22 let na trhu autoopravárenství

MPI + GDI: Výhody, či nevýhody systémů vstřikování paliva?

Pokračování článku najdete v časopisu AutoEXPERT 7+8/2018.

 

<zelena>

TECHNOLOGIE MOTORY

 

Text: Ivo Krajíček

Foto: Jakub Mistr

 

MPI + GDI: Výhody, či nevýhody systémů vstřikování paliva?

 

Na téma detergentních vlastností paliva jsme v předchozích ročnících časopisu uveřejnili celou řadu informací. Autor tohoto článku, Ing. Ivo Krajíček, vedoucí motorové zkušebny společnosti SGS Czech Republic, s. r. o., si neklade za cíl najít něco nového, ale spíše se zamýšlí nad tím, co můžeme ovlivnit ve smyslu zvýšení životnosti motorů z hlediska přípravy paliva a jak nám k tomu moderní technika může pomoci.

 

Na vstřikovací systémy motorů jsou vlivem neustále rostoucího tlaku na hospodárnost provozu (nejmenší spotřebu paliva) a s tím spojené hledisko snižování emisního zatížení kladeny stále vyšší požadavky. Pojďme si proto přiblížit známá fakta v této oblasti.

 

Z historie

Příprava směsi v zážehových motorech prodělala v posledních desetiletích významné změny. Karburátorové motory, stejně jako jednobodové systémy vstřikování paliva, naleznete pouze ve veteránech, neboť jsou překonány systémy vícebodového vstřikování.

 

Vícebodové nepřímé vstřikování MPI (Multi Point Injection) se používá téměř výhradně v sekvenčním provedení, kdy vstřikovací ventily vstřikují jednotlivě po sobě v pořadí zapalování, bezprostředně před začátkem sání, celou dávku paliva najednou do sacího potrubí na sací ventil motoru, nebo u modernějších plně elektronických systémů rozdělenou až na tři dávky. Můžeme je rozdělit podle systému řízení tvorby směsi na mechanicko-hydraulické (K-Jetronic), mechanicko-hydraulicko-elektronické (KE-Jetronic) a plně elektronické vstřikování benzinu typu Bosch Motronic a novější.

 

Nespornou výhodou MPI je umožnění výrazně přesnější regulace složení směsi paliva se vzduchem v závislosti na provozních režimech, pracovních podmínkách motoru apod. Má také výrazný vliv na snížení spotřeby paliva, zvýšení měrného výkonu motoru, zlepšení průběhu točivého momentu. Zároveň dovoluje využití moderních elektronických systémů pro úpravu složení směsi, ať již z hlediska snižování spotřeby paliva, nebo produkce emisí za použití katalyzátorů, EGR ventilů apod. Nevýhoda se projevuje zejména při provozu studeného motoru, kdy se vstřikuje do sacího potrubí větší množství paliva, které se obtížně odpařuje a usazuje se na studených stěnách sacího potrubí či v porézních úsadách na sacích ventilech a po ohřátí motoru se odpařuje. Lambda-regulace a řídicí jednotka na to sice dokážou reagovat, samozřejmě ale za cenu nepravidelného chodu motoru a negativního působení na emise motoru. Zvýšenou spotřebu paliva není nutno připomínat.

 

Přímé vstřikování benzinu GDI (Gazoline Direct Injection). Systém přímého vstřikování benzinu (GDI) představila jako první firma Mitsubishi v roce 1996. V Evropě byl systém přímého vystřikování paliva rozšířen společností Bosch v roce 2000 pod označením FSI (Fuel Stratified Injection), resp. TFSI (Turbo Fuel Stratified Injection) ve spolupráci s koncernem Volkswagen. Kromě těchto zřejmě nejrozšířenějších systémů vyvíjely i další automobilky modifikace přímého vstřikování, jako např. IDE – Renault, HPI – Peugeot/Citroën, CGI – Mercedes-Benz a další. Stejně tak se lze i v současnosti setkat s různým označením systémů GDI jednotlivými výrobci.

 

Významnou výhodou GDI je, že palivo (benzin) je vstřikováno přímo do spalovacího prostoru v průběhu sání a komprese, během kterých se musí jemně rozprášit, odpařit a smísit se vzduchem, a to v době před vznícením od zapalovací svíčky, přičemž negativní vliv startování a provozování studeného motoru není tak výrazný. Systém GDI dovoluje využití nejmodernějších elektronických systémů pro regulaci složení směsi paliva se vzduchem v závislosti na provozních režimech, pracovních podmínkách motoru apod., umožňuje regulovat rychlost hoření směsi i tím, že dodávané množství paliva je rozděleno do několika menších dávek. To se projevuje sníženou spotřebou paliva, příznivějším průběhem točivého momentu (motor dosahuje již od 1500 otáček/min. maximálních hodnot krouticího momentu) a zvýšením měrného výkonu motoru, to vše s pozitivním vlivem na produkci škodlivých emisí, samozřejmě za současného použití katalyzátorů, EGR ventilů a v blízké budoucnosti i filtrů pevných částic. Na druhé straně je vstřikovač vystaven daleko nepříznivějším podmínkám a působení vyšších teplot a tlaků ve spalovacím prostoru, což se projevuje postupným usazováním úsad a omezováním rozstřiku paliva, zanášením vstřikovacích otvorů, prodlužováním doby vstřiku pro dosažení stejného výkonu motoru – vyšší spotřebou i horšími emisemi.

 

Výhody a nevýhody MPI a GDI vstřikování

Oba systémy dodávky paliva a přípravy vhodného poměru směsi pro spalování mají svá pro a proti. Nejvýznamnější výhody či nevýhody jsou zmíněny v předchozích odstavcích a je pouze na zákazníkovi, zda si nechá poradit, který motor je vhodnější pro který způsob převážného způsobu používání.

 

Čistota paliva

Za zmínku určitě stojí vyšší požadavky na čistotu paliva pro motory GDI, které jsou citlivější na obsah nečistot, mimo jiné i z důvodu použití vysokotlakého čerpadla a vstřikovačů, což by se mělo odrazit na četnosti výměny palivových filtrů.

 

Ohleduplné zacházení s GDI motorem – myšlena jízda, resp. řazení rychlostních stupňů podle tzv. „našeptávače“, který upozorňuje na vhodnost přeřazení. U moderních motorů (zejména maloobjemových tříválců) ale dokáže nadělat více škody než užitku tím, že nutí k jízdě v nízkých otáčkách, kdy se tvoří ve zvýšené míře usazeniny na ventilech, které mohou způsobit až jejich nedoléhání a v extrémních případech mít vliv na nesprávnou funkci jednotlivých válců a vyžádat si ne zcela jednoduchou a levnou opravu. Mimochodem, příčinou nánosů úsad na sacích ventilech může být nejen nevhodné palivo, ale i nesprávně fungující EGR ventil a jeho přepouštění části výfukových plynů zpět do sání u studeného motoru pro snížení emisí nebo nedokonale fungující odvětrávání klikové skříně a přisáté zbytky oleje. Na obrázcích je příklad sacího ventilu a sacího kanálu ze zkušebního motoru CAVE přibližně po 600 000 km, přestože byl opakovaně po každé zkoušce „čištěn“ při cca 80% zatížení.

 

V případě motoru MPI tento problém při použití paliv s detergentní přísadou odpadá, protože benzin vstřikovaný do oblasti sacího ventilu jej omývá. Obdobně si dokáže částečně i poradit s olejem z odvětrání klikové skříně.

 

U motorů s přímým vstřikováním tento samočisticí mechanismus neexistuje, vhodné je částečně jej vyčistit občasnou jízdou ve vyšších otáčkách. Sice není samospasná, ale pomáhá zabraňovat přílišnému usazování úsad na ventilech a v sacím potrubí tím, že tyto části motoru dosahují vyšší teploty a případné lehké nánosy uhlíku se tím spálí.

 

Provozování studeného motoru, popřípadě dlouhodobá jízda v oblasti zvýšené tvorby úsad (tzv. ohleduplné zacházení s motorem), se samozřejmě projevují i na množství úsad na lopatkách turbodmychadel, a ne vždy pomůže k vyčištění vypálení úsad při pořádném zatížení motoru (nejlépe bez ohledu na rychlostní limity, trestné body a peněženku…). Bohužel často jedinou cestou je odborné vyčištění po demontáži. EGR ventil zpravidla čeká stejný osud či v nejhorším případě výměna. Nabízené přísady do benzinu, které by měly dokázat neshořet, a ještě vyčistit EGR ventily, se nám nepodařilo ověřit.

 

Downsizing – slepá ulička

Ještě před dvanácti roky pojem pro laiky neznámý, neexistovalo nic jako „malý přeplňovaný motor”, dnes ale téměř neexistuje nic jiného než to. Atmosférické motory byly nahrazeny motory s přímým vstřikem paliva nevídanou rychlostí, a to vše ani omylem s ohledem na motoristu, ale zejména pro potřeby splňování emisních parametrů a spotřeby paliva. Obojí se však z pohledu nového způsobu měření spotřeby a emisí jeví jako velice diskutabilní a větší motory bez přeplňování vykazují zejména z hlediska emisních parametrů stejné nebo i lepší výsledky.

 

Kombinované vstřikování MPI + FSI

Někteří výrobci motorů nabízejí také provedení motorů s kombinovaným vstřikováním MPI + FSI. Při částečném zatížení je palivo dodáváno systémem nepřímého vstřikování MPI a ve výkonnostním režimu systémem přímého vstřikování FSI. Toto uspořádání kromě významného pozitivního vlivu na emise, zejména NOx a pevných prachových částic (PM), a snížení spotřeby paliva umožňuje částečně odstranit nevýhody přímého vstřikování paliva, tj. umožnit detergentním aditivům vyčistit sací ventily a omezit zanášení vstřikovačů tím, že přímý vstřik je využíván výhradně při vyšších zatíženích, kdy zanášení není tak intenzivní. Zajímavá alternativa a řešení, bohužel pravda je, že zatím pro automobilky nevýhodná – dražší varianta.

 

Zkoušky paliv – rozdíly v používaných metodikách

Detergentní schopnosti přísad se testují dle norem organizace CEC zkouškami na stanovených předepsaných motorech, CEC F-05-93 na motoru Mercedes-Benz M102, vybaveném právě již „zastaralým“ mechanicko-hydraulicko-elektronickým vstřikováním KE-Jetronic. Vstřikovací ventily nepřerušovaně vstřikují palivo (K-Jetronic) do sacího potrubí před sacím ventilem každého válce. Otvírají se při tlaku asi 0,35 až 0,4 MPa. Pomocí kmitání jehly ventilu, způsobeného pulzováním tlaku, je palivo jemně rozprašováno do proudícího nasávaného vzduchu.

 

Zkouška CEC F-20-98 na motoru Mercedes-Benz M111 probíhá s již plně elektronicky řízeným vstřikováním paliva MPI a zapalováním podle nastavení SW řídicí jednotky. Systém elektronického řízení vstřikování benzinu a zapalování, tj. vstřikování paliva a zapalování, jsou řízeny jednou společnou elektronickou řídicí jednotkou (ECU). To umožňuje využití signálů dodávaných snímači pro oba systémy, což vede k celkovému zjednodušení a zvýšení spolehlivosti. V paměti mikropočítače řídicí jednotky jsou uloženy charakteristické hodnoty pro provoz v různých provozních podmínkách a jejich nastavení nelze bez zásahu do ECU nijak korigovat.

 

Oba typy zkoušek jsou i přes svou letitost stále velice využívané a poskytují výrobcům aditiv i paliv významné informace. Z hlediska vypovídací schopnosti je častěji využívána starší ze zkoušek na motoru M102E, především pro možnost vyšší variability ručního nastavení vstupních hodnot před zkouškou a zvolení „přísnějšího“ režimu v rámci možností nastavení daných nornou.

 

Organizace CEC se zabývá vývojem metodiky pro testování detergentních vlastností paliv na motorech s přímým vstřikem (GDI). Metodika na motoru EA111 BLG je stále ve stadiu vývoje s předpokládaným ukončením do konce roku 2018, koncem loňského roku byl vytvořen první draft a nyní probíhá validace metodiky.

 

Společnost SGS ČR se zabývá již déle než dva roky komerčním testováním detergentních vlastností benzinů na motoru EA211 CAVE (Škoda Auto verze motoru BLG) podle vlastní akreditované metodiky, která vychází z CEC metodiky, přičemž je motor provozován za přesně stanovených konstantních podmínek velmi nízkého zatížení (2 000 otáček/min; 56 Nm; což odpovídá jízdě ustálenou rychlostí 90 km/h), v režimu nejčistšího spalování, tj. lambda 1 – tedy v ideálním poměru vzduchu k palivu. Řídicí jednotka motoru reaguje na zanášení vstřikovačů (klesající množství dodávaného paliva a tím vyšší množství zbytkového kyslíku) prodloužením doby vstřiku paliva (v milisekundách) pro udržení konstantního složení směsi.

 

Aditiva a jejich chování

Není bez zajímavosti, že způsob vstřikování paliva se odráží i ve výsledcích a hodnocení. Již první zkoušky vyvrátily předpoklad, že všechna detergentní aditiva fungují stejně v motorech MPI a GDI. Překvapení bylo o to větší, že některá aditiva v motoru nejen že nečistila, ale nebyla schopna ani proces zanášení (= prodlužování doby vstřiku) zastavit. Obdobně bylo potvrzeno, že ne ve všech případech doporučená množství aditiva stačila k vyčištění zanesených vstřikovačů.

 

Závěrem

Tento článek určitě neměl za cíl vyjmenovat ani vyřešit celou problematiku přípravy paliva a vstřikování ani vyřešit otázku všech vlivů na spotřebu paliva či emise benzinových motorů. Spíše chtěl ukázat na některé aspekty a souvislosti, případně podnítit k přemýšlení, zda všechny vymoženosti, které nám řešení novodobých motorů nabízí, umíme správně udržovat a hlavně rozumně využívat, nebo jakým způsobem se necháváme ovlivnit, ať již vědomě, nebo pod tlakem vnějších informací v kladném nebo záporném smyslu.

 

<Popisky obr:>

Obr. 1 Generace vstřikovačů se mění, od KE-Jetronic (M102E) přes MPI (M111) po GDI/TSI (CAVE).

 

Obr. 2 Otvory vstřikovače GDI – nový, provozovaný s aditivovaným a neaditivovaným palivem.

 

Obr. 3 Úsady v sacím kanále a na jednom z ventilů.

 

Obr. 4 Motor VW s kombinací MPI – FSI.

 

Obr. 5 Ukázka pracoviště pro testování vlastností paliv na motorech.