Luchinjectiesystemen: Vermindering van Uitlaatemissies Uitgelegd

Luchinjectie is een techniek voor het verlagen van uitlaatemissies door lucht in elk van de uitlaatpoorten van een motor te injecteren, waar het mengt met de hete uitlaat en HC en CO oxideert. H2O en CO2 worden gevormd. In de vroege dagen van emissiecontrole was het eenvoudig om de vereiste emissienormen te halen door luchinjectie. Een van de eerste add-on apparaten om HC en CO in de uitlaat te oxideren was luchinjectie, ook wel het luchtpompsysteem genoemd.

Wat is een Luchinjectiesysteem?

Om HC en CO emissies te verlagen, pompt een luchinjectiesysteem verse lucht in de uitlaatpoorten van de motor. Onverbrande en gedeeltelijk verbrande brandstof kan in de uitlaatgassen van een motor gevonden worden. Deze brandstof blijft verbranden door zuurstof van het luchinjectiesysteem. De luchtpomp, afleidingsklep, luchtverdeelmanifold en luchtterugslagklep zijn de hoofdcomponenten van het systeem.

Rudolf Diesel bedacht het concept. Figuur 1 toont de systeemconfiguratie. Tijdens de brandstoftoevoer worden zowel lucht als brandstof in de cilinder geïnjecteerd in deze indeling. De benodigde luchtdruk voor brandstofinjectie is ongeveer 70 bar of meer.

In een verbrandingsmotor is brandstofinjectie een mechanisme voor het mengen van brandstof met lucht. Brandstofinjectiesystemen hebben diverse functionele doelen, maar ze hebben allemaal één gemeenschappelijke kenmerk: ze voeden brandstof toe aan het verbrandingsproces. Er zijn diverse concurrerende doelen: vermogensproductie, brandstofverbruik, emissieprestaties, betrouwbaarheid, gladde werking, opstarten, lopende kosten en onderhoudskosten.

Componenten van een Luchinjectiesysteem

• Luchtaanvoerpomp met filter
• Luchtmanifolds en duizels
• Anti-terugbrandklep (Anti backfire valve)
• Terugslagklep (Check valve)
• Verbindings slangen

Luchtaanvoerpomp:

De luchtpompen worden via een riem aangedreven vanaf de krukas en zitten aan de voorkant van de motor. De pomp zuigt verse lucht in via een extern filter en stuurt het via verbindingsslangen naar elke uitlaatpoort onder lage druk. Wanneer deze extra lucht wordt toegevoegd aan de verwarmde HC en CO emissies in de uitlaatmanifold, oxideren ze, wat deze elementen omzet in H2O en CO2.

Luchtmanifolds en Duizels:

Vroegere luchinjectiesystemen gebruikten een van twee methoden om lucht aan het uitlaatsysteem van de motor te leveren:

• Bij kleinere motoren levert een externe luchtmanifold lucht aan de uitlaatpoort bij elke uitlaatklep via injectiebuizen.
• Via tunnels in de cilinderkop of de uitlaatmanifold transporteert een interne luchtmanifold lucht naar de uitlaatpoort bij elke uitlaatklep bij grotere motoren.

Anti-terugbrandklep:

Een hoge inlaatmanifold vacuüm laat het lucht-brandstofmengsel rijk aan brandstof worden tijdens motorafremming. Verse lucht geïnjecteerd in de uitlaatmanifold tijdens afremming mengt met onverbrande benzine in de uitlaat, wat motorterugbrand veroorzaakt. Deze terugbrand wordt veroorzaakt door de snelle verbranding van onverbrande gassen, wat een demper kan beschadigen. Een anti-terugbrand of terugbranddemper klep wordt gebruikt om dit te voorkomen door de luchtstroom tijdens afremming af te sluiten. Zowel de gulp-klep als de afleidingsklep worden gebruikt om de luchtstroom te stoppen.

Terugslagklep:

Een eenrichtings terugslagklep voorkomt de omgekeerde stroom van uitlaatgassen van de motor door de luchtpomp. Tussen de luchtmanifold en de afleidingsklep of gulp-klep zit de terugslagklep. De terugslagklepveer sluit de klep om de omgekeerde stroom van uitlaat te blokkeren wanneer de uitlaatdruk de luchinjectiedruk overschrijdt of als de luchtpomp faalt. Bij in-lijn motoren wordt vaak een enkele terugslagklep geplaatst, maar bij V-motoren zijn typisch twee kleppen (één per cilinderbank) geïnstalleerd. Sommige V-motoren hebben echter slechts één terugslagklep.

Het secundaire luchinjectiesysteem heeft enkele additionele onderdelen:

• Luchtfilter
• Secundaire luchtpomp
• Motorcontrolunit (ECU)
• Besturingsrelais
• Omschakelklep (Change-over valve)
• Combinatieklep (Combination valve)

Werkingsprincipe

De werking is minder complex en goed begrijpelijk. In de werking drijven de draaiende schoven van de luchtpomp lucht in de afleidingsklep wanneer de motor draait. De lucht wordt gedreven door de afleidingsklep, de terugslagklep, de luchinjectiemanifold en in de motor als het voertuig niet afremt. De uitlaatkleppen worden door verse lucht aangeblaazen. De afleidingsklep voorkomt dat lucht de motoruitlaatmanifold binnenkomt tijdens afremming. Dit voorkomt een mogelijke terugbrand, die het uitlaatsysteem van het voertuig kan beschadigen. De afleidingsklep zal overmaat druk in het systeem vrijgeven wanneer nodig.

Het Secundaire Luchinjectiesysteem:

Deze verlaagt de HC en CO niveaus nog verder tijdens de koude startfase, wanneer de katalytische converter nog niet functioneert. In stoechiometrisch gedreven benzine motoren bereikt een 3-richtings katalytische converter een conversiesgraad van meer dan 90%. Tijdens een koude start worden tot 80% van de voertuigemissies uitgestoten. Echter, omdat de katalytische converter alleen effectief is tussen 300°C en 350°C, moeten emissies tijdens de koude startfase worden gereduceerd met diverse methoden. De taak van het secundaire luchtsysteem is dit te doen.

Wanneer er voldoende restzuurstof in het uitlaatsysteem is en de temperatuur hoog genoeg, reageren HC en CO om CO2 en H2O te vormen in een secundaire reactie.

Wanneer het mengsel erg rijk is tijdens de koude startfase, wordt lucht in de uitlaatstroom geïnjecteerd om ervoor te zorgen dat er voldoende zuurstof is voor de reactie. Het secundaire luchtsysteem wordt na ongeveer 100 seconden uitgezet in voertuigen met een 3-richtings katalytische converter en lambda regeling. De warmte gecreëerd in de secundaire reactie verhoogt direct de werkingtemperatuur van de katalytische converter.

Een actieve of passieve toevoer van aanvullende lucht is mogelijk. Het passieve systeem maakt gebruik van drukolaties in het uitlaatsysteem. Vanwege het vacuüm gecreëerd door de stroomsnelheid van de uitlaatpijp, wordt additionele lucht aangezogen via een getijde klep. De secundaire lucht wordt in een actief systeem door een pomp in geblazen. Dit systeem geeft meer controle.

Voordelen en Nadelen

Voordelen:

• Stelt verbeterde brandstofverstuiving en -verdeling mogelijk
• De BMEP is hoger dan bij andere injectiesystemen omdat de verbranding completer is
• Maakt het gebruik van goedkopere brandstoffen mogelijk

Nadelen:

• De compressor werking vereist een complex mechanisme
• Het motorgewicht neemt toe
• Omdat een deel van het motorvermogen nodig is om de compressor te bedienen, neemt de B.H.P. van de motor af

Dit was de uitleg over luchinjectiesystemen: definie, componenten, werking, voor- en nadelen. Een belangrijke technologie voor emissiereductie in verbrandingsmotoren.