Najprościej całe zagadnienie moglibyśmy wyjaśnić jednym zdaniem. Mieszanka uwarstwiona jest to taka mieszanka paliwa i powietrza, której współczynnik λ (lambda) różni się w poszczególnych częściach cylindra. W jaki sposób mieszanka jest uwarstwiana, przedstawimy bardziej szczegółowo w dalszej części artykułu.
Zobacz też: Świece żarowe. Problemy i eksploatacja
Najpierw skupimy się na wyjaśnieniu, czym jest λ. Jest to współczynnik nadmiaru powietrza, czyli stosunek ilości wprowadzonego do cylindra powietrza do ilości powietrza, która jest niezbędna, aby paliwo mogło ulec całkowitemu spaleniu. Jeżeli lambda ma wartości powyżej 1, mówimy o mieszance ubogiej. Do cylindra w takim przypadku wprowadzono faktycznie większą ilość powietrza, niż powinno być zgodnie z równaniami stechiometrycznymi. Chemicy obliczyli więc wcześniej ile powietrza jest niezbędne do przeprowadzenia prawidłowego procesu spalania benzyny. Jeżeli współczynnik lambda jest mniejszy od 1, mieszanka przygotowana do spalenia, jest mieszanką bogatą. Znajduje się mniej powietrza niż wartość nominalna. Jaka mieszanka jest najlepsza? W silnikach benzynowych z katalizatorem dąży się do utrzymania λ=1. Jest to mieszanka stechiometryczna. W zakresie pełnych obciążeń, kiedy oczekujemy od silnika generowania większej mocy, mieszanka jest wzbogacana do około λ=0,9. Natomiast silniki diesla pracują na mieszankach ubogich. Podczas pracy w maksymalnym obciążeniu diesel pracuje na mieszance o współczynniku λ=1,6 ± 0,4. Kiedy pracuje on w zakresie wolnych obrotów, lambda wzrasta do wartości przekraczających 10.
Dlaczego wartość λ nie może być stała w całym cylindrze?
Może być stała i w większości silników właśnie taka mieszanka jest spalana. Jeżeli w każdym jej miejscu wartość współczynnika lambda jest taka sama, mówimy o tzw. mieszance homogenicznej. Jednak okazuje się, że w momencie, kiedy silnik pracuje na niskich obrotach, korzystniej byłoby zastosować mieszankę, która będzie uboga. Jeżeli do cylindra będziemy wtryskiwać mniej paliwa i korzystać z większej ilości powietrza, powstaną realne oszczędności.
Zobacz też: Świece żarowe: sprawdzenie stanu oraz wymiana
Jednak w przypadku mieszanek ubogich w cylindrze powstają jeszcze wyższe temperatury, a w dodatku katalizator silnika benzynowego nie redukuje tlenków azotu tak skutecznie jak podczas pracy na mieszance stechiometrycznej. Konstruktorzy musieli również zadbać o to, by reakcja spalania zachodziła równomiernie, a nie przypadkowo w różnych częściach cylindra. Dlatego, aby móc stosować mieszankę ubogą w silnikach o zapłonie iskrowym, trzeba było stworzyć możliwość jej uwarstwienia.
Jak uzyskać mieszankę uwarstwioną?
Mieszanka uwarstwiona jest wytwarzana przez szybkie, piezoelektryczne wtryskiwacze pracujące pod ciśnieniem nawet ponad 180 bar. Dlaczego muszą one być tak szybkie? Ponieważ mieszanka uwarstwiona nie poukłada się sama. W przedziale niecałych 2ms, kiedy kończy się suw ssania i przychodzi moment zapłonu mieszanki, paliwo musi być wtryśnięte kilkukrotnie. W efekcie, w momencie zapłonu przy ściankach cylindra znajduje się uboga mieszanka o współczynniku lambda przekraczającym nawet λ=2,5. Natomiast w okolicy świecy zapłonowej, gdzie powinien nastąpić łatwiejszy zapłon mieszanki, λ>1,5. To duża różnica, ale zauważmy, że nadal jest to mieszanka uboga, w której jest więcej powietrza niż w przypadku mieszanki stechiometrycznej.
Zobacz też: Dwusprzęgłowa skrzynia automatyczna Powershift
Co zyskujemy uwarstwiając mieszankę?
Zubażając mieszankę zyskujemy oczywiście wspomniane wcześniej niższe zużycie paliwa. Zubażanie mieszanki jednorodnej (homogenicznej) w silniku benzynowym prowadzi w pewnym momencie do zwiększenia wibracji. Natomiast zastosowanie warstwowego rozłożenia powietrza eliminuje ten efekt i pozwala na uzyskanie jeszcze większych oszczędności. Wprowadzenie uboższej mieszanki spowoduje również zmniejszenie ilości pozostałych w spalinach tlenków węgla. Poprzez uwarstwienie zyskuje się częściową kontrolę nad dopalaniem węglowodorów, których ilość wraz ze wzrostem współczynnika lambda, niestety również rośnie. I oczywiście katalizator ma także większe kłopoty z redukcją tlenków azotu. Tu problem rozwiązuje częściowo stosowanie recyrkulacji spalin, bądź katalizatorów zdolnych do chwilowego gromadzenia NOx i dopalania ich, gdy silnik znów pracuje na mieszance o współczynniku λ=1.