De helft van het Amerikaanse wagenpark is nu uitgerust met directe benzine-injectie (ook bekend als GDI), wat betekent dat de brandstof rechtstreeks in de verbrandingskamer wordt gespoten. Dit roept de vraag op: Wat is de volgende motorinnovatie die op het punt staat het laboratorium te verlaten?
Het antwoord is brandstof naar het vuur brengen via twee afzonderlijke paden, en een paar fabrikanten rusten hun motoren al uit met zowel poort- als directe injectie. Toyota introduceerde deze technologie, die het D-4S-inspuiting noemt, meer dan tien jaar geleden op een V-6 en gebruikt nu zowel poort- als directe inspuiting op zijn 2,0-liter flat-four (die door Subaru wordt gebouwd), 3,5-liter V-6 en 5,0-liter V-8. Audi heeft het op zijn 3.0-liter V-6 en 5.2-liter V-10 motoren.
Ford is momenteel de dominante speler met wat het noemt dual-fuel, hoge-druk directe injectie (DI) en lagere-druk-poortinjectie (PI). Toepassingen omvatten turbo-opgeladen en natuurlijk aangezogen V-6 en V-8 benzinemotoren-vier in alle-omvang variërend van 2,7 tot 5,0 liter. De 2017 F-150 Raptor vliegende pick-up en de GT supercar beide worden aangedreven door nieuwe 3,5-liter EcoBoost V-6s zo uitgerust. Grondgebonden F-150’s vertrouwen ook zwaar op deze technologie met een dual-fueled basis 3,3-liter V-6 en optionele EcoBoost 2,7- en 3,5-liter V-6’s. De meest recent aangekondigde toepassing van Ford tot nu toe is de nieuwe 5,0-liter V-8 die de 2018 Mustang GT zal aandrijven.
De basis
Voordat we dieper ingaan op de fijne kneepjes van het samenspel van PI met DI, is een korte inleiding op zijn plaats. In tegenstelling tot de Hollywood-voorstellingen van auto’s die van een klif af storten, bestaat er niet zoiets als spontane ontbranding. Omdat vloeibare benzine niet zal branden, is de voorbereiding van brandstof uit de tank om binnen de motor te verbranden een proces in twee stappen.
Stap één is het vernevelen van de vloeistof tot fijne druppeltjes, bereikt door benzine onder druk gezet door een pomp door kleine injectoropeningen te forceren. Uit een studie van Hitachi-ingenieurs bleek dat brandstof met een druk van 1000 psi en ingespoten door openingen met een diameter van 0,006 tot 0,011 inch een nevel van 135 km/u met druppeltjes van slechts 0,000003 inch in diameter opleverde. Dat is prima. Verdamping volgt op atomisering. Hier, gaan de fijne brandstofdruppeltjes door een vloeibaar-aan-gas faseverandering, wordend een damp die met lucht kan worden gemengd en door de bougie worden aangestoken.
Omdat de hitte tijdens deze faseverandering wordt geabsorbeerd, is er een koelingseffect, dat kan worden gebruikt om de werkende efficiency van de motor te verbeteren. Met PI, wordt de lucht die door het inlaatspruitstuk stroomt gekoeld voordat het de verbrandingskamer bereikt. Bij DI vindt de koeling in de verbrandingskamer zelf plaats.
Elke strategie heeft plussen en minnen. PI is handig voor natuurlijk aangezogen motoren, omdat het koelen van de inkomende lucht verhoogt de dichtheid en vermogen-producerende potentieel. Het is aanzienlijk gemakkelijker om de injectoren in de inlaatpoorten te plaatsen, ver weg van de kleppen en de bougies. Deze stroomopwaartse locatie biedt ruimschoots de tijd voor volledige verdamping. Een nadeel is dat brandstofdruppels zich soms afzetten op de wanden van de inlaatpoort, waardoor de beoogde brandstof-luchtverhouding wordt verstoord.
Met DI wordt de kans op detonatie – voortijdige ontbranding van het brandstof-luchtmengsel – verkleind omdat het fase-verandering koeleffect plaatsvindt tijdens de compressieslag vlak voor de ontsteking. Het verlagen van de oppervlaktetemperatuur van de verbrandingskamer maakt een hogere compressieverhouding en een verbeterde efficiëntie mogelijk, ongeacht of de motor natuurlijk wordt opgezogen of opgevoerd. Ford heeft het maximumkoppel in zijn nieuwe 3,5-liter V-6 met 30 lb-ft verhoogd door de nieuwe strategie van dubbele inspuiting te combineren met een hogere aanjaagdruk.
Er zijn nadelen aan DI. Een DI-systeem is duurder omdat de druk die nodig is om brandstof in de verbrandingskamer te spuiten 50 tot 100 keer hoger is dan bij PI, en de hogedrukpomp brengt parasitaire verliezen met zich mee. Directe injectoren maken vaak veel lawaai. Koolstofafzetting – zowel op de achterkant van de inlaatkleppen als op de uitlaatpijpen – is voor sommige DI-gebruikers een probleem. Omdat er minder tijd is voor verdamping, ontsnapt er wat brandstof uit de verbrandingskamer en de katalysator in de vorm van roetdeeltjes. Deze koolstofdeeltjes zijn vergelijkbaar met maar kleiner in omvang dan die welke door dieselmotoren worden uitgespuwd.
De combinatie
De ultieme strategie is het combineren van zowel PI- als DI-voordelen, waarbij elk van beide wordt gebruikt om de nadelen van de ander te verminderen. Toyota, bijvoorbeeld, ontsteekt beide injectoren bij lage tot gemiddelde belasting en toerental – met andere woorden, tijdens normaal rijden. Dit verhoogt de dichtheid van de inkomende lading zonder op te voeren en spoelt koolstofafzettingen van de inlaatkleppen. Bij hoge belasting en toerentallen, wanneer een maximale koeling van de verbrandingskamer nodig is omdat detonatie waarschijnlijker is, zorgt DI voor de volledige brandstoftoevoer.
Peter Dowding, Ford’s hoofdingenieur van powertrain benzinesystemen, onthulde een andere strategie. Ford gebruikt PI alleen bij stationair toerental en bij lage toerentallen voor een soepele, stille en efficiënte motorwerking. Naarmate het toerental en de belasting toenemen, wordt de brandstoftoevoer een geprogrammeerd mengsel van PI en DI. In tegenstelling tot Toyota’s methode is Ford’s PI altijd actief, verantwoordelijk voor ten minste 5 tot 10 procent van de brandstoftoevoer.
Dowding en zijn Ford engineering collega Stephen Russ benadrukken dat koolstofafzetting op uitlaatpijpen en inlaatkleppen nooit een probleem is geweest bij hun DI motoren. Dowding voegt daaraan toe: “Nu elektromotoren steeds meer aandrijfrollen krijgen toebedeeld, is het onze taak om de motorefficiëntie te verbeteren waar we maar kunnen. Ford’s dual-fuel technologie heeft al bewezen een waardevolle, kosteneffectieve strategie te zijn in deze inspanning.”
Het ontwerpen en ontwikkelen van moderne motoren is een jongleertruc waarbij wordt gepoogd een evenwicht te vinden tussen vermogen, emissies, kilometrage, duurzaamheid, rijeigenschappen en andere zaken. De dual-fuel strategie geeft ingenieurs een extra sleutel in handen bij hun streven om meer energie uit elke druppel gas te halen. Naarmate lessen worden geleerd en de kosten van onderdelen dalen, verwacht dat meer fabrikanten deze benadering van het aanwakkeren van hun branden.
