GASOLINE DIRECT INJECTION (GDI)

بخش اول

موتورهاي آينده و چگونگي آن به بحث داغ محافل صنعتي و دانشگاهي تبديل شده است. سوخت هيدروژن، سوخت گاز، سوخت‌هاي گياهي به همراه موتورهاي اصلاح شده بنزيني يا ديزلي و موتورهاي هيبريدي گوشه‌اي از تلاش‌هاي صورت گرفته براي دستيابي به موتورهاي جديد است. مركز تحقيقات موتور آلمان نيز در يك بررسي، در زمينه موتورهاي بنزيني نظير كوچك‌سازيDownsizing) ) ،موتورهاي باتزريق مستقيم  (GDI)و سيستم سوپاپ‌هاي كاملا متغيربراي ادامه حيات موتورهاي احتراق داخلي در بحران سوخت و آلايندگي خودروها در ۱۰ سال آينده فن‌آوري‌هاي جديد را چاره‌ساز مي‌داند. 

ادامه مطلب :

نویسنده : یوسف فاتح پور

قوانين اروپايي روي آلاينده‌هاي خطرناك اگزوز كه در سال ۲۰۰۰ نسبتا سختگيرانه به اجرا درآمد، در سال ۲۰۰۵ سختگيرانه‌تر شده است. محدوديت‌هاي استاندارد آلايندگي(EURO IV) براي آلاينده‌هاي HC و NOX و ذرات معلق حدود ۵۰ درصد سطح كنوني اين گازهاي مضر است. استاندارد آلايندگي اروپا در سال ۲۰۰۴ مطابق با استاندارد EURO III بود. مرحله بعد در استانداردهاي اروپايي كه EURO V ناميده مي‌شود، احتمالا با تمركز بر ذرات معلق، به بهينه‌سازي بيشتري نياز دارد.

از سال ۲۰۰۳ به بعد در كاليفرنيا بايد حداقل ۱۰ درصد فروش هر سازنده خودرو خودروهايي با آلايندگي صفر يا معادل آن بوده باشد. نگراني در مورد اثر گازهاي گلخانه‌اي، خودروسازان اروپايي را وادار كرده است كه تا سال ۲۰۰۸ خودروهايي توليد كنند كه متوسط CO2 منتشره از آنها زير ۱۴۰ gr/Km باشد. 

يعني كاهش مصرف سوخت بايد به ميزان بيش از ۲۵ درصد در مقايسه با سطح تعيين شده در سال ۱۹۹۵ باشد. همچنين كاهش بيشتر به سطح ۱۲۰ gr/Km تا سال ۲۰۱۲ نيز در سال ۲۰۰۳ تحت بحث و بررسي قرار گرفت.

از طرفي، همزمان با طرح مباحث آلايندگي، مشتريان نيازمند ايمني و آسايش بيشتري نسبت به سابق خواهند بود كه اين مساله تنها با افزايش وزن خودرو ميسر خواهد شد و واضح است كه اين موضوع با مصرف كمتر انرژي منافات دارد.

همچنين ضمن حفظ حداقل عملكرد خودرو، نبايد هزينه مالكيت خودرو افزايش يابد. در اين حال، كار طراحان بسيار سخت است.

از طرفي بايد جلوي هزينه‌هاي اضافي را بگيرند و از سوي ديگر بايد كاهش آلودگي را در كنار افزايش ايمني و مصرف سوخت مورد توجه قرار دهند 

ابداع سيستم‌هاي جديد تزريق با فشار بالا و پيشرفت در سيستم كاتاليست‌هاي DeNOx به اولين توليد انبوه موتورهاي پاشش مستقيم بنزيني با شارژ طبقه‌اي منجر شده كه كاهش مصرف سوخت بين ۱۰ تا ۱۵ درصد را به ارمغان آورده است.

براي دستيابي به بهترين مصرف سوخت، اين موتورها در بارهاي جزئي و مخلوط هوا و سوخت بسيار رقيق كار مي‌كنند.

در بارهاي زياد يا بار كامل به منظور تامين حداكثر قدرت خروجي، مخلوط هوا و سوخت به صورت همگن وارد محفظه احتراق مي‌شود.

براي پايداري فرايند احتراق و اجتناب از تشكيل (SOOT)
 دوده در بارهاي جزئي، حالت مخلوط هوا و سوخت با حركت كنترل شده هواي ورودي تامين مي‌شود. مخلوط با حركت پيچشي رو به جلو Forward Air Tumble) ) در فاصله هوايي شمع پايدار مي‌شود.

پايداري فرايند احتراق در موتورهاي GDI، به دليل نسبت هوا به سوخت بالا (رقيق‌سوز بودن) ، ازمزيت‌هاي اساسي اين نوع موتورهاست. سيستم‌هاي پاشش مستقيم، عملكردي شبيه به فرايند احتراق در موتورهاي ديزل يعني پاشش توام با فرايند احتراق دارند.

همچنين يك سيستم كاتاليستي DeNOx بايد به مجموعه افزوده شود تا كاهش آلاينده‌ها را در فرايند شارژ طبقه‌اي مطمئن كند.موتورهاي تزريق مستقيم كه در چند شركت مختلف در حال پيگيري است، شامل سيستم‌هاي GDI و D۴ و  HDI است.

البته شركت بوش آلمان نيز طرح‌هاي گسترده‌اي را در حال بررسي دارد.

اين سيستم به وسيله پاشش مستقيم سوخت داخل سيلندر همانند موتورهاي ديزلي عمل مي‌كند. البته اين فرق وجود دارد كه اين سيستم با توجه به گسترش صنعت الكترونيك اجازه ظهور پيدا كرده و از برنامه‌هاي پيچيده نرم‌افزاري و سخت‌افزارهاي پيچيده رايانه‌اي با توجه به قوانين پيچيده مكانيكي پشتيباني مي‌شود از مزاياي موتورهاي تزريق مستقيم، مي‌توان به بهبود مصرف سوخت به ميزان غيرقابل تصور كه تا حدي برطرف‌كننده چالش‌هاي انرژي‌هاي فسيلي است اشاره كرد. افزايش بازده تنفسي (خشك شدن مخلوط سوخت و هوا در سيلندر)، كاهش افت حرارتي در حالت پاشش هنگام ايجاد مخلوط لايه‌اي، افزايش نسبت تراكم و افزايش حد خودسوزي، كاهش توليد ۲Co و تنظيم دقيق‌تر نسبت هوا به سوخت از ديگر مزاياي اين موتورهاي جديد است.

به جهت احتراق بهتر و هدايت سوخت به اطراف شمع تاج پيستون سيلندر منحني شكل است و پمپ سوخت فشار قوي جهت تغذيه افشانه‌ها به كار رفته است. موتورهاي تزريق مستقيم در عين اينكه باعث كاهش مصرف سوخت مي‌شود، قدرت خروجي موتور را نيز افزايش مي‌دهد. براي اين منظور بايد زمانبندي پاشش سوخت مناسب با بار موتور تغيير كند.

در حالت بار کم تحت شرايط رانندگي شهري، پاشش به صورت دير هنگام و در انتهاي مرحله تراكم صورت مي‌گيرد. با اين كار، احتراق در يك مخلوط خيلي رقيق انجام مي‌شود، زيرا مخلوط سوخت وهوا به صورت لايه‌اي تشكيل مي‌شود در حالت بار كامل با سرعت‌هاي بالا، سوخت در مرحله مكش پاشيده مي‌شود. اين كار باعث تشكيل يك مخلوط همگن سوخت هوا مي‌شود. در موتورهاي بنزيني افشانه چند نقطه‌اي محدوديت‌هايي جهت رقيق ساختن مخلوط سوخت و هوا تا حد زيادي وجود دارد؛ زيرا باعث رقيق ساختن مخلوط سوخت و هوا و باعث تغييرات شديد خصوصيات احتراق و ناپايداري احتراق مي شوند. در صورتي كه مخلوط لايه‌ لايه‌اي در سيستم پاشش مستقيم سوخت بدون آنكه احتراق ضعيف‌تر شود، باعث مي‌شود مقدار رقيق شدن مخلوط به ميزان زياد افزايش يابد.

به عنوان مثال در دور آرام يعني وقتي احتراق ناپايدار است، موتور پاشش مستقيم يك احتراق سريع و پايداري را حتي با مخلوطي با نسبت هوا به سوخت يك ۵۵ دارد در صورتي كه در موتورهاي عادي در نسبت يك به ۲۰ عطسه گازي به وجود مي‌آيد. اين موتورها باعث بهبود بازده تنفسي در حدود ۵ درصد، افزايش تراكم، عملكرد شتاب گشتاور و توان موتور به ميزان ۱۰ درصد و كاهش حدود ۴۰ درصدي مصرف سوخت مي‌شود. موتورهاي d۴ شركت تويوتا، و GDI  ميتسوبيشي، موتور تزريق مستقيم بوش نيز از معروف‌ترين اين‌گونه موتورها هستند. اين سيستم تنها با سنسورهاي قوي و برنامه پيچيده رايانه‌اي كار مي‌كند.

ساختارهاسيستم احتراق:

راه حلها و رويکردهاي متفاوتي براي سيستمهاي احتراق GDI در طي سالها پيشنهاد شده و انواع مدلهاي زير ارائه گشته است سيستمهاي مختلف با گردش مخلوط درون سيلندر (چرخشي، لغزشي، پرتابي و متلاطم)، شکل دادن اتاقک احتراق، تغيير شکل پيستون و محل استقرار شمع و انژکتور

 سيستمهاي مذکور از يک جريان با محدوده گسترده درون سيلندر براي حفظ لايه بندي مخلوط استفاده مي کنند. حفظ ثبات احتراق در اکثر سيستمهاي پيشنهادي با استقرار الکترود شمع در محيط پيرامون اسپري سوخت انجام مي شود.

در طرح ديگر از يک شمع در مرکز و انژکتور خارج از مرکز استفاده مي شود. ايده هاي کاسه پيستون خارج از محور، تزريق سوخت در کف کاسه پيستون و استقرار الکترد شمع در مرکز اتاقک احتراق در شکل آمده است و مطابق با نظريه برخورد جرياني در موتورهاي GDI در شکل ديده مي شود. اين ايده شامل تصادم جريان مخلوط ها در مرکز اتاقک احتراق و در محلي است که احتراق روي خواهد داد. ايده سوم يک اتاقک باز طراحي شده است که دو ناحيه تقريباً جدا شده را در نقطه مرگ بالا (TDC) همانند شکل ايجاد کند. از نظر تئوري، اين اتاقک نيمه تقسيم بندي شده، مقدار هوايي را که با سوخت تزريق شده و دير هنگام مخلوط ميشود را کنترل کرده و محدود ميسازد. به علاوه، سه مثال از سيستم احتراقيGDI

که از حرکت سقوطي لغزشي جريان هوا در سيلندر استفاده مي کند، در شکل ديده مي شود. نيز سيستم پاشش مستقيمGDIبا استفاده از جريان پرتابي در شکل نشان داده شده است.

هر سيستم GDI که براي عملکرد با سوخت لايه بندي شده طراحي مي شود، بايد در يک طبقه بندي خاص موتورهاقرار گيرد و ميتواند از نوع: هدايت اسپريي، هدايت ديواره اي سيلندر و هدايت هوايي باشد که اين طبقه بندي بر اساس روش ايجاد لايه سوختي حين عملکرد موتور با بار متوسط مي باشد. طبقه بندي ويژه بر اساس اين که آيا حرکات اسپري، برخورد اسپري به سطح پيستون و يا محوطه جريان سوخت بطور اصولي براي دسترسي به سوخت لايه لايه شده، استفاده مي شود صورت گرفته، که تعدادي از اين سيستمها در اين مقاله تشريح خواهند شد و مزايا و محدوديتهاي آنها مقايسه خواهند شد. رهنمودهايي نيز در مورد تحولات آينده سيستمهاي احتراق ارائه خواهد شد.

موقعيت محل نسبي استقرار شمع و انژکتور

محل و راستاي انژکتور نسبت به شمع از پارامترهاي حساس و عوامل هندسي مهم در طراحي و الکترود شمع همواره بايد دربهينه سازي سيستم GDI مي باشد محل مناسب در منطقه مخلوط آماده احتراق، در زمان جرقه زدن قرار گيرد و اين منطقه تحت تاثير مقادير و نسبتهاي چرخشي و لغزشي هواي درون سيلندر و نيز زاويه مخروط اسپري، اندازه متوسط قطرات اسپري شده و تايمينگ اسپري و جرقه مي باشد.

در طي عملکرد موتور در زير بار زياد، راستا و جهت دهي خاص محور اسپري انژکتور وزاويه مخروط اسپري ميتواند و بايد توليد کننده و ايجاد کننده ترکيب کامل و سريع سوخت همراه با هواي مکيده شده باشد و اين عمل به منظور افزايش استفاده از هوا انجام مي شود.

در مورد تزريق دير هنگام، شمع و انژکتور بايد در حالت ايد ه آل به شکلي مستقر شوند که ابر مخروطي مخلوط قابل احتراق در زمان جرقه را در روي شمع فراهم کرده و با تايمينگ جرقه خاص، به نوعي تنظيم کنند که در طيف مناسب از دورهاي موتور، حداکثر کارآيي چرخه عملياتي را نشان دهد.

 به طور کلي هيچ مجموعه اي از حالات بهينه وجود ندارد که در کليه ترکيبات دور موتور و بار موتور، مناسب باشد. بنابراين موقعيت قرار گرفتن محل انژکتور و شمع همواره بايد با در نظر گرفتن حالت ميانگين صورت گيرد.

     محدوديتهاي سخت افزارهاي ديگر نيز مهم است و بايد از جمله ملاحظات مهم قرار گيرد. اگر بخواهيم                   روشهاي اثبات شده طراحي سيستم  PFIرا در مورد اتاقک احتراق GDI بکار بگيريم

برخي خواسته ها و الزامات اضافي را بايد در نظر بگيريم و براي مسافت حرکت شعله و افزايش قدرت با محدود سازي کوبش در يک اکتان خاص بنزين، معمولاً شمع را در محل مجاور مرکز قرار مي دهند. مثل سيستمهاي PFI  اين محل معمولاًحداقل اتلاف حرارتي را در طي احتراق دارد

اگر مي خواهيم به الزامات درجه اکتان کم، دست پيدا کنيم دور از مرکز بودن موقعيت شمع بايد کمتر از 12 % قطر داخلي سيلندر باشد. در اکثر نظريه ها تنها عاملي که مهم و ثابت مي باشد قرار گرفتن شمع در نزديکي مرکز سرسيلندر است بنابراين مزاياي اصلي ذاتي کاربرد يک شمع تقريباً نزديک به مرکز سرسيلندر، پخش شعله متقارن مي باشد که براي به حداکثر رسانيدن ميزان سوختن و قدرت ويژه حاصله بيشينه شده و کاهش اتلاف گرمايي و تمايل به خود احتراقي مي باشد. بکاربردن دو شمع ميتواند احتراق قويتري را ايجاد نمايد، ولي پيچيدگي کار زيادتر خواهد شد. استفاده از دو شمع مستلزم تقسيم سوخت تزريقي به دو زبانه و جهت دهي هر يک به سمت منبع جرقه خود ميباشد و اين کار امکان کارکرد سيستم با سوخت رقيق را کاهش مي دهد

پس از اينکه محل نزديک به مرکز سرسيلندر براي شمع مشخص شد، عوامل اضافي بيشماري بايست در جهت دهي و استقرار و جاي گيري انژکتور محاسبه و رعايت شود مراحل انتخاب موقعيت قرار گرفتن شمع مي تواند با کمک تحليل ليزري و محاسبات ديناميک سيالات  (CFD) که شامل مدل سازي از اسپري و اتاقک مي باشد، صورت گيرد. استفاده از عيب يابي چشمي مستلزم اصلاح محفظه اتاقک احتراق موتوراست. مدلهاي اسپري و مدل سازي زير مجموعه شکل لايه بنزين روي جداره سيلندر در موتورهاي تزريق مستقيم (DI) هنوز در دست مطالعه است

 بدين معني که اگرچهCFD را مي توان در تحقيق روي برخي محل هاي استقرار مورد استفاده قرار داد، بسياري از امور نهايي

براي تشخيص و تاييد بر روي نحوه استقرار محور اسپري انژکتور، توسط ارزيابي سخت افزاري و نمون هسازي ها و آزمايش توسط دينامومتر روي موتور حاصل مي شود.

مسئله اصلي آن است که محل انژکتور بايد يک لاي هبندي ثابت براي شرايط کارکرد موتوربا بار کم ايجاد کند، و يک مخلوط همگن با هواي مورد استفاده مناسب در شرايطي که بار زيادي به موتور وارد مي شود ايجاد، ونيز از پاشش سهوي سوخت روي جداره سيلندر و سر پيستون در خارج از حفره موجود در سر پيستون جلوگيري نمايد. سايرفاکتورهاي مهم شامل دماي سوراخ نوک انژکتور، تمايل انژکتور و شمع به ايجاد دوده، توافق و هماهنگي ميان اندازه سوپاپ ورودي و محل قرار گرفتن انژکتور، محدوديت هاي طراحي، دستيابي و سرويس انژکتور ميشود. ناحيه در دسترس براي استقرارسوپاپ ورودي مهم است زيرا محلهايي که براي استقرار انژکتور پيشنهاد مي شود، اثرات منفي روي فضاي موجود براي سوپاپ موتور مي گذارد و مجبور مي شويم از نواحي کوچکتري براي ايجاد جريان هواي عبوري از سوپاپ استفاده کنيم

¨           منابع:

¨          سايت اينترنتيaftab.ir                            

¨          سايت اينترنتي saipa yadak.ir                

¨          سايت اينترنتي howstuffworks.com     

¨          و ماهنامه مجله ماشين