Diesel injectie systemen. Ontwerp, voor- en nadelen

In tegenstelling tot benzinemotoren hadden dieselmotoren vanaf het begin brandstofinjectie. Alleen de injectiesystemen, fittingen en de druk van de brandstof die aan de cilinders wordt geleverd, zijn gewijzigd.

Het werkingsprincipe van een dieselmotor, algemeen bekend als een dieselmotor, is totaal anders dan dat van een benzinemotor. In brandstoftrucks komt het brandstof-luchtmengsel de verbrandingskamer binnen boven de zuiger. Na compressie wordt het mengsel ontstoken door het doorslaan van een elektrische vonk aan de elektroden van de bougie. Daarom worden benzinemotoren ook wel motoren met vonkontsteking (SI) genoemd.

Bij dieselmotoren comprimeert de zuiger in de verbrandingskamer alleen lucht, die onder invloed van enorme druk (minstens 40 bar - vandaar de naam "hoge druk") wordt opgewarmd tot een temperatuur van 600-800°C. Injectie van brandstof in dergelijke hete lucht resulteert in een onmiddellijke zelfontbranding van de brandstof in de verbrandingskamer. Om deze reden worden dieselaandrijflijnen ook wel compressieontstekingsmotoren (CI) genoemd. Vanaf het begin werden ze gevoed door brandstof in de verbrandingskamer te injecteren, en niet in het inlaatspruitstuk, dat alleen lucht aan de motor levert. Afhankelijk van het feit of de verbrandingskamer al dan niet was verdeeld, werden dieselmotoren onderverdeeld in krachtbronnen met indirecte of directe injectie.

Indirecte injectie

Hoewel diesel debuteerde met een systeem met directe injectie, werd het niet lang gebruikt. Deze oplossing veroorzaakte te veel problemen en werd in de auto-industrie vervangen door indirecte injectie gepatenteerd in 1909. Directe injectie bleef in grote stationaire en scheepsmotoren, evenals in sommige vrachtwagens. Ontwerpers van personenauto's gaven de voorkeur aan diesels met indirecte injectie, die soepeler werken en minder lawaai maken.

De term "indirect" bij dieselmotoren betekent iets heel anders dan bij benzinemotoren, waar indirecte injectie de injectie is van een lucht-brandstofmengsel in het inlaatspruitstuk. Bij dieselmotoren met indirecte injectie komt, net als bij ontwerpen met directe injectie, de door de injector vernevelde brandstof ook de verbrandingskamer binnen. Het is alleen dat het in twee delen is verdeeld: een hulponderdeel waarin brandstof wordt geïnjecteerd, en het hoofdgedeelte, d.w.z. de ruimte direct boven de zuiger waarin het belangrijkste proces van brandstofverbranding plaatsvindt. De kamers zijn onderling verbonden door een kanaal of kanalen. Qua vorm en functie zijn de kamers verdeeld in voor-, vortex- en luchtreservoirs.

Deze laatste kunnen niet worden gebruikt, omdat hun productie praktisch is gestopt. In het geval van voorkamers en wervelkamers wordt het mondstuk naast de hulpkamer geïnstalleerd en spuit er brandstof in. Daar vindt ontsteking plaats, dan komt de gedeeltelijk verbrande brandstof de hoofdkamer binnen en brandt daar uit. Diesels met een voorkamer of wervelkamer lopen soepel en hebben mogelijk lichtgewicht kruksystemen. Ze zijn niet gevoelig voor de brandstofkwaliteit en kunnen mondstukken hebben met een eenvoudig ontwerp. Ze zijn echter minder efficiënt dan diesels met directe injectie, verbruiken meer brandstof en hebben moeite met het starten van een koude motor. Dieselmotoren met indirecte inspuiting in personenauto's behoren tegenwoordig tot het verleden en worden niet meer geproduceerd. Ze worden zelden aangetroffen in moderne auto's die tegenwoordig op de markt zijn. Ze zijn alleen te vinden in ontwerpen zoals de Indiase Hindustan en Tata, de Russische UAZ, de oudere generatie Mitsubishi Pajero die in Brazilië wordt verkocht of de Volkswagen Polo die in Argentinië wordt aangeboden. Ze worden in veel grotere hoeveelheden gebruikt in aftermarket-voertuigen.

Directe injectie

Het begon allemaal met hem. De voordelen van directe injectie werden aanvankelijk echter niet benut. Het belang van een goede werveling van de brandstof was niet bekend en de verbranding was niet optimaal. Er vormden zich brandstofklonten, die bijdroegen aan de vorming van roet. De processen aan de zuiger gingen te snel, de motoren werkten hard en vernietigden snel het krukaslager. Om deze reden werd directe injectie afgeschaft en de voorkeur gegeven aan indirecte injectie.

Een terugkeer naar de roots, maar dan in een moderne versie, vond pas plaats in 1987, toen de Fiat Croma 1.9 TD in massaproductie ging. Directe brandstofinjectie vereist efficiënte injectieapparatuur, hoge injectiedruk, brandstof van goede kwaliteit en een zeer sterk (en dus zwaar) crankstel. Het biedt echter een hoog rendement en een gemakkelijke start van een koude motor. Moderne oplossingen voor dieselmotoren met directe injectie zijn voornamelijk gebaseerd op volledig platte koppen en zuigers met passend gevormde kamers (holtes). De kamers zijn verantwoordelijk voor de juiste turbulentie van de brandstof. Directe injectie wordt tegenwoordig veel gebruikt in dieselmotoren van personenauto's.

Directe injectie - pompinjectoren

Bij traditionele dieselmotoren zijn verschillende soorten pompen verantwoordelijk voor de toevoer van brandstof. In de pionierstijd gebeurde de brandstofinspuiting met perslucht, in de jaren 20 gebeurde dit met herontworpen oliepompen. In de jaren 300 werden al op grote schaal speciale pompen voor dieselmotoren gebruikt. Aanvankelijk was het gebaseerd op seriële pompen die lage druk creëren (tot 60 bar). Pas in de jaren 1000 verschenen er efficiëntere pompen met axiale verdeler (meer dan 80 bar). Halverwege de jaren zeventig kregen ze mechanische injectiecontrole en halverwege de jaren tachtig kregen ze elektronische controle (BMW 524td, 1986).

Pompverstuivers die al in de jaren 30 in vrachtwagens werden gebruikt, waren een iets andere manier van brandstofinjectie, ze werden op grote schaal gebruikt in personenauto's door het Volkswagen-concern, voor het eerst in 1998 (Passat B5 1.9 TDI). Kort gezegd is een pompverstuiver een verstuiver met een eigen pomp, die wordt aangedreven door een nokkenas. Het hele proces van onder druk zetten en injecteren in de cilinder is dus beperkt tot de cilinderkop. Het systeem is zeer compact, er zijn geen brandstofleidingen die de pomp met de injectoren verbinden. Daarom is er geen pulsatie van het mondstuk, wat het moeilijk maakt om de dosis brandstof en lekken te regelen. Aangezien de brandstof gedeeltelijk verdampt in de verstuiverkamer van de unit, kan de injectietiming klein zijn (gemakkelijke start). Het belangrijkste is echter de zeer hoge injectiedruk van 2000-2200 bar. De dosis brandstof in de cilinder vermengt zich snel met lucht en verbrandt zeer efficiënt.

Over het algemeen wordt diesel met pompverstuivers gekenmerkt door een hoog rendement, laag brandstofverbruik, hoge snelheid en de mogelijkheid om een ​​hoge vermogensdichtheid te verkrijgen. Maar een unit-injectormotor is duur om te produceren, voornamelijk vanwege de complexiteit van de cilinderkop. Zijn werk is hard en luidruchtig. Wanneer aangedreven door pompverstuivers, zijn er ook problemen met uitlaatgassen, die grotendeels hebben bijgedragen aan het opgeven van deze oplossing door VW.

Directe injectie - Common Rail

Het belangrijkste onderdeel van het Common Rail-injectiesysteem is de "Common Rail", een type tank, ook wel "pressurized fuel accumulator" genoemd, waarin een pomp dieselbrandstof pompt. Het komt de spuitmonden niet rechtstreeks vanuit de pomp binnen, maar vanuit de tank, terwijl voor elke cilinder dezelfde druk wordt gehandhaafd.

Figuurlijk kunnen we zeggen dat elk van de injectoren niet wacht op een portie brandstof uit de pomp, maar toch brandstof onder zeer hoge druk heeft. De elektrische impulsen die de injectoren aandrijven, zijn voldoende om de verbrandingskamers van brandstof te voorzien. Met zo'n systeem kunt u meerfasige injecties maken (zelfs 8 fasen per injectie), wat leidt tot een zeer nauwkeurige verbranding van brandstof met een geleidelijke drukverhoging. De zeer hoge injectiedruk (1800 bar) maakt het gebruik van injectoren met zeer kleine openingen mogelijk die brandstof bijna in de vorm van een nevel leveren.

Dit alles wordt aangevuld door een hoog motorrendement, een rustige loop en een laag geluidsniveau (ondanks directe injectie), goede wendbaarheid en lage uitlaatemissies. Common-railmotoren hebben echter brandstof van de hoogste kwaliteit en de beste filters nodig. Verontreinigingen in de brandstof kunnen injectoren vernielen en schade veroorzaken die extreem kostbaar is om te repareren.