du kanske har läst eller hört en av dina favoritbiltekniska redaktörer som pratar om bensin direktinsprutning och hur det är en av de ”stora teknikerna” som hjälper till att hålla den nästan 200 år gamla förbränningsmotorn levande långt in i det 21: a århundradet. I denna veckas utgåva av ABCs of Car Tech kommer jag att förklara precis vad heck bensin direktinsprutning är och varför du bör bry dig om det är i din nästa bils motor eller inte.
hur fungerade bränsleinsprutning före direktinsprutning?
den moderna bensinförbränningsmotorn (ICE) behöver tre saker för att snurra vevaxeln: syresatt luft, bränsle och en gnista för att få luften och bränslet att explodera. Luften dras genom intaget där den mäts av bilens MAF-sensor (Mass Air Flow) innan den passerar till insugningsgrenröret där den enda insugningsvägen är uppdelad i fyra till åtta insugningslöpare, som var och en leder in i ett av ditt fordons cylindriska förbränningskammare. Någonstans längs linjen blandas insugningsladdningen med bränsle innan tändstiftet gör att allt går bommen inuti förbränningskammaren. Detta är alla ICE 101 för de flesta av er, Jag är säker.
tillbaka i de gamla dagarna av motorteknik gjorde förgasarna och enpunktsbränsleinsprutningssystemen sin relativt oprecisa luft-och bränsleblandning i eller till och med före insugningsgrenröret och tillförde ungefär rätt mängd bränsle för hela banken av cylindrar. För det mesta fick varje förbränningskammare vad den behövde. Beroende på utformningen av insugningsgrenröret kan denna approximation dock leda till att cylindrarna närmast carb-eller bränsleinsprutaren får lite för mycket bränsle (kör rik) medan cylindrarna längst bort blev lite för lite (kör mager). En skicklig förgasare tuner (eller smart motordator) kunde hålla saker från att komma ur kontroll, men även den bästa melodin begränsades av utformningen av insugningsgrenröret.
de allra flesta moderna bilar använder en multi-point bränsleinsprutning (mpfi) setup (även känd som port injektion). Så här fungerar det: i stället för att använda en injektor som sprutar om rätt mängd bränsle, har varje enskild inloppslöpare sin egen injektor (eller injektorer) som lägger till en sprut av aerosoliserat bränsle till insugningsluften från en trycksatt injektor. Luft-och bränsleblandningen dras in i den öppna porten och in i förbränningskammaren av den retreating kolven. Inloppsventilen slår sedan igen och den explosiva förbränningen sker i den nu förseglade cylindern.
för det mesta är MPFI bara bra och dandy. Det är verkligen mycket effektivare än de äldre förgasade och SPFI-systemen tack vare dess förmåga att justera mängden bränsle som läggs till intaget för varje enskild cylinder, utjämna de tidigare magra och rika cylindrarna i grenrörets extrema ändar, förbättra kraftproduktionen och minska bortkastat bränsle. Så varför fixa det som inte är trasigt?
hur förbättrar direktinsprutning prestanda?
du kanske har märkt att under hoppen från förgasning till SPFI till MPFI har den punkt där bränsle läggs till insugningsladdningen flyttat från före gasen till insugningsgrenröret och vidare till de enskilda insugningslöparna-närmare och närmare förbränningskammaren. Direktinsprutning tar denna utveckling till nästa nivå genom att placera injektorn inuti förbränningskammaren. Genom att flytta injektorn in i förbränningskammaren får bensin direktinsprutning (GDI) några fördelar jämfört med de tidigare diskuterade systemen.
genom att placera injektorn inuti cylindern får motorns dator ännu mer precisionskontroll över mängden bränsle under insugningsslaget, vilket ytterligare optimerar luft/bränsleblandningen för att skapa en ren brinnande explosion med mycket lite bortkastat bränsle och ökad kraftleverans.
ett GDI-system har också större flexibilitet när bränslet tillsätts i förbränningscykeln. MPFI-system kan bara lägga till bränsle under kolvens insugningsslag när inloppsventilen är öppen. GDI kan lägga till bränsle när det behöver. Till exempel kan vissa GDI-motorer justera tidpunkten så att en mindre mängd bränsle injiceras under kompressionsslaget, vilket skapar en mycket mindre, kontrollerad explosion i cylindern. Detta så kallade ultra lean burn-läge offrar lite direkt kraft, men minskar kraftigt mängden bränsle som används under tider när fordonet kräver mycket lite grunt (tomgång, frikoppling, retardation etc.).
GDI-motorer reagerar också snabbare på dessa förändringar i timing och mängd bränsletillägg, vilket ökar körbarheten. Dessutom kan fordonet snabbare justera baserat på ingångar från sensorer placerade nedströms från förbränningskammaren, vilket håller de smutsiga utsläppen som blåser ut ur avgasröret i kontroll.
vissa biltillverkare har till och med experimenterat med att använda GDI för att avfyra ytterligare bränsle i cylindern för att skapa sekundär explosion under förbränningscykeln, vilket resulterar i potentiellt ännu mer kraft och effektivitet.
här är ett roligt faktum: direktinsprutningstekniken är inte riktigt så ny som du kanske tror. Tekniken har funnits sedan 1920-talet för bensinmotorer och används faktiskt redan i de flesta dieselmotorer.
finns det några potentiella nackdelar med GDI?
du kanske frågar, ” om GDI är så bra, varför är det inte i varje ny bil?”
en del av anledningen är att tillverkningen av en direktinsprutad motor är dyrare på grund av komponentkomplexitet, vilket innebär att bilen som motorn så småningom driver också skulle vara dyrare att köpa. Till exempel måste injektorerna på en GDI-Motor vara mer robusta än portinjektorer för att klara värmen och trycket på hundratals (eller till och med tusentals) små explosioner per minut. Dessutom, eftersom ett GDI-system måste kunna injicera bränsle i en trycksatt förbränningskammare, måste bränsleledningarna som levererar bensinen vara ännu högre i kompression. GDI-bränslesystem kan köras på många tusen psi jämfört med 40 till 60 psi av portinsprutningssystem.
priset på dessa komponenter sjunker, men i allmänhet och för närvarande är portinjektion billigare och ”tillräckligt bra” för de flesta ekonomibilar.
dessutom har vissa ägare och underhållare av GDI-motorer (särskilt högre prestanda, turboladdade modeller) rapporterat att direktinsprutningssystem ser ökad koluppbyggnad i baksidan av sina insugningsventiler, vilket resulterar i minskat luftflöde och prestanda över tiden. En snabb Google-sökning ger sida efter sida med anekdotiska rapporter om detta problem. Uppbyggnaden uppstår för att i de flesta bilar är inloppsluften uppriktigt sagt smutsig-även med luftfilter på plats, moderna avgascirkulationssystem och vevhusventilationssystem kan lägga till en hel del muck till insugningsladdningen-och utan portinjektorer sprutar bensin (och tvättmedel som den innehåller) på ventilerna, saker kan bli ganska smutsiga under många tusen mil.
direktinsprutning fungerar bra med andra motortekniker
biltillverkare hittar alla möjliga nya sätt att ytterligare förfina förbränningsmotorn med hjälp av direktinsprutningsteknik. Till exempel använder vissa biltillverkare (inklusive Ford, Audi och BMW) GDI i kombination med turboladdning för att skapa motorer med låg förskjutning som får liten motoreffektivitet med stor motoreffekt.
Toyota har erbjudit sitt d-4S-bränsleinsprutningssystem under ett antal år med vissa modeller av sin 3,5-liters V-6-motor. D-4S använder en kombination av både direkt och port injektion för att blanda de bästa egenskaperna hos båda systemen. Som det förklaras i den här artikeln från Wards Auto hanterar portinsprutningssystemet ren start, direktinsprutningen hanterar full belastningsacceleration och de två systemen arbetar i tandem för att balansera allt däremellan. Detta D4 – s-system används också på 2,0-liters boxare fyrcylinder som driver Scion FR-S och Subaru BRZ.