Sie haben vielleicht gelesen oder gehört, dass einer Ihrer Lieblings-Auto-Tech-Redakteure über Benzin-Direkteinspritzung spricht und wie es eine der „großen Technologien“ ist, die dazu beiträgt, den fast 200 Jahre alten Verbrennungsmotor bis weit in das 21. In der dieswöchigen Ausgabe des ABCs of Car Tech werde ich erklären, was zum Teufel Benzin-Direkteinspritzung ist und warum es Sie interessieren sollte, ob es im Motor Ihres nächsten Autos ist oder nicht.
Wie funktionierte die Kraftstoffeinspritzung vor der Direkteinspritzung?
Der moderne Benzin-Verbrennungsmotor (ICE) benötigt drei Dinge, um seine Kurbelwelle zu drehen: sauerstoffhaltige Luft, Kraftstoff und einen Funken, um Luft und Kraftstoff explodieren zu lassen. Die Luft wird durch den Einlass gesaugt, wo sie vom Luftmassenmesser (MAF) des Fahrzeugs gemessen wird, bevor sie zum Ansaugkrümmer geleitet wird, wo der einzelne Ansaugpfad in vier bis acht Ansaugkanäle unterteilt ist, von denen jeder in eine der zylindrischen Brennkammern Ihres Fahrzeugs führt. Irgendwo entlang der Linie wird die Ansaugladung mit Kraftstoff gemischt, bevor die Zündkerze alles in der Brennkammer explodieren lässt. Das ist alles ICE 101 für die meisten von euch, da bin ich mir sicher.
In den alten Tagen der Motorentechnologie haben die Vergaser und Einpunkt-Kraftstoffeinspritzsysteme ihre relativ ungenaue Luft- und Kraftstoffmischung in oder sogar vor dem Ansaugkrümmer durchgeführt und ungefähr die richtige Kraftstoffmenge für die gesamte Zylinderbank hinzugefügt. Zum größten Teil bekam jede Brennkammer das, was sie brauchte. Je nach Ausführung des Ansaugkrümmers kann diese Annäherung jedoch dazu führen, dass die Zylinder, die dem Vergaser oder dem Einspritzventil am nächsten liegen, etwas zu viel Kraftstoff erhalten (fett laufen), während die am weitesten entfernten Zylinder etwas zu wenig bekommen (mager laufen). Ein erfahrener Vergaser-Tuner (oder intelligenter Motorcomputer) konnte verhindern, dass die Dinge außer Kontrolle gerieten, aber selbst die beste Abstimmung war durch das Design des Ansaugkrümmers begrenzt.
Die überwiegende mehrheit der modernen autos verwenden eine multi-point fuel injection (MPFI) setup (auch bekannt als port injection). So funktioniert es: Anstatt einen Injektor zu verwenden, der etwa die richtige Kraftstoffmenge sprüht, verfügt jeder der einzelnen Ansaugkanäle über einen eigenen Injektor (oder Injektoren), der der Ansaugluft eines unter Druck stehenden Injektors einen Spritzer aerosolisierten Kraftstoff zufügt. Das Luft-Kraftstoff-Gemisch wird durch den sich zurückziehenden Kolben in die offene Öffnung und in die Brennkammer gesaugt. Das Einlassventil knallt dann zu, und die explosive Verbrennung findet im jetzt abgedichteten Zylinder statt.
Zum größten Teil ist MPFI in Ordnung und gut. Es ist sicherlich viel effizienter als die älteren karburierten und SPFI-Systeme dank seiner Fähigkeit, die Menge an Kraftstoff, die dem Einlass für jeden einzelnen Zylinder hinzugefügt wird, anzupassen, die ehemals mageren und fetten Zylinder an den extremen Enden des Krümmers auszugleichen, die Stromerzeugung zu verbessern und Kraftstoffverschwendung zu reduzieren. Warum also reparieren, was effektiv nicht kaputt ist?
Wie verbessert die Direkteinspritzung die Leistung?
Sie haben vielleicht bemerkt, dass sich während der Sprünge von Vergaser zu SPFI zu MPFI der Punkt, an dem Kraftstoff der Ansaugladung zugesetzt wird, von vor der Drosselklappe zum Ansaugkrümmer und weiter zu den einzelnen Ansaugkanälen bewegt hat – näher und näher an die Brennkammer. Die Direkteinspritzung bringt diese Entwicklung auf die nächste Stufe, indem der Injektor in der Brennkammer platziert wird. Durch das Bewegen des Injektors in den Brennraum gewinnt die Benzindirekteinspritzung (GDI) einige Vorteile gegenüber den zuvor diskutierten Systemen.
Durch das Einsetzen des Injektors in den Zylinder erhält der Computer des Motors eine noch präzisere Kontrolle über die Kraftstoffmenge während des Ansaugtakts, wodurch das Luft / Kraftstoff-Gemisch weiter optimiert wird, um eine saubere Verbrennung zu erzeugen Explosion mit sehr wenig Kraftstoffverschwendung und erhöhter Leistungsabgabe.
Ein GDI-System hat auch mehr Flexibilität in Bezug darauf, wann im Verbrennungszyklus der Kraftstoff hinzugefügt wird. MPFI-Systeme können nur während des Einlasshubs des Kolbens Kraftstoff hinzufügen, wenn das Einlassventil geöffnet ist. GDI kann Kraftstoff hinzufügen, wann immer es benötigt wird. Beispielsweise können einige GDI-Motoren das Timing so einstellen, dass während des Kompressionshubs eine geringere Kraftstoffmenge eingespritzt wird, wodurch eine viel kleinere, kontrollierte Explosion im Zylinder entsteht. Dieser sogenannte Ultra-Lean-Burn-Modus opfert etwas mehr Leistung, reduziert jedoch den Kraftstoffverbrauch in Zeiten, in denen das Fahrzeug nur sehr wenig Grunzen benötigt (Leerlauf, Ausrollen, Abbremsen usw.), erheblich.).
GDI-Motoren reagieren auch schneller auf diese Änderungen des Timings und der Kraftstoffzugabe, was die Fahrbarkeit erhöht. Darüber hinaus kann sich das Fahrzeug aufgrund von Eingaben von Sensoren, die sich stromabwärts der Brennkammer befinden, schneller anpassen, um die aus dem Endrohr austretenden schmutzigen Emissionen in Schach zu halten.
Einige Autohersteller haben sogar mit der Verwendung von GDI experimentiert, um einen zusätzlichen Kraftstoffstoß in den Zylinder abzufeuern, um während des Verbrennungszyklus eine sekundäre Explosion zu erzeugen, was möglicherweise zu noch mehr Leistung und Effizienz führt.
Hier ist eine lustige Tatsache: Die Direkteinspritztechnologie ist nicht wirklich so neu, wie Sie vielleicht denken. Die Technologie gibt es seit den 1920er Jahren für Benzinmotoren und ist tatsächlich bereits in den meisten Dieselmotoren im Einsatz.
Gibt es mögliche Nachteile von GDI?
Sie fragen sich vielleicht: „Wenn GDI so großartig ist, warum ist es nicht in jedem neuen Auto?“
Ein Teil des Grundes ist, dass die Herstellung eines Direkteinspritzmotors aufgrund der Komplexität der Komponenten teurer ist, was bedeutet, dass das Auto, das der Motor schließlich antreibt, auch teurer in der Anschaffung wäre. Zum Beispiel müssen die Injektoren eines GDI-Motors robuster sein als Port-Injektoren, um der Hitze und dem Druck von Hunderten (oder sogar Tausenden) winziger Explosionen pro Minute standzuhalten. Da ein GDI-System außerdem in der Lage sein muss, Kraftstoff in eine unter Druck stehende Brennkammer einzuspritzen, müssen die das Benzin versorgenden Kraftstoffleitungen eine noch höhere Kompression aufweisen. GDI-Kraftstoffsysteme können mit vielen tausend psi im Vergleich zu den 40 bis 60 psi von Port-Einspritzsystemen betrieben werden.
Der Preis dieser Komponenten sinkt, aber im Allgemeinen und vorerst ist die Porteinspritzung für die meisten sparsamen Autos billiger und „gut genug“.
Darüber hinaus haben einige Besitzer und Betreuer von GDI-Motoren (insbesondere leistungsstärkere Modelle mit Turbolader) berichtet, dass Direkteinspritzsysteme eine erhöhte Kohlenstoffbildung an den Rückseiten ihrer Einlassventile aufweisen, was im Laufe der Zeit zu einer Verringerung des Luftstroms und der Leistung führt. Eine schnelle Google-Suche liefert Seite für Seite anekdotische Berichte über dieses Problem. Der Aufbau tritt auf, weil in den meisten Autos Ansaugluft ist, ehrlich gesagt, Art von schmutzig – auch mit Luftfiltern an Ort und Stelle, moderne Abgasrückführsysteme und Kurbelgehäuseentlüftungssysteme können ziemlich viel Dreck auf die Ansaugladung hinzufügen – und ohne Port Injektoren sprühen Benzin (und die Reinigungsmittel, die es enthält) auf die Ventile, können die Dinge im Laufe von vielen tausend Meilen ziemlich schmutzig werden.
Die Direkteinspritzung funktioniert gut mit anderen Motortechnologien
Die Autohersteller finden allerlei neue Wege, den Verbrennungsmotor mit Hilfe der Direkteinspritztechnik weiter zu verfeinern. Zum Beispiel verwenden einige Autohersteller (einschließlich Ford, Audi und BMW) GDI in Kombination mit Turboaufladung, um Motoren mit geringem Hubraum zu entwickeln, die einen geringen Motorwirkungsgrad bei großer Motorleistung erzielen.
Toyota bietet sein D-4S-Kraftstoffeinspritzsystem seit einigen Jahren mit bestimmten Modellen seines 3,5-Liter-V-6-Motors an. Der D-4S verwendet eine Kombination aus Direkt- und Porteinspritzung, um die besten Eigenschaften beider Systeme zu kombinieren. Wie in diesem Artikel von Wards Auto erläutert, übernimmt das Port-Einspritzsystem den sauberen Start, die Direkteinspritzung die Volllastbeschleunigung und die beiden Systeme arbeiten zusammen, um alles dazwischen auszugleichen. Dieses D4-S-System wird auch beim 2,0-Liter-Boxer-Vierzylinder verwendet, der den Scion FR-S und Subaru BRZ antreibt.