GDI, انقلابی در سیستم های سوخت رسانی خودرو

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 دولت‌ها نیز با قرار دادن استانداردهای سختگیرانهٔ زیست‌محیطی و مصرف انرژی، فشار مضاعفی بر خودروسازان وارد می‌کردند؛ این عامل سبب شد در کشورهای صنعتی، تیم‌های تحقیقاتی بر روی موضوع کاهش مصرف سوخت و آلودگی فعالانه‌تر عمل کنند.در این میان، هر شرکت روش خاص خود را برگزید. سیستم‌های نوین سوخت‌رسانی بنزینی، خودروهای دیزلی سواری، خودروهای دورگه از جمله بعضی راه‌هائی بودند که مورد استفاده قرار گرفتند.از روش‌های موفق که با استقبال روبه‌رو شد، روش جدید سوخت‌رسانی در خودروهای بنزینی است.پیشرفته‌ترین این طرح‌ها 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 می‌گیرد؛ در حالی که بیشتر روش‌های جدید، سبب کاهش قدرت موتور می‌شوند؛ 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. سیستم‌های تزریق مستقیم نخستین نمونهٔ شیوهٔ سوخت‌رسانی در خودروها بودند، البته اشتباه نکنید. این روش در خودروهای سنگین دیزلی استفاده می‌شد؛ اما استفاده از این روش، در خودروهای سواری به مدل افسانه‌ای مرسدس SL۳۰۰ باز می‌گردد. سال ۵۶ میلادی کارخانهٔ مرسدس بنز برای دستیابی به قدرت بالای موتور از سیستم تنظیم پیشرفتهٔ گران‌قیمت 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 می‌شد خودرو به سرعت و شتاب فوق‌العاده بالائی دست یابد. گام بعدی در این سیستم طی دههٔ ۸۰ برداشته شد. کمپانی‌ها 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 لایه‌ای دور شمع را غلیظ و اطراف آن را رقیق می‌کرد، این سیستم از ضربه زدن به موتور جلوگیری می‌کرد و مصرف سوخت را کاهش می‌داد؛ اما قدرت موتور نیز بسیار کم می‌شد و موتور به حالت ریپ کار می‌کرد. 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 می‌داد بلکه مصرف سوخت را نیز به میزان قابل توجهی کاهش می‌داد. این طرح مدتی بعد، توسط شرکت پژو خریداری شد، فولکس واگن نیز گونه‌ای 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، زمان‌بندی متغیر پاشش سوخت در مراحل تراکم یا مکش را مشخص می‌کند. خودرو در دور پائین و دورهای متوسط، عمل پاشش سوخت را درست در مرحلهٔ تراکم چند درجه پیش از عمل جرقه زدن شمع انجام می‌دهد. 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 می‌شود 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 می‌رساند، این عمل سبب کاهش فراوان مصرف سوخت می‌شود.در دورهای بالا نیز که احتیاج به قدرت و شتاب احساس می‌شود پاشش به آرامی به منطقهٔ مکش هوا انتقال می‌یابد. 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، ورودی‌های 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 به‌دلیل اینکه دما از محیط گرفته می‌شود سبب کاهش دما شده که به راحتی نسبت تراکم و محفظهٔ احتراق را می‌توان کوچکتر طراحی کرد که این عامل، قدرت خودرو را به میزان قابل توجهی افزایش داده است. نبود حامل سوخت به هوا، موجب راحت‌تر وارد شدن هوا به موتور می‌شود. 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 می‌دهد. این روش، از جدیدترین روش‌هائی است که برخلاف روش‌های 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 به‌کارگیری 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 می‌تواند سبب گازسوز کردن خودروها با حداقل افت توان شود.

اگر به خودروهای گازسوز شده در ایران توجه شود سمند موفق‌ترین 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 می‌دهد، این در حالی است که با استفاده از موتورهای ضریب تراکم بالا، چنین افت توانی مشاهده می‌شود. 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 می‌شود، در صورتی‌که گاز در فشار بالاتری می‌سوزد. کوچک کردن محفظهٔ احتراق ضمن اینکه قدرت را افزایش می‌دهد؛ 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 می‌دهند 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 لایه‌ای تشکیل می‌شود، 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 فن‌آوری پاشش در دورها و سرعت‌های مختلف،احتیاج به سیستم الکترونیک و سوخت‌رسانی پیچیده و گران‌قیمت‌تر، افزایش سایش مجموعهٔ سوخت‌رسانی، رسوب‌گیری شمع و افزایش برق موردنیاز شمع و افشانه‌ها از جمله معایب این سیستم به‌شمار می‌رود.