سیستم تزریق مستقیم (GDi) به زبان ساده؛ یک فناوری برای کاهش انقلابی مصرف سوخت

حتماً تا حالا اصطلاح تزریق مستقیم سوخت رو درباره موتور خودرو شنیدین. این تکنولوژی که برگرفته از Gasoline Direct Injection بوده و به طور خلاصه GDI نامیده می شه، امروزه در خیلی از خودروها پیدا میشه. در واقع سیستم تزریق مستقیم یکی از تکنولوژیای مهم حساب می شه که باعث شده موتورهای احتراق داخلی با چیزی در حدود ۲۰۰ سال قدمت، در قرن بیست و یکم هم مورد استفاده قرار گیرند. حتی در بازار کشورمون هم تماشاگر خودروهای زیادی مجهز به این تکنولوژی هستیم که میشه به موارد زیر اشاره کرد:

  • کیا سورنتو
  • پژو ۲۰۰۸
  • رنو تلیسمان
  • اِم جی جی اِس
  • هیوندای سانتافه

اما سوالی که پیش میاد اینه: به چه دلیل خودروسازان تا این حد به این تکنولوژی علاقه مند شدن؟ سیستم تزریق مستقیم سوخت چه خصوصیات مثبتی داره و چه تفاوتایی با روشای معمولی واسه ورود سوخت به موتور خودرو داره؟ اگه این سوالات واسه شمام پیش اومده، پیشنهاد می کنیم در ادامه با ما همراه باشین.

قبل از معرفی تکنولوژی تزریق مستقیم، سیستم تزریق سوخت چیجوری کار می کرد؟

همونطور که می دونین، در موتورهای احتراق داخلی جدید واسه به حرکت در آوردنِ میل لنگ، سه عنصر لازمه :

  • هوای غنی شده با اکسیژن
  • سوخت
  • یه جرقه واسه ایجاد انفجار در مخلوطِ سوخت و هوا

هوای لازم از راه ورودی هوا به داخل موتور مکیده می شه که قبل از ورود به منیفولدِ ورودی هوا، جریان اون به وسیله سنسوری به نام مَف سنسور (MAF Sensor) سنجیده می شه. این راه هوا خود به ۴ تا ۸ راه جدا از هم تقسیم می شه که هر کدوم از اونا به یکی از محفظهای احتراقِ استوانه ای در موتور خودروی شما می رسه. در طول این راه، هوا با سوخت مخلوط می شه و فقط کافیه تا شمع یه جرقه بزنه تا این مخلوط در محفظه احتراق منفجر شه. به احتمال زیاد با مطالبی که تا به اینجا درباره موتورهای احتراق داخلی گفته شد آشنا بودین.

در گذشته که موتورها مثل امروز پیشرفته نبوده و از کاربراتور یا سیستم تزریق تک نقطه ای بهره مند بودن، ترکیب کردنِ سوخت و هوا که با دقت تقریباً پایینی هم انجام میشد، داخل منیفولدِ ورودی هوا و حتی در بعضی موارد قبل از منیفولد اتفاق می افتاد. در اینجور شرایطی، سوخت لازم واسه همه سیلندرهای بانکِ سیلندر اضافه میشد. در موتورهایی که تعداد سیلندرها زیاده، معمولاً سیلندرها به دو بخش تقسیم می شن که در هر بخش تعدادی سیلندر به صورت خطی کنار هم قرار می گیرن. به هر کدوم از این بخشا که چندین سیلندر به صورت خطی در اون قرار میگیره، یه بانکِ سیلندر می گن. به طور مثال، موتورهایی که آرایش سیلندرهای اونا خطیه، یه بانکِ سیلندر دارن. اما موتورهای V شکل، دو بانکِ سیلندر دارن. این موضوع در شکل زیر نشون داده شده:

با این حساب، در بیشتر مواقع عناصر لازم واسه انفجار در محفظهای احتراق تامین میشد. اما یه مشکل وجود داشت که شدت اون بسته به نوع طراحی منیفولدِ ورودی هوا کم یا زیاد بود: سیلندرهایی که به کاربراتور یا انژکتور نزدیک بودن سوخت بیشتری دریافت می کردن و به سیلندرهایی که از اونا دور بودن سوخت کمتری می رسید. در موتورهای کاربراتوی یه متخصص در مورد تنظیم کاربراتور می تونست تا حدودی این مشکل رو مرتفع سازه. در مورد موتورهای انژکتوری هم یه کامپیوتر پیشرفته می تونست این موضوع رو تا حدودی تحتِ کنترل درآورد. اما در آخر ریشه اصلی این مشکل یعنی ایراد در طراحی منیفولدِ ورودی هوا قابل رفع نبود.

شکل بالا نشون میده که چیجوری یه انژکتورِ تک نقطه ای می تونه دلیل شه که به هر سیلندر اندازه سوخت متفاوتی تزریق شه. اگه در شکل دقت کنین، فلشای سبز رنگ نشون دهنده اندازه سوختی هستن که به هر سیلندر می رسه. در سیلندر سمت راست که به انژکتور نزدیکتره، فلش سبز رنگ بزرگتر نشون داده شده یعنی این سیلندر سوخت بیشتری دریافت می کنه. اما در سیلندر سمت چپ که از انژکتور دورتره، فلش سبز کوچکتره یعنی به این سیلندر سوخت کمتری می رسه.

در خیلی از خودروهای امروزی، از یه جور سیستم تزریق سوخت به نام سیستم تزریقِ چند نقطه ای (MPFI) استفاده می شه. حتماً این اصطلاح رو خیلی وقتا شنیدین و می خواین بدونین این سیستم دقیقاً چیجوری کار می کنه. در این نوع سیستم، بر خلاف انژکتورِ تک نقطه ای که در اون یه انژکتور وجود داشته و سوخت لازم واسه همه سیلندرها رو به صورت تقریبی به اونا میرسونه، واسه هر سیلندر یه انژکتور (یا در بعضی موارد چندین انژکتور) هست. در سیستم تزریقِ چند نقطه ای، انژکتورِ مخصوص به هر سیلندر به وسیله سیستم تزریقِ تحت فشار، سوخت رو به صورت آویزون در هوا به اون سیلندر اسپری می کنه. پس، مخلوط سوخت و هوا وارد محفظه احتراق می شه و پس از اون، سوپاپ ورودی بسته شده و انفجار در داخل سیلندر اتفاق میفته.

همونطور که در تصویر بالا مشاهده می کنین، در سیستم تزریقِ چند نقطه ای واسه هر سیلندر یه انژکتورِ جدا از هم هست که این موضوع باعث می شه سوختی که به سیلندرها می رسه برابر باشه.

در بیشتر موارد، سیستم تزریق چند نقطه ای یا همون MPFI گزینه ای مناسب و ایده آله. شک نداشته باشینً این سیستم از کاربراتور یا سیستم تزریقِ تک نقطه ای (SPFI) بسیار کارآمدتره. در انژکتورِ چند نقطه ای میشه اندازه سوخت وارد شده به هر سیلندر رو به صورت جدا از هم تنظیم کرد و به خاطر همین برخلاف سیستم تزریقِ تک نقطه ای، دیگه اندازه سوخت وارد شده به هر سیلندر بسته به فاصله اون از انژکتور متغیر نیس. از امتیازات سیستم تزریقِ چند نقطه ای نسبت به سیستمای قدیمی، افزایش قدرت موتور و کاهش مصرف سوخته. اما سوالی که اینجا پیش میاد اینه: با وجود امتیازات گفته شده در مورد سیستم MPFI، به چه دلیل به فکر اصلاح اون افتادن؟ در واقع به چه دلیل سیستم تزریق مستقیم یا همون GDI به وجود اومد؟

سیستم تزریق مستقیم چیجوری روی کارکرد خودرو تاثیر مثبت میذاره؟

اگه به روند پیشرفت سیستمای گفته شده در بالا دقت کنین، میفهمید که در هر مرحله نقطه ای که سوخت به هوا اضافه می شه به محفظه احتراق نزدیکتر شده:

  • در موتورهای کاربراتوری، این نقطه قبل از دریچه گاز قرار داشت
  • در موتورهای مجهز به سیستم تزریقِ تک نقطه ای (SPFI)، این نقطه به داخل منیفولدِ ورودی هوا انتقال داده شد
  • در موتورهای مجهز به سیستم تزریقِ چند نقطه ای (MPFI)، این نقطه به صورت جداگونه واسه هر سیلندر و به راه ورودی مجزای همون سیلندر منتقل شد

نکته مهم : برای دانلود متن کامل فایل پایان نامه ها به سایت sabzfile.com مراجعه نمایید

اما در سیستم تزریق مستقیم، این سیر تکاملی یه مرحله بالاتر رفته و انژکتور به داخل محفظه احتراق انتقال یافت. همین موضوع دلیل شده سیستم تزریق مستقیم یا همون GDI، نسبت به سیستمای قبلی فایده هایی داشته باشه.

در شکل بالا، دایره های مشکی رنگ نشون دهنده نقاطی هستن که سوخت به هوا اضافه می شه. همونطور که مشاهده می کنین، در سیستم تزریق مستقیم انژکتورها به داخل محفظهای احتراق انتقال داده شدن. پس دقت بالاتر رفته و به سوخت کمتری احتیاج میشه.

با انتقال انژکتور به داخل سیلندر، کامپیوتر خودرو می تونه اندازه سوخت اضافه شده در مرحله مکش رو با دقت بیشتری کنترل کرده و مخلوط سوخت و هوا رو بهتر کنه. این موضوع یافته های زیر رو به دنبال داره:

  • ایجاد انفجاری تمیزتر
  • کاهش اتلاف سوخت
  • افزایش قدرت

یکی دیگه از امتیازات سیستم GDI، انعطاف پذیری بیشتر در مورد زمانِ تزریق سوخت در چرخه احتراقه. در سیستمای MPFI، فقط در مرحله مکش که سوپاپ ورودی بازه امکان اضافه کردن سوخت به هوا هست، اما در سیستم تزریق مستقیم چون انژکتور داخل سیلندره، هر زمان در چرخه احتراق که لازم باشه میشه سوخت اضافه کرد. به طور مثال، در بعضی از سیستمای تزریق مستقیم شاید زمان بندی طوری تنظیم شه تا در مرحله تراکم اندازه کمی سوخت اضافه شه. پس، انفجار حاصله در سیلندر بسیار کوچکتر بوده و به طور کاملً کنترل شده میشه. درسته که در این حالت کمی قدرت تولیدی موتور کاهش پیدا می کنه، اما عوضش مصرف سوخت به طور زیادی کمتر می شه. این حالت واسه شرایطی که به قدرت زیادی احتیاج نیس بسیار موثر میشه که مثلا میشه به موارد زیر اشاره کرد:

  • حالت آیدِل (وقتی که خودرو درجا کار می کنه)
  • وقتی که بدون نیاز به گاز دادن، خودرو به حرکت ادامه میده (مثلاً در سرپایینی)
  • وقتی که سرعت خودرو در حال کاهشه

هم اینکه موتورهای مجهز به سیستم تزریق مستقیم، نسبت به تغییر در زمان بندی و اندازه سوخت تزریق شده عکس العمل سریع تری نشون میدن که نتیجه اون شتاب گیری روانتر و پایدارتره. هم اینکه، در موتورهای مجهز به سیستم GDI، موتور خودرو می تونه عملکردش رو سریع تر با اطلاعات دریافتی از سنسورهایی که بعد از محفظه احتراق قرار دارن تنظیم کنه. در نتیجه موتور کنترل بیشتری روی اندازه آلودگی داره.

حتی بعضی موتورها با به کار گیری سیستم تزریق مستقیم، کمی سوختِ اضافه به سیلندر تزریق کرده و انفجار دومی رو هم در چرخه احتراق ایجاد می کنن که باعث افزایش قدرت و بهره وری موتور می شه.

ممکنه سیستم GDI به نظر شما بسیار پیشرفته و جدید به نظر برسه، اما نکته باحال اینجاس که این سیستم خیلی هم در صنعت خودرو موضوع تازه ای به حساب نمیاد. این سیستم از دهه ۲۰ میلادی واسه موتورهای بنزینی مورد استفاده بوده و امروزه بیشتر موتورهای دیزلی از سیستم تزریق مستقیم بهره مند هستن.

سیستم تزریق مستقیم مشکلات هم داره؟

ممکنه با در نظر گرفتن نکات مثبتی که درباره سیستم GDI گفته شد، این سوال واسه شما پیش اومده باشه که به چه دلیل همه خودروهای جدید به این سیستم مجهز نیستن.

یکی از دلایل این موضوع هزینه بیشتر تولید موتورهای تزریق مستقیم به دلیل پیچیدگی بیشتره که در آخر دلیل می شه قیمت تموم شده خودرو زیاد شه. به طور مثال، انژکتورایی که در سیستم تزریق مستقیم به کار برده می شن باید بسیار بادوام تر از انژکتورهای استفاده شده در موتورهای MPFI باشن، چون که باید بتونن گرما و فشارِ به وجود اومده به وسیله صدها (و حتی هزاران) انفجار کوچیک در هر دقیقه رو تحمل کنن. هم اینکه، به دلیل اینکه سیستم GDI باید بتونه سوخت رو در محفظه احتراق که فشار بالایی داره تزریق کنه، داخل لوله های انتقال سوخت هم فشار بیشتری هست. فشار موجود در سیستم تزریق مستقیم ممکنه چندین هزار پوند بر اینچ مربع (psi) باشه، اگه واسه سیستم تزریقِ چند نقطه ای این رقم بین ۴۰ تا ۶۰ پوند بر اینچ مربعه.

درسته که کم کم قیمت اجزای سیستم GDI در حال کاهشه، اما در شرایط فعلی هزینه سیستم MPFI پایین تر بوده و واسه بیشتر خودروهای اقتصادی بسه.

بعضی از مالکین و تعمیرکاران موتورهای مجهز به سیستم تزریق مستقیم از مشکل جمع شدنِ کربن پشت سوپاپ ورودی شاکی هستن که بیشتر در خودروهای مجهز به توربوشارژر با کارکرد بالا اتفاق میفته. این مسئله دلیل می شه کم کم از جریان هوای ورودی به موتور کم شده و کارکرد خودرو با افت مواجه شه. اگه در گوگل عبارت “carbon buildup direct injection” رو جستجو کنین، با یافته های زیادی مواجه میشین که در همه اونا مالکین خودروهای مجهز به سیستم GDI با این مشکل درگیرن. اما به چه دلیل این مشکل به وجود میاد؟

اگه راستش رو بخواین، هوای ورودی به بیشتر خودروها آلوده س. حتی با وجود فیلتر هوا، بازم سیستمای جدید که در اونا گاز خروجی اگزوز به گردش در میاد و سیستمای خنک کننده کارتر، دلیل می شن هوای ورودی به موتور تا حد زیادی آلوده شه. در خودروهای مجهز به سیستم تزریقِ چند نقطه ای، با اسپری کردنِ بنزین به سوپاپ ورودی، مواد پاک کننده موجود در بنزین این آلودگیا رو تمیز می کنن. اما در موتورهای GDI، با افزایش کارکرد خودرو ممکنه آلودگی زیادی در سوپاپ ورودی به وجود بیاد.

سیستم تزریق مستقیم با تکنولوژیای دیگه هماهنگی خوبی داره

خودروسازان دائم در تلاش هستن تا با به کار گیری سیستم تزریق مستقیم، کارکرد موتورهای احتراق داخلی رو بهبود بخشن. به طور مثال، خودروسازانی مثل فورد، آئودی و بی ام و از ترکیب سیستم تزریق مستقیم و توربوشارژر استفاده می کنن تا بتونن موتورهای کم حجم با مصرف سوخت پایین و قدرت بالا تولید کنن.

تویوتا واسه چندین سال متوالی واسه مدلای خاصی از موتور ۳٫۵ لیتری که از نوع ۶ سیلندرِ V شکل بود، از سیستم انژکتور خاصی موسوم به D-4S استفاده می کرد. این سیستم هم توانایی تزریقِ چند نقطه ای و هم توانایی تزریق مستقیم رو داره تا از امتیازات هر دو نوع سیستم انژکتور استفاده کنه. سیستم D-4S از توانایی تزریقِ چند نقطه ای استفاده می کنه تا موتور استارتی روان و بی اشکال داشته باشه، سیستم تزریق مستقیم وقتی که موتور تحت فشار بوده و هنگام شتاب گیری استفاده میشن و در شرایط دیگه سیستمای MPFI و GDI در کنار هم کار می کنن تا بهترین کارکردِ ممکن واسه موتور انجام بشه.

تصویر بالا، سیستم D-4S رو نشون میده که سیستم تزریقِ چند نقطه ای و تزریق مستقیم رو ترکیب کرده.

تصویری که در بالا مشاهده می کنین، واسه یه موتور چهار سیلندرِ ۲٫۰ لیتری از نوع بوکسوریه (موتور بوکسوری یا Boxer، یه جور موتور احتراق داخلیه که پیستونای اون در امتداد صفحه افق جابجا می شن). این موتور که از سیستم D-4S استفاده میکرد، روی سایون FR-S و سوبارو BRZ نصب شده. بد نیس بدونین سایون (Scion) یکی از برنده های زیر مجموعه شرکت تویوتا بوده که حدوداً دو سال پیش فعالیت اون متوقف شده.

دیدگاهتان را بنویسید

نشانی ایمیل شما منتشر نخواهد شد. بخش‌های موردنیاز علامت‌گذاری شده‌اند *