Silnik GDI I generacji może pracować w dwóch głównych trybach: na homogenicznym ładunku stechiometrycznym przy dużym obciążeniu i z wczesnym wtryskiem paliwa podczas suwu dolotu (rys. 16.); na ładunku uwarstwionym przy częściowych obciążeniach i stosunkowo małej prędkości obrotowej (rys. 17.). W drugim trybie pracy wtrysk paliwa ukierunkowany kształtem tłoka odbywa się na początku suwu sprężania. Następuje uwarstwienie ładunku. Silnik GDI pracuje w trybie uwarstwionym przy wskaźniku stechiometrii 0,6-0,4, co eliminuje potrzebę dławienia dolotu. Poziom emisji NOx jest uzależniony od uwarstwienia mieszanki, zaś osiągi bardzo silnie od sterowania ruchem powietrza i paliwa w cylindrze oraz od momentu wtrysku. Na rys. 18. przedstawiono charakterystykę silnika GDI z zaznaczeniem poszczególnych trybów jego pracy.
W ramach rozwoju silników z bezpośrednim wtryskiem benzyny modernizacji uległ również system bezpośredniego wtrysku benzyny GDI z pierwszej na drugą generację. W drugiej generacji systemu GDI bezpośredni wtrysk benzyny polega na wtrysku sterowanym strugą paliwa. Dzięki zmiennej koncepcji wtrysku uzyskano poprawę stabilności pracy silnika w trybie z ładunkiem uwarstwionym oraz łatwiejsze sterowanie. Przyszłością alternatywną dla tego systemu jest zastosowanie zapłonu laserowego. Silnik z systemem zasilania GDI w stosunku do nowoczesnego silnika stechiometrycznego MPFI 4-cylindrowego pozwala zaoszczędzić paliwo o 12-15%, co porównywalne jest z napędem elektrohydraulicznym VVA (zmienne działanie zaworów). Obiecująco zapowiadają się również silniki z systemem kontrolowanego samozapłonu CAI o dużym stopniu recyrkulacji spalin. Proces taki umożliwia pracę silnika na ubogich mieszankach ze sprawnościami zbliżonymi do GDI, bez konieczności stosowania katalizatorów NOx. Zasadniczą wadą tego systemu jest złożoność procesu sterowania, dlatego obecnie nie jest wprowadzany do seryjnej produkcji.
Nowe rozwiązania, nowe możliwości - bezpośredni wtrysk benzyny sterowany elektronicznie na przykładzie silnika FSI; zasada sterowania mieszanką
Silniki FSI w odniesieniu do procesu zasilania charakteryzują się: wtryskiem paliwa z funkcją dotrysku; klapami zawirowania umieszczonymi w kolektorze ssącym z płynną regulacją położenia; procesem spalania sterowanym wtryskiem paliwa; wysokociśnieniową pompą paliwa (200 barów). Silniki FSI wytwarzają mieszankę paliwowo-powietrzną bezpośrednio w komorze spalania. Przez otwarty zawór dolotowy w suwie ssania płynie samo powietrze. Paliwo jest wtryskiwane bezpośrednio do komory spalania przez wtryskiwacz elektromagnetyczny (obecnie stosuje się już coraz częściej wtryskiwacze piezoelektryczne, co jest korzystniejsze z punktu szybkości reakcji wtrysku paliwa). Wtryśnięte pod wysokim ciśnieniem i w odpowiednim rozpyleniu paliwo tworzy z powietrzem emulsję palną w komorze spalania.
Silnik FSI może przyjąć sześć trybów pracy:
a) tryb pracy na mieszance uwarstwionej - występuje w warunkach do średnich wartości obciążenia oraz unormowanych prędkości obrotowych wału korbowego. W cylindrze wytwarzana jest niejednorodna uwarstwiona mieszanka paliwowo-powietrzna zawierająca się w przedziale λ = 1,6-3,0. Stan taki można uzyskać poprzez stworzenie w centrum komory spalania blisko przy świecy zapłonowej mieszanki stechiometrycznej. W pozostałej części cylindra znajdują się tlen i spaliny z układu recyrkulacji.
Możliwość rozpoczęcia pracy silnika w omawianym trybie występuje wyłącznie w momencie, gdy sterownik silnika ustali zgodność następujących parametrów: temperatura silnika powyżej 50°C; brak błędów w sterowniku mogących wpłynąć na skład spalin; gotowość czujnika stężenia tlenków azotu; temperatura katalizatora tlenków azotu znajduje się w zakresie 250-500°C; w celu ograniczenia strat dławienia podczas pracy na mieszance uwarstwionej przepustnica jest całkowicie otwarta. Równolegle klapa zawirowań zamyka dolną część kanału dolotowego, powodując wzrost prędkości przepływającego powietrza. W efekcie powstaje silne zawirowanie powietrza, które we współpracy z odpowiednim kształtem tłoka nadaje walcowaty kształt strumieniowi gazu. Paliwo zostaje wtryśnięte podczas suwu sprężania w kierunku wgłębienia w denku tłoka, a sam wtrysk rozpoczyna się 60° przed GMP, zaś kończy 45° przed GMP. Zapłon następuje wtedy, gdy ładunek znajduje się w pobliżu świecy zapłonowej. Gazy znajdujące się poza łatwopalną częścią stanowią w pewien sposób płaszcz izolacyjny. Ogranicza to przenikanie ciepła przez ścianki cylindra i zarazem poprawia się sprawność silnika. Ze względu na czas końca wtrysku oraz czas potrzebny na wytworzenie mieszanki zapłon następuje w końcu suwu sprężania w wąskim zakresie regulacji kata wyprzedzenia zapłonu. W tym trybie z racji występowania nadmiaru powietrza powstaje duża emisja tlenków azotu, którą ogranicza system recyrkulacji spalin;
b) tryb pracy na mieszance jednorodnej ubogiej - występuje w momencie przejścia ze stanu pracy w trybie uwarstwionym na w pełni stechiometryczny. Mieszanka uboga jednorodna ma jednakowy skład w całej przestrzeni komory spalania, gdzie współczynnik nadmiaru powietrza wynosi 1,55. Warunki realizacji procesu pracy, jakie muszą zostać spełnione, są podobne do trybu pracy na mieszance uwarstwionej. W tym przypadku paliwo wtryskiwane jest podczas suwu dolotu ok. 300° przed GMP. Zadaniem układu sterującego dawką paliwa jest określenie takiej dawki, by współczynnik nadmiaru powietrza przyjął wartość 1,55. Ponieważ wtrysk paliwa występuje dużo wcześniej niż w przypadku pracy na poprzednim trybie (w mieszance uwarstwionej), kąt wyprzedzenia zapłonu ma większy zakres regulacji;
c) tryb pracy na mieszance jednorodnej - występuje w momencie, gdy silnik pracuje z dużym obciążeniem lub przy wysokich prędkościach obrotowych. Silnik wówczas zasilany jest mieszanką stechiometryczną o współczynniku nadmiaru powietrza równym 1 (podobnie jak to jest w przypadku silników z wtryskiem pośrednim);
d) tryb pracy na mieszance homogeniczno-uwarstwionej - występuje w przypadku przechodzenia z trybu pracy na mieszance uwarstwionej w jednorodną. Proces ten przebiega następująco: podczas suwu dolotu wtryskiwana jest mała wstępna dawka paliwa, wówczas występuje mieszanka homogeniczna, druga część dawki wtrysku występuje już podczas suwu sprężania (mieszanka uwarstwiona). Podczas tego trybu pracy przy małych prędkościach wału korbowego w stosunku do zasilania mieszanką jednorodną można zmniejszyć zużycie paliwa;
e) tryb pracy na mieszance uwarstwionej ogrzewającej katalizator - proces ten realizowany jest w trybie wtrysku dwufazowego. Wtrysk wstępny następuje podczas suwu sprężania a dotrysk w czasie suwu pracy;
f) tryb pracy na mieszance jednorodnej przeciwstukowej - powstaje wskutek dwufazowego wtrysku paliwa przy pełnym obciążeniu silnika i opóźnionym zapłonie.
[...]
mgr inż. Piotr Wróblewski
Więcej informacji o zasilaniu silników z zapłonem iskrowym w najnowszym „autoEXPERCIE" 11/2012.
