Podwójna kotwica czy podwójna ściema?

Miniony tydzień przyniósł bardzo interesującą informację dotyczącą prac rozwojowych jednostki Ferrari. Serwis motorsport.com napisał, że włoski zespół rozwija „ekstremalny projekt wtryskiwacza z podwójną kotwicą”. Mimo, że artykuł został przedrukowany przez wiele branżowych serwisów, również polskich, to nie do chwili obecnej nie doczekaliśmy się żadnego ciągu dalszego.

Podwójna kotwica, double anchor czy też włoskie doppia ancora, to nie są wyrażenia, które bezpośrednio kojarzą się z układem wtryskowym oraz jednostką napędową. Prawdopodobnie dlatego wielu doświadczonych dziennikarzy potraktowało tę publikację jako typową włoską kaczkę. Jeśli dołożymy do tego fakt, że Ferrari było bardzo powściągliwe w wypowiedziach dla mediów, to całą historię można by potraktować jak bajkę na dobranoc. To właśnie poradził mi jeden z zagranicznych kolegów, gdy zacząłem dopytywać go o wspomnianą publikację.

Prawda jest jednak taka, że choć nie ma pewności, czy zespół Ferrari pracuje nad rozwojem technologii podwójnej kotwicy, to sama technologia istnieje i są na to dokumenty. Kluczem do rozwiązania zagadki okazała się analiza słownictwa. Na jednym z for dyskusyjnych pojawił się obrazek, w którym element wtryskiwacza nazywany powszechnie armaturą, został opisany właśnie jako kotwica.

Graficzna prezentacja sposobu działania wtryskiwacza (fot. f1technical.net)

Czym więc jest technologia podwójnej kotwicy? Powyższy obrazek prezentuje zasadę działania wtryskiwacza paliwa. Widzimy na nim trzy stany pracy. Pierwszy z nich prezentuje zamknięty wtryskiwacz, gdzie cewki odpowiedzialne za podniesienie kotwicy są niezasilone. W drugim wtryskiwacz zaczyna się otwierać, na skutek przyłożenia napięcia do cewek, które generując pole magnetyczne przyciągają kotwicę, do której przytwierdzony jest tłok zamykający ujście wtryskiwacza. Rozpoczyna się wtrysk paliwa do komory spalania. Trzeci stan to pełne otwarcie wtryskiwacza, przy którym kotwica jest całkowicie podniesiona, a paliwo jest wtryskiwane pełną szerokością otworu.

Końcówka wtryskiwacza może przyjmować różne kształty, ale nie może się zmieniać w trakcie pracy. W takiej konfiguracji jedynymi parametrami, którymi możemy sterować pracą wtryskiwacza, niezależenie od jego charakterystyki jest czas otwarcia oraz ciśnienie paliwa. Te dwa elementy decydują o tym, ile paliwa zostanie wtłoczone do komory spalania.

Osiągnięcie bardziej zróżnicowanego sposobu dawkowania paliwa jest możliwe poprzez zastosowanie kilku wtryskiwaczy o różnej charakterystyce, ale na takie rozwiązanie nie pozwalają obecne przepisy. Wtryskiwacz musi być tylko jeden, co było ogromnym wyzwaniem dla inżynierów wdrażających technologię Turbulent Jet Ignition. Oryginalna wersja opracowana przez firmę MAHLE zakładała wykorzystanie dwóch wtryskiwaczy – dla komory wstępnej oraz komory właściwej. Dla potrzeb F1 trzeba było ją zmodyfikować i tak zaprojektować jednostkę, aby komora wstępna i właściwa mogły być zasilane jednym wtryskiwaczem.

Skoro nie można zastosować dwóch, to może warto spróbować rożnych trybów pracy pojedynczego elementu? Tu właśnie dochodzimy do podwójnej kotwicy, czy też podwójnej armatury. Sam wtryskiwacz jest elementem o znaczeniu krytycznym dla niezawodności jednostki, a przy tym tak małym, że żadne wyszukane rozwiązania nie wchodzą w grę. Liczy się prostota oraz niezawodność.

Pierwsze wzmianki dotyczące technologii podwójnej kotwicy udało mi się znaleźć w patencie firmy Delphi Technologies z 2001 roku. Właśnie z tego dokumentu pochodzi poniższa grafika.

Grafika prezentująca zastosowanie podwójnej kotwicy (fot. google.com/patents)

W powyższej konfiguracji widzimy podwójny zestaw cewek (oznaczone na czerwono), dwie sprężyny o różnej średnicy (kolor żółty) oraz dwie kotwice (oznaczone na zielono), elementy odpowiedzialne za wyciągnięcie tłoka z końcówki wtryskiwacza. Analizując powyższy obrazek można dostrzec, że wtryskiwacz może zostać otwarty na trzy różne sposoby. Aktywacja dolnego zestawu cewek spowoduje podniesienie dolnej kotwicy i otwarcie wtrysku poprzez nieznaczne uniesienie tłoka zamykającego ujście (kolor niebieski). Aktywacja górnej pary cewek spowoduje podniesienie tłoka powiedzmy, że na 2/3 pełnej wysokości. Jeśli zadziałają obie pary, to tłok podniesie się na maksymalną, możliwą do osiągnięcia wysokość.

Dzięki temu do równania dotyczącego sposobu zasilenia komory spalania dochodzi kolejny parametr. Sposób otwarcia wtryskiwacza decyduje o ciśnieniu, a co za tym idzie kształcie strumienia wtłaczającego paliwo. Z gazem w podłodze zależy nam na pełnym otwarciu, ale w przypadku kiedy kierowca ściąga nogę z gazu warto się zastanowić, czy mieszanka wpadające do komory spalania nie powinna być nieco uboższa. Dodatkowy parametr, jakim jest zmiana charakterystyki wtrysku pozwala na jej dokładniejsze dawkowanie.

Opisane powyżej rozwiązanie jest dużym uproszczeniem bardzo zaawansowanej technologii. W opracowaniach, do których udało mi się dotrzeć znajdziemy informacje o niezależnych kanałach, którymi paliwo podróżuje poprzez wtryskiwacz. Ich odpowiednia konfiguracja oraz sprzężenie z podwójną kotwicą pozwala uzyskać wiele stanów pośrednich, a co za tym idzie różne wartości ciśnienia pod jakim wtłaczane jest paliwo.

Takie rozwiązanie w pełni pokrywa się z tym, o czym pisał włoski oddział serwisu motorsport.com. Lepsza kontrola nad procesem wtrysku paliwa, to szansa na uzyskanie dodatkowych oszczędności, oszczędności, które w tym sezonie mogą okazać się bardzo istotne.

Zimowe testy pokazały, że nowe konstrukcje generują większy opór powietrza niż zakładano. To oznacza, że zużycie paliwa będzie wyższe i zespołu już szykują się na ostre oszczędzanie, szczególnie w pierwszych wyścigach sezonu. Gdyby dzięki wspomnianej technologii udało się Ferrari urwać kilka procent w kwestii spalania (nie znalazłem żadnych liczb w tym temacie), to byłaby to znacząca przewaga nad konkurencją.

Czy rozwiązanie łatwo będzie skopiować innym producentom? I tak i nie. O ile skonstruowanie, czy też kupienie wtryskiwacza z podwójną kotwicą nie powinno stanowić problemu (firma Magneti Marelli ma posiadać tę technologię), to jej wdrożenie wymaga przygotowania odpowiedniej konstrukcji jednostki napędowej, głównie w obszarze komory spalania. Jej kształt musi przede wszystkim współgrać ze wszystkimi trybami pracy.

Na koniec ważna uwaga. Patrząc na powyższe grafiki warto mieć świadomość, że są to jedynie materiały poglądowe, które mają pomóc zrozumieć istotę działania podwójnej kotwicy. We wtryskiwaczach używanych w F1 nie ma cewek, ale wykorzystuje się materiały piezoelektryczne, które zmieniają swoją objętość w skutek przyłożenia napięcia elektrycznego.