تاریخچه سوخت پاش الکترونیکی
در اواخر 1950 شرکت کرایسلر تعدادی خودروی انژکتوری با سیستم الکترونیکی تولیدکرد و این طرح را « بندیکس الکتروژکتور » نامید .
طرح کرایسلرگسترش زیادی نیافت تا ایتکه اختراعات تازهای در صنعت الکترونیک رخداد و ترانزیستورها و دیودها ، تحولی در مدارهای الکترونیک ایجاد کردند.
در 1968 شرکت فولکس واگن نمونه جالبی از این سیستم را که توسط شرکت بوش ساخته شده بود روی موتورهای خودنصب کرد .
از دهه 70 میلادی به این سو ، کارخانه های خودرو سازی شروع کردند به جایگزینی سیستم سوخت پاش انژکتوری به جای کاربراتوری .
دلیل این کار تقاضای خریداران در جوامع گوناگون بود .خریدار خواستار توان بالا مصرف کمتر سوخت گشتاور بهتر ( در دورهای کم و درترافیک ) و کارکرد بی صداتر و نرم تر موتور است وجوامع با توجه به مسئله محیط زیست و آلودگی هوا خواستار خروج گازهایی با آلیندگی کمتر از اگزوز خودروها بودند .
سیستمهای سوخت رسانی انژکتوری تقریباً تمامی این نیازها رابرآورده می سازد .
بر اساس اختلاف در روش تعیین مقدار سوخت تزریقی، سیستم EFI به دو گروه عمده تقسیم می شود : در نوع اول که از مدارهای آنالوگ استفاده می کند ، حجم پاشش سوخت بر اساس شارژ و دشارژ خازن تعیین می شود .
در نوع دوم که از ریز رایان استفاده می کنند میزان تزریق با توجه به اطلاعات ذخیره شده تعیین می شود .
اساس هر دو مدار یکی است و تنها چند تفاوت در برخی موارد ( دقت و دامنه های کنترل ) بین آنها وجود دارد .
EFI چیست ؟
خودروها در دورهای مختلف یکی از دو سیستم زیر را برای تامین مخلوط مناسب هوا – سوخت برای سیلندر ها استفاده می کنند :
1- کاربراتور
2- سیستم سوخت پاش الکترونیکی ( EFI )
در هر دو سیستم ، حجم هوای ورودی که با توجه به زاویه دریچه گاز و دور موتور تغییر می کند اندازه گیری شده و هر دو سیستم نسبت صحیحی از سوخت – هوا رابرای سیلندر تهیه می کنند .
در گذشته کابراتور به دلایل سادگی ساختار خود به طور گسترده در موتورهای بنزینی مورد استفاده قرار می گرفت .
امروزه باتوجه به خواسته هایی نظیردوداگزوزتمیزتر ، مصرف سوخت کمتر و ...
کاربراتور ها باید به تجهیزات دیگری مجهز شوند که در نتیجه سیستم ساده قبلی تا حدودی پیچیده خواهد شد .
به همین علت به جای کاربراتور از سیستم سوخت پاش الکترونیکی ( EFI ) استفاده شد که در حالات مختلف رانندگی ، نسبت صحیح هوا – سوخت را از طریق تزیق الکترونیکی سوخت کنترل می کند .
امروزه سیستمهای انژکتوری دارای کنترل الکترونیکی بسیار توسعه یافته اند مدل های مختلف سیستم انژکتوری عبارتند از :
SPI(SINGLE POINT INJECTION) :
در این سیستم سوخت توسط یک یا 2 انژکتور در محفظه دریچه گار ( throttle body ) پوشیده می شود .
MPI( Multi point injection ) :
در این سیستم برای هر سیلندر یک انژکتور به کار می رود .
GDI( Gasoline direct injection ) :
در این سیستم سوخت مستقیماً به داخل محفظه احتراق تزریق می شود .
مقایسه سوخت پاش الکترونیکی و کاربراتور کاربراتور و سوخت پاش الکترونیکی دو وظیفه عمده دارند : مخلوط کردن سوخت و هوا با نسبتی معین ارسال مخلوط سوخت – هوا با اندازه گیری دقیق بر حسب شرایط کارکرد موتور جدول شماره 1 نسبت سوخت و هوا را در شرایط مختلف نشان می دهد .
گرچه نتیجه نهایی کارکرد کاربراتور و سوخت پاش الکترونیکی یکی است ولی روشی که در هر یک برای اندازه گیری میزان هوای ورودی و تامین سوخت استفاده می شود متفاوت است .
تامین مخلوط سوخت – هوا کاربراتور : دور آرام حجم هوای ورودی مطابق باتغییرات فشار در خلاء نزدیک یک دریچه گاز اندازه گیری می شود و میزان کمی سوخت به سمت سیلندرها کشیده می شود .
در عملکرد عادی حجم هوای ورودی توسط « خلا و نتوری » اندازه گیری شده و مقدار مناسبی سوخت به « نازل اصلی و نتوری » کشیده می شود .
انژکتور : مکانیزم اندازه گیری حجم هوای ورودی در سیستم EFI با مکانیزم کاربراتوری تفاوت دارد .
حجم هوای ورودی توسط « حسگر هوای ورودی » اندازه گیری شده و سیگنال مناسبی را به « واحد کنترل الکترونیکی » ( ECU) ارسال می کند .
ECU با توجه به سیگنال حجم هوای ورودی و سیگنال دور موتور سیگنالی خاص به انژکتور ها می فرستد تا مقدار صحیحی از سوخت ( سوخت پر فشار توسط پمپ بنزین ) را به ورودی هر سیلندر تزریق کنند .
شرایط رانندگی و نسبت سوخت – هوا زمان استارت به هنگام استارت ، برای بهتر روشن شدن موتور به ویژه در دمای پایین سوخت غنی تری نیاز است زیرا هوادر دمای پایین غلیظ تر بوده و سوخت براحتی تبخیر نمی شود .
کاربراتور : وقتی هوا سرد است دریچه ساسات کاملاً بسته نمی شود تا به تهیه مخلوط غنی کمک کند پس از روشن شدن موتور دریچه ساسات کم کم بازمی شود تا از ایجاد مخلوط بسیار غنی جلوگیری شود .
انژکتور : باروشن شدن موتور گردش موتورتوسط سیگنال ارسالی از استاتر حس شده و مخلوط غنی تری تامین می شود .
همچنین یک انژکتور اضافی به نام« انژکتور استارت سرد » ( در بعضی مدل ها ) در زمانی که دما پایین است عمل می کند و حجم سوخت تزیقی را افزایش می دهد .
این انژکتور برای بهتر روشن شدن موتور طراحی شده است .
کارکرد موتور در هوای سرد تبخیر سوخت در موتور سرد بسیار ضعیف است لذا به هنگام استارت باید مخلوط سوخت – هوا غنی تر شود .
کاربراتور : در موتورهای کاربراتوری ساسات می بایستی مخلوط سوخت – هوای غنی تری را تهیه کند .
وقتی هوا سرد است ساسات به صورت دستی یا خودکار عمل کرده و دریچه ورود هوا را می بندد تا مخلوط سوخت – هوا غنی تر شود .
در سیستم دستی ، راننده پس از گرم شدن موتور می بایستی دریچه ساسات را باز کند .
در سیستم خودکار دریچه ساسات توسط یک ترموستات به حالت عادی بر می گردد .
انژکتور : دمای آب توسط حسگر دمای آب اندازه گیری می شود .
این حسگر ترمیستوری است ( نوعی نیمه هادی ) که مقاومتش با تغییرات دمای آب تغییر می کند .
دمای مایع خنک کننده به سیگنالی الکتریکی تبدیل شده و به ECU ارسال می شود .
ECU مخلوط سوخت – هوا رامتناسب با این سیگنال غنی می کند .
هنگام شتابگیری وقتی خودرو شتاب می گیرد حجم هوا به سرعت افزایش می یابد اما چون سوخت از هوا سنگین تر است تاخیر کوتاهی در تهیه آن ایجاد می شود .
کاربراتور : برای جلوگیری از رقیق شدن مخلوط هوا- سوخت به هنگام شتابگیری از یک سیستم شتاب دهنده استفاده شده است .
وقتی دریچه گاز از حالت کاملاً بسته باز می شود میزان مشخصی سوخت با هدف جبران تاخیر در تهیه سوخت از طریق مسیری مخصوص تزریق می شود .
انژکتور: در سیستم EFI تغییر خاصی در هنگام شتابگیری رخ نمی دهد .
سوخت پاش الکترونیکی فوراً سوخت را با فشاری معین و متناسب با حجم هوای ورودی پاشش می کند ( بدون تاخیر در تهیه سوخت ) هنگام رانندگی با قدرت بالا ( تحت بار ) به هنگام رانندگی با سرعت ثابت در جاده ای تخت ، از سوختی بهینه ( نسبت مناسب سوخت – هوا ) استفاده می شود اما وقتی سرعت افزایش می یابد ( مثلاً هنگام سبقت ) بار اضافه ای به موتور تحمیل خواهد شد .
در این حالت مخلوط رقیق می شود و توان مناسبی راتامین نمی کند در چنین مواقعی به مخلوط غنی تری نیاز است تا توان کافی فراهم شود .
کاربراتور : در موتورهای کاربراتوری این عمل توسط « مدار قدرت » انجام می شود این مدار اضافه بار موتور را توسط خلا منیفولد حس می کند .
وقتی خلاء کاهش می یابد حجم تزریقی بیشتر می شود تا سوخت اضافی برای موتور تهیه شود .
انژکتور: اضافه بار موتور از طریق زاویه باز بون دریچه گاز مشخص شده و توسط « حسگر دریچه گاز » یه سیگنال الکتریکی تبدیل می شود .
هنگامی که زاویه افزایش می یابد حجم تزیق بیشتر می شود تا سوخت اضافی در حالت تمام بار به موتور ارسال شود .
خصوصیات سوخت پاش الکترونیکی EFI در مقایسه با کاربراتور از مزایای زیر برخوردار است : توزیع یکسان سوخت در هر سیلندر بزرگ ترین مشکل موتورهای بنزینی کاربراتوری تقسیم غیر یکنواخت سوخت بین سیلندرهای موتور است .
برای توجیه این مشکل می توان ناصافی دیواره های داخلی منیفولد ، طول ناهمسان شاخه ها وجود پیچ و خم و اینرسی موجود در گاز را دلیل آورد .
سوختی که دارای اینرسی زیاد باشد در مقایسه با هوا کندتر حرکت می کند وتمایل به چرخش در پیچ و خم های منیفولد ندارد.
این حالت باعث می شود سوخت غنی تر که ذرات درشت تری دارد به حرکت مستقیم خود ادامه داده و سیلندرهای انتهایی را پر کند .
این خاصیت باعث می شود تا سیلندر های انتهایی سوخت غنی تر را دریافت کرده و احتراق ناقص انجام دهد ، اماسیلندرهای ابتدایی با کمبود سوخت رو به رو می شوند روش سوخت رسانی تزریقی این مشکل اساسی را حل کرده و باتزریق یکنواخت به سر سوپاپ ها توزیع سوخت را به طور یکسان انجام می دهد .
نسبت دقیق سوخت – هوا در تمام دورهای موتور نازل کاربراتور ، نمی تواند به طور دقیق نسبت سوخت – هوا را در تمام دورهای موتور کنترل کند .
بنابراین کنترل بین سیستم آرام ، سیستم با سرعت پایین و ...
تقسیم می شود .
در این تغییرات مخلوط سوخت – هوا باید غنی باشد .
به همین علت اگر در هر یک از مراحل یادشده مخلوط سوخت غنی نباشد .
حالتی غیر طبیعی در موتور ایجاد می شود .
به دلیل توزیع نا مناسب سوخت بین سیلندرها مخلوط سوخت – هوا باید نسبتاً غنی باشد .
در سیستم EFI مخلوط سوخت – هوای دقیق و متناوب بدون توجه به سرعت و بار موتور آماده می شود .
این حالت بر میزان آلایندگی دود خروجی از اگزوز و مصرف بهینه سوخت ، تاثیر بسزایی دارد .
پاسخ به موقع و متناسب با تغییرات زاویه دریچه گاز در سیستم های کاربراتوری از محل تزریق سوخت تا سیلندر مسافتی نسبتاً طولانی وجود دارد که به دلیل اختلاف زیاد چگالی سوخت هوا باعث تاثیر در ورود سوخت به سیلندر می شود با استفاده از سیستم EFI منبع تزریق نزدیک سیلندر قرار دارد و بنزین با فشاری تقریباً برابر با 200 تا 300 Kpa (28 تا 43 psi ) بیشتر از فشار منیفولد فشرده می شود .
این سوخت فشرده به دلیل پاشش حفره ای کوچک براحتی به بخار تبدیل می شود در نتیجه متناسب باباز و بسته شدن دریچه گاز حجم سوخت تزریقی همزمان با تغییرات حجم هوای ورودی تغییر می کند .
بنابراین میزان سوخت – هوای ورودی به سیاندرها با تغییر دریچه گاز تغییر کرده و به طور مختصر می توان گفت که پاسخ خوبی در ارتباط با تغییرات پدال گاز ایجاد می شود .
تصحیح مخلوط سوخت – هوا الف- جبران در دمای پایین روشن شدن موتور در هوای سرد بهتر می شود زیرا هنگام استارت زدن ، انژکتور استارت سرد نه تنها بنزین تبخیر شدهرا تزریق می کند ، بلکه هوای کافی نیز به درون کشیده می شود .
ب- قطع سوخت به هنگام شتاب منفی حین شتاب منفی به رغم بسته بودن دریچه گاز دور موتور بالاست در نتیجه از حجم هوای ورودی کاسته شده و خلاء منیفولد قوی تر می شود در کاربراتور به دلیل افزایش ناگهانی خلاء منیفولد ، بنزین چسبیده به دیواره منیفولد بخار شده و وارد سیلندر می شود .
در نتیجه مخلوط هوا ، سوخت غنی تر شده و باعث افزایش احتراق ناقص و ایجاد بنزین نسوخته ( HC ) در دود خروجی از اگزوز می شود .
در موتورهای مجهز به EFI وقتی دریچه گاز بسته می شود و یا دور موتور از حد مشخصی بالاتر می رود .
تزریق سوخت قطع می شود .
لذا غلظت HC در خروجی کاهش یافته و مصرف سوخت نیز کمتر می شود .
انواع EFI سیستم های EFI متناسب با روش اندازه گیری حجم هوای ورودی به دو نوع تقسیم می شوند : D-EFI و L- EFI 1- D-EFI ( کنترل فشار منیفولد ) در این سیستم خلاء منیفولد اندازه گیری شده و حجم هوا بر اساس غلظتش تعیین می شود.
2- L-EFI ( کنترل هوای ورودی ) در این سیستم حجم هوای ورودی به منیفولد توسط اندازه گیری حجم هوا حس می شود .
توضیح مخفف D-EFI به عنوان D-jetronic اشاره دارد که نشانه شرکت « بوش » است .
D-jetronic واژه ای مرکب از لغت آلمانی Druch به معنای « فشار » واژه hetronic لغتی است که توسط بوش به معنی « تزریق » ابداع شده است .
مخف L-EFI نیز به L- jetronic اشاره دارد که L آن از لغت آلمانی Luft به معنای هوا گرفته شده است .
علاوه بر دو نوع EFI اشاره شده نوع دیگری به نام K- jetronic وجود دارد که استفاده از آن در اروپا متداول است .
این سیستم در واقع نوعی کنترل کننده حجم هوای ورودی است اما بر خلاف EFI کنترل مخلوط سوخت – هوا را به طور مکانیکی انجام می دهد و تزریق سوخت از آن مداوم است .
ساختار اصلی سوخت پاش الکترونیکی EFI به سه سیستم اصلی تقسیم می شود : سیستم کنترل الکترونیک ، سیستم سوخت و سیستم ورود هوا ( نمودار 1 راببینید ) عملکرد EFI را می توان به دو بخش « کنترل تزریق مبنا » و « کنترل های تصحیح کننده » تقسیم کرد .
ابتدا دو عملکرد کنترل تزریق مبنا و کنترل تصحیح کننده را مورد بررسی قرار می دهیم .
کنترل تزریق مبنا ( نسبت نظری سوخت ) کنترل تزریق مبنا تناسب بهینه ای ( نسبت نظری ) از سوخت و هوا راتعین می کند .
برای انجام این عمل اگر افزایشی در حجم هوای ورودی حاصل شود حجم سوخت تزریقی کاهش می یابد .
جریان هوا وقتی دریچه گاز باز می شود هوااز طریق فیلتر اندازه گیر جریان هوا دریچه گاز و منیفولد ورودی در سیلندرها جاری می شود به هنگام جریان هوا در اندازه گیر، هوا صفحه آن را با فشار باز می کند .
حجم هوا با میزان باز شدن این صفحه اندازه گیری می شود .
جریان سوخت پمپ بنزین برقی ، سوخت را پرفشار کرده و از طریق فیلتر وارد انژکتورها می شود .
برای هر سیلندر ، یک انژکتور وجود دارد که تنها هنگامی که عمل پاشش را انجام می دهد که « ششیر سولنوئیدی » آن باز شود .
ازآنجا که فشار سوخت توسط رگلاتور فشار ثابت می ماند .
حجم تزریقی باتغییر زمان پاشش ، کنترل می شود .
بنابراین وقتی حجم هوای ورودی کم است مدت زمان پاشش کوتاه بوده و هنگامی که این حجم زیاد می شود مدت پاشش افزایش می یابد .
اندازه گیری حجم هوای ورودی دریچه گازحجم هوای ورودی به موتور را کنترل می کند .
این دریچه هر چه بازتر باشد حجم هوای بیشتری وارد سیلندر می شود .
در سرعت های پایین جریان هوا کم بوده و صفحه اندازه گیر اندکی باز می شود .
در سرعت های بالا و تحت بار ، جریان هوا بیشتر شده و میزان بار شدن صفحه افزایش می یابد .
کنترل حجم تزریق مبنا حجم هوایی که توسط اندازه گیر جریان هوا اندازه گیری می شود ، به ولتاژ تبدیل شده و به صورت سیگنال به ECU ارسال می شود .
سیگنال مدار اولیه احتراق ( دو موتور ) نیز از کوئل به ECU فرستاده می شود .
ECU میزان سوخت مورد نیاز برای مقدار هوای ورودی را محاسبه می کند .
سپس هر انژکتور عمل تزریق را به میزان لازم انجام می دهد .
وقتی شیر سولنوئیدی انژکتور باز می شو سوخت به منیفولد ورودی تزریق خواهد شد .
تنظیم زمان ومدت پاشش میزان دور موتور یا توسط سیگنال ارسالی از کوئل و یا از طریق حسگر دور موتور مشخص می شود .
این امر باعث می شود تا انژکتورها با هر چرخش میللنگ عمل تزریق را انجام دهند .
یک موتور چهار زمانه دارای چهار مرحله مکش ، تراکم ، احتراق و تخلیه است که با هر 2 دور میل لنگ ، چرخه آنها کامل می شود .
زمان هر پاشش تنها نیمی از زمان مورد نیاز است یعنی در 2 مرحله پاشش میزان سوخت لازم برای هر چرخه مهیا می شود .
توضیح : در این مرحله پاشش سوخت همزمان توضیح داده شد که در آن هر انژکتور با 2 بار پاشش سوخت مورد نیاز یک چرخه راتامین می کند .
در واقع چندین نوع تزریق وجود دارد : تزرسیق 2 تایی ، تزریق مستقل و ...
چکیده : ECU با توجه به دور موتور و حجم هوای ورودی میزان تزریق سوخت را به انژکتورها فرمان می دهد و مخلوط هوا – سوخت درون منیفولد ورودی شکل می گیرد .
عبارت « حجم تزریقی مبنا » بیانگر مقدار سوختی است که می بایستی تزریق شود تا نسبت نظری مخلوط حاصل شود .
تصحیح میزان تزریق تا کنون ، عملکرد اصلی قطعات را برای بدست آوردن نسبت نظری سوخت – هوا تشریح کرده ایم .
در تمام شرایط موتور با این میزان سوخت عمل نخواهد کرد زیرا موتور خودرو تحت شرایط مختلفی قرار می گیرد و به تجهیزات تصحیح کننده ای نیاز است تا نسبت سوخت – هوا را در هر حالت تغییر دهد .
مثلاً وقتی موتور سرد بوده یا تحت بار قرار گرفته است به مخلوط غنی تری نیاز دارد .
سیستم EFI نسبت سوخت به هوا را متناسب با شرایط مختلف تغییر می دهد .
کاربراتور نیز نسبت رااز طریق ساسات و سیستم قدرت انجام می دهد .
دو روش برای تصحیح مخلوط سوخت – هوا وجود دارد : یکی « کنترل غنی سازی » است که درآن ECU حجم پاشش را افزایش می دهد و دیگری تجهیزات کمکی است که همین عملکرد را بدون دخالت ECU انجام می دهند .
اصلاح مقادیر از طریق چندین حسگر ( دمای آب ، دمای هوای ورودی و ...
) اطلاعات مختلفی درباره حالت موتور ، حجم هوای ورودی و دور موتور ، به ECU ارسال می شود .
ECU از توانایی افزایش سوخت بر اساس اطلاعات دریافتی برخوردار است .
به بیانی دیگر بر اساس شرایط کارکرد موتور اگر مقدار هوا ثابت باشد می توان سوخت انژکتور هارا کمک یا زیاد کرد .
تجهیزات کمکی : در بعضی مدل ها دو وسیله کمکی برای تصحیح نسبت سوخت – هوا وجود دارد انژکتور استارت سرد دریچه هوا ( مسیر اضافی برای ورود هوا ) اجزای EFI اجزای سیستم EFI را می توان بر اساس عملکرد شان همراه با تجهیزات کمکی ، به قسمت های زیر تقسیم کرد : سیستم سوخت رسانی این سیستم وظیفه رساندن سوخت به موتور را بر عهده داشته و شامل : باک بنزین ، پمپ بنزین ، فیلتر بنزین ، مسیراگر نوسان ، رگلاتور فشار ، انژکتورها ، انژکتور استارت سرد و ...
است .
سیستم ورود هوا این سیستم مقدار مناسبی از هوا را برای احتراق مهیا کرده باشد و شامل : فیلتر هوا ، اندازه گیر جریان هوا ، دریچه گاز ، دریچه هوا و ...
سیستم کنترل الکترونیک این سیستم از حسگرهای مختلفی نظیر : اندازه گیر جریان هوا ، حسگر دمای آب ، پتانسیومتر دریچه گاز و حسگر دمای هوای ورودی تشکیل شده است .
ECU با استفاده از این حسگرها مدت زمان عملکرد انژکتور را تعیین می کند .
گذشته از این اجزا رله اصلی برق را به ECU ویل می کند .
تایمر نیز مدت زمان عملکرد انژکتور استارت سرد را کنترل کرده و یک مدار نیز روشن شدن پمپ را کنترل می کند .