انژکتور پاشش مستقیم - Gasoline direct injection

[operator]

در این مقاله برای درک بهتر GDI با FSI ترکیب شده!
در سیستم تزریق مستقیم بنزین انژکتورها مستقیماً درون سیلندر عمل پاشش رو انجام میدن.
یعنی این:



ایده این سیستم به 70 80 سال پیش برمیگرده و عملی شدن اون به اوایل 1951 در خودرو ای به اسم "Gutbrod Superior" برمیگرده که به کمک کمپانی مرسدس اینکار رو انجام داد. یک خودرو 2 سیلندر 2 زمانه.
اما اولین خودرو که بصورت حرفه ای از این سیستم استفاده کرد Mercedes 300 SL Gullwing بود!



اساس کار این سیستم بر تزریق با فشار بسیار بالا (100bar+) درون سیلندر است و هوا و بنزین درون سیلندر باهم مخلوط میشن(internal mixture formation).
بسته به وضعیت رانندگی فشار پاشش از 50 تا 200 بار هم میتونه متغییر باشه.


Stratified VS Homogeneous

در حالت کلی این سیستم به 2 صورت پاشش میکنه.

حالت لایه بندی شده - Stratified mode

در حالت رانندگی آروم که خودرو زیر بار نیست و تقریباً زیر دور موتور 3000،نسبت سوخت به هوا خیلی رقیق میشود(Ultra lean) و حتی به میزان 60 واحد هوا به 1 واحد بنزین هم میرسد که استفاده از این نسبت سوخت به هوا در یک موتور تزریق غیر مستقیم(همانند اکثر خودروهای ما) اصلاً و ابداً امکان پذیر نمی باشد.



خوب چطوری با این سیستم میشه مخلوط به این رقیقی استفاده کرد؟!
مهم هدایت مناسب سوخت و هوا به محل مناسب یعنی اطراف شمع هستش!

یکی از روشهای رسیدن به این مهم عوض کردن تایم پاشش است.
در موتورهای تزریق غیر مستقیم بنزین در کورس مکش(Intake) با هوا وارد سیلندر میشه،اما در موتورهای GDI در حالت تزریق لایه بندی شده بنزین در کورس تراکم(Compression) کمی قبل از جرقه زدن شمع پاشیده میشود!
این عمل باعث این میشه که بنزین کمتر با هوا مخلوط بشه و نزدیک شمع مخلوط غنی تر باشد تا بتواند مشتعل شود.

اگر به شکل دقت کنید متوجه یک فرم مخصوص در تاج پیستون میشوید که به هدایت هرچه بیشتر مخلوط سوخت و هوا به سمت شمع و جلوگیری از پراکنده شدن اون کمک میکنه.

البته هوا ورودی میتونه بوسیله یک دریچه فرم خاصی برای ورود بگیره و به حرکت از پیش تعیین شده سوخت هوا کمک کنه! به این نوع حرکت سوخت و هوا اصطلاحاً Air tumble میگن.



حالت همگن - Homogeneous mode

در این حالت تایم پاشش همانند موتورهای تزریق غیر مستقیم میشه،یعنی در کورس مکش بنزین پاشیده میشه تا بتوان از موتور قدرت خروجی مناسبی گرفت.




خوب شما متوجه اصل مطلب و فلسفه ای که پشت این سیستم بود شدین!! حالا این سیستم در کمپانی های مختلف به حالتهای مختلفی استفاده میشه! مثلاً میتسوبیشی برای حالت stratified از نسبت 35 تا 55:1 هم استفاده میکنه در حالی که بوش از 22 تا 41:1 استفاده میکنه.
یا برای حالت همگن یا homogeneous بوش از همون نسبت استوکیومتریک که 14.7:1 باشه استفاده میکنه ولی میتوبیشی از 13 تا 24:1 متغیر هستش.

طی بررسی ها و تستهای انجام شده بازده خروجی حرکتی یک موتور در حالت کلی 13% هستش! یعنی 13% کار مفید!

با استفاده از سیستمهای تزریق مستقیم چون میتوان از نسبتهای بسیار وسیع سوخت و هوا استفاده کرد طبق آزمایشات 5% به بازده کلی افزوده میشه!!!

وقتی موتور با سوخت لایه بندی شده(Stratified) در حالت برخه بار(part load) کار میکنه به علت هدایت مناسب سوخت به سمت شمع که میشه مرکز سیلندر،سوخت از دیواره دور میمونه و انتقال حرارت خیلی کاهش پیدا میکنه که باعث افزایش 5% دیگه در بازده موتور میشه.

و چون در این سیستم دریچه گازی وجود نداره 5% دیگه هم به راندمان خروجی افزوده میشه!!

تفاوت اصلی این سیستم تزریق سوخت تو محفظه احتراق هست که تو موتورهای معمولی پشت سوپاپ میپاشه

خب رقیق سوختن و پاور دادن خیلی خوبه ولی خب مشکلاتی هم هست

زیر نسبت استوکیومتری هم حرارت بالا داریم و در نتیجه NOx داریم که آلودگی داره
ضمنا چون تو بازه بسیار کوتاهی پاشش داریم و تو یک زمان خیلی خاصی هم باید باشه انژکتورهای معمولی این قابلیت و اون دقت لازم رو ندارن و از انژکتورهای پیزو الکتریک باید استفاده بشه

واسه حرارت بالا و در نتیجه آسیبهای وارده به سوپاپ دود از سیستمfsi استفاده میکنن که اون هم مشکلات خودش رو داره و از انژکتور هایی با حجم پاشش بالاتر باید استفاده کنن

[operator]

در مکانیک سیالات وقتی عدد رینولدز یک جریان بیشتر از 2300 واحد رینولدز میشود به این جریان،جریان آشفته میگن(Turbulence).
به جریان با عدد رینولدز زیر 2300،جریان لامینار میگن(Laminar).

این مسئله وقتی در موتور اتومبیل مهم میشه که هوا از فیلتر مکیده بشه و برسه به سوپاپ و از سوپاپ بگذره! اونجاست که ما به این آشفتگی احتیاج داریم!
کلاً جریانهای داخل سیلندر آشفته هستن و وقتی جریان بصورت آشفته درمیاد سرعت،نرخ انتقال حرارت و اختلاط و یک سری از پارامترهای دیگه جریان ورودی افزایش پیدا میکنه که برای ما مفید هستش!

چرخش - Swirl

یک نوع حرکت چرخشی هوا حول محور عمودی سیلندر است که در طی کورس مکش اتفاق می افتد.
این نوع حرکت هوا بخاطر فرم ورودی هوا است که بسته به طراحی موتور میتونه در طی کورس تراکم و احتراق هم باقی بمونه.
ازا این روش برای هرچه سریعتر ترکیب شدن سوخت و هوا در موتورهای دیزل و تزریق مستقیم و سریعتر انجام شدن پروسه احتراق(پیشروی شعله) در موتورهای SI استفاده میشه.



یکی از راههای بوجود آوردن این نوع حرکت هوا،مجبور کردن آن به چرخش حول محور سوپاپ قبل از وارد شدن است.

[operator]

کلا در طراحی سیستم های تزریق سوخت جدید و در بحث عام طراحی موتور های جدید علاوه بر تلاش برای افزایش راندمان حجمی اعم از افزایش تعداد سوپاپ ها یا بزرگی سطح اونها و پرخوران کردن ،چند مورد رو خیلی مهندسین تلاش می کنند که بهبود ببخشن یا اصلاح کنند. مثل مواردی که در مقاله هم اشاره شد می شه به این نکات اشاره کرد.

- ریز کردن ذرات بنزین تزریقی : به وسیله انژکتور های پیزو یا هر سیستم دیگه ای که بتونه با حداکثر فشار، بنزین رو به ریز ترین واحد ساختمانی اش تبدیل کنه . اصولا موتور های بنزینی به خاطر دوران بالاتر نسبت به دیزل ها ، در دور های بالا زمان کمتری برای اختلاط بهتر با هوا دارند .هر چقدر این مولکول ها ریز تر باشند زودتر مخلوط میشن. این قضیه داره سال به سال با ورود انواع جدید و با کیفیت تر بنزین تولیدی ، دست طراحان رو بیشتر باز می کنه.(یکی از معضلاتی که برای مثال در 300 اس ال دهه 50 وجود داشت و باعث شد که طرح تزریق مستقیم با فشار بالا برای مدتی از دور خارج بشه عدم وجود تکنولوژی آب بند ها و کلا قطعات عایق بندی خوب برای جلوگیری از نشتی در سیستم های فشار بالا در اون دوره تاریخی بوده . الان این مشکلات با پیشرفت های علم مواد آلی تا حد زیادی برطرف شده و الان شاهد تزریق های بسیار پر فشار هستیم )

- تعدد تعداد پاشش های انژکتورها در کورس های مختلف موتور: همین طور که می دونید الان در سیستم های تزریق سوخت جدید حتی در مرحله ورود هوا هم انژکتور ها پالس های کوتاهی دارند و در هنگام پایین رفتن پیستون وگذر از وسط محفظه احتراق و نرسیده به نقطه مرگ پایین هم پالس های کوتاهی دارند تا بنزین های نسوخته موجود در محفظه احتراق در لحظه های آخر تولید قدرت بسوزند و انرژی مفید تولید کنند و به صورت نسوخته خارج نشن.

-افزایش تعداد سوراخ های نازل های سوخت : که به پخش شدن سریع بنزین و به تبع اون مخلوط شدن بهتر سوخت و هوا کمک خیلی زیادی کرده.

- ایجاد اغتشاش هوای بیشتر : که به وسیله طراحی مخصوص تاج سر پیستون و حتی فرم سر سوپاپ ها و سیت سوپاپ (بر روی سر سیلندر ) میشه تا حد زیادی این مورد رو بهبود داد. طوری که کمترین مقاومت برای هوای ورودی و سرعت دادن به هوا هست. هر چقدر این اغتشاش بیشتر و البته منظم تر باشه در لحظه احتراق مخلوط همگن تر خواهد بود و در زمانیکه جرقه زده میشه در تمام فضای سیلندر یکنواختی مخلوط سوخت و جلوگیری از به وجود اومدن مناطق فقیر سوز و غنی سوز راندمان کار رو بالا می بره.

- کمتر کردن دمای کار کرد موتور : که هر چقدر دما بالا باشه اکسید های ازت (nox ) بیشتری تولید میشه و در نتیجه آلایندگی هم بالاتر میره بعلاوه اینکه دمای بالا محفظه احتراق نشان دهنده هدر رفتن انرژی به صورت گرما هست و این راندمان کاری موتور رو کاهش میده.

-انتخاب بهترین محل برای قرار دادن شمع موتور، طوری که در زمان جرقه موج انفجار و احتراق به سریعترین شکل ممکن به تمام مناطق محفظه احتراق منتقل بشه.