تقسيم بندي سيستمها

فضاي بالاي سيلندر به سيستم هاي فضاي باريک و فضاي گسترده طبقه بندي مي شود. اين کار بر اساس موقعيتهاي نسبي قرارگرفتن انژکتور و شمع مي باشد. از آنجا که شمع معمولاً در مرکز يا اطراف مرکز اتاقک مستقر است در حالت استقرار فضاي باريک، انژکتور با کمي خروج ازمرکز (
%12 ) نصب مي شود، لايه بندي مخلوط صرفاً با مجاورت انژکتور و الکترود شمع ميسر ميشود. بنابراين، قابليت لايه لايه شدن در طراحي فضاي باريک بطور مشخصي بالاتر از همين قابليت در طراحي فضاي گسترده است. در مقابل، طراحي فضاي گسترده، معمولاً انژکتور را در روي محيط و يا در نزديکي محيط محفظه احتراق قرارداده است



در نظريه فضاي گسترده اسپري سوخت بايد در طول مسافت بيشتري و در محدوده زماني زيادتري از نوک انژکتور تا شمع حرکت کند. اين حرکت توسط ترکيب اندازه حرکت اسپري، چرخش هوا درون سيلندر و شکل هندسي سر پيستون تحت تاثير قرار مي گيرد . در مجموع، انژکتور نبايد در سمت سوپاپ اگزوز نصب شود، زيرا دماي نوک آن ممکن است تا cْ175 درجه بالا رود و مشکلات دوام قطعه و ايجاد دوده را تشديد کند، که بحث در اين رابطه در حوصله اين مقاله نمي گنجد. حداکثر سايز سوپاپ ورودي را که ميتوان با انژکتور نصب شده در سرسيلندر در يک موتور 4 زمانه 4 سوپاپ بدست آورددر شکل 4 مي بينيد.




در اينجا، دو دايره بزرگ محل دو سوپاپ ورودي و دو دايره کوچکتر، سوپاپهاي دود مي باشند. دوترکيب بندي در سمت چپ شکل، طرحهاي ممکن در مورد يک نوع فاصله بندي که در آن انژکتور و شمع در مجاورت هم باشند را نشان م يدهد (ايده فضاي باريک).

سيستم احتراق سمت راست، ترکيبات احتمالي سيستمي را که در آن شمع وانژکتور فاصله دارند را نشان ميدهد. مشخص است که در طرح فضاي باريک، محدوديتهايي وجود دارد و براي افزودن بازده حجمي بايد از روشهاي کمکي بهره گرفت، همانند بهينه سازي طرح دهانه ورودي براي ايجاد ضريب جريان عبوري بيشتر.

مقايسه عملکرد مخلوط تحت بار زياد و مخلوط همگن ميان آرايش انژکتوري DI نصب در مراکز نشان ميدهد که همگن بودن مخلوط معمولاً در انژکتورهاي نصب شده در مرکز بهتر است .



لذا مقادير CO و دوده کمتر مي باشد و گشتاور موتور نيز بيشتر است. انژکتور نصب در کناره ها ( غير مرکزي) بالاترين بازده حجمي را داراست زيرا اين آرايش، ابعاد سوپاپ ورودي بزرگتري را امکان پذير مي سازد. نتايج حاصله در مورد موتور با بار متوسط، نشان مي دهد که در آرايش مرکزي، ميزان آلودگي HC کمي کمتر است. مقايسه کلي دو سيستم نشان مي دهد که تفاوت عملکرد ميان دو سيستم زياد نيست و فقط اندکي به نفع آرايش متمرکز (نصب در مرکز) مي باشد.

بنابراين انتخاب اينکه کدام حالت را براي توليد برگزينيم بيشتر متاثر از امکانات توليدي است تا عملکرد طرحهاي مختلف. بايد در نظر داشت که تقريباً کليه اين مطالعات که آرايشهايDIرا مقايسه ميکند، از شکل هندسي غير بهينه محفظه اتاقک احتراق استفاده کرده اند.



در انتها به اين نکته بايد توجه داشت که الکترودهاي شمعها بايست به ميزان کافي در محفظه اتاقک احتراق داخل شده باشد و به شکلي باشد که الکترودها از جريان کلي در حال حرکت در سيلندر محافظت شود. بايد مقدار مناسبي طول الکترود، درون محفظه احتراق (به شکل محافظت شده) وجود داشته باشد تا احتراق مخلوط لايه بندي شده را ثبات بخشد.

ساير بهبودها شامل به حداقل رسانيدن قطر الکترود، نصب کويل مستقل براي هر سيلندر، استفاده از جريان تخليه بيشتر و مدت تخليه طولاني تر است.




شکل 5: نمايش تصويري از سيستمهاي احتراق هدايت شده



روشهاي ايجاد مخلوط لايه بندي شده

سيستمهاي DI که با مخلوط لايه بندي شده کار مي کنند به شکل زير (در سه طبقه)، طبقه بندي ميشوند: 1- هدايت اسپريي:هدايت شده بوسيله جريان اسپري شده، 2- هدايت ديوار هاي: هدايت شده توسط جداره سيلندر، 3- هدايت هوايي: هدايت شده توسط جريان هواي ورودي به داخل سيلندر. طبقه بندي خاص هر سيستم به اين سادگي دارد که آيا لايه بندي بر اساس ديناميزم اسپري (نحوه حرکت کيسه اسپري)، پاشش اسپري روي سطح پيستون و گستردگي جريان مخلوط سوخت و هوا انجام مي شود.

معمولاًهر سه حالت فوق در يک موتور حضور دارد و نسبت عملکرد هر يک متفاوت است. بر اساس مسافت ميان سوراخ نوک انژکتور والکترود شمع، سيستم با هدايت اسپريي ممکن است با نام سيستم با فضاي باريک شناخته شود، ولي حالت هدايت ديوار هاي و هدايت هوايي با نام سيستم فضاي گسترده ناميده گردد.




سیستمهای احتراق هدایت شده توسط اسپری

در اين طرح حرکات سوخت درون سيلندر و تلاطم آن اثر کمي روي جابجايي سوخت دارد . اين طرح در مقايسه با دو طرح ديگر، کمترين اصلاحات را روي طرح PFI نياز دارد . اين مورد در حالتي که مي خواهيم موتور PFIرا به GDIتبديل کنيم مهم است، هر چند بسياري مسائل مانع ازانجام کار روي سيستمهاي فضاي گسترده است . نزديکي انژکتور و شمع و فاصله زماني کوتاه ميان تزريق سوخت و جرقه زدن، مشکلاتي مانند دوده زدن الکترود ايجاد مي کند.

زيرا تعداد قطرات سوخت نزديک الکترود زياد است خصوصيات احتراق در اين عملکرد لايه بندي شده خيلي به تغييرات شکل اسپري حساس است . مثلاً تفاوت در تقارن اسپري، زواياي انحراف از قائم محور اسپري که در اثر تلرانسهاي توليدي تغيير

مي کند و يا مواد زائد رسوب کننده روي انژکتور، ضريب تغييرات(COV) فشار موثر شاخص متوسط (IMEP) را بسيار دگرگون خواهد کرد و احتراق ناقص روي خواهد داد .

با توجه به اينکه خصوصيات اسپري سوخت درGDI، تحت تاثير تعداد متغيرهاي بسياري است، در نظر داشتن کل تغييرات محيطي (مرتبط با شرايط مختلف عملياتي موتور ) که در شرايط مختلف روي مي دهد چالش بزرگي در طراحي آن محسوب مي شود عملکرد موتور در اين سيستم تحت تاثير تايمينگ تزريق و تايمينگ احتراق است و به شکل پيستون نيز بستگي دارد.

الزام به نصب بسيار نزديک انژکتور و شمع در اين طرحها، موجب کاهش دهانه سوپاپ ورودي و افزايش حساسيت به خصوصيات اسپري و شرايط کيسه آن ميشود



مجاورت انژکتور و الکترودها امکان احتراق ناقص در اثر وجود قطرات سوخت موجود در محيط پيرامون کيسه اسپري در روي الکترودهاي شمع را بيشتر مي کند.

هرچند استفاده از انرژي احتراق بيشترمي تواند در واقع امکان احتراق ناقص را کم کند، ولي اين طرح عمر شمع را نيز کوتاه مي کند. قرار گرفتن سوراخ نوک انژکتوردر نزديکي منبع احتراق ميتواند هر گونه احتمال ايجاد دوده را تشديد کند، که ايجاد اين مواد زائد و دوده در دهانه انژکتورهميشه يک عامل نگراني است.

کيفيت پودر شدن اسپري در سيستم هدايت اسپريي خيلي مهم است زيرا مدت موجود براي تبخير خيلي کم مي باشد. به همين سبب در اين سيستمها مي توان از سيستم تحويل سوخت به کمک هوا بهره گرفت.



سيستم تزريق سوخت به کمک هوا، علاوه بر بهبود کيفيت مخلوط، از پودر کردن تحت فشار هوا استفاده مي کند و لذا نياز به جابجايي مقادير زياد هواي کم فشار ندارد.

در واقع کاهش سرعت جريان کلي در ايجاد لايه بندي مفيد است. براي کسب بيشترين امتيازات در اسپري کردن سوخت با اين روش، محل انژکتور بايد هم راستاي محور سيلندر باشد و شمع نيز درحوالي مرکز نصب شود.

اين آرايش امکان مرطوب شدن ديواره را کم کرده، حساسيت به شرايط جريان درون سيلندر راکاهش داده و راستاي اسپري را نسبت به گودي پيستون تنظيم مي کند. در اين شرايط مدول شمع و انژکتور با فشار هواي کمکي، دريک واحد يکپارچه ايجاد شد هاند تا با سهولت در موتورهاي 4سوپاپ نصب شوند،



در مقابل انژکتور نصب شده در کناره (غيرمرکزي) با شمع نصب در مرکز، نياز به طراحي دقيق گودي پيستون و هندسه محفظه اتاقک احتراق دارد تا کاهش آلودگي خوبي پيدا کرده و قابليتهاي احتراق گازهاي خروجي شبيه به سيستم انژکتوري مرکزي را داشته باشد.

بايد توجه داشت که بدون داشتن حساسيت نسبت به شرايط چرخش مخلوط دردرون سيلندر، سيستم انژکتوري با هواي کمکي، براي موتورها با آرايش هاي مختلف سوپاپي مناسب خواهد بود، بدون اينکه به کنترل جريانهاي فعال يا منفعل، مانند سوپاپ کنترل چرخش هوا نياز باشد.



يک سيستم احتراق هدايت اسپريي که در بسياري موارد تحت مطالعه بوده است، انژکتور را مجاور مرکز و شمع را درحاشيه مخروط اسپري قرار مي دهد



مقايسه موقعيتهاي و جهت دهي مختلف انژکتور

موقعيت نصب:در قسمت مرکزي

• تعادل و ثبات جرقه بالاتر در طرح عملياتي موتور

• بالا بودن درجه امکان لايه لايه بندي شدن سوخت، اما در يک مقطع زماني کوتاه

• مناسب بودن در توزيع هماهنگ سوخت به داخل محفظه احتراق

• ممتاز بودن در حالت عمليات با سوخت همگن

• شکل گيري مخلوط درحالت نسبتاً مستقل از شکل هندسي سطح فوقاني پيستون

• نصب و جدا کردن مشکلتر براي سرويس

• اندازه سوپاپ کم شده

• جرم گيري احتمالي شمع



• درجه حرارت بالاتر از سوراخ انژکتور و تمايل به رسوب گيري انژکتور

• حساسيت به تغييرات خصوصيات اسپري سوخت

• احتمال بالاتر در برخورد اسپري به سطح فوقاني پيستون

• احتياج احتمالي به شمع مخصوص همراه با الکترودهاي مخصوص

موقعيت نصب:در قسمت ورودي

• امکان بزرگتر شدن اندازه سوپاپ

• افزايش زمان در دسترس براي تهيه مخلوط مناسب

• تسهيل نصب و جدا کردن انژکتور

• تأثير کمتر تغييرات در خصوصيات اسپري سوخت

• خنک شدن بهتر و آسانتر سوراخ انژکتور به وسيله هواي ورودي

• حرارت کمتر سوراخ انژکتور و تمايل کمتر براي رسوب گيري

• برخورد کمتر سوخت به الکترودهاي شمع



• استاندارد بودن شمع

• محدوديتهاي بيشتر در موقعيت ميله يا لوله سوخت

• درجه کمتر لايه لايه شدن سوخت و تغييرات بيشتر آن

• احتمال بيشتر برخورد اسپري به ديواره سيلندر

• افزايش احتمال رقيق شدن روغن

موقعيت نصب:در قسمت خروجي

• بايد از اين کار پرهيز کرد



يکي از نخستين سازندگان خودرو که از سيستم احتراق هدايت اسپريي DI در توليدات خود استفاده مي نمايد، شرکت رنو ميباشد که برشي از يک موتور با اين سيستم در شکل ديده مي شود. اين موتور براي بهره برداري از مزيت عمل آوري مجدد محصولات احتراق در داخل اگزوز توسط کاتاليزور سه راهه بايد در حالت تنظيم کامل سوخت و هواي همگن کار کند.

در سر پيستون يک گودي عميق ايجاد مي شود تا پراکندگي سوخت رو به سمت ديواره سيلندر را کاهش دهد





تصويري از محفظه احتراق که در آن. پاشش به صورت اسپريي هدايت ميشود



برش مقطعي حقيقي از سيستم هدايت پاشش در خودرو





¨ منابع:

¨ سايت اينترنتيaftab.ir

¨ سايت اينترنتي saipa yadak.ir

¨ سايت اينترنتي howstuffworks.com

¨ و ماهنامه مجله ماشين