Jumătate din flota americană de autoturisme și camioane noi este acum echipată cu injecție directă de benzină (cunoscută și sub numele de GDI) – ceea ce înseamnă că combustibilul este pulverizat direct în camera de combustie. Acest lucru ridică întrebarea: Care este următoarea inovație în materie de motoare pe cale să părăsească laboratorul?
Răspunsul este aducerea combustibilului la foc pe două căi separate, iar câțiva producători își echipează deja motoarele atât cu injecție directă, cât și cu injecție directă. Toyota a introdus această tehnologie, pe care o numește injecție D-4S, pe un V-6 în urmă cu mai bine de un deceniu, iar acum folosește injecția directă și prin port pe motorul său cu patru cilindri în linie de 2,0 litri (care este construit de Subaru), V-6 de 3,5 litri și V-8 de 5,0 litri. Audi o folosește pe motoarele sale V-6 de 3,0 litri și V-10 de 5,2 litri.
Ford este în prezent jucătorul dominant cu ceea ce numește injecție directă (DI) cu combustibil dual, de înaltă presiune și injecție directă (DI) și injecție cu port la presiune mai mică (PI). Aplicațiile includ motoare V-6 și V-8 pe benzină turboalimentate și aspirate natural – patru în total – cu dimensiuni cuprinse între 2,7 și 5,0 litri. Camioneta zburătoare F-150 Raptor din 2017 și supercarul GT sunt ambele propulsate de noile motoare EcoBoost V-6 de 3,5 litri astfel echipate. F-150 de la sol se bazează, de asemenea, în mare măsură pe această tehnologie, cu un V-6 de bază de 3,3 litri cu dublă alimentare și V-6 EcoBoost de 2,7 și 3,5 litri opțional. Cea mai recentă aplicație anunțată de Ford până în prezent este noul V-8 de 5,0 litri care va echipa Mustang GT 2018.
Bazele
Înainte de a aprofunda punctele fine ale echipării PI cu DI, este necesară o scurtă introducere. Contrar reprezentărilor de la Hollywood despre mașini care se prăbușesc de pe stânci, nu există aprindere spontană. Deoarece benzina lichidă nu arde, pregătirea combustibilului extras din rezervor pentru a arde în interiorul motorului este un proces în doi pași.
Primul pas este atomizarea lichidului în picături fine, realizată prin forțarea benzinei presurizate de o pompă prin micile orificii ale injectorului. Un studiu realizat de inginerii de la Hitachi a relevat faptul că un combustibil presurizat la 1000 psi și injectat prin orificii cu diametrul cuprins între 0,006 și 0,011 inch a produs o ceață de picături de numai 0,000003 inch în diametru la 135 mile pe oră. Asta e bine.
Vaporizarea urmează atomizării. Aici, picăturile fine de combustibil trec printr-o schimbare de fază de la lichid la gaz, devenind un abur care poate fi amestecat cu aerul și aprins de bujie.
Pentru că în timpul acestei schimbări de fază se absoarbe căldură, există un efect de răcire, care poate fi folosit pentru a îmbunătăți eficiența de funcționare a motorului. Cu PI, aerul care curge prin colectorul de admisie este răcit înainte de a ajunge în camera de ardere. Cu DI, beneficiul răcirii are loc în interiorul camerei însăși.
Câte o strategie are plusuri și minusuri. IP este la îndemână pentru motoarele cu aspirație naturală, deoarece răcirea aerului care intră crește densitatea acestuia și potențialul de producere a puterii. Este semnificativ mai ușor să amplasezi injectoarele în orificiile de admisie, la distanță mare de supape și bujii. Această amplasare în amonte oferă timp suficient pentru ca vaporizarea completă să aibă loc. Un dezavantaj este că picăturile de combustibil se depun uneori pe pereții orificiului de admisie, perturbând raportul combustibil-aer dorit.
Cu DI, șansa detonării – aprinderea prematură a amestecului de combustibil și aer – este diminuată deoarece efectul de răcire cu schimbare de fază are loc în timpul cursei de compresie, chiar înainte de aprindere. Scăderea temperaturilor de la suprafața camerei de ardere permite un raport de compresie mai mare și o eficiență îmbunătățită, indiferent dacă motorul este aspirat natural sau supraalimentat. Ford a mărit cuplul maxim cu 30 lb-ft în noul său V-6 de 3,5 litri prin combinarea noii strategii de injecție dublă cu o presiune de supraalimentare mai mare.
Există și dezavantaje ale DI. Un sistem DI este mai scump, deoarece presiunea necesară pentru a stropi combustibilul în camera de combustie este de 50 până la 100 de ori mai mare decât în cazul PI, iar pompa de presiune mai mare impune pierderi parazite. Injectoarele directe au tendința de a fi zgomotoase. Depunerile de carbon – atât pe partea din spate a supapelor de admisie, cât și pe țevile de eșapament – reprezintă probleme de service pentru unii utilizatori DI. Deoarece există mai puțin timp pentru ca vaporizarea să aibă loc, o parte din combustibil scapă din camera de ardere și din convertorul catalitic sub formă de particule sau funingine. Aceste particule de carbon sunt similare, dar de dimensiuni mai mici decât cele scuipate de motoarele diesel.
Combinația
Strategia finală constă în combinarea avantajelor PI și DI, folosindu-le pe fiecare pentru a diminua aspectele negative ale celeilalte. Toyota, de exemplu, pornește ambele injectoare în condiții de sarcină și turație mică și medie – cu alte cuvinte, în timpul condusului normal. Acest lucru crește densitatea încărcăturii de intrare fără supraalimentare și curăță depozitele de carbon de pe supapele de admisie. În condiții de sarcină și turație ridicată, când este nevoie de o răcire maximă a camerei de combustie, deoarece detonarea este mai probabilă, DI se ocupă de toată alimentarea cu combustibil.
Peter Dowding, inginerul-șef al Ford pentru sistemele pe benzină ale grupului motopropulsor, a dezvăluit o strategie diferită. Ford folosește doar PI la ralanti și la turații mici pentru o funcționare lină, silențioasă și eficientă a motorului. Pe măsură ce turația și sarcina cresc, alimentarea cu combustibil devine un amestec programat de PI și DI. Spre deosebire de metodologia Toyota, PI de la Ford este în permanență în funcțiune, fiind responsabil pentru cel puțin 5 până la 10 la sută din alimentarea cu combustibil.
Dowding și colegul său inginer de la Ford, Stephen Russ, subliniază că depunerile de carbon pe țevile de eșapament și supapele de admisie nu au fost niciodată o problemă la motoarele lor DI. Dowding adaugă: „Acum, când motoarelor electrice li se atribuie roluri din ce în ce mai mari de propulsie, sarcina noastră este să îmbunătățim eficiența motorului ori de câte ori putem. Tehnologia Ford cu două tipuri de combustibil s-a dovedit deja a fi o strategie valoroasă și rentabilă în acest efort.”
Proiectarea și dezvoltarea motoarelor moderne este un act de jonglerie care încearcă să echilibreze puterea, emisiile, kilometrajul, durabilitatea, manevrabilitatea și alte preocupări. Strategia cu două tipuri de combustibil oferă inginerilor o cheie suplimentară pe care să o rotească în timp ce se străduiesc să deblocheze mai multă energie din fiecare picătură de benzină. Pe măsură ce lecțiile sunt învățate și costurile componentelor scad, să ne așteptăm ca tot mai mulți producători să adopte această abordare pentru a-și alimenta focurile.
.
