حقن الوقود في محركات البنزين. المزايا والعيوب والمشاكل المحتملة

يحدد نوع نظام الحقن معلمات المحرك وتكاليف التشغيل. يؤثر على الديناميكيات واستهلاك الوقود وانبعاثات العادم وتكاليف صيانة السيارة.

يعود تاريخ التطبيق العملي لحقن البنزين في محرك الاحتراق الداخلي أثناء النقل إلى الفترة التي سبقت الحرب العالمية الأولى. حتى في ذلك الوقت ، كان الطيران يبحث بشكل عاجل عن حلول جديدة من شأنها تحسين كفاءة المحركات والتغلب على مشاكل الطاقة في المواقف المختلفة للطائرة. أثبت حقن الوقود ، الذي ظهر لأول مرة في محرك الطائرات الفرنسي V8 عام 1903 ، فائدته. لم تظهر سيارة مرسيدس 1930 SL التي تعمل بحقن الوقود حتى عام 1951 ، والتي تعتبر على نطاق واسع رائدة في هذا المجال. ومع ذلك ، في النسخة الرياضية ، كانت السيارة الأولى بحقن البنزين المباشر.

تم استخدام الحقن الإلكتروني للوقود لأول مرة في طراز 300 في محرك كرايسلر عام 1958. وبدأ حقن البنزين متعدد النقاط في الظهور على السيارات في عام 1981 ، ولكنه كان يستخدم في الغالب في الموديلات الفاخرة. كانت المضخات الكهربائية عالية الضغط مستخدمة بالفعل لضمان الضغط المناسب ، لكن التحكم لا يزال من مسؤولية الميكانيكيين ، الذين تلاشى في عام 600 مع نهاية إنتاج مرسيدس. كانت أنظمة الحقن لا تزال باهظة الثمن ولم تتغير إلى السيارات الرخيصة والشائعة. ولكن عندما أصبح من الضروري في XNUMXs تثبيت المحولات الحفازة على جميع السيارات ، بغض النظر عن فئتها ، كان لابد من تطوير نوع أرخص من الحقن.

يتطلب وجود عامل حفاز تحكمًا أكثر دقة في تكوين الخليط أكثر مما يمكن أن توفره المكربنات. وهكذا تم إنشاء حقن من نقطة واحدة ، نسخة هزيلة من "النقاط المتعددة" ، لكنها كافية لاحتياجات السيارات الرخيصة. منذ أواخر التسعينيات ، بدأ يختفي من السوق ، واستبدل بالحقن متعدد النقاط ، والذي يعد حاليًا أكثر أنظمة الوقود شيوعًا في محركات السيارات. في عام 1996 ، ظهر الحقن المباشر للوقود لأول مرة في سيارة ميتسوبيشي كاريزما. احتاجت التكنولوجيا الجديدة إلى تحسينات جادة ووجدت في البداية عددًا قليلاً من المتابعين.

ومع ذلك ، في مواجهة معايير غاز العادم المتزايدة الصرامة ، والتي كان لها منذ البداية تأثير قوي على التقدم في أنظمة وقود السيارات ، كان على المصممين في النهاية الانتقال إلى الحقن المباشر للبنزين. في أحدث الحلول ، وهي قليلة العدد حتى الآن ، تجمع بين نوعين من حقن البنزين - غير مباشر متعدد النقاط ومباشر.    

الحقن غير المباشر بنقطة واحدة

في أنظمة الحقن أحادية النقطة ، يتم تشغيل المحرك بواسطة حاقن واحد. يتم تثبيته عند مدخل مشعب السحب. يتم توفير الوقود تحت ضغط حوالي 1 بار. يختلط الوقود المتناثر مع الهواء أمام منافذ السحب للقنوات المؤدية إلى الأسطوانات الفردية.

يُمتص خليط الوقود والهواء في القنوات بدون جرعات دقيقة للخليط لكل أسطوانة. نظرًا للاختلافات في طول القنوات وجودة تشطيباتها ، فإن مصدر الطاقة للأسطوانات غير متساوٍ. لكن هناك أيضًا فوائد. نظرًا لأن مسار خليط الوقود والهواء من الفوهة إلى غرفة الاحتراق طويل ، يمكن أن يتبخر الوقود جيدًا عندما يسخن المحرك بشكل صحيح. في الطقس البارد ، لا يتبخر الوقود ، تتكثف الشعيرات على جدران المجمع وتذهب جزئيًا إلى غرفة الاحتراق على شكل قطرات. في هذا الشكل ، لا يمكن أن يحترق تمامًا في دورة العمل ، مما يؤدي إلى انخفاض كفاءة المحرك في مرحلة الإحماء.

والنتيجة هي زيادة استهلاك الوقود والسمية العالية لغازات العادم. الحقن بنقطة واحدة بسيط ورخيص ولا يتطلب أجزاء كثيرة وفوهات معقدة وأنظمة تحكم متقدمة. تؤدي تكاليف الإنتاج المنخفضة إلى انخفاض سعر السيارة ، وتكون عمليات الإصلاح بحقن نقطة واحدة سهلة. لا يستخدم هذا النوع من الحقن في محركات سيارات الركاب الحديثة. يمكن العثور عليها فقط في الطرز ذات التصميم المتخلف ، على الرغم من إنتاجها خارج أوروبا. أحد الأمثلة هو السمند الإيرانية.

فوائد

- تصميم بسيط

- انخفاض تكاليف الإنتاج والصيانة

- سمية منخفضة لغازات العادم عندما يكون المحرك ساخنًا

العيوب

- دقة الجرعات المنخفضة للوقود

- استهلاك وقود مرتفع نسبيًا

- سمية عالية لغازات العادم في مرحلة إحماء المحرك

- ضعف الأداء من حيث ديناميكيات المحرك

الحقن غير المباشر متعدد النقاط

امتداد للحقن غير المباشر أحادي النقطة هو الحقن غير المباشر متعدد النقاط مع حاقن في كل منفذ سحب. يتم تسليم الوقود بعد الخانق ، قبل صمام السحب مباشرة. تكون الحاقنات أقرب إلى الأسطوانات ، لكن مسار خليط الهواء / الوقود لا يزال طويلاً بما يكفي لتبخير الوقود في المحرك الساخن. من ناحية أخرى ، فإن مرحلة التسخين لديها ميل أقل للتكثف على جدران منفذ السحب ، حيث أن المسافة بين الفوهة والأسطوانة أقصر. في الأنظمة متعددة النقاط ، يتم توفير الوقود بضغط من 2 إلى 4 بار.

يمنح حاقن منفصل لكل أسطوانة المصممين إمكانيات جديدة تمامًا من حيث زيادة ديناميكيات المحرك وتقليل استهلاك الوقود وتقليل انبعاثات العادم. في البداية ، لم يتم استخدام أنظمة تحكم متقدمة ، وقامت جميع الفتحات بقياس الوقود في نفس الوقت. لم يكن هذا الحل هو الأمثل ، لأن لحظة الحقن لم تحدث في كل أسطوانة في اللحظة الأكثر فائدة (عندما اصطدمت بصمام السحب المغلق). فقط تطوير الإلكترونيات جعل من الممكن بناء أنظمة تحكم أكثر تقدمًا ، وبفضل ذلك بدأ الحقن في العمل بشكل أكثر دقة.

في البداية ، تم فتح الفتحات في أزواج ، ثم تم تطوير نظام حقن الوقود المتسلسل ، حيث يتم فتح كل فوهة بشكل منفصل ، في اللحظة المثلى لأسطوانة معينة. يتيح لك هذا الحل تحديد جرعة الوقود بدقة لكل شوط. يعد النظام التسلسلي متعدد النقاط أكثر تعقيدًا من نظام النقطة الواحدة ، وهو أكثر تكلفة في التصنيع وأكثر تكلفة في الصيانة. ومع ذلك ، فإنه يسمح لك بزيادة كفاءة المحرك بشكل كبير مع استهلاك أقل للوقود وسمية أقل لغازات العادم.

فوائد

- دقة الجرعات العالية للوقود

- استهلاك وقود منخفض

- احتمالات عديدة من حيث ديناميكيات المحرك

- سمية منخفضة لغازات العادم

العيوب

- تعقيد كبير في التصميم

- تكاليف إنتاج وصيانة عالية نسبيًا

حقن مباشر

في هذا المحلول ، يتم تثبيت الحاقن في الأسطوانة ويحقن الوقود مباشرة في غرفة الاحتراق. من ناحية أخرى ، يعد هذا مفيدًا للغاية ، حيث يتيح لك استبدال شحنة الوقود والهواء بسرعة كبيرة فوق المكبس. بالإضافة إلى ذلك ، يعمل الوقود البارد نسبيًا على تبريد تاج المكبس وجدران الأسطوانة جيدًا ، لذلك من الممكن زيادة نسبة الانضغاط والحصول على كفاءة أعلى للمحرك دون الخوف من طرق الاحتراق العكسي.

تم تصميم محركات الحقن المباشر لحرق خليط الوقود / الهواء الخفيف للغاية عند الأحمال المنخفضة للمحرك لتحقيق استهلاك منخفض للغاية للوقود. ومع ذلك ، فقد اتضح أن هذا يسبب مشاكل مع وجود فائض من أكاسيد النيتروجين في غازات العادم ، لإزالة ما هو ضروري لتثبيت أنظمة التنظيف المناسبة. يتعامل المصممون مع أكاسيد النيتروجين بطريقتين: عن طريق إضافة دفعة وتقليل الحجم ، أو عن طريق تثبيت نظام معقد من فوهات ثنائية الطور. تُظهر الممارسة أيضًا أنه مع الحقن المباشر للوقود ، فإن الظاهرة غير المواتية لرواسب الكربون في مجاري سحب الأسطوانات وسيقان صمام السحب (انخفاض في ديناميكيات المحرك ، زيادة في استهلاك الوقود).

هذا يرجع إلى حقيقة أن كلاً من منافذ السحب وصمامات السحب لا يتم غسلها بخليط وقود الهواء ، كما هو الحال مع الحقن غير المباشر. لذلك ، لا يتم غسلها بواسطة جزيئات الزيت الدقيقة التي تدخل نظام الشفط من نظام تهوية علبة المرافق. تتصلب شوائب الزيت تحت تأثير درجة الحرارة ، مما يؤدي إلى تكوين طبقة سميكة بشكل متزايد من الرواسب غير المرغوب فيها.

فوائد

- دقة جرعات عالية جدا للوقود

- إمكانية حرق المخاليط الخالية من الدهون

- ديناميكيات محرك جيدة جدًا مع استهلاك منخفض للوقود

العيوب

- تصميم معقد للغاية

- تكاليف إنتاج وصيانة عالية جدا

- مشاكل أكاسيد النيتروجين الزائدة في غازات العادم

- رواسب الكربون في نظام السحب

الحقن المزدوج - المباشر وغير المباشر

يستفيد تصميم نظام الحقن المختلط من كل من الحقن المباشر وغير المباشر. يعمل الحقن المباشر عندما يكون المحرك باردًا. يتدفق خليط الوقود والهواء مباشرة فوق المكبس ويتم استبعاد التكثيف. عندما يكون المحرك دافئًا ويعمل تحت حمولة خفيفة (قيادة ثابتة ، تسارع سلس) ، يتوقف الحقن المباشر عن العمل ويتولى الحقن غير المباشر متعدد النقاط دوره. يتبخر الوقود بشكل أفضل ، حاقنات نظام الحقن المباشر باهظة الثمن لا تعمل ولا تبلى ، يتم غسل صمامات السحب بخليط الوقود والهواء ، لذلك لا تتشكل الرواسب عليها. في حالة الأحمال العالية للمحرك (تسارع قوي ، قيادة سريعة) ، يتم تشغيل الحقن المباشر مرة أخرى ، مما يضمن تعبئة سريعة للغاية للأسطوانات.

فوائد

- جرعة وقود دقيقة للغاية

- تسليم مثالي للمحرك في جميع الظروف

- ديناميكيات محرك جيدة جدًا مع استهلاك منخفض للوقود

- لا يوجد رواسب كربونية في نظام السحب

العيوب

- تعقيد تصميم ضخم

- تكاليف إنتاج وصيانة عالية للغاية