Puolet Yhdysvaltojen uusista henkilö- ja kuorma-autoista on nykyään varustettu bensiinin suoraruiskutuksella (tunnetaan myös nimellä GDI), mikä tarkoittaa, että polttoaine ruiskutetaan suoraan palotilaan. Tämä herättää kysymyksen: Mikä on seuraava moottori-innovaatio, joka on lähdössä laboratoriosta?
Vastaus on polttoaineen syöttäminen tuleen kahta eri reittiä, ja muutamat valmistajat varustavat jo nyt moottorinsa sekä portti- että suoraruiskutuksella. Toyota esitteli tämän tekniikan, jota se kutsuu D-4S-ruiskutukseksi, V6-moottorissa yli kymmenen vuotta sitten, ja nyt se käyttää portti- ja suoraruiskutusta 2,0-litraisessa nelosmoottorissaan (jota Subaru valmistaa), 3,5-litraisessa V6-moottorissaan ja 5,0-litraisessa V8-moottorissaan. Audi käyttää sitä 3,0-litraisessa V6- ja 5,2-litraisessa V10-moottorissaan.
Ford hallitsee tällä hetkellä kaksoispolttoainemoottoriksi kutsumansa korkeapaineisen suoraruiskutuksen (DI) ja matalapaineisen porttiruiskutuksen (PI). Käyttökohteita ovat turboahdetut ja imusarjaiset V6- ja V8-bensiinimoottorit – kaikkiaan neljä – joiden koko vaihtelee 2,7 litrasta 5,0 litraan. Vuoden 2017 F-150 Raptor -lentävässä pickupissa ja GT-superautossa on molemmissa uudet 3,5-litraiset EcoBoost V-6 -moottorit, jotka on varustettu näin. Myös maavetoiset F-150:t luottavat vahvasti tähän tekniikkaan kaksoiskäyttöisellä 3,3-litraisella perus-V-6:lla ja valinnaisilla EcoBoost 2,7- ja 3,5-litraisilla V-6-moottoreilla. Fordin toistaiseksi viimeisin julkistama sovellus on uusi 5,0-litrainen V-8-moottori, joka on vuoden 2018 Mustang GT:n voimanlähde.
Perusteet
Ennen kuin syvennytään PI:n ja DI:n yhdistämisen hienoihin yksityiskohtiin, lyhyt pohjustus on paikallaan. Toisin kuin Hollywoodin kuvauksissa jyrkänteiltä syöksyvistä autoista, spontaania syttymistä ei ole olemassa. Koska nestemäinen bensiini ei pala, polttoainesäiliöstä otetun polttoaineen valmistaminen palamaan moottorissa on kaksivaiheinen prosessi.
Ensimmäisessä vaiheessa neste sumutetaan hienojakoisiksi pisaroiksi, mikä saavutetaan pakottamalla pumpun paineistama bensiini pienten ruiskutusaukkojen läpi. Hitachi-insinöörien tekemässä tutkimuksessa kävi ilmi, että 1000 psi:n paineistettu polttoaine, joka ruiskutettiin halkaisijaltaan 0,006-0,011 tuuman aukkojen läpi, tuotti 135 mailin tuntinopeudella liikkuvan sumun, jonka pisaroiden halkaisija oli vain 0,000003 tuumaa. Se on hienoa.
Höyrystyminen seuraa sumutusta. Tällöin hienot polttoainepisarat käyvät läpi nesteen ja kaasun välisen faasimuutoksen ja muuttuvat höyryksi, joka voidaan sekoittaa ilmaan ja sytyttää sytytystulpalla.
Koska tämän faasimuutoksen aikana absorboituu lämpöä, syntyy jäähdytysvaikutus, jota voidaan käyttää moottorin hyötysuhteen parantamiseen. PI:n avulla imusarjan läpi virtaava ilma jäähdytetään ennen kuin se pääsee palotilaan. DI:llä jäähdytyshyöty tapahtuu itse kammiossa.
Kummassakin strategiassa on hyvät ja huonot puolensa. PI on kätevä luontaisesti imeville moottoreille, koska sisään tulevan ilman jäähdyttäminen lisää sen tiheyttä ja tehontuottopotentiaalia. Injektorit on huomattavasti helpompi sijoittaa imuaukkoihin, kauas venttiileistä ja sytytystulpista. Tämä sijainti ylävirtaan antaa riittävästi aikaa täydelliseen höyrystymiseen. Yksi haittapuoli on se, että polttoainepisarat laskeutuvat joskus imuaukon seinämille, mikä häiritsee tavoiteltua polttoaine-ilmasuhdetta.
DI:llä detonaation – polttoaineen ja ilman seoksen ennenaikaisen syttymisen – mahdollisuus vähenee, koska vaiheenvaihtelujäähdytysvaikutus tapahtuu puristustahdin aikana juuri ennen syttymistä. Palotilan pintalämpötilojen alentaminen mahdollistaa suuremman puristussuhteen ja paremman hyötysuhteen riippumatta siitä, onko moottori imu- vai paineistettu. Ford nosti uuden 3,5-litraisen V6-moottorinsa huippuvääntöä 30 lb-ft:llä yhdistämällä uuden kaksoissuihkutusstrategian korkeampaan ahtopaineeseen.
DI-moottorilla on myös huonoja puolia. DI-järjestelmä on kalliimpi, koska polttoaineen ruiskuttamiseen palotilaan tarvittava paine on 50-100 kertaa suurempi kuin PI-järjestelmässä, ja korkeamman paineen pumppu aiheuttaa loishäviöitä. Suorasuihkuttimet ovat yleensä äänekkäitä. Hiilikerrostumat – sekä imuventtiilien takapuolella että pakoputkissa – ovat huolto-ongelmia joillekin DI-käyttäjille. Koska höyrystymiseen on vähemmän aikaa, osa polttoaineesta pääsee hiukkasina tai nokena palotilaan ja katalysaattoriin. Nämä hiilihiukkaset ovat samankaltaisia mutta kooltaan pienempiä kuin dieselmoottoreiden sylkemät hiukkaset.
Yhdistelmä
Viimeinen strategia on yhdistää sekä PI:n että DI:n edut ja käyttää kumpaakin vähentämään toisen haittoja. Esimerkiksi Toyota laukaisee molemmat ruiskutussuuttimet matalan tai keskinkertaisen kuormituksen ja kierroslukujen aikana – toisin sanoen normaalin ajon aikana. Tämä nostaa tulevan latauksen tiheyttä ilman tehostamista ja huuhtelee hiilikerrostumat pois imuventtiileistä. Korkean kuorman ja kierrosluvun aikana, jolloin tarvitaan maksimaalista palotilan jäähdytystä, koska detonaatio on todennäköisempää, DI hoitaa kaiken polttoaineen syötön.
Peter Dowding, Fordin voimansiirron bensiinijärjestelmien pääinsinööri, paljasti erilaisen strategian. Ford käyttää pelkkää PI:tä tyhjäkäynnillä ja alhaisilla kierroksilla moottorin tasaisen, hiljaisen ja tehokkaan toiminnan varmistamiseksi. Kun kierrokset ja kuormitus kasvavat, polttoaineen syöttö muuttuu ohjelmoiduksi PI:n ja DI:n sekoitukseksi. Toisin kuin Toyotalla, Fordin PI on aina toiminnassa ja vastaa vähintään 5-10 prosentista polttoaineen syötöstä.
Dowding ja hänen Fordin insinöörikollegansa Stephen Russ korostavat, että heidän DI-moottoreissaan ei ole koskaan esiintynyt hiilikerrostumia pakoputkissa ja imuventtiileissä. Dowding lisää: ”Nyt kun sähkömoottoreille annetaan yhä enemmän käyttövoiman rooleja, tehtävämme on parantaa moottorin hyötysuhdetta aina kun voimme. Fordin monipolttoainetekniikka on jo osoittautunut arvokkaaksi ja kustannustehokkaaksi strategiaksi tässä pyrkimyksessä.”
Nykyaikaisten moottoreiden suunnittelu ja kehittäminen on jongleerausta, jossa yritetään löytää tasapaino tehon, päästöjen, ajokilometrimäärän, kestävyyden, ajettavuuden ja muiden seikkojen välillä. Monipolttoainestrategia antaa insinööreille ylimääräisen avaimen, jota he voivat kääntää, kun he pyrkivät saamaan enemmän energiaa irti jokaisesta bensiinipisarasta. Kun kokemuksia saadaan ja komponenttikustannukset laskevat, yhä useammat valmistajat voivat odottaa ottavansa tämän lähestymistavan käyttöön palojensa lämmittämiseksi.
