Az amerikai új személygépkocsi- és teherautó-flotta fele ma már közvetlen benzinbefecskendezéssel (más néven GDI) van felszerelve, ami azt jelenti, hogy az üzemanyagot közvetlenül az égéstérbe permetezik. Ez felveti a kérdést: Mi a következő motorinnováció, amely hamarosan elhagyja a laboratóriumot?
A válasz az, hogy az üzemanyagot két külön úton juttatják a tűzbe, és néhány gyártó már most is portos és közvetlen befecskendezéssel is felszereli motorjait. A Toyota több mint egy évtizede vezette be ezt a technológiát, amelyet D-4S befecskendezésnek nevez, egy V6-os motoron, és ma már a 2,0 literes lapos négyes (amelyet a Subaru épít), a 3,5 literes V6-os és az 5,0 literes V8-as motoron is portos és közvetlen befecskendezést alkalmaz. Az Audi a 3,0 literes V6-os és az 5,2 literes V-10-es motorjainál alkalmazza.
A Ford jelenleg a domináns szereplő az általa kettős üzemanyag-befecskendezésnek nevezett, nagynyomású közvetlen (DI) és alacsonyabb nyomású portbefecskendezéssel (PI). Az alkalmazások közé tartoznak a turbófeltöltős és szívó V6-os és V8-as benzinmotorok – összesen négy darab -, amelyek mérete 2,7 és 5,0 liter között mozog. A 2017-es F-150 Raptor repülő pickupot és a GT szupersportkocsit is új, 3,5 literes EcoBoost V6-osok hajtják ilyen felszereltséggel. A földönjáró F-150-esek szintén nagymértékben támaszkodnak erre a technológiára a két üzemanyaggal működő 3,3 literes alap V6-os és az opcionális 2,7- és 3,5 literes EcoBoost V6-osokkal. A Ford eddigi legfrissebb bejelentett alkalmazása az új 5,0 literes V8-as, amely a 2018-as Mustang GT-t fogja hajtani.
Az alapok
Mielőtt belemerülnénk a PI és a DI párosításának finomságaiba, egy rövid alapozásra van szükség. A sziklákról lezuhanó autók hollywoodi ábrázolásaival ellentétben nincs olyan, hogy öngyulladás. Mivel a folyékony benzin nem ég el, a tartályból vett üzemanyag előkészítése a motorban történő égéshez kétlépcsős folyamat.
Az első lépés a folyadék porlasztása finom cseppekké, amit úgy érünk el, hogy a szivattyú által nyomás alá helyezett benzint apró injektornyílásokon keresztül kényszerítjük. A Hitachi mérnökei által végzett vizsgálat kimutatta, hogy az 1000 psi nyomású és 0,006 és 0,011 hüvelyk átmérőjű nyílásokon keresztül befecskendezett üzemanyag 135 km/órás sebességű ködöt eredményezett, amely mindössze 0,000003 hüvelyk átmérőjű cseppekből állt. Ez rendben van.
A porlasztást a porlasztás követi. Itt a finom üzemanyagcseppek folyadék-gáz fázisátalakuláson mennek keresztül, gőzzé válva, amely keveredhet a levegővel, és a gyújtógyertya által meggyújtható.
Mivel e fázisátalakulás során hőfelvétel történik, hűtőhatás lép fel, amely a motor működési hatékonyságának javítására használható. A PI segítségével a szívócsövön keresztül áramló levegő lehűl, mielőtt az égéstérbe jutna. A DI esetében a hűtési előny magában a kamrában jelentkezik.
Minden stratégiának vannak előnyei és hátrányai. A PI praktikus a szívómotoroknál, mert a beáramló levegő hűtése növeli annak sűrűségét és teljesítménytermelő potenciálját. Az injektorokat lényegesen könnyebb a szívónyílásokban elhelyezni, jóval távolabb a szelepektől és a gyújtógyertyáktól. Ez az upstream elhelyezkedés elegendő időt biztosít a teljes elpárolgáshoz. Az egyik hátránya, hogy az üzemanyagcseppek néha lerakódnak a szívónyílás falán, felborítva a tervezett üzemanyag-levegő arányt.
A DI esetében a detonáció – az üzemanyag-levegő keverék idő előtti begyulladása – esélye csökken, mivel a fázisváltó hűtőhatás a sűrítési ütem alatt, közvetlenül a gyújtás előtt következik be. Az égéstér felületi hőmérsékletének csökkentése magasabb sűrítési arányt és jobb hatásfokot tesz lehetővé, függetlenül attól, hogy a motor szívó vagy feltöltött motorral működik. A Ford 30 lb-ft-tal növelte a csúcsnyomatékot az új 3,5 literes V6-os motorjában azáltal, hogy az új kettős befecskendezési stratégiát nagyobb feltöltőnyomással kombinálta.
A DI-nek vannak hátrányai is. A DI-rendszer drágább, mert az üzemanyagnak az égéstérbe történő befecskendezéséhez szükséges nyomás 50-100-szor nagyobb, mint a PI esetében, és a nagyobb nyomású szivattyú parazita veszteségeket okoz. A közvetlen befecskendezők általában zajosak. A szénlerakódások – mind a szívószelepek hátoldalán, mind a kipufogócsöveken – egyes DI-felhasználók számára szervizelési problémát jelentenek. Mivel kevesebb idő áll rendelkezésre a párolgáshoz, az üzemanyag egy része részecskék vagy korom formájában távozik az égéstérből és a katalizátorból. Ezek a szénrészecskék hasonlóak, de kisebb méretűek, mint a dízelmotorok által kibocsátott részecskék.
A kombináció
A végső stratégia a PI és a DI előnyeinek kombinálása, mindkettő felhasználása a másik negatívumainak csökkentésére. A Toyota például mindkét befecskendezőt kis és közepes terhelés és fordulatszám mellett – más szóval normál vezetés közben – indítja be. Ez megnöveli a bejövő töltet sűrűségét, anélkül, hogy növelné a teljesítményt, és leöblíti a szénlerakódásokat a szívószelepekről. Nagy terhelésű és fordulatszámú körülmények között, amikor az égéstér maximális hűtésére van szükség, mert a detonáció valószínűbb, a DI kezeli az összes üzemanyag befecskendezést.
Peter Dowding, a Ford hajtáslánc benzines rendszerekért felelős főmérnöke más stratégiát tárt fel. A Ford kizárólag PI-t használ alapjáraton és alacsony fordulatszámon a motor sima, csendes és hatékony működése érdekében. A fordulatszám és a terhelés növekedésével az üzemanyag-ellátás a PI és a DI programozott keverékévé válik. A Toyota módszerével ellentétben a Fordnál a PI mindig működik, és az üzemanyag-szállítás legalább 5-10 százalékáért felelős.
Dowding és Ford mérnök kollégája, Stephen Russ hangsúlyozzák, hogy a DI-motoroknál soha nem volt probléma a kipufogócsöveken és a szívószelepeken lévő szénlerakódás. Dowding hozzáteszi: “Most, hogy az elektromos motorok egyre nagyobb szerepet kapnak a meghajtásban, az a feladatunk, hogy javítsuk a motorok hatékonyságát, ahol csak tudjuk. A Ford kettős üzemanyag-technológiája máris értékes, költséghatékony stratégiának bizonyult ebben az erőfeszítésben.”
A modern motorok tervezése és fejlesztése zsonglőrködés, amely a teljesítmény, a károsanyag-kibocsátás, a futásteljesítmény, a tartósság, a vezethetőség és egyéb szempontok egyensúlyát próbálja megteremteni. A kettős üzemanyag-stratégia egy további kulcsot ad a mérnököknek, amelyet forgathatnak, miközben arra törekszenek, hogy minden egyes csepp benzinből több energiát nyerjenek ki. A tanulságok levonásával és az alkatrészköltségek csökkenésével várhatóan egyre több gyártó alkalmazza majd ezt a megközelítést a tüzelésre.
