كيف تعمل، وبأي ضغط، ولماذا؟

فولكسفاغن إف إس آي
والبخ المباشر للبنزين

29/5/2002

لإطلاق عائلة محركاتها البنزينية الجديدة إف إس آي FSI ذات البخ المباشر، في صيغة الأسطوانات الأربع بسعات 1.4 أو 1.6 أو 2.0 ليتر حتى الآن، إعتمدت فولكسفاغن VW المبدأ الشائع ايضاً في محركات الديزل العصرية ذات البخ المباشر.

وهو مبدأ المنصة المشتركة common-rail التي يضغط فيها البنزين حتى 110 بار (مقارنة بنحو 8 بار في محركات البنزين ذات البخ غير المباشر)، علماً بأن الضغط يصل في منصة البخ المباشر للديزل حتى ما بين 1300 و1600 بار (حسب الأنظمة)، لأن الديزل يتطلّب ضغطاً أعلى لإشعاله تلقائياً، خلافاً للبنزين الذي يكفيه ضغط أقل لأن شرارة شمعة الإشعال هي التي توقد مزيج البنزين والهواء، لا شدة الضغط وحدها كما في محركات الديزل.

من منصة الضغط المشتركة، يُنفخ الوقود عبر البخاخ الى غرف الإحتراق combustion chambers حيث يمتزج بالهواء. لذلك إستغنت فولكسفاغن عن ترتيب الصمامات الخمسة لكل اسطوانة، وإعتمدت أربعة صمامات إفساحاً لمجال تركيب البخاخ.

بتلك الطريقة، يصل الهواء وحده عبر صمامَي الهواء (وليس مع البنزين كما في محركات البخ غير المباشر)، فيدخل من جهة، بينما يبخ البخاخ ما يلزم من البنزين من جهة ثانية.

وهنا تبرز خصوصاً فوائد البخ المباشر، لأن فصل البنزين عن الهواء يتيح التحكم بكل منهما حتى موقع حصول الإشتعال مباشرة. بذلك يمكن التحكم بتوقيت بخ البنزين وكميته من جهة البخاخ، وبغزارة الهواء وتوقيت دخوله بواسطة الصمامين، إضافة طبعاً الى التحكم بتوقيت الإشعال والتنفيس، وذلك كله تبعاً لبرمجة نظام الإدارة الإلكترونية في المحرك.

لكن التقنية التي تؤدي، حسب مقاييس فولكسفاغن، الى توفير البنزين حتى نحو 15 في المئة (بمعنى أن التوفير لن يكون بمعدل 15 في المئة في مختلف ظروف القيادة، بل في أفضل الحالات الممكنة) عن محرك بنزيني موازي السعة لكن ببخ غير مباشر، لا تكتفي بتعديل موقع البخاخ، إذ تطلّبت تجاوز عقبات عدة لتنعيم الأداء من جهة، ولخفض التلويث من جهة أخرى.

ويختلف نمط دخول الهواء والبنزين الى غرف الإحتراق حسب سرعة دوران المحرك والضغط المطلوب منه. ففي حين يفترض تحقيق المزيج المثالي لظروف القيادة العادية، بنسبة 14.7 وحدة هواء لكل وحدة بنزين stoichiometric mixture، يمكن خفض نسبة البنزين عند الإستغناء عن التلبية العالية، في الإزدحامات مثلاً أو عند القيادة بنمط مسترخ على طريق مفتوح، للحصول على ما يسمى بالمزيج المفتقر للبنزين lean-burn، اي بنسب تزيد عن 20 أو 30 وحدة هواء لكل وحدة بنزين (حسب المحركات والظروف). وتصل النسبة في محركات ميتسوبيشي جي دي آي Mitsubishi GDI ذات البخ المباشر للبنزين (أطلقت قبل ستة أعوام بأربع أسطوانات، وتتوافر اليوم بست V6 منها أيضاً) حتى 40 وحدة هواء لكل وحدة بنزين (حسب ظروف القيادة).

لتبديل نسب المزيج وتوقيت البخ، يعتمد نظام فولكسفاغن إف إس آي ثلاثة أنماط، أولها بسحب متجانس، أي بطريقة القيادة العادية Homogeneous operation، والثاني بسد نصف فتحة الأنبوب الموصل للهواء الى الصمامات (بواسطة جنيّح flap يتحرك لفتح الأنبوب كلياً أو لسد نصفه)، في نمط السحب الجزئي المتدرّج Stratified-charge operation (وتعني العبارة تدرّج عملية ملء غرفة الإحتراق بالهواء والوقود)، ليقع بينهما النمط الثالث، بالسحب المتجانس والغني بالهواء Homogeneous lean operation mode، مع تنقل المحرك بين الأنماط الثلاثة بإستمرار (بواسطة تحكم إلكتروني)، تبعاً لمتطلبات دوّاسة الوقود وحسب الحمولة المفروضة على المحرك.

- السحب العادي والمتجانس Homogeneous operation: في نمط السحب العادي، يدخل الهواء عبر قطر الممر بكامله، بطريقة عادية، ليصل الى غرفة الإحتراق بنسبة موازية لـ14.7 أضعاف كمية البنزين التي ستصل عبر البخاخ. وهي نسبة المزيج الملائمة للإشتعال في الظروف الإعتيادية stoichiometric mixture، في أي محرك ببخ مباشر أو غير مباشر.

لكن البخ المباشر، خصوصاً مع الضغط العالي للبنزبن حتى 110 بار قبل نفخه من البخاخ، يسمح بتنعيم رذاذ البنزين أكثر مما يمكن مع البخ غير المباشر، مع فوائد وصول البنزين وحده أولاً، في خفض درجة الحرارة في غرفة الإحتراق نسبياً (قبل الإشتعال)، ما سمح برفع نسبة إنضغاط مزيج الهواء/الوقود compression ratio (عند صعود المكبس لضغط المزيج قبل إشتعاله) الى 12.1 الى واحد (النسبة 12.5 الى واحد في ميتسوبيشي جي دي آي)، مقارنة بنحو 10.5 الى 11 الى واحد في محركات البخ الإلكتروني غير المباشر (كانت النسبة بين 9 و10 الى واحد في محركات الصمامين لكل أسطوانة).

فزيادة نسبة إنضغاط المزيج تؤدي تلقائياً الى زيادة نسبة إستخراج القوة والعزم من المحرك، فترتفع نسبة الأحصنة والنيوتون-متر (العزم) المحصلة من كل ألف سنتم مكعب من سعة المحرّك. ويحدد صانعو المحركات عادة نسبة إنضغاط المزيج عند أعلى مستوى يمكن بلوغه قبل حصول الإشتعال المبكر الذي يؤدي الى الطقطقة المؤذية والناتجة عن الإشتعال المبكر للمزيج (أي  قبل إطلاق شرارة الإشعال). وفي المحركات العصرية عادة وسائل رصدٍ تبدلُ نمط البخ والإشعال قبل حصول الظاهرة.

- السحب الجزئي المتدرّج Stratified-charge operation: أما في نمط السحب المتدرج، أي في القيادة بنمط لا يتطلّب أكثر من نسبة بسيطة من قدرات المحرك، يتم توفير الوقود بما يسمى بالسحب المتدرّج، أو الجزئي، إذ لا يتم بخ الوقود لملء غرفة الإحتراق عموماً، كما في ظروف القيادة العادية، بل لملء محيط شمعة الإشعال وحده، هذا من جهة بخ البنزين، بينما ينحصر مدخل الهواء الذي يتحرّك فيه الجنيّح لقطع نصف الممر.

نتيجة لذلك، يكتفي المحرك بنسبة هواء أعلى (قياساً بالبنزين) ويصل (الهواء) في حركة دوران عمودية tumble من فوق الى تحت، خلافاً للدوران الأفقي swirl الذي يحصل في السحب العادي، كما لا يبخ البنزين فعلياً إلا بعد بداية صعود المبكس في شوط ضغط المزيج، لتأخير البخ نسبياً وإيصال البنزين فوراً الى وسط تدفق الهواء، فينشأ تيار حول شمعة الإشعال التي تنتهي بإطلاق شرارتها في "غيمة" الوقود الدائرة حولها (وليس في مختلف أرجاء غرفة الإحتراق كما في ظروف الإحتراق العادية). ولأن "غيمة" رذاذ البنزين تدور حول شمعة الإشعال، تكفي نسبة ضئيلة جداً من البنزين (قياساً بنسبة الهواء) لإشعال مزيج "غيمة الرذاذ" حول الشمعة، فتنشأ حول كتلة المزيج المشتعل طبقة هواء تعزل الكتلة حرارياً عن جوانب الأسطوانة، ما يخفف نسبة الطاقة المبددة حرارياً عبر قالب المحرك. ففي نهاية الأمر، ليست حرارة قطع المحرك إلا قسماً من مخزون الطاقة (البنزين أو الديزل) التي لم تترجم الى قوة دفع، بل الى حرارة لا مفر من هدر معظمها عبر قطع المحرك وسوائل التبريد.

- السحب المتجانس والغني بالهواء Homogeneous lean operation mode: بين نمطَي السحب السابقَين، يقع النمط الثالث الذي يعمل فوق مجال الـ3000 د.د.، عندما يتعذر إشتعال المزيج الداخل بتدرج (أي بتأخير وصول البنزين نسبياً بعد دخول الهواء)، على النحو الذي يمكن تحقيقه في نمط السحب الجزئي المتدرج. فإذا طلب من المحرك أداء أقوى من القيادة البطيئة أو الثابتة بهدوء، لكن من دون الحاجة الى تلبية رياضية حادة كالتي تتطلب نمط السحب العادي المتجانس، يعتمد نظام إف إس آي نمط سحب غني بالهواء، لكن من دون إعادة تدوير قسم من الغازات المحترقة. عندها يسحب الهواء عادياً كما في نمط السحب العادي المتجانس، لكن مع مزيج فقير بالبنزين وغني بالهواء لتخفيف الإستهلاك.

وتعد مواصفات محركات فولكسفاغن بتبدل أنماط السحب المختلفة بسرعة تحول دون شعور السائق والركاب بحصولها، وبخفض معدلات التلويث وإستهلاك البنزين حتى نحو 15 في المئة في ظروف القيادة العادية (مع وقود خال من الكبريت sulfur، وفي معزل عن القيادة الرياضية التي تزيد الإستهلاك حكماً)، وذلك على الرغم من زيادة القوة والعزم بنسبة خمسة في المئة عن قوة (وعزم) محرك عصري موازي السعة لكن بنظام بخ غير مباشر.

إكبس لمعرفة المزيد عن موديلات فولكسفاغن وآودي المجهزة بالمحركات المذكورة.

إكبس لمعرفة المزيد عن نظام معالجة زيادة أكسيد النيتروجين مع محركات البخ البنزيني المباشر.

إكبس لقراءة زاوية الرأي في شأن مستقبل المحركات البنزينية.