سیستم تزریق مستقیم سوخت چیست ؟
آشنایی با سیستم تزریق مستقیم سوخت
سیستم تزریق مستقیم سوخت یکی از فناوری‌های مهمی است که باعث شده است موتور احتراق داخلی که تقریبا ۲۰۰ سال قدمت دارد تا قرن بیست‌و‌یکم همچنان به حیات خود ادامه دهد. در این مقاله توضیح خواهیم داد که این سیستم چیست و چرا وجود آن در خودروی بعدی شما اهمیت دارد
نحوه کارکرد سیستم تزریق سوخت قبل از پیدایش سیستم تزریق مستقیم سوخت چگونه بود؟
موتور احتراق داخلی بنزینی جدید برای به گردش درآوردن میل‌لنگ به سه چیز نیاز دارد. هوای ترکیب‌شده با اکسیژن، سوخت و یک جرقه برای احتراق هوا و سوخت. هوا از مسیر هواکش عبور می‌کند و در آنجا سنسور هوا مقدار هوای ورودی را اندازه می‌گیرد. جریان هوا پس از آن وارد منیفولد هوا می‌شود. منیفولد، هوای ورودی را به مسیرهایی تقسیم می‌کند که هر یک از آنها به یکی از محفظه‌های احتراق استوانه‌ای‌شکل موتور منتهی می‌شوند. در طول این مسیر هوای ورودی با سوخت ترکیب شده و پس از آن مخلوط سوخت و هوا درون محفظه احتراق توسط جرقه شمع محترق می‌شود. چیزی که بیشتر افراد از اصول کارکرد موتور احتراق داخلی می‌دانند همین است.
در اوایل دوران فناوری موتور، کاربراتورها و سیستم‌های سوخت‌رسانی انژکتوری تک‌نقطه‌ای (SPFI) داخل منیفولد ورودی یا حتی قبل از آن سوخت و هوا را با نسبتی که چندان هم دقیق نبود با هم ترکیب می‌کردند. در این سیستم‌ها تقریبا مقدار صحیح سوخت موردنیاز تمام ردیف سیلندرها تامین می‌شد و هر یک از محفظه‌های احتراق تا حد قابل قبولی سوخت موردنیاز خود را دریافت می‌کردند. با این‌حال بسته به نوع طراحی منیفولد ورودی این ترکیب تقریبی سوخت باعث می‌شد سیلندرهایی که در نزدیک‌ترین فاصله با کاربراتور یا انژکتور قرار داشتند اندکی سوخت اضافی دریافت کنند و با مخلوط غنی کار کنند و سیلندرهایی که در دورترین نقطه نسبت به کاربراتور و انژکتور قرار داشتند اندکی با کمبود سوخت مواجه شوند و با مخلوط فقیر کار کنند. کسانی که در تنظیم کاربراتور مهارت داشتند یا کامپیوتر درونی خودرو می‌توانستند مخلوط سوخت و هوا را طوری تنظیم کنند که وضعیت موتور از کنترل خارج نشود اما طراحی منیفولد ورودی حتی بهترین تنظیم ممکن را نیز محدود می‌کرد.
اکثر خودروهای جدید از سیستم انژکتور چندنقطهای یا MPFI استفاده می‌کنند که سیستم پاشش سوخت در مجرای ورودی سرسیلندر یا پشت سوپاپ‌های هوا نیز نامیده می‌شود. طرز کار آن به شرح زیر است:
در این سیستم به‌جای‌اینکه از یک انژکتور که تقریبا مقدار صحیح سوخت را پاشش می‌کند استفاده شود، هر یک از راهگاه‌های ورودی در منیفولد هوا به صورت مجزا یک انژکتور یا انژکتورهای مخصوص به خود را دارند و سوخت به شکل پودرشده یا اتمیزه توسط نازل‌های تحت‌فشار داخل هوای ورودی به منیفولد پاشیده می‌شود. در اثر حرکت عمودی پیستون روبه‌پایین داخل منیفولد هوا خلا ایجاد می‌شود که باعث می‌شود مخلوط سوختوهوا ابتدا وارد مجرای ورودی سرسیلندر و سپس وارد محفظه احتراق شود. بعدازآن سوپاپ هوا محکم بسته می‌شود و احتراق مخلوط سوختوهوا درون سیلندری که اکنون آب‌بندی شده است رخ می‌دهد.
از بسیاری جهات سیستم پاشش چندنقطهای دقیق و عالی است. این سیستم قطعا راندمان بسیار بالاتری نسبت به کاربراتورهای قدیمی یا سیستم‌های پاشش تک‌نقطه‌ای دارد. زیرا این قابلیت را دارا است که مقدار سوخت اضافه‌شده به منیفولد ورودی برای هر سیلندر را به‌صورت جداگانه تنظیم کند. این امر باعث می‌شود که سیلندرهایی که در سیستم‌های قبلی در نزدیک‌ترین و دورترین نقطه از منیفولد ورودی با سوخت اضافه یا کمبود سوخت مواجه می‌شدند اکنون سوخت برابری دریافت کنند. در نتیجه تولید قدرت در موتور بهبود یافته و اتلاف سوخت کاهش می‌یابد. اما سوال اینجاست: پس چرا باید سیستمی که فاقد اشکال است را اصلاح کنیم؟
سیستم تزریق سوخت مستقیم (GDI)چگونه باعث بهبود عملکرد موتور می‌شود؟
احتمالا متوجه شده‌اید که طی تغییر ناگهانی سیستم‌های سوخت‌رسانی از کاربراتور به سیستم پاشش تک‌نقطه‌ای یا چندنقطهای، محلی که در آن سوخت به هوای ورودی اضافه می‌شود از قسمت قبل از دریچه گاز به منیفولد ورودی و پس از آن به راهگاه‌های مجزای منیفولد منتقل شده و به تدریج به محفظه احتراق نزدیک‌تر شده است. سیستم تزریق مستقیم با قراردادن نازل سوخت یا انژکتور مستقیما درون محفظه احتراق این فرآیند تکاملی را یک پله ارتقا می‌دهد. با انتقال انژکتور به داخل محفظه احتراق، سیستم تزریق مستقیم سوخت از چند مزیت نسبت به سیستم‌هایی که درباره آنها بحث کردیم برخوردار می‌شود.
با قراردادن انژکتور داخل سیلندر کامپیوتر خودرو می‌تواند مقدار سوختی که در مرحله مکش به داخل سیلندر تزریق می‌شود را با دقت بیشتری کنترل کند و مخلوط سوختوهوا را بهینه‌تر کند تا احتراق پاک‌تر و کامل‌تری صورت گیرد، سوخت بسیار کمی هدر رود و قدرت افزایش یابد.
سیستم تزریق مستقیم در خصوص زمان افزودن سوخت در چرخه احتراق انعطاف‌پذیری بیشتری دارد. سیستم‌های چندنقطهای فقط می‌توانند در طول مرحله مکش پیستون هنگامی‌که سوپاپ هوا باز است سوخت را داخل موتور تزریق کنند ولی سیستم تزریق مستقیم می‌تواند هر زمان که نیاز باشد پاشش سوخت را انجام دهد. به عنوان مثال برخی از موتورهایی که مجهز به سیستم تزریق مستقیم هستند می‌توانند زمان‌بندی پاشش سوخت را طوری تنظیم کنند تا حجم کمی از سوخت طی مرحله تراکم داخل موتور تزریق شود که احتراق بسیار کوچک‌تر و کنترل‌شده‌ای داخل سیلندر ایجاد می‌کند. این حالت که اصطلاحا سوختن بیش‌ازحد فقیر سوخت نامیده می‌شود اندکی قدرت موتور را کاهش می‌دهد اما در زمان‌هایی مانند کارکردن موتور در دور آرام، حرکت بدون گازدادن و در زمان ترمزکردن که خودرو به گشتاور بسیار کمی نیاز دارد، مصرف سوخت را تا حد زیادی کاهش می‌دهد.
خودروهایی که مجهز به سیستم تزریق مستقیم هستند دربرابر تغییرات در زمان‌بندی و مقدار افزودن سوخت سریع‌تر واکنش نشان می‌دهند که قابلیت‌های خودرو در حین رانندگی را افزایش می‌دهد. علاوه‌براین چنین خودروهایی می‌توانند براساس داده‌های سنسورهایی که بعد از محفظه احتراق قرار دارند پاشش سوخت را سریع‌تر اصلاح کنند و گازهای آلاینده‌ای که از اگزوز خارج می‌شوند را تحت کنترل داشته باشند.
بعضی از خودروسازان حتی استفاده از سیستم تزریق مستقیم برای اشتعال اندکی سوخت اضافه داخل سیلندر برای ایجاد انفجار ثانویه در طی چرخه احتراق را نیز آزمایش کرده‌اند که منجر به افزایش قدرت و راندمان بالقوه موتور می‌شود.
یک حقیقت جالب در مورد سیستم تزریق مستقیم سوخت این است که این سیستم درواقع آنقدرها هم که فکر می‌کنید جدید نیست. این فناوری از دهه ۱۹۲۰ در موتورهای بنزینی وجود داشته است و درواقع پیش از این در بسیاری از موتورهای دیزل کاربرد داشته است.
آیا در سیستم تزریق مستقیم سوخت مشکلات بالقوه‌ای وجود دارد؟
شاید از خود پرسیده باشید که اگر سیستم GDI اینقدر خوب است چرا از آن در تمام خودروهای جدید استفاده نمی‌شود؟
تا حدی به این دلیل است که تولید یک موتور تزریق مستقیم به خاطر پیچیدگی قطعات آن پرهزینه‌تر است و درنتیجه قیمت خودرویی که درنهایت از این موتور نیرو می‌گیرد نیز بالاتر خواهد بود. به عنوان مثال انژکتورهای یک موتور GDI باید از انژکتورهای سیستم پاشش چندنقطهای مقاوم‌تر باشند زیرا باید حرارت و فشار ناشی از صدها یا حتی هزاران انفجار کوچک در هر دقیقه را تحمل کنند. علاوه‌براین به دلیل اینکه سیستم GDI باید بتواند سوخت را داخل محفظه احتراقی که فشار بالایی دارد تزریق کند، فشار در ریل‌ها و مسیرهای سوخت‌رسانی آن باید بسیار بالاتر باشد. سیستم‌های سوخت‌رسانی GDI می‌توانند با فشار هزاران پاوند بر اینچ مربع کار کنند درحالی‌که فشار در سیستم‌های پاشش چندنقطهای از ۴۰ تا ۶۰ پاوند بر اینچ مربع است.
قیمت قطعات سیستم GDI رو به کاهش است اما عموما و درحال حاضر سیستم انژکتور چندنقطهای کم‌هزینه‌تر و برای اکثر خودروهای اقتصادی به اندازه کافی جواب‌گو است.
علاوه‌براین بعضی از مالکین و کسانی که از موتورهای GDI نگهداری می‌کنند (به‌خصوص در خودروهای مجهز به توربوشارژر که عملکرد بالاتری دارند) اعلام کرده‌اند که شاهد افزایش تشکیل رسوبات کربن در پشت سوپاپ‌های هوا هستند که به مرور زمان باعث کاهش جریان هوای ورودی به موتور و افت عملکرد آن می‌شود. یک جستجوی سریع در گوگل پشت‌سر‌هم صفحاتی باز می‌کند که در آنها این مشکل گزارش شده است. علت تشکیل رسوبات کربن این است که در اکثر خودروها با وجود فیلتر هوا، هوای ورودی به موتور تا حدی کثیف است، سیستم‌های جدید بازگشت دوباره گازهای اگزوز به داخل موتور و سیستم‌های تهویه بخارات روغن در محفظه میل‌لنگ می‌توانند مقدار قابل‌توجهی کثیفی وارد هوای ورودی به موتور کنند و چون در سیستم تزریق مستقیم برخلاف سیستم‌های پاشش چندنقطهای، انژکتوری پشت سوپاپ‌ها وجود ندارد که بنزین و مواد پاک‌کننده موجود در آن را به طرف سوپاپ‌ها بپاشد درطول هزاران کیلومتر رانندگی ممکن است رسوبات و کثیفی زیادی داخل موتور تشکیل شود.
سیستم تزریق مستقیم سوخت با دیگر فناوری‌های خودرو سازگاری دارد
خودروسازان درحال یافتن انواع و اقسام روش‌های جدید برای بهبود و اصلاح بیشتر موتور احتراق داخلی به کمک فناوری تزریق مستقیم سوخت هستند. به عنوان مثال بعضی خودروسازان از سیستم GDI همراه با توربوشارژر استفاده می‌کنند تا موتورهایی با حجم پایین تولید کنند که از نظر مصرف سوخت مشابه یک موتور تنفس‌طبیعی کم‌حجم ولی از نظر قدرت در حد یک موتور تنفس‌طبیعی با حجم بالا باشند.