همه چیز درباره سیستم پاشش سوخت و انژکتور خودرو

در هر پیشرانه‌ی احتراق داخلی مخلوطی از سوخت و هوا با ورود به محفظه‌ی احتراق و مشتعل‌شدن سبب تولید قدرت می‌شود. برای دستیابی به بالاترین بازده پیشرانه فرآیند احتراق باید به‌صورت کامل انجام شود. اگرچه این امر در کلام ساده به‌نظر می‌رسد، اما حقیقت این است که عوامل مختلفی در تحقق این هدف تأثیرگذارند. یکی از عمده‌ترین آن‌ها نسبت دقیق سوخت به هوا است که از طریق کنترل میزان سوخت ورودی به محفظه‌ی احتراق کنترل می‌شود. اگر نسبت سوخت از مقدار مشخصی بیش‌تر باشد، به دلیل کمبود اکسیژن همه‌ی سوخت فرصت اشتعال نمی‌یابد، در نتیجه خودرو به‌سختی استارت می‌خورد و در اصطلاح خفه می‌کند. از سوی دیگر در صورتی که نسبت سوخت از مقدار معینی کم‌تر باشد، باز هم خودرو روشن نمی‌شود. در هر دو حالت علاوه بر کاهش چشمگیر بازدهی پیشرانه، به دلیل احتراق ناقص گازهای آلاینده‌ی زیادی به هوا وارد می‌شود. به همین دلیل کنترل دقیق نسبت سوخت به هوا امری حیاتی و مهم در جهت افزایش بازدهی پیشرانه و حفظ محیط‌زیست است.

در گذشته پیشرانه‌های کاربراتوری مشکلات زیادی برای کنترل نسبت سوخت به هوا داشتند. معضل اصلی این بود که پیشرانه‌های مجهز به یک کاربراتور قادر به سوخت‌رسانی برابر در سیلندرها نبودند و اغلب دورترین سیلندر نسبت به کاربراتور سوخت کم‌تری نسبت به سیلندرهای نزدیک‌تر دریافت می‌کرد که این امر موجب کاهش راندمان و افزایش آلایندگی می‌شد. برای حل این مشکل مهندسان رفته‌رفته پیشرانه‌های مجهز به دو کاربراتور را طراحی کردند که می‌توانست تا حدودی مشکلات گذشته را حل نماید، اما مشکل جدید هماهنگ‌سازی این اجزا با یکدیگر و مصرف سوخت بالا بود که در نتیجه پیچیدگی و آلایندگی این پیشرانه‌ها را افزایش می‌داد. این مشکلات طی سال‌ها سبب شد که مهندسان به فکر طراحی مکانیزم‌های با راندمان بالا جهت کنترل میزان دقیق سوخت بیفتند و درست در این زمان سیستم پاشش سوخت/انژکتور متولد شد.

تاریخچه

در دهه‌ی ۱۹۴۰ میلادی افراد فعال در حوزه‌ی مسابقات اتوموبیل‌رانی اقدام به استفاده‌ی آزمایشی از سیستم پاشش سوخت در خودروهایشان کردند. در ابتدا از این سیستم در مسابقات استقامتی و رکوردشکنی سرعت استفاده شد. در دهه‌ی ۱۹۵۰ میلادی مرسدس بنز با همکاری بوش سیستم پاشش سوخت مکانیکی را مورد استفاده قرار داد و در سال ۱۹۵۵ میلادی استرلینگ ماس پشت فرمان مرسدس بنز 300SLR مجهز به سیستم پاشش سوخت بوش نشست و توانست فاتح مسابقات میله میلیا شود (این مسابقه به مسافت ۱۶۰۰ کیلومتر بین سال‌های ۱۹۲۷ تا ۱۹۵۷ برگزار می‌شد).

اواخر دهه‌ی ۱۹۶۰ میلادی تعدادی از خودروسازان اروپایی نظیر پورشه، پژو، آئودی، بی‌ام‌و، استون مارتین، تریومف و فولکس‌واگن اقدام به استفاده‌ی آزمایشی از سیستم پاشش سوخت مکانیکی روی مدل‌های تولید انبوه کردند و این روند تا اواسط دهه‌ی بعدی ادامه یافت. طی سال‌های بعدی سایر خودروسازان نیز برای استفاده از سیستم انژکتوری مجاب شدند و در طول این سال‌ها مدل‌های بهینه‌تر و پیشرفته‌تری از این سیستم تکامل یافت. سال ۱۹۹۰ میلادی سوبارو جاستی آخرین خودروی مجهز به کاربراتور بود که در ایالات متحده‌ی آمریکا به تولید رسید و در سال بعد مدل جدید آن به سیستم انژکتور مجهز شده بود.

اساس عملکرد

به‌طور خلاصه سیستم پاشش سوخت/انژکتور نازلی است که سبب می‌شود مقدار دقیق و معینی از سوخت به‌صورت غبار، پودر یا اتمی در آمده و داخل محفظه‌ی احتراق پاشیده شود. برای این منظور، پردازشگر (ECU) و حسگرهای پیچیده و متعددی مورد نیاز است که از طریق آن‌ها بتوان میزان دقیق سوخت مورد نیاز را اندازه‌گیری کرد. حسگرهای تعبیه شده در این سیستم تمامی پارامترهای لازم جهت تعیین میزان دقیق سوخت مورد نیاز را با توجه به شرایط رانندگی به واحد پردازنده ارسال می‌کنند، سپس پردازشگر با ارسال پالس الکتریکی به واحد کنترل کننده‌ی میزان سوخت، مقدار دقیق سوخت مورد نیاز پیشرانه را تنظیم می‌کند.

اجزای اصلی

برخلاف تصور اکثریت، سیستم پاشش سوخت مجموعه‌ای پیچیده از قطعات مختلف است که در هماهنگی کامل با یکدیگر عمل می‌کنند. در ادامه به معرفی اجزای اصلی این سیستم و توضیح هر یک از آن‌ها می‌پردازیم.

پمپ بنزین فشار بالا

اولین و اصلی‌ترین قطعه در سیستم پاشش سوخت، پمپ بنزین است. این پمپ که درون باک خودرو تعبیه شده است وظیفه‌ی تأمین جریان فشار بالای سوخت و رساندن آن به نازل‌ها را برعهده دارد.

مسیر سوخت

مجموعه‌ای از لوله‌ها است که درون آن‌ها سوخت با فشار بالا جریان دارد. یک سر این لوله‌ها به پمپ بنزین و سر دیگر آن‌ها به نازل‌ها متصل است. مسیر سوخت یک مسیر دو طرفه برای رفت و برگشت سوخت اضافی از نازل‌ها است.

تنظیم‌کننده / رگلاتور

این قطعه روی مسیر سوخت و قبل از نازل‌ها قرار می‌گیرد. وظیفه‌ی آن تنظیم فشار سوخت مورد نیاز نازل‌ها است. این فشار در پیشرانه‌های مختلف و در شرایط رانندگی متفاوت تغییر می‌کند.

نازل

نازل قلب سیستم پاشش سوخت و صحنه‌ی نمایش نبوغ مهندسی و تکنولوژی است. به‌طور ساده نازل قطعه‌ای کوچک است که درون آن شیری سوزنی تعبیه شده و وظیفه‌ی کنترل جریان سوخت و اسپری کردن آن را برعهده دارد. به‌طور معمول در ۱۰۰۰ دور بر دقیقه عملکرد پیشرانه فاصله‌ی هر دو اسپری سوخت متوالی ۵ میلی ثانیه است. با توجه به نوع کنترل حاکم بر نازل دو نوع کلی از سیستم پاشش سوخت ابداع شده است. اگر کنترل نازل به‌صورت مکانیکی صورت پذیرد، سیستم از نوع مکانیکی و اگر به‌صورت الکترونیکی انجام شود، از نوع الکترونیکی است. سیستم انژکتور مکانیکی از اولین نمونه‌های معرفی‌شده‌ی این سیستم است که رفته‌رفته جای خود را به سیستم پاشش سوخت الکترونیکی داده است.

حسگرها

همان‌طور که پیش‌تر ذکر شد، واحد پردازنده‌ی خودرو برای کنترل و تعیین میزان سوخت مورد نیاز در هر لحظه باید حجم زیادی از اطلاعات دریافتی از حسگرهای مختلف را پردازش کند. در ادامه مهم‌ترین حسگرهای موجود در سیستم پاشش سوخت معرفی می‌شوند.

حسگر جریان جرمی هوا

این حسگر میزان جرم هوای ورودی به پیشرانه را در اختیار پردازشگر قرار می‌دهد.

حسگر اکسیژن

میزان اکسیژن موجود در اگزوز را اندازه می‌گیرند تا پردازنده تشخیص دهد که نسبت هوا به سوخت در پیشرانه در چه وضعیتی قرار دارد و در صورت نامناسب بودن تغییرات لازم را به‌سرعت اعمال کند.

حسگر تشخیص موقعیت دریچه‌ی هوا

این حسگر به‌طور لحظه‌ای میزان باز و بسته‌شدن دریچه‌ی هوا را اندازه‌گیری می‌کند تا پردازنده به‌صورت لحظه‌ای از میزان هوای ورودی به پیشرانه مطلع شده و میزان سوخت مورد نیاز را تنظیم کند.

حسگر دمای آب

این حسگر میزان دمای آب خنک‌کننده را اندازه‌گیری می‌کند تا واحد پردازنده از عملکرد پیشرانه در دمای بهینه مطلع شود.

حسگر ولتاژ

میزان ولتاژ سیستم برق خودرو را زیر نظر دارد تا در صورت افت ولتاژ واحد پردازنده زمان بین اسپری سوخت را افزایش دهد.

حسگر فشار مطلق دریچه‌ی هوا

میزان فشار هوا در دریچه‌ی ورود هوا به سیلندر را کنترل می‌کند. میزان هوای ورودی به پیشرانه نشانگر خوبی برای تعیین میزان قدرت خروجی پیشرانه در هر لحظه است. هر قدر میزان هوای ورودی به سیلندر بیشتر باشد، فشار مطلق کمتر است و در نتیجه تشخیص میزان قدرت خروجی پیشرانه میسر می‌شود.

حسگر سرعت پیشرانه

سرعت شفت خروجی پیشرانه را اندازه‌گیری می‌کند که یکی از فاکتورهای تعیین‌کننده‌ی فاصله‌ی بین هر دو اسپری سوخت است.

چرخه‌ی عملکرد

پمپ فشار بالای تعبیه‌شده در باک خودرو بنزین را تحت فشار بالا (حدود ۶۹ نیوتن بر سانتی‌متر مربع) به یک منبع ذخیره‌ی موقت ارسال می‌کند. این منبع وظیفه‌ی متعادل‌سازی اختلاف فشار و کم رنگ کردن حالت پالسی پمپ را بر عهده دارد تا سوخت به‌طور پیوسته و با فشار ثابت به نازل‌ها برسد. سوخت فشار بالا از منبع خارج و از یک فیلتر کاغذی عبور می‌کند تا ناخالصی‌های موجود در آن گرفته شده و مانع گرفتگی در نازل‌ها نشود. پس از این مرحله سوخت فشار بالا به واحد کنترل میزان سوخت وارد می‌شود که وظیفه‌ی کنترل میزان جریان سوخت عبوری را بر عهده دارد. در بیشتر پیشرانه‌ها این قطعه زیر دریچه‌ی هوای ورودی به پیشرانه تعبیه شده است. در نمونه‌های الکترونیکی، این قطعه به‌طور مستقیم تحت فرمان واحد کنترل مرکزی خودرو (ECU) قرار دارد و در نمونه‌های مکانیکی با توجه به میزان فشرده شدن پدال گاز و باز شدن دریچه‌ی هوا میزان عبور سوخت را از طریق یک شیر پروانه‌ای کنترل می‌کند. هر چه دریچه‌ی هوا بازتر شود این شیر نیز میزان بیشتری از سوخت را عبور می‌دهد. در بعضی از پیشرانه‌ها پس از این مرحله یک رگلاتور قرار دارد که فشار سوخت عبوری را درست قبل از رسیدن به نازل‌ها تنظیم می‌کند.

در نهایت سوخت با فشار و میزان معین به نازل‌ها می‌رسد. همان‌طور که پیش‌تر اشاره شد، نازل‌ها از لحاظ عملکرد خود به دو دسته‌ی مکانیکی و الکترونیکی تقسیم‌بندی می‌شوند که البته اساس عملکرد هر دو نوع یکسان است. با رسیدن سوخت به نازل، به‌طور پیوسته یا پالسی سوخت درون سیلندر یا دریچه‌ی ورود هوا تزریق می‌شود و موجب کارکرد صحیح و متناسب پیشرانه می‌گردد. با توجه به احتمال تغییر ناگهانی شرایط رانندگی، یک خط لوله‌ی بازگشت سوخت از واحد کنترل میزان عبور سوخت به سمت پمپ بنزین و باک خودرو در نظر گرفته می‌شود که وظیفه‌ی انتقال میزان اضافی سوخت را بر عهده دارد.

انواع سیستم پاشش سوخت

دسته‌بندی انواع سیستم پاشش سوخت از جهات مختلف امکان‌پذیر است که در این بخش به بررسی انواع آن‌ها می‌پردازیم.

تقسیم‌بندی بر اساس نوع نازل

مکانیکی

از دهه‌ی ۶۰ میلادی که استفاده از سیستم انژکتوری در خودروها رایج شد، استفاده از نازل‌های کنترل مکانیکی در خودرو آغاز شد. ساختمان این نازل‌ها بسیار شبیه نازل‌های کنترل الکترونیکی بوده و تنها تفاوت در نحوه‌ی باز شدن شیر سوزنی نازل است. در نازل‌های مکانیکی یک فنر وظیفه‌ی بسته نگه‌داشتن شیر سوزنی را بر عهده دارد که تنها با رسیدن فشار سوخت به حد معینی این فنر جمع شده و سوزن از روی خروجی نازل فاصله می‌گیرد و سوخت با فشار به‌صورت ذرات کوچک از انتهای نازل خارج می‌شود. این نازل‌ها در خودروهای قدیمی‌تر مورد استفاده واقع می‌شدند و امروزه جای خود را به نمونه‌های الکترونیکی داده‌اند.

الکترونیکی

نازل‌های مجهز به کنترل الکترونیکی نیز به سوزنی مشابه نمونه‌های مکانیکی مجهزند و تنها تفاوت وجود یک لایه‌ی الکترومغناطیسی برای کنترل سوزن در آن‌ها است. با اعمال جریان الکتریکی به لایه‌ی الکترومغناطیسی سوزن به سمت بالا حرکت می‌کند و سبب باز شدن خروجی نازل می‌شود.

تقسیم‌بندی بر اساس محل تزریق سوخت

مستقیم

در سیستم پاشش سوخت مستقیم نازل سوخت را درون محفظه‌ی احتراق (سیلندر) تزریق می‌کند. این سیستم معمولا در پیشرانه‌های دیزلی مورد استفاده قرار می‌گیرد. در این پیشرانه‌ها به دلیل نسبت تراکم بالا دمای هوای محبوس در سیلندر به‌شدت افزایش می‌یابد و سوخت تزریق شده درون سیلندر خودبه‌خود آتش گرفته و عمل احتراق رخ می‌دهد. تزریق مستقیم سوخت سبب افزایش راندمان پیشرانه، کاهش مصرف سوخت و آلایندگی و همچنین کاهش حجم پیشرانه بدون فداکردن قدرت تولیدی می‌شود.

720p / 360p

در سال‌های اخیر پیشرفت‌های تکنولوژی سبب شده شرکت بوش از نمونه‌ی قابل استفاده در پیشرانه‌های بنزین‌سوز پرده‌برداری کند که نویدبخش آینده‌ای روشن‌تر برای پیشرانه‌های احتراق داخلی است.

غیر مستقیم

در سیستم پاشش سوخت غیرمستقیم، نازل‌ها سوخت را درون دریچه‌ی هوای ورودی پیشرانه یا محفظه‌ی پیش احتراق تزریق می‌کنند. این کار جهت مخلوط شدن بهتر ترکیب سوخت و هوا صورت می‌گیرد که نتیجه‌ی آن احتراق بهتر و در نتیجه تولید قدرت بیشتر در کنار آلایندگی کمتر است.

در سیستم‌های تزریق غیرمستقیم محل تزریق سوخت می‌تواند سبب دسته‌بندی مجزایی شود. برای مثال در بعضی پیشرانه‌ها سوخت تنها در محل دریچه‌ی ورود هوا تزریق می‌شود در حالی‌که در سیستم‌های جدیدتر برای هر دو سیلندر یک نازل وجود دارد یا دریچه‌ی ورود هوای هر سیلندر خود مجهز به یک نازل است که می‌تواند سبب کنترل بهتر تزریق سوخت و بهره‌وری بالاتر شود.

ایرادات معمول سیستم پاشش سوخت

با خاموش شدن خودرو مقداری سوخت درون نازل باقی می‌ماند. با توجه به دمای بالای پیشرانه و عدم گردش هوا و آب درون پیشرانه در این حالت، سوخت باقی‌مانده در نازل تبخیر می‌شود و به‌مرور زمان سبب تشکیل رسوبات چسبنده می‌گردد. این رسوبات می‌توانند سوراخ خروجی نازل را مسدود کرده و مانع از عملکرد صحیح آن‌ها و در نتیجه کارکرد نامناسب خودرو گردند. این اتفاق در خودروهایی که در مسافت‌های کوتاه حرکت می‌کنند و با تناوب بیشتری روشن و خاموش می‌شوند شایع‌تر است.

مشکل شایع دیگر ضعیف شدن قطعه‌ی الکترومغناطیس تعبیه‌شده در نازل‌های الکترونیکی است. با گذشت زمان و کارکرد خودرو این قطعه ضعیف شده و دیگر قادر به حرکت دادن مناسب شیر سوزنی نخواهد بود؛ در نتیجه پاشش سوخت با مشکل مواجه می‌شود. برای تشخیص این مشکل از اهم‌متر کمک گرفته می‌شود.

مشکل شایع سوم وجود نشتی در نازل است. این مشکل به‌دلیل بسته‌نشدن کامل شیر سوزنی رخ می‌دهد که نتیجه‌ی آن افزایش مصرف سوخت و کاهش فشار در مسیر سوخت است. کاهش فشار سوخت خود سبب افزایش فشار کارکرد بر پمپ بنزین و عدم پاشش مناسب سوخت در سایر نازل‌ها می‌شود.