Když už čtete tento seriál, patrně to myslíte s úsporou paliva
vážně. Možná vidíte východisko v koupi nového vozu, což je jedno z mála
racionmálních východisek.
Možná jste médii nenapravitelný šťoura a nezajímají vás takové
zásadní charakteristiky budoucího vozu, jako přístrojová deska z kvalitních
plastů, 23 odkládacích ploch v interiéru nebo volant padnoucí dobře do
ruky. Zaměstnají vás možná zkratky jako MPi, FSI, HPi, GDi a podobně. Pokusím
se lidsky přijatelnou formou vysvětlit, jak s tím pracovat.
Na začátku trocha teorie, omezená na naprosté minimum. Nejdůležitějším
úkolem řízení motoru je míchat směs benzínu se vzduchem tak, aby byl přibližně
dodržen ideální poměr obou složek, tedy 1:14,7.
Chemici vědí proč, my se omezíme na to, že při tomto směsném poměru je
všechen benzín spálen a tím pádem energetická účinnost motoru nejvyšší.
Tento stav odpovídá lambda koeficientu o hodnotě 1, lambda je stechiometrický
koeficient vypovídající o tom, kolik chemikálií vstupuje do reakce. Lambda
koeficient měří lambda sonda, senzor umístěný ve výfuku, který produkuje
signál odpovídající koncentraci kyslíku ve výfukových plynech. Pokud by
vzduchu bylo málo, motor by bežel na sytou směs a v palivu by byly nespálené
uhlovodíky (lambda < 1) a kdyby byl vzduchu přebytek, motor by běžel
na chudou směs (lambda > 1). Sice by spotřebovával méně paliva, ale také
by poskytoval jen částečný výkon a navíc by rostla teplota spalování (spalovací
prostor se palivem chladí) a to by se projevilo zvýšením koncentrace oxidů
dusíku ve výfukových plynech. A to je fuj, fuj a ještě jednou fuj, protože
to ekologové
řekli.
1. Auto s karburátorem
Na vstupu sacího potrubí byl namontován karburátor. Ten používal nějakou
kombinaci pneumatické, mechanické a elektronické regulace, aby dodržoval
předepsanou sytost směsi, která byla většinou s lambda těsně < 1. Směs
pak byla dopravována nasávaným vzduchem skrze sací potrubí do válců. Karburátor
(pomineme-li různé elektronicky řízené karburátory na sklonku jejich éry)
neměl zpětnou vazbu na složení výfukových plynů, byl tedy nějak v továrně
nastaven a doufalo se, že to také bude dělat. Druhý problém spočíval v
tom, že vzduch byl používán jako dopravní médium, tedy dopravoval palivo
sacím potrubím z karburátoru do válce. Karburátorový motor najdeme například
ve starých škodovkách nebo některých favoritech, ve světě hodily karburátory
ručník do ringu na konci osmdesátých let. V některých případech se používají
dodnes (motocykly, automobilový sport) a pro tyto účely má karburátor něco
do sebe.
2. Jednobodové vstřikování (SPi, single-point injection)
Aby auta mohla plnit neustále se zpřísňující emisní limity, začal se
od poloviny osmdesátých let užívat jiný způsob přípravy směsi. Místo karburátoru
se na konec sání namontovala jednotka obsahující škrtící klapku a elektronický
vstřikovač. ECU motoru brala v úvahu signály ze třech senzorů:
polohy plynového pedálu, lambda sondy a snímače otáček motoru. Podle toho
počítala, kolik je třeba dávkovat paliva a vstřikovač ho dávkoval. Máme
tady tedy regulační smyčku se zpětnou vazbou a tím byl odstraněn první
problém. Druhý problém však zůstal - vzduch nadále dopravoval palivo do
válců.
Proč to je problém? On to snad není problém, ale nepředvídatelný faktor
ve hře. Sací potrubí bohužel není trubka, do které vzduch z jedné strany
vleze a z druhé strany vyleze, vlivem kolísání tlaku při otevírání a zavíraní
sacích ventilů jednotlivých válců dochází ke kolísání průtoku. Vysvětlení
proč je nad rámec tohoto článku, my se spokojíme s konstatováním, že
se uvnitř sacího traktu odehávají jevy, jejichž důsledkem je zhoršená "doprava"
paliva a vznik špiček a děr v průběhu točivého momentu. Do přesnosti dávkování
paliva pro jednotlivé válce se také promítá geometrie sacího potrubí, a
to není žádný extra přesný díl.
U aut české provenience se jednobodové vstřikování objevilo v roce 1993
u Favoritu Green line. Měly ho i Felicie až do roku 1997. Mimo Absurdistán
se to používalo i u low-end vozidel asi od roku 1990. High-end segment
pracoval se systémem K-Jetronic už od sedmdesátých let. V názvu auta s
jednobodovým vstřikem se objevuje písmenko i jako injection, zkratka EFI
(Electronic Fuel...), CFI (Central... ) apod. (Zajímavé bylo srovnání identických
motorů s karburátorem a SPi z pohledu řidiče. Motory s SPi vycházely trochu
lenivější. Je to tím, že karburátory zpravidla ochuzovaly směs při malém
sešlápnutí plynu a naopak ji obohacovaly při požadavku na plný knedlík,
zatímco vstřikování se drželo své lambda = 1). Systém je dnes již mrtvý
a v nových autech ho v našem prostoru nenajdeme, protože ho zcela nahradilo
vícebodové vstřikování.
3. Vícebodové vstřikování do sání (MPI, Multi-point f.i.)
Jednobod tedy směs sofistikovaně namíchal, ale pak, v sání za vstřikovačem,
se mu to tak trochu pokazilo těmi výše popsanými nepřesnostmi. Přišel
tedy nápad, posunout vstřikovač blíže k válci, tedy na druhý konec vstřikovacího
potrubí. Najednou bylo tedy zapotřebí vstřikovačů více (pro čtyřválec čtyři).
Plynula z toho výhoda - už nebylo nutno zabývat se tím, zda nám vzduch
palivo do válce dopraví, prostě stačilo palivo tam nastříkat. To se dělo
zprvu kontinuálně (pořád vstřikuje bez ohledu na to, jaký takt příslušný
válec má) nebo v současné době sekvenčně (zde se vstřikovač snaží strefit
"pod ventil"). Mezi lidem se má za to, že vícebodové vstřikování se používá
proto, aby mohlo být dávkováno palivo pro každý válec v jiném množství,
což není pravda, správně by mělo být, pro každý válec zvlášť. Z pohledu
řidiče přinesla tato technologie vyrovnání křivky točivého momentu a lepší
pružnost motoru, zpravidla také snížení jeho spotřeby, nevýhodou je pak
hlučnost celého aparátu a více částí, které se mohou rozbít.
Tato technologie je současná: najdeme ji ve více než 80% moderních aut
a dosáhla již značné spolehlivosti. Všechny komponenty zpravidla vydrží
350.000km a více.
4. Přímý vstřik benzínu (GDI, Gasoline direct inj.)
Vstřikovací ventily se nám opět přestěhovaly. Teď směřují přímo do spalovacího
prostoru. A proč? Protože na tom lze hned několikerým způsobem profitovat.
Přímo vstřikované palivo více ochlazuje spalovací prostor, můžeme proto
zvětšovat kompresní poměr a předstih, tím získávat více výkonu. Ačkoli
se u vícebodového vstřiku do sání podařilo eliminovat některé vlivy okolí,
jiné tam přesto zbyly. A především, přímým vstřikováním do válce můžeme
ovlivňovat nejen kvantitu, ale i kvalitu - tedy nejen čím, ale i jak se
spalovací prostor naplní. Vrátíme se na začátek k tomu, co jsem psal o
provozu na chudou směs, která poskytuje částečný výkon. A auto po většinu
svého provozu jezdí v režimu částečného výkonu, čehož se dá využít. Zjednodušeně řečeno,
motory s přímým vstřikem paliva mohou fungovat ve dvou módech: homogenním,
kdy dělají to samé jako vstřikování do sání snaží se pracovat s lambda
= 1, a v nehomogenním, kdy motor záměrně pracuje na chudou směs. Nehomogenní
mód může být tzv. vrstvený - vstřik je proveden tak, že nejdřív je válec
vyplněn chudou směsí a následně je kolem svíčky vytvořena oblast směsí
o lambda=1, která následně iniciuje zažehnutí směsi chudé v okolí. Při
nehomogenním režimu může být výkon řízen pouze sytostí a navrstvením směsi,
takže je možné vyřadit škrtící klapku, respektive nastavit ji do polohy
"zcela otevřeno", kdy má nejmenší aerodynamický odpor a tím zvýšit účinnost
motoru. Ve skutečnosti nejsou tyto módy pouze dva, ale je jich více podle toho, jak komplexní aplikaci si automobilka od svého dodavatele objednala.
Samozřejmě, pro realizaci takového motoru potřebujeme více komponent.
Protože systém pracuje při řádově vyšším tlaku než MPI, takém kvalitnějších
a dražších komponent. Vysokotlaké vstřikovače (které přežijí ve spalovacím
prostoru), vysokotlaká pumpa a rychlejší elektronika a senzorika (vstřik
musí být přesněji načasován a proveden) je pouze začátek. Vrstvení uvnitř
válce je složitá problematika a vyžaduje zvláštní tvarování hlavy pístu.
Nároky na přesnost zhotovení komponent sání vzrostly. Bylo nutno dostat
pod kontrolu plnící pohyb v sání, objevila se tedy sekundární klapka k
řízení rezonance. A to také ještě není všechno. V nehomogenním režimu prudce
roste koncentrace NOx, běžný katalyzátor jej takové množství nezpracuje,
takže se používají velké zásobníkové katalyzátory. Poté, co se katalyzátor
obsadí zplodinami, přepne motor zpátky na homogenní provoz a čeká na vyčištění
katalyzátoru. Dále rostou nároky na kvalitu paliva.
Přímý vstřik benzínu se jako komerční systém nerodil právě snadno a
bylo třeba se vypořádat s velkým počtem komplikací. Jeho vznik byl v podstatě
podmíněn existencí dostatečně výkonné vyýpočetní techniky k modelování
proudění vzduchu v sání a směsi ve válci. Když se uvedený systém v autech
testoval, očekávalo se snížení spotřeby paliva o 25%. Nyní to je, především
kvůli problematice katalyzátoru, asi 5-10%. Kromě toho je celý systém těžší
a pumpa je poháněna od motoru, což spotřebu naopak zvyšuje a dynamiku jízdy
zhoršuje. Přepínání mezi homogenním a nehomogenním módem je sice z hlediska
řidiče nepostřehnutelné, ale na pružnosti motoru nepřidá. Výhody přímého
vstřiku jsou tedy nepříliš výrazné a z původního očekávání, že vstřikování
do sání bude zcela nahrazeno přímým vstřikem, zatím sešlo.
V českých podmínkách se systém objevil v roce 1999 u Mitsubishi s motory
GDI. Masovou záležitostí se stal uvedením Golfu a Octavie 1.6 FSI (FSI
= fuel stratified injection) a později 2.0 FSI, v kombinaci s přeplňováním
je nyní nabízen ještě v motorech VW 1.4 TSI, TFSI a 1,8 TFSI. Prvně jmenovaný
motor 1.6 je nejméně povedený. Zásobníkový kat se zaplní asi za dvě minuty.
1.8 a dvoulitr se chovají poněkud racionálněji. PSA nabízí motory HPi.
Alfa Romeo využívá u motorů JTS pouze homogenní mód, vzhledem k předpokládánému
sportovnímu stylu jízdy. Zajímavé je, že dealeři VW neumějí skoro nikdy
pořádně vysvětlit, co znamená zkratka FSI (tradiční omyl je Fuel supercharged
injection). Mimo automobilový svět je tento způsob dávkování paliva
znám u letadel z druhé světové války - například dvanáctihrnkové Messerschmitty
Bf-109 HTP s motory DB 601, 603 a 605 byly fefesíčku fturbu. Důvodem nebyla
úspora paliva, ale zajištění spolehlivé dodávky paliva při přetížení následkem
manévrů stroje.
V souvislosti s motorem VW 1.6-16V FSI s kompresním poměrem 12:1 kolovala
po českých zemích zajímavá historka, kterou se mi nepovedlo vyvrátit ale
ani potvrdit. Do východoevropských zemí měl být údajně motor dodáván v
okleštěné podobě se změněným programováním, kdy byl vyřazen nehomogenní
mód. Údajně k tomu měly vést těžkosti s tuzemským palivem, které se nepodobalo
palivům západoevropským a auta musela jezdit na Natural 98, čímž zanikla
výhoda plynoucí z nižší spotřeby. Kolik je na tom pravdy, nevím. Faktem
je, že boleslavská automobilka na svém webu pro
1.6 uvádí dále jako přednostní palivo N98. Naposledy posloužil podobný
argument v Německu proto, aby se nezvyšoval podíl biosložek na 10%, jak
bylo plánováno (důvodem byla skutečnost, že se zavedení biopaliv
tak, jak jej provedla EU, ukázalo jako katastrofální omyl, ale to není možné veřejně
připustit).
Pro toho, kdo se chystá abslovovat Sofiinu volbu například mezi trojicemi
magických písmenek FSI a MPi, mám následující rady:
- MPi není zastaralé, jak se někdy tvrdí. Motory MPi v následujících
letech určitě neskončí na smetišti dějin, kam před deseti lety odeslalo
MPi starší SPi, i nové motory, které se plánují na rok 2015 budou mít vstřikování
do sání. Na druhé straně není pravda, že GDI je jen módní výstřelek nebo
slepá cesta vývoje, je to pokročilejší a přesnější (ale bohužel také složitější)
systém odpovídající současnému stavu techniky. Ti, kdo tvrdí, že za posledních
dvacet let se spalovací motor nijak nevyvinul, protože (ropná lobby, automobilová
lobby, George Bush jr. ...) brzdí jeho vývoj, vidí zde, že to tak není.
- pokud jde o spotřebu, z GDI budou profitovat především řidiči, kteří
často jezdí v režimu částečného výkonu, tedy například delší trasy stálou
rychlostí. Je třeba se informovat na doporučené palivo, protože nutnost
jezdit na N98 provoz auta prodraží neúměrně nižší spotřebě.
- zatím není dost informací o tom, jak to je se spolehlivostí motorů
s přímým vstřikem benzínu, ale vzhledem ke kvalitativním standardům v automobilovém
průmyslu platným se nedají očekávat větší problémy. Jiný problém je vliv
biosračkopaliva a tuzemských palivových patoků na životnost komponent systému
přímého vstřiku, v tomto ohledu figuruje MPI jako časem prověřená a osvědčená
technologie. Může se stát, že automobilky budou zamítat opravovat vady
způsobené biosračkopalivy v záruce nebo v rámci kulance, takže je dobré
se informovat i v tomto směru.
- GDI není jedinou cestou, jak dosáhnout provozu na chudou směs a dobré
ekonomiky provozu. Jsou i cesty jiné, založené na kombinaci MPI s variabilním
časováním ventilů a využitím recirkulace spalin (EGR). Nejsou sice tak
mediálně známé, ale najdeme je v podstatě v každém druhém moderním autě.
- typicky pro sféru VW, s motory TSI, TFSI lze dosáhnout stejné spotřeby
paliva jako s populárním tédéíčkem, jehož nízká spotřeba se stala pro jeho
majitele mnohdy náhradní církví. Navíc získáme kultivovanější chod motoru
(TSI není za volnoběhu slyšet, zatímco TDI rachotí jako albánská pračka)
a nižší emise, takže nebudeme ráno sousedům smrdět do ksichtu.
Jako tradičně si z tohoto článku nic neodnesou majitelé aut se vznětovým
motorem. Naopak, my si pro příští díl článku odneseme něco od nich. Co
kdyby se do motoru naplnil benzín a zkoušel se zapálit kompresí jako nafta?
Copak by to udělalo? Je to na benzín a nemá to svíčky... HCCI.
09.05.2008 D-FENS