Přímý vstřik benzínu: revoluce, nebo evoluce?

Benzínové motory s přímým vstřikem se staly populárními zejména díky Volkswagenu a jeho agregátům FSI. Přímý vstřik ale není žádná novinka, už delší dobu ho používají např. motory GDI od Mitsubishi, objevily se také pod kapotou vozů značek Ford či Alfa Romeo.
Přímý vstřik benzínu: revoluce, nebo evoluce?

Nejprve se podívejme na to, jak celý systém funguje, a to na motoru Duratec SCi, který pochází z díly Fordu a poprvé se objevil v Mondeu (viz náš test). Přímý vstřik pracuje ve všech motorech, které ho používají, podobně.

Na rozdíl od motorů s nepřímým vstřikem, kde se mísí kapičky paliva se vzduchem mimo spalovací část motoru, se v přímovstřikových agregátech tato směs vytváří přímo na místě činu, ve spalovacím válci. Kanál pro sání však stále zůstává, ale prochází jím už jenom čistý vzduch; palivo se vstřikuje tryskou. Ta je umístěna v podstatě libovolně po válci, ale většinou se umisťuje z boku, vedle klapek sání. Vzájemné polohy vstřikovací trysky a klapek sání jsou velice sledovaným parametrem. Pokud by totiž nebyly vzdálenosti a směry vpouštění vzduchu a benzínu do sebemenších detailů propočítány, vše by se minulo účinkem.

Nízkém zatížení, nižší spotřeba

Popis procesu spalování by se dal rozdělit na dva případy. Jako první popíšu spalování při volnoběhu nebo velmi slabé zátěži motoru. Celý proces sání začíná tím, že se otevře jen jeden ze dvou kanálů sání (tzn. ze sání se stane místo jakési výpustě spíše tryska) a začne se vhánět do motoru vzduch, který se odrazí od hlavy válce a začne se točit. V určitý, přesně načasovaný moment začne i vstřikování benzínu. Vstřikování doslova, vždyť tyto palivo se do prostoru válce dostává pod tlakem 40 až 130 barů.

Propočítaným vířením vzduchu uvnitř válce a směřováním benzínu směrem ke svíčce přes profilovanou hlavu pístu se maximum paliva dostane právě tam, kam má - ke svíčce. Tam exploduje a zapálí zbytek hořlavé směsi. Samotná chudší směs by se totiž nezapálila. Tomuto systému, kdy nahoře, u svíčky, je nejvíce paliva, zatímco dole je ho o poznání méně, se říká „vrstvené plnění“. Takto se spotřeba paliva může snížit i o několik desítek procent, ovšem jen při malém zatížení motoru.

Vyšší zátěž takřka bez výhod

Druhý případ nastává v případě zátěže. Při zátěži se ve chvíli sání otevřou oba kanály a vzduch proudí do pístu nekontrolovaně a stejně tak se zmatkovitě mísí i s benzínem v poměru Lambda=1. V této chvíli nepřináší vstřik přímo do válce takovou výhodu, jako v předchozím případě. Teoreticky by se měla lehce pozměnit křivka točivého momentu (konkrétně by se měl její vrchol o něco zvýšit), některé jiné fyzikální jevy tomu zase brání. Největším brzdou je onen tolikrát opěvovaný profilovaný povrch hlavy. Tím se výhody oproti nepřímému vstřiku dorovnají.

Při zátěži se kvůli víření výhoda v podobě snížené spotřeby zkrátka nedostavuje, na druhou stranu díky vyššímu kompresnímu poměr dosahuje motor vyššího točivého momentu a ve výsledku tedy i výkonu. Za zmínku stojí také lepší chlazení motoru aerosolem benzínu. Pro srovnání jsme postavili vedle sebe dvě osmnáctistovky z Mondea, obě s objemem 1 798 ccm:

  • 1.8 Duratec HE – 92 kW (125 k)/6 000 ot., litrový výkon 70 k/l, 170 Nm/4 500 ot., kompresní poměr 10,5, kombinovaná spotřeba paliva 7,9 l/100 km;
  • 1.8 Duratec SCi – 96 kW (130 k)/6 000 ot., 73 k/l, 175 Nm/4 250, kompresní poměr 11,3, kombinovaná spotřeba 7,2 l/100 km.

Sice nedošlo k nějak extrémnímu navýšení výkonu, nicméně motor má kultivovanější a tišší chod, lépe se „sbírá“ odspodu a hlavně má i přes použití naturalu 95 velmi nízkou spotřebu. V našem testu jsme jezdili v kombinovaném režimu za méně než sedm litrů.

Jak pracuje FSI

Jen pro doplnění uvádíme, jak popisuje přímý vstřik FSI na svém webu Audi: Technologie přímého vstřikování benzinu FSI zvyšuje točivý moment a výkon zážehových motorů a snižuje jejich spotřebu až o 15 procent. Na rozdíl od vstřikování benzinu do sacího potrubí proměnné délky běžných zážehových motorů se palivo u motorů FSI vstřikuje přímo do spalovacích prostorů. Škrticí klapka při této technologii odpadá. Motor není škrcen a snižují se tepelné ztráty, což přináší vyšší výkon, lepší hospodárnost a lepší odezvu na plyn.

Systém využívá dva režimy práce: Spalování vrstvené směsi při dílčím zatížení a spalování homogenní směsi při plném zatížení. V provozu s vrstveným plněním se vytváří směs, která je schopna zapálení, jen v úzké oblasti kolem zapalovací svíčky. Elektronika motoru zjistí stav zatížení agregátu a prostřednictvím systému vstřikování řídí okamžik vstřiku, tlak vstřiku a vstřikované množství a přes vstupní vzduchový kanál i vnitřní proudění ve válci. Při plném zatížení umožňuje princip FSI zvýšení kompresního poměru, čímž se zvyšuje účinnost a motor má vyšší výkon.

Emise a benzín

Menší nevýhodou motorů s přímým vstřikem je náročnost na oktanové číslo benzínu. Vyšší kompresní poměr a spalování chudé směsi totiž vyžadují palivo s oktanovým číslem 98, aby se předešlo tzv. klepání, tedy nechtěnému detonačnímu spalování. Naštěstí motory mají čidlo klepání, které tomuto jevu v případě použití paliva s nižším oktanovým číslem předchází. Proto je možné používat i benzín s okt. 95, v případě nouze pak i 91. Některé motory, např. FSI v Octavíích, jsou upraveny tak, aby vždy spalovaly homogenní směs. To na jedné straně umožňuje používat bez problému natural 95, na straně druhé tato úprava eliminuje jednu z hlavních výhod FSI.

V našem testu Toleda 2.0 FSI (používá vrstvené spalování) se použití naturalu 95 projevilo jen nepatrně hlučnějším chodem a takřka neznatelným zhoršením pružnosti v nízkých otáčkách. Asi nejvýraznějším rozdílem v použití paliva s rozdílným oktanovým číslem byla vyšší spotřeba v rozmezí pět až deset procent. U Octavie se stejným motorem byl rozdíl spotřeb menší, oktanové číslo na spotřebu takový vliv nemělo, stejně jako na dynamiku a zvuk motoru. Nicméně rozdíl při použití naturalu 98 a 95 tu přece jen je.

Poznámka: Problematice oktanového čísla se budeme věnovat v některém z dalších článků.

Druhým, podstatně výraznějším problémem, jsou emise. Při spalování chudé směsi vzniká daleko více škodlivých spalin, zejména oxidů dusíku NOx. Proto musí mít vozy s přímovstřikovými motory důmyslnější katalyzátory, které tyto plyny (CO, NOx) dokážou zachytit. Zatímco „obyčejné“ motory mají katalyzátory poměrně jednoduché (např. Audi A6 1.6 MPI: standardní katalyzátor, vyhřívaná kyslíková sonda), motory s přímým vstřikem vyžadují lepší čištění. Příkladem může být Audi A3 2.0 FSI: dvoustupňový katalyzátor a pohlcovač částic NOx, dvě vyhřívané kyslíkové sondy, systém recirkulace výfukových plynů. Díky použití takových záchytných systémů splňují přímovstřikové motory bez problému normu Euro 4.

Poznámka: Důvodem úpravy motorů FSI v Octaviích je nejen umožnění používání levnějšího paliva, ale díky homogennímu spalování motory nepotřebují katalyzátor NOx, což snižuje výrobní cenu.

FSI a JTS jsou nejznámější

Obecně nejznámější jsou přímovstřikové motory FSI od koncernu Volkswagen. FSI se dnes vyrábí především ve dvou základních objemových variantách, 1.6 FSI 85 kW a 2.0 FSI 110 kW. U obou motorů je litrový výkon okolo 74 k/l. Motor 1.6 představuje oproti staršímu koncernovému ekvivalentu (1.6 16V 77 kW) nárůst výkonu o 8 kW, dvoulitr překonává svého staršího příbuzného (2.0 20V 96 kW) o 14 kW. Nárůst se ovšem týká i ceny, např. u Audi A3 je u 1.6 přirážka 65 tisíc, u Škody Octavia pak 40 tisíc. Novinkou je pak motor 2.0 TFSI, který má díky turbu výkon 147 kW (více informací najdete ve starším článku). Nejmenší přímovstřikový motor 1.4 FSI 66 kW pak najdete např. v Polu nebo Golfu.

Tip: Test Audi A4 2.0 TFSI quattro, Volkswagenu Golf 1.4 FSI, Seatu Toledo 2.0 FSI a Škody Octavia 2.0 FSI

Koncern Volkswagen ale používá přímý vstřik FSI také u větších motorů, přikladem budiž 3.2 V6 FSI 188 kW a 4.2 V8 FSI 309 kW. Druhý jmenovaný si odbude premiéru v novém Audi RS4. Známý je také motor 2.0 JTS 121 kW, který používají vozy značky Alfa Romeo, konkrétně v modelech 147, 156 a GT. Oproti motoru 2.0 TS 110 kW (model 166) má přímovstřikový dvoulitr výkon o 11 kW vyšší. Vzhledem k tomu, že se tyto motory nenacházejí ve stejných vozech, není dost dobře možné srovnávat spotřebu. Přímý vstřik benzínu používá např. i BMW 760i (327 kW, 600 Nm); sice spaluje homogenní směs, díky přímému vstřiku má ale motor velmi dobrý průběh ročivého momentu.

Druhá generace

Budoucnost přímého vstřiku vypadá slibně a časem se jistě podaří přímovstřikovým motorům vytlačit svoje předchůdce stejně, jako se podařilo u nafťáků. V současné době se zatím v masovějším měřítku objevují tyto motory jen u koncernu Volkswagen, ostatní automobilky zvyšují výkon spíše pomocí variabilního časování a zdvihu ventilů či jiných technologií. Důvod je nasnadě: přímý vstřik první generace, o kterém je v článku řeč, nepřínáší zase tolik výhod, aby automobilky začaly výrazněji investovat do jeho vývoje a uvádění do výroby. Čekají totiž na druhou generaci, která je o poznání propracovanější.

První generace přímého vstřiku má totiž jednu zásadní nevýhodu: nízký rozsah otáček, kdy lze využít spalování chudé směsi. Bohatá směs je totiž před svíčku přiváděna až vírem vzduchu ve spalovacím prostoru, přičemž ve vyšších otáčkách se vír stává nekontrolovatelným a je spalována homogenní směs. Druhá generace přímého vstřiku využívá řízený vstřik paprsku paliva přímo před svíčku - systém PDI. Díky se rozšíří vrstvené spalování i do vyšších otáček. To ale klade vysoké nároky na konstručkní technologii, který ještě donedávna nebyla k dispozici.

Základem je piezoelektrický vstřikovač, který dokáže otevřít trysku extrémně rychle a velmi přesně vstříknout požadovanou dávku paliva. Dokáže rovněž zajistit několik menších předvstřiků, stejně jako se otevřít a uzavřít jen částečně a tím snížit množství vstřikovaného paliva. Vstřikovací tlak oproti první generaci stoupne až na 200 bar, díky čemuž se palivo lépe rozpráší. Celkově dokáže druhá generace přímého vstřikování ušetřit až 20 procent paliva, což není k zahození. Zážehové motory by se díky tomu mohly se spotřebou dostat až na úroveň nafťáků, které to budou mít po zavedení druhé generace přímovstřiku do výroby zase o něco těžší.

bazar

Ford Mondeo 2
Rok výroby: 2013
Stav: 129 970 km
Cena: 250 000 Kč
Ford Focus 1,6
Rok výroby: 2006
Stav: 136 326 km
Cena: 94 000 Kč
Ford Focus 1,6
Rok výroby: 2014
Stav: 57 732 km
Cena: 266 000 Kč
Ford Focus 1,6
Rok výroby: 2011
Stav: 96 570 km
Cena: 160 000 Kč
Ford Focus 1,8
Rok výroby: 2008
Stav: 165 890 km
Cena: 110 000 Kč
Ford Maverick 3
Rok výroby: 2003
Stav: 140 237 km
Cena: 96 000 Kč
Nabídka dalších vozů
Test Fiatu Fullback: Převlečené Mitsubishi se jeví jako správná volba

Fiat Fullback

Fiat se po vzoru Renaultu a Mercedesu také rozhodl nabízet pracovní pickup, který původně pochází z úplně jiné dílny. A rozhodl se více než správně, protože Fiat Fullback alias Mitsubishi L200 je vynikajícím pracovním pickupem. V terénu má dost potence a na silnici dostatek kultivovanosti.

dnes | Jiří Švamberk | 1 příspěvek
Test Renaultu Koleos: Druhý pokus je o dost lepší, ale není ozdob moc?

Renault Koleos

Tentokrát jsme se v naší recenzi zaměřili na druhou generaci Renaultu Koleos. Od předchůdce se vzdálil mílovými kroky.

17.  8.  2017 | Milan Lažanský | 4 příspěvky
Test Suzuki Ignis: Nejlevnější čtyřkolka boduje i tam, kde byste nečekali!

Suzuki Ignis

Naší recenzí tentokrát prošlo Suzuki Ignis - nejlevnější čtyřkolka na českém trhu.

13.  8.  2017 | Milan Lažanský | 34 příspěvků