سیستم تزریق سوخت چکونه کار می کند؟
در تلاش برای بهبود بخشیدن به کیفیت سوخت،سیستم سوخت رسانی در خودروها طی سال ها تغییرات زیادی کرده است.Subaru Justy آخرین خودروی کاربراتوری بود که در ١۹۹٠در آمریکا به فروش رسید و مدل های سال بعد انژکتوری شدند.اما سیستم تزریق سوخت از ١۹۵٠ وجود داشته و انژکتورهای الکترونیکی از ١۹٨٠به طور گسترده در خودروهای اروپایی به کار برده شد. در حال حاضر تمام خودروهای تولید شده در آمریکا انژکتوری هستند
یک انژکتور الکترونیکی معمولی
در این مقاله یاد می گیریم سوخت چگونه وارد سیلندر می شود و معنی اصطلاحات "تزریق سوخت چند راهه" و "تزریق سوخت از ساسات"را می فهمیم.همچنین درک می کنیم که چطور "تراشه های عملکرد" قدرت موتور را بیشتر می کنند
کنار رفتن کاربراتور ها
از ابتدای پیدایش موتور های احتراق داخلی ،کاربراتور وسیله ای بوده که سوخت را به موتور می رسانده است.در بسیاری از ماشین های دیگر مثل چمن زن ها و اره موتوری ها هنوز کاربراتور وجود دارد اما با پیشرفت خودرو ها کاربراتور ها بیشتر وبیشتر پیچیده شدند تا تمام نیازهای موتور هنگام کار کردن را برآورده کنند مثلا برای انجام بعضی از این وظایف کاربراتور پنج حالت دارد:
●حالت اصلی:مقداری سوخت به موتور می رساند که جریان موثری از سوخت به موتور وارد شود
●حالت سکون:فقط به اندازه ای سوخت به موتور می رساند که موتور روشن بماند
●پمپ شتاب دهنده:وقتی ناگهان پدال گاز فشار داده می شود مقدار بیشتری سوخت می رساند تا قبل از افزایش دور موتور افت قدرت نداشته باشیم
●حالت افزایش قدرت:وقتی خودرو از تپه ای بالا می رود ویا چیزی را یدک می کشد سوخت بیشتری تامین می کند
●حالت کشیدن ساسات:وقتی موتور سرد است مقدار بیشتری سوخت وارد موتور می کند تا موتور روشن شود
برای بدست آوردن استانداردهای دقیق زیست محیطی مبدل های کاتالیزوری معرفی شدند،برای موثر بودن این مبدل ها،کنترل بسیار دقیق نسبت سوخت و هوا لازم است.حسگرهای اکسیژن مفدار اکسیژن در اگزوز را نشان می دهند و واحد کنترل موتور(ECU) هر لحظه این اطلاعات را برای تنظیم نسبت سوخت و هوا به کار می برد.به این یک حلقه ی کنترل بسته می گویند و رسیدن به این کنترل دقیق با کاربراتورممکن نیست پیش از استفاده از سیستم تزریق سوخت،مدت کوتاهی از کاربراتورهای الکتریکی استفاده شد اما این کاربراتورها حتی از انواع مکانیکی نیز پیچیده تر بودند
در ابتدا کاربراتورها با سیستم تزریق سوخت از ساسات(که سیستم تزریق سوخت تک نقطه ای یا مرکزی نیز نامیده می شود)جایگزین شدند که در آن سوپاپ تزریق سوخت در ساسات قرار داشت،این نوع انژکتور تقریبا یک جایگزین برای کاربراتور بود بنابراین خودروسازها تغییر جدی در طراحی موتور ندادند
به تدریج موتورهای جدیدی طراحی شدند و سیستم تزریق سوخت از ساسات با تزریق سوخت چند راهه(که تزریق سوخت متوالی نیز نامیده می شود)جایگزین شدواین سیستم برای هر سیلندر یک انژکتور دارد که معمولا طوری قرار گرفته اند که سوخت را مستقیما به سوپاپ ورودی می پاشند.این سیستم کنترل دقیق تر و پاسخ دهی سریع تری به تغییرات پدال گاز دارد
وقتی پدال گاز را فشار می دهید
پدال گاز در خودرو به دریچه ی ساسات وصل است.دریچه ای که مقدار هوای ورودی به موتور را تنظیم می کند.در واقع پدال گاز،پدال هواست
یک دریچه ی نیمه باز ساسات
وقتی پدال گاز را فشار می دهید،دریچه ی ساسات بیشتر باز می شود و اجازه ی ورود هوای بیشتری را می دهد.وقتی واحد کنترل موتور(ECU ،کامپیوتری که تمام اجزای الکترونیکی موتور را کنترل می کند) می بیند دریچه ی ساسات باز شده بلافاصله مقدار سوخت ورودی را پیش از ورود هوای اضافی به موتور افزایش می دهد.افزایش دادن سوخت به محض باز شدن دریچه ی ساسات مهم است زیرا در غیر این صورت وقتی پدال گاز ناگهان فشرده شود به دلیل ورود هوای زیاد و نبود سوخت کافی قدرت موتور کاهش می یابد.
حسگرها علاوه بر مقدار اکسیژن خروجی از اگزوز،جرم هوای ورودی به موتور را نیز اندازه می گیرند.ECU از این اطلاعات برای تنظیم دقیق مقدار سوخت متناسب با هوای ورودی استفاده می کند.
انژکتور
انژکتور چیزی جز یک سوپاپ که به صورت الکترونیکی کنترل می شود نیست این سوپاپ می تواند چندین بار در ثانیه باز وبسته شود و پمپ سوخت،بنزین را با فشار به آن می رساند.
درون یک انژکتور
هنگام تزریق سوخت،یک آهنربای الکتریکی میله ای را حرکت می دهد که سوپاپ انژکتور را باز می کند و به سوخت تحت فشار پشت آن،اجازه می دهد از یک نازل ریز به بیرون پاشیده شود.نازل طوری طراحی شده که سوخت را پودر کند و تا جایی که ممکن است آن را به ذرات ریزی تبدیل کند تا به راحتی بسوزد.
یک انژکتور در حال پاشیدن سوخت
مقدار سوختی که به موتور می رسد به زمانی که سوپاپ انژکتور باز است بستگی دارد.به این زمان پهنای تپش می گویند که توسط ECU کنترل می شود
انژکتور ها به لوله های ورودی موتور متصل شده اند
انژکتور ها به لوله های ورودی متصل هستند به طوری که مستقیما سوخت را به سوپاپ ورودی می پاشند.لوله ای که سوخت تحت فشار را به انژکتورها می رساند،ریل سوخت نامیده می شود
در این تصویر سه تا از انژکتور ها دیده می شود.لوله ای که در چپ قرار گرفته ریل سوخت است.
برای تنظیم دقیق مقدار سوخت،واحد کنترل موتورECU ،تعداد زیادی حسگر را بررسی می کند.در صفحه بعد در باره ی این حسگر ها می خوانیم
حسگر های موتور
واحد کنترل موتور برای محاسبه ی مقدار درست سوخت در شرایط مختلف باید تعداد زیادی حسگر را تحت نظر داشته باشد.در اینجا فقط چند تا از این حسگر ها ذکر شده اند:
●حسگر جرم جریان هوا:به ECU جرم هوای ورودی به موتور را می گوید.
●حسگر اکسیژن:مقدار اکسیژن در اگزوز را نشان می دهد که با توجه به آن ECU متوجه زیاد یا کم بودن سوخت میشود و تنظیمات لازم را انجام می دهد.
●حسگر موقعیت ساسات:مکان ساسات(که مقدار هوای ورودی به موتور را تعیین می کند)را نشان می دهد و ECU می تواند با افزایش یا کاهش مقدار سوخت به تغییرات هوای ورودی به سرعت پاسخ دهد.
●حسگر دمای مایع خنک کننده:به ECU اجازه می دهد در باره ی زمان رسیدن موتور به دمای کار مناسب تصمیم بگیرد.
●حسگر ولتاژ:به ECU ولتاژ خودرو را اعلام می کند و ECU می تواند در مواقعی که ولتاژ کاهش یافته دور موتور را افزایش دهد تا برق بیشتری تولید شود.
●حسگر فشار مطلق هوای ورودی:فشار هوا در لوله های ورودی هوا را نشان می دهد. مقدار هوایی که به موتور کشیده می شود،قدرت تولید شده توسط موتور را نشان می دهد و عبور هوای بیشتر از لوله های ورودی،فشار را کم می کند،بنابراین فشار هوای ورودی شاخصی برای تعیین قدرت موتور است.
●حسگر دور موتور:دور موتور را نشان می دهد که یکی از عامل های مورد استفاده در محاسبه ی پهنای تپش است.
دو نوع کنترل برای سیستم های تزریق چند راهه وجود دارد: انژکتورهایی که همگی در یک زمان باز می شوند و انژکتورهایی که هر کدام می توانند کمی قبل از باز شدن سوپاپ ورودی سیلندر خود باز شوند.(که به این تزریق سوخت چند راهه ی متوالی می گویند)
مزیت نوع متوالی این است که اگر راننده تغییر ناگهانی ایجاد کند سیستم سریع تر پاسخ می دهد زیرا از لحظه ی ایجاد تغییر فقط به اندازه ی باز شدن سوپاپ ورودی بعدی زمان لازم است در حالی که در نوع اول یک دور کامل موتور لازم است.
کنترل موتور و تراشه های عملکرد
الگوریتم های کنترل موتور به کلی پیچیده اند.نرم افزار باید خودرو را مطابق استاندارد های محیط زیست کنترل کند و موتور را در برابر سوء استفاده حفظ کند ومطابق یک دوجین استاندارد دیگر باشد.
واحد کنترل موتور(ECU) از یک فرمول و تعداد زیادی جدول مرجع استفاده می کند تا پهنای تپش را در شرایط مختلف محاسبه کند.این فرمول از یک سری عامل تشکیل شده که در هم ضرب می شوند.بسیاری از این عامل ها از جدول های مرجع می آیند.ما یک محاسبه ی ساده شده ی پهنای تپش را انجام می دهیم.در این مثال معادله ی ما فقط سه عامل دارد در حالی که در یک سیستم کنترل واقعی ممکن است صدها عامل وجود داشته باشد.
(عامل B) × (عامل A )× (پهنای تپش پایه) = پهنای تپش
برای محاسبه ی پهنای تپش ،ECU ابتدا در جدول مرجع به پهنای تپش پایه نگاه می کند.پهنای تپش پایه تابعی از دور موتور و بار خودرو (که از فشار مطلق هوای ورودی تعیین می شود) است.اجازه دهید بگوییم دور موتور ٢٠٠٠ دور بر دقیقه و بار خودرو ۴ است.در جدول زیر عدد ٨ میلی ثانیه متناظر با ٢٠٠٠و۴ است.
A و B پارامتر هایی هستند که از حسگر ها می آیند.فرض کنید A دمای مایع خنک کننده و B مقدار اکسیژن در اگزوز باشد.اگر دمای مایع خنک کننده ١٠٠ و مقدار اکسیژن ٣ باشد جدول زیر به ما می گوید که عامل A ٨/٠ و عامل B ٠/١ است.
بنابر این پهنای تپش در این مثال می شود:
میلی ثانیه۴/۶=٠/١×٨/٠×٨
سیستم های کنترل واقعی بیشتر از ١٠٠ پارامتر دارند که هر کدام جدول مخصوص خود را دارد.حتی بعضی از این پارامتر ها در طول زمان تغییر می کنند تا بعضی از تغییرات ناشی از کار کردن اجزای خودرو مانند مبدل های کاتالیزوری را خنثی کنند.ECU باید این محاسبات را بیش از صد بار در ثانیه انجام دهد.
در تلاش برای بهبود بخشیدن به کیفیت سوخت،سیستم سوخت رسانی در خودروها طی سال ها تغییرات زیادی کرده است.Subaru Justy آخرین خودروی کاربراتوری بود که در ١۹۹٠در آمریکا به فروش رسید و مدل های سال بعد انژکتوری شدند.اما سیستم تزریق سوخت از ١۹۵٠ وجود داشته و انژکتورهای الکترونیکی از ١۹٨٠به طور گسترده در خودروهای اروپایی به کار برده شد. در حال حاضر تمام خودروهای تولید شده در آمریکا انژکتوری هستند
یک انژکتور الکترونیکی معمولی
در این مقاله یاد می گیریم سوخت چگونه وارد سیلندر می شود و معنی اصطلاحات "تزریق سوخت چند راهه" و "تزریق سوخت از ساسات"را می فهمیم.همچنین درک می کنیم که چطور "تراشه های عملکرد" قدرت موتور را بیشتر می کنند
کنار رفتن کاربراتور ها
از ابتدای پیدایش موتور های احتراق داخلی ،کاربراتور وسیله ای بوده که سوخت را به موتور می رسانده است.در بسیاری از ماشین های دیگر مثل چمن زن ها و اره موتوری ها هنوز کاربراتور وجود دارد اما با پیشرفت خودرو ها کاربراتور ها بیشتر وبیشتر پیچیده شدند تا تمام نیازهای موتور هنگام کار کردن را برآورده کنند مثلا برای انجام بعضی از این وظایف کاربراتور پنج حالت دارد:
●حالت اصلی:مقداری سوخت به موتور می رساند که جریان موثری از سوخت به موتور وارد شود
●حالت سکون:فقط به اندازه ای سوخت به موتور می رساند که موتور روشن بماند
●پمپ شتاب دهنده:وقتی ناگهان پدال گاز فشار داده می شود مقدار بیشتری سوخت می رساند تا قبل از افزایش دور موتور افت قدرت نداشته باشیم
●حالت افزایش قدرت:وقتی خودرو از تپه ای بالا می رود ویا چیزی را یدک می کشد سوخت بیشتری تامین می کند
●حالت کشیدن ساسات:وقتی موتور سرد است مقدار بیشتری سوخت وارد موتور می کند تا موتور روشن شود
برای بدست آوردن استانداردهای دقیق زیست محیطی مبدل های کاتالیزوری معرفی شدند،برای موثر بودن این مبدل ها،کنترل بسیار دقیق نسبت سوخت و هوا لازم است.حسگرهای اکسیژن مفدار اکسیژن در اگزوز را نشان می دهند و واحد کنترل موتور(ECU) هر لحظه این اطلاعات را برای تنظیم نسبت سوخت و هوا به کار می برد.به این یک حلقه ی کنترل بسته می گویند و رسیدن به این کنترل دقیق با کاربراتورممکن نیست پیش از استفاده از سیستم تزریق سوخت،مدت کوتاهی از کاربراتورهای الکتریکی استفاده شد اما این کاربراتورها حتی از انواع مکانیکی نیز پیچیده تر بودند
در ابتدا کاربراتورها با سیستم تزریق سوخت از ساسات(که سیستم تزریق سوخت تک نقطه ای یا مرکزی نیز نامیده می شود)جایگزین شدند که در آن سوپاپ تزریق سوخت در ساسات قرار داشت،این نوع انژکتور تقریبا یک جایگزین برای کاربراتور بود بنابراین خودروسازها تغییر جدی در طراحی موتور ندادند
به تدریج موتورهای جدیدی طراحی شدند و سیستم تزریق سوخت از ساسات با تزریق سوخت چند راهه(که تزریق سوخت متوالی نیز نامیده می شود)جایگزین شدواین سیستم برای هر سیلندر یک انژکتور دارد که معمولا طوری قرار گرفته اند که سوخت را مستقیما به سوپاپ ورودی می پاشند.این سیستم کنترل دقیق تر و پاسخ دهی سریع تری به تغییرات پدال گاز دارد
وقتی پدال گاز را فشار می دهید
پدال گاز در خودرو به دریچه ی ساسات وصل است.دریچه ای که مقدار هوای ورودی به موتور را تنظیم می کند.در واقع پدال گاز،پدال هواست
یک دریچه ی نیمه باز ساسات
وقتی پدال گاز را فشار می دهید،دریچه ی ساسات بیشتر باز می شود و اجازه ی ورود هوای بیشتری را می دهد.وقتی واحد کنترل موتور(ECU ،کامپیوتری که تمام اجزای الکترونیکی موتور را کنترل می کند) می بیند دریچه ی ساسات باز شده بلافاصله مقدار سوخت ورودی را پیش از ورود هوای اضافی به موتور افزایش می دهد.افزایش دادن سوخت به محض باز شدن دریچه ی ساسات مهم است زیرا در غیر این صورت وقتی پدال گاز ناگهان فشرده شود به دلیل ورود هوای زیاد و نبود سوخت کافی قدرت موتور کاهش می یابد.
حسگرها علاوه بر مقدار اکسیژن خروجی از اگزوز،جرم هوای ورودی به موتور را نیز اندازه می گیرند.ECU از این اطلاعات برای تنظیم دقیق مقدار سوخت متناسب با هوای ورودی استفاده می کند.
انژکتور
انژکتور چیزی جز یک سوپاپ که به صورت الکترونیکی کنترل می شود نیست این سوپاپ می تواند چندین بار در ثانیه باز وبسته شود و پمپ سوخت،بنزین را با فشار به آن می رساند.
درون یک انژکتور
هنگام تزریق سوخت،یک آهنربای الکتریکی میله ای را حرکت می دهد که سوپاپ انژکتور را باز می کند و به سوخت تحت فشار پشت آن،اجازه می دهد از یک نازل ریز به بیرون پاشیده شود.نازل طوری طراحی شده که سوخت را پودر کند و تا جایی که ممکن است آن را به ذرات ریزی تبدیل کند تا به راحتی بسوزد.
یک انژکتور در حال پاشیدن سوخت
مقدار سوختی که به موتور می رسد به زمانی که سوپاپ انژکتور باز است بستگی دارد.به این زمان پهنای تپش می گویند که توسط ECU کنترل می شود
انژکتور ها به لوله های ورودی موتور متصل شده اند
انژکتور ها به لوله های ورودی متصل هستند به طوری که مستقیما سوخت را به سوپاپ ورودی می پاشند.لوله ای که سوخت تحت فشار را به انژکتورها می رساند،ریل سوخت نامیده می شود
در این تصویر سه تا از انژکتور ها دیده می شود.لوله ای که در چپ قرار گرفته ریل سوخت است.
برای تنظیم دقیق مقدار سوخت،واحد کنترل موتورECU ،تعداد زیادی حسگر را بررسی می کند.در صفحه بعد در باره ی این حسگر ها می خوانیم
حسگر های موتور
واحد کنترل موتور برای محاسبه ی مقدار درست سوخت در شرایط مختلف باید تعداد زیادی حسگر را تحت نظر داشته باشد.در اینجا فقط چند تا از این حسگر ها ذکر شده اند:
●حسگر جرم جریان هوا:به ECU جرم هوای ورودی به موتور را می گوید.
●حسگر اکسیژن:مقدار اکسیژن در اگزوز را نشان می دهد که با توجه به آن ECU متوجه زیاد یا کم بودن سوخت میشود و تنظیمات لازم را انجام می دهد.
●حسگر موقعیت ساسات:مکان ساسات(که مقدار هوای ورودی به موتور را تعیین می کند)را نشان می دهد و ECU می تواند با افزایش یا کاهش مقدار سوخت به تغییرات هوای ورودی به سرعت پاسخ دهد.
●حسگر دمای مایع خنک کننده:به ECU اجازه می دهد در باره ی زمان رسیدن موتور به دمای کار مناسب تصمیم بگیرد.
●حسگر ولتاژ:به ECU ولتاژ خودرو را اعلام می کند و ECU می تواند در مواقعی که ولتاژ کاهش یافته دور موتور را افزایش دهد تا برق بیشتری تولید شود.
●حسگر فشار مطلق هوای ورودی:فشار هوا در لوله های ورودی هوا را نشان می دهد. مقدار هوایی که به موتور کشیده می شود،قدرت تولید شده توسط موتور را نشان می دهد و عبور هوای بیشتر از لوله های ورودی،فشار را کم می کند،بنابراین فشار هوای ورودی شاخصی برای تعیین قدرت موتور است.
●حسگر دور موتور:دور موتور را نشان می دهد که یکی از عامل های مورد استفاده در محاسبه ی پهنای تپش است.
دو نوع کنترل برای سیستم های تزریق چند راهه وجود دارد: انژکتورهایی که همگی در یک زمان باز می شوند و انژکتورهایی که هر کدام می توانند کمی قبل از باز شدن سوپاپ ورودی سیلندر خود باز شوند.(که به این تزریق سوخت چند راهه ی متوالی می گویند)
مزیت نوع متوالی این است که اگر راننده تغییر ناگهانی ایجاد کند سیستم سریع تر پاسخ می دهد زیرا از لحظه ی ایجاد تغییر فقط به اندازه ی باز شدن سوپاپ ورودی بعدی زمان لازم است در حالی که در نوع اول یک دور کامل موتور لازم است.
کنترل موتور و تراشه های عملکرد
الگوریتم های کنترل موتور به کلی پیچیده اند.نرم افزار باید خودرو را مطابق استاندارد های محیط زیست کنترل کند و موتور را در برابر سوء استفاده حفظ کند ومطابق یک دوجین استاندارد دیگر باشد.
واحد کنترل موتور(ECU) از یک فرمول و تعداد زیادی جدول مرجع استفاده می کند تا پهنای تپش را در شرایط مختلف محاسبه کند.این فرمول از یک سری عامل تشکیل شده که در هم ضرب می شوند.بسیاری از این عامل ها از جدول های مرجع می آیند.ما یک محاسبه ی ساده شده ی پهنای تپش را انجام می دهیم.در این مثال معادله ی ما فقط سه عامل دارد در حالی که در یک سیستم کنترل واقعی ممکن است صدها عامل وجود داشته باشد.
(عامل B) × (عامل A )× (پهنای تپش پایه) = پهنای تپش
برای محاسبه ی پهنای تپش ،ECU ابتدا در جدول مرجع به پهنای تپش پایه نگاه می کند.پهنای تپش پایه تابعی از دور موتور و بار خودرو (که از فشار مطلق هوای ورودی تعیین می شود) است.اجازه دهید بگوییم دور موتور ٢٠٠٠ دور بر دقیقه و بار خودرو ۴ است.در جدول زیر عدد ٨ میلی ثانیه متناظر با ٢٠٠٠و۴ است.
A و B پارامتر هایی هستند که از حسگر ها می آیند.فرض کنید A دمای مایع خنک کننده و B مقدار اکسیژن در اگزوز باشد.اگر دمای مایع خنک کننده ١٠٠ و مقدار اکسیژن ٣ باشد جدول زیر به ما می گوید که عامل A ٨/٠ و عامل B ٠/١ است.
بنابر این پهنای تپش در این مثال می شود:
میلی ثانیه۴/۶=٠/١×٨/٠×٨
سیستم های کنترل واقعی بیشتر از ١٠٠ پارامتر دارند که هر کدام جدول مخصوص خود را دارد.حتی بعضی از این پارامتر ها در طول زمان تغییر می کنند تا بعضی از تغییرات ناشی از کار کردن اجزای خودرو مانند مبدل های کاتالیزوری را خنثی کنند.ECU باید این محاسبات را بیش از صد بار در ثانیه انجام دهد.
