Az üzemanyag befecskendező rendszerek bemutatása

A belső égésű motorok hosszú történelme során folyamatos volt a kutatás annak kapcsán, hogy miként tudják a leghatékonyabb módon elkeverni a benzint és a levegőt a gyújtás előtt úgy, hogy az a legnagyobb teljesítményleadással, és a legtökéletesebb égéssel járjon.

Bár sok autógyártó már leállította a benzinmotorok fejlesztését, kétségünk ne legyen, hogy az ilyen irányú kutatás nagyon sok vállalatnál még ma is zajlik, és az sem kizárt, hogy a jövőben még láthatunk újszerű, innovatív megoldásokat a területen.

Ebben a cikkben a befecskendező rendszerek rövid történeti áttekintését mutatjuk be, illetve kitérünk a főbb típusok alkalmazásának előnyeire és hátrányaira is.

A keverékképzés feltételei

Noha eljött a pillanat, hogy karburátorokról elektronikus befecskendezésre váltott az autóipar, a fizikai törvényei változatlanok maradtak. A befecskendezők rengeteg szabadságot adtak a tervezőknek, ám van néhány szempont, amit a tervezés során minden körülmények között figyelembe kell venni.

Például bárhol is történjen a benzin és levegő keveredése, az égés pillanata előtt gáz halmazállapotú keveréket kell kapnunk, máskülönben az égés tökéletlen lesz. Ez különösen kritikus a közvetlen befecskendezésű rendszer esetén.

A keverési arány szintén egy ilyen tulajdonság: a levegő-benzingőz elegy csak meghatározott mixtúra arányok között gyulladásképes. Befolyásoló tényező még a keverék elosztása a hengerek között (rendszertől függően), vagy a hidegindítás problémája is.

Alacsony nyomású, azaz szívócső befecskendezés

A néhány évtizeddel ezelőtti tankönyvek állítása szerint az igényes kialakítású, megfelelően beállított karburátorok a motorokkal szemben támasztott keverékképzési folyamat valamennyi funkciójának jól megfelelnek, leszámítva a károsanyag-kibocsátást. Ez a mondat meg is állja a helyét, ám fontos hozzátenni, hogy a modern befecskendező rendszerekkel azonos feltételek mellett extra teljesítmény is kinyerhető az erőforrásból – erre később kitérünk.

A karburátorok után közúti alkalmazásokban elsőként a külső keverékképzésű rendszerek jelentek meg Bosch-Daimler-Benz kooperációban az ötvenes években. A befecskendező fúvókákat a szívószelep előtti térben helyezték el, hasonló módon, mint a mai konstrukciók esetében.

Mivel az igényelt befecskendezési nyomás alacsony, elhagyhatóvá váltak a korábban nélkülözhetetlennek tűnő dugattyús adagoló szivattyúk.

Az első folyamatos befecskendezéssel működő mechanikus rendszer a Bosch K-Jetronic volt, az első elektromos változattal pedig a Bendix cég állt elő 1957-ben.

A szívócső befecskendezésnél két különböző lehetőség adódik az üzemanyag szívótérbe juttatására:

• Közös szívótorokba fecskendezés: Ezt nevezzük egypontos vagy mono-befecskendezésnek. Ez esetben egy központi befecskendezésről beszélünk.
• Szívószelepre történő befecskendezés: Ez a hengerenkénti befecskendezés, mely során a szívószelepeke közelébe helyezik a hengerenként különálló befecskendezőket.

A szívócső befecskendezésnek az egyik legnagyobb előnye, hogy nagyon egyszerű és olcsó konstrukció, nem igényel nagyteljesítményű szivattyút. Mivel viszonylag sok tér áll rendelkezésre a benzin és a levegő megfelelő elegyének kialakulására, a motor a teljes légviszony-tartományban könnyedén működtethető.

A szívószelepre történő befecskendezésnél még az is előnyös tulajdonságnak számít, hogy a benzin egy része a szeleptér falára és a szeleptányérra kerül, ahol rögtön megtörténik az elpárolgás, ráadásul ez egyidejűleg segíti az alkatrészek hűtését is.

Nagynyomású, közvetlen befecskendezés

Azt gondolhatnánk, hogy ez a változat számít modernebbnek, mégsem jelenthetjük ki, hogy mainak számít az ötlet. Majdnem száz évvel ezelőtt a repülőgépmotorokban már szinte kivétel nélkül nagynyomású befecskendezők működtek, majd beszivárgott a verseny- és sportautók világába is. Még később a nagy öblítési veszteséggel működő, kétütemű motorok megmentőjeként jelent meg, ahol számos műszaki előnye mellett a kétüteműek egyszerűségének elvesztése jelentett gátat szélesebb körű elterjedésének.

Az igazi áttörést végül az elektronika fejlődése és az emisszió, egyúttal a fajlagos tüzelőanyag-fogyasztás egyre nagyobb jelentősége hozta meg. Ez utóbbi elérésére ugyanis a közvetlen befecskendezés bizonyult a leghatékonyabbnak, hiszen lehetővé tette elképesztően szegény keverékek használatát is a rétegzett keverékképzés segítségével.

Egészen a kilencvenes évekig kellett várni, hogy nagyobb számban jelenlenek meg olyan szériamodellek, melyek ezzel a rendszerrel bírtak.

A rendszer általános jellemzője, hogy a befecskendező szelepet a hengerfejben, közvetlenül a szívószelepek mellett helyezik el. A finom porlasztású hajtóanyag közvetlenül az égéstérbe kerül. Az égéstérbe bekerülő üzemanyag és a benzinhez beáramló levegő örvénylésének megfelelő összehangolásával lehetővé válik a rétegzett keverékképzés létrehozása. Ez azt jelenti, hogy a keverék az égéstérben célirányosan inhomogén lesz – a gyújtógyertya környékén dúsabb, távolabb pedig lényegesen szegényebb keverék jön létre.

Ez látszólag ellentmondás a korábbi ismeretek alapján, mely szerint a teljesen homogén keverék létrehozása a cél, azonban így lehetőség nyílik a motor részterhelése esetén extrém módon szegény keverék (30-40:1) alkalmazására, ami már kettes lambda érték felett értelmezhető. Ezzel természetesen jelentős üzemanyag-megtakarítás érhető el.

Fontos, hogy ez a lehetőség csak részterhelésnél működik. Teljes terhelésnél a motor homogén keverékű üzemre áll át, ekkor a befecskendezés már a szívási ütemben megtörténik, nyitott szívószelepeknél, lényegében alacsony nyomású térbe.

Ebben az esetben többlet teljesítmény is elérhető a szívócső befecskendezéshez képest, nem véletlen a versenysportokban történő alkalmazása. Részterhelésnél hátrány viszont, hogy a nagyon szegény keverék alkalmazása miatt lényegesen megnő az égéstermékek nitrogén-oxid koncentrációja, melyet utólagosan kezelni kell. A probléma megoldására egyrészt a kipufogógázok visszavezetését, másrészt speciális kialakítású, második katalizátort alkalmaznak.

Kombinált befecskendezés

Mivel mindkét rendszernek megvannak az elvitathatatlan előnyös tulajdonságai, a mai modern autók jelentős része mindkét rendszerrel egyszerre rendelkezik. A motorvezérlő elektronika üzemállapottól függően veszi igénybe az egyik, a másik, vagy akár mindkét befecskendező rendszer szolgálatait.