موتورهای تزريق مستقيم بنزينی

كاهش منابع سوخت‌هاي فسيلي و عدم پيشرفت سريع فناوري به‌كارگيري انرژي‌هاي نو در موتور‌ها، باعث توجه بيشتتر به موتورهاي درونسوز شده است.

يكي از مهم‌ترين تغييراتي كه طي سال‌هاي اخير در موتورهاي درونسوز بنزيني اعمال شده، استفاده از فناوري تزريق مستقيم بنزين به داخل سيلندر است.

تزريق مستقيم بنزين گونه‌‌اي متفاوت از تزريق سوخت در موتورهاي مدرن 2 و 4 زمانه بنزيني است. در موتورهاي تزريق مستقيم بنزيني، سوخت تحت

فشار بالا قرار داده شده و از طريق ريل مشترك سوخت، مستقيماً به داخل محفظه احتراق هر سيلندر تزريق شده و مخلوط سوخت و هوا در داخل سيلندر

تشكيل مي‌شود. اين در حالي است كه در شيوه تزريق چند‌نقطه‌اي سوخت معمولي، پاشش سوخت در منيفولد هوا، پشت سوپاپ ورودي يا در پورت

سيلندر رخ مي‌دهد. در اين مقاله، موتورهاي تزريق مستقيم بنزيني از لحاظ چگونگي عملكرد، مزايا و معايب آنها با موتورهاي تزريق غيرمستقيم بنزيني،

مقايسه و بررسي شده است.


تئوري عملكرد

شكل 1، سيستم تزريق مستقيم بوش و شكل 2، اجزاي اصلي نمونه‌اي از سيستم تزريق مستقيم بنزيني را نشان مي‌دهد.

http://www.tuningforum.ir/images/imp...hbenzin1-1.jpg
شكل 1: سيستم تزريق مستقيم بوش

http://www.tuningforum.ir/images/imp...hbenzin2-1.jpg
شكل 2: اجزاي اصلي سيستم تزريق مستقيم بنزين


در شكل 3، ساختمان يك موتور تزريق در ورودي (تزريق غيرمستقيم) و يك موتور تزريق مستقيم متداول، مقايسه شده است.

http://www.tuningforum.ir/images/imp...hbenzin3-1.jpg
شكل 3: ساختمان موتور تزريق غيرمستقيم (a) و موتور تزريق مستقيم (b)



در موتور تزريق غيرمستقيم يا 1PFI، انژكتور سوخت روي سرسيلندر، بالاي سوپاپ هوا و يا بر روي منيفولد ورودي، نزديك سرسيلندر قرار داده شده است. در

اين نوع موتور، سوخت در منيفولد ورودي، پشت سوپاپ هوا و زماني كه سوپاپ بسته است، پاشيده مي‌شود.

طي استارت سرد، فيلم گذرايي از سوخت مايع در اطراف سوپاپ ورودي ايجاد شده و مقدار سوخت تحويلي به هر سيلندر توسط انژكتور، متفاوت مي‌شود.

همچنين، اين امر موجب تأخير در تحويل سوخت شده و خطايي ذاتي در اندازه‌گيري مقدار سوخت تحويلي به موتور، به‌دليل چسبيدن بخشي از سوخت به

سوپاپ ورودي، به‌وجود مي‌آيد. در نتيجه، لازم است سوختي اضافي براي زمان استارت سرد، تدارك شود، اما مقدار مخلوط سوخت استوكيومتريك مختل

شده و اين امر موجب افزايش مصرف سوخت و افزايش هيدروكربن‌هاي نسوخته و آلاينده‌هاي خروجي از موتور مي‌شود.

همان‌طور كه گفته شد، در موتور تزريق مستقيم بنزيني يا 2CDI، در كورس مكش فقط هوا وارد سيلندر مي‌شود. سپس، سوخت كه تحت فشار بالا قرار

داده شده، از طريق ريل مشترك سوخت، مستقيماً به درون سيلندر موتور تزريق و مخلوط سوخت و هوا در داخل محفظه احتراق، تشكيل مي‌شود.

بنابراين، زمان تزريق و توزيع سوخت درون سيلندر، مي‌تواند بدون محدوديت تحت كنترل قرار بگيرد. اين موضوع امكان افزايش نسبت تراكم و صرفه‌جويي در

مصرف سوخت و همچنين افزايش قدرت خروجي را فراهم مي‌سازد. علاوه‌بر اين، موتورهاي CDI داراي درجه آزادي بالايي در كنترل هستند. بنابراين،

خصوصيات اصلي موتور از جمله كوبش، خام‌سوزي و گردش مجدد گازهاي اگزوز را مي‌توان به‌طوري قابل‌توجه در مقايسه با موتورهاي PFI، بهبود بخشيد.


با توجه به خصوصيات اصلي ارائه شده، سيستم‌هاي جديدي در اين موتورها توسعه يافته‌اند كه شامل سيستم زمان‌بندي متغير سوپاپ، سيستم هيبريد و

سيستم سوپر شارژ است و قوانين سخت‌تر آلايندگي را پوشش مي‌دهند.

در موتور CDI، سيستم مديريت موتور به‌طور پيوسته از بين 6 حالت عملكردي مختلف موتور، يكي از حالت‌هاي احتراق زير را انتخاب مي‌كند:

1 . حالت پر كردن لايه‌لايه شده3

2 . حالت همگن4

3 . حالت همگن و احتراق رقيق5

4 . حالت همگن و پر كردن لايه‌لايه شده6

5 . حالت همگن/ بدون كوبش7

6 . حالت پر كردن لايه‌لايه شده/ گرم كردن كاتاليست8

هر يك از اين حالت‌ها، به وسيله نسبت مخلوط سوخت و هوا متمايز مي‌شود. در نتيجه، سوخت كم‌تر و نسبت هوا - سوخت بيشتري ايجاد مي‌شود. ميزان

اختلاط سوخت و هوا در نسبت استوكيومتريك، 1 واحد بنزين در مقابل 7/14 واحد هواست، اما در حالت احتراق رقيق، اين نسبت بايد بيش از 1 به 40 باشد.

نسبت اختلاط، رقيق‌تر از مقداري است كه معمولاً در موتورهاي عادي مدنظر بوده است. در نتيجه، ميزان مصرف سوخت را به مقداري قابل‌توجه كاهش

مي‌دهد.


حالت پر كردن لايه‌لايه شده

در محدوده دور موتور 3 هزار rpm با گشتاور خروجي كم، موتور در حالت شارژ لايه‌لايه شده عمل مي‌كند. در اين حالت، انژكتور سوخت را طي كورس تراكم و

كمي قبل از جرقه شمع، تزريق مي‌كند. در مدت زمان بين اتمام تزريق و جرقه شمع، حركت جريان هوا درون محفظه احتراق، مخلوط هوا - سوخت را به

نزديكي شمع مي‌برد. اين عمل باعث مي‌شود در حالي‌كه در ساير قسمت‌هاي محفظه احتراق، مخلوط هوا - سوخت نسبتاً رقيقي وجود دارد، مقدار نسبتاً

غني مخلوط هوا - سوخت، الكترودهاي شمع را احاطه كند (شكل 4).

http://www.tuningforum.ir/images/imp...hbenzin4-1.jpg
شكل 4: حالت پر كردن لايه‌لايه شده

در سيستم‌هاي تزريق مستقيم بوش، نسبت هوا - سوخت درون محفظه احتراق، مي‌تواند رقيق‌تر از 1 به 22 تا 1 به 44 باشد. ميتسوبيشي، اعلام كرده

است كه مي‌تواند از نسبت هوا - سوخت 1 به 35 تا 55 استفاده كند. در مقابل، موتور PFI معمولي به‌ندرت مي‌تواند از نسبت هوا - سوخت رقيق‌تر از 1 به

7/14 استفاده كند.


حالت همگن

از اين حالت در حداكثر دور موتور و حداكثر گشتاور خروجي، استفاده مي‌شود. تزريق سوخت در كورس مكش آغاز مي‌شود. در نتيجه، زمان كافي براي توزيع

سوخت در تمام محفظه احتراق وجود دارد. براي اين حالت، شركت بوش از نسبت هوا - سوخت 1 به 7/14 استفاده كرده است (مشابه موتور PFI در بار

سبك) در حالي‌كه شركت ميتسوبيشي از نسبت هوا - سوخت 1 به 13 تا 24 استفاده مي‌كند. شكل 5، تزريق در حالت همگن و حالت لايه‌لايه شده را

نشان مي‌دهد.


http://www.tuningforum.ir/images/imp...hbenzin5-1.jpg
شكل 5: تزريق حالت همگن و حالت لايه‌لايه شده


حالت همگن و احتراق رقيق

در زمان تغيير بين حالت‌هاي لايه‌لايه شده و همگن، موتور مي‌تواند با نسبت هوا - سوخت همگن رقيق، كار كند.


حالت همگن و پركردن لايه‌لايه شده


در اين حالت، تمام محفظه احتراق با مخلوط هوا - سوخت همگن رقيق، پر مي‌شود. اين مخلوط با تزريق مقدار كمي سوخت در كورس مكش ايجاد

مي‌شود. باقيمانده سوخت در كورس تراكم تزريق مي‌شود (دو مرحله تزريق). اين حالت، مخلوطي غني‌تر را در اطراف شمع ايجاد مي‌كند.

پركردن لايه‌لايه شدن براحتي مشتعل شده و سپس باقيمانده مخلوط همگن رقيق در ساير قسمت‌هاي محفظه احتراق را نيز مشتعل مي‌سازد. حالت

همگن و پركردن لايه‌لايه شده در گذر از حالت پركردن لايه‌لايه شده به حالت همگن، فعال مي‌شود.

اين حالت، سيستم مديريت موتور را قادر مي‌سازد تا گشتاور را در حين تغيير از پركردن لايه‌لايه شده به حالت همگن، بخوبي تنظيم كند.


حالت همگن/ بدون كوبش

در اين حالت از عملكرد، چون شارژ لايه‌لايه شده مانع از كوبش مي‌شود، امكان استفاده همزمان از تزريق دو مرحله‌اي در دريچه گاز كاملاً باز9 و تغيير زاويه

جرقه به سمت ريتارد كه براي ممانعت از كوبش لازم است، وجود دارد. همچنين در اين لحظه، زمان‌بندي مناسب جرقه مي‌تواند به گشتاور منجر شود.


حالت پركردن لايه‌بندي شده/ گرم كردن كاتاليست

چون كاتاليست مي‌بايستي سريع به دماي كاري لازم برسد تا بازده مطلوب را داشته باشد، از تزريق دو مرحله‌اي براي سريع‌تر گرم شدن سيستم اگزوز


استفاده مي‌شود. در اين حالت، در كاركرد لايه‌لايه شده با هواي اضافي، يك مرحله تزريق در كورس تراكم انجام مي‌شود (مانند حالت لايه‌لايه شده) سپس،

دوباره در كورس قدرت نيز تزريق صورت مي‌گيرد. چون سوخت تزريق شده در كورس قدرت با تأخير بيشتري مي‌سوزد در نتيجه دماي سيستم اگزوز را بسيار

سريع‌تر به دماي كاري مي‌رساند.

براي دستيابي به اهداف بالا در موتورهاي، GDI از سه نوع تزريق استفاده مي‌شود كه عبارتند از:

r تزريق يك مرحله‌اي

r تزريق دو مرحله‌اي
r تزريق سه مرحله‌اي


الگوهاي مختلف تزريق سوخت

در موتورهاي تزريق مستقيم براي دستيابي به بهترين شرايط عملكرد، از شكل‌ها و الگوهاي مختلف براي تزريق سوخت استفاده مي‌شود. با افزايش استفاده از الگوي نوع گردابي10 براي شكل‌دهي و پودر كردن بهتر سوخت تزريق شده و همچنين با تكنولوژي طراحي شكل نوك نازل، انطباق‌پذيري شكل تزريق سوخت با موتور و سيستم احتراق، امكان‌پذير شده است.
شكل‌هاي مختلف تزريق سوخت نشان داده شده در شكل 6، شامل تزريق مخروطي متقارن11، تزريق مخروطي خميده12 براي مطابقت با طرح موتور و تزريق نعل اسبي13 يا تزريق هدايت شده است.
روش تزريق هدايت شده به‌منظور اطمينان از وضعيت مناسب تحت شرايط مختلف رانندگي، امكان قابليت اشتعال خوب را فراهم كرده است. اين كار از طريق بهينه‌سازي اجزاي تزريق هدايت شده نعل اسبي براي شكل محفظه احتراق انجام مي‌گيرد.

http://www.tuningforum.ir/images/imp...hbenzin6-1.jpg
شكل 6: انواع حالت‌هاي تزريق سوخت در موتورهاي GDI


براي دستيابي به حالت‌هاي مختلف تزريق سوخت در موتورهاي GDI، از دو نوع انژكتور استفاده مي‌شود كه عبارتند از:

انژكتور سولونوئيدي14SI

انژكتور پيزو الكتريك15PI

شكل 7، تصوير برش‌خورده انژكتور سولونوئيدي موتور GDI را نشان مي‌دهد. در مقايسه با موتور PFI، انژكتورهاي سوخت موتور GDI بايد قادر به كار در فشار

سوخت بالا و نيز ارسال مقدار زياد سوخت در مدت زمان بسيار كوتاه باشند. مدت زمان تزريق سوخت در دور موتور 6 هزار rpm در موتور PFI، تقريباً 20 ميلي

ثانيه است، اما در همين شرايط، انژكتور موتور GDI فقط 5 ميلي‌ثانيه براي تزريق سوخت در حالت تمام بار، زمان دارد.

اندازه قطرات سوخت در موتور GDI تقريباً اندازه قطرات سوخت موتور PFI و قطر موي انسان است. انژكتورها موتور GDI تقريباً مشابه انژكتورهاي به‌كار رفته در

موتورهاي ديزلي هستند. فشار تزريق در اين انژكتورها، معمولاً‌ 5 تا 20 Mpa است.

http://www.tuningforum.ir/images/imp...hbenzin7-1.jpg
شكل 7: تصوير برش‌خورده انژكتور



هم‌اكنون، روش تزريق مستقيم در ميان موتورهاي احتراق جرقه‌اي16 بنزيني، از لحاظ مصرف سوخت اقتصادي، پيشرو بوده و موتورهاي مجهز به اين

سيستم داراي بازده و قدرت بيشتر هستند، اما هنوز نتوانسته‌اند از مزاياي كاهش آلودگي آنها، حداكثر استفاده را ببرند. دليل اين موضوع نيز وجود گوگرد در

بنزين و نياز به كاتاليست‌هاي دي‌اكسيد نيتروژن17 است كه موجب افزايش آلودگي مي‌شوند. البته بهبودهاي بسيار محتمل آتي، كاهش آلودگي آنها را

سرعت خواهد بخشيد.

مزاياي استفاده از روش تزريق مستقيم

موارد ذيل، خلاصه‌اي از مزاياي استفاده از اين روش است:

× كاهش مصرف سوخت (بيش از 20 تا 25 درصد كاهش مصرف سوخت در شرايط مختلف كاركرد موتور بويژه در بار جزئي)

× تلفات حرارتي كمتر

× بازده حجمي بالاتر

× كاهش مقدار آلاينده CO2

× استارت زدن با سرعت بالاتر

× زمان راه‌اندازي سرد كوتاه‌تر

× گشتاور بيشتر در دورهاي پايين

× كنترل دقيق نسبت سوخت و هوا

× قطع سوخت در حين شتاب منفي

× محدوده تلرانس EGR گسترده‌تر

× بهبود واكنش موتور در دورهاي گذرا

× غني‌سازي كمتر به هنگام شتاب‌گيري

× كاربرد بسيار خوب در موتورهاي دو زمانه

× افزايش توان خروجي بر واحد حجم موتور

× دور آرام پايين‌تر (600 تا 650 دور در دقيقه)

× حذف دريچه گاز و در نتيجه كاهش اتلاف فشار هواي ورودي

× عدم نياز به پيچيدگي‌هاي فني و طراحي‌هاي خاص موتور ديزل

× عدد اكتان مورد نياز كمتر (به‌علت خنك‌تر بودن محفظه احتراق)

× كاهش مقدار آلاينده هيدروكربن‌هاي نسوخته در زمان استارت سرد

× شتابگيري و قابليت رانندگي بهتر در دورهاي گذرا، حتي تحت شرايط دماي پايين

× افزايش نسبت تراكم، به‌دليل كاهش دماي هواي داخل محفظه احتراق با تزريق مستقيم سوخت به داخل سيلندر


معايب استفاده از روش تزريق مستقيم

m نياز به پيستون گران‌تر با طراحي خاص

m استفاده از سامانه تزريق سوخت گران‌تر

m عدم اختلاط كامل و همگني مناسب مخلوط سوخت و هوا

m توليد هيدروكربن‌هاي نسوخته بيشتر در حالت همگن (در حالت بار زياد)

m استفاده از پمپ فشار بالا براي افزايش فشار سوخت تا حدود 5 تا 20 Mpa

m استفاده از كاتاليست يا واكنش‌گر پيشرفته‌تر به‌منظور كاهش Nox ناشي از احتراق مخلوط رقيق در باز جزئي


توسعه روش جديد تزريق سوخت

عملكرد يك موتور تزريق مستقيم مطابق با نيازمندي‌هاي مصرف سوخت و‌آلاينده‌ها، توسعه مي‌يابد. بتازگي اكثر موتورهاي تجاري از سيستم‌هاي تزريق

داراي الگوي پاشش مخروطي (شكل 9) استفاده مي‌كنند.


http://www.tuningforum.ir/images/imp...hbenzin8-1.jpg
شكل 9: انژكتور تزريق مستقيم پيزوالكتريك

در روش مرسوم، سوخت تزريق شده توسط انژكتور پس از اصابت به سطح پيستون و اختلاط با هوا، توسط شمع مشتعل مي‌شود. در سيستم‌هاي تزريق

سوخت هدايت شده كه براي موتورهاي نسل آينده توسعه يافته‌اند، سوخت تزريق شده با پيستون برخورد نمي‌كند، اما در زمان تراكم، درون سيلندر توزيع

مي‌شود (شكل 10) بنابراين، مقدار سوخت مشتعل نشده ناشي از چسبيدن به سطح پيستون، كاهش مي‌يابد.

علاوه‌بر اين، در تزريق هدايت شده، آزادي عمل در زمان جرقه و زمان تزريق افزايش يافته و كنترل شروع تراكم و زمان تراكم مطابق با مقتضيات عملياتي

خودرو، امكان‌پذير مي‌شود. در نتيجه، استفاده از اين روش، صرفه‌جويي در مصرف سوخت را افزايش داده و مقدار سوخت مشتعل نشده، هيدروكربن و آلاينده

Nox خروجي از موتور را كاهش مي‌دهد.

http://www.tuningforum.ir/images/imp...hbenzin9-1.jpg
شكل 10: مقايسه تزريق سوخت در نسل آينده موتورهاي GDI با نسل كنوني


موتورهاي سوخت تركيبي

موتور جديد با استفاده از سوخت تركيبي فورد با كد Bobcat بر پايه يك بلوك موتور 5 ليتري V شكل 8 سيلندر ساخته شده كه در آن از تزريق در پورت (تزريق

غيرمستقيم) و تزريق در سيلندر (تزريق مستقيم) استفاده شده است. اين موتور با همكاري Ethanol Boosting Systems، LLC از كمريج و ماساچوست

توسعه داده شده است كه علامت تجاري فرايند آن DI Octane Boost ناميده مي‌شود.

تزريق مستقيم اتانول، اكتان معمول بنزين را از اكتان 88 تا 91 را به اكتان بيش از 150 افزايش مي‌دهد. در آوريل 2006 از پروژه Bobcat در بخش انرژي ايالات

متحده و انجمن بين‌المللي مهندسان امريكا پرده‌برداري شد.