ما هي تقنية الحقن المباشر للبنزين (GDI)؟ وما هي مزاياها؟

تقنية الحقن المباشر للوقود بالبنزين (GDI)/(FSI) تقنية الحقن الطبقي للوقود هي طريقة حقن الوقود الطبقي التي تحقن الوقود مباشرةً في الأسطوانة عبر فوهة. تعزز هذه التقنية الكفاءة الحرارية لمحركات البنزين بشكل كبير وتقلل من الانبعاثات.

1- مبدأ العمل
تستخدم تقنية GDI وضعين متميزين للاحتراق: الاحتراق المتجانس والاحتراق الطبقي. في الاحتراق المتجانس، يتم حقن الوقود في نهاية شوط السحب، ويختلط تمامًا مع الهواء أثناء شوطي السحب والضغط لتشكيل خليط متجانس في الأسطوانة من أجل اشتعال مستقر. ينطوي الاحتراق الطبقي على حقن الوقود أثناء شوط الانضغاط، مما يخلق تدرجاً في التركيز من شمعة الإشعال إلى جدار الأسطوانة، مما يضمن اشتعالاً فعالاً وانتشاراً طبيعياً للهب وبالتالي تحسين الاقتصاد في استهلاك الوقود.

2. مزايا محركات الحقن المباشر على محركات الحقن في المنفذ

A. في ظل ظروف التحميل العالية، تقوم محركات الحقن المباشر بحقن الوقود في غرفة الاحتراق أثناء شوط السحب. تتحرك نفاثة الوقود بشكل أبطأ من سرعة المكبس في اتجاه المصب، مما يؤدي إلى انخفاض الضغط حول النفاثة، مما يسهل الانتشار السريع للوقود وتبخره، مما يشكل خليط احتراق متجانس.

B. أثناء ظروف التحميل المتوسطة والمنخفضة، تستخدم محركات GDI وضع الاحتراق الطبقي، حيث توزع معظم الهواء بالقرب من جدران الأسطوانة، مما يمنع انتقال الحرارة إلى الغلاف المائي ويعزز الكفاءة الحرارية للاحتراق.

C. في سيناريوهات بدء التشغيل البارد، تعاني محركات الحقن بالمنافذ من تبخير غير كامل للوقود بسبب انخفاض درجات حرارة الأسطوانة، مما يؤدي إلى حقن الوقود بشكل مفرط واحتمال حدوث أخطاء أو احتراق غير كامل، مما يزيد من انبعاثات HC. وعلى العكس من ذلك، يمكن لمحركات الحقن المباشر التحكم بدقة في نسبة الهواء إلى الوقود في كل دورة، مما يقلل من انبعاثات الهيدروكربونات الهيدروكربونية أثناء بدء التشغيل البارد من خلال تقنية الاحتراق الطبقي.

D. تعتمد محركات الحقن المباشر على التحكم القائم على الكتلة، حيث تقوم بحقن الوقود وفقاً للطلب الفعلي لكل أسطوانة، مما يقلل من الاختلافات بين الأسطوانات ويحسن من انتظام الوقود في حدود 3% مقارنة بمحركات الحقن بالمنافذ.

3. المكونات الأساسية

A. رأس الأسطوانة
يلعب رأس الأسطوانة، وخاصةً حجرة الاحتراق وبنية قناة الهواء، دورًا حاسمًا في حركة تدفق الهواء، وتكوين الخليط، وانتشار اللهب.

B. مشعب السحب
بالنسبة لمحركات GDI التي تستخدم الاحتراق الطبقي، يجب أن يفي مشعب السحب بمتطلبات محددة فيما يتعلق بالقطر والطول وحجم غرفة الرنين وغالباً ما يتضمن هياكل متغيرة التدفق وطول الأنبوب. يزيد هذا التعقيد من تكاليف التصنيع وتحديات المعايرة. كما تتطلب محركات الحقن المباشر بشاحن توربيني أيضاً أنابيب سحب تتحمل ضغوطاً موجبة تصل إلى 0.2 ميجا باسكال، مما يستلزم مضخات تفريغ إضافية لمتطلبات النظام.

C. مضخة وقود عالية الضغط
عادةً ما تعمل محركات GDI بضغط حقن يتراوح بين 10-15 ميجا باسكال لضمان ترذيذ الوقود واختراقه بشكل مناسب. يتم تشغيل المضخة ذات الضغط العالي بواسطة كامات على عمود كامات السحب، مع رفع يتراوح بين 2.5 و4 مم. يفي الرفع الذي يبلغ حوالي 3.5 مم بشكل عام بمتطلبات الاستخدام، ويوازن بين أداء المحرك، وعمر الغمازات الأسطوانية، وملامح الكامات، وعمليات التصنيع.

D. حاقن
حاقن الوقود هو المكون الأساسي لنظام الحقن المباشر، وترتيب حاقن الوقود في غرفة الاحتراق، وهيكل الفوهة، وشكل رذاذ شعاع الزيت يؤثر بشكل مباشر على انحلال الوقود وخلط الزيت والغاز وعملية الاحتراق، ويؤثر أخيرًا على أداء المحرك. وبالإضافة إلى ذلك، يتم وضع فوهة الحاقن في غرفة الاحتراق، حيث يكون لجودة الوقود تأثير أكبر. إذا كانت جودة زيت الوقود غير جيدة، والاحتراق غير كافٍ، فمن السهل جدًا توليد رواسب الكربون وسد الفوهة، مما يؤثر على جودة الرذاذ وعمر الحاقن نفسه.

E. المكبس
إن شكل السطح العلوي لمكبس محرك الحقن المباشر للأسطوانة له تأثير كبير على حركة تدفق الهواء في غرفة الاحتراق وتشكيل الخليط، وبالتالي، فإن محرك الحقن المباشر للأسطوانة سيكون المكبس كمكون رئيسي للمكونات الرئيسية للتصميم والتطوير. سواءً كان توجيه الجدار، أو توجيه تدفق الهواء أو توجيه النفاثة، فكلها تحتاج إلى حفرة سطح علوية خاصة للمكبس للتكيف، وذلك لتحقيق تأثير خلط الزيت والغاز بشكل أكثر مثالية، وتشكيل توزيع متجانس أو توزيع متدرج لتركيز الزيت والغاز لضمان الاحتراق السلس.

كما أوضحنا من قبل، فإن تقنية الحقن المباشر للبنزين (GDI) ليست مجرد كلمة رنانة - إنها حل مصمم بدقة متناهية للتحديين المزدوجين المتمثلين في كفاءة استهلاك الوقود والتحكم في الانبعاثات. من خلال إتقان الرقص بين أنماط الاحتراق المتجانس والاحتراق الطبقي، فإن هذا الابتكار يستخلص كل قطرة من الأداء من الوقود مع خفض انبعاثات الهيدروكربون (HC) - وهو ما يمثل مكسباً هاماً لكل من محفظتك وكوكب الأرض.