۱- مقدمه:
۱-۱- مرور كلي
مهندسي اتومبيل سازي با تأكيد رو به افزايش بر دستيابي به پيشرفتهاي اساسي در اقتصاد سوخت اتومبيل ، در تلاش جهت ارائه موتورهايي هستند كه مصرف موقت ويژه ترمز (BSFC) را افزايش داده و مي توانند از شرايط و نيازهاي انتشار شديد آينده تبعيت كنند. BSFC و اقتصاد سوخت، موتور گازوئيلي، تزريق مستقيم (CIDI) و موتور ديزلي، بر BSFC و اقتصاد سوخت موتور احتراق جرقه اي (Spark-ignition) كه سوخت آن از طريق مجرا و دهانه موجود در آن تزريق مي شود، ارجحيت دارد، دليل اين امر، عمدتاً استفاده از نسبت تراكم بسيار بالاتر و عمل غير كنترلي مي باشد. بنابراين،‌موتور ديزلي، عموماً صدا و سطح پارازيت بالاتر، دامنه سرعت محدودتر، قابليت راه اندازي كاهش يافته و انتشارات Nox بالاتري را نسبت به موتور احتراق جرقه اي (SI) از خود نشان مي دهد. در طول دو دهه گذشته، تلاش هايي در جهت ارائه موتور احتراق دروني در مورد كاربردهاي اتومبيل سازي صورت گرفته است كه بهترين ويژگيهاي موتورهاي SI و ديزي را با هم تركيب كند. هدف از اين كار، تركيب نيروي ويژه موتور گازوئيلي با كارايي و بازده موتور ديزلي در بخشي از بار بوده است. چنين موتوري ، BSFC را ارائه مي دهد كه به BSFC موتور ديزلي نزديك بوده و در عين حال، ويژگيهاي عملي و بازده قدرت ويژه موتور SI را محفوظ مي دارد.
تحقيق، نشان داده است كه كانديد نويد بخش براي دستيابي به اين هدف، يك موتور احتراق جرقه اي ،‌چهار ضربه اي، تزريق مستقيم است كه تركيب ورودي را جهت كنترل بار خفه نمي كند. در اين موتور، يك ستون ابري شكل اسپري سوخت، مستقيماً به سيلندر تزريق مي شود، و تركيب هوا – سوخت با يك تركيب قابل احتراق در پلاتين و مولد جرقه و در زمان احتراق ، ايجاد مي شود. اين نوع موتور، بعنوان يك موتور تزريق مستقيم، شارژ لايه اي (DISC) طراحي مي شود. اين نوع موتور، عموماً؟؟ بسياري در مورد سوختهاي داراي عدد اكتان و انديس حركت پذيري پائين تر را از خود بروز مي دهند، و بخش چشمگيري از كار اوليه در مورد موتورهاي طرح اوليه DISK بر قابليت چندسوختي متمركز بود. توان خروجي اين موتور، به شيوه اي مشابه با توان خروجي موتور ديزلي، با تغيير ميزان كه به سيلندر تزريق مي شود، كنترل مي گردد. هواي القايي (مكشي) خفه نمي شود بنابراين به حداقل رساني كار منفي حلقه پمپاژ چرخه، مورد توجه قرار مي گيرد. موتور، با استفاده از كليد جرقه جهت احتراق سوخت و تركيب با هوا، موجبات احتراق مستقيم را فراهم مي آورد، بنابراين از بسياري از شرايط و نيازهاي كيفيت احتراق احتراق اتوماتيك را كه مربوط به سوختهاي موتور ديزلي هستند، اجتناب مي كند. بعلاوه، به وسيله تنظيم كليد جرقه و انژكتور سوخت، ممكن است كل عمل تركيبات سوختني بسيار زياد بدون مواد قابل احتراق كافي حاصل شود، و يك BSFC افزايش يافته به بار آيد.
از يك چشم انداز تاريخي، تمايل به اين منافع مهم، تعداد تحقيقات مهم در مورد پتانسيل موتورهاي DISC ، ارتقاء يافته است. چند استراتژي احتراق، ارائه و اجرا شدند، از جمله سيستم احتراق كنترل شدة (TCCS) Texaco Man-fm of masch inenfabrik Auguburg-Nurnberg و سيستم احتراق برنامه ريزي شده Ford اين سيستم هاي اوليه، مبتني بر موتورهايي بودند كه دو شير در هر سيلندر، با يك محفظه احتراق كاسة داخل پيستون داشتند. تزريق تأخيري، با بكارگيري يك سيستم تزريق سوخت نازل – خط – پمپ مكانيكي حاصل از يك كاربرد موتور ديزلي ، بدست آمد. عمل عدم خنگي (withrottled) از طريق دامنة بار و با BSFC حاصل شد كه با موتور ديزلي تزريق غير مستقيم (IDI) رقابت مي كرد . نقطه ضعف عمده اين بود كه زمان بندي تزريق تأخيري ، حتي در بار كامل حفظ مي شد، اين امر، به دليل محدوديات سيستم تزريق سوخت مكانيكي بود. اين امر امكان احتراق بي دود يا كم دود را براي نسبتهاي سوخت – هواي غني تر از ۲۰ به ۱ فراهم مي كرد. لزوم استفاده از تجهيزات تزريق سوخت ديزلي، با نياز به يك توربو شارژ جهت فراهم آوردن توان خروجي مناسب همراه بود كه منجر به ايجاد موتوري با ويژگيهاي عملكرد هزينه اي مي شد كه مشابه با ويژگيهاي عملكرد و هزينه يك موتور ديزلي بود، اما داراي انتشارات هيدروكربن خام با بار نسبي ضعيف (UBHC) بود. تركيب كاربرد هواي نسبتاً رقيق و استفاده از تجهيزات تزريق سوخت كه محدود به دامنة سرعت بود، بدين معناست كه توان خروجي ويژه موتور، كاملاً پائين بود. مبحثي در مورد تركيب بندي هندسي اين سيستم هاي اوليه در بخش ۱-۶ ارائه مي شود.
بسياري از محدوديات اساسي كه در كار اوليه در مورد موتورهاي DISC وجود داشت،‌هم اكنون مي توانند از بين بروند. اين امر، خصوصاً در موردمحدوديتهاي كنترل عمده اي صحت دارد كه در مورد انژكتورهاي تزريق مستقيم (DI) مربوط به ۱۵ سال پيش وجودداشته است. تكنولوژيها و استراتژيهاي كامپيوتري جديد،‌توسط بسياري از شركتهاي اتومبيل سازي جهت بررسي مجدد اينكه كدام منافع بالقوة موتور تزريق مستقيم گازوئيل (GDI) مي توانند در توليد موتورها به كار روند، استفاده مي شوند. اين موتورها و استراتژيهاي احتراق، در بخش هاي ۲-۶ و ۱۷-۶ مورد بررسي قرار مي گيرند.
اطلاعات موجود در اين سند، امكان مرور بررسي جامع ديناميكهاي تركيبي و استراتژيهاي كنترل احتراقي را براي خواننده فراهم مي آورد كه ممكن است در موتورهاي گازوئيلي، تزريق مستقيم، احتراق جرقه اي ، چهار ضربه اي به كار روند. بسياري از اين اطلاعات كه هنوز به زبان انگليسي ترجمه شده اند، دقيقاً مورد بررسي قرار مي گيرند، و تحقيق و توسعة دقيق و حياتي آينده، شناسايي مي شوند.

۲-۱- منافع بالقوه اصلي: موتور GDI در مقابل موتور PFI
تفاوت اصلي ميان موتور PFI و موتور GDI ، در استراتژيهاي آماده سازي تركيب است كه در شكل ۱ نشان داده مي شود. در موتور PFI ، سوخت به دهانه ورودي هر سيلندر تزريق مي شود، و زماني عقب ماندگي ميان عمل تزريق و كاهش سوخت و هوا در سيلندر وجوددارد. اكثر موتورهاي PFI اتومبيلي فعلي، از تزريق سوخت زمان بندي شده روي پشت دريچه ورودي استفاده مي كنند، البته آنها اينكار را از زماني انجام مي دهند كه دريچه ورودي بسته باشد. در طول استارت زدن و آغاز سرما، يك لاية متحرك (موقت) ، يا تركيبي از سوخت مايع،‌در ناحيه دريچه ورودي مجرا (دهانه)‌تشكيل مي شود. اين امر، موجب تأخير در دريافت سوخت و خطاي ژيگلور مي گردد،‌اين امر، بواسطه تبخير ايجاد مي شود و ايجاد اين امر، جهت تأمين مقدار سوختي كه از مقدار مورد نياز براي نسبت استوكيومتريك ايده آل بيشتر است،‌لازم و ضروري است. اين زمان عقب ماندگي و رتيكب ممكن است موتوري را ايجاد كند كه جرقه نمي زند يا در چرخه هاي ۴ تا ۱۰ اوليه، سوختن ناقص را بوجود آورد، و افزايش چشمگيري در انتشارات UBHC ايجاد سازد.
متقارباً، تزريق مستقيم سوخت به سيلندر موتور، از ايجاد مشكلات و مشكلات همراه با مرطوب بودن ديواره سوخت در دهانه جلوگيري كرده و در عين حال، امكان كنترل افزايش يافته سوخت تنظيم شده را براي هر احتراق و امكان كاهش زمان انتقال سوخت را فراهم مي سازد. جرم واقعي سوخت وارد شده به سيلندر در يك چرخه معين مي تواند بيشتر با تزريق مستقيم كنترل شود تا با PFI موتور GDI ، نيرو و پتانسيلي را براي احتراق مناسب تر ، تغيير كمتر سيلندر تا سيلندر ديگر در نسبت سوخت – هوا و مقادير BSFC عمل پائين تر، ارائه مي دهد. انتشارات UBHC در طول آغاز سرما ، با تزريق مستقيم، كمتر مي شود. و عكس العمل موقتي موتور مي تواند حاصل شود. در نتيجه فشار سوخت عملي بالاتر سيستم GDI ، سوخت وارد شده به سيلندر تحت شرايط عمل در سرما بهتر از فشار سوخت عملي سيستم PFI بهينه سازي مي شود، بنابراين مقادير تبخير سوخت بيشتري را ارائه مي دهد. سايز و اندازة افت متوسط، ۱۶ ميكرون SMD است كه با ۱۲۰ ميكرون SMD سيستم PFI قابل مقايسه مي باشد. بنابراين، شايان ذكر است كه تزريق مستقيم سوخت به سيلندر، تضمين نمي كند كه مسائل ومشكلات مربوط به لاية سوخت، وجود ندارد. مرطوب بودن تاج هاي پيستون يا سطوح ديگر محفظة احتراق ،‌عمدي يا سهوي ، تبخير و تشكيل لاية‌ ديوار موقتي متغير مهمي را ارائه مي دهد.
البته،‌مفهوم GDI ،‌فرصتهايي را جهت گريز از محدوديات اساسي موتور PFI ،‌خصوصاً محدوديات مربوط به مرطوب بودن ديوارة دهانة ارائه مي دهد. لاية سوخت در دهانة ورودي موتور PFI، بعنوان يك خازن تلفيقي عمل مي كند،‌و اين موتور، در واقع در سوخت دقيق تنظيم شده حاصل از لايه عمل مي كند، نه از سوختي كه توسط انژكتور، تنظيم مي شود. در طول يك استارت سرد، سوخت حاصل از بيش از ۱۰ چرخه بايد جهت دستيابي به يك لاية نوساني و ثابت سوخت مايع در دهانة ورودي بايد تزريق گردد. اين امر بدين معناست كه موتور PFI سرد، ابتدا در چرخه هاي معدود، راه اندازي و روشن نمي شود، گرچه سوخت، مكرراً به لايه تزريق مي شود. آلگوريتم هاي كنترل بايد در صورتي جهت فراهم سازي امكان سوختن اضافي مورد استفاده قرار گيرند كه زمانهاي استارت قابل قبول PFI حاصل مي شوند ، گرچه دماي كاتاليزور، زير آستانه iight-off در اين شرايط قرار دارد و انتشارات UBHC افزايش خواهند يافت. بنابراين، در مورد سيستم هاي PFI ، توليد ۹۰ درصد از انتشارات كلي BHC در آزمايش انتشار US FTP در اوايل دهه ۹۰ امكانپذير نيست.
تزريق مستقيم گازوئيل به سيلندر موتور چهار ضربه اي، گازوئيلي، احتراق جرقه اي ، لايه سوخت تلفيقي را در دهانة ورودي حذف مي كند. مشخص شده كه تزريق مستقيم گازوئيل با غني سازي اندك يا بدون غني سازي سرد مي تواند استارتهايي را در چرخة دومين استارت زدن فراهم سازد و همچنين مي تواند كاهش هاي چشمگيري را در طول بارگيري موقت، پالس هاي كوتاه مدت UBHC را به معرض نمايش بگذارد. يك نمونه مناسب از مقايسه كميت سوخت مورد نياز جهت راه اندازي موتورهاي PFI و GDI در شكل ۲ ارائه مي شود. كاملاً بديهي است كه موتور GDI جهت راه اندازي موتور به سوخت بسيار كمتري نياز دارد و اين تفاوت در شرايط و نيازهاي موقت مي نيمم ، همانطور كه دماي محيط كاهش مي يابد، بيشتر مي شود.
محدوديت ديگر موتور PFI ، نياز به خفه سازي براي كنترل بار اصلي مي باشد. هر چند كه خفه سازي، يك مكانيسم قابل قبول و قابل اعتماد مربوط به كنترل بار در موتور PFI مي باشد، اما اتلاف ترموديناميك همراه با خفه سازي، اساسي به حساب مي آيد. هر سيستمي كه از خفه سازي جهت تنظيم سطح بار استفاده مي كند، اتلاف ترموديناميكي را تجربه خواهد كرد كه همراه با اين حلقه پمپاژ است، و كاهش بازدة حرارتي را در سطوح پائين بار موتور به معرض نمايش خواهد گذاشت. موتورهاي پيشرفته PFI فعلي، هنوز كارايي دارند. هنوز به خفه سازي جهت كنترل بار اصلي نياز دارند. آنها همچنين داراي يك نوار عملي سوخت مايع در دهانة ورودي هستند اين دو شرط عملي اساسي PFI ، دو اشكال بزرگ و عمده را در دستيابي به پيشرفتهاي عملي چشمگير در انتشارات يا اقتصاد سوخت PFI ارائه مي دهند. پيشرفتهاي رو به افزايش و مداوم در تكنولوژي PFI قديمي، بوجود خواهد آمد، اما احتمال اينكه اهداف انتشار و اقتصاد سوخت با دامنه طولاني بتوانند بطور همزمان حاصل شوند، وجود ندارد. موتور GDI ، در تئوري، داراي اين دو محدوديت عمده و محدوديات عملكرد توأم با آنها نمي باشد. مزاياي تئوريكي موتور GDI در موتور معاصر PFI ، به شرح زير خلاصه مي شوند.
اقتصاد سوخت افزايش يافته و پيشرفته ۱ تا ۲۵ درصدتوسعه پتانسيل، بسته به چرخة آزمايش كه ناشي از موارد زير مي باشد.
•     اتلاف پمپاژ كمتر (حالت بدون خفگي و لايه اي )
•     اتلافهاي گرماي كمتر (حالت بدون خفگي و لايه اي)
•     نسبت تراكم بيشتر (خنك سازي بار با تزريق در طول القا)
•     نياز به اكتان پائين تر (خنك سازي بار با تزريق در طول القا)
•     بازده حجمي افزايش يافته (خنك سازي بار با تزريق در طول القا)
•     قطع سوخت در طول كاهش سرعت وسيله نقليه (بدون لايه چند راهه)
•     واكنش موقتي افزايش يافته
•     غني سازي شتاب كمتر مورد نياز (بدون لاية چند راهه)
•     كنترل نسبت سوخت – هواي رقيق تر
•     استارت زدن سريع تر
•     سوختن اضافي استارت سرد كمتر مورد نياز
•     محدوديت تولرانس EGR توسعه يافته (براي به حداقل رساني استفاده از خفه سازي)
•     مزاياي انتشارات انتخابي
•     انتشارات UBHC استارت سرد كاهش يافته
•     انتشارات CO2 كاهش يافته
•     پتانسيل افزايش يافته براي بهينه سازي سيستم
فشارهاي تزريق بسيار بالاتر مورد استفاده در سيستم هاي تزريق GDI ريل مشترك در مقايسه با سيستم هاي سوخت PFI ، درجه اتوماتيك سازي سوخت و ميزان تبخير سوخت را افزايش مي دهد، و در نتيجه دستيابي به احتراق ثابت از اولين يا دومين چرخه تزريق بدون تأمين سوخت اضافي ،‌امكانپذير است. بنابراين، موتورهاي GDI ،‌داراي پتانسيل دستيابي به انتشارات UBHC استارت سردي هستند كه مي توانند به سطح مشاهده شده در مورد شرايط اجراي ثابت نزديك شود. Takagi گزارش داد كه انتشارات UBHC استارت سرد حاصل از موتور GDI بهينه سازي شده تحت شرايط قابل مقياس مي باشند. مزيت نهفته ديگر موتور GDI ،‌گزينه استفاده از قطع سوخت در زمان كاهش سرعت مي باشد. قطع سوخت، به شرط اجراي موفق مي تواند امكان توسعه ها و پيشرفتهاي ديگري را در سطوح انتشار UBHC خارج از موتور و اقتصاد سوخت، فراهم سازد. در مورد موتور PFI كه از يك لاية تعيين سوخت در دهانه ورودي عمل مي كند،‌قطع سوخت در طول كاهش سرعت وسيله نقليه، گزينه عملي و قابل اجرايي به شمار نمي رود، و موجب كاهش يا حذف لايه سوخت مايع در دهانه مي گردد. اين امر،‌تركيبات بسيار رقيقي را در محفظة احتراق و در مورد چرخه محدود ايجاد مي كند؛ اين تركيبات به دنبال ذخيره بار ايجاد شده و عموماً منجر به عدم روشن شدن موتور مي گردد.
شايان ذكر است كه مهندسين طراحي، مديران و محقيقيني كه بايد اطلاعات منتشر شده در مورد مزاياي موتورهاي GDI بر موتورهاي PFI را ارزيابي كنند، بايد از يك منطقة مقايسه داده ها و اين گزارش مشوش آگاه باشند. در بسياري مقالات،‌عملكرد GDI با خطوط مبناي PFI كه مشخص شده اند، مقايسه مي شود، و اين امر انجام يك مقايسه مهندسي مستقيم را ميان عملكرد PFI و GDI ، براي خواننده بسيار مشكل مي سازد. يك مثال مناسب، مقايسه داده هاي اقتصاد سوخت PFI و GDI است كه با استفاده از دو وسيله نقليه مختلف با دو وزن اينرسي مختلف بدست آمد. مثالي از يك تفاوت ظريف تر، ارزيابي كاهش BSFC است كه ناشي از حذف كامل خفه سازي در يك موتور GDI مي باشد، اما اتلاف پارازيتي يك پمپ خلاء را كه بايد جهت ترمزگيري و كاربردهاي ديگر اضافه گردد را مورد توجه قرار نمي دهد و آنرا حذف نيز نمي كند. تعدادي از مقايسات منتشر شده، ميان اين دو محدوده قرار دارند. به خوانندگان هشدار داده مي شود كه كليه ادعاهاي مربوط به اطلاعات قياسي GDI/PFI و درجه اي كه سيستم ها با آن و تحت شرايط و محدوديات مختلف آزمايش شده اند را به دقت بررسي كنند.