Zážihový motor s priamym vstrekom

Zážihový motor s priamym vstrekom paliva (anglicky pod rôznymi názvami Gasoline direct injection engine (GDI), Petrol Direct Injection, Direct Petrol Injection, Spark Ignited Direct Injection (SIDI), Fuel Stratified Injection (FSI)) patrí do skupiny zážihových motorov. Na rozdiel od konvenčného zážihového motora nespaľuje iba homogénnu zmes. Palivo sa totiž vstrekuje priamo (prípadne prostredníctvom komôrky) do valca, čo umožňuje aktívne riadiť vrstvenú tvorbu zmesi. 

Motor je konštruovaný tak, aby bola v okolí elektród zapaľovacej sviečky v okamihu zážihu zmes v zápalnom zložení. V ostatných častiach valca môže byť prebytok vzduchu, alebo spaliny privedené recirkuláciou. Celkovo môže motor pracovať s chudobnou zmesou so súčiniteľom prebytku vzduchu až λ > 7. Spaľovanie s prebytkom vzduchu umožňuje znížiť spotrebu paliva a odstrániť alebo znížiť nepriaznivý vplyv regulácie škrtiacou klapkou.

Druhy prevádzky 
V závislosti od zaťaženia, otáčok, teplotného stavu motora a ďalších parametrov pracuje zážihový motor s priamym v strekom v niektorom zo šiestich druhov prevádzky:

Prevádzka s vrstveným plnením 
Táto prevádzka je vhodná pre oblasť nižších krútiacich momentov a nižších otáčok (do 3 000 min−1). Vstrekovací ventil vstrekne palivo len krátko pred zážihom, zmes sa preto nestihne premiešať. Motor pracuje celkovo s chudobnou zmesou λ > 1, ale v oblasti sviečky je zmes v zápalnom rozmedzí. Intenzívne sa využíva recirkulácia výfukových plynov z predošlých cyklov pre zníženie emisií NOx.

Prevádzka s vrstveným plnením a zahrievaním katalyzátora 
Táto prevádzka sa využíva na zahriatie katalyzátora na prevádzkovú teplotu. Princíp je rovnaký ako pri  prevádzke s vrstveným plnením, ale počas expanzie sa vstrekne ešte jedna dávka paliva. Táto dohorieva neskôr a zvyšuje teplotu výfukového potrubia aj katalyzátora. Výfukové potrubie musí byť na takúto prevádzku optimalizované.

Homogénna prevádzka 
Pre vysoké otáčky a vysoké zaťaženie je potrebné získať zo zmesi maximum energie, čo sa dosiahne pri stechiometrickom zložení zmesi t. j. λ = 1 (vo výnimočných prípadoch motor spaľuje mierne bohatú zmes λ < 1). Takáto zmes je zápalná v celom objeme, preto nie je potrebné dbať na rozvrstvenie zmesi. Vstrekovanie prebieha už počas nasávacieho zdvihu, preto je čas na vytvorenie a rovnomerné rozloženie zmesi dostatočný. V tomto režime sa priebeh spaľovania a ďalšie charakteristiky ako spotreba a emisie len veľmi málo líšia od zážihového motora s nepriamym vstrekovaním. Režim je univerzálny, motor by v ňom mohol pracovať vo všetkých režimoch, ale tým by sa pripravil o výhody vyplývajúce z vrstveného plnenia.

Homogénna prevádzka s chudobnou zmesou 
Táto prevádzka je prechodová, medzi homogénnou prevádzkou a prevádzkou s vrstveným plnením. Dosahuje sa nižšia spotreba paliva ako pri homogénnej prevádzke vďaka vyššej plniacej účinnosti (škrtiaca klapka je viac otvorená, ako by zodpovedalo homogénnnej prevádzke.) Celkové zloženie chudobej zmesi je 1 < λ < 2.

Homogénna prevádzka s vrstveným plnením 
Ide o ďalší prechodový režim, ktorý naväzuje na homogénnu prevádzku s chudobnou zmesou. Ak je celkové zloženie zmesi s λ > 2, palivo sa vstrekuje dvakrát. Prvý vstrek s podielom cca 25 % dávky paliva na cyklus sa vstrekuje ešte počas nasávania a vytvára homogénnu zmes. Druhý vstrek so zvyškom paliva sa vstrekuje neskôr počas kompresie. Jeho úlohou je vytvoriť oblasť bohatšej, dobre zápalnej zmesi v okolí sviečky.

Homogénna prevádzka s ochranou pred detonačným spaľovaním 
Prevádzka je určená pre nízke otáčky a vysoké zaťaženia, kde by mohlo dochádzať k detonačnému spaľovaniu. Pri tejto prevádzke sa opäť využíva dvojitý vstrek paliva, ktorá presunie časť dodávky tepla z druhej dávky paliva na neskôr a zníži tak maximálne tlaky a teploty, ktoré sú rizikové faktory pre detonačné spaľovanie. Vďaka rozdeleniu dávok paliva nie je potrebné znižovať predstih zapaľovania, ako sa to musí v takýchto režimoch robiť pre motory s nepriamym vstrekovaním čo prináša výhodu vyššieho krútiaceho momentu.

Proces spaľovania 
Aby sa dosiahol požadovaný priebeh a kvalita spaľovacieho procesu vo vrstvenej zmesi, je potrebné zosúladiť geometrický tvar spaľovacieho priestoru vrátane dna piesta, vzájomné umiestnenie vstrekovača a zapaľovacej sviečky, smer a rýchlosť prúdenia náplne a smer a tvar lúča paliva a správny okamih vstreku. Principiálne sú možné 2 prístupy k vedeniu spôsobu spaľovania:
 spaľovanie vedené lúčom – tento spôsob vyžaduje, aby bolo palivo vstrekované v blízkosti zapaľovacej sviečky a tu sa aj odparovalo
 spaľovanie vedené stenami – pri tomto spôsobe sa palivo vstrekuje do prúdu vzduchu, ktorý vhodným tvarovaním stien spaľovacieho priestoru privedie oblak pripravenej zmesi v správny okamih k zapaľovacej sviečke. Pri tomto spôsobe sa rozlišuje typ prúdenia v spaľovacom priestore:
 vírové (swirl) – vzduch od sacieho ventilu prúdi turbulentne (rotačne) pozdĺž steny valca 
 valivé (tumble) – vzduch sa pohybuje valivým spôsobom zhora dole a v priehlbine piestu sa zatáča opäť nahor

Konštrukčné koncepcie

Priamy vstrek do valca s vstrekovačmi a sviečkami blízko seba 

Táto koncepcia využíva spaľovanie vedené lúčom. Palivový lúč zasahuje priamo elektródy sviečky. Zmes je premiestňovaná k elektródam hlavne kinetickou energiou lúča, menej pohybom náplne. Toto riešenie umožňuje dosiahnuť: 
veľké vrstvenia zmesi λ > 7, vplyvom ostrekovania okolia sviečok je zmes v ich okolí vždy dostatočne bohatá, 
vysoký gradient λ pri spaľovaní.
Zároveň je však potrebné riešiť nasledovné problémy:
vysoké nároky na dobrú atomizáciu paliva (nároky na vstrekovač), 
krátky čas na prípravu zmesi znižuje jej kvalitu, 
veľkú citlivosť na lokálne zloženie zmesi, ktoré je zapríčinené zmenou kvality atomizácie opotrebením vstrekovača,
závislosť tvaru lúča od kompresného tlaku,
problémy so studeným štartom a spoľahlivosťou zapaľovania (elektródy mokré od paliva).

Priamy vstrek do valca s vstrekovačmi a sviečkami ďaleko od seba 
Táto koncepcia využíva spaľovanie vedené stenami. Vstrekovače optimálne umiestnené s ohľadom na geometrické a teplotné podmienky hlavy valcov. Vlastnosti tohoto usporiadania sú:
dlhší čas na prípravu zmesi zvyšuje jej kvalitu, 
malé rozvrstvenie zmesi, spôsobené lepším premiešaním paliva a vzduchu.
Medzi problémy konceptu patria:
veľký vplyv turbulentných fluktuácií na rozvrstvenie a lokálne zloženie zmesi,
nie je možná stabilizácia rozvrstvenia v prípade priveľkej turbulencie náplne, preto sa rozvrstvenie zmesi vo valci podporuje aj tvarom spaľovacieho priestoru.

Vlastnosti motorov s priamym vstrekom 
Oba vyššie popísané spôsoby vstrekovania paliva majú bez použitia recirkulácie výfukových plynov rôzne úrovne NOx a spotreby (NOx je vyššie, spotreba nižšia), preto je potrebné použiť optimálnu recirkuláciu výfukových plynov. Zníženie spotreby paliva je uvádzané v rozmedzí 20 – 30 % oproti klasickým spôsobom vstrekovania paliva. Spoločné problémy oboch riešení sú: používanie paliva s vhodnými vlastnosťami, nevyhnutnosť zariadení na spracovanie výfukových plynov, spoľahlivosť, ohrievanie vstrekovačov, emisie CHx a dymivosť.

Systémy využívajú kvalitatívnu reguláciu (zložením zmesi), napriek tomu je úplné odstránenie škrtiacej klapky limitované minimálnou teplotou výfukových plynov pre dobrú účinnosť katalyzátora, preto pri nízkych zaťaženiach zostane využité čiastočné škrtenie a recirkulácia výfukových plynov.

Koncepcia OCP (Orbital Combustion Process) 
Odlišným  systémom priameho vstrekovania paliva benzínových motorov je systém OCP. Jeho činnosť spočíva v tom, že konvenčný vstrekovač vstrekuje presné množstvo paliva do komôrky, do ktorej vyúsťuje prúd vzduchu. Po ukončení vstreku a krátkej dobe na prípravu zmesi je atomizovaná zmes vstreknutá vzduchovým vstrekovačom do valca. Vstrekovač sa nachádza blízko pri sviečke, čo znamená, že ďalšia príprava zmesi vo valci už nie je nutná. V tomto prípade je možná dobrá kontrola pomeru λ v okolí sviečky v čase zážihu, čo zaisťuje dobrú stabilitu procesu. Celkový pomer λ môže byť až 7. Zníženie spotreby paliva oproti štandardnému viacbodovému vstrekovaniu sa uvádza podľa druhu testu v rozmedzí od 17 – 30 %.

Výhody tejto koncepcie sú zníženie emisií CHx (malá veľkosť kvapiek, lúč nedosiahne studené steny) a umožnenie až 40 % recirkulácie výfukových plynov alebo 80° prekrytie ventilov.

Vstrekovacie systémy pre priamy vstrek 
Základnými súčasťami vstrekovacieho systému sú palivová nádrž, dopravné čerpadlo (nízkotlakové), vysokotlakové čerpadlo, tlakový zásobník (Common rail), ventil pre riadenie tlaku, snímač tlaku v zásobníku a vysokotlakový vstrekovací ventil.

1. generácia vstrekovacích systémov 
Prvá generácia vstrekovacích systémov využívala elektromagneticky ovládané vstrekovacie ventily. Vstrekovací tlak bol v rozmedzí 5 – 12 MPa. Riadiaci systém DI-Motronic (1. generácie) od spoločnosti Bosch bol uvedený na trh v roku 2000.

2. generácia vstrekovacích systémov 
Druhá generácia vstrekovacích systémov využíva piezoelektricky ovládané vstrekovacie ventily. Maximálny vstrekovací tlak dosahuje 20 MPa. Vyšší tlak umožňuje lepšie rozprášenie paliva, rýchle piezoelektrické ventily presnejšie dávkovanie rozdelené na viac vstrekov. Oba parametre umožňujú posúvať oblasti prevádzky s vrstveným plnením k vyšším otáčkam a vyšším zaťaženiam motora. Vstekovacie systémy druhej generácie uprednostňujú spaľovanie vedené lúčom. Riadiaci systém DI-Motronic 2. generácie od spoločnosti Bosch bol uvedený na trh v roku 2005.

Emisie motorov s priamym vstrekom 
Pre oblasti homogénnej prevádzky, pri ktorej sa spaľuje stechiometrická zmes sa používa riešenie osvedčené u zážihových motorov s nepriamym vstrekom. O znižovanie emisií sa stará trojcestný katalyzátor riadený lambda-sondou. Pre oblasti prevádzky s vrstveným plnením, kde vplyvom prebytku kyslíka vznikajú pri spaľovaní emisie NOx, je potrebné využiť aj redukčný katalyzátor (tzv. DENOX).

Pozri aj 
 TFSI

Referencie

Externé odkazy 
 Orbital Corporation Limited.

Piestové spaľovacie motory