Evolucija benzinskih motora

Benzinac puni 140 godina starosti, ali je zadržao principe i danas

Verovatno je mnogima poznata činjenica da je prvi benzinski motor konstruisan pre 140 godina, a ono što je najinteresantnije je da i dan danas deli radni princip s modernim jedinicama.

Ideja oko koje se sve vrti je da se u radne cilindre ubrizgava mešavina benzina i vazduha, koja se zatim pali uz pomoć svećice.

Činjenica je da se neke stvari nisu promenile, ali se na planu smanjene potrošnje i emisije izduvnih gasova, mnogo toga učinilo u poslednjih stotinak godina.

Prvi benzinski agregati su koristili karburatore, a ova solucija još uvek nije „zbrisana“ s lica „automobilske planete“, jer je još uvek pronalazimo kod mnogih oldtajmera i jangtajmera.

Naravno, karburatori nisu bili najefikasniji način da se meša vazduh i benzin, tako da su inženjeri konstantno radili na unapređenju motora s unutrašnjim sagorevanjem, da bi iz manje količine goriva izvukli više snage.

Nekada, nastojanje da se dostigne veći broj konjskih snaga od konkurencije, nije išlo uporedo sa smanjenom emisijom izduvnih gasova, tako da je u međuvremenu efikasnost postala glavni parametar.

Što je i logično, mi ćemo se bazirati pre svega na četvorotaktnim benzinskim motorima u ovoj priči.

Oni nisu koristili mešavinu ulja i benzina da bi se obezbedilo podmazivanje cilindara, tako da nisu proizvodili omraženi plavi dim. Recimo da je to prvi korak u evoluciji benzinskih motora.

Mehanički sistem ubrizgavanja goriva

Sledeći veliki pomak je napravljen s MFI (Mechanical Fuel Injection) sistemom. On je razvijen tokom Drugog svetskog rata za potrebe lovačkih aviona, ali je kasnije našao primenu i u serijskim automobilima.

Mada je prvobitno bio rezervisan za skupe, luksuzne četvorotočkaše, kasnije je postao dostupan i za prosečne kupce.

Za razliku od karburatora, MFI pouzdano obezbeđuje preciznu količinu goriva i vazduha za svaki ciklus paljenja.

Ovi sistemi su usavršeni tokom godina, tako da su u vreme osamdesetih bili dominantni u automobilskoj industriji.

U međuvremenu, neki jeftiniji modeli vozila su i dalje koristili karburatore, jer je mehaničko ubrizgavanje goriva i dalje bilo nešto skuplja tehnologija. Nažalost, kao i karburatori, i MFI je imao svoje nedostatke, tako da je s vremena na vreme zahtevao podešavanja, ali je teoretski svakako funkcionisao efikasnije u odnosu na vremešniju tehnologiju.

Sistem recirkulacije izduvnih gasova (EGR)

Ventil sistema recirkulacije izduvnih gasova je jedan od prvih sistema koji je služio za njihovo redukovanje u benzinskim motorima, a o njemu smo nedavno detaljnije pisali, u isto vreme podižući efikasnost na viši nivo.

Ovaj metod uključuje ubrizgavanje izduvnih gasova nazad u komoru za sagorevanje, da bi se smanjila temperatura. Upotrebom EGR-a, motori brže dostižu radnu temperaturu, a takođe nema „štucanja“ karakterističnog za karburatorske motore. S druge strane, redukovana temperatura u komorama za sagorevanje prevenira pretpaljenje i detoniranje, a samim tim motor radi uglađenije.

Ipak, prvi EGR sistemi su bili neusavršeni i uticali su negativno na rad motora. Na kraju, proizvođači su uveli kontrolni sistem za EGR, da bi obezbedili bolje ponašanje agregata neposredno nakon startovanja i prilikom rada u „leru“, kao i bolje performanse pri visokim opterećenjima, tako što bi sistem bio jednostavno deaktiviran.

Većina savremenih automobila poseduje EGR sistem, dok neki motori funkcionišu i bez njega uz neke druge solucije.

Elektronski sistemi paljenja

Jedan od najvažnijih napredaka u evoluciji benzinskih motora je bila implementacija elektronskih sistema paljenja. Oni koriste različite, jednostavne senzore, koji zamenjuju vakuumsko funkcionisanje i mehanizme centrifugalnog pretpaljenja u tradicionalnim razvodnicima paljenja, obezbeđujući varnicu koja pali mešavinu vazduha i goriva u precizno određenom momentu.

Ovi sistemi su inicijalno implementirani u karburatorske motore, s ciljem da im pobojšaju efikasnost, da bi u međuvremenu postali standardni u benzinskim motorima. Međutim podešavanje karburatora uz uspostavljanje vremena paljenja u razvodnicima paljenja, bilo je noćna mora bez adekvatnog alata i iskustva.

Nedostatak jednog ili drugog spomenutog elementa je dovodio do ogromne količine protraćenog goriva tokom godina eksploatacije.

Siromašna smeša

Ideja o motoru koji koristi siromašnu smešu je predstavljala način da se napravi otklon od stehiometrijskog odnosa vazduha i goriva, koji se smatrao optimalnim za Oto motore. Cilj je naravno bilo unapređenje efikasnosti. Ova solucija se naziva „siromašna smeša“, a uključuje korišćenje drugačijeg odnosa goriva i vazduha, nekoliko puta višeg u odnosu na stehiometrijski, koji iznosi 14,64:1.

Ovo rešenje je postalo preovlađujuće krajem sedamdesetih godina, a koristili su ga Chrysler, Honda, Nissan, Mitsubishi i Toyota, između ostalih. Ideja je bila da se kroz korišćenje siromašne smeše redukuju gubici koji se stvaraju prilikom pritiskanja papučice gasa, kao i da se poboljša ekonomičnost.

Ipak, ovo nije postalo opšte rašireno u automobilskoj industriji jer je zahtevalo složene katalizatore, koji nisu bili kompatibilni s aktuelnim trostepenim jedinicama. Iz tog razloga, ovaj koncept se od devedesetih godina ne koristi kao jedini tog tipa u automobilskoj industriji.

Elektronsko ubrizgavanje goriva (EFI)

Sledeći značajan napredak u redukovanju emisije izduvnih gasova kod benzinskih motora (kasnije i dizela), bilo je uvođenje elektronskog sistema ubrizgavanja goriva, a svi se sećamo ove oznake na jednom od modela Yuga. Ovo rešenje je bilo preciznije u odnosu na mehanički pandan, koji mu je prethodio. Kontrola količine goriva koja se šalje u cilindre je postala mnogo bolja.

Prvobitne primene su bile u vidu sistema ubrizgavanja u jednoj tački, ali je EFI tehnologija brzo evoluirala u „multipoint“ i „multiport“ solucije.

Potonja se još uvek, doduše retko koristi, a zamenjena je sistemom direktnog ubrizgavanja goriva iz prostog razloga što on pruža bolju efikasnost.

Za razliku od mehaničkih sistema ubrizgavanja, EFI sistemi koriste veći broj senzora, a i precizniji su. Da bi funkcionisali, moraju imati povezanu kompjutersku jedinicu, koja funkcioniše u sinergiji s elektronskim sistemom paljenja.

Zajedničkim snagama, ovi sistemi za motor obezbeđuju stehiometrijsku smešu goriva i vazduha pri bilo kojoj brzini i vremenu rada.

Novi motori sa sistemima ubrizgavanja goriva su zatim zahtevali takozvane „Lambda senzore“.

Reč je o senzorima kiseonika, koji su pozicionirani u okviru izduvnog sistema i služe za procenu efikasnosti ciklusa sagorevanja i rada uređaja koji služe za redukovanje zagađenja, kao što su katalizatori.

Moderna vozila imaju dva ili više senzora kiseonika, a postavljeni su unutar toka izduvnih gasova (obično pre ili posle katalizatora). Vreme paljenja i ubrizgavanja se u ovom slučaju konstatno podešavaju u odnosu na parametre koje postavlja proizvođač, da bi se obezbedilo da je motor u potpunosti u skladu s ekološkom regulativom.

Povrh toga, sve se postiže zahvaljući „Lambda“ senzorima uz EFI sistem.

Kao što ste primetili, spomenuli smo katalizatore. Reč je o uređaju koji funkcioniše sa sistemom elektronskog ubrizgavanja goriva, da bi obezbedio nižu emisiju izduvnih gasova motora.

Radi na taj način što stvara oksidacionu reakciju unutar kućišta uz pomoć retkih metala koje sadrži.
Ovi sistemi su funkcionisali zajedno preko dve decenije, prevenirajući da automobili ne uguše svakoga pored koga bi prošli na ulici prilikom saobraćajnih gužvi.

Međutim, bilo kakva greška u nekom od sistema, za posledicu će imati da i onaj drugi neće funkcionisati ukoliko ne dođe do pravovremene popravke, tako da ukoliko vidite „Check Engine“ ikonicu na instrument tabli – pravac servis.

Direktno ubrizgavanje

Mada nisu tako nov pronalazak kako se možda misli, motori koji koriste sistem direktnog ubrizgavanja goriva su usponu poslednjih godina. Za razliku od „multipoint“ i „multiport“ sistema, oni benzin isporučuju pod višim pritiskom i to direktno u komoru za sagorevanje. Klasični sistemi ubrizgavanja su koristili niži pritisak, sličan onom pod kojim naduvavamo gume.

Benzinski motori s direktnim ubrizgavanjem goriva su inspiraciju naravno pronašli u dizel jedinicama, u koje su proizvođači automobila, posebno u Evropi, investirali ogromna sredstva, smatrajući ih dobrim rešenjem za redukovanje emisije ugljen-dioksida.

Zahvaljujući genijalnom inženjeringu, brizgaljke o kojima je reč, sposobne su da ubrizgaju manju količinu benzina u cilindar, a to mogu činiti u formi posebnog obrasca, radi optimalnog paljenja.

Ostali ciklusi sagorevanja

Oto ciklus sagorevanja nije jedini koji se koristi u automobilskoj industriji. Još 1882. godine, Džejms Atkinson je razvio ciklus koji je po njemu i dobio ime.

Nije ostvario popularnost nemačkog pandana, iz prostog razloga što je pružao manju gustinu snage u odnosu na Oto ciklus. Međutim, moderni hibridi su se okrenuli Atkinsonovom ciklusu zbog bolje opšte efikasnosti.

Neki motori su razvijeni da kompenzuju redukovanu gustinu snage Atkinsonovog ciklusa uz pomoć mehaničkog kompresora, a oni se nazivaju motori u Milerovom ciklusu. Za razliku od Oto motora, druga dva nisu tako široko rasprostranjena.

Neke kompanije su razvile motore koji funkcionišu u Atkinsonovom ciklusu pri manjim opterećenjima, da bi se prebacile na Oto kada je neophodna veća isporuka snage.

Mazda je to uradila s 2,0-litarskim Skyactiv-G jedinicama, dok Toyota sličan koncept koristi na Lexusu NX200t.

Budućnost benzinskih motora?

Neko bi rekao da „nema više šta da se izmisli“. Međutim, polje na kojem se može napredovati su svećice.

Mazda trenutno razvija jedinice koje rade na principu lasera, a namenjene su rotacionim motorima.

Pored toga, centralno ubrizgavanje bi moglo biti eliminisano zbog gubitaka koje generiše prilikom stvaranja pritiska (BMW to radi uz pomoć Valvetronic sistema), dok bi ciklus sagorevanja mogao dodatno biti unapređen sistemom potpuno podesivog tajminga paljenja.

Trenutno, promenljiva šema razvoda paljenja smeše, odnosno promenljiva krma motora, standardna je u automobilskoj industriji, uz direktno ubrizgavanje, ali Koenigsegg, kao i britanska firma Camcon Automotive, došli su do naprednog rešenja koje isključuje upotrebu tradicionalnog bregastog vratila, o čemu ćemo uskoro pisati. Na taj način se dodatno poboljšavaju snaga i efikasnost. Doduše, rešenje je za sada prisutno samo na prototipovima.

P. D. B.