Brandstofinjectie in benzinemotoren. Voordelen, nadelen en mogelijke problemen

Het type injectiesysteem bepaalt de motorparameters en de bedrijfskosten. Het heeft invloed op de dynamiek, het brandstofverbruik, de uitlaatemissies en de onderhoudskosten van de auto.

De geschiedenis van de praktische toepassing van benzine-injectie in een verbrandingsmotor in het transport gaat terug tot de periode voor de Eerste Wereldoorlog. Zelfs toen was de luchtvaart dringend op zoek naar nieuwe oplossingen die de efficiëntie van motoren konden verbeteren en problemen met het vermogen in verschillende posities van het vliegtuig konden oplossen. Brandstofinjectie, die voor het eerst verscheen in de Franse V8-vliegtuigmotor uit 1903, bleek nuttig. Het was pas in 1930 dat de Mercedes 1951 SL met brandstofinjectie debuteerde, algemeen beschouwd als een voorloper in het veld. In de sportversie was het echter de eerste auto met directe benzine-injectie.

Elektronische brandstofinjectie werd voor het eerst gebruikt in de 300 in een Chrysler-motor uit 1958. Multipoint-benzine-injectie begon op auto's te verschijnen in de jaren 1981, maar werd meestal gebruikt in luxemodellen. Elektrische hogedrukpompen waren al in gebruik om voor de juiste druk te zorgen, maar de controle was nog steeds de verantwoordelijkheid van de monteurs, die pas in 600 met het einde van de Mercedes-productie in de vergetelheid raakte. Injectiesystemen waren nog duur en veranderden niet in goedkope en populaire auto's. Maar toen het in de XNUMXs noodzakelijk werd om katalysatoren op alle auto's te installeren, ongeacht hun klasse, moest er een goedkoper type injectie worden ontwikkeld.

De aanwezigheid van een katalysator vereiste een nauwkeurigere regeling van de samenstelling van het mengsel dan carburateurs konden bieden. Zo ontstond single-point injectie, een magere versie van "multi-point", maar voldoende voor de behoeften van goedkope auto's. Sinds het einde van de jaren negentig begon het van de markt te verdwijnen, vervangen door meerpuntsinjectoren, die momenteel het meest populaire brandstofsysteem in automotoren zijn. In 1996 maakte directe brandstofinjectie zijn standaarddebuut op de Mitsubishi Carisma. De nieuwe technologie moest serieus worden verbeterd en vond aanvankelijk weinig volgers.

In het licht van de steeds strengere uitlaatgasnormen, die vanaf het begin een sterke invloed hadden op de vooruitgang in brandstofsystemen voor auto's, moesten ontwerpers uiteindelijk overstappen op directe benzine-injectie. In de nieuwste oplossingen, tot nu toe weinig in aantal, combineren ze twee soorten benzine-injectie - indirect multipoint en direct.    

Indirecte enkelpuntsinjectie

Bij enkelpuntsinjectiesystemen wordt de motor aangedreven door een enkele injector. Het is geïnstalleerd bij de inlaat van het inlaatspruitstuk. Brandstof wordt toegevoerd onder een druk van ongeveer 1 bar. De vernevelde brandstof vermengt zich met lucht voor de inlaatpoorten van de kanalen die naar de afzonderlijke cilinders leiden.

Het brandstof-luchtmengsel wordt in de kanalen gezogen zonder nauwkeurige dosering van het mengsel voor elke cilinder. Door verschillen in de lengte van de kanalen en de kwaliteit van hun afwerking is de stroomtoevoer naar de cilinders ongelijk. Maar er zijn ook voordelen. Omdat de weg van het mengsel van brandstof met lucht van het mondstuk naar de verbrandingskamer lang is, kan de brandstof goed verdampen als de motor goed opwarmt. Bij koud weer verdampt de brandstof niet, de borstelharen condenseren op de collectorwanden en gaan gedeeltelijk in de vorm van druppels in de verbrandingskamer. In deze vorm kan het tijdens de werkcyclus niet volledig doorbranden, wat leidt tot een laag motorrendement in de opwarmfase.

Het gevolg hiervan is een verhoogd brandstofverbruik en een hoge toxiciteit van uitlaatgassen. Eénpuntsinjectie is eenvoudig en goedkoop, vereist niet veel onderdelen, complexe sproeiers en geavanceerde besturingssystemen. Lage productiekosten resulteren in een lagere voertuigprijs en reparaties met éénpuntsinjectie zijn eenvoudig. Dit type injectie wordt niet gebruikt in moderne motoren van personenauto's. Het is alleen te vinden in modellen met een achterlijk ontwerp, hoewel geproduceerd buiten Europa. Een voorbeeld is de Iraanse Samand.

privileges

- Simpel ontwerp

– Lage productie- en onderhoudskosten

– Lage toxiciteit van uitlaatgassen als de motor heet is

дефекты

– Lage nauwkeurigheid van brandstofdosering

– Relatief hoog brandstofverbruik

– Hoge toxiciteit van uitlaatgassen in de opwarmfase van de motor

– Slechte prestaties op het gebied van motordynamiek

Indirecte meerpuntsinjectie

Een uitbreiding van single-point indirecte injectie is multi-point indirecte injectie met een injector in elke inlaatpoort. Brandstof wordt geleverd na het gaspedaal, net voor de inlaatklep.De injectoren bevinden zich dichter bij de cilinders, maar het pad van het lucht/brandstofmengsel is nog steeds lang genoeg om de brandstof te laten verdampen op een hete motor. Aan de andere kant heeft de verwarmingsfase minder de neiging om te condenseren op de wanden van de inlaatpoort, omdat de afstand tussen het mondstuk en de cilinder korter is. In meerpuntssystemen wordt brandstof toegevoerd met een druk van 2 tot 4 bar.

Een aparte injector voor elke cilinder geeft ontwerpers volledig nieuwe mogelijkheden wat betreft het verhogen van de motordynamiek, het verminderen van het brandstofverbruik en het verminderen van de uitlaatemissies. Aanvankelijk werden er geen geavanceerde controlesystemen gebruikt en doseerden alle verstuivers tegelijkertijd brandstof. Deze oplossing was niet optimaal, aangezien het injectiemoment niet in elke cilinder op het meest voordelige moment (wanneer het de gesloten inlaatklep raakte) optrad. Alleen de ontwikkeling van elektronica maakte het mogelijk om geavanceerdere besturingssystemen te bouwen, waardoor de injectie nauwkeuriger begon te werken.

Aanvankelijk werden de verstuivers paarsgewijs geopend, daarna werd een sequentieel brandstofinjectiesysteem ontwikkeld, waarbij elk verstuiver afzonderlijk opent, op het optimale moment voor een bepaalde cilinder. Met deze oplossing kunt u nauwkeurig de dosis brandstof voor elke slag selecteren. Een serieel meerpuntssysteem is veel complexer dan een enkelpuntssysteem, duurder in fabricage en duurder in onderhoud. Het stelt u echter in staat om de efficiëntie van de motor aanzienlijk te verhogen met minder brandstofverbruik en minder toxiciteit van uitlaatgassen.

privileges

– Hoge nauwkeurigheid van brandstofdosering

– Laag brandstofverbruik

– Veel mogelijkheden qua motordynamiek

– Lage toxiciteit van uitlaatgassen

дефекты

- Aanzienlijke ontwerpcomplexiteit

– Relatief hoge productie- en onderhoudskosten

Directe injectie

Bij deze oplossing wordt de injector in de cilinder geïnstalleerd en injecteert de brandstof rechtstreeks in de verbrandingskamer. Enerzijds is dit zeer gunstig, omdat u hierdoor zeer snel de brandstof-luchtvulling boven de zuiger kunt vervangen. Bovendien koelt de relatief koude brandstof de zuigerkroon en cilinderwanden goed, zodat het mogelijk is om de compressieverhouding te verhogen en een hoger motorrendement te verkrijgen zonder angst voor nadelige verbrandingskloppingen.

Motoren met directe injectie zijn ontworpen om zeer arme lucht/brandstofmengsels te verbranden bij lage motorbelastingen om een ​​extreem laag brandstofverbruik te bereiken. Het bleek echter dat dit problemen veroorzaakt met een teveel aan stikstofoxiden in de uitlaatgassen, om dit te elimineren, is het noodzakelijk om geschikte reinigingssystemen te installeren. Ontwerpers gaan op twee manieren om met stikstofoxiden: door boost toe te voegen en te verkleinen, of door een complex systeem van tweefasen-nozzles te installeren. De praktijk leert ook dat bij directe brandstofinjectie het ongunstige fenomeen van koolstofafzettingen in de inlaatkanalen van de cilinders en op de inlaatklepstelen (afname van de motordynamiek, toename van het brandstofverbruik).

Dit komt doordat zowel de inlaatpoorten als de inlaatkleppen niet worden gespoeld met het lucht/brandstofmengsel zoals bij indirecte injectie. Daarom worden ze niet weggespoeld door fijne oliedeeltjes die vanuit het carterventilatiesysteem in het aanzuigsysteem komen. Olieverontreinigingen harden uit onder invloed van temperatuur, waardoor een steeds dikkere laag ongewenst sediment ontstaat.

privileges

– Zeer hoge brandstofdoseernauwkeurigheid

– Mogelijkheid om magere mengsels te verbranden

– Zeer goede motordynamiek bij laag brandstofverbruik

дефекты

- Extreem complex ontwerp

– Zeer hoge productie- en onderhoudskosten

– Problemen met overtollige stikstofoxiden in uitlaatgassen

- Koolafzettingen in het inlaatsysteem

Dubbele injectie - direct en indirect

Het ontwerp van het gemengde injectiesysteem maakt gebruik van zowel indirecte als directe injectie. Directe injectie werkt bij koude motor. Het brandstof-luchtmengsel stroomt direct over de zuiger en condensatie is uitgesloten. Wanneer de motor warm is en onder lichte belasting draait (constante snelheid rijden, soepele acceleratie), stopt de directe injectie en neemt de meerpunts indirecte injectie zijn rol over. Brandstof verdampt beter, zeer dure injectoren met directe injectie werken niet en verslijten niet, inlaatkleppen worden gewassen door het brandstof-luchtmengsel, zodat er geen afzettingen op ontstaan. Bij hoge motorbelasting (sterke acceleraties, snel rijden) wordt de directe injectie weer ingeschakeld, wat zorgt voor een zeer snelle vulling van de cilinders.

privileges

– Zeer nauwkeurige brandstofdosering

– Optimale motorafgifte onder alle omstandigheden

– Zeer goede motordynamiek bij laag brandstofverbruik

– Geen koolstofafzettingen in het inlaatsysteem

дефекты

- Enorme ontwerpcomplexiteit

– Extreem hoge productie- en onderhoudskosten