Direktno i indirektno ubrizgavanje: Prednosti i mane kod benzinskog motora

Kod starijih benzinskih motora, decenijama je preovladavala priprema zapaljive smjese u karburatoru. Međutim, taj koncept je polako počelo narušavati ubrizgavanje benzina još šezdesetih godina.

Dvadesetak godina poslije, ubrizgavanje se počelo koristiti sve češće, i stoga ne samo na snažnim sportskim motorima. Postepeno je počelo dolaziti u motore koji pokreću jeftinije, masovno proizvedene automobile. Nakon što je 1992. godine stupio na snagu standard emisije Euro 1, to je dovelo do široke upotrebe kontrolisanih trostrukih katalitičkih konvertora, koji su, uz rijetke izuzetke, bili kombinovani sa elektronski kontrolisanim ubrizgavanjem benzina.

Mnogo složenije direktno ubrizgavanje bilo je uobičajeno u avionskim motorima još od Drugog svjetskog rata. Međutim, u automobile je došlo pet decenija kasnije. Pionir je bio Mitsubishi i njegov 1.8 GDI motor iz 1996. godine. Većina marki nije dugo trebala da počne nuditi direktno ubrizgavanje. PSA je imao HPI sistem, Renault IDE, Alfa Romeo JTS, a Volkswagen dobro poznati FSI. Originalni koncept sa stratificiranom smjesom, koji je pratio pojavu direktnog ubrizgavanja, pokazao se kao slijepa ulica u razvoju, pa su proizvođači ubrzo prešli na homogenu smjesu goriva i zraka.

Pumpa niskog vs. pumpa visokog pritiska

Važnost direktnog ubrizgavanja značajno se povećala u vezi s masovnom upotrebom turbopunjenja, a samim tim i s takozvanim smanjenjem zapremine. Upravo ovdje je postala očigledna njegova najveća prednost. To je efekat hlađenja komore za sagorijevanje, jer gorivo ubrizgano u nju, mijenjajući svoje stanje iz tekućeg u plinovito, također smanjuje njenu temperaturu. Zahvaljujući tome, motor s turbopunjenjem može se napraviti s većim statičkim omjerom kompresije pri istom maksimalnom pritisku prednabijanja, što generalno poboljšava termodinamičku efikasnost motora. I takav motor pokazuje bolju ekonomičnost u režimu niskog opterećenja.

Nedostatak direktnog ubrizgavanja je nedostatak funkcije čišćenja usisnih ventila. Oni se ne ispiru benzinom, zbog čega su naslage ugljen-dioksida na njima uobičajena karakteristika pri radu ovih motora. Međutim, karbon se taloži i na mehaničkim dijelovima motora. Drugi nedostatak je povećano stvaranje čvrstih čestica u izduvnim gasovima, slično dizel motorima. Zato motori s direktnim ubrizgavanjem benzina imaju crn izduv kao kod dizela.

Treći nedostatak direktnog ubrizgavanja je njegova složenost. Direktno ubrizgavanje benzina radi pri mnogo većem pritisku od indirektnog ubrizgavanja. Dok indirektno ubrizgavanje zahtijeva pumpu za dovod niskog pritiska u rezervoaru, direktno ubrizgavanje zahtijeva drugu pumpu visokog pritiska. Obično je pokreće bregasta osovina s posebnim bregastim vratilom, što donosi povećanu buku i naravno rizik od kvara ili habanja tokom vremena.

Kombinacija direktnog i indirektnog ubrizgavanja

U nastojanju da iskoriste dobre kvalitete direktnog ubrizgavanja benzina, ali istovremeno suzbiju njegove nedostatke, neki proizvođači automobila su u svojim motorima primijenili kombinaciju direktnog i indirektnog ubrizgavanja. To se odnosi na Audi/VW EA 888 motore od druge do četvrte generacije, Toyotin motor sa D-4S ubrizgavanjem, a također i neke Fordove jedinice poput osmocilindraša u Ford Mustangu.

Indirektno ubrizgavanje u usisnu granu, ili drugim riječima kroz usisni ventil, osim što je jednostavnije, robusnije i jeftinije za održavanje (cijena injektora za MPI je niža nego za direktno ubrizgavanje), pruža i funkciju čišćenja motora. A u nekim režimima rada motora, posebno pri malim do srednjim opterećenjima, obezbjeđuje čistije izduvne gasove, posebno manji udio čvrstih čestica (usis).

Na osnovu toga se podešava priprema smjese. Na primjer, kod spomenutog četverocilindarskog Volkswagen motora EA 888 treće generacije, indirektno ubrizgavanje se koristi u širokom rasponu brzina i pri manjim opterećenjima u režimu gdje je temperatura motora viša od približno 45 stepeni Celzijusa. Suprotno tome, pri velikim opterećenjima prelazi se na režim direktnog ubrizgavanja. Isto važi i za hladne startove i početnu fazu zagrijavanja motora.

U aktuelnim turbobenzinskim motorima, indirektno ubrizgavanje više nije potrebno. Razlog je značajno povećanje pritiska ubrizgavanja do 350 bara (prvobitno 150), što eliminiše karbonizaciju motora. Drugi razlog je upotreba filtera za čestice čađe benzina (GPF/OPF) koji ih efikasno eliminiše.