همه چيز درباره سيستم پاشش سوخت و انژكتور خودرو
در هر پيشرانه‌ي احتراق داخلي مخلوطي از سوخت و هوا با ورود به محفظه‌ي احتراق و مشتعل‌شدن سبب توليد قدرت مي‌شود. براي دستيابي به بالاترين بازده پيشرانه فرآيند احتراق بايد به‌صورت كامل انجام شود. اگرچه اين امر در كلام ساده به‌انديشه متخصصين مي‌رسد، اما حقيقت اين است كه عوامل مختلفي در تحقق اين هدف تأثيرگذارند. يكي از عمده‌ترين آن‌ها نسبت دقيق سوخت به هوا است كه از طريق كنترل ميزان سوخت ورودي به محفظه‌ي احتراق كنترل مي‌شود. اگر نسبت سوخت از مقدار مشخصي بيشتر باشد، به دليل كمبود اكسيژن همه‌ي سوخت فرصت اشتعال نمي‌يابد، در نتيجه خودرو به‌سختي استارت مي‌خورد و در اصطلاح خفه مي‌كند. از سوي ديگر در صورتي كه نسبت سوخت از مقدار معيني كمتر باشد، باز هم خودرو روشن نمي‌شود. در هر دو حالت علاوه بر كاهش چشمگير بازدهي پيشرانه، به دليل احتراق ناقص گازهاي آلاينده‌ي زيادي به هوا وارد مي‌شود. به همين دليل كنترل دقيق نسبت سوخت به هوا امري حياتي و مهم در جهت افزايش بازدهي پيشرانه و حفظ محيط‌زيست است.
در گذشته پيشرانه‌هاي متخصصاتوري اشكالات زيادي براي كنترل نسبت سوخت به هوا داشتند. معضل اصلي اين بود كه پيشرانه‌هاي مجهز به يك متخصصاتور قادر به سوخت‌رساني برابر در سيلندرها نبودند و اغلب دورترين سيلندر نسبت به متخصصاتور سوخت كم‌تري نسبت به سيلندرهاي نزديك‌تر دريافت مي‌كرد كه اين امر موجب كاهش راندمان و افزايش آلايندگي مي‌شد. براي حل اين اشكال مهندسان رفته‌رفته پيشرانه‌هاي مجهز به دو متخصصاتور را طراحي كردند كه مي‌توانست تا حدودي اشكالات گذشته را حل نمايد، اما اشكال جديد هماهنگ‌سازي اين اجزا با يكديگر و مصرف سوخت بالا بود كه در نتيجه پيچيدگي و آلايندگي اين پيشرانه‌ها را افزايش مي‌داد. اين اشكالات طي سال‌ها سبب شد كه مهندسان به فكر طراحي مكانيزم‌هاي با راندمان بالا جهت كنترل ميزان دقيق سوخت بيفتند و درست در اين زمان سيستم پاشش سوخت/انژكتور متولد شد.
تاريخچه
براي دهه‌ها سيستم‌هاي متخصصاتوري استفاده‌ي گسترده‌اي در صنعت خودروسازي داشتند تا اينكه آلودگي هوا و كنترل نسبت سوخت به هوا به دغدغه‌اي براي خودروسازان و حاميان محيط‌زيست بدل شد. تاريخچه‌ي استفاده از سيستم پاشش سوخت به اوايل قرن بيستم ميلادي باز مي‌گردد. در سال ۱۹۰۲ ميلادي از اين سيستم تنها در پيشرانه‌ي هواپيماها استفاده مي‌شد. در اين سال يك خلبان فرانسوي به نام لئون لواواسور نسخه‌اي آزمايشي از اين سيستم را در پيشرانه‌ي هشت سيلندر آنتونت هواپيماي خود استفاده كرد كه به‌طور اتفاقي بعدها به اولين پيشرانه‌ي هشت سيلندر مورد استفاده در يك وسيله‌ي نقليه در طول تاريخ بدل شد. با آغاز جنگ‌هاي جهاني اول و دوم استفاده از اين سيستم در هواپيماها ادامه يافت و كم‌كم استفاده از آن عادي شد. ۲۳ سال بعد از لواواسور يك مهندس و مخترع سوئدي به نام يوناس هسلمن نسخه‌اي اوليه از سيستم پاشش سوخت مستقيم را در پيشرانه‌ي بنزيني خود استفاده كرد كه سبب مي‌شد در آخرين لحظه‌ي مرحله‌ي تراكم سوخت به درون محفظه‌ي احتراق تزريق شود.
در دهه‌ي ۱۹۴۰ ميلادي افراد فعال در حوزه‌ي مسابقات اتوموبيل‌راني اقدام به استفاده‌ي آزمايشي از سيستم پاشش سوخت در خودروهايشان كردند. در ابتدا از اين سيستم در مسابقات استقامتي و ركوردشكني سرعت استفاده شد. در دهه‌ي ۱۹۵۰ ميلادي مرسدس بنز با همكاري بوش سيستم پاشش سوخت مكانيكي را مورد استفاده قرار داد و در سال ۱۹۵۵ ميلادي استرلينگ ماس پشت فرمان مرسدس بنز 300SLR مجهز به سيستم پاشش سوخت بوش نشست و توانست فاتح مسابقات ميله ميليا شود (اين مسابقه به مسافت ۱۶۰۰ كيلومتر بين سال‌هاي ۱۹۲۷ تا ۱۹۵۷ برگزار مي‌شد).
اواخر دهه‌ي ۱۹۶۰ ميلادي تعدادي از خودروسازان اروپايي نظير پورشه، پژو، آئودي، بي‌ام‌و، استون مارتين، تريومف و فولكس‌واگن اقدام به استفاده‌ي آزمايشي از سيستم پاشش سوخت مكانيكي روي مدل‌هاي توليد انبوه كردند و اين روند تا اواسط دهه‌ي بعدي ادامه يافت. طي سال‌هاي بعدي ساير خودروسازان نيز براي استفاده از سيستم انژكتوري مجاب شدند و در طول اين سال‌ها مدل‌هاي بهينه‌تر و پيشرفته‌تري از اين سيستم تكامل يافت. سال ۱۹۹۰ ميلادي سوبارو جاستي آخرين خودروي مجهز به متخصصاتور بود كه در ايالات متحده‌ي آمريكا به توليد رسيد و در سال بعد مدل جديد آن به سيستم انژكتور مجهز شده بود.
اساس عملكرد
به‌طور خلاصه سيستم پاشش سوخت/انژكتور نازلي است كه سبب مي‌شود مقدار دقيق و معيني از سوخت به‌صورت غبار، پودر يا اتمي در آمده و داخل محفظه‌ي احتراق پاشيده شود. براي اين منظور، پردازشگر (ECU) و حسگرهاي پيچيده و متعددي مورد نياز است كه از طريق آن‌ها بتوان ميزان دقيق سوخت مورد نياز را اندازه‌گيري كرد. حسگرهاي تعبيه شده در اين سيستم تمامي پارامترهاي لازم جهت تعيين ميزان دقيق سوخت مورد نياز را با توجه به شرايط رانندگي به واحد پردازنده ارسال مي‌كنند، سپس پردازشگر با ارسال پالس الكتريكي به واحد كنترل كننده‌ي ميزان سوخت، مقدار دقيق سوخت مورد نياز پيشرانه را تنظيم مي‌كند.
اجزاي اصلي
برخلاف تصور اكثريت، سيستم پاشش سوخت مجموعه‌اي پيچيده از قطعات مختلف است كه در هماهنگي كامل با يكديگر عمل مي‌كنند. در ادامه به معرفي اجزاي اصلي اين سيستم و توضيح هر يك از آن‌ها مي‌پردازيم.
پمپ بنزين فشار بالا
اولين و اصلي‌ترين قطعه در سيستم پاشش سوخت، پمپ بنزين است. اين پمپ كه درون باك خودرو تعبيه شده است وظيفه‌ي تأمين جريان فشار بالاي سوخت و رساندن آن به نازل‌ها را برعهده دارد.
مسير سوخت
مجموعه‌اي از لوله‌ها است كه درون آن‌ها سوخت با فشار بالا جريان دارد. يك سر اين لوله‌ها به پمپ بنزين و سر ديگر آن‌ها به نازل‌ها متصل است. مسير سوخت يك مسير دو طرفه براي رفت و برگشت سوخت اضافي از نازل‌ها است.
تنظيم‌كننده / رگلاتور
اين قطعه روي مسير سوخت و قبل از نازل‌ها قرار مي‌گيرد. وظيفه‌ي آن تنظيم فشار سوخت مورد نياز نازل‌ها است. اين فشار در پيشرانه‌هاي مختلف و در شرايط رانندگي متفاوت تغيير مي‌كند.
نازل
نازل قلب سيستم پاشش سوخت و صحنه‌ي نمايش نبوغ مهندسي و تكنولوژي است. به‌طور ساده نازل قطعه‌اي كوچك است كه درون آن شيري سوزني تعبيه شده و وظيفه‌ي كنترل جريان سوخت و اسپري كردن آن را برعهده دارد. به‌طور معمول در ۱۰۰۰ دور بر دقيقه عملكرد پيشرانه فاصله‌ي هر دو اسپري سوخت متوالي ۵ ميلي ثانيه است. با توجه به نوع كنترل حاكم بر نازل دو نوع كلي از سيستم پاشش سوخت ابداع شده است. اگر كنترل نازل به‌صورت مكانيكي صورت پذيرد، سيستم از نوع مكانيكي و اگر به‌صورت الكترونيكي انجام شود، از نوع الكترونيكي است. سيستم انژكتور مكانيكي از اولين نمونه‌هاي معرفي‌شده‌ي اين سيستم است كه رفته‌رفته جاي خود را به سيستم پاشش سوخت الكترونيكي داده است.
حسگرها
همان‌طور كه پيش‌تر ذكر شد، واحد پردازنده‌ي خودرو براي كنترل و تعيين ميزان سوخت مورد نياز در هر لحظه بايد حجم زيادي از اطلاعات دريافتي از حسگرهاي مختلف را پردازش كند. در ادامه مهم‌ترين حسگرهاي موجود در سيستم پاشش سوخت معرفي مي‌شوند.
حسگر جريان جرمي هوا
اين حسگر ميزان جرم هواي ورودي به پيشرانه را در اختيار پردازشگر قرار مي‌دهد.
حسگر اكسيژن
ميزان اكسيژن موجود در اگزوز را اندازه مي‌گيرند تا پردازنده تشخيص دهد كه نسبت هوا به سوخت در پيشرانه در چه وضعيتي قرار دارد و در صورت نامناسب بودن تغييرات لازم را به‌سرعت اعمال كند.
حسگر تشخيص موقعيت دريچه‌ي هوا
اين حسگر به‌طور لحظه‌اي ميزان باز و بسته‌شدن دريچه‌ي هوا را اندازه‌گيري مي‌كند تا پردازنده به‌صورت لحظه‌اي از ميزان هواي ورودي به پيشرانه مطلع شده و ميزان سوخت مورد نياز را تنظيم كند.
حسگر دماي آب
اين حسگر ميزان دماي آب خنك‌كننده را اندازه‌گيري مي‌كند تا واحد پردازنده از عملكرد پيشرانه در دماي بهينه مطلع شود.
حسگر ولتاژ
ميزان ولتاژ سيستم برق خودرو را زير انديشه متخصصين دارد تا در صورت افت ولتاژ واحد پردازنده زمان بين اسپري سوخت را افزايش دهد.
حسگر فشار مطلق دريچه‌ي هوا
ميزان فشار هوا در دريچه‌ي ورود هوا به سيلندر را كنترل مي‌كند. ميزان هواي ورودي به پيشرانه نشانگر خوبي براي تعيين ميزان قدرت خروجي پيشرانه در هر لحظه است. هر قدر ميزان هواي ورودي به سيلندر بيشتر باشد، فشار مطلق كمتر است و در نتيجه تشخيص ميزان قدرت خروجي پيشرانه ميسر مي‌شود.
حسگر سرعت پيشرانه
سرعت شفت خروجي پيشرانه را اندازه‌گيري مي‌كند كه يكي از فاكتورهاي تعيين‌كننده‌ي فاصله‌ي بين هر دو اسپري سوخت است.
چرخه‌ي عملكرد
پمپ فشار بالاي تعبيه‌شده در باك خودرو بنزين را تحت فشار بالا (حدود ۶۹ نيوتن بر سانتي‌متر مربع) به يك منبع ذخيره‌ي موقت ارسال مي‌كند. اين منبع وظيفه‌ي متعادل‌سازي اختلاف فشار و كم رنگ كردن حالت پالسي پمپ را بر عهده دارد تا سوخت به‌طور پيوسته و با فشار ثابت به نازل‌ها برسد. سوخت فشار بالا از منبع خارج و از يك فيلتر كاغذي عبور مي‌كند تا ناخالصي‌هاي موجود در آن گرفته شده و مانع گرفتگي در نازل‌ها نشود. پس از اين مرحله سوخت فشار بالا به واحد كنترل ميزان سوخت وارد مي‌شود كه وظيفه‌ي كنترل ميزان جريان سوخت عبوري را بر عهده دارد. در بيشتر پيشرانه‌ها اين قطعه زير دريچه‌ي هواي ورودي به پيشرانه تعبيه شده است. در نمونه‌هاي الكترونيكي، اين قطعه به‌طور مستقيم تحت فرمان واحد كنترل مركزي خودرو (ECU) قرار دارد و در نمونه‌هاي مكانيكي با توجه به ميزان فشرده شدن پدال گاز و باز شدن دريچه‌ي هوا ميزان عبور سوخت را از طريق يك شير پروانه‌اي كنترل مي‌كند. هر چه دريچه‌ي هوا بازتر شود اين شير نيز ميزان بيشتري از سوخت را عبور مي‌دهد. در بعضي از پيشرانه‌ها پس از اين مرحله يك رگلاتور قرار دارد كه فشار سوخت عبوري را درست قبل از رسيدن به نازل‌ها تنظيم مي‌كند.
در نهايت سوخت با فشار و ميزان معين به نازل‌ها مي‌رسد. همان‌طور كه پيش‌تر اشاره شد، نازل‌ها از لحاظ عملكرد خود به دو دسته‌ي مكانيكي و الكترونيكي تقسيم‌بندي مي‌شوند كه البته اساس عملكرد هر دو نوع يكسان است. با رسيدن سوخت به نازل، به‌طور پيوسته يا پالسي سوخت درون سيلندر يا دريچه‌ي ورود هوا تزريق مي‌شود و موجب كاركرد صحيح و متناسب پيشرانه مي‌گردد. با توجه به احتمال تغيير ناگهاني شرايط رانندگي، يك خط لوله‌ي بازگشت سوخت از واحد كنترل ميزان عبور سوخت به سمت پمپ بنزين و باك خودرو در انديشه متخصصين گرفته مي‌شود كه وظيفه‌ي انتقال ميزان اضافي سوخت را بر عهده دارد.
انواع سيستم پاشش سوخت
دسته‌بندي انواع سيستم پاشش سوخت از جهات مختلف امكان‌پذير است كه در اين بخش به مطالعه انواع آن‌ها مي‌پردازيم.
تقسيم‌بندي بر اساس نوع نازل
مكانيكي
از دهه‌ي ۶۰ ميلادي كه استفاده از سيستم انژكتوري در خودروها رايج شد، استفاده از نازل‌هاي كنترل مكانيكي در خودرو آغاز شد. ساختمان اين نازل‌ها بسيار شبيه نازل‌هاي كنترل الكترونيكي بوده و تنها تفاوت در نحوه‌ي باز شدن شير سوزني نازل است. در نازل‌هاي مكانيكي يك فنر وظيفه‌ي بسته نگه‌داشتن شير سوزني را بر عهده دارد كه تنها با رسيدن فشار سوخت به حد معيني اين فنر جمع شده و سوزن از روي خروجي نازل فاصله مي‌گيرد و سوخت با فشار به‌صورت ذرات كوچك از انتهاي نازل خارج مي‌شود. اين نازل‌ها در خودروهاي قديمي‌تر مورد استفاده واقع مي‌شدند و امروزه جاي خود را به نمونه‌هاي الكترونيكي داده‌اند.
الكترونيكي
نازل‌هاي مجهز به كنترل الكترونيكي نيز به سوزني مشابه نمونه‌هاي مكانيكي مجهزند و تنها تفاوت وجود يك لايه‌ي الكترومغناطيسي براي كنترل سوزن در آن‌ها است. با اعمال جريان الكتريكي به لايه‌ي الكترومغناطيسي سوزن به سمت بالا حركت مي‌كند و سبب باز شدن خروجي نازل مي‌شود.
تقسيم‌بندي بر اساس محل تزريق سوخت
مستقيم
در سيستم پاشش سوخت مستقيم نازل سوخت را درون محفظه‌ي احتراق (سيلندر) تزريق مي‌كند. اين سيستم معمولا در پيشرانه‌هاي ديزلي مورد استفاده قرار مي‌گيرد. در اين پيشرانه‌ها به دليل نسبت تراكم بالا دماي هواي محبوس در سيلندر به‌شدت افزايش مي‌يابد و سوخت تزريق شده درون سيلندر خودبه‌خود آتش گرفته و عمل احتراق رخ مي‌دهد. تزريق مستقيم سوخت سبب افزايش راندمان پيشرانه، كاهش مصرف سوخت و آلايندگي و همچنين كاهش حجم پيشرانه بدون فداكردن قدرت توليدي مي‌شود.
در سال‌هاي اخير پيشرفت‌هاي تكنولوژي سبب شده شركت بوش از نمونه‌ي قابل استفاده در پيشرانه‌هاي بنزين‌سوز پرده‌برداري كند كه نويدبخش آينده‌اي روشن‌تر براي پيشرانه‌هاي احتراق داخلي است.
غير مستقيم
در سيستم پاشش سوخت غيرمستقيم، نازل‌ها سوخت را درون دريچه‌ي هواي ورودي پيشرانه يا محفظه‌ي پيش احتراق تزريق مي‌كنند. اين كار جهت مخلوط شدن بهتر تركيب سوخت و هوا صورت مي‌گيرد كه نتيجه‌ي آن احتراق بهتر و در نتيجه توليد قدرت بيشتر در كنار آلايندگي كمتر است.
در سيستم‌هاي تزريق غيرمستقيم محل تزريق سوخت مي‌تواند سبب دسته‌بندي مجزايي شود. براي مثال در بعضي پيشرانه‌ها سوخت تنها در محل دريچه‌ي ورود هوا تزريق مي‌شود در حالي‌كه در سيستم‌هاي جديدتر براي هر دو سيلندر يك نازل وجود دارد يا دريچه‌ي ورود هواي هر سيلندر خود مجهز به يك نازل است كه مي‌تواند سبب كنترل بهتر تزريق سوخت و بهره‌وري بالاتر شود.
ايرادات معمول سيستم پاشش سوخت
با خاموش شدن خودرو مقداري سوخت درون نازل باقي مي‌ماند. با توجه به دماي بالاي پيشرانه و عدم گردش هوا و آب درون پيشرانه در اين حالت، سوخت باقي‌مانده در نازل تبخير مي‌شود و به‌مرور زمان سبب تشكيل رسوبات چسبنده مي‌گردد. اين رسوبات مي‌توانند سوراخ خروجي نازل را مسدود كرده و مانع از عملكرد صحيح آن‌ها و در نتيجه كاركرد نامناسب خودرو گردند. اين اتفاق در خودروهايي كه در مسافت‌هاي كوتاه حركت مي‌كنند و با تناوب بيشتري روشن و خاموش مي‌شوند شايع‌تر است.
اشكال شايع ديگر ضعيف شدن قطعه‌ي الكترومغناطيس تعبيه‌شده در نازل‌هاي الكترونيكي است. با گذشت زمان و كاركرد خودرو اين قطعه ضعيف شده و ديگر قادر به حركت دادن مناسب شير سوزني نخواهد بود؛ در نتيجه پاشش سوخت با اشكال مواجه مي‌شود. براي تشخيص اين اشكال از اهم‌متر كمك گرفته مي‌شود.
اشكال شايع سوم وجود نشتي در نازل است. اين اشكال به‌دليل بسته‌نشدن كامل شير سوزني رخ مي‌دهد كه نتيجه‌ي آن افزايش مصرف سوخت و كاهش فشار در مسير سوخت است. كاهش فشار سوخت خود سبب افزايش فشار كاركرد بر پمپ بنزين و عدم پاشش مناسب سوخت در ساير نازل‌ها مي‌شود.
هم انديشي ها