Motoare cu injecie direct benzin

Tendinta n ceea ce privete proiectarea motoarele cu ardere intern ale automobilelor este obinerea unei puteri specificect mai mari i a unuiconsum de combustibilct mai mic. Pe lng aceste caracteristici se impune prin reglementrile n vigoare limitarea nivelului deemisii poluante. De asemeneazgomotul i confortuln timpul conducerii automobilului au devenit n ultimul timp criterii importante de evaluare a performanelor. Emisiile poluante ale automobilelor sunt o adevrat problem n zonele urbane unde densitatea de automobile este mult peste nivelul zonelor extra-urbane. Mai mult, concentrarea populaiei din ce n ce mai mult n zonele urbane face ca impactul automobilelor asupra mediului urban s fie din ce n ce mai semnificativ. Organismele internaionale reduc periodic limitele de emisii poluante ale automobilelor pentru a diminua impactului acestora asupra sntii umane i a mediului. De asemenea costul combustibilului face ca pentru anumite segmente de automobile consumul de combustibil s fie un criteriu foarte important n ceea ce privete achiziionarea unui automobil.Tipuri de sisteme de injecie pentru motoarele pe benzin Cerinele legate de performane dinamice ridicate, emisii i consum de combustibil sczut, zgomot sczut, oblig productorii de automobile s mbunteasc continuumotoarele cu ardere intern. Sistemul de injecie cu combustibil influeneaz n mare msur prestaiile unui motor cu ardere intern.Carburatorul Primele sisteme de alimentare cu benzin utilizau un carburator pentru dozarea i omogenizarea amestecului aer-combustibil. Principalul dezavantaj al carburatorului este imposibilitatea realizriiamestecului stoichiometric(14.65 kg aer / 1 kg combustibil) ceea ce elimin posibilitatea utilizrii unuicatalizator pe trei ci. Astfel, motoarele cu carburator au un randament specific sczut i consum mare de combustibil.

Sistem de alimentare cu carburator - schem de principiu.1. carburator (camer de nivel constant)2. admisie aer3. obturator admisie4. galerie de admisie5. jiclor6. bloc motorInjecia indirect (MPI,EFI,PFI) Introducerea sistemelor electronice pentru controlul injeciei de combustibil, ncepnd cu anii 1980, a fcut posibil funcionarea motorului cu amestec stoichiometric, ceea ce a condus la utilizareasondelor de oxigeni acatalizatorului pe trei ci. Comparativ cu sistemele de alimentare pe baz de carburaie, injecia indirect de combustibil are urmtoarele avantaje:1. reduceemisiile poluantedatorit posibilitii utilizriisenzorului de oxigeni acatalizatorului;2. crete cuplul i puterea motorului datorit mbuntirii randamentului volumetric (umplere mai bun a cilindrilor cu amestec aer-carburant). Deficiena carburaiei relativ la randamentul volumetric se datoreaz utilizrii unui tub Venturi;3. reduce consumul de combustibil datorit amestecului stoichiometric i a egalizrii cantitii de combustibil injectate pentru fiecare cilindru;4. rspunsul motorului la acceleraii devine mai rapid datorit controlului mai precis al cantitii de combustibil injectate;

MonopunctMultipunct

Foto: Sistem de alimentare cu injecie indirect - scheme de principiuSursa: Bosch1. alimentare cu combustibil2. admisie aer3. obturator4. galeria de admisie5. injector (injectoare)6. bloc motor Cu toate c injecia indirect (n galeria de admisie, n dreptul supapei de admisie) are avantaje semnificative comparativ cu sistemul de alimentare cu carburator nu mai poate ndeplini cerinele actuale legate deemisiile poluantei de mbuntire a performanelor dinamice.Injecia direct (GDI,FSI) Sistemele de injecie de benzin direct n cilindru au nceput s fie studiate i implementate pe automobile ncepnd cu anii 1990. Avantajele acestui sistem comparativ cu injecia indirect sunt numeroase:1. eliminarea depunerii de benzin pe pereii galeriei de evacuare i pe supape.2. mbuntirea controlului amestecului aer-combustibil.3. reducerea pierderilor prin pompaj (aspiraia aerului) n modul de funcionare cu amestec stratificat.4. mbuntirea randamentului termic, n timpul funcionrii cu amestec stratificat, datorit raportului de comprimare mai ridicat.5. scderea emisiilor de CO2 i a consumului de combustibil datorit posibilitii funcionrii cu amestec stratificat.6. scderea pierderilor prin cldur datorit funcionrii cu amestec stratificat7. nclzirea mai rapid a catalizatorului prin divizarea i ntrzierea injeciei de combustibil n faza de evacuare.8. pornire mai bun la rece datorit pulverizrii mai bune a combustibilului.9. rspuns mai bun la acceleraii.

Foto: Sistem de alimentare cu injecie direct - scheme de principiuSursa: Bosch.1. alimentare cu combustibil2. admisie aer3. obturator4. galeria de admisie5. injectoare6. bloc motor Toate aceste avantaje plaseaz sistemele deinjecie direct de benzinn fruntea clasamentului n ceea ce priveteeconomia de combustibil i performanele dinamice ale motoarelor. Evident aceste sisteme au i dezavantaje cum ar fi: costul crescut, complexitatea sistemului de control, necesitatea utilizrii sistemelor de post-tratare a gazelor de evacuare (NOx). Cu toate acestea sistemele de injecie direct de benzin se vor impune i vor fi larg utilizate pentru echiparea motoarelor, deoarece reprezinta una din cele mai abordabile metode pentru ndeplinirea reglementarilor de emisii poluante i pentru creterea performantelor dinamice.Performanele dinamice i emisiile poluante ale unui motor cu injecie direct Parametrii care au cea mai mare influenta asupra unui motor n ceea ce privete randamentul sunt raportul de comprimareiraportul aer/combustibil(lambda). Prin mrirearaportului de comprimarese obine o putere sporit i o reducere a consumului de combustibil. Puterea sporit se datoreaz creterii presiunii din cilindru la sfritul comprimrii ceea ce impune o presiune mai mare pe cursa de destindere deci un cuplu mai mare. Motoarele cu injecie indirect au unraport de comprimaren jur de 9...10. O valoare mai mare de 10 face ca fenomenele distructive ca detonaia s fie prezente n locul arderii normale. n cazul injeciei directe, n momentul injeciei temperatura din cilindru scade deoarece o parte din cldura este absorbit de carburant pentru vaporizare. Astfel se eliminadetonaiacare apare n principal datorit unei temperaturi foarte ridicate la sfritul cursei de comprimare. Motoarele cu injecie direct de benzin funcioneaz curapoarte de comprimaremai ridicate de 11...12. Cel mai mic consum de combustibil se obine atunci cnd amestecul aer-carburant este un pic mai srac dectamestecul stoichiometric. Cu alte cuvinte trebuie s introducem n cilindru mai mult aer dect este necesar pentru a avea o ardere complet a benzinei. Unul din inconvenientele sistemelor de injecie indirect, comparativ cu injecie direct, este modul de funcionare cuamestec stoichiometric, utilizarea amestecurilor srace nefiind posibil. n cazul motoarelor cu injecie direct se poate controla raportul aer-carburant din cilindru n sensul stratificrii acestuia.

Foto: Camer de ardere - Ecotec 2.0L I-4 DI TurboSursa: GMStratificareanseamn un amestec foarte bogat n jurulbujiei(pentru a facilita aprinderea) i foarte srac n apropierea pistonului i a pereilor cilindrului. Funcionarea cu amestec srac n apropierea pistonului i a cilindrului creeaz o izolare termic a nucleului de ardere ceea ce reduce semnificativ transferul cldurii ctre blocul motoripistoane. Astfel se obine o mbuntire a randamentului termic ce are ca efect scderea consumului de combustibil.Amestec stratificat vs amestec omogen Un sistem de injecie indirect funcioneaz tot timpul cuamestec omogen, raportul aer-combustibil fiind aproximativ acelai n interiorul cilindrului. Avantajul sistemelor de injecie direct este controlul jetului de combustibil astfel nct se poate obine unamestec stratificat. Amestecul stratificat se obine prin injectarea benzinei spre sfritul cursei de comprimare, jetul de combustibil fiind ghidat ctrebujie. Funcionarea n mod stratificat aduce o reducere a consumului de combustibil de la15 la 20 %comparativ cu un motor cu injecie indirect. n acest mod de funcionareobturatoruleste folosit foarte puin, doar pentru a permite funcionareaEGR-ului i pentru a crea vacuumul necesar sistemelor servo-asistate. Utilizarea ntr-o mai mic msur aobturatoruluiface ca randamentul volumetric s creasc, umplerea cilindrilor cu aer fcndu-se mai bine. Dezavantajul acestui mod de funcionare, cu amestec stratificat, este necesitatea utilizrii sistemelor de reutilizare a gazelor de evacuare pentru reducerea emisiilor de oxizi de azot (NOx). Deoarece amestecul este srac cantitatea de oxigen este n exces ceea ce conduce la emisii mai ridicate de NOx comparativ cu un motor cu injecie indirect. Astfel, pentru motoarele cu injecie direct de benzin, care funcioneaz i cu amestec stratificat, este necesar utilizareaEGR-ului pentru reducerea emisiilor de oxizi de azot.

Amestec stratificatAmestec omogen

Sursa: Bosch Funcionarea nmod stratificatse face la turaii sczute i sarcini pariale cnd nu sunt necesare acceleraii intense ale motorului. Benzina este injectat cu puin timp nainte capistonuls ajung la sfritul cursei de comprimare astfel fiind posibil reorientarea jetului n jurulbujieipentru o aprindere facil. La sarcini mari ale motorului funcionarea n mod stratificat poate conduce la emisii de particule deoarece amestecul aer-combustibil poate sa fie foarte bogat n jurul bujiei i sa nu ard complet. De asemenea la turaii mari ale motorului curgerea aerului n cilindrii este turbulent ceea ce face imposibil obinerea unui amestec stratificat.

Foto: Modurile de funcionare ale injeciei directe de benzin Regimurile de funcionare cu turaii ridicate sau sarcini mari (acceleraii intense) impun funcionare cu amestec omogen. n acest mod de funcionare combustibilul este injectat n timpul cursei de admisie, turbulentele aerului din cilindru facilitnd omogenizarea amestecului. n funcie de sarcina motorului amestecul omogen poate fi srac (lambda > 1), stoichiometric (lambda = 1) sau bogat (lambda < 1) n cazul n care motorul este la sarcin total (pedala de acceleraie este apsat 100%). Datorit omogenitii amestecului emisiile de oxizi de azot sunt reduse i astfel nu mai este necesar funcionareaEGR-ului.

Foto: Injecia direct de benzin FSI 2.0 AudiSursa: AudiAmestecul omogen sracaduce avantajul unui consum redus de combustibil dar impune utilizareaEGR-ului pentru reducerea emisiilor de oxizi de azot. Acest mod face tranziia ntre amestecul stratificat i cel omogen. Pe msur ce ne apropiem de modul de funcionare omogen (stoichiometricsau bogat) se utilizeaz modul de funcionare cu amestec omogen parial stratificat. n acest mod de funcionare injecia este divizat. Prima injecie (principal), ce conine majoritatea cantitii de combustibil, se realizeaz n timpul cursei de admisie obinndu-se astfel un amestec omogen srac n cilindru. Cndpistonulse apropie de sfritul cursei de comprimare se face a doua injecie (secundar) care conduce la o stratificare a amestecului n zonabujiei. Acest mod de funcionare, prindivizarea injeciei, conduce la reducerea emisiilor de particule i la un consum mai redus de combustibil.Injecia divizateste utilizat i pentru a grbi nclzireacatalizatorului prin efectuarea injeciei secundare pe cursa de evacuare ceea ce conduce la continuarea arderii pe galeria de evacuare.Controlul jetului de combustibil Obinereaamestecului stratificatse face prin ghidarea jetului de combustibil injectat n cilindru astfel nct amestecul bogat sa fie prezent n dreptul bujiei pentru a facilita aprinderea. Ghidarea jetului spre bujie se face n principal prin trei metode:ghidarea cu peretele,ghidarea directa jetului ighidarea cu aerul.

Ghidarea cu pereteleGhidarea cu aerulGhidarea direct

Foto: Injecia direct de benzin - modurile de ghidare a jetului de combustibil.Sursa: BoschGhidarea jetului cu peretelepresupune transportul jetului de combustibil spre bujie utiliznd suprafaa pistonului. Combustibilul este injectat spre piston iar datorit micrii acestuia la sfritul cursei de comprimare jetul este redirecionat sprebujie. Dezavantajul acestei metode const n faptul c o parte din combustibilul injectat pecapul pistonuluise depune, nu se evapor total ceea ce are impact asupra creterii consumului de combustibil i asupra emisiilor de hidrocarburi (HC) i a monoxidului de carbon (CO).Ghidarea jetului cu aerul(VW) utilizeaz pentru fiecare cilindru cte o palet de redirecionare a aerului (montate n galeria de admisie) cu ajutorul creia se controleaz curentul de aer. Astfel jetul de combustibil injectat este purtat de ctre curenii de aer ctrebujie. Avantajul acestei metode se datoreaz izolrii jetului de combustibil cu aer ceea ce se traduce n consum de combustibil i emisii mai mici.

Foto: Injector lateral (ghidare cu aerul a jetului) - Ecotec 2.0L I-4 DI TurboSursa: GMGhidarea direct a jetului(Mercedes, BMW) se obine prin plasarea injectorului n vecintateabujiei. Teoretic aceasta metoda este cea mai eficient deoarece elimina fenomenul depunerii combustibilului pe pistonsau pe pereii cilindrului. De asemenea acest mod de ghidare a jetului este mai puin sensibil la fluctuaiile curenilor de aer din cilindru. Dezavantajul este data de fiabilitatea mai redus a bujiei datorit depunerilor de carbon, depuneri provenite din arderea incomplet a combustibilului.

Foto: Injector plasat central (ghidare direct a jetului) BMWSursa: BMWSistemul de alimentare cu combustibil pentru injecie direct Injecia direct de combustibil n cilindru necesit presiuni relativ ridicate, n jur de40 130 bari. Comparativ, la un sistem de injecie indirect presiunile se situeaz n jurul valorii de4 bari. Presiunile mari sunt necesare pentru ca jetul de combustibil s aib penetraia corespunztoare n cilindru i pentru ca pulverizarea i evaporarea s fie ct mai eficiente. Cu toate acestea nu se poate crete mai mult presiunea de injecie pentru a avea o pulverizare i mai bun deoarece crete probabilitatea ca jetul s aib o penetraie foarte mare i s ating pereii cilindrului saucapul pistonului. n principiu un sistem de injecie direct de benzin este compus din: rezervor de combustibil, pomp electric de joasa presiune, filtru de combustibil, pomp de nalt presiune, ramp comun, regulator de presiune (electro-supapa), senzor de presiune, injectoare.

Foto: Componentele principale ale unui sistem de injecie direct de benzinSursa: Bosch Combustibilul stocat n rezervor este scos de ctre pompa electric la o presiune de 4 5 bari i trimis ctre pompa de nalt presiune. Pompa de joas presiune este localizat de obicei n rezervor sau n vecintatea acestuia. Filtrul are rolul de a reine impuritile din combustibil pentru a evita ptrunderea acestora n pompa de nalt presiune, injectoare sau regulator.

Foto: Componentele sistemului de injecie direct de benzinSursa: BoschPompa de nalt presiuneeste antrenat de arborele cu came i trimite combustibilul ctre ramp la o presiune de maxim 130 bari. Valoarea presiunii din rampa depinde de punctul de funcionare al motorului (turaie i sarcin) i este controlat ntre 40 i 130 de bari cu ajutorul regulatorului de presiune. Informaia presiunii din ramp este citit decalculatorul de injecieprin intermediul unui senzor de presiune. Injectorul este componenta central a sistemului de injecie. Acesta preia combustibilul din ramp i-l injecteaz n cilindru. Comanda injectoarelor este fcut decalculatorul de injeciecare, n funcie de tipul amestecului i de punctul de funcionare al motorului, regleaz momentul i durata deschiderii injectoarelor. Modul de funcionare cu amestec omogen i stratificat se poate urmrii n animaia de mai jos, pentru un motorVW FSI. Viitorul apropiat al sistemelor de propulsie pentru automobile cu carburant fosil aparine motoarelor pe benzin cuinjecie direct. Datorit performanelor acestora n ceea ce privete consumul i puterea motoarele pe benzin cu injecie direct ncep s se apropie tot mai mult de motoarele diesel supraalimentate dar la un pre de cost mai mic. Mai mult, utilizareasupraalimentriimpreun cu injecia direct va mpinge performanele motoarelor pe benzin la nivele la care un motor diesel va ajunge foarte greu i cu costuri semnificativ mai mari.