موتورهاي آينده و چگونگي آن به بحث داغ محافل صنعتي و دانشگاهي تبديل شده است. سوخت هيدروژن، سوخت گاز، سوخت‌هاي گياهي به همراه موتورهاي اصلاح شده بنزيني يا ديزلي و موتورهاي هيبريدي گوشه‌اي از تلاش‌هاي صورت گرفته براي دستيابي به موتورهاي جديد است. مركز تحقيقات موتور آلمان نيز در يك بررسي، در زمينه موتورهاي بنزيني نظير كوچك‌سازيDownsizing) ) ،موتورهاي باتزريق مستقيم (GDI)و سيستم سوپاپهاي كاملا متغيربراي ادامه حيات موتورهاي احتراق داخلي در بحران سوخت و آلايندگي خودروها در ۱۰ سال آينده فن‌آوري‌هاي جديد را چاره‌ساز مي‌داند.
قوانين اروپايي روي آلاينده‌هاي خطرناك اگزوز كه در سال ۲۰۰۰ نسبتا سختگيرانه به اجرا درآمد، در سال ۲۰۰۵ سختگيرانه‌تر شده است. محدوديتهاي استاندارد آلايندگي(EURO IV) براي آلاينده‌هاي HC و NOX و ذرات معلق حدود ۵۰ درصد سطح كنوني اين گازهاي مضر است. استاندارد آلايندگي اروپا در سال ۲۰۰۴ مطابق با استاندارد EURO III بود. مرحله بعد در استانداردهاي اروپايي كه EURO V ناميده ميشود، احتمالا با تمركز بر ذرات معلق، به بهينه‌سازي بيشتري نياز دارد.
از سال ۲۰۰۳ به بعد در كاليفرنيا بايد حداقل ۱۰ درصد فروش هر سازنده خودرو خودروهايي با آلايندگي صفر يا معادل آن بوده باشد. نگراني در مورد اثر گازهاي گلخانه‌اي، خودروسازان اروپايي را وادار كرده است كه تا سال ۲۰۰۸ خودروهايي توليد كنند كه متوسط CO2 منتشره از آنها زير ۱۴۰ gr/Km باشد.
يعني كاهش مصرف سوخت بايد به ميزان بيش از ۲۵ درصد در مقايسه با سطح تعيين شده در سال ۱۹۹۵ باشد. همچنين كاهش بيشتر به سطح ۱۲۰ gr/Km تا سال ۲۰۱۲ نيز در سال ۲۰۰۳ تحت بحث و بررسي قرار گرفت.
از طرفي، همزمان با طرح مباحث آلايندگي، مشتريان نيازمند ايمني و آسايش بيشتري نسبت به سابق خواهند بود كه اين مساله تنها با افزايش وزن خودرو ميسر خواهد شد و واضح است كه اين موضوع با مصرف كمتر انرژي منافات دارد.
همچنين ضمن حفظ حداقل عملكرد خودرو، نبايد هزينه مالكيت خودرو افزايش يابد. در اين حال، كار طراحان بسيار سخت است.
از طرفي بايد جلوي هزينه‌هاي اضافي را بگيرند و از سوي ديگر بايد كاهش آلودگي را در كنار افزايش ايمني و مصرف سوخت مورد توجه قرار دهند
ابداع سيستمهاي جديد تزريق با فشار بالا و پيشرفت در سيستم كاتاليست‌هاي DeNOx به اولين توليد انبوه موتورهاي پاشش مستقيم بنزيني با شارژ طبقه‌اي منجر شده كه كاهش مصرف سوخت بين ۱۰ تا ۱۵ درصد را به ارمغان آورده است.
براي دستيابي به بهترين مصرف سوخت، اين موتورها در بارهاي جزئي و مخلوط هوا و سوخت بسيار رقيق كار مي‌كنند.
در بارهاي زياد يا بار كامل به منظور تامين حداكثر قدرت خروجي، مخلوط هوا و سوخت به صورت همگن وارد محفظه احتراق ميشود.
براي پايداري فرايند احتراق و اجتناب از تشكيل (SOOT) دوده در بارهاي جزئي، حالت مخلوط هوا و سوخت با حركت كنترل شده هواي ورودي تامين ميشود. مخلوط با حركت پيچشي رو به جلو Forward Air Tumble) ) در فاصله هوايي شمع پايدار ميشود.
پايداري فرايند احتراق در موتورهاي GDI، به دليل نسبت هوا به سوخت بالا (رقيق‌سوز بودن) ، ازمزيت‌هاي اساسي اين نوع موتورهاست. سيستمهاي پاشش مستقيم، عملكردي شبيه به فرايند احتراق در موتورهاي ديزل يعني پاشش توام با فرايند احتراق دارند.
همچنين يك سيستم كاتاليستي DeNOx بايد به مجموعه افزوده شود تا كاهش آلاينده‌ها را در فرايند شارژ طبقه‌اي مطمئن كند.موتورهاي تزريق مستقيم كه در چند شركت مختلف در حال پيگيري است، شامل سيستمهاي GDI و D۴ و HDI است.
البته شركت بوش آلمان نيز طرحهاي گسترده‌اي را در حال بررسي دارد.
اين سيستم به وسيله پاشش مستقيم سوخت داخل سيلندر همانند موتورهاي ديزلي عمل ميكند. البته اين فرق وجود دارد كه اين سيستم با توجه به گسترش صنعت الكترونيك اجازه ظهور پيدا كرده و از برنامه‌هاي پيچيده نرم‌افزاري و سخت‌افزارهاي پيچيده رايانه‌اي با توجه به قوانين پيچيده مكانيكي پشتيباني ميشود از مزاياي موتورهاي تزريق مستقيم، ميتوان به بهبود مصرف سوخت به ميزان غيرقابل تصور كه تا حدي برطرف‌كننده چالش‌هاي انرژي‌هاي فسيلي است اشاره كرد. افزايش بازده تنفسي (خشك شدن مخلوط سوخت و هوا در سيلندر)، كاهش افت حرارتي در حالت پاشش هنگام ايجاد مخلوط لايه‌اي، افزايش نسبت تراكم و افزايش حد خودسوزي، كاهش توليد ۲Co و تنظيم دقيق‌تر نسبت هوا به سوخت از ديگر مزاياي اين موتورهاي جديد است.
به جهت احتراق بهتر و هدايت سوخت به اطراف شمع تاج پيستون سيلندر منحني شكل است و پمپ سوخت فشار قوي جهت تغذيه افشانه‌ها به كار رفته است. موتورهاي تزريق مستقيم در عين اينكه باعث كاهش مصرف سوخت ميشود، قدرت خروجي موتور را نيز افزايش ميدهد. براي اين منظور بايد زمانبندي پاشش سوخت مناسب با بار موتور تغيير كند.
در حالت بار كم تحت شرايط رانندگي شهري، پاشش به صورت دير هنگام و در انتهاي مرحله تراكم صورت مي‌گيرد. با اين كار، احتراق در يك مخلوط خيلي رقيق انجام ميشود، زيرا مخلوط سوخت وهوا به صورت لايه‌اي تشكيل ميشود در حالت بار كامل با سرعت‌هاي بالا، سوخت در مرحله مكش پاشيده ميشود. اين كار باعث تشكيل يك مخلوط همگن سوخت هوا ميشود. در موتورهاي بنزيني افشانه چند نقطه‌اي محدوديتهايي جهت رقيق ساختن مخلوط سوخت و هوا تا حد زيادي وجود دارد؛ زيرا باعث رقيق ساختن مخلوط سوخت و هوا و باعث تغييرات شديد خصوصيات احتراق و ناپايداري احتراق مي شوند. در صورتي كه مخلوط لايه لايه‌اي در سيستم پاشش مستقيم سوخت بدون آنكه احتراق ضعيف‌تر شود، باعث ميشود مقدار رقيق شدن مخلوط به ميزان زياد افزايش يابد.
به عنوان مثال در دور آرام يعني وقتي احتراق ناپايدار است، موتور پاشش مستقيم يك احتراق سريع و پايداري را حتي با مخلوطي با نسبت هوا به سوخت يك ۵۵ دارد در صورتي كه در موتورهاي عادي در نسبت يك به ۲۰ عطسه گازي به وجود مي‌آيد. اين موتورها باعث بهبود بازده تنفسي در حدود ۵ درصد، افزايش تراكم، عملكرد شتاب گشتاور و توان موتور به ميزان ۱۰ درصد و كاهش حدود ۴۰ درصدي مصرف سوخت ميشود. موتورهاي d۴ شركت تويوتا، و GDI ميتسوبيشي، موتور تزريق مستقيم بوش نيز از معروف‌ترين اين‌گونه موتورها هستند. اين سيستم تنها با سنسورهاي قوي و برنامه پيچيده رايانه‌اي كار ميكند.
ساختارهاسيستم احتراق:
راه حلها و رويكردهاي متفاوتي براي سيستمهاي احتراق GDI در طي سالها پيشنهاد شده و انواع مدلهاي زير ارائه گشته است سيستمهاي مختلف با گردش مخلوط درون سيلندر (چرخشي، لغزشي، پرتابي و متلاطم)، شكل دادن اتاقك احتراق، تغيير شكل پيستون و محل استقرار شمع و انژكتور
سيستمهاي مذكور از يك جريان با محدوده گسترده درون سيلندر براي حفظ لايه بندي مخلوط استفاده مي كنند. حفظ ثبات احتراق در اكثر سيستمهاي پيشنهادي با استقرار الكترود شمع در محيط پيرامون اسپري سوخت انجام مي شود.
در طرح ديگر از يك شمع در مركز و انژكتور خارج از مركز استفاده مي شود. ايده هاي كاسه پيستون خارج از محور، تزريق سوخت در كف كاسه پيستون و استقرار الكترد شمع در مركز اتاقك احتراق در شكل آمده است و مطابق با نظريه برخورد جرياني در موتورهاي GDI در شكل ديده مي شود. اين ايده شامل تصادم جريان مخلوط ها در مركز اتاقك احتراق و در محلي است كه احتراق روي خواهد داد. ايده سوم يك اتاقك باز طراحي شده است كه دو ناحيه تقريباً جدا شده را در نقطه مرگ بالا (TDC) همانند شكل ايجاد كند. از نظر تئوري، اين اتاقك نيمه تقسيم بندي شده، مقدار هوايي را كه با سوخت تزريق شده و دير هنگام مخلوط ميشود را كنترل كرده و محدود ميسازد. به علاوه، سه مثال از سيستم احتراقيGDI
كه از حركت سقوطي لغزشي جريان هوا در سيلندر استفاده مي كند، در شكل ديده مي شود. نيز سيستم پاشش مستقيمGDIبا استفاده از جريان پرتابي در شكل نشان داده شده است.
هر سيستم GDI كه براي عملكرد با سوخت لايه بندي شده طراحي مي شود، بايد در يك طبقه بندي خاص موتورهاقرار گيرد و ميتواند از نوع: هدايت اسپريي، هدايت ديواره اي سيلندر و هدايت هوايي باشد كه اين طبقه بندي بر اساس روش ايجاد لايه سوختي حين عملكرد موتور با بار متوسط مي باشد. طبقه بندي ويژه بر اساس اين كه آيا حركات اسپري، برخورد اسپري به سطح پيستون و يا محوطه جريان سوخت بطور اصولي براي دسترسي به سوخت لايه لايه شده، استفاده مي شود صورت گرفته، كه تعدادي از اين سيستمها در اين مقاله تشريح خواهند شد و مزايا و محدوديتهاي آنها مقايسه خواهند شد. رهنمودهايي نيز در مورد تحولات آينده سيستمهاي احتراق ارائه خواهد شد.
موقعيت محل نسبي استقرار شمع و انژكتور
محل و راستاي انژكتور نسبت به شمع از پارامترهاي حساس و عوامل هندسي مهم در طراحي و الكترود شمع همواره بايد دربهينه سازي سيستم GDI مي باشد محل مناسب در منطقه مخلوط آماده احتراق، در زمان جرقه زدن قرار گيرد و اين منطقه تحت تاثير مقادير و نسبتهاي چرخشي و لغزشي هواي درون سيلندر و نيز زاويه مخروط اسپري، اندازه متوسط قطرات اسپري شده و تايمينگ اسپري و جرقه مي باشد.
در طي عملكرد موتور در زير بار زياد، راستا و جهت دهي خاص محور اسپري انژكتور وزاويه مخروط اسپري ميتواند و بايد توليد كننده و ايجاد كننده تركيب كامل و سريع سوخت همراه با هواي مكيده شده باشد و اين عمل به منظور افزايش استفاده از هوا انجام مي شود.
در مورد تزريق دير هنگام، شمع و انژكتور بايد در حالت ايد ه آل به شكلي مستقر شوند كه ابر مخروطي مخلوط قابل احتراق در زمان جرقه را در روي شمع فراهم كرده و با تايمينگ جرقه خاص، به نوعي تنظيم كنند كه در طيف مناسب از دورهاي موتور، حداكثر كارآيي چرخه عملياتي را نشان دهد.
به طور كلي هيچ مجموعه اي از حالات بهينه وجود ندارد كه در كليه تركيبات دور موتور و بار موتور، مناسب باشد. بنابراين موقعيت قرار گرفتن محل انژكتور و شمع همواره بايد با در نظر گرفتن حالت ميانگين صورت گيرد.
محدوديتهاي سخت افزارهاي ديگر نيز مهم است و بايد از جمله ملاحظات مهم قرار گيرد. اگر بخواهيم روشهاي اثبات شده طراحي سيستم PFIرا در مورد اتاقك احتراق GDI بكار بگيريم
برخي خواسته ها و الزامات اضافي را بايد در نظر بگيريم و براي مسافت حركت شعله و افزايش قدرت با محدود سازي كوبش در يك اكتان خاص بنزين، معمولاً شمع را در محل مجاور مركز قرار مي دهند. مثل سيستمهاي PFI اين محل معمولاًحداقل اتلاف حرارتي را در طي احتراق دارد
اگر مي خواهيم به الزامات درجه اكتان كم، دست پيدا كنيم دور از مركز بودن موقعيت شمع بايد كمتر از 12 % قطر داخلي سيلندر باشد. در اكثر نظريه ها تنها عاملي كه مهم و ثابت مي باشد قرار گرفتن شمع در نزديكي مركز سرسيلندر است بنابراين مزاياي اصلي ذاتي كاربرد يك شمع تقريباً نزديك به مركز سرسيلندر، پخش شعله متقارن مي باشد كه براي به حداكثر رسانيدن ميزان سوختن و قدرت ويژه حاصله بيشينه شده و كاهش اتلاف گرمايي و تمايل به خود احتراقي مي باشد. بكاربردن دو شمع ميتواند احتراق قويتري را ايجاد نمايد، ولي پيچيدگي كار زيادتر خواهد شد. استفاده از دو شمع مستلزم تقسيم سوخت تزريقي به دو زبانه و جهت دهي هر يك به سمت منبع جرقه خود ميباشد و اين كار امكان كاركرد سيستم با سوخت رقيق را كاهش مي دهد
پس از اينكه محل نزديك به مركز سرسيلندر براي شمع مشخص شد، عوامل اضافي بيشماري بايست در جهت دهي و استقرار و جاي گيري انژكتور محاسبه و رعايت شود مراحل انتخاب موقعيت قرار گرفتن شمع مي تواند با كمك تحليل ليزري و محاسبات ديناميك سيالات (CFD) كه شامل مدل سازي از اسپري و اتاقك مي باشد، صورت گيرد. استفاده از عيب يابي چشمي مستلزم اصلاح محفظه اتاقك احتراق موتوراست. مدلهاي اسپري و مدل سازي زير مجموعه شكل لايه بنزين روي جداره سيلندر در موتورهاي تزريق مستقيم (DI) هنوز در دست مطالعه است
بدين معني كه اگرچهCFD را مي توان در تحقيق روي برخي محل هاي استقرار مورد استفاده قرار داد، بسياري از امور نهايي
براي تشخيص و تاييد بر روي نحوه استقرار محور اسپري انژكتور، توسط ارزيابي سخت افزاري و نمون هسازي ها و آزمايش توسط دينامومتر روي موتور حاصل مي شود.
مسئله اصلي آن است كه محل انژكتور بايد يك لاي هبندي ثابت براي شرايط كاركرد موتوربا بار كم ايجاد كند، و يك مخلوط همگن با هواي مورد استفاده مناسب در شرايطي كه بار زيادي به موتور وارد مي شود ايجاد، ونيز از پاشش سهوي سوخت روي جداره سيلندر و سر پيستون در خارج از حفره موجود در سر پيستون جلوگيري نمايد. سايرفاكتورهاي مهم شامل دماي سوراخ نوك انژكتور، تمايل انژكتور و شمع به ايجاد دوده، توافق و هماهنگي ميان اندازه سوپاپ ورودي و محل قرار گرفتن انژكتور، محدوديت هاي طراحي، دستيابي و سرويس انژكتور ميشود. ناحيه در دسترس براي استقرارسوپاپ ورودي مهم است زيرا محلهايي كه براي استقرار انژكتور پيشنهاد مي شود، اثرات منفي روي فضاي موجود براي سوپاپ موتور مي گذارد و مجبور مي شويم از نواحي كوچكتري براي ايجاد جريان هواي عبوري از سوپاپ استفاده كنيم
تقسيم بندي سيستمها
فضاي بالاي سيلندر به سيستم هاي فضاي باريك و فضاي گسترده طبقه بندي مي شود. اين كار بر اساس موقعيتهاي نسبي قرارگرفتن انژكتور و شمع مي باشد. از آنجا كه شمع معمولاً در مركز يا اطراف مركز اتاقك مستقر است در حالت استقرار فضاي باريك، انژكتور با كمي خروج ازمركز ( %12 ) نصب مي شود، لايه بندي مخلوط صرفاً با مجاورت انژكتور و الكترود شمع ميسر ميشود. بنابراين، قابليت لايه لايه شدن در طراحي فضاي باريك بطور مشخصي بالاتر از همين قابليت در طراحي فضاي گسترده است. در مقابل، طراحي فضاي گسترده، معمولاً انژكتور را در روي محيط و يا در نزديكي محيط محفظه احتراق قرارداده است
در نظريه فضاي گسترده اسپري سوخت بايد در طول مسافت بيشتري و در محدوده زماني زيادتري از نوك انژكتور تا شمع حركت كند. اين حركت توسط تركيب اندازه حركت اسپري، چرخش هوا درون سيلندر و شكل هندسي سر پيستون تحت تاثير قرار مي گيرد . در مجموع، انژكتور نبايد در سمت سوپاپ اگزوز نصب شود، زيرا دماي نوك آن ممكن است تا cْ175 درجه بالا رود و مشكلات دوام قطعه و ايجاد دوده را تشديد كند، كه بحث در اين رابطه در حوصله اين مقاله نمي گنجد. حداكثر سايز سوپاپ ورودي را كه ميتوان با انژكتور نصب شده در سرسيلندر در يك موتور 4 زمانه 4 سوپاپ بدست آورددر شكل 4 مي بينيد.
در اينجا، دو دايره بزرگ محل دو سوپاپ ورودي و دو دايره كوچكتر، سوپاپهاي دود مي باشند. دوتركيب بندي در سمت چپ شكل، طرحهاي ممكن در مورد يك نوع فاصله بندي كه در آن انژكتور و شمع در مجاورت هم باشند را نشان م يدهد (ايده فضاي باريك).
سيستم احتراق سمت راست، تركيبات احتمالي سيستمي را كه در آن شمع وانژكتور فاصله دارند را نشان ميدهد. مشخص است كه در طرح فضاي باريك، محدوديتهايي وجود دارد و براي افزودن بازده حجمي بايد از روشهاي كمكي بهره گرفت، همانند بهينه سازي طرح دهانه ورودي براي ايجاد ضريب جريان عبوري بيشتر.
مقايسه عملكرد مخلوط تحت بار زياد و مخلوط همگن ميان آرايش انژكتوري DI نصب در مراكز نشان ميدهد كه همگن بودن مخلوط معمولاً در انژكتورهاي نصب شده در مركز بهتر است .
لذا مقادير CO و دوده كمتر مي باشد و گشتاور موتور نيز بيشتر است. انژكتور نصب در كناره ها ( غير مركزي) بالاترين بازده حجمي را داراست زيرا اين آرايش، ابعاد سوپاپ ورودي بزرگتري را امكان پذير مي سازد. نتايج حاصله در مورد موتور با بار متوسط، نشان مي دهد كه در آرايش مركزي، ميزان آلودگي HC كمي كمتر است. مقايسه كلي دو سيستم نشان مي دهد كه تفاوت عملكرد ميان دو سيستم زياد نيست و فقط اندكي به نفع آرايش متمركز (نصب در مركز) مي باشد.
بنابراين انتخاب اينكه كدام حالت را براي توليد برگزينيم بيشتر متاثر از امكانات توليدي است تا عملكرد طرحهاي مختلف. بايد در نظر داشت كه تقريباً كليه اين مطالعات كه آرايشهايDIرا مقايسه ميكند، از شكل هندسي غير بهينه محفظه اتاقك احتراق استفاده كرده اند.
در انتها به اين نكته بايد توجه داشت كه الكترودهاي شمعها بايست به ميزان كافي در محفظه اتاقك احتراق داخل شده باشد و به شكلي باشد كه الكترودها از جريان كلي در حال حركت در سيلندر محافظت شود. بايد مقدار مناسبي طول الكترود، درون محفظه احتراق (به شكل محافظت شده) وجود داشته باشد تا احتراق مخلوط لايه بندي شده را ثبات بخشد.
ساير بهبودها شامل به حداقل رسانيدن قطر الكترود، نصب كويل مستقل براي هر سيلندر، استفاده از جريان تخليه بيشتر و مدت تخليه طولاني تر است.
شكل 5: نمايش تصويري از سيستمهاي احتراق هدايت شده
روشهاي ايجاد مخلوط لايه بندي شده
سيستمهاي DI كه با مخلوط لايه بندي شده كار مي كنند به شكل زير (در سه طبقه)، طبقه بندي ميشوند: 1- هدايت اسپريي:هدايت شده بوسيله جريان اسپري شده، 2- هدايت ديوار هاي: هدايت شده توسط جداره سيلندر، 3- هدايت هوايي: هدايت شده توسط جريان هواي ورودي به داخل سيلندر. طبقه بندي خاص هر سيستم به اين سادگي دارد كه آيا لايه بندي بر اساس ديناميزم اسپري (نحوه حركت كيسه اسپري)، پاشش اسپري روي سطح پيستون و گستردگي جريان مخلوط سوخت و هوا انجام مي شود.
معمولاًهر سه حالت فوق در يك موتور حضور دارد و نسبت عملكرد هر يك متفاوت است.آموزش مكانيك خودرو بر اساس مسافت ميان سوراخ نوك انژكتور والكترود شمع، سيستم با هدايت اسپريي ممكن است با نام سيستم با فضاي باريك شناخته شود، ولي حالت هدايت ديوار هاي و هدايت هوايي با نام سيستم فضاي گسترده ناميده گردد.
