تاريخ تطور نظام حقن البنزين

Gasoline Injection System


أدت زيادة القوانين الصارمة للحد من تلوث عادم السيارات والمنافسة في تصميم محركات أقل استهلاك للوقود مع المحافظة على قدرة عالية للمحرك في السبعينيات والثمانينيات في القرن الماضي إلى العمل بشكل مستمر لتطوير المغذي (الكربراتير), إلى أن أصبح التطوير لا يجدي نفعاً مع زيادة القوانين صرامة وزيادة المغذي تعقيداً. ومع دخول الإليكترونيات مجال السيارات, تحول نظام إدخال الوقود إلى النظام الإليكتروني للحقن, مستبدلاً بذلك نظام المغذي الأكثر بساطة, والأقل تكلفة, والأقل أجزاء, بنظام الحقن للوقود.

حقن الوقود يتضمن بخ أو حقن الوقود مباشرة داخل مجمع السحب للمحرك. حيث له العديد من المزايا عن نظام المغذي (الكربراتير). هذه الميزات تتضمن تحسن القيادة في جميع الظروف, تحسين التحكم في الوقود وتوفيره, تقليل الملوثات بالعادم, مع زيادة كفاءة المحرك وزيادة القدرة بالإضافة إلى سهولة عملية الصيانة والإصلاح.  

نظام حفن الوفود الإليكتروني أثبت أنه أدق, وأضمن, وأوفر طريقة لإمداد الوقود إلى محرك الاحتراق الداخلي للسيارات اليوم. نظام حقن الوقود الإليكتروني يجب توفير نسبة الهواء للوقود (هواء/وقود) الصحيحة عند جميع أحمال المحرك, وجميع السرعات, عند كل درجات الحرارة المصاحبة. لتحقيق ذلك يستخدم النظام, نظام أمداد بالوقود, نظام سحب الهواء, حساسات دخل, وحدة تحكم إليكترونية, بخاخات (حاقنات), وبعض نظم التحكم في سرعة اللا حمل (الحمل الخالي). 

على الرغم من أن تقنية حقن الوقود بدأت في الظهور في العشرينات من القرن الماضي 1920, فإنه في الثمانيات 1980 بدأ عندها مصنعي السيارات إلى استبدال نظام المغذي بنظام حقن الوقود الإليكتروني systems electronic fuel injection (EFI).  

وكان أول ظهور لنظام حقن الوقود للسيارات الأمريكية في أواخر الخمسينيات وتابعه ظهور حقن الوقود في السيارات الأوربية في أواخر الستينات, وبدأ التحول إلى حقن الوقود يأخذ تسارع عالي خلال السبعينيات والثمانيات وفي أوائل التسعينات أصبحت معظم السيارات بالعالم تستخدم نظام حقن الوقود الإليكتروني.

يمكن تصنيف النظم المختلفة لحقن الوقود بعدة طرق كالتالي:

1-    حسب طريقة المتبعة لحقن الوقود

‌أ.         Mechanicalحقن ميكانيكي  

‌ب.  Electro-Mechanicalحقن اليكترو- ميكانيكي  

‌ج.     fuel injection (EFI) حقن إليكتروني  Electronic 

2-    حسب شكل الوقود المحقون

‌أ.   Continuous fuel injection (CFI) مستمر

‌ب.  Intermittentمتقطع  

3-    مكان حقن الوقود

أ‌.مركزي  Center

- حقن في الخانق   Throttle body injection (TBI)
- حقن في فتحة السحب
Port fuel injection (PFI)

ب‌. متعدد النقاط     Multi-point injection (MPFI)

- بالترتيب Sequential

- بالمجموعBatched
- في نفس الوقت
Simultaneous

              ج. حقن مباشر Direct injection (DI)  

4-  التطور الزمني

أ‌.       جيترونيك (دي, كي, إل, مونو- جيترونيك), التحكم في حقن الوقود.

ب. موترونيك (أم, كي أي, مونو- مترنيك), دمج التحكم في حقن الوقود والإشعال.

 

النظم المختلفة لحقن الوقود: 

نظام الحقن بالخانق Throttle body injection:

(هذا النظام يعرف أيضاً حقن أحادي النقطة  single point injection, أو حقن وقود مركزي central fuel injection).

العديد من الأنظمة التي ظهرت في البداية كانت حقن بالخانق throttle body injection (TBI) systems والتي كان يتم فيها الحقن في الخانق فوق صمام الخانق, في نفس مكان دخول الوقود عن طريق المغذي. هذا النظام أطلقت عليه شركة جنرال موتورز أسم TBI, وأطلقت عليه شركة فورد أسم CFI (continuous fuel injection). المحركات المجهزة بنظام حقن في الخانق تحولت تدريجياً إلى حقن في فتحة السحب  port fuel injection (PFI) systems, والذي تكون فيه البخاخات مركبة على فتحة السحب للأسطوانات. 

نظام الحقن المركزي في مجمع السحب Central port injection (CPI):

قامت شركة جنرال موتورز بتطوير هذا النظام والذي قد يطلق عليه نظام حقن الوقود المركزي central port fuel injection (CPFI). هذا النظام يستخدم أنابيب تمتد من الحقن المركزي لتوصيل الوقود عند كل فتحة سحب بدلاً من الخانق. وفي هذا النظام يتم حقن الوقود بشكل مستمر لجميع الفتحات نفس الوقت, وهي طريقة غير مثلى.  

نظام متعدد- نقاط حقن الوقود Multi-point fuel injection (MPFI):

(هذا النظام يعرف أيضاُ ب حقن وقود متعدد الفتحات Multi-port fuel injection, أو حقن وقود بالتتابع sequential fuel injection).
في هذا النظام يتم حقن الوقود في فتحات السحب ما قبل صمام السحب بدلاً من النقطة المركزية في مجمع السحب. هذا النظام يمكن أن يكون بالترتيب
sequential, والذي فيه الحقن يتزامن مع كل شوط سحب لكل أسطوانة. أو يكون بالمجموع batched, والذي فيه الحقن يكون لجميع الاسطوانات وبدون توافق مع أي من شوط السحب لأي اسطوانة. أو يكون في نفس الوقت simultaneous, والذي يكون فيه الحقن في نفس الوقت لجميع الاسطوانات.  

نظام الحقن المباشر Direct injection (DI):

(ويسمى أيضاً حقن مباشر للبنزين gasoline direct injection (GDI))

بعض السيارات الحديثة تستخدم الحقن المباشر. وهو حقن متعدد النقاط والحاقن مركب داخل غرفة الاحتراق. وهذا النظام أكثر تحكم للعادم بإلغائه الجزء المبلل بمجمع السحب.

نظم الحقن لشركة بوش:

وقد قامت شركة بوش Bosch من جانبها بتطوير نظام حقن الوقود للبنزين, خلال عدة أنظمة للحقن, كما قامت بتطوير نظام يجمع بين نظام الحقن ونظام الإشعال في نظام أطلقت عليه نظام موترونيك لإدارة المحرك Motronic هذا النظام يعمل على التوافق بين الحقن والإشعال وتحسين عوامل التحكم في النظامين مع الأخذ بمتطلبات إجراءات الاحتراق.

يبين الجدول التالي تاريخ تطور أنظمة حقن الوقود والإشعال الخاص بشركة بوش: 

نظم حقن وقود البنزين (Gasoline-injection systems):

دي- جيترونيك

D-Jetronic

           1967- 1979

كا- جيترونيك

k-Jetronic

1973- 1995

إل- جيترونيك

L-Jetronic

1973- 1986

إل أتش - جيترونيك

LH-Jetronic

1981- 1998

كا أي - جيترونيك  

KE-Jetronic

1982- 1996

مونو- جيترونيك

Mono-Jetronic

1987- 1997

نظم الإشعال(Ignition systems) :

إشعال بالملف

Coil Ignition (CI)

1934- 1986

إشعال ترانزستوري

Transistorized Ignition (TI)

1965- 1993

إشعال أشباه الموصلات

Semiconductor Ignition

1983- 1998

النظم المدمجة للإشعال وحقن وقود البنزين
(Combined ignition and gasoline injection systems):

أم- موترونيك

M-Motronic

منذ 1979

كي أي- موترونيك

KE-Motronic

1987- 1996

مونو- موترونيك

Mono-Motronic

منذ 1989

 

جيترونيك Jetronic

جيترونيك هو الاسم التجاري لنوع تقنية حقن الوقود المسوق عن طريق شركة بوش بداية من 1960 وحتى الآن. شركة بوش أعطت رخصة الفكرة إلى العديد من مصنعي السيارات. ومع مرور الوقت كان هناك العديد من الاختلافات في التقنية, التي تمثل تحسن تقني بالنظام. 

- نظام دي- جيترونيك D-Jetronic (1967-1976)-:

هو نظام يعمل عن طريق حساس يقيس ضغط (التخلخل) بمجمع السحب الذي يستخدم لتقدير حمل المحرك (كمية الهواء التي يستخدمها المحرك). هذا النظام في البداية كان يطلق عليه جيترونيك فقط, ولكن الاسم دي- جيترونيك أطلق عليه لتميزه عن الأنواع الجديدة. وقد جاءت التسمية "دي D" من الكلمة الألمانية Druck التي تعني الضغط. ومقدار الضغط هذا يرسل إلى الوحدة الإليكترونية ECU لحساب كمية الوقود المطلوبة. 

- نظام كي- لمبدا جيترونيك K-Jetronic (1974-1988):

هو نظام حقن مستمر لوقود البنزين يعمل ميكانيكياً هيدروليكياً يقوم بإدخال الوقود إلى المحرك كدالة لكمية الهواء الداخل. ويحقن الوقود باستمرار من جميع البخاخات, وقد جاءت التسمية "كي K" من كلمة Knotiuerlich الألمانية التي تعني مستمر continuous وقد أطلقت عليه شركات فولكس واجن, أودي, مرسيدس أسم "سي أي سي" والذي يعني نظام الحقن المستمر continuous injection system (CIS).

- نظام كي- لمبدا جيترونيك : K-lambda Jetronic
ويمكن مد عمل النظام عن طريق نظام لمبدا لتحكم الدائرة المغلق
Lambda closed-loop control  للحصول على قيمة منخفضة لغازات العادم.

- نظام كي أي- جيترونيك (1985-1993)KE-Jetronic:

وللحصول على غازات عادم أقل صرر من ناحية التلوث, أدت إلى إضافة وحدة تحكم إليكترونية ECU إلى النظام, ومنظم ابتدائي للضغط, ومفعل للضغط للتحكم في مركبات خليط الهواء/ الوقود, ليتحول النظام إلى نظام كي أي- جيترونيك KE-Jetronic. وقد يكون مزود أو لا يكون بدائرة (لمبدا) للتحكم, وهو نظام ميكانيكي متحكم فيه إليكترونياً, وهو مصمم على أن يعمل ميكانيكياً في حالة تعطل النظام الإليكتروني.  

- نظام إل- جيترونيك (1974 -1985) L-Jetronic:

وهو نظام يستخدم مقياس تدفق الهواء لقياس مقدار الهواء الداخل للمحرك. يقوم بحقن متقطع للوقود كدالة في كمية الهواء المسحوب بالمحرك, وسرعة المحرك, عدة من العوامل المؤثرة الأخرى. وقد جاءت التسمية "إل L" من كلمة Luft الألمانية والتي تعني هواء, هناك رأي أخر أن التسمية إل جاءت لأن هذا النظام جاء بعد نظام كى مباشرة (الحرف إل يتبع الحرف كى في الحروف اللاتينية). كما يطلق عليه نظام أيه أف سي للحقن injection  Air-Flow Control (AFC).  

- نظام إل أي- جيترونيك (1981 -1991) LE-Jetronic:

وهو نظام مبسط وأكثر تقدم من نظام إل- جيترونيك. ووحدة التحكم الإليكترونية أرخص تكلفة في الإنتاج وبها مكونات حديثة أكثر. هناك ثلاثة أنواع من أل إي, فهناك أل أي 1 النوع الأساسي, ثم أل أي 2 (1984), به تفعيل بدأ الإدارة البارد بداخل وحدة التحكم الإليكترونية, ولا تحتاج إلى حاقن (بخاخ) لبدأ الإدارة البارد, و مفتاح حراري زمني كما في الأنظمة السابقة. ونظام إل 3 (1989), وهو يستخدم نظام تقني مهجن, وأصبح النظام يقوم باستخدام التقنية الرقمية, وبذلك أمكن القيام تحكم لم يكن القيام به بالنظام السابق. وليس به النظام المغلق لتحكم لمبدا.  

- نظام إل يو- جيترونيك LU-Jetronic (1983-1991):
هو نظام مشابه لنظام أل أي 2- جيترونيك ولكن به دائرة مغلقة لتحكم لمدا لتتماشى مع متطلبات السوق الأمريكية. 

- نظام إل أتش- جيترونيك LH-Jetronic (1983-1998):
هو نظام إليكتروني رقمي لحقن الوقود. بدلاً من قياس كمية الهواء المسحوبة داخل المحرك, يتم تسجيل وقياس كتلة الهواء عن طريق السلك الساخن. هذا يجعل تكوين النسبة الصحيحة للهواء/ الوقود مستقلة عن حالة الجو. ويمثل أل أتش
LH الكلمة الألمانية Luftmasse-Hitzdraht وهو يعني قياس كتلة الهواء عن طريق السلك الساخن. وهناك العديد من الأنواع المختلفة مثل LH 2.2 الذي يستخدم المتحكم الدقيق لإنتل Intel 8049 (MCS-48) microcontroller, LH 2.4 الذي يستخدم المتحكم الدقيق لسيمنز Siemens 80535 microcontroller.  

- نظام مونو- جيترونيك Mono-Jetronic (1988-1995):

هذا النظام به حاقن واحد مركزي. وهذا النظام يسمي في النظام الأمريكي تي بي أي TBI وهو يختلف عن الأنواع المعروفة الأخرى نقطة الحقن الواحدة بأنه يتعمد على حساس وضع الخانق ليحكم على حمل المحرك. ليس هناك حساسات لقياس انسياب الهواء أو التخلخل بمجمع السحب. والنظام به دائرة التحكم المغلقة للمبدا. ويستخدم تحكم دقيق لإنتل 8051.

 

نظام موترونيك لإدارة المحركMotronic engine management :


هو أول نظام إليكتروني لإدارة للمحرك والذي يجمع بين نظام جيترونيك مع النظام الإليكتروني للتحكم في توقيت الإشعال في وحدة واحدة. في نظم موترونيك الأولى كان هناك دمج لنظام التحكم في توقيت الإشعال مع النظم جيترونيك الموجودة لحقن الوقود مثل إل و أل أتش, كى وبعض مونو.  وقد طورت واستخدمت في سيارات بي أم دابليو BMW 7 Series, قبل أن تستخدم في محركات سيارات فولفو وبورش ابتداء من 1980.

وحدة التحكم بالنظام تستقبل المعلومات المتعلقة بالسرعة المحرك, وضع عمود المرفق, انسياب الهواء داخل مجمع السحب, درجة حرارة مياه التبريد, ووضع الخانق, وكذلك درجة الحرارة الهواء الداخل للمحرك بعد مروره بالشاحن التربيني و التبريد البيني.

كما يوجد محول لإرسال معلومات لوحدة التحكم في حالة قيام أي وحدة كهربائية داخلية بالعمل, والتي تحتاج إلى زيادة في سرعة الحمل الخالي. كما يوجد أيضاً حاقن للتشغيل على البارد (بدأ الإدارة البارد) لتوفير وقود غني خلال حالة التشغيل على البارد.

 
- نظام كي أي- موترونيك
KE-Motronic
هذا النظام مبنى على نظام كي- جيترونيك
K-Jetronic  لنظام الحقن المستمر.

- نظام مونو- موترونيك Mono-Motronic
هذا النظام مبني على نظام مونو- جيترونيك
 Mono-Jetronic لنظام الحقن المتقطع.

- نظام
أم- موترونيك M-Motronic
هذا النظام مبنى على نظام
أل- جيترونيك L-Jetronic لنظام الحقن المتقطع في مجمع السحب.

- نظام أم أي- موترونيك ME-Motronic

وهو نظام مدمج لنظام التحكم الإليكتروني للخانق electronic throttle control (ETC) في نظام أم- موترونيك.

- نظام أم أي دي- موترونيك MED-Motronic
وهو نظام يجمع في نظام واحد الحقن المباشر للبنزين, والإشعال الإليكتروني, والتحكم الإليكتروني في الخانق. 

- نظام دي أي- موترونيك (الحقن المباشر للبنزين) DI-Motronic

في المحركات المزودة بحقن البنزين المباشر, تتكون نسبة الخليط للهواء مباشرة داخل غرفة الاحتراق. خلال شوط السحب, يسحب الهواء فقط من خلال صمام السحب, ويتم ضغط الوقود بضغط عالي داخل غرفة الاحتراق بواسطة حاقن خاص. أدت المعايرة المضبوطة, وتحضير وتوزيع الهواء الداخل والوقود لكل شوط احتراق إلى تقليل معدلات استهلاك الوقود وتقليل مستوى الانبعاثات من العادم.

نظام بوش لحقن البنزين المباشر هو نظام تحكم بالعزم torque-controlled system يفتح آفاق جديدة لقطاع الحقن المباشر للبنزين. هذا النظام الذكي يقوم ضبط العوامل المختلفة لكل متطلبات حالات القيادة المتعددة. في الأحمال الجزئية يعمل النظام على توفير خليط فقير من الهواء/ للوقود, وعند الحمل الكامل يوفر خليط متجانس من الهواء للوقود.