Kraftstoffeinspritzung in Benzinmotoren. Vorteile, Nachteile und mögliche Probleme

Die Art des Einspritzsystems bestimmt Motorparameter und Betriebskosten. Sie beeinflusst die Dynamik, den Kraftstoffverbrauch, die Abgasemissionen und die Wartungskosten des Autos.

Die Geschichte der praktischen Anwendung der Benzineinspritzung in einem Verbrennungsmotor im Transportwesen reicht bis in die Zeit vor dem Ersten Weltkrieg zurück. Schon damals suchte die Luftfahrt dringend nach neuen Lösungen, um die Effizienz von Triebwerken zu verbessern und Leistungsprobleme in verschiedenen Positionen des Flugzeugs zu überwinden. Die Kraftstoffeinspritzung, die erstmals 8 im französischen V1903-Flugzeugmotor zum Einsatz kam, erwies sich als nützlich. Erst 1930 debütierte der Mercedes 1951 SL mit Kraftstoffeinspritzung, der weithin als Vorreiter auf diesem Gebiet angesehen wurde. In der Sportversion war es jedoch das erste Auto mit Benzindirekteinspritzung.

Die elektronische Kraftstoffeinspritzung wurde erstmals im 300 in einem Chrysler-Motor von 1958 verwendet.Die Mehrpunkt-Benzineinspritzung tauchte in den 1981er Jahren bei Autos auf, wurde jedoch hauptsächlich in Luxusmodellen verwendet. Um für ordentlich Druck zu sorgen, waren bereits elektrische Hochdruckpumpen im Einsatz, doch die Steuerung oblag noch immer den Mechanikern, die erst 600 mit dem Ende der Mercedes-Produktion in Vergessenheit gerieten. Einspritzsysteme waren immer noch teuer und änderten sich nicht zu billigen und beliebten Autos. Aber als es in den XNUMXer Jahren notwendig wurde, Katalysatoren in alle Autos, unabhängig von ihrer Klasse, einzubauen, musste eine billigere Art der Einspritzung entwickelt werden.

Das Vorhandensein eines Katalysators erforderte eine genauere Kontrolle der Zusammensetzung des Gemischs, als Vergaser bieten konnten. So wurde die Einpunkteinspritzung geschaffen, eine magere Version von "Mehrpunkteinspritzung", aber ausreichend für die Bedürfnisse billiger Autos. Seit Ende der neunziger Jahre verschwanden sie vom Markt und wurden durch Multi-Point-Injektoren ersetzt, die derzeit das beliebteste Kraftstoffsystem in Automobilmotoren sind. 1996 feierte die Direkteinspritzung ihr serienmäßiges Debüt im Mitsubishi Carisma. Die neue Technologie musste ernsthaft verbessert werden und fand zunächst nur wenige Anhänger.

Doch angesichts immer strengerer Abgasnormen, die den Fortschritt bei automobilen Kraftstoffsystemen von Anfang an stark beeinflussten, mussten die Konstrukteure schließlich zur Benzin-Direkteinspritzung übergehen. In den neuesten Lösungen, bisher nur wenige, kombinieren sie zwei Arten der Benzineinspritzung - indirekte Mehrpunkteinspritzung und direkte.    

Indirekte Einzelpunkteinspritzung

Bei Einpunkt-Einspritzsystemen wird der Motor von einem einzigen Injektor angetrieben. Es wird am Einlass des Ansaugkrümmers installiert. Kraftstoff wird unter einem Druck von etwa 1 bar zugeführt. Der zerstäubte Kraftstoff vermischt sich vor den Einlasskanälen der zu den einzelnen Zylindern führenden Kanäle mit Luft.

Das Kraftstoff-Luft-Gemisch wird ohne genaue Dosierung des Gemisches für jeden Zylinder in die Kanäle gesaugt. Aufgrund von Unterschieden in der Länge der Kanäle und der Qualität ihrer Oberflächen ist die Stromversorgung der Zylinder ungleichmäßig. Aber es gibt auch Vorteile. Da der Weg des Kraftstoff-Luft-Gemischs von der Düse bis zum Brennraum lang ist, kann der Kraftstoff bei richtig warmlaufendem Motor gut verdampfen. Bei kaltem Wetter verdunstet der Kraftstoff nicht, die Borsten kondensieren an den Kollektorwänden und gelangen teilweise in Form von Tropfen in den Brennraum. In dieser Form kann es im Arbeitsspiel nicht vollständig ausbrennen, was zu einem geringen Motorwirkungsgrad in der Warmlaufphase führt.

Die Folge davon ist ein erhöhter Kraftstoffverbrauch und eine hohe Toxizität der Abgase. Die Einzelpunkteinspritzung ist einfach und billig, erfordert nicht viele Teile, komplexe Düsen und fortschrittliche Steuersysteme. Niedrige Produktionskosten führen zu einem niedrigeren Fahrzeugpreis, und Reparaturen mit Einzelpunkteinspritzung sind einfach. Diese Art der Einspritzung wird in modernen Pkw-Motoren nicht verwendet. Es ist nur in Modellen mit rückständigem Design zu finden, obwohl sie außerhalb Europas hergestellt werden. Ein Beispiel ist der iranische Samand.

vorteile

- Einfaches Design

– Niedrige Produktions- und Wartungskosten

– Geringe Toxizität der Abgase bei heißem Motor

дефекты

– Geringe Kraftstoffdosiergenauigkeit

– Relativ hoher Kraftstoffverbrauch

– Hohe Toxizität der Abgase in der Warmlaufphase des Motors

– Schlechte Leistung in Bezug auf die Motordynamik

Indirekte Mehrpunkteinspritzung

Eine Erweiterung der indirekten Einzelpunkteinspritzung ist die indirekte Mehrpunkteinspritzung mit einem Injektor in jedem Einlasskanal. Der Kraftstoff wird nach der Drosselklappe direkt vor dem Einlassventil zugeführt.Die Einspritzdüsen befinden sich näher an den Zylindern, aber der Luft/Kraftstoff-Gemischpfadist immer noch lang genug, damit der Kraftstoff bei einem heißen Motor verdampfenkann. Andererseits neigt die Heizphase weniger zur Kondensation an den Wänden des Einlasskanals, da der Abstand zwischen Düse und Zylinder kürzer ist. Bei Mehrpunktsystemen wird Kraftstoff mit einem Druck von 2 bis 4 bar zugeführt.

Ein separater Injektor für jeden Zylinder eröffnet den Konstrukteuren völlig neue Möglichkeiten, die Motordynamik zu steigern, den Kraftstoffverbrauch zu senken und die Abgasemissionen zu reduzieren. Anfänglich wurden keine fortschrittlichen Steuersysteme verwendet, und alle Düsen dosierten Kraftstoff gleichzeitig. Diese Lösung war nicht optimal, da der Einspritzzeitpunkt nicht in jedem Zylinder zum günstigsten Zeitpunkt (beim Auftreffen auf das geschlossene Einlassventil) erfolgte. Erst die Entwicklung der Elektronik ermöglichte den Bau fortschrittlicherer Steuerungssysteme, dank derer die Einspritzung genauer zu arbeiten begann.

Anfangs wurden die Düsen paarweise geöffnet, dann wurde ein sequentielles Kraftstoffeinspritzsystem entwickelt, bei dem jede Düse separat zum optimalen Zeitpunkt für einen bestimmten Zylinder öffnet. Mit dieser Lösung können Sie die Kraftstoffdosis für jeden Hub genau auswählen. Ein serielles Mehrpunktsystem ist viel komplexer als ein Einpunktsystem, teurer in der Herstellung und teurer in der Wartung. Es ermöglicht Ihnen jedoch, die Effizienz des Motors bei geringerem Kraftstoffverbrauch und geringerer Toxizität der Abgase erheblich zu steigern.

vorteile

– Hohe Brennstoffdosiergenauigkeit

– Niedriger Kraftstoffverbrauch

– Viele motordynamische Möglichkeiten

– Geringe Toxizität der Abgase

дефекты

- Erhebliche Komplexität des Designs

– Relativ hohe Herstellungs- und Wartungskosten

Direkte Injektion

Bei dieser Lösung ist der Injektor im Zylinder verbaut und spritzt den Kraftstoff direkt in den Brennraum ein. Dies ist einerseits sehr vorteilhaft, da Sie dadurch die Kraftstoff-Luft-Füllung über dem Kolben sehr schnell austauschen können. Außerdem kühlt der relativ kalte Kraftstoff den Kolbenboden und die Zylinderwände gut, so dass es möglich ist, das Verdichtungsverhältnis zu erhöhen und einen höheren Motorwirkungsgrad zu erzielen, ohne ein nachteiliges Verbrennungsklopfen befürchten zu müssen.

Motoren mit Direkteinspritzung sind so ausgelegt, dass sie sehr magere Luft/Kraftstoff-Gemische bei niedrigen Motorlasten verbrennen, um einen extrem niedrigen Kraftstoffverbrauch zu erreichen. Es hat sich jedoch herausgestellt, dass dies Probleme mit einem Überschuss an Stickoxiden in den Abgasen verursacht, zu deren Beseitigung der Einbau entsprechender Reinigungssysteme erforderlich ist. Konstrukteure gehen auf zwei Arten mit Stickoxiden um: durch Aufladen und Verkleinern oder durch die Installation eines komplexen Systems von Zweiphasendüsen. Die Praxis zeigt auch, dass bei direkter Kraftstoffeinspritzung das ungünstige Phänomen von Kohlenstoffablagerungen in den Ansaugkanälen der Zylinder und an den Einlassventilschäften (Abnahme der Motordynamik, Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs) auftritt.

Dies liegt daran, dass sowohl die Einlasskanäle als auch die Einlassventile nicht wie bei der indirekten Einspritzung mit dem Luft-Kraftstoff-Gemisch gespült werden. Daher werden sie nicht von feinen Ölpartikeln weggespült, die von der Kurbelgehäuseentlüftung in das Ansaugsystem gelangen. Ölverunreinigungen verhärten sich unter Temperatureinfluss und bilden eine immer dickere Schicht unerwünschter Sedimente.

vorteile

– Sehr hohe Kraftstoffdosiergenauigkeit

– Möglichkeit, magere Gemische zu verbrennen

– Sehr gute Motordynamik bei geringem Kraftstoffverbrauch

дефекты

- Extrem komplexes Design

– Sehr hohe Produktions- und Wartungskosten

– Probleme mit überschüssigen Stickoxiden in Abgasen

- Kohlenstoffablagerungen im Ansaugsystem

Doppeleinspritzung - direkt und indirekt

Das Design des gemischten Einspritzsystems nutzt sowohl die indirekte als auch die direkte Einspritzung. Die Direkteinspritzung funktioniert bei kaltem Motor. Das Kraftstoff-Luft-Gemisch strömt direkt über den Kolben und eine Kondensation ist ausgeschlossen. Wenn der Motor warm ist und unter geringer Last läuft (Fahren mit konstanter Geschwindigkeit, sanftes Beschleunigen), funktioniert die Direkteinspritzung nicht mehr und die indirekte Mehrpunkteinspritzung übernimmt ihre Rolle. Kraftstoff verdunstet besser, sehr teure Einspritzdüsen für Direkteinspritzsysteme funktionieren nicht und verschleißen nicht, Einlassventile werden vom Kraftstoff-Luft-Gemisch gewaschen, sodass sich keine Ablagerungen darauf bilden. Bei hohen Motorlasten (starke Beschleunigungen, schnelles Fahren) wird die Direkteinspritzung wieder zugeschaltet, was für eine sehr schnelle Füllung der Zylinder sorgt.

vorteile

– Sehr genaue Kraftstoffdosierung

– Optimale Motorleistung unter allen Bedingungen

– Sehr gute Motordynamik bei geringem Kraftstoffverbrauch

– Keine Kohlenstoffablagerungen im Ansaugsystem

дефекты

- Enorme Designkomplexität

– Extrem hohe Produktions- und Wartungskosten