Kilka(set) słów o zasilaniu silnika w paliwo

Poniższy artykuł będzie bardzo skrótowy i pobieżny - nie każdy czytający jest ekspertem motoryzacyjnym i przekażę tu wiedzę w pigułce - by było ciekawie, a nie nudno.

Ssanie - sprężanie - praca - wydech. Czyli mantra każdego zmotoryzowanego. Piszę o silnikach czterosuwowych, gdyż takie stanowią 90% wszystkiego, co jeździ na drogach. Może nawet ciut więcej. Jednak ze względu na rodzaj zasilania silniki możemy podzielić na silniki iskrowe i silniki z zapłonem samoczynnym.



Silniki z zapłonem iskrowym, czyli popularne benzyniaki. Zapłon mieszanki paliwowo-powietrznej inicjowany jest przez iskrę przeskakującą pomiędzy elektrodami świecy. Do świecy doprowadzone jest wysokie napięcie (rzędu 15-20 kV, a nierzadko wartości te dochodzą do 30 kV). Jak pracuje świeca przy różnych obrotach wału korbowego? O tym filmik poniżej:

https://www.youtube.com/watch?v=W8V0ULlWBrM

Silniki o zapłonie samoczynnym, czyli popularne silniki Diesla. Zapłon mieszanki paliwowo-powietrznej następuje samoczynnie na wskutek sprężenia powietrza do wysokiego ciśnienia. Powietrze się podgrzewa podczas sprężania. W odpowiednim momencie wtryskiwane jest paliwo i mieszanka zapala się samoczynnie. Tu niepotrzebna jest świeca zapłonowa. Za to bardzo wskazana jest inna świeca. Świeca żarowa, która pracuje podczas uruchamiania zimnego silnika. Jej zadanie to podgrzać wstępnie komorę spalania, by stworzyć warunki do samozapłonu. Jest to tak zwane popularne grzanie świec, a wygląda ono tak:

https://www.youtube.com/watch?v=FR8qyQ6bmVc

Silnik benzynowy

Skoro podstawową teorię mamy opanowaną - prześledźmy historię silników. Zacznijmy od silnika benzynowego. Po to, by silnik mógł pracować, trzeba było dostarczyć mieszankę paliwowo-powietrzną, jako że samo powietrze za bardzo palić się nie chciało. Ustalono więc idealne proporcje takowej mieszanki i stworzono prostą rzecz, która mieszała powietrze z paliwem. Tę rzecz nazwano gaźnikiem. Jego zasada działania była prosta - do zasysanego powietrza gaźnik rozpylał paliwo. Mieszanka paliwowo-powietrzna kierowana była z gardzieli gaźnika do kolektorów ssących, a następnie do silnika. Im więcej powietrza przepływało, tym bogatsza była mieszanka. Wadą było osadzanie się paliwa na ściankach kolektora. Przy okazji gaźnik nie wiedział, czy silnik pracuje pod sporym obciążeniem na wolnych obrotach, czy też nie potrzebuje aż tak bogatej mieszanki. Gaźnik był prosty - wciskając gaz dostarczałeś więcej paliwa. Czysta, piękna mechanika. Ogromną zaletą silników gaźnikowych jest dość spontaniczna reakcja na dodanie gazu. Wadą - niestety zużycie paliwa. Przy zimnym silniku trzeba było włączyć ssanie, bo inaczej nici z odpalania silnika. No chyba że producent wyposażył samochód w ssanie automatyczne. Więcej o zasadzie działania gaźnika w tym filmie:

https://www.youtube.com/watch?v=q_XX3QpKsZM

Więc gaźnik był niepraktyczny i nieekonomiczny. I ograniczał osiągi silnika, a jak nie ograniczał, to taki silnik palił, ile widział. Ale silniki gaźnikowe mają swoich fanów - w tym także mnie. Producenci silników gaźnikowych starali się zwiększyć osiągi silników. Najpierw poprzez dodanie ilości gaźników, potem poprzez modyfikację samych gaźników (na przykład zwiększanie ilości gardzieli w gaźniku).

W USA, gdzie kochano silniki V8 i gaźniki, powstał swoistego rodzaju wyścig zbrojeń. Zwiększano pojemności, wielkości gaźników oraz wzbogacano mieszankę paliwowo-powietrzną. Według mnie ten swoisty wyścig zbrojeń (lata 50. - do roku 1972) wygrał Chrysler. Wykorzystał on wynalazek niejakiego pana Pipe'a z roku 1903. W roku 1951 zamontował do swoich samochodów silnik o pojemności 5,4 litra, nazwał go HEMI i stworzył legendę. O co chodzi z tym HEMI? O kształt komory spalania. Rozpatrzmy silnik dwuzaworowy. Normalnie komora ma płaski kształt. U góry znajdują się trzy otwory - na zawór dolotowy, wylotowy oraz na świecę. Wszystko w jednej płaszczyźnie. W HEMI jest inaczej. Komora spalania ma kształt półkulisty. Zawory dolotowe i wylotowe umieszczone są pod kątem. Świeca na górze w punkcie centralnym. Dzięki temu mieszanka paliwowo-powietrzna w komorze spalania dostawała pożądanych zawirowań, komora łatwiej się napełniała i dużo szybciej opróżniała ze spalonej mieszanki. Wada - cóż, ze względu na kształt komory spalania więcej zaworów niż dwa na jeden cylinder nie wchodziło w grę. Dzięki temu silnik miał o wiele większą moc od konwencjonalnych silników. HEMI rządziły w USA przez 20 lat. Dziś Chrysler także produkuje silniki HEMI, jednak z HEMI mają one wspólną tylko nazwę.


Kolejnym krokiem w celu unowocześnienia silnika był wtrysk paliwa. Na początku jednopunktowy - wtryskiwacz zastąpił gaźnik i był w miejscu gaźnika. Jednak takim wtryskiwaczem można było dość precyzyjnie sterować - dostarczał on do silnika tyle paliwa, ile trzeba i nie w sposób ciągły. Następnym krokiem był wtrysk wielopunktowy - wtryskiwacz umieszczano w kolektorze dolotowym tuż przed zaworem. Takimi wtryskiwaczami można było dość precyzyjnie sterować. No i wreszcie zniwelowano straty, jakie powstawały w kanale dolotowym. Zasada działania wtrysku na tym filmie:

https://www.youtube.com/watch?v=umdoG7qdWWs

Ostatnim krzykiem mody w układach wtryskowych jest wtrysk bezpośredni. Paliwo dostarczane jest bezpośrednio do cylindra. Dzięki temu można precyzyjnie sterować punktem wtrysku, ilością paliwa czy nawet wtryskiwaniem dawki wstępnej celem łagodnego spalania. Wadą pierwszych tego typu układów było zatykanie się wtryskiwaczy. Benzyna jest sucha i końcówki wtryskiwaczy nie były smarowane. Osadzał się w nich nagar i przestawały działać. No i był to dodatkowy otwór w głowicy. Nierzadko siódmy. Pięć otworów na zawory, jeden na świecę i jeden na wtryskiwacz. Co dość mocno osłabia strukturę głowicy. Jednak pomimo tej wady - wtrysk bezpośredni to najlepsze jak dotąd rozwiązanie zasilania silnika w paliwo.

https://www.youtube.com/watch?v=LjJSbHxIvnM

Silnik Diesla

Przejdźmy do silników Diesla. Ze względu na sposób zapłonu silnik ten ma niższe obroty maksymalne niż silniki benzynowe, za to ma dużo większy moment obrotowy poprzez znacznie wyższe ciśnienia w komorze spalania. Tu przez długi okres czasu nic się nie działo. Paliwo było wtryskiwane do komory wstępnej (wirowej), gdzie następował samozapłon, a następnie proces spalania przenosił się do komory właściwej. Praca Diesla z komorą wstępną była dość gładka - znam ludzi, którzy z łezką w oku wspominają aksamitną pracę 3-litrowego Diesla z Mercedesa W 123. Praca takiego silnika od 49 sekundy filmu.

https://youtu.be/PASizfzHdAc?t=49s

Jednak takie rozwiązanie nie było zbyt ekonomiczne. Wtrysk bezpośredni - to była przyszłość. Na takie rozwiązania jako pierwsi zdecydowali się Fiat, Rover i Audi. Czym charakteryzował si wtrysk bezpośredni? Mianowicie komorę spalania przeniesiono na denko tłoka i zastosowano bezpośredni wtrysk paliwa z pominięciem komory wstępnej. Dzięki czemu wzrósł moment obrotowy i zmalało spalanie. Dawką paliwa można było precyzyjnie sterować. Tu wtryskiwacze się nie zapiekają, bo olej napędowy jest tłusty. A gdy nie jest, kierowcy uszlachetniają go, dodając oleju 2T (sam takie rozwiązanie stosuję w poczciwej Megane dTi i bardzo sobie je chwalę).

https://www.youtube.com/watch?v=s2WGFELXPNg

Niestety - do takiego rodzaju zasilania potrzeba było wysokiego ciśnienia wtrysku. Początkowo ciśnienie wytwarzała pompa paliwowa, która pompowała paliwo oddzielnie dla każdego wtryskiwacza (miała z reguły tyle wyjść, ile cylindrów). Potem nastąpiła era pompowtryskiwaczy. Co to takiego? W wielkim skrócie to wtryskiwacze ze sprzężoną pompą paliwową. Uruchamiane były za pomocą specjalnych wykorbień na wałku rozrządu. Dochodziło do nich paliwo pod niskim ciśnieniem, a one mechanicznie wytwarzały ciśnienie i poprzez piezoelektryczne sterowanie dawkowały paliwo. I to była ich wada - przez napędy pompowtryskiwaczy zabrakło miejsca na krzywki zaworowe, które musiały być cieńsze i wyrabiały się szybciej niż w dieslach z pompą wtryskową.

https://www.youtube.com/watch?v=-Tp3iL5-IWk

Wymyślono więc Common Rail, czyli wysokociśnieniową pompę i szynę wspólną dla wszystkich wtryskiwaczy. Wtryskiwacze otwierają się w określonej chwili i są sterowanie piezoelektrycznie. Pierwsze tego typu układy były bardzo wrażliwe na jakość paliwa. Jednak wadę tę wyeliminowano i dziś Common Rail jest podstawowym systemem zasilania w paliwo silniki Diesla. Do jego zalet należy niewątpliwie absolutne odizolowanie od sterowania mechanicznego wtryskiwaczami oraz bardzo precyzyjna dawka wtryskiwanego paliwa.

https://www.youtube.com/watch?v=cIkMtnd3LGQ

Kolejnym zwiększeniem mocy zajmowały się turbosprężarki i kompresory opisane w poprzednim artykule.

A na zakończenie perełka - moment zapłonu mieszanki paliwowo-powietrznej:

Silniki benzynowe:

https://www.youtube.com/watch?v=M4hlPM6lsD0

Silniki Diesla.

https://www.youtube.com/watch?v=21ma2nyz0SQ

Jeszcze raz przepraszam za uproszczenia i skróty myślowe - ale opisywanie zasady działania pompy czy jak powstaje prąd potrzebny do wytworzenia iskry w świecy zanudziłoby czytelników. A tak - postarałem się podać wiedzę w pigułce.

Kopiowanie dozwolone tylko z podaniem źródła!

A jeśli mało Ci motoryzacji - to zapraszam na Motokillera: