Wybuchowa mgła. Nowoczesne układy zasilania

Jeszcze nie tak dawno, bo na początku lat 90., ponad 90% motocykli było zasilanych gaźnikami. Rozwijane od ponad stu lat karburatory były już wówczas bardzo dopracowane i po dobrym zestrojeniu mogły działać wyśmienicie. Teraz mamy jednak nowoczesne układy zasilania, gdzie pomimo upływu lat, wtrysk paliwa i zaawansowany komputer sterujący nadal mają niewielką konkurencję.

Era gaźników

Konstrukcja gaźników miała jednak wady, których nie dało się wyeliminować. Po pierwsze, wymagały regulacji w zależności od temperatury, ciśnienia i gęstości powietrza. Po drugie, nie w każdym położeniu przepustnicy i nie na każdych obrotach były w stanie wytworzyć mieszankę stechiometryczną, czyli w proporcji 14,8 kg powietrza na 1 kg benzyny, uznawaną za idealną dla motocykli seryjnych.Rozrzut proporcji nierzadko był ogromny – od 8:1 do 17:1. Można było te różnice zmniejszyć poprzez bardzo staranne strojenie gaźników, ale było to czasochłonne, wymagające dużego doświadczenia, a i tak nie zawsze bliskie ideału. Do wymienionych niedogodności dochodziła również konieczność synchronizacji gaźników, jeśli zasilały silniki wielocylindrowe, co czasami potrafiło doprowadzić mechaników na skraj załamania nerwowego. Dziś na szczęście rzadko kiedy musimy się z tym borykać, ponieważ poza terenowymi dwusuwami i nielicznymi modelami produkcji chińskiej, w nowych motocyklach nie uświadczymy już gaźników. Zastąpiły je układy wtryskowe, których koncepcja jest notabene niewiele młodsza.

Wtrysk paliwa i jego początki, czyli niełatwe życie pioniera

Pierwsze prace nad wtryskiem paliwa rozpoczął Rudolph Diesel, który opatentował swoje rozwiązanie w 1892 roku. Jak łatwo się domyśleć, pracowało ono wtedy z silnikiem wysokoprężnym i olejem napędowym. Wtrysk benzyny pojawił się sześć lat później, początkowo w silnikach stacjonarnych marki Deutz. Dopiero w 1932 roku skorzystano z tego rozwiązania w motocyklu. Zrobiło to Moto Guzzi w swojej wyścigówce, w której ciekawostką był także lampowy układ sterujący zapłonem i wtryskiem. Może i brzmiało to ciekawie, ale nie działało w zgodzie z założeniami i dalszych prac zaprzestano.

BMW S 1000 RR, Airbox Position 2

Na kolejne eksperymenty trzeba było poczekać do 1954 roku, kiedy BMW w wyścigach wystawiło model 500 Rennsport, wyposażony w bezpośredni wtrysk paliwa. Bawarczycy nie zaliczyli już „wtopy” jak Włosi i w ich przypadku rozwiązanie to przyniosło wymierne korzyści – 60 KM i 230 km/h budziły wtedy szacunek. Jedną z zalet wtrysku jest to, że do układu dolotowego (wtrysk pośredni, obecnie stosowany w motocyklach) lub cylindra (wtrysk bezpośredni) paliwo wtryskiwane jest pod większym ciśnieniem niż z gaźnika oraz w formie bardziej rozproszonej mgiełki.

Jego wymieszanie z powietrzem i rozprowadzenie w komorze spalania jest więc skuteczniejsze, a samo spalanie bardziej równomierne i efektywne. Do tego ciśnienie paliwa nie jest już wytwarzane przez powietrze przepływające przez dolot, co zawsze powoduje pewne straty, tylko w wyniku pracy pompy paliwa. Niestety, w początkowej fazie prac nad wtryskiem pompy były bardzo duże i ciężkie, a w przypadku silników wielocylindrowych było ich kilka. Jeśli dodać do tego ciężki komputer sterujący układem i zapłonem oraz fakt, że pierwsze modele marnie radziły sobie z wysokimi obrotami, nie powinno dziwić, że pierwszy wielkoseryjny motocykl z wtryskiem paliwa pojawił się dopiero w 1980 roku. Było nim Kawasaki Z 1000 Fi, wyposażone w układ na licencji Bosch L-Jetronic.Był on co prawda żywcem przeniesiony z samochodu, ale już rok później opracowano lżejszą wersję, dopasowaną do konstrukcji motocykla. W ślad za Kawasaki poszli m.in. Honda i Suzuki, ale szybko zrezygnowali, twierdząc, że lepiej rozwijać gaźniki. Za to BMW uważało inaczej i od modelu K 100 z 1983 roku intensywnie rozwijało wtrysk paliwa. Bawarczycy są przez to uważani za pionierów układów wtryskowych w jednośladach. Jest w tym niemało racji, bowiem dopracowanie i miniaturyzacja tej technologii to przede wszystkim ich zasługa.

Szybka seria z rozpylacza – jak działa wtrysk paliwa?

Konstrukcja wtryskiwacza jest pozornie mało skomplikowana. Jest to po prostu dysza z zaworem elektromagnetycznym, który otwierany jest za pomocą impulsu sterującego o napięciu ok. 3 V, a do tego jego uzwojenie ma niską indukcyjność. Dzięki temu jego działanie może być niesamowicie precyzyjne i szybkie. Wystarczy powiedzieć, że skok iglicy zaworu wynosi raptem 0,15 mm, a czas otwarcia sięga od 1,5 ms na biegu jałowym do 5,5 ms przy pełnym obciążeniu.

Skoro jesteśmy przy precyzji działania, to warto wspomnieć o tym, że otwory w dyszy wtryskiwacza, przez które pod ciśnieniem ok. 8 barów przeciska się benzyna, mają mikroskopijną średnicę – nawet 8 mikronów. Dziś powszechnie stosuje się wtryskiwacze z dziesięcioma takimi małymi otworami, przez co rozpylane przez nie paliwo ma postać bardzo drobnej mgiełki. 

Komputer mądrzejszy od kierowcy

Mając do dyspozycji tak szybkie i precyzyjne urządzenie do dostarczania paliwa, przed inżynierami otworzyła się furtka do rozwinięcia niesamowicie zaawansowanej elektroniki zarządzającej układem zasilania i zapłonu. Jej centralnym elementem jest sterownik silnika zwany powszechnie ECU (z ang. Engine Control Unit), czy też komputerem sterującym, w pamięci którego jest wgrana mapa zapłonu.Słyszeli o niej chyba wszyscy, ale czym jest ta mapa? Otóż najłatwiej opisać ją jako zbiór symulacji zachowań układu zasilania. Ma ona formę trójwymiarowego wykresu, w którym są zapisane zależności dawki paliwa od położenia przepustnicy i obrotów silnika. Komputer, odbierając sygnał z czujnika położenia przepustnicy i obrotu wału, dobiera do nich odpowiednią dawkę paliwa, według schematu zapisanego w mapie. Do tego dopasowuje jeszcze kąt wyprzedzenia zapłonu, tak aby spalanie było jak najbardziej efektywne i bezpieczne dla silnika.

Są to jednak tylko podstawowe dane, które komputery analizowały już na początku swojego istnienia. Dziś producenci stosują znacznie więcej urządzeń pomiarowych, które przekazują większą ilość danych. Są to sonda lambda badająca skład spalin, przepływomierz badający objętość powietrza przepływającego przez układ dolotowy oraz czujniki temperatury powietrza, położenia wałków rozrządu, wału korbowego, prędkości obrotowej skrzyni biegów, aktualnego przełożenia, temperatury płynu chłodzącego oraz położenia przepustnicy.

ECU, mając do dyspozycji tak wiele danych, staje się potężną aparaturą, potrafiącą niesamowicie precyzyjnie dawkować paliwo i ustawiać zapłon. Przekłada się to nie tylko na mniejsze spalanie i mniejszą toksyczność spalin, ale także na osiągi i trwałość silnika. W sprawnie działającym, fabrycznym układzie wtryskowym, nie ma bowiem możliwości, że mieszanka będzie za bogata (dużo paliwa, mało powietrza), zalewając tym samym silnik, lub zbyt uboga (mało paliwa, dużo powietrza), co generuje zbyt wysoką temperaturę spalania i może prowadzić do awarii.W motocyklach z wyższej półki można także spotkać czujnik spalania stukowego, rozpoznający, czy zapłon jest realizowany przez iskrę świecy, czy samoczynnie. Jeśli pojawia się zapłon samoczynny, czujnik wysyła sygnał do komputera, który zmienia skład mieszanki i przestawia kąt zapłonu, albo po prostu wchodzi w tryb awaryjny, jeśli uzna to za konieczne. Jest to szczególnie istotne, jeśli tankujemy paliwo niewiadomego pochodzenia, o niskiej liczbie oktanowej. To jednak nie wszystkie dane, które analizuje ECU. Warto wspomnieć również o systemie Ride by Wire, czyli bezlinkowym rolgazie, a właściwie potencjometrze. Dzięki niemu komputer nie musi się ograniczać tylko do informacji czerpanych z czujnika położenia przepustnicy. Mało tego, sam ustawia jej położenie.

W efekcie jeśli np. na niskich obrotach kierowca odkręca manetkę do końca, przepustnice niekoniecznie otwierają się w 100%, a np. tylko w 60 %. Nie należy tego traktować jako kaganiec. Komputer po prostu dostał sygnał, że kierowca chce wycisnąć pełną moc z motocykla, ale według jego obliczeń, pełne otwarcie przepustnic mogłoby przynieść odwrotny skutek, dlatego będzie je otwierał stopniowo, tak by było ono optymalne dla aktualnych obrotów i prędkości. 

Nie tylko od paliwa

W motocyklach z zaawansowanymi wspomagaczami, ECU współpracuje także z wieloosiowym czujnikiem IMU (Inertial Measurement Unit), odpowiadającym za pracę systemów bezpieczeństwa, w tym kontroli trakcji. Jej działanie może być realizowane na różne sposoby. Jeśli na tylne koło jest przekazywane tak dużo momentu i mocy, że nie jest w stanie utrzymać przyczepności, komputer obcina dawkę paliwa, przymyka przepustnice lub zmienia kąt wyprzedzenia zapłonu.

W prostych układach działanie systemu jest jeszcze dosyć brutalne, ale w motocyklach sportowych, wyposażonych w mnóstwo czujników, kontrola trakcji działa gładko i w wielu sytuacjach niezauważalnie. Obecnie szczytowym osiągnięciem współpracy systemów bezpieczeństwa z układem zasilania jest kontrola trakcji potrafiąca wyłączyć niektóre przepustnice. Przykładowo, w najnowszym BMW S 1000 RR K67, jeśli tylne koło zaczyna tracić przyczepność, np. na wyjściu z zakrętu, elektronika wyłącza zasilanie dla dwóch z czterech cylindrów. Zapewnia to bardziej miękką reakcję na gaz oraz lepszą przyczepność.

W warunkach wyścigowych daje to ogromne korzyści, nie tylko ze względu na trakcję, ale i spalanie, co pokazały ostatnie rundy serii EWC. Wyposażone w ten system motocykle BMW przejechały najwięcej okrążeń bez tankowania. Maszyny sportowe i wyścigowe to zresztą od zawsze kopalnia nowinek technologicznych, także z zakresu układu zasilania. Ostatnim osiągnięciem, które przeszło z motorsportu do maszyn seryjnych, są dwa wtryskiwacze na cylinder. Jeden z nich jest umieszczony konwencjonalnie, w kolektorze ssącym, drugi natomiast tuż za filtrem powietrza, na początku króćca ssącego. Czemu ma to służyć? Przede wszystkim poprawie sprawności silnika na wysokich obrotach.

Przy wysokich prędkościach obrotowych w kolektorze ssącym tworzą się bardzo duże zawirowania, które utrudniają wymieszanie się paliwa z powietrzem. W efekcie tego, nawet 70% mgły paliwowej „wisi” w kolektorze niespożytkowane. W tej sytuacji do akcji wkracza drugi wtryskiwacz, w którego okolicach takie zawirowania nie występują, więc paliwo może się wymieszać z powietrzem. Tak wytworzona, rozpędzona mieszanka może więc trafić do cylindra i spalić się znacznie sprawniej. W użytku seryjnym rozwiązanie to można spotkać w większości obecnie produkowanych sportów klasy 1000 ccm oraz w crossowych Kawasaki KX-F. 

BMW S 1000 RR, przekrój silnika

Wciąż jest wiele do zrobienia

Wtrysk paliwa wciąż jest negowany przez wielu motocyklistów, co z jednej strony nie powinno dziwić. Pierwsze wersje tej technologii potrafiły sprawić wiele problemów – nerwową i opóźnioną reakcję na gaz, falowanie obrotów, nagłe gaśnięcie, czy kiepskie osiągi na niskich obrotach. Dziś to jednak przeszłość i chyba każdy, kto miał do czynienia ze współczesnym wtryskiem paliwa przyzna, że jest to dużo wygodniejsze rozwiązanie niż gaźnik, a nie jest to jeszcze ostateczna forma tego systemu.

Inżynierowie wciąż mają sporo możliwości jego rozwoju. Sprawność układu zależy bowiem obecnie od dwóch podstawowych czynników – jakości i precyzji wykonania wszystkich podzespołów oraz zaawansowania komputera i czujników. Trzecią opcją rozwoju jest bezpośredni wtrysk paliwa, stosowany już w samochodach, mający spory wpływ na poprawę osiągów i obniżenie spalania. Choć w przypadku silników motocyklowych pozostaje on na razie w sferze przewidywań, to może się okazać, że coraz bardziej restrykcyjne normy już niedługo wymuszą na producentach przejście na to rozwiązanie.

BMW S 1000 RR, przekrój silnika