Jak Japończycy zmienili motoryzację

Organizowany w 2007 r. salon w Tokio, to ważne wydarzenie zwłaszcza dla Mitsubishi. W tym roku mijało bowiem równe 100 lat od stworzenia przez japońską markę modelu A - pierwszego japońskiego samochodu zaprojektowanego z myślą o produkcji seryjnej.

Mało który z europejskich nabywców zdaje sobie sprawę z historycznych osiągnięć japońskiego producenta. Przy okazji 100-lecia Mitsubishi model A warto przypomnieć, że już w latach 1934- 1936 roku firma stworzyła egzemplarze Mitsubishi - model PX33 - będące zarazem czterema pierwszymi japońskimi samochodami z napędem 4x4. Wypada też wiedzieć, że Mitsubishi było jednym z pionierów napędów elektrycznych. Program badań i rozwoju dotyczący elektryfikacji pojazdów wystartował w Japonii już w 1966 roku.

Firma zasłynęła też z innych pionierskich rozwiązań konstrukcyjnych, które dziś stosowane są przez wszystkich producentów pojazdów. Japończycy upowszechnili m.in. stosowanie w jednostkach o spalaniu wewnętrznym wałków wyrównoważających, byli też pierwszą firmą na świecie, która wprowadziła do oferty benzynowy silnik z bezpośrednim wtryskiem paliwa.

W tym miejscu wypada przypomnieć, że technologia, która upowszechniła się na dobre dopiero w ostatnich latach (wraz z pojawieniem się idei downsizingu) oferowana jest przez Mitsubishi już od przeszło... dwóch dekad. Pierwszym autem z benzynowym silnikiem wyposażonym w bezpośredni wtrysk paliwa było pokazane w 1996 roku Mitsubishi Carisma 1,8 l GDI. Wprowadzenie na rynek nowej technologii na dobre zmieniło świat motoryzacji.

Fani motoryzacji powinni pamiętać, że jeszcze w latach dziewięćdziesiątych większość samochodów poruszających się po europejskich drogach miała jednopunktowy wtrysk paliwa. Oznacza to, że za pośrednictwem jednego wtryskiwacza paliwo dawkowane było do kolektora dolotowego. Stamtąd, poprzez zawory dolotowe, mieszanka trafiała do cylindrów. Rozwiązanie z czasem wyparte zostało przez wielopunktowy wtrysk. Zasada działania była identyczna z tą różnicą, że na każdy kanał dolotowy przypadał pojedynczy wtryskiwacz. Pozwalało to precyzyjniej sterować dawkami paliwa dla poszczególnych cylindrów, co w konsekwencji podnosiło moc i zmniejszało spalanie.

Oba te rozwiązania cechowała pewna wspólna wada - silniki musiały pracować na mieszance bliskiej stechiometrycznej. Oznacza to, że każdy litr paliwa musiał być równomiernie mieszany z 14-16 litrami powietrza. Obniżenie ilości paliwa w mieszance skutkowało wystąpieniem spalania stukowego i nagłym wzrostem temperatury, co znacznie obniżało żywotność silnika. W jaki sposób przystosować go do spalania uboższej mieszanki i co za tym idzie zmniejszyć zużycie paliwa?

Odpowiedzią okazało się rozwiązanie stosowane w jednostkach wysokoprężnych. Tam paliwo pod wysokim ciśnieniem wtryskiwane jest bezpośrednio do cylindra, a za jego odpowiednie zawirowanie odpowiada konstrukcja samego tłoka. Podobna zasada zastosowana została w przypadku opracowanego właśnie przez Mitsubishi benzynowego silnika GDI (gasoline direct injection). Ten pracować mógł w dwóch trybach - oszczędnym (z mieszanką uwarstwioną) i normalnym (z mieszanką homogeniczną).

Rewolucyjne, wprowadzone przez Japończyków, zmiany nie ograniczyły się do samego układu wtryskowego. Niezbędna była też modyfikacja głowicy, a nawet samych tłoków. Zastosowano pionowy kanał dolotowy, który był w stanie dostarczyć większą ilość powietrza i wymuszał jego konkretny ruch w cylindrze. Tłoki wyposażono w specjalnie zakrzywione denko, dzięki któremu wpadające do cylindra powietrze było zawirowane w ściśle określony sposób. Do tego niezbędny był również bardzo precyzyjny, sterowany elektronicznie wtryskiwacz, który w odpowiednim momencie podawałby określoną dawkę paliwa. W przypadku klasycznego wtrysku (jedno bądź wielopunktowego) wtryskiwacze pracowały pod ciśnieniem około 3 barów. W silnikach z wtryskiem bezpośrednim było to co najmniej 50 barów.

Pomysł polegał na tym, by mieszanka paliwowo-powietrzna uzyskiwana była bezpośrednio w cylindrze, a nie w kolektorze dolotowym. Tam, dzięki precyzji wtryskiwacza i pracy odpowiednio ukształtowanego tłoka, paliwo z powietrzem zawirowywane było w taki sposób, by powstała mieszanka uwarstwiona. Oznacza to, że w okolicy świecy, gdzie następuje zapon, mamy do czynienia z optymalną mieszanką ułatwiającą spalanie. W pozostałej części cylindra znajduje się jednak mieszanka uboga, która spala się gorzej. Takie rozwiązanie nieznacznie pogarsza osiągi, ale zdecydowanie zmniejsza zużycie paliwa. W skrajnych przypadkach stosunek paliwa do powietrza (bez szkody dla silnika) wynosić może nawet 1:65 (w przypadku pierwszego silnika 1,8 l GDI było to między 1:30 a 1:40). Dla porównania mieszanka stechiometryczna to ok 1:14,7. Oszczędności mogą więc być ogromne!

Inżynierowie Mitsubishi stanęli jednak przed problemem uzyskania odpowiednio wysokich osiągów. Ten rozwiązano stosując komputer sterujący, który odpowiadał za dobór pracy wtryskiwaczy. W normalnych warunkach, przy niskich i średnich prędkościach obrotowych, stosowany był tryb "oszczędny" i mieszanka uwarstwiona. Gdy kierowca zgłaszał pełne zapotrzebowanie na moc wtryskiwacze - pod koniec suvu sprężania - wykonywały dodatkowe wtryśnięcie paliwa. Dzięki temu wewnątrz cylindra uzyskiwana była mieszanka homogeniczna, czyli równie bogata w całej swej objętości.

Przekładając z naukowego na nasz: paliwo "lało się strumieniami", tylko wówczas, gdy wciskaliśmy gaz w podłogę. Jadąc spokojnie poszczególne cylindry - całkiem dosłownie - pracowały "o kropelce".

Warto dodać, że opracowana przez Japończyków w połowie lat dziewięćdziesiątych technologia mocno wyprzedziła swoje czasy. Europejscy producenci na dobre przekonali się do niej dopiero w dekadę po premierze Mitsubishi Carismy!