Auto injectiesystemen

Een injectiemotor is een type verbrandingmotor waarbij de brandstof wordt toegevoegd doormiddel van injectie (inspuiting). Het verschil met een carburateur is dat de brandstof wordt ingespoten en niet zoals bij een carburateur toegevoegd via een luchtstroom. Dit resulteert in een lager brandstofverbruik. Bij benzinemotoren wordt veelal onderscheid gemaakt tussen 4 soorten injectie:

1 K  jetronic 

2 Monopoint/Singlepoint injectie

3 multipoint injectie

4 Directe injectie

K  jetronic 

De K-Jetronic is een mechanisch inspuitsysteem, waarbij de hoeveelheid ingespoten benzine word bepaald door de aangezogen luchthoeveelheid van de motor.

Een deceleratiesysteem zorgt ervoor dat de brandstoftoevoer word afgesloten bij het afremmen op de motor, waardoor het brandstofverbruik gunstig wordt beinvloed.

De verstuivers.

Elke verstuiver is via een toevoerleiding met een verschil drukklep verbonden (component van de brandstofverdeler) en worden open gestuurd d.m.v de opgebouwde benzinedruk.

Verstuivers zijn niet te repareren; zij moeten in geval van een defect worden vervangen. (een lekkende verstuiver is over het algemeen het enige defect dat kan optreden)

Thermo-tijdschakelaar.

De thermo tijdschakelaar zit achterin het inlaatspruitstuk in het waterkanaal, en regelt het al dan niet openen van de koudestartverstuiver.

De thermotijdschakelaar is voorzien van een bi-metalen strip die bij toenemende motor-temperatuur meer vervormt en daardoor een massacontact opent.

Via dit contact word de stroomtoevoer naar de koudestartverstuiver geregeld.

De bi-metalen strip word tevens elektrisch verwarmd, waardoor de schakeltemperatuur sneller word bereikt na het starten van de motor..

Gasklepschakelaar.

De gasklepschakelaar bediend een massacontact, die samen met het toerentalrelais de deceleratieklep bediend.

Deze zorgt ervoor dat de brandstoftoevoer word afgesloten bij het afremmen op de motor.

Koudestartverstuiver.

De elektrische koudestartverstuiver wordt via een toevoerleiding vanaf de brandstofverdeler continu op systeemdruk gehouden.

In de koudestartverstuiver word de benzine via een zeefje nogmaals gefilterd.

De benzine word vervolgens via een elektrisch bediende magneetklep al dan niet verneveld ingespoten met een systeemdruk van 4.7 Bar.

De koudestartverstuiver wordt via het startrelais bediend, en het massacontact word geschakeld via de thermo-tijdschakelaar.

Hierdoor word de koudestartvertsuiver alleen geactiveerd bij het draaien van de startmotor (dus bij een startende motor) wanneer de motor koud is.

Extra luchtschuif.

Om tijdens het warmdraaien de hogere wrijvingsverliezen van de koude motor te compenseren, krijgt de motor in deze fase een brandstof-luchtmengsel, dat zo dicht mogelijk bij het stationaire toerental ligt.

De daarvoor nodige brandstofhoeveelheid wordt door de warmdraairegelaar bepaald.

De extra lucht krijgt de motor bij gesloten gasklep via de extra-luchtschuif.

Een omloopleiding langs de gasklep wordt door de extra-luchtschuif meer of minder geopend (de extra-luchtschuif staat dus parallel over de gasklep), afhankelijk van de motortemperatuur.

Bij koude motor is de regelklep van de extra-luchtschuif geopend.

Naarmate de motor warmer wordt, wordt de luchtdoorlaat door de schuif geleidelijk gesloten totdat bij het bereiken van de bedrijfstemperatuur geen extra lucht meer nodig is.

De temperatuurafhankelijke sturing van de extra-luchtschuif gebeurt door een bi-metaal, dat door een elektrische wikkeling wordt verwarmd.

Warmdraairegelaar.

Zoals beschreven bij de extra-luchtschuif, heeft de motor tijdens het warmlopen een rijker mengsel nodig ter compensatie van condensatieverliezen in het spruitstuk en de cilinders... (choke-werking)

De regeling van de benzine-hoeveelheid gebeurt door de warmdraairegelaar.

De warmdraairegelaar bestaat uit een gegoten huis; op de bovenkant bevind zich de electrische aansluiting en de brandstofaansluitingen naar de verdeler en de retourleiding (via de brandstofverdeler).

De brandstofaansluitingen hebben verschillende diameters zodat deze niet verwisseld kunnen worden.

In de warmdraairegelaar zit een bi-metaal, dat door een elektrische wikkeling wordt verwarmd, deze bedient een klep die de brandstofretour-druk regelt.

De warmdraairegelaar regelt op deze manier de regeldruk, die via een smoring is afgeleid van de systeemdruk.

Bij een koude motor bedraagt de regeldruk slechts 0.5 Bar waardoor de regelschijf in de brandstofverdeler hoger word gelicht en de verstuivers meer benzinedruk krijgen (hierdoor word het mengsel dus rijker).

Na het starten van de motor word de verhitting van het bi-metaal ingeschakeld.

Het bi-metaal word nu warmer, waardoor de regelklep geleidelijk opengestuurd word.

Wanneer de motor op bedrijfstemperatuur is gekomen is de regelklep in de warmdraairegelaar geheel geopend, waardoor de regeldruk gelijk is geworden aan de systeemdruk.

De regelschijf in de brandstofverdeler word nu niet meer zo hoog worden gelicht als bij een koude motor.

De mengselverrijking neemt dus continu af tot de bedrijfstemperatuur van de motor is bereikt.

De verwarming van het bi-metaal gebeurt zowel elektrisch alsook door de motorwarmte.

Daarom is de warmdraairegelaar op een voor de motortemperatuur karakteristieke plaats gemonteerd.

Luchtfilter.

Het zogenaamde 'paneelfilter' ligt in een behuizing onder de brandstofverdeler.

Om deze te vervangen, kan de brandstofverdeler worden los geklikt van het luchtfilterhuis.

Deceleratieklep.

De deceleratieklep zorgt ervoor dat de brandstoftoevoer word afgesloten wanneer de gasklep gesloten is, terwijl de motor nog meer dan 1630 Rpm draait (bij het afremmen op de motor).

De deceleratieklep is opgenomen tussen het luchtfilterhuis en de aanzuigslang naar de gasklep.

Wanneer de deceleratieklep wordt geactiveerd overbrugd deze dus de regelschijf van de brandstofverdeler, waardoor deze terugvalt in de zitting en de injectoren op dat moment gesloten worden omdat de benzinedruk wegvalt.

De deceleratieklep krijgt spanning via het toerentalrelais* boven de 1630 Rpm, en het massacontact word al dan niet geschakeld via de gasklepschakelaar

Brandstofpomp.

De elektrische brandstofpomp hangt achter, onder de auto.

Deze zorgt ervoor dat de benzine uit de benzinetank naar de brandstofverdeler word getransporteerd.

De brandstofpomp wordt door het starten van de motor in bedrijf gesteld door het benzinepomprelais... dit relais word geactiveerd door de impulsen die afkomstig zijn van de ontsteking (parallel aan het toerentellersignaal).

Zodoende zal de brandstofpomp ten alle tijden uitschakelen wanneer de motor om wat voor reden dan ook stilvalt.

Wanneer de auto op contact wordt gezet (alvorens gestart te worden) activeert het benzinepomprelais de benzinepomp gedurende 1 seconde... Zodoende wordt het systeem op druk gezet.

Drukaccumulator.

Alvorens de benzine door de brandstofpomp naar de brandstofverdeler word getransporteerd, stroomt deze eerst door de drukaccumulator.

De taak van de accumulator is het in stand houden van de systeemdruk na het uitschakelen van de motor gedurende een zekere periode.

Ook stabiliseert de accumulator de benzinedruk, zodat deze ten alle tijde constant is (bijv. bij schommelingen van de benzinepomp bij meer of minder stroomafname).

Brandstoffilter.

Na de accumulator stroomt de brandstof door een fijn filter.

Indirecte injectie

Bij indirecte injectie wordt de brandstof niet direct in de verbrandingskamer ingespoten maar op een bepaald punt voor de inlaatklep. Hiervoor worden de volgende methoden gebruikt:

1 Monopoint/Singlepoint injectie

2 multipoint injectie

Monopoint/Singlepoint injectie

Het monopoint injectiesysteem werkt in principe gelijk aan het multipointsysteem, alleen is er slechts een injector, die boven de gasklep is geplaatst. Dit is op dezelfde plek als de plek van een carburateur, wat betekent dat deze manier van inspuiting niet erg duur is omdat een gecarbureerde motor weinig aanpassingen hoeft te ondergaan voor singlepoint-injectie.
Voor het vaststellen van de motorbelasting wordt hier een gasklepsensor gebruikt.

Omdat er slechts één injector is, heeft een singlepoint injectiesysteem geen brandstofrail: het principe is verder hetzelfde als bij de multipoint systemen. Een bekende vertegenwoordiger van dit genre is de Bosch Mono-Jetronic. Bij de Mono-Jetronic is de injector op het gasklephuis gemonteerd. Om te voorkomen dat er op de wanden een brandstoffilm wordt opgebouwd, is bij zulke systemen de brandstofstraal dusdanig gevormd, dat de brandstof in de spleet tussen gasklep en gasklephuis wordt gespoten, waar het door het grote drukverschil optimaal wordt gemengd.

multipoint injectie

Een multipoint-injectiesysteem injecteert de brandstof echter vlak boven de inlaatklep. Dat betekent dat de brandstof niet meer op één punt (singlepoint) wordt ingespoten maar dat elke cilinder zijn eigen injector heeft. Hierdoor daalt het brandstofverbruik maar deze methode is wel duurder aangezien er meer injectoren nodig zijn.

Bij zowel single- als multipoint-injectie kan continue injectie worden toegepast. Hierbij wordt de brandstof continu ingespoten, maar met een variabele hoeveelheid. Het meest bekende continuous-injection systeem is K-Jetronic van Bosch.

De brandstofpomp levert een druk van ongeveer 6 bar; de druk in de brandstofrail (een klein reservoir waaraan de injectors zijn gemonteerd) wordt door de brandstofdrukregelaar op een meestal vaste waarde boven de druk die in het inlaatspruitstuk heerst (meestal 2,5-3,5 bar) wordt gehouden. Dat wil zeggen dat bijvoorbeeld een 3,0 bar brandstofdrukregelaar bij vol geopende gasklep (waarbij de druk vrijwel atmosferisch is) een druk van 3,0 + 1,0 (atmosferische druk) = 4.0 bar is. Bij een motor met drukvulling kan de druk in het inlaatsysteem hoger dan atmosferisch zijn: bij een 2.5 bar brandstofdrukregelaar en een maximale turbodruk van 0,8 bar kan de brandstofdruk oplopen tot 2,5 + 1,0 + 0,8 = 4,3 bar. Het teveel aan door de brandstofpomp aangevoerde benzine loopt via de retourleiding weer terug in de brandstoftank. Injectors zijn elektromagnetische kleppen die doorgaans voor de inlaatpoort van elke cilinder zijn geïnstalleerd (een uitzondering is bijvoorbeeld de Rover A-series in de 'oude' Mini, waar de inlaatpoorten voor cilinders 1+2 en 3+4 'siamese tweelingen' zijn en die dientengevolge voor vier cilinders slechts twee injectoren heeft) door middel van pulsbreedtemodulatie worden aangestuurd, waarbij de ingespoten hoeveelheid brandstof wordt bepaald door de openingsduur (pulse width) oftewel de duty cycle, en de capaciteit van de injectoren (aangeduid in ml per minuut). Vuistregel voor het vaststellen van de juiste brandstofcapaciteit is dat de 'duty cycle niet boven de 80-85% mag uitstijgen (oftewel de injector staat 80-85% van de tijd open) wanneer de motor zijn maximale vermogen levert (en dus ook zijn grootste 'brandstofbehoefte' heeft). De injectors kunnen op twee manieren worden aangestuurd door het motormanagement: batch fired (waarbij alle injectoren tegelijkertijd open staan en het mengsel net als bij carburateurs of het mechanische Bosch K-Jetronic injectiesysteem) continu wordt gevormd, of sequentieel waarbij de injectors één voor één worden aangestuurd en de brandstof wordt ingespoten op het optimale tijdstip vóór de verbranding. Dit kan alleen wanneer het motormanagement 'weet' waar de zuigers 'staan' door middel van een nokkenas- of krukaspositiesensor. Voor wat betreft het maximaal bereikbare motorvermogen zijn beide systemen gelijkwaardig; het sequentiële systeem is alleen licht in het voordeel voor wat betreft emissiewaarden en de motorresponse bij gaswisselingen.

Directe injectie

Benzinemotoren kunnen echter ook direct geïnjecteerd zijn. Hierbij wordt de brandstof voor de inspuiting op druk gebracht en verzameld in de ‘commonrail’, een centrale buis vóór de injectoren. Elke cilinder heeft een eigen injector, gemonteerd naast de inlaatklep. Deze injectoren spuiten de brandstof direct in de cilinder. Hierdoor daalt het verbruik nog verder. Echter, dit is wel een duurdere manier van injectie.

Werking van Benzine injectoren

De werking van de benzine injector en de alternatieve brandstof injector komt op hetzelfde neer. De injector is aangesloten op een op druk staande brandstofkamer (de fuel-rail). Een injectornaald of membraam sluit de doorgang af. De injector staat op een direkte plus aangesloten vanaf het brandstofpomp-relais. Het motormanagement systeem zal de injector gedurende korte tijd aan massa leggen waardoor er een stroom door de spoel kan vloeien. Deze wordt daardoor magnetisch, zal de naald uit de zitting tillen en er zal brandstof door de opening stromen. Als het motormanagement de stroom stopt zal de injectornaald weer terug vallen op haar zitting en zal de brandstofstroom stoppen. Dit gaat allemaal in een heel snel tempo. Typische injectietijden zijn tussen de 1 milliseconde en de 20 milliseconde per cyclus (2 krukas omwentelingen).

De injector is een vaak voorkomende veroorzaker van motorfalen.

Indien één van de injectoren minder opbrengst geeft door vervuiling of een defect zal de betreffende cilinder minder brandstof krijgen. Maar de hoeveelheid lucht blijft gelijk. Indien we de motor zwaar belasten zal die cilinder eerder gaan detoneren en zou er een gat in de zuiger kunnen branden. Het is dus raadzaam de injectoren te controleren op gelijke opbrengst voor deze te monteren. Verder kan bij stationair bedrijf het mengsel verstoord worden door lekkende afdichtingrubbertjes tussen de injector en het spruitstuk. Het is raadzaam deze eens te vervangen als er klachten zijn over de stationairloop bij een auto op leeftijd.

Het motormanagement

Het motormanagement stuurt in de meeste gevallen (tegenwoordig altijd) ook de stationairloop van de motor aan door middel van een extra uitgangskanaal waaraan een zogenoemde Auxiliary Idle Control of AIC-klep is gekoppeld: een stappenmotor die het stationaire toerental regelt ongeacht de toestand en belasting van de motor. Andere functies van het brandstofsysteem kunnen bijvoorbeeld mengselverrijking zijn wanneer detonatie wordt geconstateerd (door een aparte klopsensor of door een verbrandingssignaal vanaf de bougies die als sensor fungeren ten aanzien van het verbrandingsproces in de cilinder), correcties voor het (snel) openen van de gasklep waarbij tijdelijk een 'arm' mengsel ontstaat omdat lucht lichter is dan brandstof en dus sneller door de motor naar binnen wordt gezogen, en voor het plotseling sluiten van de gasklep waarbij de uitstoot van HC even enorm oploopt. De meeste motomanagementsystemen hebben ook een toerenbegrenzer geïntegreerd, waarbij oftewel alle brandstoftoevoer wordt afgesneden totdat het toerental zich weer 500 tpm onder het maximaal toegestane bevindt (hard cut) oftewel alternerend de duty cycle van telkens één injector wordt onderbroken (soft cut). Veelal worden beide modi gecombineerd, waarbij de soft cut enkele honderden toeren per minuut vóór het volledig 'afsnijden' van de brandstoftoevoer optreedt.

Alle personenauto's die na 1 januari 1994 op de weg zijn gekomen, hebben een 'zelflerend' motormanagementsysteem op basis van een lambdaregeling. Hiermee kunnen toleranties en veranderingen in de motor of de brandstofinspuiting worden gecorrigeerd, zodat de motor onder normale bedrijfsomstandigheden altijd het meest optimale brandstofmengsel van 14,7 delen lucht op 1 deel benzine  krijgt toegediend. Het systeem werkt dan in closed loop: afwijkingen van de juiste lambdawaarde worden door de lambdasensor geconstateerd, waarna het motormanagement de brandstofinspuiting corrigeert. Onder vollast is een (veel) rijker mengsel gewenst dat zich buiten het werkingsgebied van de algemeen toegepaste lambdasensors bevindt: het systeem werkt dan in open loop modus en baseert de in te spuiten hoeveelheid brandstof dan geheel op de in het motormanagement geprogrammeerde tabellen.