حقن الوقود

يقوم نظام حقن الوقود برش الوقود المضغوط داخل المحرك. لذلك، يلزم وجود جهاز لضغط الوقود، مثل مضخة الوقود.

يجب على النظام تحديد الكمية المناسبة من الوقود المراد توريدها والتحكم في تدفق الوقود لتوصيلها.

استخدمت العديد من أنظمة الحقن الميكانيكية المبكرة مضخات حقن متطورة نسبيًا تعمل بالتحكم الحلزوني، حيث كانت تقوم بقياس كمية الوقود وتوليد ضغط الحقن. ومنذ ثمانينيات القرن الماضي، استُخدمت أنظمة إلكترونية للتحكم في كمية الوقود. أما الأنظمة الأحدث فتستخدم وحدة تحكم إلكترونية للمحرك ، تقوم بقياس كمية الوقود والتحكم في توقيت الإشعال ووظائف أخرى متنوعة للمحرك.

حاقن الوقود عبارة عن فوهة رش تقوم بتوصيل الوقود إلى المحرك خلال المرحلة الأخيرة من عملية الاحتراق. ويقع الحاقن في غرفة الاحتراق ، أو مشعب السحب ، أو - في حالات أقل شيوعاً - في جسم الخانق .  

تُسمى حاقنات الوقود التي تتحكم أيضًا في القياس "صمامات الحقن"، بينما تُسمى الحاقنات التي تؤدي الوظائف الثلاث جميعها " حاقنات الوحدة ".

خلال القرن العشرين، كانت معظم محركات البنزين تستخدم إما المكربن ​​أو نظام حقن الوقود غير المباشر. أما في القرن الحادي والعشرين، فقد أصبح استخدام نظام الحقن المباشر في محركات البنزين أكثر شيوعاً.

في نظام الحقن المباشر للوقود، يُضخ الوقود من خزان الوقود إلى مجمع مشترك (يُسمى المُجمِّع ) ، ثم يُرسل عبر أنابيب إلى الحاقنات التي تحقنه في غرف الاحتراق. يحتوي المُجمِّع على صمام تخفيف ضغط عالي للحفاظ على الضغط وإعادة الوقود الزائد إلى خزان الوقود. يُرش الوقود بواسطة فوهة تُفتح وتُغلق بصمام إبرة يعمل بملف لولبي . ^{[ 4 ]} تستخدم محركات الديزل من الجيل الثالث المزودة بنظام الحقن المباشر للوقود حاقنات كهرضغطية لزيادة الدقة، مع ضغوط وقود تصل إلى 300 ميجا باسكال أو 44000 رطل لكل بوصة مربعة . ^{[ 5 ]}  

تشمل أنواع أنظمة الحقن بالسكك المشتركة الحقن الموجه بالهواء ^{[ 6 ]} والحقن الموجه بالرش . ^{[ 6 ]}

تشمل هذه الأنظمة المستخدمة في محركات الديزل ما يلي:

• Pumpe-Düse ^{[ 7 ]}
• نظام المضخة-السكك-الفوهة ^{[ 7 ]}

استُخدمت طريقة الحقن هذه سابقًا في العديد من محركات الديزل. تشمل أنواع الأنظمة ما يلي:

• حقن لانوفا المباشر ^{[ 8 ]}
• حقن ما بعد الغرفة ^{[ 9 ]}
• نظام G ( غرفة احتراق كروية ) ^{[ 10 ]}
• نظام غاردنر (غرفة احتراق نصف كروية) ^{[ 10 ]}
• نظام سورير ( غرفة احتراق الحيد ) ^{[ 10 ]}
• مكبس مسطح (غرفة الاحتراق بين المكبس والرأس)

نظام M ، المستخدم في بعض محركات الديزل من الستينيات إلى الثمانينيات، كان يرش الوقود على جدران غرفة الاحتراق، ^{[ 11 ]} على عكس معظم أنظمة الحقن المباشر الأخرى التي ترش الوقود في منتصف الغرفة.

تُعدّ أنظمة الحقن المتعددة شائعة في محركات البنزين مثل محركات أوتو ووانكل . في هذا النظام، يُخلط الهواء والوقود خارج غرفة الاحتراق، ثم يُسحب الخليط إلى داخل المحرك. ومن أهم أنواع أنظمة الحقن المتعددة: الحقن متعدد النقاط والحقن أحادي النقطة.

تستخدم هذه الأنظمة إما تصميم حقن "مستمر" أو "متقطع". ^{[ 12 ]} في نظام الحقن المستمر، يتدفق الوقود باستمرار من حاقنات الوقود، ولكن بمعدل تدفق متغير. يُعد نظام Bosch K-Jetronic متعدد النقاط ، الذي طُرح عام 1974 واستخدمته العديد من شركات تصنيع السيارات حتى منتصف التسعينيات، أكثر أنظمة الحقن المستمر شيوعًا في السيارات. أما أنظمة الحقن المتقطع، فيمكن أن تكون متسلسلة ، حيث يُضبط توقيت الحقن ليتزامن مع شوط السحب لكل أسطوانة؛ أو مجمعة ، حيث يُحقن الوقود في الأسطوانات على دفعات، دون تزامن دقيق مع شوط السحب لأي أسطوانة محددة؛ أو متزامنة ، حيث يُحقن الوقود في جميع الأسطوانات في الوقت نفسه؛ أو فردية ، حيث تستطيع وحدة التحكم الإلكترونية في المحرك ضبط الحقن لكل أسطوانة على حدة. ^{[ 12 ]}

الحقن متعدد النقاط

يقوم نظام الحقن متعدد النقاط (ويُسمى أيضًا "الحقن في المنافذ") بحقن الوقود في منافذ السحب مباشرةً قبل صمام السحب لكل أسطوانة ، بدلاً من نقطة مركزية داخل مشعب السحب. ^{[ 13 ]} عادةً، تستخدم أنظمة الحقن متعدد النقاط عدة حاقنات وقود، ^{[ 14 ]} ولكن بعض الأنظمة، مثل نظام الحقن المركزي في المنافذ من جنرال موتورز، تستخدم أنابيب مزودة بصمامات قرصية تُغذى بواسطة حاقن مركزي بدلاً من حاقنات متعددة. ^{[ 15 ]}

في محركات الديزل ذات الحقن غير المباشر (وكذلك محركات أكرويد)، توجد غرفتا احتراق: غرفة الاحتراق الرئيسية، وغرفة احتراق تمهيدية (تُسمى أيضًا غرفة ما قبل الاحتراق) ^{[ 17 ]} متصلة بالغرفة الرئيسية. يُحقن الوقود فقط في الغرفة التمهيدية (حيث يبدأ الاحتراق)، وليس مباشرةً في غرفة الاحتراق الرئيسية. ولذلك، يُطلق على هذا المبدأ اسم الحقن غير المباشر . توجد عدة أنظمة حقن غير مباشر مختلفة قليلاً، ولكنها تتشابه في خصائصها. ^{[ 18 ]}

تشمل أنواع الحقن غير المباشر المستخدمة في محركات الديزل ما يلي:

• حقن غرفة الاحتراق المسبق ^{[ 18 ]}
• حقن حجرة الخلية الهوائية ^{[ 19 ]}

نظام حقن الهواء المضغوط لمحرك ديزل من طراز 1898

نظام حقن ميكانيكي في منفذ المحرك من طراز أنطوانيت 8V موديل 1906

في عام 1872، حصل جورج بيلي برايتون على براءة اختراع لمحرك احتراق داخلي يستخدم نظام حقن وقود هوائي، وهو نظام اخترعه برايتون أيضًا: حقن الهواء المضغوط . ^{[ 20 ] : 413} وفي عام 1894، قام رودولف ديزل بنسخ نظام حقن الهواء المضغوط الذي ابتكره برايتون لمحرك الديزل، ولكنه قام أيضًا بتحسينه. ^{[ 21 ] : 414} حيث زاد ضغط الهواء المضغوط من 390-490 كيلو باسكال (57-71 رطل لكل بوصة مربعة) إلى 6400 كيلو باسكال (920 رطل لكل بوصة مربعة) . ^{[ 22 ] : 415} وفي الوقت نفسه، صمم يوهانس شبيل أول نظام حقن متعدد المنافذ في عام 1884، أثناء عمله في مصنع هاليشي للآلات في ألمانيا. ^{[ 23 ]}    

في عام 1891، أصبح محرك هربرت-أكرويد البريطاني الذي يعمل بالزيت أول محرك يستخدم نظام حقن وقود مضغوط. ^{[ 24 ] [ 25 ]} استخدم هذا التصميم، المسمى محرك المصباح الساخن ، مضخةً لضخ زيت الوقود بضغط عالٍ إلى حاقن. ومن التطورات الأخرى في محركات الديزل المبكرة غرفة الاحتراق المسبق، التي اخترعها بروسبر لورانج عام 1919 ^{[ 26 ]} لتجنب عيوب أنظمة حقن الهواء المضغوط. وقد مكّنت غرفة الاحتراق المسبق من إنتاج محركات بأحجام مناسبة للسيارات، وقدمت شركة مان للشاحنات والحافلات أول محرك ديزل ذي حقن مباشر للشاحنات عام 1924. ^{[ 19 ]} وفي عام 1927 ، قدمت شركة بوش مضخات حقن ديزل ذات ضغط أعلى .

في عام 1898، بدأت شركة دويتز الألمانية (Deutz AG) بإنتاج محركات بنزين ثابتة رباعية الأشواط ^{[ 27 ]} مزودة بنظام حقن متعدد المنافذ. وكان محرك الطائرات أنطوانيت 8V (أول محرك V8 في العالم) الذي طُوّر عام 1906، محركًا رباعي الأشواط آخر مبكرًا يستخدم نظام الحقن متعدد المنافذ. أما أول محرك بنزين بتقنية الحقن المباشر، فكان محرك طائرات ثنائي الأشواط صممه أوتو مادير عام 1916. ^{[ 28 ]} ومن المحركات المبكرة الأخرى التي تعمل بالشرارة وتستخدم الحقن المباشر ، محرك هيسلمان الذي صممه المهندس السويدي جوناس هيسلمان عام 1925. ^{[ 29 ] [ 30 ]} وكان هذا المحرك قادرًا على العمل بأنواع وقود متنوعة (مثل الزيت والكيروسين والبنزين وزيت الديزل) ^{[ 31 ]} ، ويعتمد على مبدأ الشحن الطبقي حيث يُحقن الوقود قرب نهاية شوط الضغط، ثم يُشعل بواسطة شمعة الإشعال .

تم طرح محرك الديزل Cummins Model H للشاحنات في أمريكا عام 1933. [ 32 ^{] وفي عام} 1936، أصبح محرك الديزل Mercedes-Benz OM 138 (الذي يستخدم غرفة احتراق مسبق) أحد أوائل محركات حقن الوقود المستخدمة في سيارة ركاب يتم إنتاجها بكميات كبيرة. ^{[ 33 ]}

خلال الحرب العالمية الثانية ، استخدمت العديد من محركات البنزين للطائرات أنظمة الحقن المباشر، مثل محركات يونكرز جومو 210 الأوروبية ، ودايملر بنز دي بي 601 ، وبي إم دبليو 801 ، وشفيتسوف إيه إس إتش-82 إف إن (إم-82 إف إن) . واستندت أنظمة الحقن المباشر الألمانية إلى أنظمة حقن الديزل التي استخدمتها شركات بوش، وديكل، ويونكرز، ولورانج. ^{[ 34 ]} وبحلول عام 1943 تقريبًا، تحولت محركات رولز رويس ميرلين ورايت آر-3350 من المكربن ​​التقليدي إلى حقن الوقود (الذي كان يُطلق عليه آنذاك "مكربن ​​الضغط")، إلا أن هذه المحركات استخدمت حقن مشعب الخانق ، بدلًا من أنظمة الحقن المباشر المستخدمة في المحركات الألمانية. ابتداءً من عام 1940، استخدم محرك ميتسوبيشي كينسي من سلسلة 60 نظام الحقن المباشر، إلى جانب محرك ميتسوبيشي كاسي ذي الصلة من عام 1941. وفي عام 1943، تمت إضافة نظام حقن وقود منخفض الضغط إلى محرك ناكاجيما هوماري موديل 23 الشعاعي. ^{[ 35 ]}

طوّرت شركة بوش أول نظام حقن مباشر للبنزين يُنتج بكميات كبيرة، واستُخدم في البداية في محركات البنزين ثنائية الأشواط الصغيرة للسيارات. طُرح هذا النظام لأول مرة في سيارة غولياث GP700 الصغيرة عام 1950، ثم أُضيف إلى محرك غوتبرود سوبيريور عام 1952. كان هذا النظام، الذي يُتحكم فيه ميكانيكيًا، عبارة عن مضخة حقن مباشر للديزل عالية الضغط مُشحّمة خصيصًا، من النوع الذي يُتحكم فيه بواسطة الفراغ خلف صمام الخانق. ^{[ 36 ]} كما استُخدم نظام حقن مباشر ميكانيكي من بوش في المحرك ذي الثماني أسطوانات المستقيمة المستخدم في سيارة مرسيدس-بنز W196 لسباقات الفورمولا 1 عام 1954. وفي العام التالي، طُرح أول محرك بنزين رباعي الأشواط بتقنية الحقن المباشر لسيارة ركاب، في سيارة مرسيدس-بنز 300SL الرياضية. ^{[ 37 ]} مع ذلك، عانى المحرك من مشاكل في التزييت نتيجة لتخفيف البنزين لزيت المحرك، ^{[ 38 ] [ 39 ]} ولذا تم تحويل محركات مرسيدس-بنز اللاحقة إلى تصميم حقن متعدد المنافذ. وبالمثل، استخدمت معظم أنظمة حقن البنزين قبل عام 2000 تصميم الحقن متعدد المنافذ الأقل تكلفة.

نظام حقن الوقود الميكانيكي Rochester Ramjet من خمسينيات القرن العشرين (على محرك شيفروليه 283 )

نظام حقن الوقود الميكانيكي Kugelfischer من سبعينيات القرن العشرين (على محرك BMW M88 )

مكونات نظام حقن الوقود الإلكتروني K-Jetronic من سبعينيات القرن العشرين

خلال خمسينيات القرن العشرين، طرحت العديد من الشركات المصنعة أنظمة حقن الوقود المتعددة لمحركات البنزين. بدأت شركة لوكاس للصناعات بتطوير نظام حقن الوقود عام ١٩٤١، وبحلول عام ١٩٥٦، استُخدم في سيارات جاكوار للسباقات. ^{[ ٤٠ ]} في سباق لومان ٢٤ ساعة عام ١٩٥٧ ، احتلت سيارات جاكوار من طراز D المراكز من الأول إلى الرابع، مستخدمةً نظام حقن الوقود من لوكاس. ^{[ ٤١ ]} وفي عام ١٩٥٧ أيضًا، طرحت جنرال موتورز خيار روشستر رام جيت ، وهو نظام حقن وقود لمحرك V8 في سيارة شيفروليه كورفيت. خلال ستينيات القرن العشرين، أنتجت شركات هيلبورن ، وسبيكا ، وكوجلفيشر أنظمة حقن الوقود أيضًا . ^{[ ٤٢ ] [ ٤٣ ]}

حتى ذلك الحين، كانت أنظمة حقن الوقود تعتمد على نظام تحكم ميكانيكي. في عام 1957، طُرح نظام American Bendix Electrojector ، الذي استخدم إلكترونيات تناظرية للتحكم. كان من المُخطط أن يُتاح نظام Electrojector لسيارة American Motors الجديدة Rambler Rebel المزودة بمحرك AMC الجديد V8 سعة 5.4 لتر (327 بوصة مكعبة ) . ^{[ 44 ]} إلا أن مشاكل الموثوقية حالت دون توفير خيار حقن الوقود للعملاء. ^{[ 45 ] [ 46 ] [ 47 ] [ 48 ] [ 49 ]} في عام 1958، قدمت سيارات Chrysler 300D و DeSoto Adventurer و Dodge D-500 و Plymouth Fury نظام Electrojector، لتصبح بذلك أولى السيارات المعروفة باستخدام نظام حقن الوقود الإلكتروني (EFI). ^{[ 50 ]}   

بِيعَت براءات اختراع جهاز Electrojector لاحقًا لشركة Bosch، التي طوّرته إلى نظام Bosch D-Jetronic . ^{[ 51 ]} أُنتِجَ نظام D-Jetronic من عام 1967 إلى عام 1976، واستُخدِم لأول مرة في سيارة VW 1600TL/E . كان النظام يعتمد على السرعة/الكثافة، حيث استخدم سرعة المحرك وكثافة الهواء في مشعب السحب لحساب كمية الوقود المراد حقنها. في عام 1974، قدّمت Bosch نظام K-Jetronic ، الذي استخدم تدفقًا مستمرًا للوقود من الحاقنات (بدلًا من التدفق النبضي لنظام D-Jetronic). كان K-Jetronic نظام حقن ميكانيكي، يستخدم مكبسًا يُشغَّل بضغط مشعب السحب، والذي يتحكم بدوره في تدفق الوقود إلى الحاقنات. ^{[ 52 ]}

في عام 1974 أيضاً، قدمت شركة بوش نظام L-Jetronic ، وهو نظام حقن وقود نبضي يستخدم مقياس تدفق الهواء لحساب كمية الوقود المطلوبة. وقد انتشر استخدام نظام L-Jetronic على نطاق واسع في السيارات الأوروبية خلال سبعينيات وثمانينيات القرن الماضي. وباعتباره نظاماً يستخدم حاقنات وقود يتم التحكم فيها إلكترونياً، حيث تفتح وتغلق للتحكم في كمية الوقود الداخلة إلى المحرك، فإن نظام L-Jetronic يعتمد على نفس المبادئ الأساسية لأنظمة حقن الوقود الإلكترونية الحديثة (EFI).

قبل عام 1979، كانت أنظمة حقن الوقود تعتمد على الإلكترونيات التناظرية للتحكم. وكان نظام بوش موترونيك لحقن الوقود متعدد النقاط (وهو من أوائل الأنظمة التي يتحكم فيها جهاز واحد بنظام الإشعال) أول نظام يُنتج بكميات كبيرة ويستخدم الإلكترونيات الرقمية . كما كان نظام فورد EEC-III لحقن الوقود أحادي النقطة، الذي طُرح عام 1980، نظامًا رقميًا آخر من أوائل أنظمة حقن الوقود الرقمية. ^{[ 53 ] [ 54 ]} وقد انتشرت هذه الأنظمة، وغيرها من أنظمة حقن الوقود الإلكترونية (التي تستخدم إما الحقن في منفذ السحب أو الحقن في جسم الخانق )، على نطاق أوسع خلال ثمانينيات القرن العشرين، وبحلول أوائل تسعينيات القرن نفسه، حلت محل المكربن ​​في معظم السيارات الجديدة التي تعمل بمحركات البنزين والمباعة في الدول المتقدمة.

جميع أنظمة الحقن المذكورة سابقًا لمحركات سيارات الركاب التي تعمل بالبنزين - باستثناء مرسيدس بنز 300 SL موديل 1954-1959 - كانت تستخدم الحقن في مشعب السحب (أي أن الحاقنات كانت موجودة في منافذ السحب أو جسم الخانق، بدلًا من داخل غرفة الاحتراق). بدأ هذا الوضع بالتغير عندما تم إنتاج أول نظام حقن مباشر للبنزين بكميات كبيرة لسيارات الركاب، وهو نظام السكة المشتركة الذي تم تقديمه في محرك ميتسوبيشي 6G74 V6 موديل 1997. ^{[ 55 ] [ 56 ]} أما أول نظام سكة مشتركة لمحرك ديزل في سيارة ركاب فكان في سيارة ألفا روميو 156 2.4 JTD موديل 1997. ^{[ 57 ]} تميز محرك الديزل التوربيني خماسي الأسطوانات بنظام حقن مباشر عالي الضغط طورته مجموعة فيات وماغنيتيتي ماريلي وصنعته شركة بوش. ^{[ 58 ]}   

منذ العقد الثاني من الألفية الثانية، تحولت العديد من محركات البنزين إلى نظام الحقن المباشر (وأحياناً مع حاقنات منفصلة لكل أسطوانة). وبالمثل، تستخدم العديد من محركات الديزل الحديثة نظام الحقن بالسكك المشتركة.

تم استخدام حقن الشحنة الطبقية في العديد من محركات البنزين في أوائل العقد الأول من القرن الحادي والعشرين، مثل محرك فولكس فاجن 1.4 FSI الذي تم طرحه في عام 2000. ومع ذلك، لم تعد أنظمة الشحنة الطبقية مستخدمة إلى حد كبير بحلول أواخر العقد الثاني من القرن الحادي والعشرين، وذلك بسبب زيادة انبعاثات غازات _أكاسيد النيتروجين والجسيمات، إلى جانب زيادة تكلفة الأنظمة وتعقيدها.