اندازه گيري مصرف سوخت

داستان موتورهاي درون سوز و محفظه احتراق يک داستان طولاني با تاريخچه اي قابل ملاحظه است و آن را بايد چيزي بيش از علم دانست به طوري که نوعي مهندسي و حتّي قدري چاشني تخيل علمي در آن ديده مي شود و مطالب و مقالات زيادي در اين مورد به رشته تحرير درآمده است. در اين مقاله به بررسي ظهور و تحوّل تکنولوژي در اين مورد و ابعاد مختلف آن مي پردازيم.

چالش: مخلوط کردن هوا و سوخت
 

ابتدا از اصول پايه اي مخلوط کردن هوا و سوخت به منظور توليد نيرو آغاز مي کنيم. آنچه که «رودلف ديزل» در مورد موتورهاي ديزلي ابداع کرد که مخلوط سوخت در اثر فشرده شدن مشتعل مي گردد چيزي کاملاً متفاوت است که در ادامه مقاله به صورت مختصر به آن خواهيم پرداخت و آن تکنولوژي مورد استفاده در پيشرانه هاي ديزلي است. بعضاً به نسبت هايي مانند 14/7 به يک برخورد مي کنيم که نشان دهنده نسبت و ميزان جرم هوايي است که با جرم بنزين مخلوط مي گردد و به آن ضريب استوکيومتري (Stoichiometric Ratio) مي گويند که اين به معناي آن است که 14/7 پاوند هوا مورد نياز است تا يک پاوند سوخت مشتعل شود بدون آنکه بخشي از بنزين مشتعل نشده باقي بماند. مهندسين واژه ديگري را نيز براي آن در نظر گرفته و تعريف کرده اند که به آن فاکتور هواي اضافي (Excess-Air Factor) يا 8 مي گويند. اگر 8 بزرگ تر از يک باشد به معناي وجود مخلوط سوخت رقيق بوده (هواي اضافي) و چنانچه 8 کمتر از يک باشد به آن مخلوط غليظ مي گويند و چنانچه 1=8 باشد به آن استوکيومتريک مي گويند. اهميت اين موارد در تأثير 8 در توانايي و قدرت مخلوط سوخت و ميزان مواد آلاينده اي است که بعد از عمل احتراق شکل مي گيرند. اين موارد آلاينده عبارتند از هيدروکربن هاي مشتعل نشده يا HC، منوکسيد کربن (CO) و انواع اكسيد ازت (NOX). جاي تعجب نيست كه هر چه مخلوط سوخت غليظ تر باشد ميزان توليد منوکسيد کربن و هيدروکربن هاي مشتعل نشده يا HC آن بيشتراست چون مخلوط زيادي از سوخت وارد محفظه احتراق شده و بنابراين تعداد زيادي مواد آلاينده نيز از آن خارج مي شود. چنانچه مخلوط سوخت بيش از حدّ رقيق باشد مقدار زيادي HC توليد مي گردد که ناشي از عدم اشتعال مخلوط سوخت بوده و بنابراين آلايندگي به جاي خود محفوظ خواهد بود. با وجود اينکه منوکسيد کربن و هيدروکربن هاي مشتعل نشده داراي يک حداقل هستند که اندکي کمتر از حالت استوکيومتري بوده امّا اين حالت وضعيت اکسيدهاي ازت را بسيار تشديد مي کند. چرا؟ دليل آن است که بهترين احتراق که بايد آن را داغ ترين احتراق نيز دانست متأسفانه با افزايش درجه حرارت ميزان توليد انواع اکسيد ازت تشديد مي گردد. به همين دليل براي کنترل و احياناً کاهش ميزان خروج انواع اکسيد ازت از لوله اگزوز اتومبيل ها، آنها را مجدداً چرخش مي دهند که به آن (EGR (Exhaust Gas Recirculation يا چرخش و گردش مجدد گازهاي اگزوز مي گويند. اين کار باعث آلايندگي مخلوط هوا شده که نتيجه مستقيم آن، پايين آمدن راندمان احتراق و به دنبال آن پايين آمدن دماي ناشي از عمل احتراق است.
حال اگر به اين عمل يک مبدل کاتاليتيکي سه راهه (منظور از سه راهه اين است که مي تواند نسبت به امحاء هر سه آلاينده هيدروکربن، منوکسيد کربن و اکسيد ازت اقدام کند) اضافه کنيد مي توان گفت سطح مواد آلاينده از لوله اگزوز به حداقل کاهش پيدا مي کند. بهينه سازي عمليات احتراق نيازمند آن است که با انجام مانورهاي لازم همواره مخلوط سوخت در وضعيت استوکيومتري قرار داشته باشد. مخلوط سوختي که در حال ورود به محفظه احتراق بوده توسط چندين حسگر اکسيژن که به آنها حسگرهاي 8 نيز مي گويند تحت کنترل قرار دارد که وظيفه آنها بو کشيدن جريان گازهاي درون اگزوز قبل و بعد از عبور از مبدل کاتاليتيکي است. با توجه به اينکه تقاضا براي نيروي موتور بعضاً به صورت دائمي در حال تغيير است، لذا در فرآيند ورود مخلوط سوخت همواره ميزان متغيري از سوخت و هوا وارد آن شده و يا از آن خارج مي شود. به طور کلي حداکثر نيرو، زماني به وجود مي آيد که ضريب استيوکيومتري اندکي غليظ باشد و زماني موتور داراي کارکرد اقتصادي است که مخلوط سوخت اندکي رقيق و پايين تر از استوکيومتري باشد.

ديدگاه هاي اوليه
 

اولين اقدامات در خصوص اندازه گيري ميزان مصرف بنزين بدون برنامه مشخصي انجام گرفت. در سال هاي دهه 1880 و به خصوص سال هاي آخر آن چيزي که عمل مثلاً کاربراتور انجام مي داد در واقع يک رشته از الياف بود که بنزين را در خود جذب کرده و در اطراف آن مجرايي براي هواي ورودي قرارداشت. کاربراتورهاي معروف به سطحي (Surface) باعث مي گرديدند که هوا به صورت حباب وارد مخزن سوخت گردد و مجموعه آن را که در واقع بخار بود جمع آوري کرده و آن را به سوي محفظه احتراق هدايت کنند و اين بسيار توأم با شانس بود که مخلوط هايي بين 8 تا 25 قسمت هوا و يک قسمت سوخت کلاً مي توانست مشتعل شود اگرچه که به ندرت پيش مي آيد که اشتعال آن به خوبي انجام گيرد. اندکي بعد از آن يعني در طي سال هاي دهه 1890 چندين محقق که در ميان آنها «ويلهلم ميباخ» (همان ميباخ معروف) نيز وجود داشت اقدام به اسپري مستقيم سوخت از طريق يک منفذ کوچک به داخل جريان هوايي که به طرف سيلندر مي رفت کردند. تلاش ها و اقدامات آنها همانند همکاران بعدي در واقع همان کاربراتورهاي سنتي بودند که با استفاده از تأثير ونتوري (Venturi Effect) کارآيي داشتند.
ضمناً بنزين در شرايط فشار محيطي مي توانست به داخل جريان هواي ورودي به داخل سيلندر مکيده شود و اين از مزاياي اتميزه شدن سوخت بود. اين ايده همواره يک ايده اساسي و پايدار بوده و هست: کنترل نيروي موتورهاي بنزين سوز از طريق تأمين ميزان هوا و بدين ترتيب امکان اندازه گيري مصرف سوخت نيز به وجود مي آيد.

سخني کوتاه در مورد ديزل و موتورهاي ديزلي
 

در مقايسه با پيشرانه هاي بنزيني، انواع ديزلي مفهوم کاملاً متفاوتي داشته و اندازه گيري ميزان مصرف گازوئيل نيز متفاوت است. اگر به اختصار بخواهيم به آن اشاره کنيم بايد بگوييم يک موتور ديزلي داراي حرکتي است که براي انجام آن نيازي به باز و بسته کردن چيزي به نام گاز (Throttle) نيست. در اين موتورها صرفاً از طريق تزريق گازوئيل مي توان ميزان نيروي توليدي را تعيين کرد و ميزان مخلوط هوا و گازوئيل در موتورهاي ديزلي در مقايسه با انواع بنزيني بسيار گسترده تر است.
همانطور که مي دانيد در پيشرانه هاي ديزلي از شمع و جرقه آن خبري نيست و به جاي آن احتراق مخلوط سوخت تزريق شده به داخل محفظه از طريق افزايش دماي هواي کاملاً فشرده انجام مي گيرد.

S.U وِبِر و هالي وود:
 

توليد کنندگان کاربراتور و تأثير آنها
در زمان هاي مشخصي مدل هاي کاملاً شناخته شده اي از کاربراتور وارد بازار شدند که چند تا از آنها هنوز هم بخشي از اتومبيل هاي قديمي در اين دوران هستند. يکي از مشخص ترين کاربراتورها که در اتومبيل هاي انگليسي مورد استفاده قرار مي گرفت، کاربراتور S.U مخفف Skinners Union بود که نام مخترعان آن را که عبارت بودند از G.H و T.C اسکينر را داشتند. در اين کاربراتور کنترل جريان بنزين و اندازه گيري آن از طريق بالا و پايين رفتن يک پيستون که در مقابل اهرم گاز از خود واکنش نشان مي داد انجام مي گرفت و طرز کار اين گونه بود که با فشار آوردن به اهرم يا پدال گاز يک خلاء جزئي در کاربراتور ايجاد مي گرديد و پيستون به حرکت درمي آمد و حرکت پيستون يک سوپاپ سوزني شکل را نيز به حرکت درمي آورد که با حرکت آن سوخت وارد جريان هواي ورودي مي شد.
يکي از کاربراتورهاي کلاسيک که عمدتاً در اتومبيل هاي ايتاليايي از جمله آلفارومئو مورد استفاده قرار مي گرفت، کاربراتور وبر (Weber) بود که داراي چند نازل و دهنه بود که اگر بخواهيم در مورد سازه آن و نحوه کارش صحبت کنم مي بايست نيمي از مقاله را به آن اختصاص دهيم. البته مشکل کاربراتورهاي وبر، تنظيم دقيق آن بود که در آن صورت عملکرد فوق العاده اي داشت ولي همواره صاحبان آن با مشکل تنظيم دقيق روبه رو بودند. توليد کننده کاربراتور هاليوود مي گفت که اگر يک فيل خوب است بنابراين يک گله صد تايي نيز خوب است. يک کاربراتور ساده کمک چنداني نمي تواند انجام دهد ولي مي تواند در نزديکي محفظه احتراق و دور از سايرين باشد. امّا چند کاربراتور مي توانند نقش جدي در موتور داشته باشند ولي نبايد فراموش کرد که تنظيم چند کاربراتور که بتوانند مخلوط مناسبي از سوخت را در اختيار موتور قرار دهند، کار چندان آساني نبوده است.

پيش به سوي نگرشي متفاوت و مثبت: تزريق سوخت
 

در دوراني از صنعت اتومبيل اين موضوع مطرح گرديد که به جاي اينکه ما خود را وابسته به نيروي ثقل براي حفظ سطحي از سوخت در باک سوخت کرده و از خلاء جزئي براي مکش بنزين به داخل جريان سوخت استفاده کنيم، چرا آن را تزريق نکنيم؟ در واقع در ابتدا ايده تزريق بنزين باعث انحراف بسياري از دست اندر کاران گرديد. اولين مورد استفاده گسترده آن در يک هواپيماي جنگنده در طول جنگ جهاني دوم بود.
اولين اتومبيلي که مجهز به سيستم تزريق سوخت بود اتومبيلي به نام Gutbrod Superior 600 در سال 1953 بود که يک پيشرانه 2 سيلندر دو زمانه داشت و چندان از نظر فني و تکنيکي شرايط ممتازي نداشت. اتومبيل بعدي که در آن از سيستم تزريق سوخت مشابهي استفاده شده بود Goliath GP 700 بود. امّا شناخته شده ترين اتومبيلي که براي نخستين بار از سيستم تزريق سوخت در آن استفاده شد مرسدس بنز ‎300SL در سال 1954 بود که البته مدل هاي قبلي آن از انواع کاربراتوري بودند. اولين سيستم هاي تزريق بنزين ساخت کمپاني بوش آلمان بودند که اساس کاري آنها از سخت افزار مورد استفاده در پيشرانه هاي ديزلي اقتباس شده بود که داراي پمپ جداگانه براي انتقال بنزين و در اختيار گذاردن مستقيم بنزين به هر سيلندر بود. بنابراين ملاحظه مي کنيد که تکنولوژي تزريق مستقيم سوخت پيشينه اي ديرينه دارد. امّا در ايالات متحده شرکت STU HILBORN در اواخر سال هاي دهه 1940 اقدام به معرفي سيستم تزريق مکانيکي مشابهي کرد که در اتومبيل هاي مسابقه اي داراي کاربرد بود و کمپاني جنرال موتورز و بخش روچستر آن سيستم تزريق سوختي را ابداع کردند که به صورت سفارشي در شورولت کوروت 1957 مورد استفاده قرار گرفت. شرکت بنديکس (Bendix) اقدام به عرضه سيستم هاي تزريق بنزين در سال 1957 براي مدل Rebel شركت امريکن موتورز کرد که بسيار موفقيت آميز بود و يکسان بعد از آن در ساير اتومبيل هاي آمريکايي مانند انواع کرايسلر، دوج، دسوتو و پيلوت نيز مورد استفاده قرار گرفت. اگر بخواهيم آنها را با سيستم هاي تزريق امروزي مقايسه کنيم بايد بگوييم که ساختار آنها آنالوگي بود و معمولاً داراي ولتاژ قابل تنظيم بودند يعني سيستم الکترونيکي که براساس آنالوگ کارآيي دارد ولي امروزه سيستم هاي تزريق سوخت الکترونيکي براساس نقشه هاي ديجيتالي کار مي کنند. به استثناء تلاش ها و مدل هاي که در ابتدا آلماني ها عرضه کردند، تمامي سيستم هاي تزريق بنزين از نوع Port Injection بودند يعني سوخت که همان بنزين باشد مستقيماً از طريق سوپاپ ورودي و جريان هوايي که به داخل آن حرکت مي کرد وارد محفظه احتراق مي گرديد.

تلاش کمپاني بوش در رفع مشکل
 

ساير مدل هاي تزريق سوخت داراي تفاوت هايي در زمينه هاي نوع اندازه گيري هوا در آنها و سخت افزار تزريق بود. سيستم هاي بوش عالي ترين مثال ها در زمينه توسعه سيستم هاي تزريق بودند: در مدل D-Jetronic که در سال 1967عرضه شد براي محاسبه جرم هوا و به پيروي از آن اندازه گيري ميزان بنزين که بايد تزريق شود، از فشار در منيفولد (چند راهه) ورودي و سرعت دوران موتور استفاده مي شد. پس از آن در سال 1974 کمپاني بوش سيستم تزريق K-Jetronic را معرفي کرد که باز هم يک مدل مکانيکي بود که قابليت اندازه گيري ميزان جريان هواي ورودي به داخل سيلندر و همين طور سوخت تزريقي را به صورت دائمي در داخل مجاري انتقال دارا بود. پس از آن نوبت به مدل KE-Jetronic رسيد که در آن براي نخستين بار از الکترونيک استفاده شد. سيستم تزريق L-Jetronic در سال 1982 به بازار آمد که قابليت اندازه گيري مستقيم ميزان جريان هواي ورودي را داشت و همين طور تزريق سکانسي يا سريالي را داشت.
با ورود LH-Jetronic حسگر مخصوص جريان هوا و کنترل آن که به صورت قلاپ بود، جاي خود را به Hot-Wire يا اصطلاحاً سيم داغ داد که ديدگاهي بسيار حرفه اي و ماهرانه بود و مي توانست با استفاده از کنترل جرياني که مورد نياز براي حفظ يک سيم براساس درجه حرارت از قبل تعيين و تنظيم شده است، اقدام به محاسبه غيرمستقيم حجم هواي ورودي کند. در مدل مهندسي و پيشرفته تر اين سيستم به جاي سيم از يک فيلم داغ استفاده گرديد. مدل LH-Jetronic از نوع سيستم الکترونيکي کاملاً ديجيتال بوده که تبديل به يک استاندارد گرديد که هنوز هم در مدل هاي مختلف اتومبيل مورد استفاده قرار مي گيرد. امروزه کمپاني بوش براي مشخص کردن يونيت نصب شده خود که مجموعه اي است از تزريق سوخت با کنترل الکترونيکي و همين طور جرقه زدن از واژه موترونيک استفاده مي کند. اين دو مورد يعني تزريق سوخت الکترونيکي و جرقه الکترونيکي گرچه تا حدودي تأثير روي عملکرد موتور دارند ولي ساير پارامترها و تجهيزات ديگري نيز وجود دارند که در تصوير مشاهده مي کنيد که همانند يک لوپ بسته و با استفاده از حسگرهاي 8 وظيفه کنترل مخلوط مناسب براي بهينه سازي، پايداري در دورهاي آهسته موتور، حسگر ضربه، چرخش مجدد گازهاي اگزوز (EGR) و بالاخره تزريق مجدد هوا را براي کاهش هيدروکربن هاي توليدي در آغاز استارت و در مرحله گرم کردن عهده دار هستند و در نتيجه ميزان مواد آلاينده که به صورت مجاز از اگزوز خارج مي شوند کاهش پيدا کند. و بالاخره اينکه اخيراً سيستم هاي الکترونيکي تزريق سوخت با نام Di-Motronic توسط ساير سازندگان عرضه شده اند که اصطلاحاً به آنها تزريق مستقيم سوخت مي گويند.

چرا تزريق مستقيم سوخت؟
 

اگرچه امروزه سيستم هاي سوخت رسان از طريق تزريق به مجاري ورودي به حيات خود ادامه مي دهند ولي مزيت سيستم هاي تزريق مستقيم که روز به روز عموميت بيشتري پيدا مي کند اين است که چون سوخت مستقيماً به داخل محفظه احتراق پاشيده شده و تزريق مي گردد لذا اندازه گيري آن دقيق تر است. ساير مزاياي سيستم هاي تزريق مستقيم سوخت عبارتند از تنظيم دقيق زمان ترزيق و محل دقيق تر تزريق سوخت که نتيجه آن توليد نيروي بيشتر توسط موتور است.

چه آينده اي درانتظار HCCI است؟
 

(HCCI (Homogenous Charge Compression Ignition که به معناي احتراق مخلوط سوخت تحت فشار همگن است، در آن تلفيقي از جرقه زدن شمع در موتورهاي بنزيني و کمپرس شدن مخلوط سوخت در موتورهاي ديزلي به وجود آمده است. در شرايطي که فشار زياد به موتور وارد مي گردد HCCI رفتاري شبيه موتورهاي بنزيني جرقه زن دارد و در شرايط فشار کاري پايين چون امکان استفاده از سوخت رقيق وجود دارد، عملکردي همانند موتورهاي ديزلي پيدا مي کند و مخلوط سوخت بدون جرقه مشتعل مي گردد. بنابراين در وضعيت دوم چون از مخلوط سوخت رقيق استفاده مي شود، مصرف بنزين کاهش پيدا مي کند امّا نقطه ضعف آن، اين است که بعضاً سوختي که از مخلوط بنزين تشکيل شده در صورت اشتعال بدون جرقه ممکن است باعث آسيب وارد آوردن به قطعات موتور شود.
منبع: ماهنامه نوآور، شماره ي 92