Att förstå vad som pågår inuti förbränningskammaren och vad som kommer ut av avgasventilen är avgörande för att lösa utsläpp eller körbarhet problem. Och att diagnostisera feltändningar och utsläppsproblem blir svårare på moderna motorer. Du måste förstå vad som har hänt och vad som kommer att hända i samma ögonblick som tändstiftet tänder bränslet. Du måste också veta vad ingenjörerna tänkte när de försökte skapa den perfekta förbränningshändelsen.
Förbränningsmotorn kommer aldrig att bli perfekt, men vi närmar oss väldigt nära. Under de senaste 25 åren har motorer utvecklats inte bara när det gäller utsläpp, utan även kraft. Motorer tillverkade för mindre än ett decennium sedan skulle ha förstörts av de magrare förbränningshändelser som vi ser idag. Detta möjliggjordes genom att bränsleinsprutningsöppningen flyttades in i cylindern och perfektion av förbränningen.
Vissa naturligt aspirerade motorer för 2016 kommer att ha ett kompressionsförhållande på 12:1. 1964 hade 426 Chrysler HEMI endast ett kompressionsförhållande på 10,25:1. En motorbyggare från 1960-talet kunde bygga en HEMI med en motor i kompressionsförhållandet 12:1, men det skulle kräva "racegas", och det fanns alltid möjligheten att ett fel med förgasaren, ventilsystemet eller tändsystemet kunde förstöra motorn i ett pulsslag om det gick för magert och hade ett detonationsproblem. I en modern motor kan 12:1 uppnås med pumpgas och gjutna kolvar, samtidigt som de har mycket låga utsläpp och en 80 000 mils utsläppsgaranti.
Vad förändrades? Ingenjörer vet mer om vad som händer inuti förbränningskammaren än någonsin tidigare tack vare höghastighetskameror och datormodeller. Dessutom är beräkningshastigheten för mikroprocessorer mycket snabbare än för 15 år sedan. Modulen kan göra ändringar i gnistan och bränslet snabbare samtidigt som den bearbetar fler sensoringångar än någonsin tidigare. Detta har gjort det nästan perfekta förbränningsevenemanget.
Det perfekta förbränningsfordonet skulle kunna stoppa in den exakta mängden bränsle och luft i förbränningskammaren. Gnistkärnan skulle nå sin topp när blandningen var ordentligt omrörd och kolven var i rätt läge. Flamfronten skulle spridas jämnt och skulle inte behöva bekämpa turbulens.
Om den perfekta förbränningshändelsen inträffade skulle du inte få något mer än vatten och koldioxid som en biprodukt. Det skulle inte finnas något oförbränt bränsle eller syre. Det skulle också inträffa vid rätt temperatur så att oxider ("hyperaktivt" syre som aktiveras av högre temperaturer) inte skulle kombineras med kväve och kol för att bilda kväveoxider (NOx) och kolmonoxid (CO). Den här perfekta bilen skulle inte behöva någon utsläppskontroll.
Eftersom vi inte är där än har vi avgasåterföringssystem (EGR), sekundärluftinsprutning och katalysatorer.
I teorin har tändstiften inte förändrats på 100 år. I praktiken är de en av de mest utvecklade komponenterna i en motor. Med dagens moderna motorer är området där gnistan skapas en mycket mindre och finare del av elektroden medan plugggap är ungefär desamma.
Men den största förändringen är placeringen och diametern på det moderna tändstiftet eftersom motorer är reducerade i storlek men har dubbelt så komplexitet som för 25 år sedan.
Alla klagar på tändstiften i Ford 5.4 Triton V8 eftersom de är svåra att ta bort, men ändå är det väldigt få som frågar varför de sattes där från början. Tändstiften på Triton är långa och smala, så elektroderna är perfekt placerade nära avgas- och insugsventilerna, och de är placerade så att de inte kommer i vägen för kamaxlarna, ventilerna och insugningsöppningarna. Ford använde en 12 mm plugg med en fingerborg som innehöll en elektrodrem. Placeringen bestämdes med datormodellering för att säkerställa att flamfronten spreds jämnt över förbränningskammaren och brände allt bränsle. Det betyder att katalytisk omvandlare inte behöver hantera de oförbrända kolvätena.
EGR-system lägger in en liten mängd inert gas i förbränningskammaren för att kontrollera temperaturerna. Eftersom avgaser vanligtvis inte brinner, sänker detta förbränningstemperaturen och minskar NOx-utsläppen från motorn.
När saker värms upp i förbränningskammaren till temperaturer runt 1 300 ° C eller 2 500 ° F börjar syre och kväve att kombineras med varandra och bilda NOx och CO.
Genom att tillföra avgaser i förbränningskammaren vattnas luft/bränsleblandningen ut av de inerta avgaserna. Detta saktar ner förbränningsprocessen och sänker förbränningstemperaturerna till nivåer där NOx inte bildas.
Nyare fordon med variabel ventiltid på både avgas- och insugskamaxlar kan justera timing så att en liten mängd avgaser sugs tillbaka in i kammaren under insugningsslaget genom avgasventilerna. Detta görs genom att aktivera kamaxelns timing och lyft. Under årens lopp har fordon kunnat avancera och bromsa kamaxlar snabbare, och ställdonen har en högre grad av rotation.
Problemet med den perfekta förbränningshändelsen är att den måste ske över ett brett område av motor- och lufttemperaturer. Den moderna motorn har fortfarande svårt att starta och kontrollera utsläppen under kallstarter.
Sekundära luftinsprutningssystem pumpar utomhusluft in i avgasströmmen så att oförbränt bränsle kan förbrännas. Tidiga system hade en remdriven luftpump. Nyare aspirerade system använder vakuumet som skapas av en avgaspuls för att dra in luft i röret. De senaste systemen använder en elmotor för att pumpa luft. Dessa system är kritiska för katalysatorns livslängd.
Under idealiska förhållanden kan en trevägskatalysator minska någonstans mellan 50 % och 95 % av NOx-utsläppen och 99,9 % av det oförbrända bränslet. Det är det sista stoppet för föroreningar, och om utsläppssystemets uppströmssensorer äventyras kan det bara kompensera så mycket innan avgasutsläppen ökar.
För att korrekt diagnostisera ett fordon med höga utsläpp måste du ibland tänka som en ingenjör. Moderna motorer kan arbeta på den ojämna kanten mellan detonation och ultimat bränsleeffektivitet eftersom de kan känna av, kontrollera och anpassa sig.
Avkänningsdelen innebär att det finns fler sensorer på fordonet som uppströms och nedströms syresensorer. Dessa sensorer är känsligare och kan visa mycket mer upplösning. Dessutom kan modulerna som behandlar informationen använda informationen snabbt för att kartlägga bränsletrim, gnistkurvor och ventiltiming.
Det har blivit lättare att kontrollera förbränningen med variabel ventiltid, elektronisk tändning och direktinsprutning. Dessa teknologier säkerställer att rätt luft/bränsleblandning finns i förbränningskammaren och antänds vid optimal tidpunkt för att uppnå den mest effektiva och kraftfulla förbränningshändelsen.
Moderna motorer kan också bättre anpassa sig till förhållanden som förändringar i bränslekvalitet, omgivningstemperatur och förarkrav genom att känna av och kontrollera förbränningshändelsen nästan i realtid.
