich ke snížení negativ toho druhého. Například Toyota zapíná oba vstřikovače při nízkém až středním zatížení a otáčkách – jinými slovy při běžné jízdě. Tím se zvýší hustota přiváděné náplně, aniž by došlo k jejímu zvýšení, a sací ventily se zbaví karbonových usazenin. Za podmínek vysokého zatížení a vysokých otáček, kdy je potřeba maximální chlazení spalovacího prostoru, protože je pravděpodobnější detonace, se o dodávku veškerého paliva stará DI.
Peter Dowding, hlavní inženýr benzinových systémů hnacího ústrojí společnosti Ford, odhalil odlišnou strategii. Ford používá PI pouze při volnoběhu a nízkých otáčkách pro plynulý, tichý a efektivní chod motoru. S rostoucími otáčkami a zatížením se dodávka paliva mění na naprogramovanou směs PI a DI. Na rozdíl od metodiky Toyoty je u Fordu PI v činnosti neustále a je zodpovědný za minimálně 5 až 10 % dodávky paliva.
Dowding a jeho kolega z konstrukční kanceláře Ford Stephen Russ zdůrazňují, že u jejich motorů s DI nikdy nedocházelo k usazování karbonu na výfukových potrubích a sacích ventilech. Dowding k tomu dodává: „Nyní, když se elektromotorům přisuzuje stále větší role pohonu, je naším úkolem zlepšit účinnost motoru, kdykoli je to možné. Dvoupalivová technologie Ford se v tomto úsilí již osvědčila jako cenná a nákladově efektivní strategie.“
Konstrukce a vývoj moderních motorů je žonglérský kousek, který se snaží vyvážit výkon, emise, kilometrový výkon, životnost, jízdní vlastnosti a další problémy. Dvoupalivová strategie dává konstruktérům další klíč, kterým mohou otáčet, když se snaží z každé kapky benzínu získat více energie. S přibývajícími zkušenostmi a klesajícími náklady na součástky lze očekávat, že tento přístup k rozněcování ohně si osvojí více výrobců.
