تزریق مستقیم بنزین یا GDI

تزریق مستقیم بنزین یا GDI

• 1393/05/27
• رامین شریف زاده

تزریق مستقیم بنزین یا GDI در موتورهای احتراق داخلی، یک گونه متفاوت از تزریق سوخت می‌باشد که در موتورهای مدرن دو زمانه و چهار زمانه بنزینی استفاده شده‌است. در موتورهای GDI، بنزین تحت فشار بالا قرار داده شده و از طریق ریل مشترک سوخت مستقیماً به داخل محفظه احتراق هر سیلندر تزریق می‌شود. اما در تزریق چند نقطه‌ای سوخت معمولی، پاشش سوخت در منیفولد هوا، پشت سوپاپ ورودی یا در پورت سیلندر رخ می‌دهد. در سیستم پاشش سوخت چند نقطه ای (Multi Point Fuel Injection)(مخفف انگلیسی: MPFI) روی سر هر پیستون یک انژکتور قرار گرفته در صورتیکه در سیستم پاشش سوخت تک نقطه ای (Single Point Fuel Injection) (مخفف انگلیسی: SPFI) یک انژکتور روی منیفولد ورودی قرار می گیرد که این سیستم دیگر مورد استفاده قرار نمی‌گیرد و در اتومبیلهای جدید از سیستم پیشرفته تر یا همان MPFI استفاده می کنند. در برخی موارد، تزریق مستقیم بنزین قادر است احتراق با پر کردن لایه بندی شد (احتراق خیلی رقیق) جهت بهبود راندمان سوخت و کاهش سطح انتشار آلاینده‌ها را در بار کم موتور ایجاد کند.

 

عمده برتری‌های یک موتور GDI افزایش راندمان سوخت و قدرت خروجی بالا هستند. علاوه بر این اثر خنک‌کنندگی سوخت تزریق شده؛ با سیستم GDI سطح آلاینده‌ها می‌تواند دقیقاً کنترل شود. از دیگر مزایای عنوان شده، دستیابی به کنترل دقیق بر روی مقدار سوخت و تایمینگ (زمانبندی) پاشش می‌باشد که با شرایط مختلف بار موتور متغیر است. بعلاوه، در مقایسه با موتور تزریق معمولی یا موتور کاربراتوری، در بعضی از موتورهای GDI تلفات تراتلینگ (تلفات دریچه کنترل گاز یا دریچه خفانش) وجود ندارد که راندمان موتور را نحو چشمگیری افزایش داده و تلفات پمپاژ را در موتورهای بدون دریچه گاز (دریچه پروانه‌ای) کاهش می‌دهد. دور موتور به وسیله واحد کنترل موتور یا سیستم مدیریت موتور (EMS) کنترل می‌شود که عملکرد تزریق سوخت و تایمینگ (زمانبندی) جرقه را تنظیم می‌کند، در عوض داشتن (وجود) دریچه گاز، ورود هوای تدارک دیده شده را محدود می‌کند.

سیستم مدیریت موتور بطور پیوسته از بین سه حالت احتراق را انتخاب می‌کند: احتراق خیلی رقیق، احتراق استوکیومتریک و حالت حداکثر قدرت خروجی. هر حالت بوسیله نسبت مخلوط سوخت و هوا متمایز می‌شود، در نتیجه سوخت کمتر نسبت بیشتری ایجاد می‌کند. نسبت سوخت- هوا استوکیومتریک برای بنزین ۱ واحد وزنی به ۷/۱۴ واحد هوا است، اما در حالت خیلی رقیق این نسبت می‌تواند بیشتر از ۶۵ به ۱ باشد (یا حتی بیشتر در برخی از موتورها، برای مدت خیلی محدود). این مخلوط رقیقتر از آن مقداری است که همیشه در موتورهای معمولی می‌خواستند به آن برسند و میزان مصرف سوخت را کاهش داده‌است.

- حالت احتراق خیلی رقیق در بار کم یا کاهش سرعت، جایی که شتاب کمی لازم باشد، تحت شرایط رانندگی بار سبک استفاده می‌شود. سوخت در کورس مکش به داخل سیلندر تزریق نمی‌شود بلکه کمی با تأخیردر کورس تراکم وارد سیلندر می‌شود بنابراین همین مقدار کم مخلوط سوخت و هوا بصورت بهینه‌ای کنار شمع قرار داده می‌شود. این پرکردن لایه بندی شده بوسیله هوای زیادی احاطه می‌شود که سوخت را برای کاهش سطح آلاینده‌ها و افت حرارتی دور از دیواره‌های سیلندر نگه می‌دارد. احتراق در فضای خالی (گودی) روی سطح پیستون رخ می‌دهد. این تکنولوژی استفاده از مخلوط خیلی رقیق را امکان‌پذیر می‌سازد که با کاربراتور یا تزریق سوخت معمولی غیرممکن است.

- حالت استوکیومتریک برای شرایط بار متوسط استفاده می‌شود. سوخت در طی کورس مکش تزریق می‌شود که یک مخلوط هوا – سوخت همگن درون سیلندر ایجاد می‌شود. بواسطه نسبت استوکیومتریک، یک احتراق بهینه با آلاینده خروجی پاک منتج می‌شود بنابراین به وسیله کاتالیست کانورتر تصفیه می‌گردد.

- حالت تمام بار برای شتاب گیری سریع و بارهای سنگین استفاده می‌شود (مانند بالا رفتن از یک تپه). مخلوط هوا - سوخت همگن بوده و این نسبت کمی غنی تر از حالت استوکیومتریک است که به پیشگیری و ممانعت از کوبش کمک می‌کند. سوخت در طی کورس مکش پاشیده می‌شود.

همچنین ممکن است تزریق مستقیم با دیگر تکنولوژی‌های موتور مانند زمانبندی متغیر سوپاپها VVT و چند راهه یا منیفولد ورودی با طول متغیر VLIM هماهنگ گردد. پاشش آب یا گردش مجدد گاز خروجی EGR می‌تواند به کاهش آلاینده اکسیدهای نیتروژن ناشی از احتراق مخلوط خیلی رقیق کمک کند.

 

تزریق مستقیم بنزین ابتدا در هواپیماهای تولید شده در زمان جنگ جهانی دوم معرفی شد که توسط آلمانی‌ها (دایملر بنز) و اتحاد جماهیر شوروی سابق (KB) طراحی شده بود. نخستین سیستم تزریق مستقیم مورد استفاده در خودرو توسط شرکت بوش توسعه داده شد و با خودروهای Goliath و Gutbrod در سال ۱۹۵۲ معرفی شد. در سال ۱۹۵۵مرسدس بنز SL۳۰۰؛ اولین اتومبیل اسپرت بنزینی با استفاده از تزریق سوخت؛ از سیستم تزریق مستقیم استفاده کرد. انژکتورهای سوخت بوش و شمع‌ها در سوراخ‌های روی دیواره سیلندر جای گرفته بودند، در سایر موتورهای شش سیلندر مرسدس بنز نیز استفاده شدند (بعدها جای شمع‌ها به سرسیلندر منتقل شد) که در این موتورها پاشش سوخت بوسیله حرکت سریع یک سمبه که توسط بادامک تحریک می‌گردید، انجام می‌شد.

بعدها روند کلی بیشتر درخواست‌های تزریق سوخت جهت کاهش هزینه به سمت روش‌های تزریق غیرمستقیم پیش رفت. در طی دهه ۱۹۷۰کمپانی فورد موتور یک موتور با پر کردن لایه بندی شده را که ProCoنامگذاری کرد را توسعه داد، که از یک پمپ فشار بالای منحصربه‌فرد و انژکتورهای تزریق مستقیم استفاده کرد. یکصد خودروی Crown Victoria که در کارخانه Atlanta Assembly فورد در Hapeville، Georgia ساخته می‌شد، به موتور ProCo V۸ مجهز شدند.

پروژه موتورهای تزریق مستقیم فورد به چند دلیل کنار گذاشته شد از جمله؛ کنترل کننده‌های الکترونیکی به عنوان یک عنصر کلیدی که در مراحل اولیه پیشرفت بود، هزینه ساخت پمپ و انژکتورها خیلی بالا بود و اکسیدهای نیتروژن بیشتر از محدوده EPA تولید می‌شد، البته کاتالیست کانورتور سه راهه یک راه حل مؤثر ازرشمند بود که بعدها و در آینده معلوم شد.

 

در سال ۱۹۹۶ تزریق مستقیم بنزین دوباره وارد بازر خودرو شد. اولین کمپانی که از موتور GDI استفاده کرد کمپانی میتسوبیشی بود که در مدل‌های ۴G۹۳ 'sGalant/Legnum با موتور چهار سیلندر خطی ۸/۱ لیتری در بازار ژاپن بود. متعاقباً در سال ۱۹۹۷ مدلCarisma در اروپا با موتور GDI فروخته شد، البته سوخت بدون سرب گوگرد بالای اروپا موجب مشکلات آلایندگی شده و راندمان سوخت کمتر از حد مورد انتظار بود. همچنین میتسوبیشی در سال ۱۹۹۷ موتور مولد قدرت GDI ۶ سیلندر ۵/۳ لیتری V شکل خود را با نام ۶G۷۴ توسعه داد. میتسوبیشی به طور گسترده از این تکنولوژی استفاده نمود و بیش از یک میلیون موتور GDI در چهار خانواده تا قبل از سال۲۰۰۱ تولید کرد.

همچنین در سال ۱۹۹۹ شرکت‌های پژو-سیتروئنPSA و هیوندا موتورز، هر دو از تکنولوژی GDI میتسوبیشی مجوز گرفتند، سپس اولین موتورGDI هشت سیلندر V شکل استفاده کردند. دایملر کرایسلر یک موتور ویژه برای سال ۲۰۰۰ تولید کرد که فقط در بازارهای با سوخت کم گوگرد عرضه نمود.

اگرچه کمپانی‌های دیگر هم موتورهای تزریق مستقیم بنزینی را توسعه داداند، ولی علامت تجاری GDI (که از حرف"I" استفاده شد) بنام میتسوبیشی موتورز ثبت شده‌است.

رنوموتور ۲ لیتری مبتنی بر تزریق مستقیم (IDE) خود را ابتدا در رنو مگان و سپس در رنو لوگان در سال ۱۹۹۹ معرفی کرد.

شرکت تویوتا، موتور تزریق مستقیم D۴ را در سال ۲۰۰۰ در خودروی تویوتا آونسیس معرفی کرد (موتور AZ تویوتا). تویوتا از ترکیب دو سیستم تزریق مستقیم و غیرمستقیم در موتور ۲GR–FSE V۶ استفاده کرد، که از دو انژکتور برای هر سیلندر استفاده می‌کرد، یک انژکتور تزریق در پورت معمولی و یک انژکتور تزریق مستقیم جدید.

بعدها موتورهای GDI سازگارتر شده و به علت بازدهی بالایشان فروخته شدند. در سال ۲۰۰۰ گروه فولکس واگن موتور GDI شان را که روی محصولاتشان نام تزریق لایه بندی شده سوخت FSI زده شده بود، معرفی کردند که نمونه اولیه این تکنولوژی از خودروهای مسابقه آئودی Le Mans برداشته شده بود.

آلفارمئو نخستین موتور تزریق مستقیم خود را در سال ۲۰۰۲ با نام JTS معرفی کرد، امروزه این تکنولوژی تقریباً در همه موتورهای آلفارمئو بکار رفته‌است.

BMW در سال ۲۰۰۳ موتور BMW N۷۳ GDI V۱۲ را معرفی کرد. در این سیستم ابتدا BMW از انژکتورهای فشار پایین استفاده کرد و نتوانست به حالت احتراق رقیق وارد شود، ولی این کمپانی دومین نسل سیستم تزریق رقیقتری را با نام straight-۶ N۵۲ در سال ۲۰۰۶ معرفی کرد. این سیستم با پوشش وسیعتری از زمان احتراق رقیق با کارآیی عمومی بالا از بیشتر سیستمهای دیگر پیش افتاد. PSA با BMW در یک خط تولید مشارکت می‌کنند که اولین نمونه در مینی کوپرهای ۲۰۰۷ عرضه شد.

در سال ۲۰۰۲ جنرال موتورز یک سلسله موتورهای GDI فول را جهت تولید طراحی کرد، ولی تاکنون فقط سه نوع از این موتورها معرفی شده‌اند. در سال ۲۰۰۴ یک نمونه از ۲/۲ لیتری Ecotec به وسیله اپل ویکترا استفاده شده (شکل ۱۳-۱) و در سال ۲۰۰۵ یک نمونه ۲/۲ لیتری Ecotec با تکنولوژی VVT برای اپل GT جدید، پونتیاک سولستیک GXP، واکسهال GT، اپل Speedster و ساترن Sky Red Line استفاده شد. در سال ۲۰۰۸ یک موتور GDI، ۶/۳ لیتری LLT در نسل دوم کادیلاک CTS و کادیلاک STSاستغاده شد. در سال ۲۰۰۴، ایسوزو موتورز اولین موتور GDI خود را مطابق با وسایل نقلیه آمریکا تولید کرد. ایسوزو مدعی شد مزایای این موتور GDI این است که تبخیر سوخت یک تأثیر خنک‌کننده در موتور دارد و نسبت تراکم بالایی (۳/۱۰ به ۱ در مقابل ۱/۹ به ۱) را فراهم می‌سازد که قدرت خروجی را تا ۲۰ اسب بخار افزایش می‌دهد و زمان صفر تا ۶۰ مایل از ۹/۸ به ۵/۷ ثانیه کاهش پیدا کرد، با کاهش یک چهارم مایل از ۵/۱۶ تا ۸/۱۵ ثانیه طول می‌کشد.

کمپانی مزدا از تزریق مستقیم تولید خودش در مدلهای Mazda speed ۶/ Mazda ۶ MPS / CX-۷ sport-utility Mazda و مزداMazda speed ۳ جدید استفاده کرد که بازگشت به همان تزریق مستقیم اشتعال جرقه‌ای است (اغلب تولیدات مزدا به موتورهای دورانی وانکل مجهزند).

فولکس واگن در موتور جدید ۲ لیتری، ۱۶ سوپاپه، توربوشارژ شده و تنفس طبیعی چهار سیلندر خود از تزریق مستقیم استفاده کرد.

 

بیشتر مزایای تزریق مستقیم در موتورهای دو زمانه مشخص شده‌است چون این سیستم درصد زیادی از آلاینده‌های این موتورها را رفع کرده‌است. در موتور دو زمانه معمولی، وقتی که پیستون در پایین قرار دارد، دریچه‌های ورودی و خروجی در یک زمان باز هستند. بخش زیادی از مخلوط هوا و سوخت وارد شده به سیلندر از محفظه میل لنگ از میان دریچه ورودی، بصورت نسوخته مستقیماً از دریچه خروجی به بیرون می‌رود. در تزریق مستقیم سوخت، فقط هوا از محفظه میل لنگ وارد سیلندر می‌شود و زمانی که پیستون به طرف بالا حرکت کرده و هر دو دریچه را می‌بندد، سوخت تزریق می‌شود که موجب کاهش مصرف سوخت، کاهش آلایندگی و افزایش توان می‌گردد. دو نوع سیستم تزریق مستقیم بنزین در موتورهای دو زمانه استفاده شده‌است:  فشار پایین با هوای اضافی  فشار بالا

اولی توسط شرکت موتور اوربیتال استرالیا (یا شرکت اوربیتال) توسعه داده شد که یک مخلوط سوخت و هوای فشرده شده را به داخل محفظه احتراق تزریق می‌کند. وقتی که هوا منبسط می‌شود قطرات سوخت در ابعاد ۸ میکرو متر به پودر تبدیل می‌شوند که نسبت به قطرات سوخت ۲۰ تا ۳۰ میکرومتری دیگر سیستم‌های تزریق مستقیم بسیار کوچکتر هستند. سیستم اوربیتال در تولید موتورهای کوچک توسط شرکت‌های Aprilia، Piaggio، Peugeot و Kymco و در کارخانه اوتبوارد موتور توسطMercury وTohatsu و در وسایل نقلیه آبی شخصی توسط کارخانه Bombardier Recreative Products (BRP) استفاده شد.

در اوایل سال ۱۹۹۰، شرکت Ficht GmbH از Kirchseeon آلمان، یک سیستم تزریق مستقیم فشار بالا را جهت استفاده در موتورهای دو زمانه را توسعه داد. انژکتور این موتور منحصربه‌فرد بود که به پمپ فشار بالا نیاز نداشت اما با این وجود قادر به تولید فشار کافی جهت تزریق سوخت در داخل محفظه احتراق بسته بود. شرکت اوتبوارد مرین (OMC) مجوز این تکنولوژی را در سال ۱۹۹۵ گرفت و در سال ۱۹۹۶ موتور تولیدی خود را عرضه نمود. OMC در سال ۱۹۹۸یک سیستم کنترلی ازFicht خرید. OMC در دسامبر سال ۲۰۰۰ اعلام ورشکستگی کرد و بخش تولید موتور و مارک‌های Johnson Outboards و Evinrude Outboard Motors را که دارای تکنولوژی Ficht بودند در سال ۲۰۰۱ توسط BRP خریداری شد.

Evinrude که سیستمE-Tec را معرفی کرد، تزریق سوخت Ficht را بهبود داد که در سال ۲۰۰۳ در سازمان ثبت اختراعات ایالات متحده به شماره پتنت ۶۳۹۸۵۱۱ ثبت گردید. در سال ۲۰۰۴ Evinrude جایزه EPA Clean Air Excellence Award را به جهت استفاده از سیستمE-Tec دریافت کرد.

همچنین شرکت یاماها یک سیستم تزریق مستقیم فشار بالا برای موتورهای دو زمانه تولید کرد که با سیستم‌های تزریق مستقیم Ficht/E-Tec و Orbital تفاوت داشت، چون یاماها از یک پمپ سوخت مجزا، محرک تسمه‌ای، فشار تزریق بالا و مکانیکی جهت تولید فشار مورد نیاز برای تزریق در محفظه بسته استفاده کرد. این روش مشابه اغلب طرحهای رایج خودروهای چهار زمانه‌است.

EnviroFit یک شرکت غیر انتفاعی با مسئولیت دانشگاه ایالتی کلرادو، در یک پروژه جهت کاهش آلودگی هوا در جنوب شرقی آسیا، یک کیت مبدل تزریق مستقیم را برای موتور سیکلت‌های دو زمانه توسعه داد که از تکنولوژی توسعه داده شده توسط شرکت اوربیتال استرالیا استفاده می‌کرد. [۲۳] سازمان سلامت جهانی اعلام کرده‌است که آلودگی هوا در جنوب شرقی آسیا موجب مرگ زودرس ۵۳۷۰۰۰ نفر در سال می‌شود. وجود ۱۰۰ میلیون موتورسیکلت و تاکسی دو زمانه در این بخش از دنیا عامل اصلی این مرگ و میر زود هنگام است.