سیستم سوخت رسانی GDI چیست؟ بررسی کامل مزایا و اجزای موتور جی دی آی

سیستم سوخت‌رسانی GDI (پاشش مستقیم سوخت) در کشور ما تکنولوژی نوظهوری به شمار می‌رود؛ با این حال، در صنعت جهانی خودرو، سال‌هاست که به عنوان راهکاری برای افزایش قدرت و کاهش مصرف سوخت شناخته می‌شود. اما سیستم GDI چیست و چه تفاوتی با خودروهای معمولی دارد؟

در این مقاله، علاوه بر معرفی کامل این تکنولوژی، به بررسی تخصصی اجزای سیستم GDI از جمله پمپ‌بنزین فشار بالا و انژکتورهای مخصوص آن می‌پردازیم. اگر به دنبال درک کامل مزایا و معایب ماشین‌های GDI و نحوه نگهداری از قطعات حساس آن‌ها در ایران هستید، این راهنمای جامع برای شماست.

تاریخچه و سیر تحول سیستم‌های سوخت‌رسانی تا تکنولوژی GDI

سیستم سوخت‌رسانی یکی از اجزا مهم بین سیستم‌های مختلف خودرو به شمار می‌رود. وظیفه سیستم سوخت‌رسانی انتقال سوخت از باک به موتور و آماده‌کردن شرایط مناسب برای اختلاط با هوا است. سیستم سوخت‌رسانی دارای اجزا مختلفی مانند باک، پمپ‌بنزین و لوله‌های سوخت‌رسانی و سیستم ایجاد نسبت مناسب برای سوخت و هوا است. شکل 1 زیر سیستم‌های اصلی سیستم سوخت را معرفی می‌کند

شکل 1- زیر سیستم‌های اصلی سیستم سوخت رسانی بنزینی

سیستم سوخت‌رسانی بنزینی تغییرات بزرگ زیادی را به چشم ندیده است. اگرچه تغییرات جزئی و تکمیلی در این سیستم مانند هر سیستم دیگر بسیار زیاد بوده است. به‌عنوان نمونه در بخش پمپ‌بنزین در طول تحول صنعت خودرو، پمپ‌بنزین‌ها از نوع مکانیکی به نوع الکتریکی تبدیل شدند و سال‌هاست که تحول جدید در ساختار پمپ‌بنزین ایجاد نشده است. یا در مورد لوله‌های ارسال سوخت تنوع بسیاری از ابتدا استفاده مشاهده نمی‌شود. مهم‌ترین بخش سیستم سوخت‌رسانی که تحولش بسیار تأثیرگذار بود. تغییر در سیستم تنظیم سوخت و هوا بود. شکل 2 روند تحول این سیستم را در موتورهای بنزینی نشان می‌دهد.

شکل 2- نوعی دسته بندی سیستم تنظیم سوخت و هوا از نظر محل اختلاط

همانطور که در شکل 2 نیز قابل مشاهده است سه تحول بزرگ از دید محل پاشش در این سیستم رخ داده است. در سیستم‌های قدیمی قطعه ای به نام کاربراتور وجود داشت که در آنجا هوا از سمت فیلتر هوا وارد می‌شود و از یک ونتوری عبور می‌کرد، عبور هوا از ونتوری سبب کاهش فشار شده این افت فشار سبب کشیده شدن بنزین از مجرای کنترل شده ای (که عموماً آن را ژیگلور می‌نامند) به داخل کاربراتور شده و فرایند اختلاط در داخل ونتوری کاربراتور شروع می‌شد. این سیستم کنترلرهای مکانیکی نداشت بنابراین کیفیت بالایی برای اختلاط در آن وجود نداشت. علاوه بر آن کاربراتور تاثیری از گازهای خروجی نمی‌گرفت بنابراین از دید سیستمی، یک سیستم مدار باز (Close loop) به شمار می‌رود که کارایی پایینی دارد.

در نسل بعدی سیستم انژکتوری به بازار عرضه شد. محل اختلاط سوخت و هوا در این سیستم قبل از سوپاپ هوا است. این سیستم توسط سنسورها و عملگرهای مختلفی کنترل می‌شود. با توجه به وجود بازخورد (feedback) در سیستم بازده سیستم بسیار بالاتر از نوع کاربراتوری خواهد بود. نسل سوم که همان تکنولوژی GDI است محل پاشش تغییر کرده است اما سیستم مدیریت آن تغییرات محسوسی ندارد.

تکنولوژی سیستم سوخت رسانی GDI

شکل 3 مقایسه سیستم انژکتوری بنزینی و GDI را نشان می‌دهد.

شکل 3- تفاوت محل پاشش در دو سیستم معمولی و جی دی ای

همان‌طور که در شکل 3 مشاهده می‌شود در سیستم سوخت رسانی GDI محل تزریق سوخت (همان قرار گرفتن انژکتور) به داخل اتاق احتراق تغییر کرده است

سیستم سوخت رسانی GDI چیست و چگونه کار می‌کند؟

همان‌طور که اشاره شد سیستم دیزل از همان ابتدا ساختار پاشش مستقیم در اتاق احتراق را دنبال کرد. (حدود سال 1890 میلادی) اما در موتورهای بنزینی نیز این طرح در حال بررسی بود. اولین طرح سیستم GDI در سال 1925 توسط یک مهندس اسکاتلندی معرفی شد. بعدها در سال 1937 شرکت دایملر بنز آن را روی یک موتور هواپیما (DB 601) نصب کرد.

شکل 4- اولین موتور بنزینی GDI – 1937 – دایملر بنز

اولین خودرو با موتور GDI در سال 1955 روی مرسدس بنز 300SL استفاده شد. (شکل 5)

شکل 5- اولین خودرو با موتور GDI بنزینی – مرسدس بنز 300SL

به‌مرور طرح کامل و کامل‌تر شد. تقریباً در سال 1997 موتور با تکنولوژی GDI به بلوغ رسید. شرکت میتسوبیتشی روی مدل carisma به بازار عرضه کرد. (شکل 6)

شکل 6- خودرو میتسوبیشی carisma و موتور GDI با مدیریت تمام الکترونیکی

بعد از سال 1997 بسیاری از خودرو سازها به تولید این نوع موتورروی آوردند.

مزایا و معایب موتور GDI؛ آیا ماشین جی دی آی بخریم؟

هیچگاه نمی‌توان گفت هر تکنولوژی جدید نسبت به رویه قبلی فقط دارای نقاط قوت است. همیشه نقاط قوت و ضعف در هر سیستمی وجود دارد. سیستم سوخت رسانی GDI نیز از این امر مستثنی نیست. شکل 7 به‌صورت خلاصه مزایا و معایب سیستم سوخت رسانی GDI را معرفی می‌کند.

شکل 7- مزایا و معایب سیستم سوخت رسانی GDI

یکی از مهم‌ترین مزایای این سیستم کاهش مصرف سوخت است. به عبارت ساده‌تر با مصرف سوخت پایین‌تر می‌تواند گشتاور بیشتری تولید کند. کاهش مصرف سوخت به معنی کاهش میزان آلایندگی نیز خواهد بود. در دورهای پایین این سیستم می‌تواند تا حدود 15 درصد (حتی گاهی تا 20 درصد) میزان مصرف و آلایندگی را کاهش دهد. یکی دیگر از مزایای سیستم کاهش نیاز به نسبت اختلاط است. همانطور که می‌دانید نسبت ایده ال هوا و بنزین بر اساس نسبت استوکیومتری نسبت 1 به 14.7 است.

در سیستم سوخت رسانی GDI متناسب با شرایط در دورهای پایین این عدد را می‌توان حتی به عدد 1 به 20 (در شرایط خاص بر اساس نیاز مصرف) ایجاد کرد. یکی دیگر از مزایای این سیستم تحمل نسبت تراکم بالاتر از نوع PFI دارد. راندمان و قدرت تولیدی در GDI می‌تواند بیشتر از سیستم انژکتوری معمولی باشد. با توجه به کاهش مصرف و آلایندگی، از مبدل کاتالیست کوچک‌تری می‌توان استفاده کرد و یا در صورت استفاده یکسان طول عمر مبدل افزایش پیدا خواهد کرد.

در مقابل مزایا، این سیستم نقاط ضعفی هم دارد. یکی از نقاط ضعف این سیستم احتمال رسوب گرفتگی بیشتر در سوپاپ هوا است. این کار می‌تواند باعث برهم‌خوردن آب‌بندی شود. علاوه‌برآن به دلیل رسوب گرفتگی روی سوپاپ هوا، ورود جریان هوا به داخل اتاق احتراق نیز می‌تواند با مشکل مواجه شود. علاوه‌برآن در صورت کنده‌شدن رسوب می‌تواند مسیر خروجی که شامل توربو و مبدل کاتالیستی است را نیز دچار مشکل کند در این صورت میزان پر شدن هوا (اگر از سیستم توربوشارژر استفاده نشود) می‌تواند کاهش پیدا کند.

بررسی اجزای سیستم GDI (پمپ بنزین و انژکتور فشار قوی)

به روش‌های مختلف می‌توان اجزا سیستم سوخت‌رسانی GDI را دسته‌بندی و معرفی کرد. شکل 8 یکی از این روش‌های دسته بندی را معرفی می‌کند.

شکل 8 – نوعی روش دسته بندی اجزا اصلی سیستم سوخت و جرقه از نوع GDI

بیشترین تفاوت ساختار GDI با نوع MPI در اجزا سیستم سوخت‌رسانی است. فشار سیستم GDI بسیار بیشتر از سیستم MPI است؛ بنابراین نحوه پمپ‌کردن در این سیستم تفاوت دارد. تفاوت مهم دیگر نوع انژکتور است که اصطلاحاً انژکتور فشارقوی است. البته لوله‌های انتقال سوخت نیز حتماً باید تحمل فشار بالا را داشته باشند.
سیستم هوارسانی معمولاً از روش توربو برای پرخورانی کردن استفاده می‌کند. نوع توربوشارژ یا اینترکولر در GDI تفاوت خاصی با نوع MPI ندارد.
سیستم گازهای خروجی، مبدل کاتالیستی، انباره‌ها، لوله‌های کاهش رزونانس نیز مانند نسل قبلی خود یعنی سیستم انژکتوری معمولی است.
اجزا سیستم جرقه شامل کویل و شمع نیز تفاوت خاصی با ساختار سیستم MPI ندارد معمولاً سیستم GDI از روش یک کویل برای هر سیلندر استفاده می‌کند. کویل‌های مورداستفاده از نوع مدادی هستند و می‌توان گفت تقریباً وایر ندارند.
شکل 9 به صورت شماتیک اجزا کلی این سیستم را معرفی می‌کند.

1-سنسور MAS 2- واحد دریچه گاز 3-سنسور MAP 4- پمپ بنزین فشار قوی 5-دریچه کنترل مود شارژ 6- انژکتور فشار بالا
7-تنظیم کننده میل سوپاپ (VVT) 8- واحد کویل و شمع 9- سنسور میل سوپاپ 10-سنسور اکسیژن بالا دستی
11-مبدل کاتالیستی اولیه 12-سنسور اکسیژن 13- سنسور دما لوله اگزوز 14- کاتالیست NOX
15- سنسور اکسیژن 16-سنسور ناک 17- سنسور دمای مایع خنک کننده موتور 18 سنسور دور موتور 19- پمپ بنزین اولیه
شکل 9- شماتیک اجزا مختلف سیستم GDI – شرکت بوش

مدیریت در سیستم GDI بسیار دقیق‌تر از سیستم MPI است؛ بنابراین هم نیاز به سنسورها و عملگرهای دقیق‌تری و هم نیاز به مدیریت و استراتژی کنترل بهتر دارد.
باتوجه‌به بالابودن اجزا، در این مقاله فقط اجزایی که نسبت به MPI متداول، فرق می‌کنند معرفی خواهند شد.

سنسور MAF یا جرم هوای ورودی؛ تنظیم دقیق نسبت استوکیومتری

باتوجه‌به نیاز به‌اندازه گیری دقیق جرم هوای ورودی، اطلاعات سنسور MAP برای این بخش کافی نیست؛ بنابراین بهتر است از سنسورهای دقیق‌تر استفاده شود. معمولاً سنسور اندازه‌گیری جرم از نوع Hot Wire برای این کار در نظر گرفته می‌شود. اگرچه ممکن است در برخی از سیستم‌ها همان سنسور TMAP استفاده شود. نمونه این نوع موتورها خودرو K7 با موتور 1500 سی سی GDI را می‌توان نام برد. شکل 10 نمونه ای از سنسور MAF را نشان می‌دهد

شکل 10- سنسور MAF – میتسوبیشی GDI

پمپ بنزین فشار بالا (High Pressure Pump)؛ تفاوت اصلی GDI

شکل 11 نمونه این پمپ را نشان می‌دهد.

شکل 11- نمونه پمپ فشار قوی در GDI

باتوجه‌به اینکه فشار بنزین در پشت انژکتور در سیستم GDI بیش از 100 بار (تا 350 بار) است، پمپ بنزین‌های معمولی داخل باک از عهده این فشار بر نمی‌آیند به همین دلیل از یک پمپ بنزین دیگر نیز در این موارد استفاده می‌شود. پمپ اولیه فشار را تا حدود 6 الی 10 بار بالا می‌برد سپس پمپ دوم که به پمپ فشار بالا شناخته می‌شود، این فشار را به میزان مورد نظر بالا می‌برد. پمپ‌های فشار بالا معمولاً مکانیکی هستند و نیروی خود را به صورت مستقیم یا غیر مستقیم از میل لنگ دریافت می‌کنند. روی این پمپ‌ها سنسور فشار نیز نصب می‌شود که فشار نهایی به اطلاع ECM برسد. نحوه عملکرد این واحد در یک مقاله مجزا بررسی خواهد شد.

انژکتورهای فشار بالا؛ پاشش سوخت با دقت نانو

یکی دیگر از اجزا سیستم GDI ، انژکتور فشار بالا است. ساختار عمومی انژکتور تفاوتی با نوع فشار پایین ندارد؛ اما معمولاً بدنه این انژکتورها فلزی است درحالی‌که بسیاری از انژکتورهای معمولی با بدنه غیرفلزی به بازار عرضه می‌شوند. شکل 12 نمونه ای از این انژکتورها را نشان می‌دهد.

شکل 12- نمونه انژکتور فشار بالا

این انژکتورها به دو صورت روی سرسیلندر نصب می‌شوند یا از بالا در کنار شمع محلی برای آنها در نظر گرفته می‌شود و یا اینکه از کنار روی سرسیلندر قرار می‌گیرند.

کاتالیست NOx و سنسور دمای گازهای خروجی (Exhaust Temperature)

استاندارد یورو 5 و بالاتر از آن به شدت به میزان آلایندگی گازهای خروجی حساس هستند، یکی از راه‌های کنترل بهتر آلایندگی استفاده از دو منبع کاتالیست است. کاتالیست اول معمولاً یک کاتالیست سه منظوره (3 Way catalyst convertor) است و کاتالیست دوم معمولاً برای کنترل بهتر NOX است. این مبدل کاتالیستی با نام‌های Second Cotalist convertor یا NOX catalyst convertor شناخته می‌شود. (شکل 13)

شکل 13- مبدل کاتالیست دوم – هایما S7

سنسور اندازه‌گیری دما گازهای خروجی exhaust temperature sensor

یکی دیگر از اجزا سیستم GDI ، سنسور اندازه‌گیری دمای گازهای خروجی است. باتوجه‌به اینکه معمولاً سیستم‌های GDI از نظر استاندارد آلایندگی حداقل استاندارد یورو 5 را دارند. بنابراین استفاده از این سنسور چیز عجیبی به نظر نمی‌رسد. معمولاً این سنسور بین کاتالیست اول و کاتالیست دوم قرار می‌گیرد. (شکل 14)

شکل 14- نمونه سنسور اندازه گیری دمای اگزوز – هیوندا کیا

نویسنده : مهندس بهروز خطیبی