Έγχυση καυσίμου σε βενζινοκινητήρες. Πλεονεκτήματα, μειονεκτήματα και πιθανά προβλήματα

Ο τύπος του συστήματος ψεκασμού καθορίζει τις παραμέτρους του κινητήρα και το κόστος λειτουργίας. Επηρεάζει τη δυναμική, την κατανάλωση καυσίμου, τις εκπομπές καυσαερίων και το κόστος συντήρησης του αυτοκινήτου.

Η ιστορία της πρακτικής εφαρμογής της έγχυσης βενζίνης σε κινητήρα εσωτερικής καύσης στις μεταφορές χρονολογείται από την περίοδο πριν από τον Πρώτο Παγκόσμιο Πόλεμο. Ακόμη και τότε, η αεροπορία αναζητούσε επειγόντως νέες λύσεις που θα μπορούσαν να βελτιώσουν την απόδοση των κινητήρων και να ξεπεράσουν προβλήματα με την ισχύ σε διάφορες θέσεις του αεροσκάφους. Η έγχυση καυσίμου, η οποία εμφανίστηκε για πρώτη φορά στον γαλλικό κινητήρα αεροσκαφών V8 του 1903, αποδείχθηκε χρήσιμη. Μόλις το 1930 έκανε το ντεμπούτο της η Mercedes 1951 SL με έγχυση καυσίμου, η οποία θεωρείται ευρέως ως πρόδρομος στον τομέα. Ωστόσο, στην σπορ έκδοση, ήταν το πρώτο αυτοκίνητο με άμεσο ψεκασμό βενζίνης.

Ο ηλεκτρονικός ψεκασμός καυσίμου χρησιμοποιήθηκε για πρώτη φορά στο 300 σε κινητήρα Chrysler του 1958. Ο ψεκασμός βενζίνης πολλαπλών σημείων άρχισε να εμφανίζεται στα αυτοκίνητα τη δεκαετία του 1981, αλλά χρησιμοποιήθηκε κυρίως σε πολυτελή μοντέλα. Οι ηλεκτρικές αντλίες υψηλής πίεσης χρησιμοποιούνταν ήδη για τη διασφάλιση της σωστής πίεσης, αλλά ο έλεγχος ήταν ακόμα ευθύνη των μηχανικών, οι οποίοι ξεχνούνταν μόλις το 600 με το τέλος της παραγωγής της Mercedes. Τα συστήματα έγχυσης ήταν ακόμα ακριβά και δεν άλλαξαν σε φθηνά και δημοφιλή αυτοκίνητα. Αλλά όταν κατέστη απαραίτητο στα XNUMX να εγκατασταθούν καταλυτικοί μετατροπείς σε όλα τα αυτοκίνητα, ανεξάρτητα από την κατηγορία τους, έπρεπε να αναπτυχθεί ένας φθηνότερος τύπος ψεκασμού.

Η παρουσία ενός καταλύτη απαιτούσε ακριβέστερο έλεγχο της σύνθεσης του μείγματος από ό,τι θα μπορούσαν να παρέχουν τα καρμπυρατέρ. Έτσι δημιουργήθηκε το single-point injection, μια πενιχρή εκδοχή του «multi-point», αλλά επαρκής για τις ανάγκες των φθηνών αυτοκινήτων. Από τα τέλη της δεκαετίας του '1996, άρχισε να εξαφανίζεται από την αγορά, αντικαταστάθηκε από μπεκ πολλαπλών σημείων, που είναι σήμερα το πιο δημοφιλές σύστημα καυσίμου στους κινητήρες αυτοκινήτων. Το XNUMX, ο άμεσος ψεκασμός καυσίμου έκανε το στάνταρ ντεμπούτο του στο Mitsubishi Carisma. Η νέα τεχνολογία χρειαζόταν σοβαρή βελτίωση και στην αρχή βρήκε λίγους οπαδούς.

Ωστόσο, ενόψει των ολοένα και πιο αυστηρών προτύπων καυσαερίων, τα οποία από την αρχή είχαν ισχυρή επιρροή στην πρόοδο στα συστήματα καυσίμων αυτοκινήτων, οι σχεδιαστές έπρεπε τελικά να προχωρήσουν στον άμεσο ψεκασμό βενζίνης. Στις τελευταίες λύσεις, ελάχιστες μέχρι στιγμής, συνδυάζουν δύο τύπους έγχυσης βενζίνης - έμμεσο πολλαπλών σημείων και άμεσο.    

Έμμεση ένεση ενός σημείου

Στα συστήματα ψεκασμού ενός σημείου, ο κινητήρας τροφοδοτείται από ένα μόνο μπεκ ψεκασμού. Τοποθετείται στην είσοδο της πολλαπλής εισαγωγής. Το καύσιμο παρέχεται υπό πίεση περίπου 1 bar. Το ψεκασμένο καύσιμο αναμιγνύεται με τον αέρα μπροστά από τις θυρίδες εισαγωγής των καναλιών που οδηγούν στους μεμονωμένους κυλίνδρους.

Το μείγμα καυσίμου-αέρα αναρροφάται στα κανάλια χωρίς ακριβή δοσομέτρηση του μείγματος για κάθε κύλινδρο. Λόγω των διαφορών στο μήκος των καναλιών και στην ποιότητα των φινιρισμάτων τους, η παροχή ρεύματος στους κυλίνδρους είναι ανομοιόμορφη. Υπάρχουν όμως και οφέλη. Δεδομένου ότι η διαδρομή του μείγματος καυσίμου με αέρα από το ακροφύσιο στον θάλαμο καύσης είναι μεγάλη, το καύσιμο μπορεί να εξατμιστεί καλά όταν ο κινητήρας ζεσταθεί σωστά. Σε κρύο καιρό, το καύσιμο δεν εξατμίζεται, οι τρίχες συμπυκνώνονται στα τοιχώματα του συλλέκτη και εν μέρει εισέρχονται στον θάλαμο καύσης με τη μορφή σταγόνων. Σε αυτή τη μορφή, δεν μπορεί να καεί εντελώς στον κύκλο εργασίας, γεγονός που οδηγεί σε χαμηλή απόδοση του κινητήρα στη φάση προθέρμανσης.

Συνέπεια αυτού είναι η αυξημένη κατανάλωση καυσίμου και η υψηλή τοξικότητα των καυσαερίων. Η έγχυση ενός σημείου είναι απλή και φθηνή, δεν απαιτεί πολλά εξαρτήματα, πολύπλοκα ακροφύσια και προηγμένα συστήματα ελέγχου. Το χαμηλό κόστος παραγωγής έχει ως αποτέλεσμα χαμηλότερη τιμή του οχήματος και οι επισκευές με ψεκασμό ενός σημείου είναι εύκολες. Αυτός ο τύπος ψεκασμού δεν χρησιμοποιείται σε σύγχρονους κινητήρες επιβατικών αυτοκινήτων. Μπορεί να βρεθεί μόνο σε μοντέλα με οπισθοδρομική σχεδίαση, αν και παράγονται εκτός Ευρώπης. Ένα παράδειγμα είναι το ιρανικό Samand.

προνόμια

– Απλός σχεδιασμός

– Χαμηλό κόστος παραγωγής και συντήρησης

– Χαμηλή τοξικότητα των καυσαερίων όταν ο κινητήρας είναι ζεστός

ελαττώματα

– Χαμηλή ακρίβεια δοσομέτρησης καυσίμου

– Σχετικά υψηλή κατανάλωση καυσίμου

– Υψηλή τοξικότητα των καυσαερίων στη φάση προθέρμανσης του κινητήρα

– Κακή απόδοση όσον αφορά τη δυναμική του κινητήρα

Έμμεση έγχυση πολλαπλών σημείων

Μια επέκταση της έμμεσης έγχυσης ενός σημείου είναι η έμμεση έγχυση πολλαπλών σημείων με έναν εγχυτήρα σε κάθε θύρα εισαγωγής. Το καύσιμο παρέχεται μετά το γκάζι, ακριβώς πριν από τη βαλβίδα εισαγωγής. Τα μπεκ είναι πιο κοντά στους κυλίνδρους, αλλά η διαδρομή του μείγματος αέρα/καυσίμου είναι ακόμα αρκετά μεγάλη ώστε το καύσιμο να εξατμιστεί σε έναν ζεστό κινητήρα. Από την άλλη πλευρά, η φάση θέρμανσης έχει μικρότερη τάση να συμπυκνώνεται στα τοιχώματα της θυρίδας εισαγωγής, καθώς η απόσταση μεταξύ του ακροφυσίου και του κυλίνδρου είναι μικρότερη. Στα συστήματα πολλαπλών σημείων, το καύσιμο παρέχεται σε πίεση 2 έως 4 bar.

Ένα ξεχωριστό μπεκ για κάθε κύλινδρο δίνει στους σχεδιαστές εντελώς νέες δυνατότητες όσον αφορά την αύξηση της δυναμικής του κινητήρα, τη μείωση της κατανάλωσης καυσίμου και τη μείωση των εκπομπών καυσαερίων. Αρχικά, δεν χρησιμοποιήθηκαν προηγμένα συστήματα ελέγχου και όλα τα ακροφύσια μετρούσαν καύσιμο ταυτόχρονα. Αυτή η λύση δεν ήταν η βέλτιστη, δεδομένου ότι η στιγμή της έγχυσης δεν εμφανίστηκε σε κάθε κύλινδρο την πιο συμφέρουσα στιγμή (όταν χτύπησε την κλειστή βαλβίδα εισαγωγής). Μόνο η ανάπτυξη των ηλεκτρονικών κατέστησε δυνατή την κατασκευή πιο προηγμένων συστημάτων ελέγχου, χάρη στα οποία η έγχυση άρχισε να λειτουργεί με μεγαλύτερη ακρίβεια.

Αρχικά, τα ακροφύσια άνοιγαν σε ζεύγη, στη συνέχεια αναπτύχθηκε ένα σύστημα διαδοχικής έγχυσης καυσίμου, στο οποίο κάθε ακροφύσιο ανοίγει χωριστά, στη βέλτιστη στιγμή για έναν δεδομένο κύλινδρο. Αυτή η λύση σάς επιτρέπει να επιλέξετε με ακρίβεια τη δόση του καυσίμου για κάθε διαδρομή. Ένα σειριακό σύστημα πολλαπλών σημείων είναι πολύ πιο περίπλοκο από ένα σύστημα ενός σημείου, πιο ακριβό στην κατασκευή και πιο ακριβό στη συντήρηση. Ωστόσο, σας επιτρέπει να αυξήσετε σημαντικά την απόδοση του κινητήρα με λιγότερη κατανάλωση καυσίμου και λιγότερη τοξικότητα των καυσαερίων.

προνόμια

– Υψηλή ακρίβεια δοσομέτρησης καυσίμου

– Χαμηλή κατανάλωση καυσίμου

– Πολλές δυνατότητες όσον αφορά τη δυναμική του κινητήρα

– Χαμηλή τοξικότητα των καυσαερίων

ελαττώματα

- Σημαντική πολυπλοκότητα σχεδιασμού

– Σχετικά υψηλό κόστος παραγωγής και συντήρησης

Άμεση ένεση

Σε αυτή τη λύση, ο εγχυτήρας εγκαθίσταται στον κύλινδρο και εγχέει το καύσιμο απευθείας στον θάλαμο καύσης. Από τη μία πλευρά, αυτό είναι πολύ ευεργετικό, καθώς σας επιτρέπει να αντικαταστήσετε πολύ γρήγορα τη φόρτιση καυσίμου-αέρα πάνω από το έμβολο. Επιπλέον, το σχετικά κρύο καύσιμο ψύχει καλά την κορώνα του εμβόλου και τα τοιχώματα του κυλίνδρου, επομένως είναι δυνατό να αυξηθεί ο λόγος συμπίεσης και να επιτευχθεί υψηλότερη απόδοση του κινητήρα χωρίς τον φόβο δυσμενούς κρούσης της καύσης.

Οι κινητήρες άμεσου ψεκασμού έχουν σχεδιαστεί για να καίνε πολύ άπαχα μείγματα αέρα/καυσίμου σε χαμηλά φορτία κινητήρα για να επιτυγχάνουν εξαιρετικά χαμηλή κατανάλωση καυσίμου. Ωστόσο, αποδείχθηκε ότι αυτό προκαλεί προβλήματα με περίσσεια οξειδίων του αζώτου στα καυσαέρια, για την εξάλειψη των οποίων είναι απαραίτητο να εγκατασταθούν κατάλληλα συστήματα καθαρισμού. Οι σχεδιαστές αντιμετωπίζουν τα οξείδια του αζώτου με δύο τρόπους: προσθέτοντας ώθηση και μειώνοντας το μέγεθος ή εγκαθιστώντας ένα περίπλοκο σύστημα διφασικών ακροφυσίων. Η πρακτική δείχνει επίσης ότι με την άμεση έγχυση καυσίμου, το δυσμενές φαινόμενο των εναποθέσεων άνθρακα στους αγωγούς εισαγωγής των κυλίνδρων και στα στελέχη των βαλβίδων εισαγωγής (μείωση της δυναμικής του κινητήρα, αύξηση της κατανάλωσης καυσίμου).

Αυτό οφείλεται στο γεγονός ότι τόσο οι θύρες εισαγωγής όσο και οι βαλβίδες εισαγωγής δεν ξεπλένονται με το μείγμα αέρα-καυσίμου, όπως με τον έμμεσο ψεκασμό. Επομένως, δεν ξεπλένονται από λεπτά σωματίδια λαδιού που εισέρχονται στο σύστημα αναρρόφησης από το σύστημα εξαερισμού του στροφαλοθαλάμου. Οι ακαθαρσίες του λαδιού σκληραίνουν υπό την επίδραση της θερμοκρασίας, δημιουργώντας ένα όλο και πιο παχύ στρώμα ανεπιθύμητου ιζήματος.

προνόμια

– Πολύ υψηλή ακρίβεια δοσομέτρησης καυσίμου

– Δυνατότητα καύσης άπαχων μιγμάτων

– Πολύ καλή δυναμική κινητήρα με χαμηλή κατανάλωση καυσίμου

ελαττώματα

- Εξαιρετικά πολύπλοκος σχεδιασμός

– Πολύ υψηλό κόστος παραγωγής και συντήρησης

– Προβλήματα με περίσσεια οξειδίων του αζώτου στα καυσαέρια

- Καταθέσεις άνθρακα στο σύστημα εισαγωγής

Διπλή έγχυση - άμεση και έμμεση

Ο σχεδιασμός του μικτού συστήματος έγχυσης εκμεταλλεύεται τόσο την έμμεση όσο και την άμεση έγχυση. Ο άμεσος ψεκασμός λειτουργεί όταν ο κινητήρας είναι κρύος. Το μείγμα καυσίμου-αέρα ρέει απευθείας πάνω από το έμβολο και η συμπύκνωση αποκλείεται. Όταν ο κινητήρας είναι ζεστός και λειτουργεί υπό ελαφρύ φορτίο (οδήγηση σταθερής ταχύτητας, ομαλή επιτάχυνση), ο άμεσος ψεκασμός σταματά να λειτουργεί και ο έμμεσος ψεκασμός πολλαπλών σημείων αναλαμβάνει τον ρόλο του. Το καύσιμο εξατμίζεται καλύτερα, τα πολύ ακριβά μπεκ του συστήματος άμεσου ψεκασμού δεν λειτουργούν και δεν φθείρονται, οι βαλβίδες εισαγωγής πλένονται από το μείγμα καυσίμου-αέρα, επομένως δεν σχηματίζονται εναποθέσεις πάνω τους. Σε υψηλά φορτία κινητήρα (ισχυρές επιταχύνσεις, γρήγορη οδήγηση), ενεργοποιείται ξανά ο άμεσος ψεκασμός, που εξασφαλίζει πολύ γρήγορο γέμισμα των κυλίνδρων.

προνόμια

– Πολύ ακριβής δόση καυσίμου

– Βέλτιστη παράδοση κινητήρα σε όλες τις συνθήκες

– Πολύ καλή δυναμική κινητήρα με χαμηλή κατανάλωση καυσίμου

– Δεν υπάρχουν εναποθέσεις άνθρακα στο σύστημα εισαγωγής

ελαττώματα

- Τεράστια πολυπλοκότητα σχεδιασμού

– Εξαιρετικά υψηλό κόστος παραγωγής και συντήρησης