Połowa nowych samochodów osobowych i ciężarowych w USA jest obecnie wyposażona w bezpośredni wtrysk benzyny (znany również jako GDI) – co oznacza, że paliwo jest rozpylane bezpośrednio do komory spalania. Nasuwa się więc pytanie: Jaka jest następna innowacja w silniku, która wkrótce opuści laboratorium?
Odpowiedzią jest doprowadzenie paliwa do ognia dwiema oddzielnymi drogami, a kilku producentów już wyposaża swoje silniki zarówno w porto, jak i bezpośredni wtrysk. Toyota wprowadziła tę technologię, którą nazywa D-4S wtrysku, na V-6 więcej niż dekadę temu, a teraz używa port i bezpośredni wtrysk na jego 2,0-litrowy flat-four (który jest zbudowany przez Subaru), 3,5 litra V-6, i 5,0-litrowy V-8. Audi ma go w swoich 3,0-litrowych silnikach V-6 i 5,2-litrowych silnikach V-10.
Ford jest obecnie dominującym graczem z tym, co nazywa dwupaliwowym, wysokociśnieniowym wtryskiem bezpośrednim (DI) i niżejciśnieniowym wtryskiem portowym (PI). Zastosowania obejmują turbodoładowane i wolnossące silniki benzynowe V-6 i V-8 – w sumie cztery – o pojemności od 2,7 do 5,0 litrów. Zarówno latający pickup F-150 Raptor z 2017 roku, jak i supersamochód GT są napędzane nowymi, tak wyposażonymi silnikami V-6 EcoBoost o pojemności 3,5 litra. Naziemne F-150 również opiera się w dużym stopniu na tej technologii z podwójnie zasilanym podstawowym 3,3-litrowym V-6 i opcjonalnymi 2,7- i 3,5-litrowymi V-6 EcoBoost. Ford niedawno ogłoszone zastosowanie do tej pory jest nowy 5,0-litrowy V-8, który będzie zasilać 2018 Mustang GT.
Podstawy
Przed zagłębieniem się w drobne punkty zespołu PI z DI, krótki elementarz jest w porządku. W przeciwieństwie do hollywoodzkich przedstawień samochodów spadających z klifów, nie ma czegoś takiego jak spontaniczny zapłon. Ponieważ płynna benzyna nie pali się, przygotowanie paliwa pobranego z baku do spalenia w silniku to proces dwuetapowy.
Krok pierwszy to rozpylenie cieczy do postaci drobnych kropel, co uzyskuje się, wtłaczając benzynę pod ciśnieniem pompy przez maleńkie otwory wtryskiwaczy. Badanie przeprowadzone przez inżynierów Hitachi wykazało, że paliwo pod ciśnieniem 1000 psi i wtryskiwane przez otwory o średnicy od 0,006 do 0,011 cala dawało przy prędkości 135 mil na godzinę mgiełkę złożoną z kropel o średnicy zaledwie 0,000003 cala. To jest w porządku.
Odparowanie następuje po atomizacji. Tutaj, drobne kropelki paliwa przechodzą przez zmianę fazy z ciekłej na gazową, stając się parą, która może być zmieszana z powietrzem i zapalona przez świecę zapłonową.
Ponieważ ciepło jest pochłaniane podczas tej zmiany fazy, występuje efekt chłodzenia, który może być wykorzystany do poprawy wydajności operacyjnej silnika. W przypadku PI, powietrze przepływające przez kolektor dolotowy jest chłodzone zanim dotrze do komory spalania. W przypadku DI korzyść z chłodzenia występuje w samej komorze.
Każda strategia ma plusy i minusy. PI jest przydatny dla silników wolnossących, ponieważ chłodzenie powietrza zwiększa jego gęstość i potencjał wytwarzania mocy. Znacznie łatwiej jest umieścić wtryskiwacze w portach dolotowych, z dala od zaworów i świec zapłonowych. Takie umiejscowienie wtryskiwaczy zapewnia wystarczającą ilość czasu na pełne odparowanie paliwa. Jednym z minusów jest to, że krople paliwa czasami osadzają się na ściankach portu dolotowego, zaburzając zamierzony stosunek paliwa do powietrza.
W przypadku DI, szansa na detonację – przedwczesny zapłon mieszanki paliwa i powietrza – jest zmniejszona, ponieważ efekt chłodzenia z wymianą fazową ma miejsce podczas suwu sprężania tuż przed zapłonem. Obniżenie temperatury powierzchni komory spalania umożliwia uzyskanie wyższego stopnia sprężania i poprawę sprawności niezależnie od tego, czy silnik jest wolnossący czy doładowany. Ford podniósł szczytowy moment obrotowy o 30 lb-ft w swoim nowym 3,5-litrowym V-6 dzięki połączeniu nowej strategii podwójnego wtrysku z wyższym ciśnieniem doładowania.
Istnieją minusy DI. System DI jest droższy, ponieważ ciśnienie wymagane do wtrysku paliwa do komory spalania jest 50 do 100 razy wyższe niż w przypadku PI, a pompa o wyższym ciśnieniu nakłada straty pasożytnicze. Wtryskiwacze bezpośrednie są zazwyczaj głośne. Osady węglowe – zarówno na tylnych ściankach zaworów wlotowych, jak i na rurach wydechowych – stanowią problem dla niektórych użytkowników DI. Ponieważ jest mniej czasu na odparowanie, część paliwa ucieka z komory spalania i katalizatora w postaci cząstek stałych lub sadzy. Te cząstki węgla są podobne, ale mniejsze w rozmiarze niż te wypluwane przez silniki wysokoprężne.
Kombinacja
Ostateczna strategia jest łączenie zarówno PI i korzyści DI, używając każdego do zmniejszenia innych negatywów. Toyota, na przykład, uruchamia oba wtryskiwacze przy niskim i średnim obciążeniu oraz przy niskich obrotach – innymi słowy, podczas normalnej jazdy. Zwiększa to gęstość napływającego ładunku bez zwiększania ciśnienia i spłukuje nagar z zaworów dolotowych. W warunkach wysokiego obciążenia i obrotów, kiedy potrzebne jest maksymalne chłodzenie komory spalania, ponieważ detonacja jest bardziej prawdopodobna, DI zajmuje się całym dostarczaniem paliwa.
Peter Dowding, Ford główny inżynier systemów benzynowych powertrain, ujawnił inną strategię. Ford używa samego PI na biegu jałowym i przy niskich obrotach, co zapewnia płynną, cichą i wydajną pracę silnika. Wraz ze wzrostem obrotów i obciążenia, dostarczanie paliwa staje się zaprogramowaną mieszanką PI i DI. W przeciwieństwie do metodologii Toyoty, PI Forda zawsze działa, odpowiadając za co najmniej 5 do 10 procent dostarczanego paliwa.
Dowding i jego kolega z działu inżynierii Forda, Stephen Russ, podkreślają, że osady węglowe na rurach wydechowych i zaworach wlotowych nigdy nie stanowiły problemu w ich silnikach DI. Dowding dodaje: „Teraz, gdy silnikom elektrycznym przypisuje się coraz większą rolę napędową, naszym zadaniem jest poprawa sprawności silnika, kiedy tylko możemy. Technologia dwupaliwowa Forda już udowodniła, że jest cenną i opłacalną strategią w tych wysiłkach.”
Projektowanie i opracowywanie nowoczesnych silników to żonglerka, która ma na celu zrównoważenie mocy, emisji spalin, przebiegu, trwałości, właściwości jezdnych i innych kwestii. Strategia dwupaliwowa daje inżynierom dodatkowy klucz do obracania, gdy starają się uwolnić więcej energii z każdej kropli gazu. W miarę wyciągania wniosków i spadku kosztów komponentów, należy się spodziewać, że więcej producentów przyjmie takie podejście do rozpalania ognia.
.
