Direkte innsprøytning – rett ned mot stemplet – skal kunne gi høyere effekt og litt lavere forbruk. Men ikke nødvendigvis. Og ikke er det noen enorm nyhet heller, ideen er tysk og stammer fra 1872 …

Bildet øverst: Rett før og etter 2 verdenskrig kom Mercedes (bl.a. modell 170) med DI-dieselmotor i noen av modellene, uten turbo, med temmelig sparsom effekt … (Foto Mercedes-Benz)

Av Stein Bekkevold

Det er rart med tyskerne, de var ihuga oppfinnere av tekniske saker, riktig nok sammen med engelskmenn som Faraday og James Watt og den store Newton – og litt senere amerikanere som Edison, Westinghouse, brødrene Wright og Henry Ford.

Bak bilen står som kjent ihuga folk både i Tyskland og England – lenge før Ford og de andre; for eksempel patenterte G.B. Brayton alt i 1872 en forbrenningsmotor med trykkluftdrevet innsprøyting, noe Rudolf Diesel senere (1892) forbedret, til sin egen motor – han var da blitt 34 år. Og hadde jobbet i mange år hos professor Linde, med termodynamikk.

Patent fikk han også. Diesel økte Braytons trykk fra 490 Kpa til hele 6 400. Da økte systemets effektivitet. Trykket steg altså fra ca 4-5 kg/cm² til hele 65.

Etter hvert kom en annen tysker inn i bildet, nesten jevngammel med Diesel: Robert Bosch. Han var finmekaniker og ingeniør og fikk laget masse nytt for de ferske automobilene, bl.a. magnettenning og en moderne tennplugg.

I 1927 ville skipsredere ha nymotens dieselmotor i båtene, og da hadde Robert videreutviklet et innsprøytningssystem som brått gjorde disse motorene nøysomme og høytytende.

Som så mye annet i teknikkens verden er altså drivstoffinnsprøytning gammelt nytt. Ideen er hele 150 år gammel, nytt er datastyring og bedre materialteknikk.

 DI, eller IDi

Det er to måter å gi motoren drivstoff på: Den kan suge til seg bensin gjennom en forgasser, miste energi på veien og finfordele drivstoffet med luft i manifolden – før inntaksventilen slipper miksen inn – eller du kan sprøyte bensin inn i motoren sammen med innsuget/innblåst luft (turbo), direkte (DI) eller indirekte (IDI). De to siste systemene kan vi se på:

Moderne dieselmotorer bruker DI – dieselolje sendes kraftig forstøvet ned mot stemplet, før den antenner – når motoren starter ved hjelp av glødeplugg i topplokket, og senere av trykket. Direkte innsprøytning går fint fordi dieselolje er tungt antennelig. Det er ikke bensin, som detonerer under trykk og med gnist – og brenner dårlig, med utblåsing av NOx, CO, aske og sot – med temmelig dårlig effekt.

Bensinmotorer fikk derfor indirekte innsprøytning, med en dusj inn i manifolden – mikset med luft, eller mot inntaksventilen – som da dessuten ble nedkjølt slik at hydrokarboner ikke så lett brant fast. Sot på ventiler var vanlig i eldre GDI-motorer (GDI: Gasoline Direct Injection), der bensin ble sendt mot en grop i stemplet – via innventilen. Gropen skulle skape lagdelt ladning (stratified charge SC). Teknikken kom for å gi god men sparsom forbrenning, ved at blandingen ved stemplet var mager, men fetere oppe ved tennpluggen. Sylinderfyllingen skulle samlet sett være magrere enn i vanlige bensintorer, slik var teorien. Det gikk bare så som så.

Bosch’ tidlige system for direkte innsprøytning hadde en injektor ved siden av tennpluggen.  Injektoren er i våre dager lynrask og kan sende inn flere dusjer for hvert arbeidsslag. (Foto: Bosch)

Indirekte

Indirekte bensininnsprøytning var vanlig i mange år, tenk på alle systemene fra Bosch; alle het jetronic fordi de hadde elektronisk styrt forstøvingsdyse (jet). Et nyere system het L-Jetronic, og hadde mer digital styring. Poenget var luftstrømmåling (L).

Her ble bensin sendt mot inntaksventilen etter at systemet hadde fått beskjed om hvor mye som skulle inn, akkurat da. Motorens driftsbetingelser endres hele tiden, så styringsenheten må være kjapp, med stor kapasitet. Dette kom med ny mikroelektronikk – slik at Bosch stadig lanserte nye varianter. Innsprøytning ned i manifolden – ved luftspjeldet – og senere mot innventilen kom for alvor på 1950-tallet. Dusj mot luftspjeldet het SPI (single point), men MPI (multi) om manifolden hadde flere dyser.

1884

Alt i 1884 laget tyskerne et DI-system (fra Hallesche Maschin) og like etter laget H. A. Stuart ett for Akroyd-motorene, dette ble forbedret av Bosch og Cummins, for dieseldrift. Militære flyingeniører omfavnet teknikken da den var enkel og lett og ga høy effekt; forbruket var uviktig – rekkevidden var.

Mercedes kom tidlig i gang med dieselmotorer, og hadde dem i drift fra 1930-tallet.

Etter 1990 har nesten ingen seriebygde bensindrevne biler forgasser. GDI kom da datamaskinene fikk enda høyere kapasitet, og ingeniørene ville prøve en oppdatert versjon av DI, med lagdelt luft/drivstoff-ladning over stemplet.

Mitsubishi gikk foran, og Carisma GDI solgte godt. Tanken var å få økt effektivitet for å senke forbruk og utslipp. Tidlig så de at de måtte prøve to ulike ladninger: Homogen, og lagdelt.

I den homogene fylles motoren med full mengde bensin/luft, i den lagdelte sendes som sagt en mager ladning forstøvet bensin ned mot gropen i stemplet mens en fetere legges ved tennpluggen – og den tenner først. Flammene tenner så – i teorien – den magre blandingen. Delingen fikk de til ved hårfin styring av injiseringen. Men ingeniørene så fort at lagdeling bare gikk ved lavere turtall, og at de måtte gi en ekstra dose i høyere turtall. De prøvde også variabel ventilåpning i tid og høyde – og variabel lengde på inntaksmanifolden. Bilene kom etter hvert med vanlig GDI og ekstra dyser på manifolden, for bruk i høyere turtall.

Mitsubishi Carisma GDI var tidlig ute med direkte bensininnsprøytning men i høye turtall fungerte ikke systemet perfekt. Det ble i andre modeller erstattet av et mer moderne opplegg bl.a. med common rail trykkrør. (Foto: Mitsubishi)

Trykkrør.

Mange bilfabrikker har forlatt GDI-konseptet helt eller delvis. Men i USA sto biler med modifisert GDI like fullt for over halvparten av salget i 2016.

Nå har mange innsett at et ideelt GDI-system ikke går, og at trykkreservoar (common rail) er det beste; Bosch Motronic kom med et sånt alt i 1986. Trykket står permanent i røret, og ventilen ved sylinderen åpner og stenger til eksakt rett tid. Dette styres også av lambdasonde som leser mengden oksygen i avgassene. Det var i starten ofte piezo-effekt som drev injektorene. I hver injektor satt et krystall som reagerte på strømstøt og gikk tilbake når strømmen gikk av – en fjær nullstilte nålen. Krystallet drev stemplet og nålen, som slapp inn en eksakt mengde drivstoff, styrt av åpningstiden – og denne ble styrt av bilens datamaskin (CPU).

Teknikken er hele tiden under utvikling, særlig fordi datateknikken blir bedre og bedre.

Les også: Hydraulikk-mystikk – eller læren om væskestrømming