Přímé vstřikování benzínu - Gasoline direct injection

Motor GDI z automobilu BMW (vstřikovač paliva je umístěn nad červeným trojúhelníkem)

Přímé vstřikování benzínu ( GDI ), také známý jako benzín přímým vstřikováním ( PDI ), je systém dodávky paliva pro spalovací motory , které běží na benzín (benzín), kde je palivo vstřikováno do spalovací komory . Toto je odlišné od rozdělovačů vstřikovacích systémů, které vstřikování paliva do sacího potrubí.

Použití GDI může pomoci zvýšit účinnost motoru a specifický výkon a také snížit emise výfukových plynů.

První motor GDI, který dosáhl výroby, byl představen v roce 1925 pro nízko-kompresní nákladní vůz. Několik německých automobilů používalo v 50. letech 20. století mechanický systém GDI od společnosti Bosch, avšak použití této technologie zůstalo vzácné, dokud v roce 1996 společnost Mitsubishi pro sériově vyráběná auta nezavedla elektronický systém GDI. V posledních letech došlo v GDI k rychlému přijetí v automobilovém průmyslu a ve Spojených státech se zvýšilo z 2,3% produkce vozidel pro modelový rok 2008 na přibližně 50% pro modelový rok 2016.

Princip činnosti

Režimy nabíjení

„Režim nabíjení“ motoru s přímým vstřikováním znamená, jak je palivo distribuováno ve spalovací komoře:

  • Při „režimu homogenního nabíjení“ se palivo rovnoměrně mísí se vzduchem ve spalovací komoře podle vstřikování potrubí.
  • Režim stratifikovaného nabíjení má zónu s vyšší hustotou paliva kolem zapalovací svíčky a chudší směs (nižší hustota paliva) dále od zapalovací svíčky.

Homogenní režim nabíjení

V režimu homogenního nabíjení motor pracuje na homogenní směsi vzduch/palivo ( ), což znamená, že ve válci je (téměř dokonalá) směs paliva a vzduchu. Palivo je vstřikováno na samém začátku sacího zdvihu, aby se vstřikovanému palivu poskytlo nejvíce času na smíchání se vzduchem, takže se vytvoří homogenní směs vzduchu a paliva. Tento režim umožňuje použití konvenčního třícestného katalyzátoru pro úpravu výfukových plynů.

Ve srovnání se vstřikováním do sběrného potrubí je účinnost paliva jen velmi mírně zvýšena, ale specifický výkon je lepší, a proto je homogenní režim užitečný pro takzvané zmenšování motoru . Většina zážehových motorů osobních automobilů s přímým vstřikováním používá režim homogenního nabíjení.

Stratifikovaný režim nabíjení

Režim vrstvené náplně vytváří kolem zapalovací svíčky malou zónu směsi paliva a vzduchu, která je ve zbytku válce obklopena vzduchem. Výsledkem je vstřikování menšího množství paliva do válce, což vede k velmi vysokým celkovým poměrům vzduch-palivo , se středními poměry vzduch-palivo při středním zatížení a při plném zatížení. V ideálním případě zůstává škrticí ventil co nejvíce otevřený, aby se předešlo ztrátám škrticí klapky. Točivý moment je pak nastavován výhradně pomocí kvalitního řízení točivého momentu, což znamená, že za účelem nastavení točivého momentu motoru je manipulováno pouze s množstvím vstřikovaného paliva, ale nikoli s množstvím nasávaného vzduchu. Režim vrstvené náplně také udržuje plamen mimo stěny válce, čímž se snižují tepelné ztráty.

Protože příliš chudé směsi nelze zapálit zapalovací svíčkou (z důvodu nedostatku paliva), je třeba náboj stratifikovat (např. Kolem zapalovací svíčky je třeba vytvořit malou zónu směsi paliva a vzduchu). Aby se dosáhlo takové náplně, rozvrstvený motor vstřikuje palivo během posledních fází kompresního zdvihu. K víření paliva do zóny obklopující zapalovací svíčku se často používá „vířivá dutina“ v horní části pístu . Tato technika umožňuje použití extrémně chudých směsí, což by u karburátorů nebo konvenčního vstřikování paliva do potrubí nebylo možné.

Režim stratifikovaného nabíjení (také nazývaný režim „ultra lean-burn“) se používá při nízkém zatížení, aby se snížila spotřeba paliva a emise výfukových plynů. Nicméně režim vrstevnatým plněním je zakázána pro vyšší zatížení, při přepnutí motoru do homogenního režimu s stechiometrický poměr vzduchu a paliva z mírných zatížení a bohatší poměru vzduchu a paliva při vyšších zatíženích.

Režim stratifikovaného nabíjení může teoreticky dále zlepšit účinnost paliva a snížit emise výfukových plynů, v praxi však koncept stratifikovaného nabíjení neprokázal významné výhody v oblasti účinnosti oproti konvenčnímu konceptu homogenního nabíjení, ale vzhledem ke svému inherentnímu chudému spalování vznikají oxidy dusíku , které někdy ke splnění emisních předpisů vyžadují adsorbér NOx ve výfukovém systému. Použití adsorbérů NOx může vyžadovat paliva s nízkým obsahem síry, protože síra brání správnému fungování NOx adsorbérů. Motory GDI se stratifikovaným vstřikováním paliva mohou také produkovat vyšší množství pevných částic než motory se vstřikováním do potrubí, někdy ke splnění emisních předpisů vozidla vyžadují filtry pevných částic ve výfuku (podobné filtru pevných částic ). Několik evropských výrobců automobilů proto upustilo od konceptu stratifikovaného nabíjení nebo jej nikdy nepoužilo, jako například benzínový motor Renault IDE ( F5R ) z roku 2000 Renault 2.0 IDE , který nikdy neměl režim stratifikovaného nabíjení, nebo BMW N55 a 2017 Mercedes z roku 2009 -Motory Benz M256 upouštějící od stratifikovaného režimu nabíjení používaného jejich předchůdci. Skupina Volkswagen použila vrstvené vstřikování paliva v atmosférických motorech označených FSI , tyto motory však obdržely aktualizaci řídicí jednotky motoru, která deaktivovala stratifikovaný režim plnění. Přeplňované motory Volkswagen s označením TFSI a TSI vždy používaly homogenní režim. Stejně jako posledně jmenované motory VW i novější zážehové motory s přímým vstřikováním (od roku 2017) obvykle využívají k dosažení dobré účinnosti také konvenčnější homogenní režim nabíjení ve spojení s proměnným časováním ventilů. Od konceptů stratifikovaného náboje se většinou upustilo.

Režimy vstřikování

Běžnými technikami pro vytváření požadované distribuce paliva ve spalovací komoře jsou vstřikování vedené sprejem , vzduchem nebo stěnou . Trend posledních let směřuje ke vstřikování vedenému rozprašováním, protože v současné době má za následek vyšší účinnost paliva.

Přímé vstřikování vedené stěnou

Vířivá dutina na horní části pístu v motoru Ford EcoBoost 3,5 l v letech 2010–2017

V motorech s nástěnně vedeným vstřikováním je vzdálenost mezi zapalovací svíčkou a vstřikovací tryskou poměrně velká. Aby se palivo dostalo do blízkosti zapalovací svíčky, je nastříkáno proti vířící dutině v horní části pístu (jak je vidět na obrázku motoru Ford EcoBoost vpravo), které vede palivo směrem ke zapalovací svíčce. Tomuto procesu napomáhají speciální vířivé nebo bubnové vstupy vzduchu. Časování vstřikování závisí na rychlosti pístu, proto při vyšších rychlostech pístu je třeba časování vstřikování a časování zapalování velmi přesně posunout. Při nízkých teplotách motoru některé části paliva na relativně studeném pístu vychladnou natolik, že se nemohou řádně spálit. Při přechodu z nízkého zatížení motoru na střední zatížení motoru (a tím posílení časování vstřikování) mohou některé části paliva vstříknout za vířivou dutinu, což také vede k neúplnému spalování. Motory s přímým vstřikováním vedeným stěnou proto mohou trpět vysokými emisemi uhlovodíků .

Přímé vstřikování vzduchem

Stejně jako u motorů se vstřikováním vedeným stěnou je u motorů se vzduchem vedeným vstřikováním vzdálenost mezi zapalovací svíčkou a vstřikovací tryskou poměrně vysoká. Na rozdíl od nástěnně vedených vstřikovacích motorů se však palivo nedostane do kontaktu s (relativně) studenými částmi motoru, jako je stěna válce a píst. Místo stříkání paliva proti vířící dutině je u vzduchem vedených vstřikovacích motorů palivo vedeno ke zapalovací svíčce výhradně nasávaným vzduchem. Nasávaný vzduch proto musí mít speciální vířivý nebo bubnový pohyb, aby palivo směřovalo ke zapalovací svíčce. Tento vířivý nebo bubnový pohyb musí být zachován po relativně dlouhou dobu, aby se veškeré palivo dostalo do zapalovací svíčky. To však snižuje účinnost nabíjení motoru a tím i výkon. V praxi se používá kombinace vstřikování vedeného vzduchem a stěnou. Existuje pouze jeden motor, který se spoléhá pouze na vzduchem řízené vstřikování.

Přímé vstřikování vedené rozprašováním

V motorech s přímým vstřikováním vedeným rozprašováním je vzdálenost mezi zapalovací svíčkou a vstřikovací tryskou relativně malá. Vstřikovací tryska i zapalovací svíčka jsou umístěny mezi ventily válce. V posledních fázích kompresního zdvihu je vstřikováno palivo, což způsobuje velmi rychlou (a nehomogenní) tvorbu směsi. Výsledkem jsou velké gradienty stratifikace paliva, což znamená, že v jeho středu je oblak paliva s velmi nízkým poměrem vzduchu a velmi vysokým poměrem vzduchu. Palivo lze zapálit pouze mezi těmito dvěma „zónami“. Zapalování probíhá téměř okamžitě po vstřikování, aby se zvýšila účinnost motoru. Zapalovací svíčka musí být umístěna tak, aby byla přesně v zóně, kde je směs vznětlivá. To znamená, že výrobní tolerance musí být velmi nízké, protože jen velmi malá nesouosost může mít za následek drastický pokles spalování. Palivo také ochlazuje zapalovací svíčku bezprostředně předtím, než je vystaveno spalovacímu teplu. Zapalovací svíčka tedy musí velmi dobře odolávat tepelným šokům. Při nízkých otáčkách pístu (a motoru) je relativní rychlost vzduchu/paliva nízká, což může způsobit, že se palivo řádně neodpaří, což má za následek velmi bohatou směs. Bohaté směsi nehoří správně a způsobují nahromadění uhlíku. Při vysokých rychlostech pístu se palivo šíří dále do válce, což může přinutit zapálené části směsi tak daleko od zapalovací svíčky, že už nemůže zapálit směs vzduchu a paliva.

Doprovodné technologie

Mezi další zařízení, která se používají k doplnění GDI při vytváření stratifikované náplně, patří variabilní časování ventilů , variabilní zdvih ventilů a sací potrubí s proměnnou délkou . Také recirkulace výfukových plynů může být použita pro redukci oxidu s vysokým obsahem dusíku (NOx), které mohou vyplynout z ultra chudé spalování.

Nevýhody

Přímé vstřikování benzínu neprovádí čištění ventilu, které je zajištěno při zavádění paliva do motoru před válcem. V motorech jiných než GDI funguje benzín, který cestuje přes sací otvor, jako čisticí prostředek pro kontaminaci, jako je atomizovaný olej. Nedostatek čisticího účinku může způsobit zvýšené usazování uhlíku v motorech GDI. Výrobci třetích stran prodávají záchytné nádrže na ropu, které mají zabránit usazování uhlíku nebo jej omezit.

Schopnost produkovat špičkový výkon při vysokých otáčkách motoru (RPM) je u GDI omezenější, protože na vstřikování požadovaného množství paliva je k dispozici kratší doba. Při vstřikování do potrubí (stejně jako v karburátorech a vstřikování paliva škrticí klapky) lze palivo do směsi nasávaného vzduchu přidat kdykoli. Motor GDI je však omezen na vstřikování paliva během sací a kompresní fáze. To se stává omezením při vysokých otáčkách motoru (RPM), kdy je doba trvání každého spalovacího cyklu kratší. K překonání tohoto omezení mají některé motory GDI (například motory Toyota 2GR-FSE V6 a Volkswagen EA888 I4 ) také sadu rozdělovačů vstřikovačů paliva, které poskytují dodatečné palivo při vysokých otáčkách. Tyto sběrné vstřikovače paliva také pomáhají při čištění karbonových usazenin ze sacího systému.

Benzín neposkytuje stejnou úroveň mazání součástí vstřikovačů jako nafta, což se někdy stává limitujícím faktorem vstřikovacích tlaků používaných motory GDI. Vstřikovací tlak motoru GDI je obvykle omezen na přibližně 20 MPa (2,9 ksi), aby se zabránilo nadměrnému opotřebení vstřikovačů.

Nepříznivé klimatické a zdravotní dopady

I když se této technologii připisuje zvýšení palivové účinnosti a snížení emisí CO 2 , motory GDI produkují více aerosolů s černým uhlíkem než tradiční vstřikovací motory. Černý uhlík, který silně pohlcuje sluneční záření, má výrazné oteplovací vlastnosti.

Ve studii publikované v lednu 2020 v časopise Environmental Science and Technology tým výzkumníků z University of Georgia (USA) předpověděl, že zvýšení emisí černého uhlíku z vozidel poháněných GDI zvýší oteplování klimatu v městských oblastech USA o množství, které výrazně převyšuje ochlazení spojené se snížením CO 2 . Vědci se také domnívají, že přechod od tradičních motorů pro vstřikování paliva do přístavu (PFI) k používání technologie GDI téměř zdvojnásobí předčasnou úmrtnost spojenou s emisemi vozidel, z 855 úmrtí ročně ve Spojených státech na 1 599. Roční sociální náklady těchto předčasných úmrtí odhadují na 5,95 miliardy dolarů.

Dějiny

1911-1912

Jedním z prvních vynálezců, kteří zkoušeli přímé vstřikování benzínu, byl doktor Archibald Low, který dal svému motoru zavádějící název Forced Induction Engine, zatímco vynucené bylo pouze přijetí paliva. Odhalil detaily svého prototypu motoru počátkem roku 1912 a design byl dále vyvinut velkým výrobcem motorů FE Baker Ltd v průběhu roku 1912 a výsledky byly zobrazeny na jejich stánku na výstavě Olympia Motor Cycle v listopadu 1912. Motor byl vysoký kompresní čtyřtaktní motocyklový motor, s benzínovým palivem samostatně natlakovaným na 1000 psi a vpuštěným do válce „v okamžiku nejvyšší komprese“ malým otočným ventilem, se současným zapalováním pomocí zapalovací svíčky a chvění cívky umožňující pokračování jiskření po celou dobu spalovací fáze. Vstřikované palivo bylo popsáno jako v plynné fázi, která byla zahřívána válcem motoru. Tlak paliva byl regulován na palivovém čerpadle a množství přiváděného paliva bylo ovládáno mechanickými prostředky na rotačním vstupním ventilu. Zdá se, že FE Baker tento radikální design dále neposunul.

1916-1938

Přestože se přímé vstřikování v benzínových motorech běžně používá až od roku 2000, od prvního úspěšného prototypu v roce 1894 používají vznětové motory palivo přímo vstřikované do spalovací komory (nebo předspalovací komory).

První prototyp motoru GDI byl postaven v Německu v roce 1916 pro letoun Junkers . Motor byl původně navržen jako vznětový motor, ale přešel k tomu, aby byl určen pro benzín, když německé ministerstvo války nařídilo, že letecké motory musí běžet buď na benzín nebo benzen. Být dvoudobý design komprese klikové skříně , vynechání zapalování mohlo zničit motor, proto Junkers vyvinul systém GDI, aby tomuto problému zabránil. Demonstrace tohoto motoru prototypu leteckým úředníkům byla provedena krátce před ukončením vývoje v důsledku konce první světové války.

První motor s přímým vstřikováním, který k dosažení výroby používal benzín (mimo jiné paliva), byl motor Hesselman z let 1925-1947, který byl postaven ve Švédsku pro nákladní automobily a autobusy. Jako hybrid mezi Ottovým a dieselovým motorem by mohl být provozován na různá paliva včetně benzínu a topných olejů. Motory Hesselman používaly princip ultra lean burn a vstřikly palivo na konci kompresního zdvihu a poté jej zapálily zapalovací svíčkou. Vzhledem ke svému nízkému kompresnímu poměru mohl motor Hesselman pracovat na levnějších těžkých topných olejích, avšak neúplné spalování mělo za následek velké množství kouře.

1939-1995

Během druhé světové války většina německých leteckých motorů používala GDI, například hvězdicový motor BMW 801 , německé obrácené motory V12 Daimler-Benz DB 601 , DB 603 a DB 605 a podobné rozvržení Junkers Jumo 210G , Jumo 211 a obrácené motory V12 Jumo 213 . Spojeneckými leteckými motory, které používaly systémy vstřikování paliva GDI, byly hvězdicový motor Sovětského svazu Shvetsov ASh-82FNV a americký 18,9válcový hvězdicový motor Wright R-3350 Duplex Cyclone s výtlakem 54,9 litru .

Německá společnost Bosch vyvíjí mechanický systém GDI pro automobily od 30. let minulého století a v roce 1952 byl představen na dvoudobých motorech v modelech Goliath GP700 a Gutbrod Superior . Tento systém byl v podstatě vysokotlaké naftové čerpadlo s přímým vstřikováním a nastaveným sacím škrticím ventilem. Tyto motory podávaly dobrý výkon a oproti verzi s karburátorem měly až o 30% nižší spotřebu paliva, především při nízkém zatížení motoru. Další výhodou systému byla samostatná nádrž pro motorový olej, který byl automaticky přidáván do palivové směsi, což eliminovalo potřebu majitelů míchat vlastní dvoutaktní palivovou směs. 1955 Mercedes-Benz 300SL také používal raný mechanický systém GDI společnosti Bosch, a stal se tak prvním čtyřtaktním motorem, který používal GDI. Až do poloviny roku 2010 většina vozů se vstřikováním paliva používala vstřikování potrubí, takže bylo docela neobvyklé, že tato raná auta používala pravděpodobně pokročilejší systém GDI.

V 70. letech 20. století američtí výrobci American Motors Corporation a Ford vyvinuli prototyp mechanických systémů GDI s názvem Straticharge a Programmed Combustion (PROCO). Žádný z těchto systémů nedosáhl výroby.

1996-dosud

1996 Mitsubishi Galant japonského trhu byl prvním sériově vyráběným vozem, který používal motor GDI, když byla představena GDI verze řadového čtyřválce Mitsubishi 4G93 . Následně byl v roce 1997 přivezen do Evropy v Carisma . V roce 1997 vyvinul také první šestiválcový motor GDI, motor Mitsubishi 6G74 V6. Mitsubishi tuto technologii široce aplikovalo a do roku 2001 vyrobilo přes jeden milion motorů GDI ve čtyřech rodinách. Ačkoli se používá mnoho let, 11. září 2001 MMC si nárokovalo ochrannou známku pro zkratku „GDI“. Několik dalších japonských a evropských výrobců představilo motory GDI v následujících letech. Technologii Mitsubishi GDI licencovaly také společnosti Peugeot, Citroën, Hyundai, Volvo a Volkswagen.

Motor Toyota 2GR-FSE V6 z roku 2005 byl prvním, který kombinoval přímé i nepřímé vstřikování. Systém (nazývaný „D4-S“) používá dva vstřikovače paliva na válec: tradiční vstřikovací ventil paliva (nízký tlak) a přímý vstřikovač paliva (vysoký tlak) a používá se ve většině motorů Toyota.

V závodech Formule 1 bylo pro sezónu 2014 povinné přímé vstřikování , přičemž předpis 5.10.2 uvádí: „Na válec může být pouze jeden přímý vstřikovač a před sacími ventily nebo za výfukovými ventily nejsou povoleny žádné vstřikovače.“

Ve dvoudobých motorech

GDI pro dvoudobé motory má další výhody , které se týkají zachycování výfukových plynů a mazání klikové skříně.

Úklidu aspektem je, že většina dvoudobé motory mají jak sací a výfukové ventily otevřít během výfukového zdvihu, aby se zlepšila splachování výfukových plynů z válce. Výsledkem je, že část směsi paliva a vzduchu vstupuje do válce a poté z válce, nespálená, vystupuje přes výfukový otvor. Při přímém vstřikování přichází z klikové skříně pouze vzduch (a obvykle nějaký olej) a palivo se nevstřikuje, dokud se píst nezvedne a všechny porty nejsou uzavřeny.

Mazání klikové skříně je u dvoudobých motorů GDI dosahováno vstřikováním oleje do klikové skříně, což má za následek nižší spotřebu oleje než u staršího způsobu vstřikování oleje smíchaného s palivem do klikové skříně.

Dva druhy GDI se používají ve dvoudobých zdvizích: nízkotlaký vzduchový a vysokotlaký. Nízkotlaké systémy-používané na skútru Aprilia SR50 z roku 1992- používají vzduchový kompresor poháněný klikovým hřídelem pro vstřikování vzduchu do hlavy válců. Nízkotlaký vstřikovač poté stříká palivo do spalovací komory, kde se odpařuje, když se mísí se stlačeným vzduchem. Vysokotlaký systém GDI vyvinula německá společnost Ficht GmbH v 90. letech minulého století a v roce 1997 jej pro lodní motory zavedla společnost Outboard Marine Corporation (OMC), aby splňoval přísnější emisní předpisy. Motory však měly problémy se spolehlivostí a společnost OMC vyhlásila bankrot v prosinci 2000. Evinrude E-Tec je vylepšená verze systému Ficht, který byl vydán v roce 2003 a v roce 2004 získal cenu EPA Clean Air Excellence Award.

V roce 2018 se KTM 300 EXC TPI , KTM 250 EXC TPI, Husqvarna TE250i a Husqvarna 300i staly prvními dvoutaktními motocykly, které používaly GDI.

Americká nezisková organizace Envirofit International vyvinula v rámci projektu na snížení znečištění ovzduší v jihovýchodní Asii sady pro dodatečné dovybavení pro dvoudobé motocykly (s využitím technologie vyvinuté společností Orbital Corporation Limited ). 100 milionů dvoudobých taxíků a motocyklů v jihovýchodní Asii je hlavní příčinou znečištění regionu.

Viz také

Reference