Injectie

Essentieel bij alle motorconfiguraties is dat benzine en lucht in de optimale verhouding en zo goed mogelijk vermengd in de verbrandingskamer(s) aankomen. Zeker met de huidige verbruiks- en emissie-eisen wordt hieraan meer aandacht besteed dan ooit.

Tankdop open en vullen die tank. Energie is bijna niet compacter en handiger op te slaan dan met de koolwaterstofverbindingen uit de bekende pomp. Daarbij is benzine met een soortelijke massa van ongeveer 0,72 kilo per liter ook nog lekker licht, wat de gewichtsfetisjisten in het bijzonder blij maakt.
Op weg naar de verbrandingskamers doorloopt de brandstof enkele onmisbare stations. Dat begint al bij – je gelooft het nauwelijks – de tankdop. Ten eerste moet deze de tank goed afsluiten, zelfs – of misschien wel juist – bij een valpartij, om het weglopen van het zeer licht ontvlambare goedje te voorkomen. Dat zou op zich niet zo moeilijk zijn, ware het niet dat de tank ook nog ont- en belucht moet worden. Ontlucht wanneer de benzine warm wordt en daardoor uitzet en druk opbouwt. Sommige tanks hoor je hierdoor lichtjes (of best wel luidruchtig) sissen en fluiten. Wat in elk geval minder irritant is dan een onder druk lekkende of zelfs barstende tank. Omgekeerd moet de tankdop of de beluchting ook zo zijn geconstrueerd dat niet alleen overdruk wordt afgeblazen, maar dat er ook geen onderdruk in de tank ontstaat. Dat zou gebeuren telkens wanneer het benzineniveau daalt en er geen lucht wordt aangevoerd om het vrijkomende volume in te nemen. De tankontluchting moet dus in beide richtingen werken en toch voldoende afdichten. Dat wordt bereikt door een uitgekiend labyrintsysteem en/of kogelklepjes.

Tot eind jaren negentig waren motorfietsen gewoonlijk met carburateurs uitgerust. De benzine kwam meestal puur door het hoogteverschil in de carburateurs, dus de benzinetank moest duidelijk boven het niveau van de vlotterkamers liggen. Wanneer de tankontluchting defect of verstopt was, daalde het niveau in de vlotterkamers en werd het mengsel snel armer, waardoor het niet meer te ontsteken was of – erger nog – nog net wel, waardoor de zuigers en kleppen te heet werden. Een gat in een zuiger, verbrande uitlaatkleppen of een vastloper kon het gevolg zijn. Zeker bij luchtgekoelde motoren werd vaak een rijk mengsel gebruikt om de motor bij vollast inwendig te koelen, dus een defecte ontluchting kon grote gevolgen hebben.
Sommige fabrikanten gebruikten bij carburateurmotoren kleine opvoerpompjes (zie foto), die met een minimale, maar constante overdruk ook bij een bijna lege tank voor een gelijkblijvend vlotterniveau zorgen. Door het dalende benzinepeil daalt immers ook de druk op de vlotternaald, wat een lichte daling van het vlotterniveau oplevert.
Toch geeft de in principe geniaal simpele carburateur bij een goed uitgedokterde sproeierbezetting een vlekkeloos lopend motorblok. Het is dus geen wonder dat veel motorrijders nog met weemoed aan de smeuïge gasrespons en minimale lastwisselreacties van hun oude machines terugdenken. Ook al omdat veel carburateurmotoren van twintig jaar geleden al verbazingwekkend lage verbruikscijfers wisten te realiseren.
Voor een goede werking van de katalysator en daarmee goede emissiewaarden was een carburateur echter niet meer bruikbaar. Elektronische injectie deed in rap tempo zijn intrede in de motorwereld. In combinatie met alle denkbare sensoren – waaronder natuurlijk de onmisbare lambdasonde – weten moderne motoren de spagaat tussen de strenge emissie-eisen en enorme prestaties te maken, met daarbij nog een vaak zeer acceptabele gasrespons en dito verbruik. Dit is een reusachtig karwei, waarbij ongelooflijk veel tijd en moeite is gestoken in het optimaliseren van de verbranding. Het is dan ook niet verwonderlijk dat er bij nieuwe modellen tot vlak voor de introductie – en soms zelfs nog daarna – door de elektronica- en injectiespecialisten nog hard aan de programmering van het motormanagement wordt gewerkt. Maar dat is een heel verhaal apart.

Laten we onze aandacht richten op de weg van de peperdure brandstof van de tank naar de verbrandingskamer. Het eerste station is de benzinepomp (zie foto) die in de tank is ondergebracht. Deze zuigt met een elektromotor de benzine van onderuit de tank aan en pompt hem met een druk van drie tot acht bar via een stevige brandstofleiding naar de injectors. Na het aanzetten van het contact is bij de meeste injectiemotoren een zacht zoemen te horen, dat bij het bereiken van de vereiste druk meteen stopt. Om genoeg druk te kunnen opbouwen, moet de accu genoeg boordspanning leveren. Is deze te laag, dan kun je startproblemen krijgen, ook al draait de startmotor wel rond.
Zodra de brandstofpomp in bedrijf is, zijn alle injectoren voorzien van de benodigde benzinedruk. In de tussentijd hebben alle sensoren hun informatie aan de ECU (Electronic Control Unit) doorgegeven. Voor de koude start bij gesloten gashendel/gasklep is een grotere hoeveelheid benzine nodig dan bij een warme start. Bij carburateurmotoren werd dit meestal met de hand geregeld met een chokehendel, bij elektronische injectie echter zorgen de temperatuursensoren van de aangezogen lucht en de koelvloeistof ervoor dat de ECU een rijker mengsel berekent. Waarom eigenlijk? Omdat, of je nou carburateurs hebt of injectie, de kleine benzinedruppeltjes zich afzetten op de koude wanden van de aluminium cilinderkop. De in het inlaattraject neerslaande benzinedeeltjes leiden tot een verarming van het benzine-luchtmengsel tot een mate waarin het niet meer is te ontsteken (met als gevolg afslaan of onregelmatig lopen). Ook verdampt de wel in de verbrandingskamer aankomende benzine minder goed, waardoor de druppeltjes groter blijven en niet volledig verbranden. In deze koude fase moet er dus meer benzine worden ingespoten om te zorgen dat het blok goed rond loopt.
Maar ook bij wat hogere toerentallen en bij lastwisselingen (gas dicht/gas open) bezorgen de benzineafzettingen op de koude wanden van de inlaatkanalen de ingenieurs hoofdbrekens. Wanneer bij het sluiten van de gaskleppen de druk in de inlaatkanalen plotseling daalt, wordt de neergeslagen benzinelaag namelijk losgerukt van de wanden en komt vervolgens in de verbrandingskamers terecht. Dat geeft een enorme toename van onverbrande koolwaterstoffen in het uitlaatgas. Daarbij moet je weten dat een groot deel van de afstellingswerkzaamheden niet wordt gedaan voor vermogenswinst, maar voor het beperken van de uitstoot van schadelijke stoffen. In de eerste plaats gaat het erom dat de toegevoerde brandstof onder alle omstandigheden zo volledig mogelijk wordt verbrand.

Aan de basis daarvan ligt een zo goed mogelijke vermenging van benzine en lucht, waarbij de positie van de injector en de verneveling van de benzine zeer belangrijke factoren zijn. De brandstofstraal moet zo zijn gericht dat hij onder dynamische omstandigheden zo direct mogelijk en zonder contact met de wand bij de inlaatkleppen terechtkomt. Dat vermijden van wandcontact is zo belangrijk dat Suzuki bij veel modellen een injector direct op de gasklep richt, vanwaar de benzinenevel in de centrale luchtstroom terechtkomt; een tweede injector zit dichter bij de inlaatklep en spuit direct in diens richting. Aangezien de luchtstroom afhankelijk van toerental en gasklepstand verandert, moeten de ingenieurs zich ook hier behelpen met compromissen.
Door de enorm kleine tijdspanne (ongeveer 0,04 seconde bij stationair toerental, 0,004 seconde bij 12.000 toeren) en de korte afstand van injector tot inlaatklep lukt het niet altijd om de brandstof volledig met de lucht te vermengen. Zogenaamde douche-injectoren die bovenop de inlaatkelk staan – en dus helemaal aan het begin van het inlaatkanaal – geven de benzine de meeste tijd voor verneveling, maar ook meer kans op neerslag bij koude motor. Om de benzine al voor de vermenging met de lucht zoveel mogelijk te vernevelen, wordt de benzine door minuscule verstuivergaatjes geperst. De injectornaald gaat maar zo’n 0,5 millimeter open, waarna de verstuivergaatjes de verspreiding en het richten van de straal overnemen. De benzinedruk is constant; hoe langer de naald opent, hoe rijker het mengsel.
De laatste, maar tevens zeer effectieve kans om benzine en lucht te vermengen is gebruik maken van de wervelingen in de verbrandingskamer. Die wervelingen ontstaan wanneer het binnenstromende mengsel via de kleppen tegen de zuiger stuit en daar in een cirkelbeweging komt. In deze wervelstorm verdampt de brandstofnevel door de turbulenties en de hoge luchttemperatuur (zie de schets op pagina ….), waarna lucht en benzine in de best mogelijke vermenging door de bougie tot ontbranding (let wel: geen ontploffing!) worden gebracht. In een volgende aflevering gaan we dieper in op de complexe elektronica die dit alles aanstuurt.