Rodzaje wtryskiwaczy benzyny

Przebieg procesu powstawania mieszanki paliwowo-powietrznej zależy od następujących cech wtryskiwacza benzyny:

- ilość strug wtryskiwanego paliwa

- kąt odchylenia i kąt strugi paliwa dla każdej ze strug paliwa

- średnia wielkość kropli, na które dzieli się strumień benzyny w chwili wtrysku do powietrza, z tych kropel składa się struga paliwa. 

O wyborze typu wtryskiwacza decyduje: konstrukcja układu zasilania, ilość zaworów dolotowych, geometria układu dolotowego i kanałów dolotowych w głowicy oraz możliwość zamontowania wtryskiwacza (ilość miejsca do zabudowy). Dla diagnosty, który ocenia strugi paliwa wtryskiwanego przez wtryskiwacz benzyny, istotna jest informacja jak prawidłowo powinny one wyglądać. Niestety, tych informacji diagnosta przeważnie nie znajdzie w informacjach serwisowych. Pomocna jest tu znajomość poszczególnych typów wtryskiwaczy benzyny oraz cech konstrukcyjnych silników, w których każdy typ wtryskiwacza jest wykorzystywany. Niezbędne jest również doświadczenie nabyte w pracy. 

Podział wtryskiwaczy ze względu na ilość strug benzyny i ich cechy

Wtryskiwacze czopikowe benzyny. Pojedyncza struga paliwa wtryskiwacza czopikowego ma kształt tworzącej stożka (rys. 1a). W przekroju poprzecznym strugi paliwa, krople paliwa są rozłożone na okręgu, a w środku ich nie ma (nie powinno być). Kształt czopika (rys. 1b) ma decydujący wpływ na: 

- kąt strugi paliwa - wynosi on zazwyczaj od 10 do 30 stopni 

- części dawki paliwa, które są wtryskiwane w fazie otwierania lub zamykania wtryskiwacza. 

Luz promieniowy pomiędzy czopikiem a otworem wylotowym rozpylacza, wynosi od 0 do 20 µm. Wtryskiwacze czopikowe benzyny są wykorzystywane przeważnie w silnikach z jednym zaworem dolotowym, ale można je również spotkać w silnikach o dwóch zaworach dolotowych. 

Wtryskiwacze jednootworowe benzyny. Przez pojedynczy otwór rozpylacza (rys. 2b) wtryskiwana jest jedna struga paliwa (rys. 2a). Krople paliwa wypełniają cały przekrój poprzeczny strugi paliwa. Ze względu na tylko jeden otwór wylotowy rozpylacza, ma on względnie dużą średnicę. Powstające krople benzyny mają więc również dużą średnicę. Duża średnica otworu rozpylacza powoduje, że ten typ wtryskiwacza jest bardziej niż inne typy wtryskiwaczy, odporny na zanieczyszczenia. Jest on również tańszy w produkcji. 

Wtryskiwacze jednootworowe są stosowane, gdy: 

- ze względów technicznych, odległość pomiędzy miejscem zabudowy wtryskiwacza a zaworem dolotowym, jest duża (struga paliwa tego wtryskiwacza ma duży zasięg); 

- przewody dolotowe mają małą średnicę. 

Pojedyncza struga paliwa jest przeważnie skierowana na grzybek zaworu dolotowego. 

Wtryskiwacze dwuotworowe benzyny. Wytryskują z niego dwie strugi paliwa (rys. 3). Jeśli jest on zamontowany w silniku z dwoma zaworami dolotowymi dla każdego cylindra, to każda z dwóch strug paliwa jest skierowana na grzybek jednego zaworu dolotowego. Jeśli natomiast jest on zamontowany w silniku z trzema zaworami dolotowymi dla każdego cylindra, to każda z dwóch strug paliwa jest skierowana na jeden mostek pomiędzy sąsiednimi zaworami dolotowymi (w silniku o trzech zaworach dolotowych są dwa takie mostki). 

Wtryskiwacze wielootworowe benzyny. W końcówce ich rozpylacza, może być wykonanych do 12 otworów (rys. 4). Tyle strug paliwa może z niej wytryskiwać. Dzięki małej średnicy otworów, struga składa się z małych kropel paliwa. Mała średnica otworów czyni ten typ wtryskiwacza podatny na zanieczyszczenie. 

Wtryskiwacze o odchylonej osi jednej lub kilku strug paliwa. Jest to wtryskiwacz, którego oś jednej lub kilku strug paliwa, nie jest równoległa do osi wtryskiwacza. Przykładem jest wtryskiwacz jednootworowy, o odchylonej osi strugi, wykorzystywany w silniku FSI firmy Volkswagen, z układem bezpośredniego wtrysku paliwa. Wtryskiwacze tego typu są stosowane wówczas, gdy trudne warunki do zabudowy uniemożliwiają zastosowanie wtryskiwacza o strudze wtryskiwanej w osi wtryskiwacza. Gdy diagnosta nie wie o takiej szczególnej cesze wtryskiwacza, jak odchylenie osi strugi wtryskiwanego paliwa, może błędnie zakwalifikować taki wtryskiwacz jako niesprawny. Strugi paliwa wtryskiwaczy dwuotworowych i wielootworowych, mają przeważnie również odchylone osie, aby strugi trafiły w pożądany punkt. 

Wtryskiwacze układów bezpośredniego wtrysku benzyny 

Silniki z układami bezpośredniego wtrysku benzyny, przeżywają swój renesans, możliwy dzięki rozwojowi układów zasilania paliwem i oczyszczania spalin. Wtryskiwaczom układów bezpośredniego wtrysku benzyny, stawia się wyższe wymagania niż wtryskiwaczom układów pośredniego wtrysku benzyny. Poznajmy tego przyczyny, na przykładzie dwóch takich silników. Zacznijmy od silnika firmy Mitsubishi, oznaczonego skrótem GDI. Może być on zasilany mieszanką uwarstwioną - bogatszą w okolicy elektrod świecy zapłonowej, a coraz uboższą, im większa jest odległość od świecy zapłonowej. W trybie pracy, w którym silnik spala mieszankę uwarstwioną, paliwo jest wtryskiwane: 

- pod koniec suwu sprężania - rys. 5a. 

- tylko jeden raz na jeden cykl pracy silnika (4 suwy, 2 obroty wału korbowego); 

We wszystkich innych trybach pracy, paliwo jest wtryskiwane w jeden z podanych poniżej sposobów: 

- w jednej dawce, tylko podczas suwu napełniania  - rys. 5b

- w dwóch dawkach, pierwsza dawka zawsze podczas suwu napełniania - rys. 5b, a druga pod koniec suwu sprężania lub podczas suwu pracy. 

Najtrudniej jest uzyskać mieszankę uwarstwioną. Powstaje ona w sposób opisany poniżej. 

1. Podczas suwu napełniania, powietrze do komór spalania płynie pionowym kanałem 1 (rys. 6). 

2. Strumień powietrza wpływa do wnętrza cylindra, równolegle do jego osi. Uderza on w kuliście ukształtowane denko tłoka 2, co powoduje, że zawraca on i płynie w kierunku świecy zapłonowej. W ten sposób powstaje wir powietrza (rys. 7). 

3. Po rozpoczęciu suwu sprężania, pomiędzy 40°  a 20° OWK (obrotu wału korbowego) przed GMP do komory spalania wtryskiwana jest benzyna. Wtrysk następuje w kierunku kulistego wgłębienia w denku tłoka 2 (rys. 6). 

4. Wgłębienie w denku tłoka i wirujący strumień powietrza powodują, że strumień powietrza, wraz z parującymi w nim kroplami paliwa, jest doprowadzany do świecy zapłonowej od dołu (rys. 5a). 

5. Ukoronowaniem fazy przygotowania mieszanki, jest moment jej zapłonu. Strefa bogatszej mieszanki zapala się od iskry świecy, a mieszanka uboższa, otaczająca mieszankę bogatą, jest zapalana powstałym wcześniej płomieniem. 

Dzięki nowoczesnej technice wizualizacji przebiegów procesów zachodzących w komorze spalania, można zobaczyć przebieg wtrysku paliwa i powstawania mieszanki uwarstwionej w silniku GDI firmy Mitsubishi - patrz rys. 8 wraz z podpisem (zdjęcia rys. 8 prezentują fazy powstawania mieszanki uwarstwionej i jej transportu w okolice elektrod świecy zapłonowej, podczas ruchu tłoka w suwie sprężania, do pkt. GMP: a) początek wtrysku benzyny do komory spalania; b) czoło strugi paliwa uderza w kuliste wgłębienie denka tłoka; c) struga paliwa, po zmianie kierunku ruchu, płynie w kierunku elektrod świecy zapłonowej, jednocześnie parując - powstała mieszanka jest bogata w bezpośrednim sąsiedztwie elektrod świecy zapłonowej, a wraz ze wzrostem odległości od elektrod świecy zapłonowej, mieszanka ubożeje).

Ciekawą konstrukcją jest wtryskiwacz benzyny dla silnika GDI. Wtryskuje on paliwo symetrycznie do osi iglicy. Jego porównanie z wtryskiwaczem układów pośredniego wtrysku benzyny (MPI) jest w tabeli 1.

Ponieważ jest mało czasu na wtryśnięcie dawki paliwa, szczególnie podczas wtrysku paliwa pod koniec suwu sprężania, dlatego: 

- konieczne jest szybkie otwarcie wtryskiwacza, dlatego dla uzyskania odpowiednio dużej wartości prądu w cewce elektromagnesu, a w konsekwencji silnego pola magnetycznego, cewka elektromagnesu jest zasilana napięciem ok. 100 V: 

- dla skrócenia czasu wtrysku, paliwo wtryskiwane jest pod ciśnieniem zwiększonym do 5 MPa. 

Mało czasu mają również krople paliwa na odparowanie, a następnie. pary na wymieszanie z powietrzem, dla utworzenia mieszanki. Dlatego: 

- zwiększone do 5 MPa ciśnienie wtrysku ma za zadanie za- pewnie rozbicie kropel paliwa na możliwie małe krople: 

- u wylotu dyszy wtryskiwacza paliwo jest wprowadzane w ruch wirowy, wokół osi wtryskiwacza który wspomaga rozbijanie kropel paliwa na mniejsze oraz przyspiesza parowanie kropel paliwa. 

Aby uzyskać pożądany rodzaj mieszanki - uwarstwioną lub homogeniczną, wtryskiwacz silnika GDI firmy Mitsubishi może tworzyć dwa różne rodzaje strug paliwa: 

- gdy paliwo jest wtryskiwane pod koniec suwu sprężania, do powietrza o dużym ciśnieniu a więc dużej gęstości, paliwo jest formowane w zwartą strugę 3a (rys. 6), o największej gęstości w środku strugi, co umożliwia uzyskanie najbogatszej mieszanki w okolicach elektrod świecy zapłonowej 

- gdy paliwo jest wtryskiwane podczas suwu napełniania, do powietrza o ciśnieniu bliskim atmosferycznemu, paliwo jest formowane w strugę stożkową 3b (rys. 6), o najmniejszej gęstości w środku, a największej w pobliżu powierzchni stożkowej, co umożliwia uzyskanie mieszanki homogenicznej. 

Wszystkie problemy 7 wtryskiem paliwa i tworzeniem mieszanki w silniku z bezpośrednim wtryskiem benzyny, omówione na przykładzie silnika firmy Mitsubishi, występują również w silnikach tego typu firmy Volkswagen. Poznajmy przedstawiciela rodziny tych silników - silnik oznaczony skrótem FSI.

Silnik FSI to silnik wolnossący. Może być zasilany mieszanką uwarstwioną. Powstaje ona w sposób opisany poniżej. 

1. Klapa 1 (rys. 9) zamyka przepływ powietrza przez dolną część kanału dolotowego w głowicy. 

2. W suwie napełniania, powietrze płynie tylko górną częścią kanału dolotowego 2 w głowicy silnika. Wpływa ono przez szczelinę Pomiędzy zaworem a gniazdem do wnętrza cylindra. Szczelina ta, oraz wgłębienie 7 w tłoku, wprowadzają powietrze w ruch wirowy 8. 

3. Pod koniec suwu sprężania, wtryskiwacz 3 wtryskuje strugę benzyny 5 do powietrza sprężonego w komorze spalania. Struga paliwa 5 jest odchylona od osi wtryskiwacza 3. Przekrój końcówki wtryskiwacza 3 i kąty charakterystyczne dla strugi paliwa, są pokazane na rys. 10. Zastosowanie wtryskiwacza, o takiej strudze paliwa, spowodowane jest brakiem miejsca w głowicy silnika 4, na osadzenie wtryskiwacza o strudze równoległej do osi wtryskiwacza. 

4. Struga benzyny 5, po uderzeniu we wgłębienie 6 w tłoku, jest kierowana ku górze, ku świecy zapłonowej. Zmiana kierunku ruchu strugi benzyny jest wspomagana przez wir powietrza 8. 

5. Gdy tłok wykonuje dalszą część ruchu do górnego martwego punktu, elektrody świecy zapłonowej zostają otulone bogatszą mieszanką, iskra elektryczna zapala ją bezpośrednio. Mieszanka uboga, otaczająca mieszankę bogatą, jest zapalania plamieniem, który powstał po zapaleniu mieszanki bogatej. 

Podsumowanie - silnik z bezpośrednim wtryskiem benzyny stawia wtryskiwaczom wyższe wymagania niż silnik z pośrednim wtryskiem benzyny. Dotyczy to również wpływu zanieczyszczeń na jakość rozpylania paliwa.

Zdjęcia i tekst pochodzą z artykułów „Wtryskiwacze benzyny – rodzaje” w dodatku technicznym do Wiadomości IC Diagnostyka i czyszczenie wtryskiwaczy benzyny 37/Grudzień 2010