Vbrizgavanje goriva pri bencinskih motorjih. Prednosti, slabosti in možne težave
Vrsta vbrizgalnega sistema določa parametre motorja in obratovalne stroške. Vpliva na dinamiko, porabo goriva, emisije izpušnih plinov in stroške vzdrževanja avtomobila.
Zgodovina praktične uporabe vbrizgavanja bencina v motorju z notranjim zgorevanjem v prometu sega v obdobje pred prvo svetovno vojno. Letalstvo je že takrat nujno iskalo nove rešitve, ki bi lahko izboljšale učinkovitost motorjev in premagale težave z močjo v različnih položajih letala. Vbrizgavanje goriva, ki se je prvič pojavilo v francoskem letalskem motorju V8 iz leta 1903, se je izkazalo za koristno. Šele leta 1930 je debitiral Mercedes 1951 SL z vbrizgavanjem goriva, ki je na splošno veljal za predhodnika na tem področju. Vendar je bil v športni različici prvi avtomobil z neposrednim vbrizgom bencina.
Elektronsko vbrizgavanje goriva je bilo prvič uporabljeno pri modelu 300 v motorju Chrysler iz leta 1958. Večtočkovni bencinski vbrizg se je pri avtomobilih začel pojavljati v 1981. letih, vendar so ga večinoma uporabljali pri luksuznih modelih. Za zagotavljanje ustreznega tlaka so že bile v uporabi visokotlačne električne črpalke, a je bil nadzor še vedno v pristojnosti mehanikov, ki so bledili v pozabo šele leta 600 s koncem proizvodnje Mercedesa. Sistemi za vbrizgavanje so bili še vedno dragi in se niso spremenili v poceni in priljubljene avtomobile. Toda ko je bilo v XNUMX. letih potrebno namestiti katalizatorje na vse avtomobile, ne glede na njihov razred, je bilo treba razviti cenejšo vrsto vbrizgavanja.
Prisotnost katalizatorja je zahtevala natančnejšo kontrolo sestave mešanice, kot bi jo lahko zagotovili uplinjači. Tako je nastal enotočkovni vbrizg, skromna različica "večtočkovnega", a zadostna za potrebe poceni avtomobilov. Od poznih devetdesetih let je začel izginjati s trga, nadomestili so ga večtočkovni injektorji, ki so trenutno najbolj priljubljen sistem goriva v avtomobilskih motorjih. Leta 1996 se je pri Mitsubishi Carismi prvič pojavilo neposredno vbrizgavanje goriva. Nova tehnologija je zahtevala resne izboljšave in sprva je našla malo privržencev.
Kljub vse strožjim standardom za izpušne pline, ki so že od samega začetka močno vplivali na napredek avtomobilskih gorivnih sistemov, so se oblikovalci sčasoma morali preseliti na neposredno vbrizgavanje bencina. V najnovejših rešitvah, za zdaj maloštevilnih, združujejo dve vrsti vbrizgavanja bencina – indirektno večtočkovno in neposredno.
Posredno enotočkovno vbrizgavanje
V sistemih enotočkovnega vbrizgavanja motor poganja en sam injektor. Nameščen je na vstopu v sesalni kolektor. Gorivo se dovaja pod tlakom približno 1 bar. Razpršeno gorivo se meša z zrakom pred sesnimi odprtinami kanalov, ki vodijo do posameznih jeklenk.
Mešanica goriva in zraka se vsesa v kanale brez natančnega doziranja mešanice za vsak valj. Zaradi razlik v dolžini kanalov in kakovosti njihovega zaključka je oskrba jeklenk z električno energijo neenakomerna. Obstajajo pa tudi prednosti. Ker je pot mešanice goriva z zrakom od šobe do zgorevalne komore dolga, lahko gorivo dobro izhlapi, ko se motor pravilno segreje. V hladnem vremenu gorivo ne izhlapi, ščetine se kondenzirajo na stenah kolektorja in delno gredo v zgorevalno komoro v obliki kapljic. V tej obliki ne more popolnoma izgoreti v delovnem ciklu, kar vodi v nizek izkoristek motorja v fazi ogrevanja.
Posledica tega je povečana poraba goriva in visoka toksičnost izpušnih plinov. Enotočkovno vbrizgavanje je preprosto in poceni, ne zahteva veliko delov, zapletenih šob in naprednih krmilnih sistemov. Nizki proizvodni stroški imajo za posledico nižjo ceno vozila, popravila z enotočkovnim vbrizgom pa so enostavna. Ta vrsta vbrizgavanja se ne uporablja v motorjih sodobnih osebnih avtomobilov. Najdemo ga le pri modelih z nazadnjaškim dizajnom, čeprav so proizvedeni zunaj Evrope. En primer je iranski Samand.
privilegiji
– Preprost dizajn
– Nizki stroški proizvodnje in vzdrževanja
– Nizka strupenost izpušnih plinov pri vročem motorju
napake
– Nizka natančnost doziranja goriva
– Relativno visoka poraba goriva
– Visoka toksičnost izpušnih plinov v fazi ogrevanja motorja
– Slaba zmogljivost v smislu dinamike motorja
Indirektno večtočkovno vbrizgavanje
Razširitev enotočkovnega posrednega vbrizgavanja je večtočkovno posredno vbrizgavanje z injektorjem v vsaki sesalni odprtini. Gorivo se dovaja za plinom, tik pred sesalnim ventilom, injektorji so bližje jeklenkam, vendar je pot mešanice zraka in goriva še vedno dovolj dolga, da gorivo na vročem motorju izhlapi. Po drugi strani ima faza ogrevanja manj nagnjenosti k kondenzaciji na stenah sesalne odprtine, saj je razdalja med šobo in cilindrom krajša. V večtočkovnih sistemih se gorivo dovaja pod tlakom od 2 do 4 bare.
Ločen injektor za vsak cilinder daje oblikovalcem popolnoma nove možnosti v smislu povečanja dinamike motorja, zmanjšanja porabe goriva in zmanjšanja emisij izpušnih plinov. Sprva niso bili uporabljeni nobeni napredni krmilni sistemi, vse šobe pa so dozirale gorivo hkrati. Ta rešitev ni bila optimalna, saj se moment vbrizgavanja ni pojavil v vsakem valju v najugodnejšem trenutku (ko je zadel zaprt sesalni ventil). Šele razvoj elektronike je omogočil izgradnjo naprednejših krmilnih sistemov, zaradi katerih je vbrizgavanje začelo delovati natančneje.
Sprva so se šobe odpirale v parih, nato je bil razvit sistem zaporednega vbrizgavanja goriva, pri katerem se vsaka šoba odpira ločeno, v optimalnem trenutku za dani valj. Ta rešitev vam omogoča natančno izbiro odmerka goriva za vsak udarec. Serijski večtočkovni sistem je veliko bolj zapleten kot enotočkovni sistem, dražji za izdelavo in dražji za vzdrževanje. Vendar pa vam omogoča znatno povečanje učinkovitosti motorja z manjšo porabo goriva in manj strupenosti izpušnih plinov.
privilegiji
– Visoka natančnost doziranja goriva
– Nizka poraba goriva
– Veliko možnosti glede dinamike motorja
– Nizka strupenost izpušnih plinov
napake
- Pomembna kompleksnost oblikovanja
– Relativno visoki stroški proizvodnje in vzdrževanja
Neposredno injiciranje
Pri tej rešitvi je injektor nameščen v cilindru in vbrizga gorivo neposredno v zgorevalno komoro. Po eni strani je to zelo koristno, saj omogoča zelo hitro zamenjavo polnjenja goriva in zraka nad batom. Poleg tega sorazmerno hladno gorivo dobro hladi krono bata in stene cilindra, tako da je mogoče povečati kompresijsko razmerje in doseči večji izkoristek motorja brez strahu pred škodljivimi udarci pri zgorevanju.
Motorji z neposrednim vbrizgom so zasnovani za izgorevanje zelo puste mešanice zraka in goriva pri nizkih obremenitvah motorja, da dosežejo izjemno nizko porabo goriva. Izkazalo pa se je, da to povzroča težave s presežkom dušikovih oksidov v izpušnih plinih, za odpravo katerih je treba namestiti ustrezne čistilne sisteme. Oblikovalci se z dušikovimi oksidi ukvarjajo na dva načina: z dodajanjem povečanja in zmanjšanjem velikosti ali z namestitvijo kompleksnega sistema dvofaznih šob. Praksa tudi kaže, da je pri neposrednem vbrizgavanju goriva neugoden pojav usedlin ogljika v sesalnih kanalih jeklenk in na steblih sesalnih ventilov (zmanjšanje dinamike motorja, povečanje porabe goriva).
To je posledica dejstva, da se tako sesalna odprtina kot sesalni ventili ne izpirajo z mešanico zraka in goriva, kot pri posrednem vbrizgavanju. Zato jih ne sperejo drobni delci olja, ki vstopajo v sesalni sistem iz prezračevalnega sistema ohišja motorja. Oljne nečistoče se pod vplivom temperature strdijo, kar ustvarja vse debelejšo plast nezaželene usedline.
privilegiji
– Zelo visoka natančnost doziranja goriva
– Možnost pregorevanja revnih mešanic
– Zelo dobra dinamika motorja z nizko porabo goriva
napake
- Izjemno kompleksna zasnova
– Zelo visoki stroški proizvodnje in vzdrževanja
– Težave s presežkom dušikovih oksidov v izpušnih plinih
- Ogljikove usedline v sesalnem sistemu
Dvojno vbrizgavanje - neposredno in posredno
Zasnova sistema mešanega vbrizgavanja izkorišča prednosti posrednega in neposrednega vbrizgavanja. Neposredno vbrizgavanje deluje, ko je motor hladen. Mešanica goriva in zraka teče neposredno čez bat in kondenzacija je izključena. Ko je motor topel in deluje pri majhni obremenitvi (vožnja s konstantno hitrostjo, gladko pospeševanje), neposredno vbrizgavanje preneha delovati in njegovo vlogo prevzame večtočkovno posredno vbrizgavanje. Gorivo bolje izhlapi, zelo dragi injektorji sistema neposrednega vbrizgavanja ne delujejo in se ne obrabijo, sesalne ventile spere mešanica goriva in zraka, zato se na njih ne tvorijo usedline. Pri velikih obremenitvah motorja (močni pospeški, hitra vožnja) se ponovno vklopi direktni vbrizg, kar zagotavlja zelo hitro polnjenje valjev.
privilegiji
– Zelo natančno doziranje goriva
– Optimalna dobava motorja v vseh pogojih
– Zelo dobra dinamika motorja z nizko porabo goriva
– Brez ogljikovih usedlin v sesalnem sistemu
napake
- Velika zapletenost oblikovanja
– Izjemno visoki stroški proizvodnje in vzdrževanja
