Waarom uw auto geen carburateur meer heeft

De regels voor emissies en brandstofverbruik hebben de auto-industrie gedwongen om volledig te heroverwegen hoe zij benzine aan een motor levert. De verschuiving was niet recent. Het gebeurde geleidelijk, eerder gedreven door technische noodzaak dan door keuze. De Subaru Justy uit 1990 heeft een vreemde titel in de Amerikaanse autogeschiedenis. Het was de laatste auto die hier op de massamarkt werd verkocht met een carburateur. Het volgende modeljaar? De Justy heeft brandstofinjectoren.

Dit maakt de tijdlijn voor sommige liefhebbers verwarrend. Brandstofinjectie is niet nieuw. De technologie dateert uit de jaren vijftig. Europese fabrikanten maakten al sinds ongeveer 1980 op grote schaal gebruik van elektronische brandstofinjectie. Als je tegenwoordig in de Verenigde Staten een nieuwe auto koopt, beschikt deze over brandstofinjectie. Periode.

We gaan precies uitsplitsen hoe die brandstof de cilinder binnenkomt. We zullen ook termen als “brandstofinjectie met meerdere poorten” en “brandstofinjectie in het gasklephuis” decoderen, zodat u weet wat er feitelijk onder de motorkap gebeurt.

De ingewikkelde opkomst en ondergang van de carburateur

Bijna de hele levensduur van de verbrandingsmotor deed de carburateur het zware werk. Het mengde lucht en brandstof voor de motor. Tegenwoordig zie je ze nog steeds op grasmaaiers en kettingzagen. Ze werken. Ze zijn eenvoudig. Maar auto’s werden complex. De carburateur moest aan meer bedrijfseisen voldoen dan ooit tevoren.

Om de last aan te kunnen, werden deze mechanische apparaten ingewikkeld. Een typische opstelling vereiste vijf verschillende circuits:

• Hoofdcircuit – Levert precies de hoeveelheid brandstof die nodig is voor efficiënte kruissnelheden.
• Stationair circuit – Zorgt ervoor dat de motor soepel blijft draaien als u voor een stoplicht stilstaat.
• Acceleratorpomp – Levert een snelle brandstofstoot wanneer u het pedaal voor het eerst indrukt. Dit elimineert aarzeling.
• Vermogensverrijkingscircuit – Voegt extra brandstof toe bij het beklimmen van een heuvel of het slepen van een zware lading.
• Choke – Verrijkt het mengsel als de motor koud is om een ​​betrouwbare start te garanderen.

Het was niet genoeg om alleen de brandstof te mengen. De omgeving veranderde. De emissieregels zijn aangescherpt. De katalysator werd verplicht. Dit apparaat vereist een zeer specifieke lucht-brandstofverhouding om effectief te kunnen werken. Te veel brandstof en het mislukt. Te weinig, en het mislukt.

Ingenieurs moesten het zuurstofniveau in de uitlaat in realtime monitoren. Ze gebruikten zuurstofsensoren om gegevens naar de motorregeleenheid (ECU) te sturen. De ECU heeft het mengsel vervolgens onmiddellijk aangepast. Dit wordt gesloten-lusregeling genoemd. Carburateurs konden dit precisieniveau eenvoudigweg niet bereiken. Ze zijn mechanisch. Ze kunnen niet denken.

Er was een korte, lelijke periode waarin fabrikanten probeerden de carburateur te elektrificeren. Elektrisch geregelde koolhydraten waren zelfs nog complexer dan hun puur mechanische tegenhangers. Ze faalden. Brandstofinjectoren namen het over.

Van één punt naar precisie met meerdere poorten

De transitie gebeurde niet van de ene op de andere dag. De eerste stap was de brandstofinjectie in het gasklephuis. Ook bekend als single-point of centrale brandstofinjectie. Dit systeem plaatste elektrisch bediende brandstofinjectiekleppen rechtstreeks in het gasklephuis.

Het was bijna een vervanging van een bout. Autofabrikanten hoefden hun motoren niet opnieuw te ontwerpen. Het was een snelle oplossing. Maar het was niet perfect.

Naarmate het motorontwerp evolueerde, stapten fabrikanten over op brandstofinjectie met meerdere poorten. Dit wordt ook wel poortbrandstofinjectie, meerpuntsinjectie of sequentiële brandstofinjectie genoemd. Het verschil is aanzienlijk. Elke cilinder krijgt zijn eigen speciale injector. Deze sproeiers spuiten brandstof rechtstreeks bij de inlaatklep.

Het resultaat is een betere nauwkeurigheid. De meting is strakker. De motor reageert sneller. Het is een efficiënter systeem. De dagen van één enkel mondstuk voor alle cilinders zijn voorbij.

De invoer begrijpen

Wanneer u in uw auto het gaspedaal indrukt, heeft u niet rechtstreeks controle over de brandstof. Jij bestuurt de gasklep. Deze klep regelt hoeveel lucht de motor binnenkomt. Het brandstofsysteem reageert op die lucht.

Het gaspedaal is dus eigenlijk het luchtpedaal.

Trap op het gas. De gasklep zwaait open. Er stroomt meer lucht naar binnen. Uw Engine Control Unit, of ECU, vangt die beweging onmiddellijk op. Er wordt niet alleen gekeken. Het reageert. De ECU verhoogt de brandstoftoevoer voordat die extra lucht zelfs maar de verbrandingskamer bereikt.

Waarom is timing zo belangrijk?

Omdat aarzeling de vijand is. Als de brandstoftoevoer achterblijft bij de luchtinlaat, krijg je een rijke luchtzak zonder brandstof. De motor stottert. Je voelt het als een ruk in je broekzak. De ECU voorkomt dit door de brandstofinjectie te synchroniseren met de luchtstroom. Het is een strakke dans tussen massale luchtstroom en verstoven brandstof.

De anatomie van de injector

Een brandstofinjector is in wezen een elektronisch geregelde klep. Maak het niet te ingewikkeld. Het is een poortwachter voor brandstof onder druk uit de pomp. Het opent en sluit vele malen per seconde. Precisie is de sleutel.

Wanneer de ECU een elektrisch signaal verzendt, beweegt een elektromagneet een plunjer. De klep gaat open. Brandstof onder druk spuit door een klein mondstuk. Dat mondstuk is ontworpen voor verneveling. Het verandert vloeistof in een fijne nevel. Waarom? Omdat mist brandt. Vloeistof niet. Voor een volledige verbranding is oppervlakte nodig. Hoe fijner de nevel, hoe beter de verbranding.

De ECU regelt de duur van deze opening. Dit noemen we pulsbreedte. Een langere pulsbreedte staat gelijk aan meer brandstof. Korter is minder. Eenvoudige natuurkunde.

Deze injectoren worden in het inlaatspruitstuk gemonteerd. Ze spuiten rechtstreeks op de inlaatkleppen. Een brandstofrail verdeelt de brandstof onder druk naar elke injector. Het is een gesloten lussysteem. De druk is constant. Controle is dynamisch.

Het sensornetwerk

De ECU kan geen beslissingen nemen in een vacuüm. Het heeft gegevens nodig. Veel ervan. De motor werkt onder voortdurend veranderende omstandigheden. Temperatuur, belasting, snelheid, luchtstroom. De ECU bewaakt dit allemaal via een netwerk van sensoren.

Dit is waar de ECU naar luistert:

• Massaluchtstroomsensor: Deze vertelt de ECU precies hoeveel lucht de motor binnenkomt. Het is de primaire invoer voor het berekenen van de basisbrandstof.
• Zuurstofsensor(en): Bevindt zich in de uitlaat. Het meet het zuurstofgehalte in de verbruikte gassen. Deze feedbacklus vertelt de ECU of het mengsel te rijk (te veel brandstof) of te arm (te veel lucht) is. De ECU past zich aan op basis van deze realtime gegevens.
• Gaskleppositiesensor: Deze controleert de hoek van de gasklep. Het geeft de ECU een signaal over de bedoelingen van de bestuurder. Plotselinge gasinvoer? De ECU ziet dit onmiddellijk en past de brandstoftoevoer aan om vertraging te voorkomen.
• Koelvloeistoftemperatuursensor: De motor heeft een andere lucht-brandstofverhouding nodig als hij koud is dan als hij warm is. Deze sensor vertelt de ECU de thermische toestand van de motor. Koude motoren hebben een rijker mengsel nodig om soepel te kunnen lopen.
• Spanningssensor: Het elektrische systeem is belangrijk. Als de systeemspanning daalt, betekent dit vaak een hoge elektrische belasting (zoals het overbelasten van de aircocompressor of de dynamo). De ECU kan het stationaire toerental verhogen om de belasting te compenseren.
• Absolute druk (MAP)-sensor van het spruitstuk: Deze meet het vacuüm in het inlaatspruitstuk. Minder druk betekent dat er meer lucht wordt aangezogen. De ECU gebruikt dit om de motorbelasting en het vermogen te schatten. Meer lucht erin, meer brandstof eruit.
• Motortoerentalsensor: Het toerental is een kritische factor bij het berekenen van de pulsbreedte. Hoe sneller de motor draait, hoe vaker de injectoren moeten vuren om de verhouding te behouden.

Sequentieel vs. batchbrand

Brandstofinjectiesystemen met meerdere poorten vallen over het algemeen in twee categorieën. Ze vuren alle injectoren tegelijk af, of ze vuren ze opeenvolgend af.

Batch-vuren is eenvoudiger. Alle injectoren gaan open in een enkele gebeurtenis of in gegroepeerde gebeurtenissen. Het werkt. Maar er zit vertraging in.

Sequentiële brandstofinjectie met meerdere poorten is anders. Elke injector gaat open net voordat de inlaatklep van de specifieke cilinder opengaat. Het wordt getimed op de individuele cilinder.

Welke is beter? Opeenvolgende overwinningen voor reactievermogen.

Denk aan een plotselinge verandering van gaspedaal. In een batchsysteem moet de ECU mogelijk wachten op de volgende volledige motoromwenteling voordat de volgende injectie plaatsvindt. Dat is een vertraging. Bij een sequentieel systeem wacht de ECU alleen tot de volgende inlaatklep voor die specifieke cilinder opengaat. Dat kan milliseconden eerder zijn.

Het resultaat is een snellere aanpassing. De motor reageert met minder vertraging op input van de bestuurder. De lucht-brandstofverhouding blijft strakker onder dynamische omstandigheden. Het gaat niet alleen om macht. Het gaat om gladheid. Het gaat om precisie.

De technologie blijft evolueren. Maar het kernprincipe blijft hetzelfde. Lucht meten. Voeg brandstof toe. Verbrand het schoon. Doe het snel.

De software in uw motorregeleenheid (ECU) doet veel zwaar werk. Het is niet zomaar een simpele overstap. De algoritmen moeten voldoen aan strenge emissieregels voor 160.000 kilometer, voldoen aan de EPA-doelstellingen voor brandstofverbruik en voorkomen dat u uw motor opblaast. Er zijn nog tientallen andere beperkingen waarmee u rekening moet houden.

De ECU gebruikt een formule gemengd met enorme opzoektabellen om de pulsbreedte voor brandstofinjectoren te berekenen. Dat is de tijd dat de injector open blijft. De vergelijking vermenigvuldigt een reeks factoren. De meeste van deze factoren komen uit tabellen. We kunnen dit vereenvoudigen om te zien hoe het werkt. Een echt systeem kan honderd factoren gebruiken. In ons voorbeeld worden er drie gebruikt.

Pulsbreedte = (basispulsbreedte) x (factor A) x (factor B)

Eerst zoekt de ECU de basispulsbreedte op. Dit is afhankelijk van het motortoerental (RPM) en de belasting. De belasting komt van de absolute druk in het verdeelstuk. Stel dat je 2.000 toeren per minuut draait met een belasting van 4. Je vindt dat snijpunt in de tabel. De basispulsbreedte is 8 milliseconden.

RPM \ Laden	1	2	3	4	5
1.000	1	2	3	4	5
2.000	2	4	6	8	10
3.000	3	6	9	12	15
4.000	4	8	12	16	20

Kijk nu naar de factoren A en B. Deze komen van sensoren. Factor A is de koelvloeistoftemperatuur. Factor B is het zuurstofniveau. Als de koelvloeistof 100 graden is en het zuurstofniveau 3 is, geven de tabellen ons specifieke vermenigvuldigers.

Parameter A (Temperatuur)	Factor A
0	1.2
25	1.1
50	1,0
75	0,9
100	0,8
125	0,75

Parameter B(O2)	Factor B
0	1,0
1	1,0
2	1,0
3	1,0
4	0,75

De wiskunde is dus eenvoudig. 8 x 0,8 x 1,0 is gelijk aan 6,4 milliseconden. Het systeem past zich aan op basis van deze input. Factor B gaat over zuurstof in de uitlaatgassen. Als er te veel zuurstof is, stopt de ECU met brandstof. Het is een feedbacklus die is ontworpen om de zaken efficiënt te houden.

Echte systemen hebben meer dan 100 parameters. Sommige tabellen veranderen in de loop van de tijd om rekening te houden met slijtage aan onderdelen zoals de katalysator. De ECU kan deze berekeningen honderd keer per seconde uitvoeren.

Wat prestatiechips eigenlijk doen

Dit brengt ons bij prestatiechips. Als je de ECU-logica begrijpt, begrijp je waarom deze aftermarket-chips bestaan. Ze verhogen de paardenkracht.

Er zit een chip in de voorraad-ECU die de opzoektabellen bevat. Prestatiechipmakers vervangen die chip. De nieuwe tabellen bevatten waarden die onder bepaalde omstandigheden meer brandstof verbruiken. Misschien voegen ze meer brandstof toe bij volgas over het hele toerentalbereik. Ze kunnen ook de vonktiming veranderen. Deze instellingen hebben hun eigen tabellen.

Het belangrijkste verschil zijn prioriteiten. Autofabrikanten maken zich zorgen over betrouwbaarheid, kilometerstand en uitstoot. Chipmakers geven daar niet zoveel om. Ze gebruiken agressieve instellingen in de brandstofkaarten. Ze willen macht. Periode.

De toekomst van directe injectie

Directe injectie veranderde het spel. Brandstof gaat rechtstreeks naar de verbrandingskamer in plaats van naar het inlaatspruitstuk. Deze nauwkeurige afgifte verbetert de verneveling. U krijgt een beter verbrandingsrendement. Meer kracht. Lagere uitstoot.

Elektrische voertuigen veroveren marktaandeel. De vraag naar verbrandingsmotoren zal afnemen. Dat geldt ook voor de vraag naar brandstofinjectoren. Maar het zal niet van de ene op de andere dag gebeuren. Verbrandingsmotoren zullen jarenlang blijven bestaan. Hybriden hebben ze nodig. Nichetoepassingen hebben ze nodig.

De technologie evolueert nog steeds. We zien injectiesystemen met hogere druk. Controle-algoritmen worden steeds slimmer. Integratie met elektrische voortstuwing komt eraan. Deze stappen beloven nog meer efficiëntie en minder vervuiling. Het landschap is aan het veranderen.

Raadpleeg de links op de volgende pagina voor meer informatie over brandstofinjectiesystemen.

Veelgestelde vragen over brandstofinjectiesystemen

Kun je een carburateur ombouwen naar brandstofinjectie?
Ja. Aftermarket-conversiekits kunnen een carburateur met injectoren vervangen.

Hoeveel kost een conversiesysteem voor brandstofinjectie?
Sommige systemen kosten minder dan $ 1.000. De meeste kosten aanzienlijk meer.

Vergroot brandstofinjectie het aantal pk’s?
Het hangt van de motor af. Je kunt een toevoeging van 10 tot 20 pk verwachten.

Hebben oude auto’s brandstofinjectoren?
De meeste Amerikaanse auto’s van vóór 1990 gebruikten carburateurs. Brandstofinjectie bestaat al sinds de jaren vijftig. Europese auto’s maakten er vanaf 1980 op grote schaal gebruik van.

Wat zijn de verschillende soorten brandstofinjectiesystemen?
Moderne systemen vallen in vier categorieën: single point, multi-port, sequentiële en directe injectie.

Gerelateerde HowStuffWorks-artikelen

• Hoe auto-ontstekingssystemen werken

• Hoe automotoren werken

• Hoe katalysatoren werken

• Hoe autokoelsystemen werken

• Welke snelheid moet ik rijden om een maximaal brandstofverbruik te bereiken?

• Hoe benzine werkt

• Hoe de waterstofeconomie werkt

• Hoe de Aptera-hybride werkt

Nog meer geweldige links

• Het brandstoftoevoersysteem

• Problemen met elektronische brandstofinjectie oplossen

• Onderhoudstips voor dieselbrandstofinjectie

• GM Goodwrench-video’s