Halvdelen af den amerikanske flåde af nye biler og lastbiler er nu udstyret med direkte benzinindsprøjtning (også kendt som GDI) – hvilket betyder, at brændstoffet sprøjtes direkte ind i forbrændingskammeret. Dette giver anledning til at stille spørgsmålet:
Svaret er at bringe brændstof til ilden ad to forskellige veje, og nogle få producenter har allerede udstyret deres motorer med både port- og direkte indsprøjtning. Toyota introducerede denne teknologi, som de kalder D-4S-indsprøjtning, på en V-6-motor for mere end et årti siden og anvender nu port- og direkte indsprøjtning på sin 2,0-liters flad fire-liters (som er bygget af Subaru), 3,5-liters V-6-motor og 5,0-liters V-8-motor. Audi anvender det på sine 3,0-liters V-6- og 5,2-liters V-10-motorer.
Ford er i øjeblikket den dominerende aktør med det, de kalder dual-fuel, højtryksdirekte indsprøjtning (DI) og portindsprøjtning (PI) med lavere tryk. Anvendelsesområderne omfatter turboladede og naturligt indsugede V-6- og V-8-benzinmotorer – fire i alt – i størrelsen fra 2,7 til 5,0 liter. Den flyvende pickup F-150 Raptor 2017 og GT-superbilen drives begge af nye 3,5-liters EcoBoost V-6-motorer med dette udstyr. Jordbaserede F-150’er er også stærkt afhængige af denne teknologi med en dobbeltdrevet 3,3-liters V-6 i basisversionen og valgfrie EcoBoost 2,7- og 3,5-liters V-6’ere på 2,7- og 3,5-liter. Fords mest nyligt annoncerede anvendelse indtil videre er den nye 5,0-liters V-8, der skal drive 2018 Mustang GT.
Grundlæggende
Hvor vi går i dybden med de fine punkter ved at kombinere PI med DI, er det på sin plads med en kort grundbog. I modsætning til Hollywoods skildringer af biler, der styrter ned fra klipper, findes der ikke noget, der hedder spontan antændelse. Fordi flydende benzin ikke brænder, er det en proces i to trin at forberede brændstof fra tanken til forbrænding i motoren.
Trin et er at forstøve væsken til fine dråber, hvilket opnås ved at tvinge benzin under tryk fra en pumpe gennem bittesmå injektoråbninger. En undersøgelse foretaget af Hitachi-ingeniører viste, at brændstof, der blev presset til 1000 psi og injiceret gennem åbninger med en diameter på mellem 0,006 og 0,011 tommer, gav en tåge på 135 km/t med dråber med en diameter på kun 0,000003 tommer. Det er fint.
Fordamning følger forstøvning. Her gennemgår de fine brændstofdråber en faseændring fra væske til gas og bliver til en damp, der kan blandes med luft og antændes af tændrøret.
Da der absorberes varme under denne faseændring, er der en køleeffekt, som kan bruges til at forbedre motorens driftseffektivitet. Med PI afkøles den luft, der strømmer gennem indsugningsmanifolden, før den når forbrændingskammeret. Med DI sker kølefordelen i selve kammeret.
Hver strategi har fordele og ulemper. PI er praktisk for motorer med naturlig indsugning, fordi afkøling af den indkommende luft øger dens tæthed og dens kraftproducerende potentiale. Det er betydeligt lettere at placere injektorerne i indsugningsåbningerne, et godt stykke væk fra ventilerne og tændrørene. Denne placering opstrøms giver rigelig tid til, at der kan ske fuld fordampning. En ulempe er, at der undertiden aflejres brændstofdråber på væggene i indsugningsåbningen, hvilket forstyrrer det tilsigtede brændstof-luft-forhold.
Med DI mindskes risikoen for detonation – for tidlig antændelse af brændstof- og luftblandingen – fordi den faseændrende køleeffekt finder sted under kompressionsslaget lige før tændingen. Ved at sænke forbrændingskammerets overfladetemperaturer kan der opnås et højere kompressionsforhold og en bedre virkningsgrad, uanset om motoren er med naturlig indsugning eller boosting. Ford øgede det maksimale drejningsmoment med 30 lb-ft i sin nye 3,5-liters V-6 ved at kombinere den nye strategi med dobbeltindsprøjtning med et højere ladetryk.
Der er ulemper ved DI. Et DI-system er dyrere, fordi det tryk, der kræves for at sprøjte brændstof ind i forbrændingskammeret, er 50 til 100 gange højere end ved PI, og den højere trykpumpe medfører parasitære tab. Direkte injektorer har en tendens til at larme. Kulstofaflejringer – både på bagsiden af indsugningsventilerne og på udstødningsrørene – er et serviceproblem for nogle DI-brugere. Fordi der er mindre tid til fordampning, slipper noget brændstof ud af forbrændingskammeret og katalysatoren som partikler eller sod. Disse kulstofpartikler ligner, men er mindre i størrelse end dem, der spyttes ud af dieselmotorer.
Kombinationen
Den ultimative strategi er at kombinere både PI- og DI-fordelene og bruge hver af dem til at mindske den andens negative sider. Toyota f.eks. affyrer begge injektorer under lav til middelhøj belastning og omdrejningstal – med andre ord under normal kørsel. Dette øger tætheden af den indkommende ladning uden at booste og skyller kuldeaflejringer væk fra indsugningsventilerne. Under forhold med høj belastning og høje omdrejninger, hvor der er behov for maksimal køling af forbrændingskammeret, fordi detonation er mere sandsynlig, håndterer DI al brændstoftilførslen.
Peter Dowding, Fords chefingeniør for benzinsystemer til drivlinen, afslørede en anden strategi. Ford bruger PI alene i tomgang og ved lave omdrejninger for at opnå en jævn, stille og effektiv motordrift. Når omdrejningstallet og belastningen stiger, bliver brændstoftilførslen en programmeret blanding af PI og DI. I modsætning til Toyotas metode er Fords PI altid i drift og er ansvarlig for mindst 5-10 % af brændstoftilførslen.
Dowding og hans ingeniørkollega Stephen Russ fra Ford understreger, at kulstofaflejringer på udstødningsrør og indsugningsventiler aldrig har været et problem i deres DI-motorer. Dowding tilføjer: “Nu, hvor elmotorer får en stadig større rolle som fremdrift, er det vores opgave at forbedre motorens effektivitet, når vi kan. Fords dual-fuel-teknologi har allerede vist sig at være en værdifuld, omkostningseffektiv strategi i denne bestræbelse.”
Design og udvikling af moderne motorer er en jonglering, hvor man forsøger at afbalancere effekt, emissioner, kilometertal, holdbarhed, køreegenskaber og andre hensyn. Dual-fuel-strategien giver ingeniørerne endnu en nøgle at dreje på, når de stræber efter at få mere energi ud af hver dråbe benzin. Efterhånden som man lærer af erfaringerne og komponentomkostningerne falder, kan man forvente, at flere fabrikanter vil indføre denne tilgang til at tænde for deres brænde.
