سیستم سوخت رسانی انژکتوری بنزین
استفاده از سیستمهای سیستم سوخت رسانی انژکتوری بنزیني دارای مزایای زیر نسبت به کاربراتور میباشد:
- بهینهتر شدن راندمان حجمی موتور در دورهای بالا به دلیل حذف ونتوری
- اختلاط مناسبتر سوخت و هوا
- دقت بیشتر در زمان و مقدار تزریق سوخت
- کاهش مصرف سوخت
- کنترل مداوم آلودگیهای مضر از جمله مونوکسید کربن (CO) و اکسیدهای ازت ( NOx )
- افزایش توان و گشتاور خروجی موتور
a: با سیستم سوخت رسانی انژکتوری b: با کاربراتور P: توان موتور M:گشتاور موتور
شکل 1- افزایش توان و کشتاور موتور با سوخت رسانی انژکتوری در مقایسه با موتور با سوخت رسانی کاربراتوری
شکل (1) افزایش توان و گشتاور خروجی موتور با سیستم سوخت رسانی انژکتوری در مقایسه با همان موتور با استفاده از کاربراتور را نشان میدهد.
شکل (1) نیز کاهش مصرف سوخت موتور انژکتوری در مقایسه با موتور کاربراتوری را در شرایط مختلف نشان میدهد.
1- آزمایش روشن شدن موتور از حالت سرد تا گرم شدن 2- آزمایش بیرون شهری (در حالت موتور گرم) 3- آزمایش درون شهر (در حالت موتور سرد)
شکل 2- کاهش مصرف سوخت موتور انژکتوری نسبت به موتور کاربراتوری
از اینرو، امروزه در تمامی موتورهای خودروهای جادهای ازسیستم سوخت رسانی انژکتوری استفاده میگردد.
مبدا سیستم سوخت رسانی انژکتوری بنزینی، شرکت بوش (BOSCH) آلمان میباشد و سیر تکاملی سیستمهای سوخترسانی انژکتوری این شرکت که اصطلاحاً Jetronic گفته میشود، به شرح زیر میباشد.
K- Jetronic
در این روش تزریق سوخت انژکتورها پیوسته Continuously بوده و عملکرد سیستم مکانیکی هیدرولیکی میباشد. این سیستم در فواصل زمانی 1973 تا 1995 میلادی مورد استفاده قرار گرفته است.
KE- Jetronic:
همان سیستم K-Jetronic است با این تفاوت که از قابلیتهای الکترونیکی به جهت تنظیم و اندازهگیری مقدار سوخت استفاده شده است (Continuously Electronic)و در فواصل زمانی 1982 تا 1996 مورد استفاده قرار گرفته است.
L- Jetronic
در این سیستم انژکتورها به صورت الکترونیکی کنترل شده و سوخت را به صورت متناوب و نوبتی تزریق میکنند. این سیستم در سالهای 1973 تا 1996 مورد استفاده قرار گرفته است.
LE- Jetronic
همان L- Jetronic است، بدون سنسور اکسیژن که بیشتر در کشورهای اروپایی مورد استفاده قرار گرفته است.
LU- Jetronic
همان L- Jetronic است و با سنسور اکسیژن که بیشتر در کشورهای آمریکایی مورد استفاده قرار گرفته است.
LH- Jetronic
همان L- Jetronic است ولی برای اندازهگیری دبی هوا از تکنیک سیم داغ استفاده شده است که در سالهای 1981 تا 1998 به کار رفته است.
L3- Jetronic
ترکیبی از موارد 3، 4، 5 و 6 با و بدون سنسور اکسیژن و با بهرهگیری از میکرو کامپیوترها و تکنیک Limp- home که درصورت معیوب شدن ECU، راننده میتواند خودرو را به نزدیکترین تعمیرگاه برساند و این ECUها قابلیت نصبشدن در محفظۀ موتور نیز دارند، ميباشند.
Mono- Jetronic
در این سیستم فقط یک انژکتور برای تمامی سیلندرها سوخت را تزریق میکند و در سالهای 1987 تا 1997 به کاربرد شده است که به آن تزریق سوخت تک نقطهای یاSPF نیز گفته میشود در حالیکه سیستمهای تزریق سوخت چند نقطهای را MPF مینامند.
M- Motronic
این سیستم، تزریق سوخت چند نقطهای بوده که انژکتورها به صورت الکتریکی توسط ECU کنترل شده و تزریق سوخت چند نقطهای نوبتی انجام میدهند. ضمن آنکه ECU وظیفه کنترل سیستم جرقه زنی را نیز بر عهده دارد، از اینرو به این نوع سیستم تزریق سوخت سیستم مدیریت موتور، [4](MM یا EM) نیز اطلاق میشود. این سیستمها از سال 1979 تاکنون مورد استفاده قرار گرفته است.
ME- Motronic
همان M- Motronic است با این تفاوت که در ME-Motronic دریچه گاز توسط یک موتور الکتریکی به صورت الکترونیکی ETC کنترل میشود.
MED- Motronic
در این روش، تزریق سوخت به صورت مستقیم درون سیلندر در زمان مکش و هنگام بازبودن سوپاپ هوا، انجام میگیرد که اصطلاحاً آن را تزریق مستقیم سوخت یاGDI[6] نیز مینامند.
جرم هوای واقعی ورودی به موتور
یکی از پارامترهای بسیار مهم در سیستم سوخترسانی انژکتوری نسبت هوا [1] یا ضریب هوای اضافی[2] یا لاندا[3] میباشد که برخی پارامترهای دیگر را نسبت به آن میسنجند و از رابطۀ (8-1) بدست میآید:
از آنجایی که “جرم هوای تئوری ورودی به موتور تقسیم بر یک گرم بنزین” که باعث کامل سوختن بنزین و جلوگیری از ایجاد آلودگی میشود را نسبت هوا به سوخت استوکیومتری مینامند و معادل با 7/14 گرم هوا به یک گرم بنزین میباشند، لذا، رابطۀ (8-1) به شکل زیر استخراج میگردد.
با توجه به رابطۀ (9- 1) میتوان به نتایج زیر دست یافت:
- چنانچه لاندا کوچک تر از یک باشد، مخلوط سوخت و هوا غنی بوده و افزایش آلودگی و مصرف سوخت را در پی دارد ولی لاندا حوالی 8/0 یا مخلوطی با نسبت 12 گرم هوا و یک گرم بنزین، میتوان بیشترین قدرت را از موتور دریافت نمود. لذا برای موارد اضطراری مانند وضعیت قدرت، شتابگیری و … بهتر است که از پروتکل لاندا مساوی 8/0 استفاده نمود. با استفاده از این پروتکل، افزایش مصرف سوخت و آلودگی تقریباً نادیده گرفته شده و هدف اصلی افزایش توان خروجی موتور میباشد.
- اگر لاندا مساوی یک باشد، وضعیت ایدهآل میباشد و احتراق بنزین و هوا به صورت کامل انجام میشود. با استفاده از این پروتکل آلودگی و مصرف سوخت کاهش یافته، قدرت موتور نیز مطلوب میباشد.
- اگر لاندا بزرگتر از یک باشد، مخلوط سوخت و هوا رقیق شده و باعث کاهش جدی مصرف سوخت و آلودگی میگردد ولی به دلیل آنکه با افزایش هوا، دمای احتراق نیز افزایش مییابد در محدودۀ لاندا بزرگتر از یک، مقدار اکسیدهای ازت ( NOx) به شدت افزایش مییابد. لذا از این پروتکل به شرط استفاده از راهکار مناسب جهت کنترل آلایندگی ، در شرایط سرعت ثابت موتور مانند حرکت در اتوبانها و جادههای برون شهری استفاده شده که باعث کاهش جدی مصرف سوخت و آلودگی میشود.
شکل (3) تأثیر در میزان مصرف سوخت و توان تولیدی موتور و شکل (4) تأثیر بر روی میزان آلایندگی ناشی از احتراق بنزین را نشان میدهد.
شکل 3- تأثیر در میزان مصرف سوخت و توان تولیدی موتور
شکل 4- تأثیر بر روی میزان آلایندگی ناشی از احتراق بنزین
با توجه به شکلهای (3) و (4) ملاحظه میگردد که با پروتکل لاندا بین 1 و 0.8 توان تولیدی موتور، مصرف سوخت، آلودگی HC و CO افزایش مییابد ولی آلایندگی به دلیل کاهش دمای احتراق کاهش مییابد از اینرو این پروتکل را پروتکل افزایش شتابگیری خودرو با صرفنظر کردن از آلودگی نیز مینامند با استفاده از پروتکل لاندا بین 1 و 2 مصرف سوخت، آلایندگی HC و CO کاهش یافته ولی آلایندگی NOx به شدت افزایش مییابد، توان تولیدی در این محدود نیز برای حرکت خودرو در اتوبانها و جادههای برون شهری با سرعت ثابت قابل قبول و مطلوب میباشد، از اینزو این پروتکل را پروتکل اقتصادی عملکرد سیستم سوخت رسانی انژکتوری نیز مینامند.
لازم به ذکر است که در محدودۀ لاندا کوچک تر از 1.3 به دلیل بیش از حد رقیق بودن مخلوط سوخت و هوا، احتراق پایداری وجود نخواهد داشت، لذا افزایش HC یا هیدروکربنهای نسوخته در این منطقه امری اجتناب ناپذیر خواهد بود.
با توجه به شکلهای فوق به جهت اندازهگیری جرم هوای ورودی به موتور، شناسایی وضعیت عملکردی موتور یا خودرو (شتابگیری، قدرت، سرعت ثابت و …) و کنترل مقدار آلایندگی ناشی از احتراق سوخت و هوا، به سنسورهایی نیاز میباشد تا اطلاعات خود را به عنوان ورودی به ECU اعمال کرده و ECU از طریق محاسبه و مقایسۀ پارامترها، پروتکل عملکردی مورد نظر را انتخاب نموده و با صدور دستورهای لازم به عملگرهای موجود در سیستم سوخترسانی انژکتوری بنزینی، شرایط مطلوب و بهینۀ عملکرد موتور را ایجاد نماید.
شکل (5) نمونهای از سیستم مدیریت موتور [1] شرکت BOSCH تحت عنوان
Motronic ME7 با نمایش سنسورها، ECU و عملگرهای سیستم را نشان میدهد.
شکل 5- سیستم مدیریت موتور 7Motronic ME
1– کنیستر[1] 2- شیر قطع کن 3- شیر برقی کنیستر 4- سنسور فشار مانیفولد و دمای هوای ورودی TMAP
5- ریل سوخت و انژکتور 6- کویلها و شمعهای جرقه 7- سنسور میل بادامک 8- پمپ برقی هوای ثانویه 9– شیر هوای ثانویه 10- اندازهگیر جرم هوای ورودی به موتور 11- دریچۀ گاز الکترونیکی ETC
12- شیر برقی EGR
13- سنسورناک[2] 14- سنسور دور موتور 15- سنسور دمای مایع خنک کنندۀ موتور 16- سنسورهای اکسیژن بالادستی و پائین دستی[3] یا سنسورها لاندا
17- ECU
18- به دستگاه عیب یاب 19- چراغ عیب یاب 20- به ایموبیلایزر[4] 21- سنسور فشار باک بنزین 22- پمپ بنزین برقی مستقر در باک بنزین 23- سنسور پدال گاز 24- باتری
شکل (6) ساختار مکانیکی سیستم تزریق سوخت بنزین را نشان میدهد که سوخت توسط پمپ بنزین و پس از عبور از فيلتر به ریل سوخت ارسال میگردد و سوخت اضافی با عبور از رگلاتور به باک باز میگردد.
شکل 6- ساختار مکانیکی سیستم تزریق سوخت بنزینی
در ذیل به بررسی اجزاء سیستم سوخت رسانی انژکتوری پرداخته میشود.
پمپ بنزین الکتریکی سیستم سوخت رسانی انژکتوری
پمپ بنزین الکتریکی، یک موتور الکتریکی میباشد که محرک پمپ غلتکی یاروتوری میباشد. چنانچه درون باک نصب گردد (In Tank) و چنانچه بیرون باک بنزین و در مسیر ارسال سوخت نصب شود (In Line) نامیده میشود.
شکل (7) ساختمان پمپ بنزین الکتریکی را نشان میدهد.
1- مجرای مکشی 2- سوپاپ فشار شکن 3- پمپ غلتکی یا روتوری 4- آرمیچر 5- سوپاپ یکطرفه 6- مجرای فشاری
شکل 7- ساختمان پمپ بنزین الکتریکی
شکل (8) نیز پمپ غلتکی، پمپ بنزین را نشان میدهد.
1- مجرای مکشی 2- ديسک محرک 3– غلتک 4- پوستۀ خارجی پمپ 5- مجرای فشاری
شکل 8- پمپ بنزین غلتکی
با توجه به شکلهای (7) و (8) با چرخش آرمیچر، دیسک محرک پمپ نیز چرخیده و با توجه به اينكه ديسك محرك (2) و پوستة پمپ (4) هم مركز نيستند، در قسمتي كه فضاي بين ديسك محرك و پوسته پمپ زياد شده و افزايش حجم ايجاد شده، فشار كاهش مييابد، بنابراين بنزين از باك به اين قسمت ارسال ميشود، اين بنزين بين دو غلتك قرار گرفته و با دروان ديسك محرك، رفتهرفته به محل كمحجمتر كه باعث افزايش فشار بنزين ميشود، منتقل شده و از محلي كه كمترين حجم و يا بيشترين فشار توليد ميشود، به سمت فيلتر و ريل سوخت ارسال ميگردد.
سوپاپ یکطرفه شکل (8) از خالی شدن ریل سوخت جلوگیری میکند، بنابراین ضمن اینکه از ایجاد قفل گازی در ریل سوخت جلوگیری میشود، در استارت زدنهای بعدی، موتور به راحتی روشن میشود.
سوپاپ فشارشکن نیز از افزایش بیش از حد فشار سیستم سوخترسانی جلوگیری کرده و در صورت افزايش فشار مجرای ورودی را به مجرای خروجی پمپ وصل میکند و ارسال سوخت كاهش يافته و يا متوقف ميشود.
لازم به ذکر است که پمپهای غلتکی به دلیل سرو صدای زیاد، امروزه کمتر مورد استفاده قرار میگیرند و بیشتر از پمپهای روتوری استفاده میشود.
ولتاژ عملکردی پمپ بنزین 12 ولت میباشد که از طریق رلۀ دوبل تأمین میگردد. فشار ریل سوخت بعد از ثابت شدن توسط سوپاپ فشار شکن و یا رگولاتور در حدود 5/3 بار میباشد.
مقدار مقاومت موتور الکتریکی پمپ بنزین در حدود یک اهم میباشد.
چنانچه سوئیچ روشن شود ولی استارت زده نشود، 2 تا 3 ثانیه بعد از روشن شدن سوئیچ پمپ بنزین کار میکند و چون ECU اطلاعات چرخش میل لنگ را از سنسور دور موتور یا میل بادامک دریافت نمیکند، برق رلۀ دوبل و در نتیجه پمپ بنزین را قطع میکند.
سوئیچ اینرسی سیستم سوخت رسانی انژکتوری
ساختمان ظاهري سوئيچ اينرسي در شكل (9) نشان داده شده است.
شکل 9 –ساختمان ظاهري سوئيچ اينرسي
این سوئیچ وظیفه قطع کردن جریان برق رلۀ پمپ بنزین یا برق پمپ بنزین در تصادفات را بر عهده دارد و در نتیجه از آتش سوزی جلوگیری میکند.
این کلید در محفظۀ موتور نصب میگردد كه چنانچه خودرو ضربه يا تصادف شود، سوئيچ اينرسي برق رلة پمپ بنزين را قطع ميكند و براي وصل شدن مجدد، حتماً بايد، كليد را فشار داده و سپس رها نمود. در صورت عدم وجود، در ECU موتور یا ECU کیسۀ هوا نصب میگردد و به صورت تایمری عمل میکند به نحوی که با روشن و خاموش کردن سوئیچ اصلی و حدود 10 ثانیه صبرکردن و استارت زدن مجدد، جریان برق پمپ بنزین را وصل میکند. در صورت عدم عملکرد صحیح باید ECU مربوطه را تعویض نمود.
رگولاتور سوخت سیستم سوخت رسانی انژکتوری
شکل (10) نمای رگلاتور سوخت را نشان میدهد به جهت آنکه با توجه به شرایط مختلف عملکرد موتور (شتابگیری، قدرت، دورآرام و …) و تطبیق و تثبیت فشار ریل سوخت با توجه به خلاء مانیفولد هوا، از رگلاتور سوخت استفاده میشود.
1- ورود سوخت از ریل سوخت 2- خروج سوخت به باک 3 – سوپاپ 4- نگهدارندۀ سوپاپ 5- دیافراگم 6- فنر 7- محل اتصال به خلاء مانیفولد
شکل 10- رگولاتور سوخت
با توجه به شکل (10) چنانچه خلاء مانیفولد هوا زیاد باشد (مانند حالت دور آرام) فشار سوخت و خلاء مانیفولد بر نیروی فنر غلبه کرده و مجرای خروج سوخت به سمت باک بیشتر باز شده و بنابراین بنزین بیشتری به باک باز میگردد تا فشار ثابت شود. چنانچه خلاء مانیفولد کم شود، نیروی فنر بر فشار سوخت و خلاء مانیفولد غلبه کرده و مجرای خروج سوخت به باک بستهتر شده و سوخت کمتری به باک باز میگردد و بنابراین در تمامی شرایط، فشار ریل سوخت در حدود 5/3 بار تثبیت میگردد.
در برخی از سیستمها که رگلاتور وجود ندارد، سوپاپ فشارشکن درون پمپ بنزین عمل تثبیت فشار را به صورت تقریبی و بدون لحاظ کردن وضعیت کاری موتور انجام میدهد، بنابراین عمل تثبیت فشار در این حالت، به طور دقیق صورت نمیپذیرد.
انژکتور سیستم سوخت رسانی انژکتوری
با توجه به شکل (11) انژکتور یک شیر الکترومغناطیسی میباشد. سوزن این شیر (5) که هستۀ سیم پیچ (4) وصل میباشد، در حالت عادی مجرای تزریق سوخت را مسدود کرده است. سیم پیچ انژکتور جریان برق با ولتاژ 12 ولت را از رلۀ دوبل دریافت کرده و منفی خود را از ECU دریافت میکند. ECU با توجه به شرایط عملکردی موتور به مدت زمان مورد نیاز منفی سیم پیچ انژکتور را اعمال نموده و در نتیجه سیمپیچ انژکتور مغناطیس شده و بنابراین هستۀ سیمپیچ و سوزن انژکتور به اندازۀ 0/1 میلیمتر به سمت بالا مدت زمان بازبودن انژکتور با توجه به شرایط عملکردی موتور بین صفر تا 35 میلیثانیه متغیر میباشد. مقاومت سیمپیچ انژکتور بین در خودروهای مختلف بین 9/5 تا 17/5 اهم متغیر میباشد.
a : نمای داخلی انژکتور b : انژکتور نصب شده روی ریل سوخت
1- فیلتر 2- کانکتور 3- سیمپیچ 4- هستۀ سیمپیچ 5- سوزن انژکتور 6- نوک پودرکنندۀ سوزن 7- ریل سوخت 8- کلیپ قفلکننده 9- اورینگ بالایی 10- اورینگ پائینی
شکل 11- نمای داخلی و بیرونی انژکتور
کویل دوبل سیستم سوخت رسانی انژکتوری
ساختمان ظاهري كويل دوبل در شكل (12) نمايش داده شده است.
شكل 12- ساختمان ظاهري كويل دوبل
جریان برق مثبت 12 ولت هر دو سیمپیچ اولیۀ کویل دوبل از طریق رلۀ دوبل تأمین میشود. منفی سیمپیچهای اولیۀ کویل دوبل توسط ECU در زمان معین قطع و وصل شده و باعث ایجاد جرقه در زمان مشخص میگردد. یکی از سیمپیچهای ثانویه، جرقه در شمعهای سیلندرهای 1 و 4 توليد نموده و سیمپیچ ثانویۀ دیگر جرقه را برای شمعهای سیلندرهای 2 و 3 فراهم میکند.
در زمان ایجاد جرقه یکی از سیلندرها در پایان کورس تراکم میباشد و جرقۀ اعمالی به شمع این سیلندر باعث ایجاد فرآیند احتراق میگردد، در حالیکه جرقه در سیلندر دیگر در کورس تخلیه اتفاق میافتد و عمل خاصی را انجام نمیدهد. لازم به ذکر است که با توجه به زیادتر بودن مقاومت بین الکترودهای شمع سیلندری که در کورس تراکم است، ولتاژ بیشتری به این شمع جهت تولید جرقه اختصاص مییابد ولتاژ کمتری صرف ایجاد جرقه در شمع دیگر که سیلندرش در کورس تخلیه است، اختصاص مییابد.
مقدار مقاومت هر کدام از سیمپیچهای اولیۀ کویل دوبل در حدود0/6 اهم میباشد.
مقدار مقاومت هر کدام از سیمپیچهای ثانویۀ کویل دوبل در حدود 7/2 کیلواهم میباشد.
مقدار مقاومت هر متر از دایر شمعها حدود 16 کیلواهم میباشد.
کویل دوبلهایی که فاقد وایر شمع هستند (مانند خودرو پژو 206) نیز مقاومت هر کدام از سیمپیچهای اولیه 0/6 اهم و مقاومت هر کدام از سیمپیچهای ثانویه حدود 22 کیلواهم میباشد.
شیربرقی کنیستر سیستم سوخت رسانی انژکتوری
ساختمان ظاهي شير برقي كنيستر در شكل (13) نشان داده شده است.
شكل 13- ساختمان ظاهري شير برقي كنيستر
کنیستر، یک قوطی حاوی زغال احیا شده میباشد. خاصیت زغال احیاشده این است که به راحتی قابلیت جذب بخارات بنزین را دارا میباشد. لذا مطابق شکل این قطعه بین باک بنزین و مانیفولد هوا نصب میگردد. به نحوی که در هنگام خاموش بودن خودرو، بخارات بنزین تولید شده در باک توسط زغالهای احیا شدۀ کنیستر جذب میشوند، هنگامی که موتور روشن شود، ECU در زمانهای خاص دستور باز شدن شیر برقی کنیستر را صادر مینماید، از اینرو خلاء مانیفولد به داخل کنیستر اعمال میشود و باعث بستهشدن سوپاپ یکطرفۀ بین کنیستر و باک بنزین شده و از اینرو در این وضعیت ارتباط باک بنزین و کنیستر قطع میشود. خلاء اعمالی به کنیستر باعث میشود که هوا از مجرای زیرین کنیستر مکیده شود و با عبور از لابلای زغالهای احیا شده، باعث جذب بخارات بنزین موجود در زغالهای احیا شده میشود، درنتيجه بخارات بنزین به مانیفولد هوا و سیلندرها هدایت شده و باعث ایجاد احتراق مناسب در زمانهاي تشخیص داده شده توسط ECU شده و از آلودگی محیط نیز جلوگیری میشود.
شیربرقی کنیستر جریان برق مثبت با ولتاژ 12 ولت را از رلۀ دوبل دریافت نموده و منفی آن در زمان مناسب توسط ECU تأمین میشود. مقاومت شیربرقی کنیستر حدود 25 اهم میباشد.
نویسنده صیاد نصیری