Port-befecskendezés vagy direkt befecskendezés? Miért fontos a motor üzemanyag-ellátásáról szóló döntés

A port befecskezés a szívócsatornába juttatja az üzemanyagot, míg a közvetlen befecskezés közvetlenül az égéstérbe fújja be azt; a port befecskezés lágyabb gázreakciót és alacsonyabb részecskemissziót kínál, a közvetlen befecskezés pedig magasabb hatásfokot és alacsonyabb CO2-kibocsátást biztosít. Ezért a teljesítmény, a hatásfok és a kibocsátás egyensúlyát egyszerre elérni kívánó gyártók mindkét rendszert együtt alkalmazzák ugyanazon a motornál.

Mi az a port befecskezés, és miben különbözik a közvetlen befecskezéstől?

A folyékony benzint önmagában nem ég el. Az égéshez először apró cseppekre kell bomlania - vagyis atomizálódnia -, majd elpárolognia. A két befecskendezési típus közötti összes különbség ebből az egyszerű fizikai követelményből ered: hogy hol és mekkora nyomással fecskendezik be az üzemanyagot, ez határozza meg a motor karakterét.

Port befecskezésnél (PI, vagy mivel minden hengerhez külön befecskendezőt rendelnek, multi-point/MPFI) a befecskendező a szívócsatornára van szerelve, és az üzemanyagot közvetlenül a szívószelep előtt, a szelep mögé fújja be. Az üzemanyag a hengerbe való belépés előtt hosszú utat tesz meg a szívócsatornában, és bőséges időt kap a párolgásra. A befecskendezőnek a szeleptől és a gyújtógyertyától távolabb, a szelep feletti pozícióba történő elhelyezése mechanikailag is egyszerű; mivel a rendszer alacsony nyomáson működik, egyszerre olcsó és robusztus.

Közvetlen befecskezésnél (GDI/DI) viszont a befecskendező a hengerfejben egy külön hozzáférési ponton keresztül közvetlenül az égéstérbe nyílik. A nyomás lépcsőzetesen emelkedik: a port rendszerben mért nyomás 50-100-szorosa. A méretek jól mutatják, mennyire drámai a különbség - 1000 psi ra sűrített üzemanyag, 0,006-0,011 hüvelyk átmérőjű nyílásokon keresztül kipréselve olyan ködöt hoz létre, amelynek cseppátmérője mindössze 0,000003 hüvelyk , sebessége pedig 135 mph . Ez a gyors fázisváltás a hengeren belül megy végbe, ezért a hatása is ott érzékelhető.

Port befecskezés: miért továbbra is érvényes technológia?

A port befecskezés leginkább figyelmen kívül hagyott előnye az, ahogyan az üzemanyag párolgásakor elnyelt hőt hasznosítja. A PI rendszerben ez a hűtőhatás a szívócsatornában következik be; a beszívott levegőt lehűtő üzemanyag növeli a levegő sűrűségét, és egy szívómotoros (atmoszférikus) motornál felfelé húzza a teljesítménypotenciált. Vagyis a port befecskezés az atmoszférikus motoroknak önmagában kis feltöltési előnyt biztosít.

Második előny az emisszió oldala van. Az üzemanyag a szelep mögötti felületekhez érve és hosszabb idő alatt párologva homogén keveréket készít; ez csökkenti az égésből kiszökő üzemanyag mennyiségét és a részecskék (PM) kibocsátását. A gázreakció is ugyanezek miatt okok miatt lágy: a keverék minden körülmény között kész, a rendszer egyszerű és kiszámítható. Sok vezető "a régi motorok karakteresebbek voltak" benyomásának technikai megfelelője részben ez a kiszámíthatóság.

A gyenge pontjai is egyértelműek. A keverék nem finomítható olyan apró részecskékre, mint a közvetlen befecskendezésnél; a befecskendezett üzemanyag egy része a beszívóport falaira tapadva felborítja a célzott levegő-üzemanyag arányt. Mivel a hengerbe jutó keverék nem ég el teljesen ideális körülmények között, a PI motor termikus hatásfokban elmarad a DI-től.

Mit hoz, és mit vesz el a közvetlen befecskendezés?

Előnyei: Kompresszió, hatásfok és CO2

A közvetlen befecskendezés fő ereje, hogy a párolgási hűtést az égéstérbe viszi. A kompresszió üteme alatt bekövetkező fázisváltás csökkenti a korai és kontrollálatlan begyulladás - azaz a kopogás - valószínűségét. Mivel az égéstér felületi hőmérséklete csökken, a mérnökök mind atmoszférikus, mind turbófeltöltött motoroknál magasabb kompressziós arányt alkalmazhatnak; a magas kompressziós arány pedig egyből hatásfokot jelent. Az üzemanyag hatékonyabb égése kevesebb üzemanyagot és alacsonyabb CO2-kibocsátást jelent ugyanahhoz a munkához. Ez az az alapvető technológiai lépés, amely lehetővé teszi, hogy a legtöbb modern benzinmotor kompressziós arányát a 2000-es évek eleji motorokéval hasonlítsuk össze.

Hátrányai: Költség, zaj és részecskék

Ugyanannak a technológiának megvan a számlája is. 50-100-szoros nyomás drágább befecskendezőket és nagynyomású szivattyút jelent; a szivattyú folyamatos nagynyomás-termelése emellett zajforrás is, és ezért a legtöbb DI motor két üzemanyagszivattyúval működik. A közvetlen befecskendezők szerkezetileg hangosak, és jellegzetes kattogó hangot adnak a motornak.

Az emissziós mérleg is kétélű. A DI csökkenti a CO2-t, de több részecskét termel: mivel a befecskendezéshez kevesebb idő marad a párologtatásra, az üzemanyag egy része koromrészecskékként távozik az égéstérből és a katalizátorból. Ezek a részecskék a dízelmotorok által kibocsátottakhoz hasonlóak, csak kisebbek. Emellett a beszívószelepek mögött felgyülemlő korom valódi szervizprobléma egyes DI-felhasználóknál - mert mivel az üzemanyag már nem mossa a szelepet, a lerakódás felhalmozódik. Ritka, de komoly példa: néhány vezetőnek több tízezer kilométer után dióhéj-szórással (walnut blasting) kell tisztíttatnia a beszívószelepeket. A koromlerakódás témája külön cikk témája; itt a fő kérdés az, hogy a gyártók hogyan kezelik e két rendszer egyensúlyát.

Összehasonlító táblázat: PI és DI egymás mellett

A táblázatra pillantva a választás egyszerűnek tűnik: hatékonyságot akaró az DI-t, egyszerűséget akaró a PI-t választja. De a teljesítménybeli különbség önmagában nem akkora, mint gondolnád; még fórum szintű technikai vitákban is arról esik szó, hogy a két rendszer közötti közvetlen lóerőkülönbség néhány százalékon marad, és az DI igazi hozzájárulása a magasabb kompressziós arány engedélyezése. Vagyis a valódi történet nem arról szól, hogy az egyik technológia legyőzi a másikat, hanem arról, hogy a kettő munkamegosztást végez ugyanabban a motorban.

Miért használnak a gyártók mindkét befecskendezést együtt?

A kettős befecskendezés (dual injection) ugyanabban a motorban mind a port-, mind a közvetlen befecskendező Collect tartalmaz. Az ECU a fordulatszám és a terhelés szerint az egyiket, mindkettőt vagy egy programozott keveréket aktivál. A logika egyszerű: az DI üzemanyag-gazdaságossági és kopogási előnyét kombinálni a PI alacsony kibocsátási és szeleptisztítási előnyével. A motor működési tartományának minden pontján a legoptimálisabb ellátási módszert választják ki.

A Toyota ennek legismertebb alkalmazója. D-4S nevű rendszerét több mint egy évtizede vezették be egy V-6-ban; ma 2,0 literes soros négyesben (Subaru gyártásában), 3,5 literes V-6-ban és 5,0 literes V-8-ben használják. Az alacsony-közepes terhelésű és fordulatszámú, normál vezetésnek megfelelő tartományban mindkét befecskendező Collect egyszerre tüzel - ez növeli a természetes beszívású levegő sűrűségét, miközben a port-befecskendezés továbbra is mossa a szelepeket, vagyis valójában megtisztítja a szénlerakódásokat. Magas terhelés és fordulatszám esetén, ahol a kopogás kockázata magas, az DI veszi át az üzemanyag-ellátás egészét.

A Ford megközelítése eltérő: a nagy nyomású DI-t alacsony nyomású PI kíséri, és a port-befecskendezés soha nem kapcsolódik ki teljesen. Az alkalmazási kör széles - 2,7 és 5,0 liter közötti turbós és természetes beszívású V-6/V-8-ak, 3,3 V-6-s F-150-k, 2017-es F-150 Raptor és a GT 3,5 literes EcoBoost V-6-a, valamint a 2018-as Mustang GT 5,0 V-8-je. Alapjáraton és alacsony fordulatszámon csak a PI működik csendesen és hatékonyan; a fordulatszám és a terhelés növekedésével a két rendszer vegyesen látja el, a PI az üzemanyagnak mindig legalább %5–10-át fedezi. A Ford az új 3,5 literes V-6-ban a kettős befecskendezést magasabb töltőnyomással kombinálva a csúcnyomatékot 30 lb-ft -tel növelte. Az Audi is alkalmazza ugyanazt az elképzelést a 3,0 literes V-6-os és 5,2 literes V-10-es motorokban.

Ahogy az elektromotorok egyre nagyobb hajtási szerepet kapnak, feladatunk, hogy minden lehetőségnél javítsuk a motor hatékonyságát. A Ford kettős üzemanyag-technológiája értékes, költséghatékony stratégiának bizonyult ebben az erőfeszítésben.

A tudományos irodalom is támogatja ezt az irányt: a kettős befecskendezés előnyei között felsorolják a nagyobb vezérlési rugalmasságot, a fokozott hűtőhatást, a kopogás csökkentését, a lehatarozásnak (downsizing) való kedvezőséget és a kiterjesztett szegény keverékes (lean-burn) üzem lehetőségét. A gyakorlatban a nyereség szerény, de valós: különösen alapjárati és alacsony sebességű városi vezetésnél javul a fogyasztás, közepes gyorsításnál pedig a két befecskendező együtt egyensúlyozza a porlasztást, a szelep tisztaságát és a gázreakciót.

Egy árnyalatot érdemes megemlíteni: nem minden kettős befecskendezés oldja meg a szénlerakódást. Néhány motorsport-valid motorban a port-befecskendezők csak magas fordulatszámon és töltőnyomásnál kapcsolnak be plusz üzemanyag céljából; a normál vezetés nagy részében a szelepek továbbra is csak a DI-nek vannak kitéve, és előfordulhat lerakódás. Az dönti el, hogy a rendszer működik-e vagy sem, hogy a port-befecskendező melyik üzemi tartományban aktív.

Az Atkinson-ciklus és kapcsolata a hibridekkel

Az Atkinson-ciklus olyan üzemi stratégia, amely tudatosan enged a teljesítménysűrűből a hatékonyság érdekében; a hagyományos Otto-ciklushoz képest kevesebb teljesítményt ad, de javítja a fogyasztást. Ezért természetes otthona a hibrid járművek: az elektromotor pótolja a teljesítményhiányt, a motor pedig a lehető leghatékonyabb ponton működik. A Toyota Prius, valamint a Ford C-Max és Fusion Hybrid olyan járművek, amelyek a modern Atkinson-ciklus ismert példái; a Toyota az a márka, amely úttörő szerepet játszott e technológia elterjesztésében a sorozatgyártásban.

A befecskendezés oldalával való kapcsolata itt rejlik: az Atkinson-ciklusú motorokban is megtalálható egymás mellett a két üzemanyag-ellátási módszer - a közvetlen és a port-befecskendezés -, és igény szerint az egyik vagy mindkettő használatos. Mivel egy hatékonyságközpontú ciklusban minden százalékpont szent, a kettős befecskendezés kicsi, de valós gazdaságossági hozzájárulása ezeken a platformokon különösen jelentős.

Mit jelent ez a vevő számára?

A rendszer a technikai kíváncsiságon túl a vásárlási és használati döntést is befolyásolja. Manapság egyre nehezebb tisztán portbefecskendezéses motort találni; a legtöbb új benzines vagy tisztán GDI, vagy kettős befecskendezésű. Ha tisztán DI-s járművet vásárol, számoljon hosszú távon a szívószelep korkiülepedésével karbantartási tételként; a kettős befecskendezésű motor, amelyben magas fordulatszámon is aktív a portbefecskendezés, ezt a kockázatot jelentősen csökkenti. Ha vezetési stílusa nagy terhelést és magas fordulatszámot igényel, a DI kopogástűrése és turbónyomás-tűrése kerül előtérbe; ha városi, alapjárati használatra jellemző, akkor a PI alacsonyabb kibocsátása és simább működése a meghatározó. A döntés nem egyetlen győztes kiválasztásáról szól; hanem arról, hogy ismerjük, melyik rendszer a motor melyik üzemi tartományában aktív.

Források

• Magyarázat: Miért van egyes motorokban port- és közvetlen befecskendezés is
• Kettős befecskendezés: Hatékony és gazdaságos technológia a motorok működtetésére
• Közvetlen és port üzemanyag-befecskendezés magyarázata
• Hogyan működnek a közvetlen befecskendezéses motorok
• Atkinson-ciklus
• Így spórolnak az Atkinson-ciklusú motorok az üzemanyaggal
• Port-befecskendezés vs közvetlen befecskendezés: Mi a különbség?