بررسی کامل سیستم تزریق مستقیم سوخت (GDI)

تزریق مستقیم گازوئیل (GDI)، همچنین به عنوان تزریق مستقیم بنزین (PDI) نیز شناخته می شود، یک سیستم تشکیل مخلوط برای موتورهای احتراق داخلی است که با گازوئیل (بنزین) کار می کنند، جایی که سوخت به محفظه احتراق تزریق می شود. این متمایز از سیستم های تزریق سوخت manifold است که سوخت را به manifold ورودی تزریق می کند.

اولین موتور GDI که به تولید رسید در سال ۱۹۲۵ برای یک موتور تراکم پایین کامیون معرفی شد. چندین خودروی آلمانی در دهه ۱۹۵۰ از سیستم مکانیکی GDI بوش استفاده می کردند، با این حال استفاده از این فناوری نادر بود تا اینکه سیستم الکترونیکی GDI در سال ۱۹۹۶ توسط میتسوبیشی برای خودروهای تولید انبوه معرفی شد. GDI در سال‌های اخیر به سرعت توسط صنعت خودروسازی مورد پذیرش قرار گرفته است و در ایالات متحده از ۲.۳ درصد تولید برای خودروهای مدل سال ۲۰۰۸ به حدود ۵۰ درصد برای مدل سال ۲۰۱۶ افزایش یافته است.

در ادامه به بررسی حالت ها، مزایا و معایب GDI در رینگ اسپورت می پردازیم. همچنین برای مشاهده دیگر مقالات فنی خودرو، با ما در گاراژ رینگ اسپورت همراه باشید …

حالت شارژ (charge modes) موتور تزریق مستقیم سوخت

“حالت شارژ” موتور تزریق مستقیم به نحوه توزیع سوخت در سراسر محفظه احتراق اشاره دارد:

حالت شارژ همگن

«حالت شارژ همگن» بر اساس تزریق manifold ، سوخت را به طور مساوی با هوا در سراسر محفظه احتراق مخلوط می کند. در حالت شارژ همگن، موتور روی مخلوط هوا / سوخت همگن کار می کند ( ۱=λ ) به این معنی که مخلوط (تقریبا) کاملی از سوخت و هوا در سیلندر وجود دارد  . سوخت در همان ابتدای مکش تزریق می شود تا به سوخت تزریق شده بیشترین زمان برای مخلوط شدن با هوا داده شود، به طوری که یک مخلوط هوا/سوخت همگن تشکیل شود . این حالت امکان استفاده از یک کاتالیزور سه طرفه معمولی را برای تصفیه گازهای خروجی می دهد.

در مقایسه با تزریق manifold ، راندمان سوخت بسیار اندکی افزایش می‌یابد ، اما توان ویژه خروجی بهتر است ، به همین دلیل است که حالت همگن برای به اصطلاح کوچک کردن موتور مفید است.

حالت شارژ طبقه بندی شده

حالت شارژ طبقه بندی شده دارای ناحیه ای با تراکم سوخت بیشتر در اطراف شمع است و مخلوطی با چگالی کمتر سوخت ، دورتر از شمع است.

حالت شارژ طبقه بندی شده، ناحیه کوچکی از مخلوط سوخت / هوا در اطراف شمع ایجاد می کند که در بقیه قسمت های سیلندر توسط هوا احاطه شده است . این باعث می شود سوخت کمتری به سیلندر تزریق شود که منجر به نسبت کلی بسیار بالای سوخت به هوا می شود .

در حالت ایده آل، دریچه گاز تا حد امکان باز می ماند تا از تلفات گاز جلوگیری شود . سپس گشتاور صرفاً با استفاده از کنترل گشتاور با کیفیت تنظیم می شود به این معنی که مقدار هوای ورودی نه بلکه فقط مقدار سوخت تزریق شده برای تنظیم گشتاور موتور دستکاری می شود . حالت شارژ طبقه بندی شده همچنین شعله را از دیواره سیلندر دور نگه می دارد و تلفات حرارتی را کاهش می دهد.

جهت اطلاع از آخرین اخبار شرکت ایران خودرو و زمانبندی پیش فروش ایران خودرو کلیک نمایید.

حالات تزریق (injection modes) موتور تزریق مستقیم بسوخت

تکنیک های رایج برای ایجاد توزیع مورد نظر سوخت در سراسر محفظه احتراق، تزریق با هدایت اسپری ، هدایت هوا یا تزریق با هدایت دیوار است. در سال‌های اخیر این روند به سمت تزریق هدایت ‌شونده اسپری می باشد زیرا در حال حاضر منجر به راندمان سوخت بالاتر می‌شود.

از آنجایی که مخلوط های خیلی با چگالی کم را نمی توان با شمع مشتعل کرد (به دلیل کمبود سوخت) ، شارژ باید طبقه بندی شود . برای دستیابی به چنین شارژی، یک موتور شارژ طبقه بندی شده، سوخت را در مراحل آخر تراکم تزریق می کند. یک حفره چرخشی در بالای پیستون اغلب برای هدایت سوخت به منطقه اطراف شمع استفاده می شود. این تکنیک استفاده از مخلوط های بسیار ضعیف را امکان پذیر می کند که با کاربراتورها یا تزریق سوخت manifold معمولی غیرممکن است.

در تئوری ، حالت شارژ طبقه بندی شده می تواند بهره وری سوخت را بیشتر بهبود بخشد و انتشار گازهای گلخانه ای را کاهش دهد. با این حال، در عمل، مفهوم شارژ طبقه بندی شده دارای مزایای کارایی قابل توجهی نسبت به مفهوم شارژ همگن معمولی نیست، اما به دلیل سوختگی ، اکسیدهای نیتروژن بیشتری تشکیل می شود.

تزریق مستقیم با هدایت دیوار

در موتورهای با تزریق دیواری ، فاصله بین شمع و نازل تزریق نسبتا زیاد است . برای اینکه سوخت به شمع نزدیک شود، روی یک حفره چرخشی در بالای پیستون پاشیده می شود که سوخت را به سمت شمع هدایت می کند. درگاه های ورودی هوای چرخشی یا چرخشی ویژه به این فرآیند کمک می کنند.

زمان پاشش به سرعت پیستون بستگی دارد ، بنابراین ، در سرعت های بالاتر پیستون ، زمان تزریق و زمان جرقه زنی باید بسیار دقیق پیش برود. در دمای پایین موتور، برخی از قسمت‌های سوخت پیستون نسبتا سرد آنقدر سرد می‌شوند که نمی‌توانند به درستی احتراق کنند . هنگامی که از بار کم موتور به بار موتور متوسط ​​تغییر می‌کنید ، برخی از قسمت‌های سوخت ممکن است در پشت حفره چرخش تزریق شود و همچنین منجر به احتراق ناقص شود . بنابراین موتورهای تزریق مستقیم سوخت با هدایت دیواری مقدار زیادی هیدروکربن منتشر می کنند.

شما کاربر گرامی میتوانید از آخرین تغیرات قیمت خودرو در صفحه قیمت خودرو آشنا شوید.

تزریق مستقیم با هدایت هوا

مانند موتورهای با تزریق هدایت دیواری ، در موتورهای با تزریق هدایت شونده هوا، فاصله بین شمع و نازل تزریق نسبتا زیاد است . با این حال، برخلاف موتورهای تزریق با هدایت دیواری، سوخت با قطعات (نسبتا) سرد موتور مانند دیواره سیلندر و پیستون در تماس نیست . به جای پاشش سوخت در برابر یک حفره چرخشی ، در موتورهای تزریق با هدایت هوا ، سوخت تنها توسط هوای ورودی به سمت شمع هدایت می شود.

بنابراین هوای ورودی باید یک حرکت چرخشی داشته باشد تا سوخت را به سمت شمع هدایت کند. این حرکت چرخشی یا غلتشی باید برای مدت نسبتاً طولانی حفظ شود ، به طوری که تمام سوخت به سمت شمع رانده شود. با این حال این کار راندمان شارژ موتور و در نتیجه توان خروجی را کاهش می دهد. در عمل، ترکیبی از تزریق هدایت‌شونده هوا و تزریق دیواری استفاده می‌شود.

تزریق سوخت با اسپری

در موتورهای با تزریق مستقیم اسپری ، فاصله بین شمع و نازل تزریق نسبتا کم است. نازل تزریق و شمع هر دو در بین سوپاپ های سیلندر قرار دارند . سوخت در مراحل آخر فشرده سازی تزریق می شود و باعث تشکیل بسیار سریع و ناهمگن مخلوط می شود. این منجر به شیب طبقه بندی سوخت بزرگ می شود، به این معنی که ابری از سوخت با نسبت هوای بسیار پایین در مرکز آن و نسبت هوای بسیار بالا در لبه های آن وجود دارد.

سوخت فقط در بین این دو “منطقه” قابل احتراق است . احتراق تقریباً بلافاصله پس از تزریق انجام می شود تا راندمان موتور افزایش یابد . شمع باید به گونه ای قرار گیرد که دقیقاً در منطقه ای باشد که مخلوط قابل اشتعال است . این بدان معنی است که خطا باید بسیار کم باشد، زیرا ناهماهنگی بسیار کم هم می تواند منجر به کاهش شدید احتراق شود . همچنین ، سوخت شمع را بلافاصله قبل از قرار گرفتن در معرض حرارت احتراق خنک می کند. بنابراین، شمع باید بتواند ضربه های حرارتی را به خوبی تحمل کند.

در سرعت‌های پایین پیستون (و موتور) سرعت نسبی هوا / سوخت کم است ، که می‌تواند باعث شود سوخت به‌درستی تبخیر نشود و در نتیجه یک مخلوط بسیار غنی ایجاد شود. مخلوط های غنی به درستی نمی سوزند و باعث تجمع کربن می شوند . در سرعت های بالای پیستون ، سوخت بیشتر در داخل سیلندر پخش می شود ، که می تواند قسمت های قابل اشتعال مخلوط را چنان از شمع دور کند که دیگر نمی تواند مخلوط هوا / سوخت را مشتعل کند.

GDI بر مشکل مرتبط با فناوری PFI در موتور گازوئیل غلبه کرده ، همچنین به خاطر سوخت بهتر و کاهش انتشار گازهای گلخانه ای سود می برد . سیستم تزریق سوخت قلب موتور GDI است و موفقیت موتور نهفته در توانایی سیستم تزریق سوخت برای تشکیل مخلوط مورد نیاز برای حالت های مختلف عملیاتی GDI می باشد.

مزایا و معایب عمده تزریق مستقیم گازوئیل (GDI)

مزایا

• بهبود مصرف سوخت به دلیل :

 تلفات پمپاژ کمتر (حالت بدون گاز، طبقه بندی شده) , نسبت تراکم بالاتر (اثر خنک کننده شارژ در حین القاء) , نیاز اکتان کمتر (خنک شدن شارژ با تزریق در حین القاء) , افزایش راندمان حجمی (خنک شدن شارژ با تزریق در حین القاء)

• کنترل دقیق تر نسبت هوا به سوخت
• کاهش مشکل شروع سرد

معایب

• مشکل در کنترل احتراق شارژ طبقه بندی شده در محدوده عملیاتی مورد نیاز
• پیچیدگی فناوری های کنترل و تزریق مورد نیاز برای تغییرات بار یکپارچه
• نرخ نسبتاً بالایی از تشکیل رسوبات انژکتور و یا رسوب اشتعال
• افزایش انتشار ذرات
• کاتالیزور سه طرفه را نمی توان به طور کامل مورد استفاده قرار داد
• افزایش سایش اجزای سیستم سوخت به دلیل ترکیب فشار بالا و روانکاری سوخت پایین
• افزایش نرخ سایش سوراخ سیلندر
• افزایش توان الکتریکی و ولتاژ مورد نیاز انژکتورها و درایورها

سوالات متداول

در قسمت پایین سوالات شما در رابطه با موتور های تزریق مستقیم GDI پاسخ داده شده