Inleiding

In dit wetenschappelijk project proberen we te begrijpen wat de verschillen zijn tussen atmosferische injectie en benzine-injectie. We vragen ons af wat de voordelen en nadelen zijn op vlak van vermogen, verbruik, CO2-uitstoot … .

We leggen uit hoe een benzine motor werkt en wat we verstaan onder directe benzine-injectie. Ook kijken we naar wie de grote spelers zijn in de productie van wagens met directe benzine-injectie en tot slot geven we nog weer wat de toekomst ons nog kan brengen op het vlak van benzinemotoren.

Hoe werkt een benzinemotor?

Een auto wordt doorgaans aangedreven met behulp van een verbrandingsmotor. Een verbrandingsmotor zet de energie die vrijkomt bij de verbranding van een brandstof (meestal benzine of diesel) om in mechanische arbeid.

De benzine wordt in een cilinder tot ontploffing gebracht door een bougie. De explosie drukt een zuiger naar beneden die de krukas aandrijft, vervolgens wordt die beweging overgebracht naar de wielen.

De meest voorkomende benzinemotoren in auto’s zijn zuigermotoren, die volgens het viertakt principe werken. Daarnaast wordt ook nog de wankelmotor als alternatieve benzinemotor gebruikt.

Verschillende types benzinemotoren

Zuigermotor

In een zuigermotor vindt de verbranding plaats in een cilinder waarin zich een zuiger heen en weer beweegt. Een brandstofmengsel wordt in de cilinder gebracht en ontstoken wanneer de zuiger zich in de stand met het kleinste volume bevindt. Waarna de druk en de energie van de verbranding worden omgezet in een roterende beweging. Deze kracht wordt op een ronddraaiende krukas overgebracht. Er bestaan meerdere types zuigermotoren waaronder de vier- en tweetaktmotor.

Viertaktmotor

In een viertaktmotor of vierslagmotor wordt een verbrandingscyclus afgewisseld met een reinigingscyclus waarin de gassen uit de cilinder worden geperst. Hierdoor maakt de krukas twee complete omwentelingen voordat deze weer naar de beginfase terugkeert. De verbrandingscyclus bestaat uit vier kenmerkende slagen:

Inlaatslag: de inlaatklep gaat open, de zuiger gaat naar beneden en een vers mengsel (lucht en benzine) komt in de cilinder. Het vullen van de cilinder kan met behulp van onderdruk (atmosferische motor) of met overdruk (geblazen motor).
Compressieslag: in- en uitlaatklep gaan dicht, de zuiger komt naar boven, het mengsel wordt gecomprimeerd en de ontsteking vindt plaats. Het mengsel wordt door middel van een elektrische vonk, geleverd door de bougie, ontstoken.
Arbeidsslag: de kleppen blijven dicht, hoge druk ontstaat door de verbranding zodat de zuiger naar beneden wordt gedrukt en er vermogen wordt afgegeven aan de krukas.
Uitlaatslag: de uitlaatklep opent, de uitlaatgassen worden uit de cilinder gedreven en de uitlaatklep gaat weer dicht en de inlaatklep gaat open.

Tweetaktmotor

In een tweetaktmotor of tweeslagmotoren is er iedere omwenteling een arbeidsslag en een slag waarbij er gespoeld wordt. De arbeid wordt bij elke neergaande beweging van de cilinders geleverd in tegenstelling tot een viertaktmotor.

Omdat de tweetaktmotor iedere omwenteling een arbeidsslag maakt, is het geproduceerde geluid en vermogen in theorie twee keer groter dan bij een viertaktmotor met hetzelfde toerental en dezelfde cilinderinhoud.

Mengselmotor

Bijna alle benzinemotoren zijn mengsel- of Otto motoren welke werken volgens het Otto-kringproces (meer info zie bijlage). De vorming van het brandbare mengsel gebeurt buiten de verbrandingskamer in een carburator (mengt vernevelde benzine met lucht) op het inlaatspruitstuk. De mengselmotor werkt verder hetzelfde als het vierslagprincipe.

Doordat een mengselmotor een zeer licht ontwerp heeft, valt de prijs lager uit dan een vergelijkbare dieselmotor. Als nadeel heb je te maken met een beperkte compressieverhouding. Wegens klopgevaar (het vroegtijdig ontbranden van het mengsel) ligt de compressieverhouding meestal rond de 14:1.

Wankelmotor

Een wankelmotor is een verbrandingsmotor die werkt met een roterende zuiger waardoor de verbrandingskamers een niet-cilindrische vorm hebben. De rotor heeft een driehoekige vorm die ronddraait in een trommel. Door deze beweging worden er telkens andere delen van de trommel afgesloten. In deze ruimtes vindt dan telkens hetzelfde proces (vierslagprincipe) plaats van benzine vernevelen, lucht aanzuigen, verbranding en uitlaat.

Door gebruik te maken van deze constructie bevat een wankelmotor veel minder bewegende onderdelen ten opzichte van een mengselmotor. Andere voordelen zijn de compacte bouw, de hevigere acceleratie door hogere toerentallen en een lagere productiekost. De ontbrandingsenergie wordt meteen in een roterende beweging omgezet, zodat deze motor zeer trillingsarm is.

Als nadeel noteren we een hoger olieverbruik en een hoger brandstofverbruik.

Directe benzine-injectie

Wanneer de brandstof door middel van inspuiting (injectie) direct in de verbrandingskamer terecht komt in plaats van in een luchtstroom door een carburator, spreken we van directe benzine-injectie. De belangrijkste voordelen zien we in de vorm van vermogenswinst, een lager brandstofverbruik en dus ook een lagere CO2-uitstoot.

Hoe werkt directe benzine inspuiting

Benzinemotoren zuigen een mengsel van benzine en lucht in een cilinder, comprimeren dit mengsel met behulp van een zuiger en ontsteken het met een vonk, waarna de explosie de zuiger naar beneden duwt. Traditioneel (indirecte) systemen voor brandstofinjectie mengen de benzine en lucht in een kamer (inlaatspruitstuk) net buiten de cilinder. Bij directe inspuiting worden de lucht en benzine niet voorgemengd. De lucht komt via het inlaatspruitstuk, terwijl de benzine direct in de verbrandingskamer van elke cilinder wordt verneveld.

Naast het feit dat een benzinemotor met direct ingespoten benzine een efficiëntere cyclus doorloopt, kunnen we nog andere belangrijke factoren in de verbranding met uiterste precisie controleren, zoals de hoeveelheid benzine, de lucht-brandstofverhouding, het inspuitmoment en de vorm en plaats van de benzinenevel. Deze techniek maakt het mogelijk dat men kan werken met veel magere mengsels.

Door het juist plaatsen van de benzinenevel en het beperken van de verbrandingstemperatuur in de cilinder kunnen we warmteverliezen beperken en lagere emissies bereiken. De nevel omgeven door restgassen en lucht wordt in een holte op het oppervlak van de zuiger gespoten zodat deze in de buurt van de bougie, weg van de cilinderwanden, terechtkomt. Het beperken van de verbrandingstemperatuur wordt al grotendeels door de directe injectie zelf verwezenlijkt. Ingespoten benzine verdampt namelijk onder opneming van warmte bij maximale compressie.

Voordelen van directe benzine inspuiting

Door het hele proces van directe benzine-injectie nauwkeurig te managen via computers, heeft men volledige controle over het brandstofverbruik en vermogen. Hierdoor kun je via het motormanagement (of ECU: Engine Control Unit) voor elke gewenste situatie de perfecte hoeveelheid benzine, de beste lucht-brandstofverhouding en het juiste inspuitmoment bepalen. Met wiskundige algoritmes zijn we in staat om telkens het optimale werkingspunt te bepalen via allerlei sensoren in het voertuig.

Naast het feit dat directe benzine-injectie zorgt voor een efficiëntere verbrandingscyclus, kunnen we met deze injectoren ook het optimale sproeipatroon maken zodat de benzine in vele kleinere druppels wordt verneveld. Dit om een zo perfect mogelijke chemische reactie te bekomen. Daardoor krijgen we als resultaat een volledigere verbranding wat goed is voor het verbruik en vermogen.

Nadelen van directe benzine inspuiting

Directe benzine-injectie vindt plaats onder hoge druk en bij hoge temperaturen waardoor het materiaal robuuster moet zijn. Liefst hebben we natuurlijk dat deze injectiepomp het verbrandingsproces overleeft. Al deze zaken maken dat directe inspuiting een veel hogere kostprijs heeft dan een systeem met klassieke inspuiting. Door innovatie en computergestuurde injectoren stijgt echter ook de complexiteit wat de prijs niet positief beïnvloedt.

Om het verbruik van de wagen zo laag mogelijk te houden, probeert men steeds minder en minder benzine in verhouding tot de aanwezige hoeveelheid lucht in te spuiten. Wanneer de hoeveelheid benzine te laag is om een volledige verbranding te garanderen, spreekt men van een arm mengsel. Als gevolg creëer je een onvolledige verbranding waardoor er uitstoot van NOX-gassen plaatsvindt en men de driewegkatalysator moet vervangen door een combinatie van een tweeweg- en een NOX-katalysator. Motoren met directe benzine-injectie stoten dus veel meer fijnstof uit, soms zelfs meer dan een vergelijkbare dieselmotor.

Wand- en straalgeleide injectoren

Wandgeleide injectoren werden vroeger door zowel BMW als Mercedes-Benz gebruikt, maar deze schakelden beide recent over naar de nieuwe techniek van straalgeleide injectoren.

Bij wandgeleide injectoren wordt de benzine met een maximale inspuitdruk tot 120 bar in de turbulente lucht gespoten waardoor het mengsel perfect rond de bougie wordt gepositioneerd. De positionering van de benzinenevel wordt grotendeels bepaald door de terugkaatsing van de straal benzine tegen de cilinderwanden en zuiger. Door de vorm van de zuigerbodem aan te passen is het mogelijk om de positie te beïnvloeden. Eén van de grootste nadelen van wandgeleide injectoren is het beperkte toeren- en belastinggebied.

Nadien is men overgestapt op straalgeleide injectoren door een verhoogd rendement en lager verbruik. Met deze nieuwe methode is de positionering van de benzinenevel niet meer afhankelijk van terugkaatsing, maar volledig bepaald door de injector zelf. Doordat terugkaatsing geen rol meer speelt, is de vorm van de brandstofwolk van een veel groter belang. Mercedes-Benz werkt bijvoorbeeld met kegelvormige wolken, bepaald door een naar buiten openende conische naald van de injector, die met 200 bar de verbrandingsruimte worden ingespoten. De hoge druk en snelheid zorgen ervoor dat er minuscuul kleine druppels de injector verlaten, waarna ze mixen met de lucht, maar de conusvorm behouden blijft.
Bij het overschakelen naar straalgeleide injectoren werd ook de positie van deze injector gewijzigd naar een plek centraal tussen de vier kleppen in de kop, dicht bij de bougie.

De nieuwste injectoren bestaan tegenwoordig uit piëzo-materialen (voorheen elektromagnetische injectoren) waarbij het kristalrooster vliegensvlug van vorm verandert bij de aanleg van elektrische spanning. De openingsspanning bedraagt ongeveer 65-70V, daarna is een pulserende houdspanning van 12-15V voldoende om de injector open te houden. Deze veranderingen van de kristalstructuur zijn nauwkeurig en snel te regelen waardoor er zelfs tot vijf keer benzine inspuitingen kunnen plaatsvinden per cyclus. De piëzo-injectoren die vanuit het motormanagement snel en nauwkeurig worden geactiveerd, staan in verbinding met een common-rail systeem op hoge druk (techniek uit dieselmotor).

“Het piëzo-elektrisch effect is het vermogen van bepaalde kristallijne materialen om mechanische energie in elektrische energie om te zetten en omgekeerd.” (Bron: technotheek.utwente.nl)

Doordat fabrikanten steeds proberen om de hoeveelheid benzine in het verbrandingsproces te beperken, moet de motor het meer en meer redden op armere mengsels. Indien men de benzinenevel homogeen zou verdelen over de ruimte in de cilinders, zou deze niet of moeilijk ontsteken. Hierdoor krijg je natuurlijk slechte rendementscijfers waardoor het verbruik toeneemt. Om dit te vermijden zorgt men met de hierboven beschreven technieken van straalgeleide benzine-injectoren altijd voor een rijker mengsel in de buurt van de bougie, maar kunnen we nog altijd spreken over een arm mengsel. Daarbij is het van essentieel belang dat de brandstof net voor de ontsteking wordt ingespoten om diffusie te vermijden. Dit fenomeen heet gelaagde of gestratificeerde benzine-injectie.

Dankzij al deze aanpassingen hebben we het proces in de cilinders steeds meer onder controle, kan de verbrandingssnelheid steeds toenemen en vergroot het toerenbereik.

Problemen bij directe benzine inspuiting

Directe benzine-injectie (of GDI: Gasoline Direct Injection) biedt vele voordelen zoals een lager brandstofverbruik en hogere vermogens. Maar de betrouwbaarheid van deze techniek laat soms noch te wensen over. Vooral het gevolg van verhoogde percentages ethanol in de benzine weegt op de levensduur van de injector.

Ethanol heeft als vervelende eigenschap het verhogen van de corrosiesnelheid van verschillende metalen. Daarbij komt nog de hoge brandstofdruk en het feit dat de injector zich in de cilinder bevindt en zo direct wordt blootgesteld aan de verbrandingsprocessen. Dit zorgt er allemaal voor dat de levensduur korter wordt, indien je de materiaalkwaliteit niet opdrijft. Dit probleem heeft al voor de nodige recalls gezorgd in de autosector. Bovendien zijn deze injectoren zijn zeer gevoelig voor de gebruikte brandstofkwaliteit, omdat de materialen en technieken steeds meer hightech worden. Hierdoor gebruik je best enkel hoogwaardige brandstoffen en ververs je beter regelmatig de filters.

Een tweede probleem bestaat eruit dat de oliedruppels (onverbrande benzine) kunnen ‘ontsnappen’ via het uitlaatsysteem. Daarom bedachten ingenieurs het systeem van de uitlaatgasregulatie wat ervoor zorgt dat er een significante daling van de uitstoot van stikstofoxiden plaatsvindt. Uitlaatgassen worden terug naar de motor geleid waar deze vermengd worden met verse lucht. Hierdoor daalt het zuurstofpercentage wat ervoor zorgt dat de verbrandingstemperatuur daalt (want warmte is nu te verdelen over meer massa). Bij een daling van de temperatuur vermindert de uitstoot van NOX-gassen tot wel 30%. Deze vernieuwende techniek brengt wel een groot nadeel van vermogensverlies en versnelde vervuiling van de motor met zich mee. Daarom wordt het aangeraden om af en toe eens gedurende lange tijd hoger in de toeren te rijden.

De injector

Een injector is een elektronisch gestuurde klep die benzine in de cilinders voorziet. Deze benzine wordt eerst geleverd door de brandstofpomp en passeert daarna het common-rail systeem. Het mondstuk kan de benzine zeer fijn vernevelen en de bediening hiervan baseert op tijdseenheden in milliseconden. Hieronder leest u de beschrijving van een Bosch piëzoverstuiver.

“De werking van een piëzoverstuiver verschilt fundamenteel van die van een verstuiver met magneetventiel. De piëzoverstuiver bestaat uit een lagedrukgedeelte (+- 10 bar) en een hogedrukgedeelte (raildruk). In het lagedrukgedeelte bevinden zich het piëzo-element en de hydraulische koppeling. Deze laatste moet de beweging van het piëzo-element omzetten, versterken en overbrengen naar het servoventiel. Voorts compenseert de koppeling eventuele speling ten gevolge van warmte-uitzetting. Tegelijkertijd zorgt ze voor een automatische veiligheidsuitschakeling van de injectie als het piëzo-element door een onderbreking in de spanningsvoorziening niet in zijn beginstand kan terugkeren.

De werking van de hydraulische koppeling is eenvoudig: het aanbrengen van een spanning (110 tot 148V) brengt het piëzo-element in beweging, wat met behulp van de koppelingsplunjer een druk in de koppeling veroorzaakt. Die druk activeert op zijn beurt de ventielplunjer, die het servoventiel doet openen of sluiten. De lengtecompensatie gebeurt door middel van een kleine hoeveelheid lekbrandstof die door de speling van de plunjergeleider in het lagedrukgedeelte kan wegstromen.

De lage druk wordt geregeld door een drukhoudventiel ter hoogte van de verstuiveruitgang of in de brandstofretourleiding. Voorbij het drukhoudventiel heerst in de retourleiding een druk van 1 bar, die tot in de tank verder afgebouwd wordt.

Met de verstuiver in de ruststand is het hogedrukgedeelte gescheiden van het lagedrukgedeelte. In de regelruimte heerst dezelfde druk als in de common rail. De verstuivernaald is gesloten. Wanneer de verstuiver elektrisch bekrachtigd wordt, sluit het servoventiel de bypass en geeft het tegelijkertijd de verbinding tussen de regelruimte en het lagedrukgedeelte vrij. Aangezien de afvoerklep meer brandstof uit de regelruimte laat wegstromen dan er via de toevoerklep wordt aangevoerd, daalt de druk in de regelruimte en opent de verstuivernaald zich. Als de injectiecyclus wordt beëindigd, opent het servoventiel de bypass opnieuw en wordt de doorgang tussen regelruimte en lagedrukgedeelte gesloten. Via de af- en toevoerkleppen wordt in de regelruimte snel opnieuw raildruk opgebouwd, waardoor de verstuivernaald snel sluit.” (Bron: rb-aa.bosch.com)

Bedrijven die injectoren produceren zijn bijvoorbeeld Bosch (voor Mercedes-Benz) en Siemens (voor BMW).

Conclusie

We weten nu wat het verschil is tussen een motor met directe benzine-injectie en een motor met atmosferische inspuiting en zoals verwacht heeft de directe injectie vele voordelen ten opzichte van de atmosferische inspuiting. Toch hebben we ook een aantal nadelen ontdekt die we niet hadden verwacht.

Het verbruik daalt gemiddeld met 15%. Dit heeft als gevolg dat ook de uitstoot van CO2 daalt. De mate waarin de uitstoot van CO2 daalt, is zeer afhankelijk van de rijstijl. Bij ecologisch rijden kan de uitstoot met 30% verminderen. Dit maakt het gebruik van een motor met directe benzine-injectie op het eerste zicht milieuvriendelijker. Toch valt dit te betwisten, omdat de uitstoot van fijnstof wel vele malen hoger ligt.

Betreffende de prestatie is het zeer duidelijk dat een motor met directe benzine-injectie een hoger vermogen kan opwekken in een cilinder met dezelfde afmetingen. Dit komt door een goede instelling van de injectie waardoor de verbranding beter kan verlopen.

De kostprijs van een motor met directe benzine-injectie ligt zoals verwacht hoger, omdat we een injector moeten maken die bestand is tegen hogere temperaturen en drukken. Ook omdat de injectie heel precies moet verlopen met gevolg dat de nodige elektronica de kostprijs ook doet stijgen. Zoals hierboven vermeldt, is het verbruik van de deze motor wel lager en hierdoor is ook de brandstofkost lager.

Hoe de toekomst van de benzinemotoren met directe injectie er uitziet, is moeilijk te voorspellen. We kunnen er wel vanuit gaan dat door een stijgend belang van zuinige motoren met een lage CO2-uitstoot, dat de benzinemotoren met directe benzine-injectie niet snel van de markt zullen verdwijnen. Toch zal er waarschijnlijk nog veel veranderen aan deze motoren om ze nog zuiniger te maken en ze een nog hoger rendement te geven. We denken hier bijvoorbeeld aan het veranderen van klassieke ontstekingskaars door de veel preciezere laserontsteking en het gebruik van dual-fuel motoren.

Ook de elektromotor zal invloed hebben in welke maten de motor met directe benzine-injectie nog zal evolueren. Het gebruik van elektromotoren in wagens kan op relatief korte tijd enorm toenemen waardoor er minder geld en minder nieuwe technologieën beschikbaar zullen zijn voor ontwikkelingen van de benzinemotor met directe injectie.

Referenties

  • http://www.autoblog.nl/fijnstof-alert-benzinemotoren-viezer-dan-diesels (12-10-2012)
  • http://blogs.howstuffworks.com/2010/10/22/how-gasoline-direct-injection-engines-work-over-70-mpg-without-a-hybrid-drive (12-10-2012)
  • http://www.kanaal50.be/Tv/Benzinemotor_ontploffingsmotor_wetenschap_auto_motor_motoren/Praktische_proeven/Wetenschap/TV-catalogus/35 (12-10-2012)
  • http://auto.howstuffworks.com/engine.htm (12-10-2012)
  • http://nl.wikipedia.org/wiki/Verbrandingsmotor (27-10-2012)
  • http://nl.wikipedia.org/wiki/Benzinemotor (27-10-2012)
  • http://nl.wikipedia.org/wiki/Mengselmotor (27-10-2012)
  • http://nl.wikipedia.org/wiki/Wankelmotor (27-10-2012)
  • http://www.renault.com/en/Innovation/eco-technologies/Documents_Without_Moderation/PDF%20ENV%20GB/Stratified-charge%20engine.pdf (28-10-2012)
  • http://nl.wikipedia.org/wiki/Injectiemotor (29-10-2012)
  • http://en.wikipedia.org/wiki/Gasoline_direct_injection (29-10-2012)
  • http://en.wikipedia.org/wiki/Petrol_engine (29-10-2012)
  • http://en.wikipedia.org/wiki/Stratified_charge_engine (29-10-2012)
  • http://en.wikipedia.org/wiki/Fuel_injection (29-10-2012)
  • http://cars.about.com/od/thingsyouneedtoknow/a/directinjection.htm (31-10-2012)
  • http://auto.howstuffworks.com/direct-injection-engine.htm (31-10-2012)
  • http://auto.howstuffworks.com/fuel-injection.htm (31-10-2012)
  • http://auto.howstuffworks.com/fuel-efficiency/fuel-saving-devices/automakers-improved-fuel-efficiency.htm (31-10-2012)
  • http://auto.howstuffworks.com/10-improvements-in-engine-design4.htm (31-10-2012)
  • www.directinjectionengine.com (1-11-2012)
  • www.autowiki.nl/injectiemotor (1-11-2012)
  • http://wardsauto.com/news-amp-analysis/direct-injection-coming-masses (1-11-2012)
  • www.natuurkunde.nl/artikelen/view.do?supportId=942231 (1-11-2012)
  • www.portfolio.peterlakeman.nl/presentatie-mengselmotor-tekst (2-11-2012)
  • www.diversetips.com/Vervoer/automotor.htm (2-11-2012)
  • www.marcovw.nl/Motor/Benzinemotor/Benzinemotor.htm (2-11-2012)
  • www.amt.nl/Techniek/Aandrijving/2009/2/Brandstof-sparen-met-directe-injectie-2009-2-AMT027285W (2-11-2012)
  • www.amt.nl/Techniek/Aandrijving/2004/6/Directe-benzine-inspuiting-en-roetuitstoot-2004-06-AMT027085W (3-11-2012)
  • www.amt.nl/PageFiles/13924/001_2006_5_60_motoren.pdf (3-11-2012)
  • www.autoforum.be/showthread.php?27625-Benzinebrandstofsystemen-carburator-monopoint-multipoint-directe-injectie-etc (3-11-2012)
  • www.thetruthaboutcars.com/2012/05/ask-an-engineer-gdi-problems-in-a-nutshell (3-11-2012)
  • http://autorepairanswers.com/autobasics/fuels-injection-system/gasoline-direct-injection-a-closer-look (4-11-2012)
  • www.timloto.org/download/pdf_lesbrieven/deltapress/motormanagement/Site3directinspuiting.pdf (10-11-2012)
  • http://tudelft.nl/fileadmin/UD/MenC/Support/Internet/TU_Website/TU_Delft_portal/Actueel/Magazines/Delft_Integraal/archief/2005_DI/2005-4/doc/DI05-4-1fijnstof.pdf (10-11-2012)
  • http://w3.wtb.tue.nl/fileadmin/wtb/ct-pdfs/Master_Theses/Toon_Jacobs.pdf (11-11-2012)
  • www.amt.nl/PageFiles/20936/002_2008_10_30_onderdelen.pdf (11-11-2012)
  • www.portfolio.peterlakeman.nl/presentatie-mengselmotor-tekst (11-11-2012)
  • http://rb-aa.bosch.com/bosch/infotech/nl-NL/PressText.cfm?mltk=171&tk=130&stk=143&id=470 (12-11-2012)
  • http://rb-kwin.bosch.com/nl/nl/powerconsumptionemissions/gasolinesystems/direct_gasoline_injection/index.html (12-11-2012)
  • J. Ver Elst, Thermodynamica (1) – deel II, 43-46