تأثیر سیستم GDI بر مصرف سوخت و آلایندگی خودرو

مقدمه

در سال‌های اخیر، پیشرفت‌های فناوری در صنعت خودروسازی به‌طور ویژه‌ای به بهینه‌سازی مصرف سوخت و کاهش آلایندگی‌ها متمرکز شده است. یکی از این نوآوری‌ها که به‌طور چشمگیری تاثیرگذار بوده، سیستم تزریق مستقیم بنزین (GDI) است. این سیستم با تزریق سوخت مستقیماً به داخل سیلندر، عملکرد موتور را به طرز قابل‌توجهی بهبود می‌بخشد و در مقایسه با روش‌های سنتی، دقت و کارایی بیشتری در فرآیند احتراق دارد. علاوه بر این، استفاده از GDI به کاهش مصرف سوخت و آلایندگی‌های زیست‌محیطی کمک می‌کند. اما باید توجه داشت که استفاده از این تکنولوژی نیز چالش‌هایی به همراه دارد و می‌تواند بر انتشار ذرات معلق و اکسیدهای نیتروژن تأثیر بگذارد. در این مقاله، به بررسی تأثیرات این سیستم بر مصرف سوخت و آلایندگی خودرو پرداخته می‌شود.

همچنین بخوانید: بررسی جامع تفاوت‌های میان مدل‌های تویوتا کرولا و کرولا هیبریدی ۲۰۲۳

سیستم تزریق مستقیم سوخت GDI در خودرو چیست؟

در خودروهای بنزینی معمولی، انژکتورهای سیستم سوخت‌رسانی روی مانیفولد هوا قرار دارند و هنگام پاشش سوخت، مخلوط سوخت و هوا از طریق سوپاپ ورودی وارد محفظه احتراق می‌شود. اما در موتورهای GDI (تزریق مستقیم بنزین)، انژکتورها مستقیماً در داخل محفظه احتراق قرار دارند، مشابه محل نصب شمع‌ها، و سوخت به‌طور مستقیم و دقیق‌تر تزریق می‌شود.با اینکه از نظر عملکرد کلی، این سیستم شباهت‌هایی به موتورهای انژکتوری دارد، اما تفاوت اصلی GDI با سیستم‌های رایج MPI (تزریق چندنقطه‌ای) تنها در محل نصب انژکتورها نیست. یکی از تغییرات مهم در سیستم GDI، نیاز به یک پمپ فشار قوی است، زیرا سوخت باید با فشار بسیار بالاتری تزریق شود تا احتراق بهینه‌تری داشته باشد.

هرچند اصول کلی این فناوری در تمام خودروهای دارای GDI یکسان است، اما خودروسازان بسته به نیاز و طراحی موتور، تغییراتی در این سیستم اعمال می‌کنند. برای مثال، برخی مدل‌ها از دو انژکتور بهره می‌برند و برندهایی مانند تویوتا ترکیبی از سیستم‌های GDI و MPI را به کار می‌گیرند تا عملکردی بهینه‌تر به دست آورند.اجزای اصلی سیستم GDI شامل پمپ فشار قوی، پمپ تقویت‌کننده، سنسور فشار ریل سوخت، رگلاتور سوخت و نازل پاشش سوخت است. همچنین، در بیشتر موتورهای GDI، شکل پیستون‌ها به گونه‌ای طراحی شده که مخلوط سوخت و هوا به بهترین شکل ممکن ترکیب شود و عملکرد بهتری ارائه دهد.هدف اصلی از استفاده از سیستم GDI در خودروها، کاهش مصرف سوخت و آلایندگی در کنار افزایش قدرت و کشش موتور است که این فناوری را به یکی از تحولات مهم در صنعت خودروسازی تبدیل کرده است.

عملکرد سیستم سوخت‌رسانی   GDI

همان طور که در پیش تر گفتیم سیستم GDI (Gasoline Direct Injection) یا تزریق مستقیم بنزین یک فناوری پیشرفته در سوخت‌رسانی موتورهای احتراق داخلی است که باعث بهبود عملکرد، افزایش راندمان سوخت و کاهش آلایندگی می‌شود. در این سیستم، سوخت مستقیماً به داخل سیلندر موتور تزریق می‌شود، برخلاف سیستم‌های قدیمی‌تر مانند MPFI (Multi-Point Fuel Injection) که سوخت را در منیفولد ورودی تزریق می‌کردند.عملکرد سیستم سوخت رسانی GDI را در چند مرحله می توان خلاصه کرد.

1. دریافت سوخت

پمپ سوخت درون باک بنزین قرار دارد و وظیفه دارد که سوخت را از باک به سیستم سوخت‌رسانی منتقل کند. این پمپ با استفاده از نیروی برق و به‌طور معمول به‌صورت پیوسته، بنزین را با فشار مشخص از باک به سمت فیلتر سوخت و بعد از آن به انژکتورها ارسال می‌کند.پمپ سوخت معمولاً در فشار بالا عمل می‌کند تا بتواند سوخت را به داخل سیستم تزریق و انژکتورها که در فشار بالا نیاز دارند، هدایت کند.

2.  تصفیه سوخت

فیلتر سوخت برای حذف آلودگی‌ها و ذرات ناخواسته از سوخت طراحی شده است. این فیلتر به‌ویژه برای جداکردن هرگونه ذرات جامد و آب که ممکن است وارد سوخت شوند، حیاتی است.وجود آلودگی‌ها در سوخت می‌تواند به انژکتورها آسیب بزند یا کارایی موتور را کاهش دهد. بنابراین، فیلتر سوخت به‌عنوان یک بخش ضروری در سیستم سوخت‌رسانی عمل می‌کند و اطمینان می‌دهد که سوختی تمیز وارد انژکتورها و در نهایت سیلندرها می‌شود.

3. تزریق سوخت

در این مرحله، سوخت به کمک انژکتورها که معمولاً به‌طور الکترونیکی کنترل می‌شوند، با فشار بسیار بالا (معمولاً بین 35 تا 200 بار) به داخل سیلندر تزریق می‌شود.این تزریق به‌صورت مستقیم به داخل سیلندر انجام می‌شود که باعث بهینه‌سازی فرآیند احتراق می‌شود. مزیت تزریق مستقیم این است که می‌توان حجم و دمای مخلوط سوخت و هوا را دقیقا کنترل کرد، که در نتیجه راندمان سوخت و عملکرد موتور بهبود می‌یابد.در سیستم GDI، زمان تزریق و مقدار سوخت دقیقاً توسط واحد کنترل الکترونیکی (ECU) مشخص می‌شود تا در هر لحظه بهترین عملکرد حاصل شود.

4. احتراق

پس از تزریق سوخت، مخلوط سوخت و هوا وارد سیلندر می‌شود. این مخلوط تحت فشار پیستون و در اثر فشرده‌شدن به دمای بسیار بالا می‌رسد.زمانی که پیستون به بالاترین نقطه حرکت خود (TDC یا Top Dead Center) می‌رسد، جرقه‌ای از شمع ایجاد می‌شود که باعث اشتعال مخلوط سوخت و هوا می‌شود.احتراق حاصل از این جرقه موجب افزایش فشار در سیلندر می‌شود که این فشار پیستون را به سمت پایین هدایت می‌کند.

5. تولید قدرت

با احتراق سوخت در سیلندر و تبدیل آن به انرژی حرارتی، این انرژی به انرژی مکانیکی تبدیل می‌شود که حرکت پیستون را ایجاد می‌کند.حرکت پیستون به میل‌لنگ منتقل می‌شود که باعث چرخش آن می‌شود. از آنجا، این انرژی از طریق جعبه‌دنده و سیستم انتقال قدرت به چرخ‌ها منتقل می‌شود و در نهایت موجب حرکت خودرو می‌شود.در این مرحله، موتور نیروی مکانیکی تولید می‌کند که چرخ‌ها را به حرکت درمی‌آورد و خودرو آغاز به حرکت می‌کند.

این مراحل همه با هم در هماهنگی عمل می‌کنند تا موتور بتواند با عملکرد بهینه، نیروی لازم برای حرکت خودرو را تولید کند.

بررسی مزایا سیستم تزریق سوخت مستقیم

• افزایش بهره وری سوخت

یکی از مزیت‌های بزرگ سیستم GDI، افزایش بهره‌وری سوخت است. در این سیستم، سوخت مستقیماً به داخل سیلندر تزریق می‌شود و همین باعث می‌شود که مخلوط سوخت و هوا به‌طور دقیق‌تر و بهینه‌تری ترکیب شود. این ترکیب به‌طور کامل‌تر سوخته و در نتیجه، سوخت کمتری مصرف می‌شود، اما قدرت موتور به‌طور قابل توجهی حفظ می‌شود. با این کار، مصرف سوخت کاهش می‌یابد و در عین حال، راندمان کلی موتور افزایش می‌یابد، که این امر به‌ویژه در رانندگی طولانی‌مدت یا در شرایط مختلف رانندگی بسیار مؤثر است.

• بهبود عملکرد موتور خودرو

سیستم GDI با کنترل دقیق‌تر فرآیند احتراق و تزریق سوخت، عملکرد موتور را بهبود می‌بخشد. در این سیستم، زمان و میزان تزریق سوخت به‌طور دقیق توسط واحد کنترل الکترونیکی (ECU) تنظیم می‌شود. این امر باعث می‌شود که موتور توان بیشتری تولید کند و همچنین زمان واکنش آن به فشردن پدال گاز کاهش یابد. به عبارت دیگر، شما سریع‌تر و با حساسیت بیشتری به تغییرات فشار پدال گاز واکنش نشان می‌دهید. این بهبود در پاسخگویی و قدرت موتور، تجربه رانندگی را شیرین‌تر و هیجان‌انگیزتر می‌کند.

• کاهش انتشار گازهای آلاینده

یکی از ویژگی‌های مهم سیستم GDI، توانایی آن در کاهش آلاینده‌ها است. زیرا این سیستم با دقت بالایی سوخت را به داخل سیلندر تزریق می‌کند و فرآیند احتراق را بهینه می‌سازد. نتیجه این فرآیند، کاهش میزان گازهای آلاینده مانند CO₂ و NOx است. به‌ویژه در شرایط رانندگی شهری که معمولاً توقف و حرکت‌های مکرر داریم، این سیستم می‌تواند به کاهش مصرف سوخت و همچنین آلاینده‌ها کمک کند. در واقع، در زمان‌هایی که خودرو متوقف می‌شود و دوباره شروع به حرکت می‌کند، سیستم GDI از ایجاد سوخت اضافی و آلودگی بیشتر جلوگیری می‌کند.

• تولید گشتاور بیشتر در دورهای پایین

در سیستم GDI، گشتاور بیشتر در دورهای پایین تولید می‌شود، که یکی از مزایای آن است. این ویژگی به این معنی است که موتور می‌تواند در سرعت‌های پایین‌تر هم نیروی مناسبی تولید کند. این امر به‌ویژه در شرایطی مانند رانندگی در ترافیک شهری یا هنگام عبور از مسیرهای پرپیچ و خم بسیار مفید است. شما نیاز ندارید که حتماً دور موتور را بالا ببرید تا قدرت کافی بگیرید؛ سیستم GDI اجازه می‌دهد تا با کمترین تغییرات در دور موتور، گشتاور بیشتری دریافت کنید. این کار باعث می‌شود که شتاب خودرو در سرعت‌های پایین نیز افزایش یابد و رانندگی راحت‌تر و مقرون‌به‌صرفه‌تر شود.

همچنین بخوانید: انواع خطاهای رایج در سنسور های تویوتا و شیوه های رفع آن

معایب تزریق سوخت مستقیم GDI

• هزینه های نگهداری بالاتر

کی از معایب مهم سیستم GDI، هزینه‌های نگهداری و تعمیرات بالا است. به دلیل فشار بالای تزریق سوخت و پیچیدگی بیشتر اجزای سیستم، تعمیر و نگهداری این موتورها به مراتب گران‌تر از موتورهای سنتی است. اجزای مهمی مانند انژکتورها، پمپ سوخت و فیلترها تحت فشار زیادی قرار دارند، که ممکن است به تعمیرات و تعویض‌های مکرر نیاز داشته باشد. همچنین، برای نگهداری سیستم GDI، به ابزار و تجهیزات خاصی نیاز است که خود باعث افزایش هزینه‌ها می‌شود. به همین دلیل، افرادی که از این سیستم استفاده می‌کنند باید آمادگی مالی برای نگهداری و تعمیرات آن را داشته باشند.

• تشکیل رسوب در دریچه ها

در سیستم‌های  GDI، سوخت مستقیماً به سیلندر تزریق می‌شود و به همین دلیل، دریچه‌های ورودی سوخت نمی‌گیرند. این موضوع باعث می‌شود که سوخت نتواند به‌طور مستقیم در تماس با دریچه‌ها قرار گیرد و در نتیجه، سوپاپ‌ها و دریچه‌های ورودی تمیز نمی‌مانند. با گذشت زمان، این عدم تمیزی می‌تواند منجر به تشکیل رسوب‌های کربنی در اطراف دریچه‌ها شود. این رسوبات باعث کاهش کارایی و عملکرد موتور می‌شوند و به‌طور کلی موتور را دچار اختلال می‌کنند. برای جلوگیری از این مشکل، نیاز به تمیزکاری مکرر و انجام سرویس‌های خاصی مانند استفاده از مواد تمیزکننده برای دریچه‌ها وجود دارد.

همچنین بخوانید: همه چیز درباره کویل خودرو و عیب یابی آن

سیستم GDI در خودروهای هیبریدی

سیستم GDI  (Gasoline Direct Injection) در خودروهای هیبریدی به بهبود کارایی موتور احتراقی کمک می‌کند و مصرف سوخت را کاهش می‌دهد. در این سیستم، سوخت به‌طور مستقیم به داخل سیلندر تزریق می‌شود، که باعث احتراق بهینه‌تر و کاهش مصرف سوخت در شرایط مختلف رانندگی می‌شود. در خودروهای هیبریدی، این سیستم به موتور احتراقی کمک می‌کند تا در مواقع ضروری مانند شتاب‌گیری یا حرکت در سرعت‌های بالا عملکرد بهتری داشته باشد، در حالی که موتور الکتریکی در مواقع کم‌نیاز به قدرت، مسئول تأمین نیروی خودرو است.

علاوه بر بهینه‌سازی مصرف سوخت، سیستم GDI در خودروهای هیبریدی به کاهش آلاینده‌ها نیز کمک می‌کند. با احتراق دقیق‌تر و کامل‌تر، میزان انتشار گازهای آلاینده مانند CO₂ و NOx کاهش می‌یابد، که به کاهش اثرات منفی زیست‌محیطی خودروهای هیبریدی کمک می‌کند. این سیستم همچنین به هماهنگی بهتر بین موتور الکتریکی و موتور احتراقی کمک می‌کند، به‌طوری که خودرو بتواند در شرایط مختلف رانندگی بهینه‌ترین عملکرد را ارائه دهد.

نتیجه گیری

سیستم GDI (Gasoline Direct Injection) تأثیر قابل توجهی بر کاهش مصرف سوخت و کاهش آلایندگی خودروها دارد. با تزریق دقیق سوخت به داخل سیلندر و احتراق بهینه‌تر، این سیستم قادر است مصرف سوخت را کاهش داده و عملکرد موتور را بهبود بخشد. به‌ویژه در خودروهای هیبریدی، که ترکیب موتور احتراقی و الکتریکی به‌طور همزمان انجام می‌شود، سیستم GDI به کاهش مصرف سوخت در شرایط مختلف رانندگی کمک می‌کند و عملکرد بهینه‌تری را ارائه می‌دهد. علاوه بر این، احتراق دقیق‌تر سوخت باعث کاهش میزان انتشار گازهای آلاینده مانند CO₂ و NOx می‌شود که به حفاظت از محیط‌زیست کمک می‌کند. به‌طور کلی، استفاده از سیستم GDI در خودروها موجب بهبود بهره‌وری سوخت، کاهش اثرات زیست‌محیطی و افزایش کارایی کلی خودروها می‌شود.