Üzemanyag-befecskendezés benzinmotorokban. Előnyök, hátrányok és lehetséges problémák

A befecskendező rendszer típusa határozza meg a motor paramétereit és az üzemeltetési költségeket. Befolyásolja az autó dinamikáját, üzemanyag-fogyasztását, kipufogógáz-kibocsátását és karbantartási költségeit.

A belső égésű motorok benzinbefecskendezésének gyakorlati alkalmazásának története az első világháború előtti időszakra nyúlik vissza. A légiközlekedés már akkor is sürgősen keresett olyan új megoldásokat, amelyek javíthatnák a hajtóművek hatékonyságát, és leküzdhetnék a repülőgépek különböző pozícióiban felmerülő teljesítményproblémákat. Hasznosnak bizonyult az üzemanyag-befecskendezés, amely először az 8-as francia V1903-as repülőgépmotorban jelent meg. Csak 1930-ban debütált az üzemanyag-befecskendezéses Mercedes 1951 SL, amelyet széles körben a mezőny előfutáraként tartottak számon. A sportváltozatban azonban ez volt az első közvetlen benzinbefecskendezéses autó.

Az elektronikus üzemanyag-befecskendezést először a 300-asnál alkalmazták egy 1958-as Chrysler motorban.A többpontos benzinbefecskendezés az 1981-es években kezdett megjelenni az autókon, de leginkább luxusmodelleknél használták. A megfelelő nyomás biztosítására már korábban is használtak nagynyomású elektromos szivattyúkat, de az irányítás továbbra is a szerelők feladata volt, akik csak 600-ban a Mercedes gyártásának befejeztével a feledés homályába merültek. A befecskendező rendszerek továbbra is drágák voltak, és nem változtak olcsó és népszerű autókká. De amikor az XNUMX-ban szükségessé vált a katalizátorok felszerelése minden autóba, osztálytól függetlenül, olcsóbb befecskendezési típust kellett kifejleszteni.

A katalizátor jelenléte a keverék összetételének pontosabb szabályozását követelte meg, mint amit a karburátorok biztosítani tudtak. Így jött létre az egypontos befecskendezés, a "többpontos" szerény változata, de elegendő az olcsó autók igényeihez. A kilencvenes évek vége óta kezdett eltűnni a piacról, és többpontos befecskendezők váltották fel, amelyek jelenleg a legnépszerűbb üzemanyagrendszerek az autómotorokban. A közvetlen üzemanyag-befecskendezés 1996-ban debütált a Mitsubishi Carismán. Az új technológia komoly fejlesztésre szorult, és eleinte kevés követőre talált.

Az egyre szigorodó kipufogógáz-szabványok miatt azonban, amelyek kezdettől fogva erősen befolyásolták az autóipari üzemanyagrendszerek fejlődését, a tervezőknek végül át kellett állniuk a benzin közvetlen befecskendezésére. A legújabb – egyelőre kevés – megoldásokban kétféle benzinbefecskendezést – indirekt többpontos és közvetlen – kombinálnak.    

Közvetett egypontos befecskendezés

Az egypontos befecskendező rendszerekben a motort egyetlen befecskendező szelep hajtja. A szívócső bemeneténél van felszerelve. Az üzemanyagot körülbelül 1 bar nyomás alatt szállítják. A porlasztott üzemanyag levegővel keveredik az egyes hengerekhez vezető csatornák szívónyílásai előtt.

Az üzemanyag-levegő keveréket beszívják a csatornákba anélkül, hogy a keveréket hengerenként pontosan adagolnák. A csatornák hosszában és felületük minőségében mutatkozó különbségek miatt a hengerek áramellátása egyenetlen. De vannak előnyei is. Mivel az üzemanyag-levegő keverék útja a befecskendező szeleptől az égéstérig hosszú, az üzemanyag jól el tud párologni, ha a motor megfelelően felmelegszik. Hideg időben az üzemanyag nem párolog el, a sörték lecsapódnak a kollektor falain, és részben cseppek formájában bejutnak az égéstérbe. Ebben a formában nem tud teljesen kiégni a munkaciklusban, ami a motor alacsony hatásfokához vezet a bemelegítési fázisban.

Ennek következménye a megnövekedett üzemanyag-fogyasztás és a kipufogógázok magas toxicitása. Az egypontos befecskendezés egyszerű és olcsó, nem igényel sok alkatrészt, bonyolult fúvókákat és fejlett vezérlőrendszereket. Az alacsony gyártási költségek alacsonyabb járműárat eredményeznek, és az egypontos befecskendezéssel történő javítás egyszerű. Ezt a típusú befecskendezést nem használják a modern személygépkocsi-motorokban. Csak visszafelé kivitelezett modellekben található meg, bár Európán kívül gyártották. Ilyen például az iráni Samand.

kiváltságokat

– Egyszerű kialakítás

- Alacsony gyártási és karbantartási költségek

– A kipufogógázok alacsony toxicitása forró motornál

hibák

– Alacsony üzemanyag-adagolási pontosság

– Viszonylag magas üzemanyag-fogyasztás

– A kipufogógázok magas toxicitása a motor felmelegedési fázisában

– Gyenge teljesítmény a motor dinamikáját tekintve

Közvetett többpontos befecskendezés

Az egypontos közvetett befecskendezés kiterjesztése a többpontos közvetett befecskendezés, mindegyik szívónyílásban egy befecskendezővel. Az üzemanyag a fojtószelep után, közvetlenül a szívószelep előtt történik.Az injektorok közelebb vannak a hengerekhez, de a levegő/üzemanyag keverék útja még mindig elég hosszú ahhoz, hogy az üzemanyag elpárologjon a forró motoron. Másrészt a melegítési fázis kevésbé hajlamos kondenzációra a bemeneti nyílás falán, mivel a befecskendező szelep és a henger közötti távolság rövidebb. A többpontos rendszerekben az üzemanyagot 2-4 bar nyomáson szállítják.

Az egyes hengerekhez külön befecskendező szelep teljesen új lehetőségeket kínál a tervezőknek a motor dinamikájának növelése, az üzemanyag-fogyasztás és a kipufogógáz-kibocsátás csökkentése terén. Kezdetben nem használtak fejlett vezérlőrendszereket, és minden fúvóka egyszerre adagolta az üzemanyagot. Ez a megoldás nem volt optimális, mivel a befecskendezési nyomaték nem minden hengerben a legelőnyösebb pillanatban (a zárt szívószelepnek ütközve) jelentkezett. Csak az elektronika fejlesztése tette lehetővé fejlettebb vezérlőrendszerek építését, aminek köszönhetően a befecskendezés pontosabban kezdett működni.

Kezdetben a fúvókákat párban nyitották, majd egy szekvenciális üzemanyag-befecskendező rendszert fejlesztettek ki, amelyben minden fúvóka külön nyílik, az adott hengernek megfelelő pillanatban. Ez a megoldás lehetővé teszi az üzemanyag adagjának pontos kiválasztását minden egyes lökethez. A soros többpontos rendszer sokkal bonyolultabb, mint az egypontos rendszer, drágább a gyártása és költségesebb a karbantartása. Lehetővé teszi azonban, hogy jelentősen növelje a motor hatásfokát kisebb üzemanyag-fogyasztás és a kipufogógázok kisebb toxicitása mellett.

kiváltságokat

– Nagy üzemanyag-adagolási pontosság

– Alacsony üzemanyag-fogyasztás

– Sok lehetőség a motordinamika terén

– A kipufogógázok alacsony toxicitása

hibák

- Jelentős tervezési összetettség

– Viszonylag magas gyártási és karbantartási költségek

Közvetlen befecskendezés

Ennél a megoldásnál az injektor a hengerbe van beépítve, és közvetlenül az égéstérbe fecskendezi be az üzemanyagot. Ez egyrészt nagyon előnyös, mivel nagyon gyorsan cserélhető a dugattyú feletti üzemanyag-levegő töltet. Ezenkívül a viszonylag hideg üzemanyag jól hűti a dugattyúk koronáját és a hengerfalakat, így lehetséges a kompressziós arány növelése és a nagyobb motor hatásfoka anélkül, hogy félnünk kell a káros égési kopogástól.

A közvetlen befecskendezéses motorokat úgy tervezték, hogy nagyon sovány levegő/üzemanyag keveréket égessenek el alacsony motorterhelés mellett a rendkívül alacsony üzemanyag-fogyasztás elérése érdekében. Kiderült azonban, hogy ez problémákat okoz a kipufogógázok nitrogén-oxid-feleslegével, aminek kiküszöbölésére megfelelő tisztítórendszereket kell beépíteni. A tervezők kétféleképpen küzdenek a nitrogén-oxidok ellen: erősítéssel és méretcsökkentéssel, vagy kétfázisú fúvókák komplex rendszerének beépítésével. A gyakorlat azt is mutatja, hogy a közvetlen üzemanyag-befecskendezésnél a szénlerakódások kedvezőtlen jelensége a hengerek szívócsatornáiban és a szívószelepszárakon (motordinamika csökkenése, üzemanyag-fogyasztás növekedése).

Ez annak a ténynek köszönhető, hogy a szívónyílások és a szívószelepek sem öblítésre kerülnek a levegő-üzemanyag keverékkel, mint a közvetett befecskendezésnél. Ezért a forgattyúház szellőzőrendszeréből a szívórendszerbe kerülő finom olajrészecskék nem mossák el őket. Az olajszennyeződések a hőmérséklet hatására megkeményednek, és egyre vastagabb, nem kívánt üledékréteget képeznek.

kiváltságokat

– Nagyon nagy üzemanyag-adagolási pontosság

– Lehetőség sovány keverékek elégetésére

– Nagyon jó motordinamika alacsony üzemanyag-fogyasztás mellett

hibák

- Rendkívül összetett kialakítás

– Nagyon magas gyártási és karbantartási költségek

– Problémák a kipufogógázok túlzott nitrogén-oxidjaival

- Szénlerakódások a szívórendszerben

Kettős befecskendezés - közvetlen és közvetett

A vegyes befecskendező rendszer kialakítása a közvetett és a közvetlen befecskendezést egyaránt kihasználja. A közvetlen befecskendezés hideg motornál működik. Az üzemanyag-levegő keverék közvetlenül a dugattyú felett áramlik, és a kondenzáció kizárt. Amikor a motor meleg és kis terhelés mellett jár (állandó sebességű vezetés, egyenletes gyorsulás), a közvetlen befecskendezés leáll, és a többpontos közvetett befecskendezés veszi át a szerepét. Az üzemanyag jobban elpárolog, a nagyon drága közvetlen befecskendező rendszerű befecskendezők nem működnek és nem kopnak, a szívószelepeket az üzemanyag-levegő keverék átmossa, így nem képződnek lerakódások rajtuk. Nagy motorterhelésnél (erős gyorsulás, gyors vezetés) ismét bekapcsol a közvetlen befecskendezés, ami biztosítja a hengerek nagyon gyors feltöltését.

kiváltságokat

– Nagyon precíz üzemanyag-adagolás

– Optimális motorszállítás minden körülmények között

– Nagyon jó motordinamika alacsony üzemanyag-fogyasztás mellett

– Nincs szénlerakódás a szívórendszerben

hibák

- Hatalmas tervezési komplexitás

– Rendkívül magas gyártási és karbantartási költségek