سيستمهاي احتراق هدايت شده توسط اسپري
در اين طرح حركات سوخت درون سيلندر و تلاطم آن اثر كمي روي جابجايي سوخت دارد . اين طرح در مقايسه با دو طرح ديگر، كمترين اصلاحات را روي طرح PFI نياز دارد . اين مورد در حالتي كه مي خواهيم موتور PFIرا به GDIتبديل كنيم مهم است، هر چند بسياري مسائل مانع ازانجام كار روي سيستمهاي فضاي گسترده است . نزديكي انژكتور و شمع و فاصله زماني كوتاه ميان تزريق سوخت و جرقه زدن، مشكلاتي مانند دوده زدن الكترود ايجاد مي كند.
زيرا تعداد قطرات سوخت نزديك الكترود زياد است خصوصيات احتراق در اين عملكرد لايه بندي شده خيلي به تغييرات شكل اسپري حساس است . مثلاً تفاوت در تقارن اسپري، زواياي انحراف از قائم محور اسپري كه در اثر تلرانسهاي توليدي تغيير
مي كند و يا مواد زائد رسوب كننده روي انژكتور، ضريب تغييرات(COV) فشار موثر شاخص متوسط (IMEP) را بسيار دگرگون خواهد كرد و احتراق ناقص روي خواهد داد .
با توجه به اينكه خصوصيات اسپري سوخت درGDI، تحت تاثير تعداد متغيرهاي بسياري است، در نظر داشتن كل تغييرات محيطي (مرتبط با شرايط مختلف عملياتي موتور ) كه در شرايط مختلف روي مي دهد چالش بزرگي در طراحي آن محسوب مي شود عملكرد موتور در اين سيستم تحت تاثير تايمينگ تزريق و تايمينگ احتراق است و به شكل پيستون نيز بستگي دارد.
الزام به نصب بسيار نزديك انژكتور و شمع در اين طرحها، موجب كاهش دهانه سوپاپ ورودي و افزايش حساسيت به خصوصيات اسپري و شرايط كيسه آن ميشود
مجاورت انژكتور و الكترودها امكان احتراق ناقص در اثر وجود قطرات سوخت موجود در محيط پيرامون كيسه اسپري در روي الكترودهاي شمع را بيشتر مي كند.
هرچند استفاده از انرژي احتراق بيشترمي تواند در واقع امكان احتراق ناقص را كم كند، ولي اين طرح عمر شمع را نيز كوتاه مي كند. قرار گرفتن سوراخ نوك انژكتوردر نزديكي منبع احتراق ميتواند هر گونه احتمال ايجاد دوده را تشديد كند، كه ايجاد اين مواد زائد و دوده در دهانه انژكتورهميشه يك عامل نگراني است.
كيفيت پودر شدن اسپري در سيستم هدايت اسپريي خيلي مهم است زيرا مدت موجود براي تبخير خيلي كم مي باشد. به همين سبب در اين سيستمها مي توان از سيستم تحويل سوخت به كمك هوا بهره گرفت.
سيستم تزريق سوخت به كمك هوا، علاوه بر بهبود كيفيت مخلوط، از پودر كردن تحت فشار هوا استفاده مي كند و لذا نياز به جابجايي مقادير زياد هواي كم فشار ندارد.
در واقع كاهش سرعت جريان كلي در ايجاد لايه بندي مفيد است. براي كسب بيشترين امتيازات در اسپري كردن سوخت با اين روش، محل انژكتور بايد هم راستاي محور سيلندر باشد و شمع نيز درحوالي مركز نصب شود.
اين آرايش امكان مرطوب شدن ديواره را كم كرده، حساسيت به شرايط جريان درون سيلندر راكاهش داده و راستاي اسپري را نسبت به گودي پيستون تنظيم مي كند. در اين شرايط مدول شمع و انژكتور با فشار هواي كمكي، دريك واحد يكپارچه ايجاد شد هاند تا با سهولت در موتورهاي 4سوپاپ نصب شوند،
در مقابل انژكتور نصب شده در كناره (غيرمركزي) با شمع نصب در مركز، نياز به طراحي دقيق گودي پيستون و هندسه محفظه اتاقك احتراق دارد تا كاهش آلودگي خوبي پيدا كرده و قابليتهاي احتراق گازهاي خروجي شبيه به سيستم انژكتوري مركزي را داشته باشد.
بايد توجه داشت كه بدون داشتن حساسيت نسبت به شرايط چرخش مخلوط دردرون سيلندر، سيستم انژكتوري با هواي كمكي، براي موتورها با آرايش هاي مختلف سوپاپي مناسب خواهد بود، بدون اينكه به كنترل جريانهاي فعال يا منفعل، مانند سوپاپ كنترل چرخش هوا نياز باشد.
يك سيستم احتراق هدايت اسپريي كه در بسياري موارد تحت مطالعه بوده است، انژكتور را مجاور مركز و شمع را درحاشيه مخروط اسپري قرار مي دهد
مقايسه موقعيتهاي و جهت دهي مختلف انژكتور
موقعيت نصب:در قسمت مركزي
• تعادل و ثبات جرقه بالاتر در طرح عملياتي موتور
• بالا بودن درجه امكان لايه لايه بندي شدن سوخت، اما در يك مقطع زماني كوتاه
• مناسب بودن در توزيع هماهنگ سوخت به داخل محفظه احتراق
• ممتاز بودن در حالت عمليات با سوخت همگن
• شكل گيري مخلوط درحالت نسبتاً مستقل از شكل هندسي سطح فوقاني پيستون
• نصب و جدا كردن مشكلتر براي سرويس
• اندازه سوپاپ كم شده
• جرم گيري احتمالي شمع
• درجه حرارت بالاتر از سوراخ انژكتور و تمايل به رسوب گيري انژكتور
• حساسيت به تغييرات خصوصيات اسپري سوخت
• احتمال بالاتر در برخورد اسپري به سطح فوقاني پيستون
• احتياج احتمالي به شمع مخصوص همراه با الكترودهاي مخصوص
موقعيت نصب:در قسمت ورودي
• امكان بزرگتر شدن اندازه سوپاپ
• افزايش زمان در دسترس براي تهيه مخلوط مناسب
• تسهيل نصب و جدا كردن انژكتور
• تأثير كمتر تغييرات در خصوصيات اسپري سوخت
• خنك شدن بهتر و آسانتر سوراخ انژكتور به وسيله هواي ورودي
• حرارت كمتر سوراخ انژكتور و تمايل كمتر براي رسوب گيري
• برخورد كمتر سوخت به الكترودهاي شمع
• استاندارد بودن شمع
• محدوديتهاي بيشتر در موقعيت ميله يا لوله سوخت
• درجه كمتر لايه لايه شدن سوخت و تغييرات بيشتر آن
• احتمال بيشتر برخورد اسپري به ديواره سيلندر
• افزايش احتمال رقيق شدن روغن
موقعيت نصب:در قسمت خروجي
• بايد از اين كار پرهيز كرد
يكي از نخستين سازندگان خودرو كه از سيستم احتراق هدايت اسپريي DI در توليدات خود استفاده مي نمايد، شركت رنو ميباشد كه برشي از يك موتور با اين سيستم در شكل ديده مي شود. اين موتور براي بهره برداري از مزيت عمل آوري مجدد محصولات احتراق در داخل اگزوز توسط كاتاليزور سه راهه بايد در حالت تنظيم كامل سوخت و هواي همگن كار كند.
در سر پيستون يك گودي عميق ايجاد مي شود تا پراكندگي سوخت رو به سمت ديواره سيلندر را كاهش دهد
تصويري از محفظه احتراق كه در آن. پاشش به صورت اسپريي هدايت ميشود
برش مقطعي حقيقي از سيستم هدايت پاشش در خودرو
سيستم احتراق هدايت ديواره اي
آرايش سيستم :
در تئوري دو راه عمده براي ايجاد مخلوط لايه بندي شده با ثبات وجود دارد كه بتواند مدت زمان ميان تزريق و اشتعال را كم كرده و مسافت ميان سوراخ نوك انژكتور و الكترود شمع كه در هدايت اسپريي به حداقل ممكن مي رسد، اما زمان آماده سازي مخلوط را هم كاهش مي دهد كه اين امر يك اثر منفي روي آلودگي HCو ايجاد دوده دارد. ايجاد يك مخلوط بهتر مي تواند توسط كاستن از ميزان ثبات احتراق با افزايش فاصله ميان جرقه و انژكتور يا افزايش تاخيرميان تزريق و احتراق سوخت انجام شود. اين همان ايده اصلي سيستم فضاي گسترده مي باشد.
مراحل عملكرد سيستم انژكتوري با هدايت ديواره اي
در طرحهاي اتاقك باز كه در آن لايه بندي بيشتر توسط حركت مخلوط ايجاد مي شود، يك لايه بندي با ثبات را مي توان با پاشيدن مستقيم اسپري روي يك گودي پيستون طراحي شده انجام داد كه متعاقب آن، حركت بخار سوخت (ابرسوخت) به سوي شمع با حركت و اندازه حركت سوخت تزريق شده در محوطه جريان هواي مكيده شده، تامين مي شود.
ايده هدايت ديواره اي در شكل نشان داده شده است. با استفاده از يك پيستون كه به صورت خاص شكل داده شده ميتوان بالانس وتوازن بهينه حركت چرخشي و دوراني هوا و حركت سوختي كه روي پيستون پاشيده مي شود را كنترل كرد، تا به احتراق لايه بندي شده دست پيدا كرد.
لازم به ذكر است كه در واقع فقط كسري از قطرات مايع روي ديواره پاشيده مي شود و بيشترحجم مايع اسپري در حالي كه درون جريانهاي زودگذر كه توسط عمل تزريق ايجاد مي شود قرار دارد، از فراز و نشيب و شكل ديواره سيلندر تبعيت ميكند.
اين اكثريت قطرات مايع هرگز واقعاً روي گودي پيستون نمينشينند. اثر كلي هدايت ديوار هايروي مخلوط توسط شكل ديواره صورت مي گيرد، اما عملكرد واقعي آن خيلي پيچيده تر از اين مي باشد
موقعيتهاي احتمالي انژكتور و شمع براي افزايش فاصله نوك انژكتوراز شمع
در يك موتور بنزيني با سيلندرهاي 4 سوپاپه با شمع مستقر در مركز، محلهايي كه انژكتور ميتواند مسافت جرقه و اسپري را زياد كند در شكل 12 مشخص شده است.
يك راه اين است كه انژكتور را درست در سمت سوپاپهاي ورودي اتاقك احتراق قرار دهيم و ديگر اينكه در پيرامون سيلندر ميان سوپاپ ورودي و خروجي قرار گيرد.
تحليل ايجاد مخلوط در حالت اخيرنشان مي دهد كه وقتي انژكتور و محور اسپري به سوي مركز اتاقك احتراق و با زاويه 70 درجه نسبت به افق قرار گيرد، توزيع مخلوط نزديك الكترودهاي شمعها در سيلندرهايي با پيستونهاي سر صاف خيلي ضعيف است و بايد شكل سر پيستون را اصلاح كرد مي توان انژكتور را در پيرامون سيلندر و ميان سوپاپهاي ورودي و خروجي نصب كرد،
اما اين كار را بايد با توجه به اين موضوع كه نوك انژكتور داغ مي شود، انجام داد. تقريباً كليه سيستمهاي توليدي و نمونه سيستم GDIانژكتور را زير ، دهانه ورودي و ميان سوپاپ هاي ورودي قرار مي دهند. اين محل، همراه با استقرار شمع در مركز تحت مطالعات زيادي قرارگرفته و نتايج آن موجب گشته تا اين تركيب هندسي يك عنصر اساسي طراحي جمع و جور در موتورهاي GDIچندسيلندر به ويژه در سيلندرهاي با قطر كم قرار گيرد.
اين كار باعث ورود بهتر هواي مكش شده و تداخل خوب آن را با اسپري در حالت تزريق زود هنگام فراهم كرده و نوك انژكتور را. بهتر خنك مي كند. اشكال زير نمودارهاي چهار مدلDI هدايت ديواره اي را نشان مي دهند
تصويري از سيستم احتراقي انژكتوري در خودرو ميتسوبيشي
نماي سيستم پاشش مستقيم در خودرو فولكس
با توجه به اين تركيب و استفاده از يك انژكتور در مركز، كه از پاشش اسپري روي سطح پيستون استفادهمي كنند تا مخلوط لايه بندي شده ايجاد كنند، معمولاً حساسيت كمتري به تغييرات اسپري نشان مي دهند. لذا اين سيستمهابا توجه به اثرات تضعيف اسپري در اثر تاثيرات مواد دوده اي، تغييرات در هر بار عملكرد آنها و يا تلرانس قطعات مشابه وتلرانس شكل اسپري آنها ، پايداري بيشتري دارند. هر چند قرار داشتن انژكتور در حاشيه اتاقك (غير مركزي) مي تواند به افزايش پاشش كنترل نشده سوخت روي سطوح اتاقك منجر شود اما اين مسئله باعث كاهش امتياز خنك كنندگي مخلوط درون سيلندر در حالت تزريق زود هنگام مي شود. مثلاً استقرار انژكتور در خارج مركز در موتورهاي تك سيلندرGDI ايسوزو، آلودگيHC بيشتري ايجاد نموده و مصرف
سوخت نسبت به حالتي كه همان انژكتور در مركز اتاقك باشد بيشتر ميشود اين حالت را چنين مي توان توجيه كرد كه به علت نفوذ سوخت به ديواره سيلندر در سمت سوپاپ دود است، كه جذب سوخت مايع و واجذبي بخار سوخت توسط لايه روغن موتور را زياد مي كند.
پاشيدن مستقيم سوخت روي جداره سيلندر يا سر پيستون يك لايه سوخت آن سطوح ايجاد مي كند كه ميتواند منجر به سوختن سوخت از سطح اين لايه و افزايش آلودگي HCو دود شود. استفاده از انژكتورهايي كه HC مي كند كه ميتواند منجر به سوختن سوخت از سطح اين لايه و افزايش آلودگي در قسمت حاشيه نصب شد ه اند، بايد با دقت صورت گيرد و مورد ارزيابي قرار گيرند تا از رقيق سازي و سريعتر شدن فرآيندايجاد دود و بقاياي احتراق(CCD) به ويژه براي كاركرد موتور با بارزياد جلوگيري شود
طراحي گودي پيستون
روشن است كه هندسه خاص گودي پيستون عامل مهمي در عملكرد سيستم احتراق هدايت ديواره اي GDI مي باشد وبهينه سازي آن و تنظيم اسپري با آن، دو مرحله مهم و بحراني در ايجاد يك سيستم احتراق تلقي مي شود. شكلهاي زيرعكسهايي از كاسه هاي پيستون هستند كه در سه نمونه از توليدات موتورهايGDI مورد استفاده قرار مي گيرند. به صورت واضح طراحي كاسه پيستون بطور مشخص بر اساس كاركردهاي معين، تفاوت دارند و عمق كاسه پيستون به عنوان يك عامل كليدي شناخته مي شود
تصويري از پيستون استفاده شده درموتورGDIميتسوبيشي
بطور عمومي، مخلوط در هنگام احتراق تمايل به اين دارد كه خيلي غليظ باشد، كه اين غليظ بودن همراه با يك كاسه كوچك در پيستون، در هنگامي است كه بار كم تا متوسطي به موتور وارد مي شود. يك كاسه عميقتر در ازدياد عمليات لايه لايه شدن سوخت در يك محدوده وسيع از شرايط عملياتي، مؤثر است، ولي روي احتراق تحت بار زياد اثر منفي دارد
نكته مهمي كه در ايجاد يك سيستم برخورد اسپري با هدايت ديواره اي بايد در نظر گرفته شود، الزامي بودن هماهنگي وانسجامي است كه بايد در مورد شكل سر پيستون جهت ايجاد لايه بندي در بارهاي متوسط در نظر گرفته شود.
اين هماهنگي به احتمال زياد، براي هواي استفاده شده در شرايط بار سنگين وارده به موتور، اندكي مضر است و براي شرايط بار سنگين وارده به موتور يك مخلوط همگن مورد نياز ميباشد.
تهيه نوع خاصي از سر پيستون، در مقايسه با سر پيستون صاف، اتلاف حرارتي گازهاي احتراق را افزوده و نيز پيچيدگي توليد را افزايش مي دهد. نيز بايد اثرات شكل سر پيستون و گودي آن روي عملكرد تحت بار كامل موتور به خوبي ارزيابي شود.
سيستم احتراق هدايت هوايي
در يك سيستم احتراق كه توسط هوا هدايت مي شود (هدايت هوايي)، عمل طبقه طبقه شدن سوخت به وسيله واكنش داخلي بين اسپري سوخت و حركت انبوه هوا در داخل سيلندر، كنترل مي شود. شكل نشان دهنده يك سيستم احتراقDIاست كه به وسيله هوا هدايت مي شود و بر مبناي حركت لغزشي هوا كار مي كند، كه در آن يك جريان قوي لغزشي شكل به وسيله سوپاپ كنترل جريان به وجود مي آيد، تا يك سوخت طبقه طبقه شده را به وجود آورد.
اين سيستم به طور كلي مسافت زيادي ميان انژكتور و الكترودها قائل شده و از ايده سيستم فضاي گسترده پيروي مي كند
از آنجا كه لايه بندي مخلوط در اين سيستم بدون اتكا به پاشش اسپري ديواره اي ايجاد مي شود، برخي مشكلات همراه با سيستم احتراق هدايت ديوار هاي از قبيل آلودگي زيادHC مرتبط با لايه سوخت روي ديواره را ندارد. با اين حال، هر عاملي كه باعث به وجود آمدن لرزشي در محدوده جريان هواي داخل سيلندر شود ممكن است به عدم تعادل احتراق منجر شود.
در دورهاي كم موتور در سيستم هدايت هوايي، ثبات احتراق اندكي كاهش مي يابد، زيرا از قدرت كلي حركت مخلوط كاسته شده است.
تصوير شماتيك از نحوه عملكرديك سيستم انژكتوري با هدايت هوايي در سيستمDI
خلاصه مطلب
راه حلهاي گوناگوني براي توليد سوخت لايه لايه شده كنترل شده در طول مدت عمليات موتور با بار كم، پيشنهاد شده است. اگر چه سه سيستم اصلي طبقه بندي شده هدايت توسط اسپري، هدايت توسط ديواره سيلندر و هدايت توسط هوامشخص شده اند، اما عمل لايه لايه كردن سوخت در يك موتور فعال معمولاً به وسيله تركيبي از سه مكانيزم گفته شده، بدست مي آيد.
به منظور بدست آوردن بهترين خصوصيات احتراق موتور با هر نوع سيستمي، شمع بايد در نزديكي مركزمحفظه احتراق واقع شود در سيستم هدايت اسپريي مستقيم DI كنترل آماده سازي مخلوط با روش حركتي اسپري سوخت سر و كار دارد، ولي در سيستم هدايت ديواره اي با واكنش اسپري روي جداره و گودي پيستون، و در سيستم هدايت هوايي با جريان كلي هواي درون سيستم كنترل مي شود.
در سيستم هدايت اسپريي احتراق در منطق هاي كه داراي مقادير زياد سوخت ميباشد اتفاق مي افتد، بنابراين نسبت به تغييرات شكل هندسي اسپري حساس است.
هرگونه برخورد مستقيم و پاشش سوخت روي الكترود شمع مي تواند شمع رامرطوب كرده و از لحاظ استارت سرد و دوام شمع مشكل بيافريند.
در ايده هدايت ديواره اي سوخت تزريقي با واكنش روي جداره سيلندر و گودي پيستون به سوي الكترود هدايت مي شود. جريان هواي درون سيلندر مهم است ولي غالب نيست.
اين حالت در مقايسه با هدايت اسپريي، حساسيت كمتري نسبت به تغييرات خصوصيات اسپري نشان مي دهد ولي محدوديت هاي آن، لايه بندي كمتر سوخت و افزايش آلودگيHCاست.
در ايده هدايت هوايي، سوخت تبخير شده با استفاده از يك جريان طراحي شده مخلوط در سيلندر به سوي الكترود شمع هدايت مي شود. واكنش ميان اسپري تزريقي و جريان طراحي شده، مخلوط را در سيلندر به سوي الكترود هدايت مي كنند.
واكنش ميان اسپري تزريقي و جريان هواي سيلندر بايد در طيف وسيعي از دورهاي موتور تنظيم شوند و بايد دانست كه هر تغييري در جريان هواي موتور روي ثبات احتراق اثر منفي خواهد داشت.
شكل بنديهايي كه از فضاي گسترده در بين انژكتور و شمع استفاده ميكنند داراي محدوديتهاي حرارتي و هندسي جدا ناپذير كمتري در طراحي محفظه احتراق هستند افزايش درجه زمان براي جابجايي مخلوط از انژكتور به محل جرقه زدن مي تواند كيفيت آماده سازي مخلوط را افزايش دهد، اما لرزشهاي به وجود آمده در اثر اغتشاشات و تغييرات چرخه اي داراي تأثير، نقش بيشتري پيدا
مي كنند. شكل بنديهاي فضاي باريك و فضاي گسترده مي توانند با نظريه هاي حركت سوخت از قبيل چرخشي و لغزشي تركيب مي شوند تا به سيستمهاي احتراقGDI موفقي تبديل شوند كه ميتوانند در حالت لايه لايه شدن سوخت فعال باشند.آموزش مكانيك خودرو يك امتياز منفي از نظريه فضاي باريك، محدوديتهاي اندازه سوپاپ در موتورهاي چند سوپاپه است.
در نظريه سيستم هدايت توسط اسپري، نسبت هوا و سوخت مناسب در بارهاي مختلفي كه به موتور وارد مي شود را با تعيين زاويه مخروط اسپري و خصوصيات نفوذ آن بدست آورد كه مشاهده مي شود اتكاء به نوع و خواص اسپري در اين روش زياد مي باشد.
به علت مسافت اندك ميان انژكتور و الكترودها فقط مدت كوتاهي قبل از احتراق براي آماده سازي مخلوط فرصت هست و لذا موتور به تزريق دير هنگام نياز دارد.
به علاوه، سوخت مايع مي تواند روي الكترودها بنشيند و امكان خرابي آن را بيشتر كند كه منجر به احتراق ناقص نيز مي شود.
به علت وجود ناحيه كوچك، وجود مخلوط قابل اشتعال در مجاورت و پيرامون اسپري، سيستم هدايت اسپريي خيلي به تغييرات شكل اسپري حساس بوده و به تلرانس نصب انژكتور اتكاء دارد و سوخت آن بايد كاملاً پودر شود.
با اين وجود، ايده سيستم فضاي گسترده، در صورت رفع موانع ميتواند احتراق بسيار رقيق را ميسر نمايد.