Ubrizgavanje goriva u benzinske motore. Prednosti, nedostaci i mogući problemi
Vrsta sustava ubrizgavanja određuje parametre motora i operativne troškove. Utječe na dinamiku, potrošnju goriva, emisiju ispušnih plinova i troškove održavanja automobila.
Povijest praktične primjene ubrizgavanja benzina u motoru s unutarnjim izgaranjem u prometu seže u razdoblje prije Prvog svjetskog rata. Već tada je zrakoplovstvo hitno tražilo nova rješenja koja bi mogla poboljšati učinkovitost motora i prevladati probleme s snagom u različitim položajima zrakoplova. Ubrizgavanje goriva, koje se prvi put pojavilo u francuskom zrakoplovnom motoru V8 iz 1903., pokazalo se korisnim. Tek 1930. godine debitirao je Mercedes 1951 SL s ubrizgavanjem goriva, koji se naširoko smatra pretečom na tom polju. Međutim, u sportskoj verziji to je bio prvi automobil s izravnim ubrizgavanjem benzina.
Elektronsko ubrizgavanje goriva prvi put je korišteno u 300 u Chryslerovom motoru iz 1958. Višetočkovno ubrizgavanje benzina počelo se pojavljivati na automobilima 1981-ih, ali se uglavnom koristilo u luksuznim modelima. Visokotlačne električne pumpe već su se koristile kako bi se osigurao odgovarajući tlak, ali je kontrola i dalje bila odgovornost mehaničara, koji su tek 600. godine s prestankom proizvodnje Mercedesa nestali u zaboravu. Sustavi za ubrizgavanje i dalje su bili skupi i nisu se mijenjali u jeftine i popularne automobile. Ali kada je u XNUMX-ima postalo potrebno ugraditi katalizatore na sve automobile, bez obzira na njihovu klasu, trebalo je razviti jeftiniju vrstu ubrizgavanja.
Prisutnost katalizatora zahtijevala je precizniju kontrolu sastava smjese nego što bi to mogli osigurati karburatori. Tako je stvoreno ubrizgavanje u jednoj točki, oskudna verzija "multi-point", ali dovoljna za potrebe jeftinih automobila. Od kasnih devedesetih počeo je nestajati s tržišta, a zamijenili su ga brizgaljke s više točaka, koje su trenutno najpopularniji sustav goriva u automobilskim motorima. 1996. godine, izravno ubrizgavanje goriva ima svoj standardni debi na Mitsubishi Carismi. Nova tehnologija trebala je ozbiljno poboljšanje i isprva je našla malo sljedbenika.
No, suočeni sa sve strožim standardima ispušnih plinova, koji su od samog početka imali snažan utjecaj na napredak u automobilskim sustavima goriva, dizajneri su na kraju morali prijeći na izravno ubrizgavanje benzina. U najnovijim rješenjima, za sada malobrojnim, kombiniraju dvije vrste ubrizgavanja benzina - neizravno višetočkovno i izravno.
Neizravno ubrizgavanje u jednoj točki
U sustavima ubrizgavanja s jednom točkom, motor pokreće jedan injektor. Instalira se na ulazu u usisni razvodnik. Gorivo se dovodi pod tlakom od oko 1 bar. Raspršeno gorivo se miješa sa zrakom ispred usisnih otvora kanala koji vode do pojedinačnih cilindara.
Smjesa goriva i zraka usisava se u kanale bez preciznog doziranja smjese za svaki cilindar. Zbog razlika u duljini kanala i kvaliteti njihovih završnih obrada, napajanje cilindara je neravnomjerno. Ali ima i prednosti. Budući da je put mješavine goriva i zraka od mlaznice do komore za izgaranje dug, gorivo može dobro ispariti kada se motor pravilno zagrije. U hladnom vremenu gorivo ne isparava, čekinje se kondenziraju na zidovima kolektora i djelomično idu u komoru za izgaranje u obliku kapi. U ovom obliku ne može u potpunosti izgorjeti u radnom ciklusu, što dovodi do niske učinkovitosti motora u fazi zagrijavanja.
Posljedica toga je povećana potrošnja goriva i visoka toksičnost ispušnih plinova. Ubrizgavanje u jednoj točki je jednostavno i jeftino, ne zahtijeva mnogo dijelova, složenih mlaznica i naprednih upravljačkih sustava. Niski troškovi proizvodnje rezultiraju nižom cijenom vozila, a popravci s ubrizgavanjem u jednoj točki su jednostavni. Ova vrsta ubrizgavanja se ne koristi u modernim motorima osobnih automobila. Može se naći samo u modelima zaostalog dizajna, iako se proizvode izvan Europe. Jedan primjer je iranski Samand.
povlastice
– Jednostavan dizajn
– Niski troškovi proizvodnje i održavanja
– Niska toksičnost ispušnih plinova kada je motor vruć
nedostaci
– Niska točnost doziranja goriva
– Relativno velika potrošnja goriva
– Visoka toksičnost ispušnih plinova u fazi zagrijavanja motora
– Loše performanse u pogledu dinamike motora
Neizravno ubrizgavanje u više točaka
Proširenje neizravnog ubrizgavanja u jednoj točki je neizravno ubrizgavanje u više točaka s injektorom u svakom usisnom otvoru. Gorivo se isporučuje nakon gasa, neposredno prije usisnog ventila.Injektori su bliže cilindrima, ali put mješavine zraka i goriva je još uvijek dovoljno dug da gorivo ispari na vrućem motoru. S druge strane, faza zagrijavanja ima manju tendenciju kondenzacije na stijenkama ulaznog otvora jer je razmak između injektora i cilindra kraći. U sustavima s više točaka gorivo se dovodi pod tlakom od 2 do 4 bara.
Zasebna mlaznica za svaki cilindar dizajnerima daje potpuno nove mogućnosti u smislu povećanja dinamike motora, smanjenja potrošnje goriva i smanjenja ispušnih plinova. U početku se nisu koristili napredni sustavi upravljanja, a sve mlaznice su dozirale gorivo u isto vrijeme. Ovo rješenje nije bilo optimalno, jer se moment ubrizgavanja nije dogodio u svakom cilindru u najpovoljnijem trenutku (kada je udario u zatvoreni usisni ventil). Tek je razvoj elektronike omogućio izgradnju naprednijih upravljačkih sustava, zahvaljujući kojima je ubrizgavanje počelo raditi točnije.
U početku su se mlaznice otvarale u paru, zatim je razvijen sustav sekvencijalnog ubrizgavanja goriva, u kojem se svaka mlaznica otvara zasebno, u optimalnom trenutku za određeni cilindar. Ovo rješenje omogućuje precizan odabir doze goriva za svaki udar. Serijski sustav s više točaka mnogo je složeniji od sustava s jednom točkom, skuplji za proizvodnju i skuplji za održavanje. Međutim, omogućuje značajno povećanje učinkovitosti motora uz manju potrošnju goriva i manju toksičnost ispušnih plinova.
povlastice
– Visoka točnost doziranja goriva
– Niska potrošnja goriva
– Mnogo mogućnosti u pogledu dinamike motora
– Niska toksičnost ispušnih plinova
nedostaci
- Značajna složenost dizajna
– Relativno visoki troškovi proizvodnje i održavanja
Izravna injekcija
U ovom rješenju, mlaznica je ugrađena u cilindar i ubrizgava gorivo izravno u komoru za izgaranje. S jedne strane, to je vrlo korisno, jer vam omogućuje vrlo brzu zamjenu goriva i zraka iznad klipa. Osim toga, relativno hladno gorivo dobro hladi krunu klipa i stijenke cilindra, pa je moguće povećati omjer kompresije i postići veću učinkovitost motora bez straha od štetnog udara izgaranja.
Motori s izravnim ubrizgavanjem dizajnirani su za izgaranje vrlo siromašne smjese zraka/goriva pri niskim opterećenjima motora kako bi se postigla iznimno niska potrošnja goriva. Međutim, pokazalo se da to uzrokuje probleme s viškom dušikovih oksida u ispušnim plinovima, za uklanjanje kojih je potrebno ugraditi odgovarajuće sustave za čišćenje. Dizajneri se bore protiv dušikovih oksida na dva načina: dodavanjem pojačanja i smanjenjem veličine ili ugradnjom složenog sustava dvofaznih mlaznica. Praksa također pokazuje da je kod izravnog ubrizgavanja goriva nepovoljna pojava taloga ugljika u usisnim kanalima cilindara i na stabljikama usisnih ventila (smanjenje dinamike motora, povećanje potrošnje goriva).
To je zato što se i usisni otvori i usisni ventili ne ispiru mješavinom zraka i goriva kao kod neizravnog ubrizgavanja. Stoga ih ne ispiru sitne čestice ulja koje ulaze u usisni sustav iz sustava ventilacije kućišta radilice. Uljne nečistoće pod utjecajem temperature stvrdnjavaju, stvarajući sve deblji sloj neželjenog taloga.
povlastice
– Vrlo visoka točnost doziranja goriva
– Mogućnost izgaranja siromašnih smjesa
– Vrlo dobra dinamika motora uz malu potrošnju goriva
nedostaci
- Izuzetno složen dizajn
– Vrlo visoki troškovi proizvodnje i održavanja
– Problemi s viškom dušikovih oksida u ispušnim plinovima
- Naslage ugljika u usisnom sustavu
Dvostruko ubrizgavanje - izravno i neizravno
Dizajn sustava mješovitog ubrizgavanja koristi prednosti neizravnog i izravnog ubrizgavanja. Izravno ubrizgavanje radi kada je motor hladan. Smjesa goriva i zraka struji izravno preko klipa i kondenzacija je isključena. Kada je motor topao i radi pod malim opterećenjem (vožnja s konstantnom brzinom, glatko ubrzanje), izravno ubrizgavanje prestaje raditi i neizravno ubrizgavanje u više točaka preuzima njegovu ulogu. Gorivo bolje isparava, vrlo skupe brizgaljke sustava izravnog ubrizgavanja ne rade i ne troše se, usisne ventile pere mješavina goriva i zraka, pa se na njima ne stvaraju naslage. Pri velikim opterećenjima motora (jaka ubrzanja, brza vožnja) ponovno se uključuje izravno ubrizgavanje, što osigurava vrlo brzo punjenje cilindara.
povlastice
– Vrlo precizno doziranje goriva
– Optimalna isporuka motora u svim uvjetima
– Vrlo dobra dinamika motora uz malu potrošnju goriva
– Nema naslaga ugljika u usisnom sustavu
nedostaci
- Velika složenost dizajna
– Iznimno visoki troškovi proizvodnje i održavanja
