نظام الحقن المباشر للبنزين ( GDI ) المنتشر في سيارات هيونداي بحث موسع

تمهيد :

نظام الحقن المباشر للبنزين الحقيقة ليس بجديد , حيث ان اول استخدام وتطبيق لهذه التكنولوجيا تمت سنة 1925 وفي محركات ( Hesselman ) للطائرات.

اما محركات السيارات فقد استخدم هذا النظام سنة 1950.

شركة مرسيدس بنز استخدمت هذا النظام سنة 1953 ولكن مع بعض الاختلافات في التقنية عما هو عليه في الوقت الحاضر .

في الوقت الحاضر , فان معظم خبراء تقنيات منظومة الوقود يتفقون على ان هذه التقنية سوف تحل محل المنظومة التقليدية وهي ( Port Fuel Injection )

نظام GDI : ليس نظام ذو تقنية مثالية 100% ولكن الفنيين يحاولون جاهدا تصحيح بعض الامور المتعلقة به , ولكن من جهة اخرى فان الفائدة المترتبة على نظام GDI تترجح على وجود عيب في النظام وان الفوائد التي تم الحصول عليها مثيرة للاعجاب

لماذا GDI ؟:

الغرض الاول لتصميم هذا النظام هو :

1- خفض استهلاك الوقود

2- خفض انبعاثات غازات العادم

3- خفض انبعاثات الهايدرو كربون ( HC ) , واكاسيد النتروجين ( NOx ) , وكذلك غاز اول اوكسيد الكربون بنسبة %99.

نظام GDI لديه الامكانية لتحقيق %15 الى %20 في تخفيض استهلاك الوقود , ونسبة %20 الى %30 لخفض انبعاثات العادم المتمثلة بـ ( CO2 ) ثاني اوكسيد الكربون .

لماذا التأخر في اعتماد نظام GDI

1- السبب الرئيسي , هو عدم قدرة منظومة التحكم بانبعاثات الغازات ( Standard Close-Loop Catalyst ) من استيعاب وتحويل هذه الانبعاثات الضارة الناتجة عن عملية احتراق خليط الوقود في محركات GDI بما فيه الكفاية , ولكن مع التطور الحاصل اصبح بالامكان تحويل وتغيير مستوى عالي من مخلفات الاحتراق من اكاسيد النتروجين الى نتروجين

2- السبب الآخر , هو احتواء البنزين في السابق على مستويات عالية من عنصر الكبريت والذي يتفاعل كيميائيا مع عناصر ومحتويات دبة التلوث وينتج عنه نسب عالية من اكاسيد النتروجين المضرة .

المعايير والعوامل التي لها تاثير وفاعلية على كفاءة نظام GDI

هنالك معياريين مهمين وهما :

1- نسبة الضغط ( الانضغاط ) بفعل المكبس

2- نسبة خليط الشحنة ( الوقود / الهواء )

ان اثر ارتفاع نسبة الضغط ينتج عنه زيادة في معطيات الطاقة والقوة للمحرك وكذلك تقليل استهلاك الوقود

ان المحركات التي تعمل بنظام ( port fuel injection ) ( PFI) , تعمل وفق خاصية تحقيق معدل تكافؤ بمقدار ( 14.7:1 ) , اي 14.7 جزيء هواء الى ( 1 ) جزيء وقود , لذا فان من غير الممكن تحقيق تحسينات في اقتصاد الوقود .

في مثل هذه المحركات فان نسبة ضغط انضغاط المحرك هي ما بين { 1 :9 } الى { 10:1 } , ولكي نمنع حدوث ظاهرة ( الطرق ) في المحرك فاننا لا نستطيع ان نحقق نسب انضغاط اعلى مما سبق .

هنا دعت الحاجة الى محركات تعمل بنظام GDI , حيث من الممكن ان نحصل على نسبة ضغط تصل الى ( 1: 12 ) .

في محركات GDI : فان حقن الوقود داخل اسطوانات المحرك يكون تحت ضغط عالي جدا .

خلال عملية ادخال الهواء الى داخل اسطوانات المحرك في شوط السحب , فان الهواء فقط هو من يدخل خلال صمام السحب , هذا الفعل يضمن سيطرة افضل لعملية وطريقة حقن الوقود وبالاخص نضمن ونتفادى التاخير في حقن الوقود خلال شوط الضغط .

في محركات ( PFI ) , فان عملية تذرية الوقود تتم بفعل منظومة ادخال الهواء ( manifold ) وذلك لدور سحب الهواء في تحقيق تذرية الوقود , وهذا الشيء يحسب لصالح محرك PFI.

ونظرا لمحدودية الوقت وقصره لتحقيق عملية التذرية في محركات ( GDI ) , فان عملية حقن الوقود وتحت ضغط عالي سوف يساعد في تحقيق عملية التبخير والتذرية للوقود .

في محركات ( PFI ) فان طبقة سائلة من الوقود تتكون وتنشأ في منطقة ادخال الهواء وهذا من شانه تقليل عملية تبخير الوقود وخصوصا عند تشغيل المحرك وهو بارد , ولهذا يضطر الكمبيوتر الى زيادة نسبة الخليط لتعديل نسبة التكافؤ للخليط , وهذا بدوره سوف يزيد من نسبة انبعاثات الهيدرو كربونات ,, هذه الحالة قد تم تلافيها في محركات ( GDI ) لان حقن الوقود يتم بشكل مباشر داخل اسطوانات المحرك

ما هي التكنولوجيا الجديدة المتحققة بنظام GDI

ــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ

1- نظام تبريد للمحرك منفصل مثل نظام الشاحن التوربيني ( Turbocharger )

2- نظام ( VVTI ) لصمامات السحب والعادم ( الاقزوز )

3- تغيير كبير وفعال في شكل المكبس

4- عمود الحدبات ( Camshaft ) مغمور بالزيت

5- زيادة عملية التداخل ( Overlap ) ما بين صمام الادخال والعادم لتحقيق عملية كسح للغازات بشكل اكبر

6- تعدد ومضاعفة حقن الوقود

7- تعديلات في محور المكبس بتوافق مع عمود المرفق

8- استخدام مضخة زيت من النوع ( Two Stage Oil Pump ) وذلك لتحسبن اداء ضخ زيت المحرك .

9- استخدام حاقنات وقود ذات حقن مباشر متطورة .

مشاكل منظومة GDI

ــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــــ ـــــــــــــــــ

1- تراكم مخلفات الكربون على صمام الادخال + رأس الحاقن ( البخاخ ) + بطانة مدخل الهواء ( Intake Manifold )

2- الاهمال وعدم القيام بالصيانة الدورية لمنظومة GDI

3- استخدام نوعية رديئة من الوقود تؤدي الى تراكم الرواسب والاوساخ داخل الحاقنات وضعف في اداء المحرك وكذلك احتراق سيء للوقود

4- انسداد حاقنات الوقود بسبب الاهمال وعدم الاهتمام بتغيير مصفي الوقود

5- المواضبة على استخدام السيارة ولمسافات قصيرة جدا والسير ببطيء شديد , هذا سوف يمنع وصول المحرك الى درجة الحرارة المطلوبة وتراكم مخلفات الاحتراق في منظومة العادم صفات

6- اخفاق مضخة الوقود العالية الضغط ( HPFP ) بسبب عدم الصيانة , واستخدام زيت محرك غير مطابق للمواصفات او فقدان لزوجة الزيت

7- زيادة معدلات اكاسيد النيتروجين خلال مرحلة اشتغال المحرك في وضعية ( Lean Operation )

مزايا وفوائد نظام GDI

1- اقتصاد اكثر للوقود بنسبة 8- 22 %

2- عزم دوران اكثر وزيادة في القوة الحصانية للمحرك , واتاحة محرك اصغر في الحجم .

3- بالامكان حقن الوقود في اشواط متعددة للمحرك مثل شوط السحب وشوط الضغط

4- تعزيز قوة كسح وطرد غازات العادم من الاسطوانات عن طريق تعزيز قوة سحب الهواء النقي داخل اسطوانات المحرك

5- زيادة وارتفاع في نسبة ضغط انضغاط المحرك

6- خفض وتقليل في نسبة خليط الوقود اثناء السرعة الخاملة للمحرك Idle Speed

7- ضبط وتعديل حقن الوقود لغرض استهداف مشاكل الانبعاثات الضارة الناتجة من عملية احتراق الوقود .

8- خفض مستوى ابعاثات غاز CO2 ( ثاني اوكسيد الكربون )

9- تبريد شحنة الهواء لاسطوانات المحرك

10- تقليل تولد قطرات رذاذ الوقود بشكل كبير بحيث تكون صغيرة جدا

11- تقليل درجة حرارة جدران اسطوانات المحرك ( البطانة )

12- سيطرة اكثر على ظاهرة ( Detonation ) , وهو صوت الطرق الناتج عن شرارة البواجي بسبب ارتفاع حرارة المحرك او ارتفاع ضغط الاسطوانات او كلاهما معا عند زيادة الحمل على المحرك .

13- يمنع تولد طبقة وغشاء من البنزين على بطانة متشعب الهواء ( Manifold ) .

14- تحسين وضبط نسبة خليط الوقود / الهواء

عيوب ومساوئ نظام GDI

1- تغييرات دراماتيكية في عملية تجهيز الوقود وكذلك انظمة السيطرة , حيث نجد تغييرات مذهلة في طريقة تجهيز وحقن الوقود , مثل وجود مضختين للوقود , واحدة ذات ضغط منخفض ومكانها في خزان الوقود واخرى ذات ضغط عالي ومتصلة بالمحرك .كذلك تصميم البخاخات وطريقة السيطرة عليها وعلى مضخات الوقود , ناهيك عن التعديلات والتحويرات التي طرأت على قطع المحرك , مثل تعديل الصمامات لتتلائم مع الضغط الناشئ عن الاحتراق المنحدر , وتصميم مكابس ذات تجويف متقابل .

كل هذه الامور وامور اخرى تستدعي زيادة في التعقيد والكلفة والادامة

2- ضيق وصغر فسحة وقت حقن الوقود

3- عدم ملائمة نظام GDI مع المحركات الصغيرة

4- الاحتراق الضعيف لخيط الوقود يتولد عنه مخلفات ضارة مثل اكاسيد النيتروجين , حيث من الصعب لاسيطرة عليها .

5- تكوّن معدلات عالية من ( السخام ) الكربون وتراكمها داخل غرف الاحتراق وعلى ساق الصمامات ( البلوف ) وقاعدة الصمام , هذه النقطة هي من اهم النقاط نظرا لتعلقها بعمل وكفاءة المحرك , واثر الكربون السيء على البلوف وغرف الاحتراق , حيث ان تراكمه يقلل من حجم غرفة الاحتراق وبذلك يزداد ضغط انضغاط المحرك

6- زيادة الطاقة الكهربائية المستهلكة لمتطلبات عمل البخاخات

7- زيادة كلفة الادامة والتصليح

8- عناصر ومكونات المنظومة عالية الكلفة

9- التكنولوجيا المتطورة تتطلب بالمقابل خبرة وتقنية عالية وتدريب للكادر المتخصص المسؤول عن الادامة والتصليح

10- مسطرة البخاخات وانابيب امداد الوقود مصنوعة من الفولاذ المقاوم ( stainless steel ) , ويعتبر اعلى في السعر من الانابيب العادية .