Hälften av den amerikanska nybils- och lastbilsflottan är nu utrustad med direktinsprutning av bensin (även kallad GDI), vilket innebär att bränslet sprutas direkt in i förbränningskammaren. Detta väcker frågan: Vad är nästa motorinnovation som är på väg att lämna laboratoriet?
Svaret är att bränslet kommer in i elden på två olika vägar, och några tillverkare utrustar redan sina motorer med både port- och direktinsprutning. Toyota introducerade denna teknik, som kallas D-4S-insprutning, i en V-6 för mer än tio år sedan och använder nu port- och direktinsprutning i sin 2,0-liters flat four (som byggs av Subaru), 3,5-liters V-6 och 5,0-liters V-8. Audi har det i sina 3,0-liters V-6- och 5,2-liters V-10-motorer.
Ford är för närvarande den dominerande aktören med vad företaget kallar dual-fuel, högtrycksdirektinsprutning (DI) och portinsprutning (PI) med lägre tryck. Tillämpningarna omfattar turboladdade och naturligt insugna V-6 och V-8 bensinmotorer – fyra stycken totalt – med en storlek från 2,7 till 5,0 liter. Den flygande pickupen F-150 Raptor 2017 och superbilen GT drivs båda av nya 3,5-liters EcoBoost V-6-motorer som är utrustade på detta sätt. Markbundna F-150:or förlitar sig också i hög grad på den här tekniken med en dubbelbränslebaserad 3,3-liters V-6 i basutförande och valbara EcoBoost 2,7- och 3,5-liters V-6:or som tillval. Fords mest nyligen tillkännagivna tillämpning hittills är den nya 5,0-liters V-8 som kommer att driva 2018 års Mustang GT.
Grunden
Innan vi går in på de fina detaljerna i att koppla ihop PI med DI, är en kort grundkurs på sin plats. I motsats till Hollywoods skildringar av bilar som störtar från klippor finns det ingen självantändning. Eftersom flytande bensin inte brinner är det en process i två steg att förbereda bränslet från tanken för förbränning i motorn.
Steg ett är att atomisera vätskan till fina droppar, vilket uppnås genom att tvinga bensin trycksatt av en pump genom små insprutningsöppningar. En studie av Hitachis ingenjörer avslöjade att bränsle som trycktes till 1000 psi och injicerades genom öppningar med en diameter på mellan 0,006 och 0,011 tum gav en dimma på 135 km/h med droppar med en diameter på endast 0,000003 tum. Det är bra.
Förångning följer på atomisering. Här genomgår de fina bränsledropparna en fasförändring från vätska till gas och blir en ånga som kan blandas med luft och antändas av tändstiftet.
Då värme absorberas under denna fasförändring uppstår en kylningseffekt, som kan användas för att förbättra motorns driftseffektivitet. Med PI kyls luften som strömmar genom insugningsröret innan den når förbränningskammaren. Med DI sker kylningsfördelen i själva kammaren.
Varje strategi har fördelar och nackdelar. PI är praktiskt för motorer med naturlig insugning eftersom kylning av den inkommande luften ökar dess täthet och kraftproduktionspotential. Det är betydligt lättare att placera insprutarna i insugningskanalerna, långt från ventilerna och tändstiften. Denna placering uppströms ger gott om tid för full förångning att inträffa. En nackdel är att bränsledroppar ibland avsätts på väggarna i insugsportarna, vilket rubbar det avsedda förhållandet mellan bränsle och luft.
Med DI minskar risken för detonation – en för tidig tändning av bränslemixen och luftblandningen – eftersom fasväxlingens kylningseffekt sker under kompressionslaget, strax före tändningen. Genom att sänka förbränningskammarens yttemperaturer kan man få ett högre kompressionsförhållande och en förbättrad verkningsgrad, oavsett om motorn är sugstyrd eller laddad. Ford ökade det högsta vridmomentet med 30 lb-ft i sin nya 3,5-liters V-6-motor genom att kombinera den nya strategin med dubbelinsprutning med ett högre laddningstryck.
Det finns nackdelar med DI. Ett DI-system är dyrare eftersom det tryck som krävs för att spruta in bränsle i förbränningskammaren är 50 till 100 gånger högre än med PI, och den högre tryckpumpen medför parasitära förluster. Direkta insprutare tenderar att vara bullriga. Kolavlagringar – både på insugningsventilernas baksidor och på avgasrören – är serviceproblem för vissa DI-användare. Eftersom förångningen har kortare tid på sig, kommer en del bränsle ut ur förbränningskammaren och katalysatorn i form av partiklar eller sot. Dessa kolpartiklar liknar men är mindre i storlek än de partiklar som spottas ut av dieselmotorer.
Kombinationen
Den ultimata strategin är att kombinera både PI- och DI-fördelar, genom att använda var och en av dem för att minska den andras negativa sidor. Toyota t.ex. använder båda insprutarna vid låg till medelhög belastning och låga varvtal – med andra ord vid normal körning. Detta ökar tätheten hos den inkommande laddningen utan att öka effekten och sköljer bort kolavlagringar från insugningsventilerna. Under förhållanden med hög belastning och högt varvtal, när maximal kylning av förbränningskammaren behövs eftersom detonation är mer sannolikt, sköter DI all bränsletillförsel.
Peter Dowding, Fords chefsingenjör för bensinsystem för drivlinor, avslöjade en annan strategi. Ford använder enbart PI vid tomgång och låga varvtal för att få en jämn, tyst och effektiv motordrift. När varvtalet och belastningen ökar blir bränsletillförseln en programmerad blandning av PI och DI. Till skillnad från Toyotas metodik är Fords PI alltid i drift och står för minst 5-10 procent av bränsletillförseln.
Dowding och hans teknikerkollega Stephen Russ från Ford betonar att kolavlagringar på avgasrör och insugningsventiler aldrig har varit ett problem i deras DI-motorer. Dowding tillägger: ”Nu när elmotorer får en allt större roll som drivmedel är vår uppgift att förbättra motoreffektiviteten närhelst vi kan. Fords teknik för dubbla bränslen har redan visat sig vara en värdefull och kostnadseffektiv strategi i detta arbete.”
Design och utveckling av moderna motorer är en jonglering där man försöker balansera effekt, utsläpp, körsträcka, hållbarhet, körbarhet och andra aspekter. Strategin med dubbla bränslen ger ingenjörerna ytterligare en nyckel att vrida om när de strävar efter att frigöra mer energi från varje droppe bensin. I takt med att lärdomar dras och komponentkostnaderna sjunker kan man förvänta sig att fler tillverkare kommer att anta denna strategi för att elda upp sina bränslen.
