چرا برخی موتورها ترکیبی از انژکتور مستقیم و پورت به کار می‌برند؟

در حال حاضر نیمی از مجموعه خودروها و تراک‌های جدید در ایالات متحده مجهز به انژکتور مستقیم سوخت یا GDI هستند؛ به این معنا که بنزین مستقیماً به درون محفظه احتراق پاشیده می‌شود.امّا  نوآوری بعدی موتور خودروها، وارد کردن سوخت از دو مسیر مجزاست و برخی از خودروسازان، هم‌اکنون نیز پیشرانه‌های خود را هر دو نوع انژکتور مستقیم و پورت همراه کرده‌اند. تویوتا این تکنولوژی را بیش از یک دهه پیش در یک V-6 با عنوان سیستم انژکتور D-4S معرفی کرده‌ است و در حال حاضر، از آن در پیشرانه‌هایی چون ۲.۰ لیتری چهار سیلندر تخت (که توسط سوبارو ساخته می‌شود)، ۳.۵ لیتری V-6 و ۵.۰ لیتری V-8 بهره می‌برد. ضمن اینکه آئودی نیز از این تکنولوژی در موتور‌های ۳.۰ لیتری V-6 و ۵.۲ لیتری V-10 استفاده می‌کند.

حکمران کنونی این نوع تکنولوژی در خودروسازی، فورد با سیستم انژکتور سوخت دوگانه، انژکتور مستقیم با فشار بالا (DI) و انژکتور پورت با فشار پایین (PI) است. فورد این تکنولوژی را در موتورهای بنزینی تنفس طبیعی و با القای اجباری V-6 و V-8 با حجم موتور بین ۲.۷ تا ۵.۰ لیتر به کار می‌برد. همچنین مدل ۲۰۱۷ از F-150 رپتور پیکاپ و سوپرماشین GT، هر دو از پیشرانه جدید ۳.۵ لیتری اکوبوست V-6 استفاده می‌کنند. مدل پایه F-150 نیز اتکای زیادی به این تکنولوژی با استفاده از پیشرانه‌های انژکتور دوگانه، از جمله موتور پایه  ۳.۳ لیتری V-6 و آپشن‌های ۲.۷ و ۳.۵ لیتری اکوبوست V-6 دارد. موتور جدید ۵.۰ لیتری V-8 که پیشرانه مدل ۲۰۱۸ از موستانگ GT را تشکیل می‌دهد، آخرین پیشرانه‌ای است که فورد استفاده از این تکنولوژی را برای آن اعلام کرده است.

اصول کلی

قبل از اینکه به مزایای همکاری PI و DI بپردازیم، شاید بهتر است اندکی مقدمه‌چینی داشته باشیم. برخلاف آنچه در فیلم‌ها به هنگام آتش‌گرفتن ماشین‌ها مشاهده می‌شود، در واقعیت چیزی به نام «انفجار خود به خودی» وجود ندارد؛ چرا که بنزین مایع، آتش نمی‌گیرد و رساندن سوخت از محل باک به احتراق در درون موتور، یک فرآیند دو مرحله‌ای است.

گام اول، ایجاد قطرات ریز از سوخت یا اتمیزاسیون، به وسیله گذراندن بنزین با فشار پمپ، از طریق روزنه‌های بسیار کوچک انژکتور است. مطالعه‌ای که توسط مهندسان «هیتاچی» انجام شده، نشان می‌دهد که فشار ۱۰۰۰ psi برای سوختی که از طریق روزنه‌های انژکتور با قطر بین ۰.۰۰۶ تا ۰.۰۱۱ اینچ (۱۵۲ تا ۲۷۹ میکرون) خارج می‌شود، غباری از قطرات با قطر ۰.۰۷۶ میکرون با سرعت ۲۱۷ کیلومتر بر ساعت به همراه دارد.

بعد از اتمیزاسیون، نوبت به مرحله تبخیر است. در اینجا، قطرات ریز سوخت، یک تغیر فاز مایع به گاز را تجربه می‌کنند و تبدیل به بخاری می‌شوند که می‌تواند با هوا ترکیب شود و با جرقه شمع، آتش بگیرد. به دلیل اینکه در این تغییر فاز،  گرما جذب می‌شود، یک اثر  خنک‌کنندگی در آن وجود خواهد داشت که می‌تواند برای ارتقای بازدهی موتور استفاده شود. در سیستم انژکتور PI، جریان هوای درون مانیفولد مکش، قبل از اینکه به محفظه احتراق برسد، خنک می‌شود، امّا در DI، این اثر خنک‌کنندگی درون محفظه احتراق اتفاق می‌افتد.

هر کدام از این استراتژی‌ها مزایا و معایب خود را دارد. PI برای موتورهای تنفس طبیعی مناسب است؛ چرا که خنک‌کردن جریان هوای ورودی، موجب افزایش دانسیته آن و در نتیجه، پتانسیل تولید قدرتش می‌شود. به علاوه، سوار کردن انژکتور در پورت‌های مکش، به‌ دور از سوپاپ‌ها و شمع‌ها، بسیار راحت‌تر انجام می‌گیرد. موقعیت بالادست انژکتورها نیز در این حالت، موجب می‌شود که زمان زیادی برای تبخیر کامل سوخت فراهم شود. در همین حال، یکی از نکات منفی این نوع انژکتور این است که گاهی اوقات، قطرات سوخت به دیواره پورت مکش می‌چسبند و در نسبت سوخت به هوا، اختلال وارد می‌کنند.

امّا با استفاده از DI، احتمال انفجار ناگهانی و احتراق نامناسب مخلوط سوخت و هوا از بین می‌رود؛ چرا که اثر خنک‌کنندگی در طول تغییر، در مرحله «تراکم» و قبل از «احتراق» اتفاق می‌افتد. به این ترتیب، کاهش درجه حرارت سطح محفظه احتراق، شرایطی را برای یک نسبت بالاتر تراکم و بهیود راندمان، چه در موتورهای تنفس طبیعی و چه در موتورهای مجهز به توربوشارژر فراهم می‌کند. به عنوان مثال، فورد در نسخه جدید پیشرانه ۳.۵ لیتری V-6، با ترکیب استراتژی جدید انژکتور دوگانه و فشار بالاتر بوست، حداکثر گشتاور را به میزان ۴۱ نیوتن‌متر افزایش داده است.

امّا نقاط ضعفی نیز برای DI وجود ندارند. یک سیستم DI به دلیل نیاز به فشار بیشتر برای پاشیدن سوخت به درون محفظه احتراق (۵۰ تا ۱۰۰ برابر بیشتر از PI)، گران‌تر تمام می‌شود. ضمن اینکه فشار بیشتر پمپ سوخت، اتلاف انرژی بیشتری نیز به همراه دارد. انژکتور‌های مسقیم، سر و صدای بیشتری نیز دارند و برای کسانی که با سیستم DI سر و کار دارند، وجود رسوبات کربنی، هم در پشت سوپاپ‌های مکش و هم در لوله‌های اگزوز، موجب نگران در زمینه سرویس است؛ چرا که زمان برای «تبخیر» اندک است و برخی از قطرات سوخت از محفظه احتراق و مبدّل کاتالیتیک به صورت ذرات معلق یا دوده خارج می‌شوند. این ذرات کربنی شبیه به همان‌هایی هستند که توسط موتورهای دیزلی تولید می‌شوند، امّا در عین حال، ابعاد کوچکتری دارند.

ترکیب دو نوع انژکتور

استراتژی نهایی، ترکیب مزایای هر دو نوع سیستم PI و DI است تا به این وسیله، این دو معایب یکدیگر را پوشش دهند. تویوتا  به عنوان یکی از پیشگامان در این زمینه، هر دو نوع انژکتور را در هنگام کم‌باری و دور موتور کم تا متوسط، و یا به عبارتی «رانندگیِ نرمال» به کار می‌اندازد. در نتیجه، دانسیته جریان ورودی افزایش می‌یابد؛ آن هم بدون اینکه لخته‌های کربنی به سمت سوپاپ‌های مکش سرازیر گردد. در هنگام بار زیاد پیشرانه و دور موتورهای بالا که نیاز به حداکثر خنک‌کنندگی محفظه احتراق وجود دارد و احتمال انفجار ناگهانی و نامناسب می‌رود، تمام سوخت به صورت مستقیم و توسط DI به موتور تحویل داده می‌شود.

امّا پیتر داودینگ (Peter Dowding)، مهندس ارشد سیستم‌های پیشرانه بنزینی در فورد، از یک استراتژی جدید رونمایی کرده است. فورد در حالت درجا و در دور موتورهای پایین، به منظور عملکرد آرام‌تر و با راندمان بالاتر، از PI به‌تنهایی استفاده می‌کند. همچنان بار و دور موتور افزایش پیدا می‌کند، سوخت‌رسانی به شکل یک برنامه ترکیبی از PI و DI تبدیل می‌شود. برخلاف رویکرد تویوتا، فورد همیشه PI را حداقل برای ۵ تا ۱۰ درصد از سوخت به کار می‌برد. در همین حال، «داودینگ» و مهندس همکارش در فورد، استفان راس (Peter Dowding) بر این نکته تأکید می‌کنند که لخته‌های کربنی بر روی لوله‌های اگزوزو و سوپاپ‌های مکش، هیچ‌گاه به عنوان یک نگرانی در موتورهای مجهز به DI محسوب نشده‌اند. «داودینگ» در این زمینه می‌افزاید:

اکنون که نقش موتورهای الکتریکی در پیشرانه خودروها، روز به روز افزایش پیدا می‌کند، وظیفه ما این است که تا جایی که می‌توانیم راندمان موتورهای معمولی را ارتقا دهیم. تکنولوژی سوخت دوگانه فورد، همین حال هم ارزش خود را ثابت کرده و یک استراتژی مناسب برای کاهش هزینه‌ها در این راستا است.

طراحی و توسعه پیشرانه‌های مدرن، یک وظیفه چالش‌برانگیز است که نیاز به برقراری تعادل بین قدرت خروجی، آلودگی، میزان مصرف، استقامت و دوام و سایر فاکتورها دارد. استراتژی انژکتور سوخت دوگانه امکان جدیدی را برای مهندسان خودرو فراهم می‌کند که بتوانند انرژی بیشتری را از هر قطره از بنزین آزاد کنند. پس از کسب تجربه بیشتر و کاهش هزینه‌های این تکنولوژی، احتمالاً در آینده، خودروسازان بیشتری به سراغ استفاده از آن بروند.

منبع: caranddriver