سیستم سوخت رسانی GDI چیست؟ فناوری پیشرفته در موتورهای درون‌سوز
همان‌طور که می‌دانید سیستم سوخت‌رسانی یکی از مهم‌ترین اجزای موتور به شمار می‌رود که مستقیماً بر عملکرد، مصرف سوخت، قدرت خروجی و میزان آلایندگی تأثیر می‌گذارد. این سیستم مسئول تأمین مخلوط مناسب هوا و سوخت برای احتراق در سیلندرها است و پیشرفت‌های آن در دهه‌های اخیر، انقلابی در صنعت خودروسازی ایجاد کرده است. به‌طور خلاصه باید گفت انواع اصلی سیستم‌های سوخت‌رسانی در موتورهای بنزینی شامل کاربراتوری قدیمی، انژکتوری تک‌نقطه‌ای TBI، انژکتوری چندنقطه‌ای MPI یا PFI و در نهایت تزریق مستقیم بنزین GDI می‌شود.
سیستم‌های کاربراتوری که تا دهه ۱۹۸۰ رایج بودند، با مخلوط کردن سوخت و هوا در یک محفظه مرکزی کار می‌کردند و دقت پایینی داشتند. سیستم انژکتوری تک‌نقطه‌ای بهبودهای جزئی ایجاد کرد، اما همچنان مخلوط در منیفولد ورودی تشکیل می‌شد. سیستم MPI که از دهه ۱۹۹۰ فراگیر شد، سوخت را دقیقاً در نزدیکی هر سوپاپ ورودی تزریق می‌کند و کنترل بهتری بر نسبت هوا به سوخت فراهم می‌آورد. هرکدام از این سیستم‌ها کارایی خاص خود را دارند. کاربراتوری ساده و ارزان اما پرمصرف و آلاینده است و MPI متعادل با مصرف مناسب و قدرت خوب به نظر می‌رسد و GDI که پیشرفته‌ترین آن‌هاست و مزایای منحصربه‌فردی در کارایی و عملکرد ارائه می‌دهد.
در این مقاله، تمرکز اصلی بر سیستم سوخت‌رسانی مستقیم بنزین یا GDI خواهد بود که امروزه در بیش از نیمی از خودروهای جدید جهان به کار گرفته می‌شود. این فناوری نه تنها مصرف سوخت را کاهش می‌دهد، بلکه قدرت بیشتری از موتورهای کوچک‌تر استخراج می‌کند. در مقاله پیش رو به بررسی کامل سیستم سوخت رسانی GDI می‌پردازیم تا دانش خودرویی خود را کامل‌تر کنیم.
نحوه کار سیستم سوخت‌رسانی GDI
سیستم GDI اولین بار در سال ۱۹۲۵ در موتورهای آزمایشی سوئدی و سپس در موتورهای هواپیماهای آلمانی جنگ جهانی دوم به کار گرفته شد، اما تولید انبوه آن از دهه ۱۹۹۰ توسط شرکت‌هایی مانند میتسوبیشی، تویوتا و بوش آغاز شد. این سیستم سوخت بنزین را مستقیماً و تحت فشار بالا (معمولاً بین ۵۰ تا ۲۰۰ بار و در نسل‌های جدید تا ۵۰۰ بار یا بیشتر) به داخل محفظه احتراق سیلندر تزریق می‌کند. این در حالی است که در سیستم‌های MPI، سوخت در منیفولد ورودی و پیش از سوپاپ‌ها پاشیده می‌شود.
اجزای اصلی سیستم GDI شامل پمپ سوخت کم‌فشار در باک، پمپ سوخت پر فشار که اغلب توسط میل‌سوپاپ پشتیبانی می‌شود، ریل سوخت مشترک Common Rail، انژکتورهای الکترومغناطیسی یا پیزوالکتریک دقیق که در سرسیلندر قرار دارند و واحد کنترل الکترونیکی ECU است. مغز متفکر موتور بر اساس داده‌های سنسورهایی مانند سنسور موقعیت میل‌لنگ، سنسور اکسیژن، سنسور فشار منیفولد و دمای موتور، زمان، مقدار و الگوی پاشش سوخت را کنترل می‌کند.
GDI در دو حالت اصلی کار می‌کند: حالت همگن (Homogeneous) و حالت لایه‌ای (Stratified Charge). در حالت همگن که در بارهای بالا و دور موتور زیاد فعال است، سوخت زودتر و در زمان مکش هوا تزریق می‌شود تا مخلوط یکنواخت هوا سوخت با نسبت استوکیومتریک حدود ۱۴.۷: ۱ تشکیل شود و احتراق کامل و قدرتمند رخ دهد. در حالت لایه‌ای که برای بارهای کم و متوسط طراحی شده، سوخت دیرتر و در انتهای زمان تراکم و نزدیک شمع تزریق می‌شود تا مخلوط غنی فقط در اطراف شمع تشکیل و بقیه محفظه با هوای خالص پر شود. این حالت نسبت هوا به سوخت را تا ۴۰: ۱ یا حتی بالاتر می‌رساند و مصرف سوخت را به‌طور چشمگیری کاهش می‌دهد.
علاوه بر این، تزریق مستقیم باعث خنک‌سازی داخلی محفظه احتراق می‌شود (اثر تبخیری سوخت) که اجازه می‌دهد نسبت تراکم بالاتری (تا ۱۲: ۱ یا بیشتر) بدون پدیده ناک اعمال شود. این فناوری اغلب با توربوشارژر ترکیب می‌شود تا قدرت بیشتری از حجم موتور کمتر استخراج شود، همانند چیزی که در موتورهای اکو بوست فورد یا اسکای اکتیو مزدا مشاهده می‌کنیم.
مزایای سیستم سوخت‌رسانی GDI
سیستم GDI مزایای متعددی نسبت به سیستم‌های سنتی MPI دارد که آن را به انتخاب اول خودروسازان برای رعایت استانداردهای آلایندگی سخت‌گیرانه مانند یورو 6 یا EPA تبدیل کرده است.
بهبود مصرف سوخت
بهبود مصرف سوخت تا ۲۵ درصد در شرایط واقعی رانندگی دیده می‌شود به ویژه در حالت لایه‌ای که احتراق لین‌برن (Lean Burn) امکان‌پذیر می‌شود و پمپاژ سوخت کمتری نیاز است.
افزایش قدرت و گشتاور
تزریق مستقیم اجازه کنترل دقیق‌تر زمان‌بندی احتراق را می‌دهد و با خنک‌سازی محفظه، نسبت تراکم بالاتر و توربوشارژ مؤثرتر فراهم می‌آورد. برای مثال، موتورهای GDI می‌توانند تا ۲۵ درصد گشتاور بیشتر در دورهای پایین تولید کنند که شتاب‌گیری را بهبود می‌بخشد.
کاهش آلایندگی
احتراق کامل‌تر باعث کاهش هیدروکربن‌های نسوخته و مونوکسید کربن تا ۲۵ درصد در استارت سرد می‌شود. همچنین، کنترل دقیق نسبت هوا سوخت، انتشار نیتروژن اکسید را مدیریت می‌کند، هرچند در برخی موارد نیاز به کاتالیست‌های ویژه دارد.
بهبود پاسخگویی موتور
تزریق چندمرحله‌ای در یک سیکل، ناک را کاهش می‌دهد و رانندگی نرم‌تری فراهم می‌آورد. شرکت‌هایی مانند بوش و دلفی با فشارهای بالاتر تا ۱۵۰۰ بار، پاشش بهتر و ذرات معلق کمتری ایجاد کرده‌اند.
کاهش حجم موتور
این سیستم امکان کم شدن حجم موتورها را فراهم می‌کند؛ یعنی موتورهای کوچک‌تر با توربو که مصرف کمتری دارند اما قدرت موتورهای بزرگ‌تر را ارائه می‌دهند.
معایب و چالش‌های سیستم GDI
با وجود مزایا، GDI بدون ایراد نیست و برخی مشکلات آن در سال‌های اولیه فراگیر شدن در دهه ۲۰۰۰ مشهود بود، هرچند نسل‌های جدید تا حد زیادی آن‌ها را کاهش داده‌اند.
رسوب کربن
رسوب کربن روی سوپاپ‌های ورودی مهم‌ترین عیب این سیستم است. در سیستم MPI، سوخت پاشیده شده سوپاپ‌ها را شستشو می‌دهد، اما در سیستم GDI، منیفولد ورودی خشک است و روغن‌های برگشتی از سیستم PCV همراه با گازهای اگزوز، لایه کربنی روی سوپاپ‌ها ایجاد می‌کند. این رسوب جریان هوا را محدود کرده، قدرت را کاهش می‌دهد و در موارد شدید نیاز به تمیزکاری مکانیکی دارد که هزینه‌بر است.
پیش اشتعال در دور پایین
در موتورهای توربو GDI، قطرات روغن یا رسوبات کربنی می‌توانند زودتر از شمع احتراق کنند و به پیستون و شاتون آسیب جدی برسانند. این مشکل با روغن‌های جدید API SN Plus و GF-6 تا حد زیادی کنترل شده است.
افزایش ذرات معلق
احتراق لایه‌ای می‌تواند ذرات ریز بیشتری تولید کند که نیاز به فیلتر ذرات مشابه دیزلی دارد، به ویژه برای رعایت استاندارد یورو 6 کمیسیون اروپا این موضوع مشهود است.
پیچیدگی و هزینه بالاتر
پمپ پر فشار، انژکتورهای دقیق و ECU پیشرفته، هزینه تولید و تعمیر را افزایش می‌دهد. همچنین، حساسیت به کیفیت سوخت بالاست؛ بنزین با گوگرد بالا یا اکتان پایین می‌تواند انژکتورها را مسدود کند.
انتشار بیشتر نیتروژن اکسید
در حالت لایه‌ای که نیاز به سیستم‌های پس پردازش پیچیده‌تر دارد شاهد انتشار بیشتر نیتروژن اکسید هستیم. برخی خودروسازان مانند تویوتا و هیوندای با ترکیب GDI و MPI این مشکلات را کاهش داده‌اند.
جمع‌بندی
سیستم سوخت‌رسانی مستقیم بنزین GDI بدون شک یکی از مهم‌ترین پیشرفت‌های صنعت خودرو در دو دهه اخیر است که تعادلی ایده‌آل بین عملکرد بالا، مصرف پایین و آلایندگی کمتر ایجاد کرده است. این فناوری که از موتورهای هواپیمایی جنگ جهانی تا خودروهای مدرن امروز تکامل یافته، امکان تولید موتورهای کوچک، قدرتمند و کارآمد را فراهم آورده و نقش کلیدی در کاهش انتشار دی‌اکسید کربن جهانی ایفا می‌کند.
با وجود چالش‌هایی مانند رسوب کربن و پیش احتراق در دورهای پایین که عمدتاً با نگهداری مناسب یعنی استفاده از سوخت باکیفیت، روغن مناسب و تمیزکاری دورهای و پیشرفت‌های مهندسی مانند تزریق دوگانه، فشار بالاتر و روغن‌های جدید قابل مدیریت هستند، آینده روشنی پیش روی سیستم GDI است.