آشنایی با سیستم سوخت رسانی GDI

شرکت های خودروساز دنیا اواسط دههٔ ۹۰ به دنبال تشدید بحران انرژی و همچنین کاهش آلودگی خروجی از خودروها، در پی انتخاب روش های جدید برای غلبه بر این معضل برآمدند. این در حالی بود که دولت ها نیز با قرار دادن استانداردهای سختگیرانهٔ زیست محیطی و مصرف انرژی، فشار مضاعفی بر خودروسازان وارد می کردند؛ این عامل سبب شد در کشورهای صنعتی، تیم های تحقیقاتی بر روی موضوع کاهش مصرف سوخت و آلودگی فعالانه تر عمل کنند.در این میان، هر شرکت روش خاص خود را برگزید. سیستم های نوین سوخت رسانی بنزینی، خودروهای دیزلی سواری، خودروهای دورگه از جمله بعضی راه هائی بودند که مورد استفاده قرار گرفتند.از روش های موفق که با استقبال روبه رو شد، روش جدید سوخت رسانی در خودروهای بنزینی است.پیشرفته ترین این طرح ها نیز تزریق مستقیم سوخت در داخل سیلندر است که علاوه بر کاهش ۳۰ درصدی مصرف سوخت، سبب کاهش آلایندگی و افزایش ۱۰ درصدی قدرت موتور شده است. این روش، بسیار جالب توجه است، زیرا با یک تیر چند نشان مورد هدف قرار می گیرد؛ در حالی که بیشتر روش های جدید، سبب کاهش قدرت موتور می شوند؛ اما این سیستم، نه تنها مصرف و آلودگی را کاهش داده، بلکه قدرت موتور را نیز زیاد کرده است.برای توضیح این روش، بد نیست کمی در مورد تاریخچهٔ روش تزریق مستقیم بدانیم.

سیستم های تزریق مستقیم نخستین نمونهٔ شیوهٔ سوخت رسانی در خودروها بودند، البته اشتباه نکنید. این روش در خودروهای سنگین دیزلی استفاده می شد؛ اما استفاده از این روش، در خودروهای سواری به مدل افسانه ای مرسدس SL۳۰۰ باز می گردد. سال ۵۶ میلادی کارخانهٔ مرسدس بنز برای دستیابی به قدرت بالای موتور از سیستم تنظیم پیشرفتهٔ گران قیمت با آلیاژهای مخصوص، استفاده کرد. البته این سیستم، مصرف بالائی داشت؛ ولی مزیت برتر آن، ترکیب کامل سوخت و هوا و ایجاد مخلوط غلیظ هوا و بنزین بود که سبب می شد خودرو به سرعت و شتاب فوق العاده بالائی دست یابد. گام بعدی در این سیستم طی دههٔ ۸۰ برداشته شد. کمپانی ها به فکر افتادند که با تزریق سوخت به داخل سیلندر در مرحلهٔ تراکم، سوخت را بسیار رقیق کرده تا مصرف سوخت را کاهش دهند. در این سیستم که مجهز به کنترل مکانیکی بود سوخت اندکی داخل سیلندر نزدیک شمع وجود داشت که مخلوط لایه ای دور شمع را غلیظ و اطراف آن را رقیق می کرد، این سیستم از ضربه زدن به موتور جلوگیری می کرد و مصرف سوخت را کاهش می داد؛ اما قدرت موتور نیز بسیار کم می شد و موتور به حالت ریپ کار می کرد. این سیستم در آن زمان با شکست مواجه شد ولی با پیشرفت علم رایانه و الکترونیک در کنار علوم مهندسی مکانیک در اواخر دههٔ ۹۰، کمپانی بوش آلمان به همراه خودروسازانی چون میتسوبیشی و بنز روشی را معرفی کردند که تعجب همگان را برانگیخت؛ این روش تزریق مستقیم سوخت با کنترل دقیق رایانه بود که نه تنها قدرت و شتاب را افزایش می داد بلکه مصرف سوخت را نیز به میزان قابل توجهی کاهش می داد. این طرح مدتی بعد، توسط شرکت پژو خریداری شد، فولکس واگن نیز گونه ای از همین موتورها را به تازگی وارد بازار کرده است.

توضیح سیستم GDI
سیستم تزریق مستقیم شرکت میتسوبیشی با اطلاعات دریافتی از سنسورهای مختلف، شرایط محیطی میزان دور موتور لازم و درخواستی را با همهٔ شرایط سنجیده و بر این اساس، زمان بندی متغیر پاشش سوخت در مراحل تراکم یا مکش را مشخص می کند. خودرو در دور پائین و دورهای متوسط، عمل پاشش سوخت را درست در مرحلهٔ تراکم چند درجه پیش از عمل جرقه زدن شمع انجام می دهد. این عمل با توجه به نوع پاشش، چرخش افقی و فشار بالای پاشش همراه با چرخش عمودی سوخت هوا که توسط دیوارها و کف پیالهٔ پیستون ایجاد می شود سوخت را دور شمع غنی و اطراف داخل سیلندر رقیق کرده و نسبت سوخت به هوا را از یک به ۱۴، به نسبت یک به ۴۰ می رساند، این عمل سبب کاهش فراوان مصرف سوخت می شود.در دورهای بالا نیز که احتیاج به قدرت و شتاب احساس می شود پاشش به آرامی به منطقهٔ مکش هوا انتقال می یابد. با چرخش پاشش و چرخش سوخت هوا حاصل از کف پیالهٔ پیستون، نسبت سوخت هوا از یک به ۲۴ تا نسبت یک به ۱۳ متغیر است. در این موتورها، ورودی های هوا برخلاف انواع قدیمی بر کف پیستون، حالت عمودی دارد، این نوع طراحی سبب شد قدرت و بازده تنفسی موتور افزایش یابد. در این حال، تزریق سوخت در داخل محفظهٔ احتراق به دلیل اینکه دما از محیط گرفته می شود سبب کاهش دما شده که به راحتی نسبت تراکم و محفظهٔ احتراق را می توان کوچکتر طراحی کرد که این عامل، قدرت خودرو را به میزان قابل توجهی افزایش داده است. نبود حامل سوخت به هوا، موجب راحت تر وارد شدن هوا به موتور می شود. همهٔ این عوامل، کاهش مصرف و افزایش قدرت را در پی دارد. در عین حال، احتراق درست و مناسب و در عین حال کنترل شده در این سیستم، آلودگی را به میزان قابل توجهی کاهش می دهد. این روش، از جدیدترین روش هائی است که برخلاف روش های قبلی احتراق، بیشتر قابلیت کنترل دارد. در روش معمولی MPI که در کشور ما نیز متداول است، احتراق چندان تحت کنترل نیست اما در روش GDI و MPI پیشرفته، احتراق به اندازهٔ زیاد تحت کنترل درآمده است. کنترل احتراق سبب کاهش آلودگی و مصرف و افزایش قدرت موتور خواهد شد.

مزیت به کارگیری این روش در خودروهای داخلی
این روش در کنار کاهش ۳۰ تا ۴۰ درصدی مصرف سوخت، کاهش آلودگی هوا را نیز در پی دارد. سیستم GDI می تواند سبب گازسوز کردن خودروها با حداقل افت توان شود.

اگر به خودروهای گازسوز شده در ایران توجه شود سمند موفق ترین طرح تا کنون بوده اما سیستم گازسوز در این خودرو نیز به دلایل تفاوت درجهٔ خودسوزی بنزین و گاز همیشه افت توان قابل توجهی را نشان می دهد، این در حالی است که با استفاده از موتورهای ضریب تراکم بالا، چنین افت توانی مشاهده می شود. حال اگر اتومبیل پیکان با اتاق احتراق و ضریب تراکم بسیار کم، گازسوز شود، احتمالاً این خودرو بیش از ۲۰ درصد افت توان را نشان خواهد داد. توضیح ساده این مسئله، این است که بنزیبن با کوچکترین فشاری مشتعل می شود، در صورتی که گاز در فشار بالاتری می سوزد. کوچک کردن محفظهٔ احتراق ضمن اینکه قدرت را افزایش می دهد؛ اما خودسوزی بنزین را نیز در پی دارد. ضریب تراکم بهترین موتور در ایران که پژو ۲۰۶ تیپ ۵ است، ۱۰ بوده؛ در حالی که موتوری گازسوز به تراکمی بین ۱۱ تا ۱۲ نیاز دارد، حال آنکه موتورهای GDI رقم تراکم ۱۲ را نشان می دهند و از این نظر، قدرت تطبیق موتور گازسوز و بنزین GDI در موتورهای گازسوز دوسوخته با حداقل افت توان، بسیار بالا است.مزایا و معایب موتورهای GDI در مقایسه با MPI بهبود مصرف ویژهٔ سوخت، افزایش بازده تنفسی، کاهش افت حرارتی، خنک شدن مخلوط سوخت و هوا در سیلندر، طی پاشش دیرهنگام مخلوط لایه ای تشکیل می شود، افزایش نسبت تراکم، کاهش نیاز به عدد اکتان افزایش حد خودسوزی، ۱۰ درصد افزایش توان، کاهش حدود ۳۰ درصدی مصرف سوخت و کاهش گازهای آلاینده به غیر از ذرات معلق، از مزایای موتور GDI است.

معایب
پیچیدگی تنظیم فن آوری پاشش در دورها و سرعت های مختلف،احتیاج به سیستم الکترونیک و سوخت رسانی پیچیده و گران قیمت تر، افزایش سایش مجموعهٔ سوخت رسانی، رسوب گیری شمع و افزایش برق موردنیاز شمع و افشانه ها از جمله معایب این سیستم به شمار می رود.