Hoe Brandstofinjectiesystemen Moderne Automobielmotoren Aandrijven

Weet je hoe brandstof in de verbrandingskamer van automobielmotoren wordt toegevoerd? Zeker niet meer via de carburator, maar via de brandstofinjector. Deze zijn inmiddels verouderd, vooral voor verbrandingsmotoren. Een effectief proces heet brandstofinjectiesysteem.

Brandstofinjectie is de invoering van brandstof in verbrandingsmotoren, voornamelijk automobielmotoren, met behulp van injectoren. Dit proces werd geïntroduceerd om te voldoen aan emissie- en brandstofefficiëntiewetten. Door de jaren zagen autofabrikanten grote voordelen van brandstofinjectoren, wat de ondergang van carburators in gang zette.

Vanaf 1980 werd brandstofinjectie de vervanger van carburators op benzine-motoren. Het verschil is dat brandstofinjectie de brandstof verstuift door een kleine monding onder hoge druk, terwijl carburators vertrouwen op het aanzuigen van brandstof in de luchtstroom door een venturibuis.

Onderzoek heeft aangetoond dat alle dieselmotoren standaard brandstofinjectie gebruiken. Benzinemotoren kunnen directe injectie (GDI) gebruiken, waar brandstof direct in de verbrandingskamer wordt gespoten. Indirecte injectie is ook mogelijk, waar brandstof met lucht wordt gemengd voor de inlaatslag.

Vandaag kijken we diep in de definitie, functies, onderdelen, typen, werking, problemen, voor- en nadelen van brandstofinjectiesystemen in automobielmotoren.

Wat is een Brandstofinjector?

Brandstofinjectoren zijn kleine mondingen die elektronisch worden bestuurd om brandstof onder hoge druk in de verbrandingskamer van een motor te verstuiven. Ze bevatten kleppen die veel keer per seconde kunnen openen en sluiten.

Voor het bestaan van brandstofinjectoren werd de carburator veel gebruikt op motoren, en tot op de dag van vandaag bestaan deze motoren nog. Veel machines als grasmaaien en kettingzagen gebruiken nog steeds carburators. Maar omdat het component gecompliceerd raakte bij het beheersen van alle eisen aan automobielen, werd een betere alternatief vrijgegeven.

Carburators werden eerst vervangen door throttle-body brandstofinjectiesystemen (single-point of centrale brandstofinjectie). Dit systeem gebruikt elektrisch bestuurde brandstofinjector-kleppen in de throttle body.

Dit was bijna de beste alternatief, waardoor autofabrikanten geen drastische veranderingen aan motordesigns hoefden te maken.

Stapsgewijs, naarmate nieuwe motoren werden ontworpen, verving multi-port brandstofinjectie de throttle-body injectie. Dit heet ook poort-, multi-point of sequentiële brandstofinjectie.

Het systeem bevat een brandstofinjector voor elke cylinder die rechtstreeks op de inlaatklep spuit. Het biedt nauwkeurigere brandstofmeting en snellere reactie.

Functies van Brandstofinjector

• Het primaire doel van brandstofinjectiesysteem in dieselmotoren is dat hun ontwerp zwaar beïnvloed wordt door het component.
• Brandstofinjector helpt brandstof aan de cylinders te leveren.
• Het verbetert de motor qua prestaties, emissie en geluidskarakteristieken.
• Brandstof wordt geleverd onder extreme hoge injectiedrukken.
• Materialen zijn ontworpen om hogere spanningen te weerstaan voor duurzaamheid die past bij de motorwerking.
• Een ander doel is dat brandstof op het juiste moment wordt geïnjiceerd; de injectietijd wordt bestuurd.
• De juiste hoeveelheid brandstof moet worden geleverd om aan het vermogensverzoek van de motor te voldoen; de injectiemeting wordt bestuurd.
• Injectoren zijn gemaakt met hoge productieprecisie en tolerantie om werkingsefficiëntie te waarborgen en lekkage te voorkomen.
• Brandstofinjector verstuift brandstof in heel kleine deeltjes zodat elke druppel verdampt en verbrandt.
• Er is voldoende zuurstof om met de verstuifde brandstof te mengen en complete verbranding te garanderen.

Hoofdonderdelen van Brandstofinjectiesysteem

De belangrijkste functionele onderdelen die de werking van brandstofinjectie in automobielmotoren mogelijk maken:

De hoofdonderdelen zijn verdeeld in laag-druk- en hoog-drukkant: de laag-drukonderdelen zijn de brandstoftank, brandstoffilter en brandstofaanvoerpomp. De hoog-drukkant omvat hoge-drukpomp, brandstofinjector, accumulator, brandstofinjectormonding. De injectiemonding heeft verschillende actuator-ontwerpen voor diverse typen brandstofinjectiesystemen.

Brandstof moet van de tank naar het injectiesysteem: dat is het laag-druksysteem. Van de injector naar de verbrandingskamer is het hoog-druksysteem. Hieronder de rollen van de genoemde onderdelen:

• Brandstoftank – waar brandstof wordt opgeslagen.
• Brandstofpomp – pompt brandstof van de tank naar het injectiesysteem.
• Injectiepomp – meet en pressuriseert brandstof voor injectie.
• Regelaar (Governor) – levert brandstof conform de belasting.
• Brandstofinjector – levert brandstof van de injectiepomp naar de cylinders.
• Brandstoffilter – filtert vuil, stof en abrasieve deeltjes die het injectiesysteem kunnen blokkeren.

Afbeelding toont de belangrijkste onderdelen van een brandstofinjector:

Brandstofinjectiesystemen werken volledig op precisie om de juiste hoeveelheid brandstof voor elke werkingstoestand te leveren. De motorcontrolunit (ECU) bewaakt de meeste invoersensoren. Hieronder enkele onderdelen die sensoren gebruiken voor precieze werking:

• Zuurgstofsensor – meet zuurstof in de uitlaat, zodat de ECU kan bepalen of het mengsel rijk of arm is. Past dit aan.
• Gaspedaal-standsensor – monitort de stand van de gaspedaal om te weten hoeveel lucht de motor binnenkomt. De ECU reageert snel, verhoogt of verlaagt de brandstoftoevoer.
• Massa-luchtsensor – laat de ECU weten hoeveel lucht de motor binnenkomt.
• Koelvloeistof-temperatuursensor – bepaalt wanneer de motor de juiste werktemperatuur bereikt.
• Absoluut collectordruksensor – meet de druk van de lucht in de inlaatcollector.
• Motorsnelheidssensor – monitort de motorsnelheid, gebruikt voor berekening van de pulsbreedte.
• Spanningssensor – bepaalt de systeemspanning om te weten wanneer de ECU de idle-snelheid moet verhogen (bij spanningsval = hoge elektrische belasting).

Types Brandstofinjectiesystemen

Single-Point of Throttle Body Injectie:

De eenvoudigste en vroegste brandstofinjectie die carburators verving. Het bevat één of twee injectormondingen in de throttle body, de keel van de inlaatcollector.

Dit systeem is minder precies dan opvolgers, maar ten opzichte van carburators: betere controle, goedkoper en eenvoudiger te serviceeren.

Poort- of Multiport Brandstofinjectie:

Bij multiport brandstofinjectie zit een aparte injectormonding in elke cylinder, bij de inlaatpoort. Daarom heet het soms poortinjector: het spuit brandstofdamp dicht bij de inlaatplaats, zodat het volledig in de cylinder getrokken wordt.

Voordeel: nauwkeurigere brandstofmeting dan single-point. Het bereikt de vereiste lucht/brandstofverhouding en elimineert praktisch de kans dat brandstof condenseert of verzamelt in de inlaatcollector.

Sequentiële Brandstofinjectie:

Ook wel sequentiële poort brandstofinjectie of tijdsinjectie genoemd. Het is een type multiport-injectie. Basis multiport gebruikt meerdere injectoren die allemaal tegelijk of sequentieel spuiten, waardoor brandstof bij idle tot 150 milliseconden kan 'hangen'.

Voordeel: het systeem reageert sneller bij plotselinge veranderingen door de bestuurder, want de klep hoeft alleen te wachten op de volgende inlaatklep die open gaat, niet op een volledige motoromwenteling.

Directe Injectie:

Directe injectie is gangbaar in dieselmotoren, maar neemt toe in benzine-motoren (DIG: direct-injection gasoline). Brandstof wordt direct in de verbrandingskamer gespoten, voorbij de kleppen.

Brandstofmeting is nauwkeuriger dan andere typen. Directe injectie geeft ingenieurs een extra variabele om precies te beïnvloeden hoe verbranding in de cylinders verloopt. De wetenschap van motordesign onderzoekt hoe het lucht/brandstof-mengsel in de cylinders zwerven en hoe de ontploffing zich voortbeweegt vanaf het ontbrandingspunt.

Directe injectie in een benzine-motor kan zaken aan als vorm van cylinders en zuigers, poort- en bougielocaties, timing, duur en intensiteit van de vonk, aantal bougies per cylinder. Al deze factoren beïnvloeden hoe volledig en gelijkmatig brandstof verbrandt.

Werkingsprincipe

De werking van een brandstofinjectiesysteem is interessant en begrijpelijk. De hoofwerking is van de brandstofinjector naar de verbrandingskamer nadat brandstof ernaar is gepompt vanuit de tank.

Zoals gezegd: de brandstofinjector is een elektronisch bestuurd mechanisch apparaat verantwoordelijk voor brandstofspuiting. De injector krijgt stroom, een elektromagneet beweegt een plunger die de klep openzet. Deze klep laat de geperstitueerde brandstof door een kleine monding spuiten. De monding is ontworpen om de brandstof te verstuiven, wat ervoor zorgt dat de brandstof gemakkelijk verbrandt.

De tijd dat de brandstofinjector open blijft, bepaalt de brandstoftoevoer aan de motor. Dit heet 'pulsbreedte' en wordt bestuurd door een ECU. Brandstofinjectiesystemen zijn direct gemonteerd op de inlaatcollector zodat brandstof direct op de inlaatklep kan worden gespoten.

Er zit een veer in de conventionele injector die de naaldklep in gesloten stand houdt tot de hoge-drukleiding een specifieke waarde bereikt. Er is een buis genaamd 'brandstofrail' die geperstitueerde brandstof aan de injectoren levert.

Juiste hoeveelheid brandstof naar de benodigde delen. Verschillende motoronderdelen zijn uitgerust met sensoren die informatie aan de ECU geven over brandstofhoeveelheid en aanpassen indien nodig. De diverse sensoren zijn hierboven vermeld en uitgelegd.

Symptomen van Defecte Brandstofinjectoren en Preventie

Falen treedt op na overbelasting, en bij gebrek aan regelmatig onderhoud kunnen ernstige fouten of verstoppingen ontstaan. Symptomen van slechte brandstofinjectoren:

• Rauwe motorprestaties
• Problemen bij het starten van het voertuig
• Brandstofgeur
• Olieverdunning
• Mislukte emissietest
• Motor bereikt niet de volle toer
• Slechte voertuigprestaties
• Catastrofale motordefect
• Rookemissie
• Verhoogde brandstofverbruik
• Vervuiling

Problemen ontstaan vaak door vuil, koolstofdeeltjes, oliebrandstof of residu-opbouw leidend tot verstopte injectoren. Problemen ontstaan nadat het filtermandje afval verzamelt dat brandstofstroom verhindert.

De juiste manier om uitval te voorkomen is regelmatig onderhoud. Onderdelen moeten periodiek geïnspecteerd worden. Ondanks grote toleranties moet inspectie plaatsvinden.

Voor betrouwbaardere resultaten: vochtterkkend ethanol of additieven toevoegen, visuele controle, ultrasonische reiniging. En ook daadwerkelijke stroompatroon- en volume- en spuittesten helpen.

Voordelen en Nadelen van Brandstofinjectiesysteem

Voordelen:

• Precieze brandstof/lucht-menging zorgt voor maximale brandstofefficiëntie en krachtopwekking.
• Verbrandingsproces is aanzienlijk efficiënter in brandstofgeïnjecteerde motoren.
• Brandstofinjectiemotoren zijn zuiniger en minimaliseren emissieniveaus.
• Koude start wordt geëlimineerd, geen handmatige choke nodig.
• Wordt ook gebruikt op moderne performantemotorfietsen.
• Systeem balanceert lucht/brandstof-mengsel automatisch rekening houdend met omgevingsomstandigheden.
• Motorvibratie verminderd en bougiesvulling geminimaliseerd.

Nadelen:

• Complex elektronisch bestuurd apparaat dat werkt met enkele elektronische sensoren.
• Onderhoud en reparatie is zeer beperkt; niet elke werkplaats kan ermee werken.
• Brandstofinjectiesysteem is vrij duur.
• Goede kwaliteit materialen en brandstof worden ten zeerste aanbevolen.
• Geen oplossing voor lage kosten en lage capaciteit.

Concluderend: brandstofinjectiesysteem heeft carburators volledig vervangen in automobielmotoren. We bespraken functies, waaronder leveren van brandstof onder hoge druk in de cylinder. Typen omvatten throttle-body en multi-port, componenten aan laag- en hoog-drukkant, werking, symptomen, voor- en nadelen.