Έγχυση καυσίμου

Το σύστημα έγχυσης καυσίμου (fuel injection) είναι ένα σύστημα των κινητήρων εσωτερικής καύσης το οποίο χρησιμεύει στην ανάμιξη καυσίμου και αέρα και την έγχυση του παραγόμενου μείγματος στο θάλαμο καύσης. Αρχικά χρησιμοποιόταν μόνο στις πετρελαιομηχανές αλλά, από τα τέλη της δεκαετίας του 1980 έχει επικρατήσει και στους βενζινοκινητήρες, αντικαθιστώντας σχεδόν τελείως τον εξαερωτήρα (καρμπυρατέρ), Κάθε σύστημα έγχυσης είναι σχεδιασμένο και ρυθμισμένο για συγκεκριμένο τύπο καυσίμου, με τα περισσότερα συστήματα να προορίζονται για κινητήρες βενζίνης ή πετρελαίου ντίζελ. Με την έλευση της ηλεκτρονικής έγχυσης καυσίμου (electronic fuel injection, EFI), το ηλεκτρομηχανoλογικό υλικό των συστημάτων έγχυσης έχει γίνει κοινό για αυτούς τους δύο τύπους καυσίμου και οι διαφορετικές ρυθμίσεις επιτυγχάνονται με αλλαγές στο προγραμματιζόμενο λογισμικό του EFI. Ένα σύστημα έγχυσης αποτελείται από δύο βασικά τμήματα, την αντλία ή μια αποθήκη καυσίμου υπό πίεση και έναν ή περισσότερους εγχυτήρες (μπεκ). Ο εγχυτήρας είναι ένα ακροφύσιο και μια βαλβίδα, η οποία χρησιμεύει στον έλεγχο της έγχυσης.

 Ο σκοπός είναι ανάμιξη του καυσίμου, η βασική διαφορά μεταξύ των καρμπιρατέρ και των συστημάτων έγχυσης καυσίμου είναι ότι το δεύτερο εξαερώνει το καύσιμο διοχετεύοντάς το μέσα από ένα μικρό ακροφύσιο, με τη βοήθεια αντλίας υψηλής πίεσης. Αντίθετα, το καρμπυρατέρ εκμεταλλεύεται την υποπίεση (χαμηλή πίεση) που δημιουργείται κατά την είσοδο του αέρα σε αυτό, προκειμένου να τον αναμίξει το καύσιμο. Επειδή τα καύσιμα είναι εύλεκτες ουσίες, ο κίνδυνος πυρκαγιάς είναι αυξημένος, οπότε απαγορεύεται η χρήση φλόγας, καθώς υπολείμματα καυσίμου που τυχόν έχουν παραμείνει μπορεί να αναφλεγούν, και επειδή ο στατικός ηλεκτρισμός δημιουργεί σπίθες οι οποίες δύναται να αναφλέξουν τα υπολείμματα, ο χώρος στον οποίο πραγματοποιείται η συντήρηση του συστήματος ανάφλεξης, πρέπει να είναι γειωμένος. Το σύστημα fuel injection έχει χρησιμοποιηθεί εμπορικά στις μηχανές ντίζελ από τα μέσα της δεκαετίας του 1920. Η έννοια προσαρμόστηκε για τη χρήση στα βενζινο-τροφοδοτημένα αεροσκάφη κατά τη διάρκεια του δευτέρου παγκοσμίου πολέμου και η άμεση έγχυση χρησιμοποιήθηκε σε μερικά ξεχωριστά σχέδια όπως το Daimler-Benz DB 603 και σε πιο πρόσφατες εκδόσεις στο Wright ρ-3350. Ένα από τα πρώτα εμπορικά συστήματα εγχύσεων βενζίνης ήταν ένα μηχανικό σύστημα που αναπτύχθηκε από την Bosch και το 1955 εισήχθη στη Mercedes-Benz 300SL. Το 1957 η Chevrolet εισήγαγε μια μηχανική επιλογή fuel injection, που έγινε κοντά στη General Motors στο τμήμα Rochester για τον κινητήρα 283 κυβικών ιντσών V8. Αυτό το σύστημα κατεύθυνε τον εγκατεστημένο αέρα μηχανών πέρα από έναν "διαμορφωμένο κουτάλι" δύτη, ο οποίος κινήθηκε αναλογικά προς τον όγκο αέρα. Ο δύτης συνέδεσε το μετρητή με το σύστημα καυσίμων που διένειμε μηχανικά τα καύσιμα στους κυλίνδρους μέσω των σωλήνων διανομής. Αυτή η μηχανή παρήγαγε 283 HP (211 kW) από 283 in³ (4.6 L), που την κάνουν μια από τις πρώτες μηχανές παραγωγής στην ιστορία για να υπερβεί 1 hp/in³ (45,5 kW/L), κατόπιν η Μηχανή Chrysler's Hemi και διάφορες άλλες. Σε μια άλλη προσέγγιση, η Mercedes χρησιμοποίησε έξι μεμονωμένους δύτες για να τροφοδοτεί με καύσιμα σε κάθε ένα από τους έξι κυλίνδρους. Κατά τη διάρκεια της δεκαετίας του 1960, άλλα μηχανικά συστήματα εγχύσεων όπως το Hilborn χρησιμοποιήθηκε περιστασιακά σε τροποποιημένες αμερικάνικες μηχανές V8 στις διάφορες εφαρμογές αγώνων drag racing, oval racing και road racing. Αυτά τα συναγωνιζο-παραγόμενα συστήματα δεν ήταν κατάλληλα για την καθημερινή χρήση στους δρόμους. Ένα από το πρώτο ηλεκτρονικό σύστημα fuel injection ήταν το Electrojector, που αναπτύχθηκε από την Bendix Corporation και εισήχθη το 1958 στη DeSoto Adventurer: αμφισβητήσιμα το πρώτο σύστημα EFI παραγωγής (βαλβίδα-σώμα). Τα διπλώματα ευρεσιτεχνίας πωλήθηκαν στη συνέχεια στη Bosch. Η Bosch ανέπτυξε ένα ηλεκτρονικό σύστημα fuel injection, αποκαλούμενο D-Jetronic, το οποίο χρησιμοποιήθηκε αρχικά στη VW 1600TL το 1967. Αυτό ήταν ένα σύστημα ταχύτητας/πυκνότητας, που χρησιμοποιεί την ταχύτητα μηχανών και την πολλαπλή πυκνότητα αέρα εισαγωγής για να υπολογίσει το ποσοστό μαζικής "ροής" αέρα και τις απαιτήσεις των καυσίμων. Το σύστημα χρησιμοποίησε όλη την αναλογική, ιδιαίτερη ηλεκτρονική και έναν ηλεκτρομηχανικό αισθητήρα πίεσης. Ο αισθητήρας ήταν ευαίσθητος στη δόνηση και στους ρύπους. Αυτό το σύστημα υιοθετήθηκε σύντομα στις εταιρείες Volkswagen, Mercedes-Benz, Porsche, Citroën, Saab και Volvo. Η Lucas χορήγησε άδεια στο σύστημα για την παραγωγή με Jaguar Cars. Η Bosch εκτόπισε το σύστημα D-Jetronic με Κ-Jetronic και L-Jetronic συστήματα το 1974, εν τούτοις μερικά αυτοκίνητα (όπως το Volvo 164) που συνέχιζε με D-Jetronic για αρκετά έτη και η General Motors εγκατέστησαν ένα πολύ κοντινό αντίγραφο D-Jetronic σε Cadillac το 1977. Το L-Jetronic εμφανίστηκε αρχικά το 1974 στην Porsche 914 και χρησιμοποιούσε έναν μηχανικό μετρητή ροών αέρος. Αυτή η προσέγγιση απαίτησε πρόσθετους αισθητήρες για να μετρήσει το βαρόμετρο και τη θερμοκρασία για να υπολογίσει τη "μάζα αέρα". Το L-Jetronic υιοθετήθηκε ευρέως στα ευρωπαϊκά αυτοκίνητα εκείνης της περιόδου και μερικοί Ιάπωνες το διαμορφώνουν έναν χρόνο αργότερα. Το 1975, οι κανονισμοί εκπομπών της πολιτείας της Καλιφόρνια απαίτησαν από τους κατασκευαστές να μειώσουν εντυπωσιακά τις εκπομπές ρύπων. Η μόνη εφικτή τεχνολογία εκείνης της εποχής που επέτρεψε στους αυτόματους κατασκευαστές να συμμορφωθούν τους νέους κανονισμούς ήταν ο καταλυτικός μετατροπέας. Η GM είχε εφεύρει τον καταλύτη εξάτμισης, που σχεδιάστηκε στο σύστημα εξάτμισης του οχήματος για να προωθήσει τις αντιδράσεις των συστατικών εξάτμισης παρουσία της θερμότητας. Η προσθήκη του καταλύτη μείωσης, μαζί με τον καταλύτη οξείδωσης, είναι μια προσέγγιση αποκαλούμενη σύστημα τριοδικών καταλυτών. Ο καταλύτης μείωσης τοποθετείται προς τα πάνω του καταλύτη οξείδωσης. Η διαδικασία μείωσης ελευθερώνει το οξυγόνο από τις ενώσεις NOx και αυτό το οξυγόνο χρησιμοποιείται έπειτα στον προς τα κάτω καταλύτη για να οξειδώσει τους άκαυτους υδρογονάνθρακες και το μονοξείδιο του άνθρακα. Προκειμένου να αξιοποιηθεί μέγιστο ενός 3-οδικού καταλύτη, η άριστη αναλογία έλεγχος αέρα/καύσιμα είναι ουσιαστική. Τα συστήματα EFI βελτίωσαν τον έλεγχο καυσίμων σε δύο σημαντικά στάδια: Τα συστήματα ανοικτών βρόχων EFI βελτίωσαν τη διανομή καυσίμων από κύλινδρο σε κύλινδρο, αλλά γενικά είχαν τη φτωχότερη αναλογία έλεγχος αέρα/καύσιμου από έναν εξαερωτήρα λόγω της κατασκευής των ζητημάτων ανοχής. Τα κλειστά συστήματα βρόχων EFI βελτίωσαν την αναλογία έλεγχος αέρα/καύσιμου με έναν αισθητήρα οξυγόνου αερίου εξάτμισης (αισθητήρας EGO). Ο αισθητήρας EGO τοποθετείται στο σύστημα εξάτμισης προς τα πάνω του καταλύτη. Ανιχνεύει το υπερβολικό οξυγόνο στο ρεύμα εξάτμισης. Το οξυγόνο δείχνει εάν ο αέρας/τα καύσιμα είναι αδύνατοι ή πλούσιοι της στοιχειομετρικής αναλογίας. Ο αισθητήρας EGO είναι επίσης γνωστός ως αισθητήρας Lambda. Οι τρέχουσες εκπομπές εξάτμισης είναι τώρα λιγότερο από 0,1% του προ-ρυθμισμένου επιπέδου τους.Το 1982, η Bosch εισήγαγε έναν αισθητήρα που μετρά άμεσα τη μαζική ροή αέρα στη μηχανή, στο σύστημα L-Jetronic τους. Ο αισθητήρας μαζικού αέρα χρησιμοποιεί ένα θερμασμένο καλώδιο λευκόχρυσου που τοποθετείται στην εισερχόμενη ροή αέρα. Το ποσοστό της ψύξης του καλωδίου είναι ανάλογο προς τη "μάζα αέρα" ρέοντας πέρα από το καλώδιο. Δεδομένου ότι ο αισθητήρας "καυτών καλωδίων" μετρά άμεσα τη μάζα αέρα, η ανάγκη για τους πρόσθετους αισθητήρες θερμοκρασίας και πίεσης εξαλείφεται. Το σύστημα LH-Jetronic που χρησιμοποιήθηκε μέχρι και το 1998 ήταν επίσης το πρώτο πλήρως ψηφιακό σύστημα EFI, το οποίο είναι τώρα η τυποποιημένη προσέγγιση. Η εμφάνιση του ψηφιακού μικροεπεξεργαστή επέτρεψε την ένταξη όλων των υποσυστημάτων powertrain σε μια ενιαία ενότητα ελέγχου. Η πλήρης εκμετάλλευση της ψηφιακής επανάστασης έχει βελτιώσει περαιτέρω EFI την αναλογία ελέγχου αέρα/καύσιμων, καθώς επίσης και πολλά άλλα αυτοκίνητα συστήματα ελέγχου ανεξάρτητα από τη μηχανή. Ηλεκτρονικός ψεκασμός Καρμπυρατέρ