Bezpośredni wtrysk paliwa jako dominanta we współczesnych silnikach
Bezpośredni wtrysk w silnikach benzynowych zadebiutował w 1955 roku w sportowym samochodzie Mercedes-Benz 300 SL. Odrodzenie układów bezpośredniego wtrysku benzyny zaczęło się w roku 1996, wtedy to japońska firma Mitsubishi wprowadziła do sprzedaży egzemplarz Mitsubishi Carisma z silnikiem 1.8 GDI. Kilka lat wcześniej wtrysk bezpośredni był wykorzystany w silnikach Diesla, czyli popularne TDI. Jednakże silnik GDI w Carismie uznaje się jako pierwszy silnik o zapłonie iskrowym z elektronicznie sterowanym bezpośrednim wtryskiem paliwa.
Paliwo wtryskiwane odbijało się od zagłębienia w tłoku i kierowało się do świecy zapłonowej. Ten schemat nazwano modelem wall-guided, czyli kierowany ścianką. Silnik GDI cechował się większą mocą i momentem obrotowym, mniejszym zużyciem paliwa oraz mniejszą zawartością tlenków azotu w spalinach. Pomysłowością tego rozwiązania jest to, że benzyna jest wtryskiwana pod dość wysokim ciśnieniem (110 do 200 Barów) bezpośrednio do komory spalania każdego cylindra. Silnik GDI umożliwia dwa różne tryby pracy, które są zależne od obciążenia silnika. Podczas małego zapotrzebowania na moc silnik spala mieszankę ubogą, co zmniejsza zużycie paliwa. Dzięki temu spalanie było bardziej wydajne. Lecz przy ubogim składzie mieszanki gdy jest za mało paliwa, a za dużo tlenu, rośnie stężenie tlenków azotu w spalinach. Wraz ze zwiększaniem obciążenia mieszanka jest wzbogacana. Aktualnie ten problem jest rozwiązany w nowoczesnych silnikach. Niestety silniki z bezpośrednim wtryskiem często mają złe opinie ze względu na ich awaryjność.
Nowe rozwiązanie - recyrkulacja spalin
System GDI kupił francuski koncern, który na jego bazie stworzył silniki HPI. Jednak wada pozostawała ta sama, czyli wciąż dość duża emisja tlenków azotu. W rozwiązaniu tego problemu pomogła firma Renault, która w silnikach IDE zastosowała recyrkulację spalin, czyli tzw. EGR. Jest to układ stosowany już w nowoczesnych pojazdach.
Działanie układu polega na wprowadzaniu pewnej ilości spali do układu zasilania silnika. Ponowne wykorzystanie spalin podnosi temperaturę w komorze spalania i przyspiesza odparowanie paliwa, a to z kolei poprawia przygotowanie mieszanki. Najłatwiej mówiąc niekorzystne spaliny zastępują nadmierną część tlenu, więc nie wyprodukuje się ich więcej i zostaną one utlenione.
Większa moc i wydajność silnika bez konieczności zwiększenia zużycia paliwa
Innym innowacyjnym rozwiązaniem było wprowadzenie na rynek wtrysku kierowanego powietrzem, czyli air guided. Były to silniki FSI opracowane przez koncern Volkswagena.
Wykorzystuje on technologię bezpośredniego wtrysku paliwa. Usytuowana w kanale dolotowym klapa kierowana jest strumieniem zasysanego powietrza.
W zależności od obciążenia silniki te mogą pracować w dwóch trybach pracy, dzięki czemu zmniejszeniu ulega zużycie paliwa. Silniki te charakteryzują się też lepszą dynamiką pojazdu, zwiększoną mocą i wyższym momentem obrotowym. Niestety dużą wadą tych silników jest to, że montaż instalacji LPG został znacznie utrudniony i często nieopłacalny ze względu na usytuowanie wtrysków w komorze spalania. Wtryskiwacze te są chłodzone przez paliwo przez nie przepływające. Gdybyśmy chcieli zamontować instalację LPG nastąpił by brak możliwości chłodzenia wtrysków co prowadzi do ich uszkodzenia. Jednakże dzięki temu, że wtryski znajdują się przy świecy i nie odbijają się od tłoka, nie dochodzi do skroplenia paliwa na tłoku co powoduje znaczną redukcję szkodliwych spalin.
Rozwój wtryskiwaczy piezoelektrycznych
Kolejnym pomysłem był silnik CGI zastosowany w Mercedesie. Rozwiązannie w nim zastosowane to spray guided. Piezoelektryczne wtryskiwacze zostały umieszczone tu pionowo przez co strumień przepływu kreował kształt stożka.
Największą zaletą tej technologii w silnikach jest zwiększenie ilości wtrysków na cykl pracy. Efektem tego jest zwiększenie wydajności spalania mieszanki, a więc i pozyskanie wyższej mocy silnika przy mniejszym spalaniu. Oczywista jest także zmniejszona emisja spalin.
Wtryskiwacze piezoelektryczne w przeciwieństwie do elektromagnetycznych niestety nie podlegają regeneracji. Można im pomóc sprawdzając ich sprawność i czyszcząc je na specjalnych maszynach. Zarówno w silnikach Mercedesa, jak i BMW użycie wtryskiwaczy piezoelektrycznych wiąże się z dużo większą precyzją dawkowania paliwa od wcześniej stosowanych wtrysków elektromagnetycznych, przez co jakość rozpylania jest priorytetowa.
Silnik TFSI - mocniejszy i silniejszy
Po dłuższych testach zauważono problemy z wymienionymi wcześniej silnikami. Z powodu gorących spalin z zaworu EGR, na ściankach kanałów dolotowych zaczął pojawiać się osad, który sukcesywnie zalepiał kanały dolotowe ograniczając moc silnika. Wiele rozwiązań przyszło dzięki firmie Audi, która podczas jednego z wyścigów zauważyła, że problem tkwi w stopniu sprężania, który pomimo turbodoładowania został utrzymany na wysokim poziomie przez FSI. Wysoki stopień sprężania poprawiał sprawność i niwelował zużycie paliwa. Audi wprowadza silniki TFSI z turbodoładowaniem. Najnowszą wersją silnika FSI jest TSI, czyli silnik który ma zarówno turbosprężarkę jak i sprężarkę mechaniczną. Dzięki osiągnięciom Audi silnik 2.0 TFSI otrzymał tytuł International Engine of the Year Award 2008.
BMW i PSA-Peugeot/Citroen wspólnie opracowuje benzynowy silnik 1.6 THP z turbo, który ma swoją premierę w Mini Cooperach.
Przyszłość
Obecnie silniki z bezpośrednim wtryskiem i dodatkowym doładowaniem są masowo wprowadzane na rynek. Gdy rozpatrujemy aspekt coraz większych wymagań co do norm emisji spalin oraz ograniczania zużycia paliwa to właśnie silniki z wtryskiem bezpośrednim są przyszłość świata motoryzacji.