نظام الحقن المباشر للوقود (كومون ريل)

نظام حقن الوقود المباشر بالسكك المشتركة هو نظام حقن مباشر للوقود يعتمد على سكة وقود عالية الضغط تغذي صمامات الملف اللولبي . يتجاوز هذا الضغط عادةً 2000 بار أو 200 ميجا باسكال أو 29000 رطل لكل بوصة مربعة. ويختلف نظام السكك المشتركة عن نظام مضخة الوقود منخفضة الضغط التي تغذي حاقنات الوقود (أو فوهات المضخة). يوفر الحقن عالي الضغط مزايا في القدرة واستهلاك الوقود مقارنةً بالحقن السابق منخفض الضغط، وذلك عن طريق حقن الوقود على شكل عدد أكبر من القطرات الصغيرة، مما يوفر نسبة أعلى بكثير بين مساحة السطح والحجم. وهذا بدوره يحسن تبخر الوقود من سطح القطرات، وبالتالي يزيد من كفاءة دمج الأكسجين الجوي مع الوقود المتبخر، مما يؤدي إلى احتراق أكثر اكتمالاً .   

يُستخدم نظام حقن الوقود بالسكك المشتركة على نطاق واسع في محركات الديزل . كما أنه أساس أنظمة الحقن المباشر للبنزين المستخدمة في محركات البنزين .

في عام 1916، كانت شركة فيكرز رائدة في استخدام أنظمة الحقن المباشر للوقود الميكانيكية في محركات الغواصات من الفئة G. فلكل 90 درجة من الدوران، سمحت أربع مضخات مكبسية بضغط حقن ثابت يبلغ 3000 رطل لكل بوصة مربعة (210 بار؛ 21 ميجا باسكال) ، مع إيقاف تدفق الوقود إلى كل أسطوانة على حدة بواسطة صمامات في خطوط الحقن. ^{[ 1 ]} ومن عام 1921 إلى عام 1980، استخدمت شركة دوكسفورد للمحركات نظام الحقن المباشر للوقود في محركاتها البحرية ذات المكابس المتقابلة ، حيث ولّدت مضخة وقود ترددية متعددة الأسطوانات ضغطًا يبلغ حوالي 600 بار (60 ميجا باسكال؛ 8700 رطل لكل بوصة مربعة) ، مع تخزين الوقود في خزانات تجميع. ^{[ 2 ]} وتم التحكم في الضغط من خلال شوط تصريف قابل للتعديل للمضخة وصمام تصريف. استُخدمت صمامات التوقيت الميكانيكية التي تعمل بواسطة عمود الكامات لتزويد حاقنات Brice/CAV/Lucas المزودة بنابض، والتي كانت تحقن الوقود من خلال جانب الأسطوانة في الحجرة المتكونة بين المكابس. احتوت المحركات الأولى على زوج من أعمدة الكامات للتوقيت، أحدهما للتشغيل الأمامي والآخر للتشغيل الخلفي. أما المحركات اللاحقة، فكانت تحتوي على حاقنين لكل أسطوانة، بينما زُوّدت السلسلة الأخيرة من محركات الشحن التوربيني ذات الضغط الثابت بأربعة حاقنات. استُخدم هذا النظام لحقن كل من الديزل وزيت الوقود الثقيل (600 سنتي ستوك، مُسخّن إلى درجة حرارة تقارب 130 درجة مئوية).     

تُستخدم محركات الحقن المباشر للوقود في التطبيقات البحرية والسكك الحديدية منذ فترة. يُعد محرك كوبر-بيسيمر GN-8 ( حوالي عام 1942) مثالاً على محرك ديزل يعمل بنظام الحقن المباشر للوقود الهيدروليكي، والمعروف أيضاً باسم محرك الحقن المباشر للوقود المُعدَّل.

تم تطوير النموذج الأولي لنظام السكك الحديدية المشتركة لمحركات السيارات في أواخر الستينيات من القرن الماضي بواسطة روبرت هوبر من سويسرا، وتم تطوير هذه التقنية بشكل أكبر بواسطة الدكتور ماركو جانسر في المعهد الفدرالي السويسري للتكنولوجيا في زيورخ، ثم لاحقًا في شركة جانسر-هيدروماج إيه جي (التي تأسست عام 1995) في أوبراجيري.

كان محرك MN 106، من إنتاج شركة VEB IFA Motorenwerke Nordhausen الألمانية الشرقية، أول محرك ديزل يعمل بنظام الحقن المباشر للوقود (Common Rail) يُستخدم في مركبة برية. وقد تم تركيبه في سيارة IFA W50 واحدة عام 1985. ونظرًا لنقص التمويل، أُلغي المشروع ولم يتحقق الإنتاج بكميات كبيرة. ^{[ 3 ]}

تم بيع أول مركبة ناجحة للإنتاج بكميات كبيرة مزودة بنظام الحقن المباشر للوقود (Common Rail) في اليابان عام 1995. وقد قام الدكتور شوهي إيتو وماساهيكو مياكي من شركة دينسو بتطوير نظام الحقن المباشر للوقود ECD-U2، الذي تم تركيبه على شاحنة هينو رينجر . ^{[ 4 ]} وتدّعي دينسو أنها أول شركة تجارية تمتلك نظام حقن مباشر للوقود عالي الضغط عام 1995. ^{[ 5 ]}

تُدار أنظمة الحقن بالسكك المشتركة الحديثة بواسطة وحدة تحكم المحرك ، التي تتحكم في البخاخات كهربائيًا بدلًا من ميكانيكيًا. طُورت النماذج الأولية في التسعينيات من القرن الماضي بواسطة ماغنيتي ماريلي ، ومركز أبحاث فيات في باري ، وإيلاسيس، مع تطوير إضافي من قِبل الفيزيائي ماريو ريكو من مجموعة فيات . لسوء الحظ، كانت فيات تعاني من ضائقة مالية في ذلك الوقت، لذا استحوذت شركة روبرت بوش المحدودة على التصميم لتحسينه وإنتاجه بكميات كبيرة. ^{[ 6 ]} كانت سيارة ألفا روميو 156 موديل 1997 بمحرك JTD سعة 2.4 لتر أول سيارة ركاب تستخدم هذا النظام ، ^{[ 7 ]} وفي وقت لاحق من العام نفسه، قدمته مرسيدس-بنز في طراز W202 . في عام 2001، شقّ نظام الحقن بالسكك المشتركة طريقه إلى شاحنات البيك أب مع طرح محرك دوراماكس LB7 V8 سعة 6.6 لتر المستخدم في شيفروليه سيلفرادو HD وجي إم سي سييرا HD. في عام 2003، أطلقت شركتا دودج وكومينز محركات الحقن المباشر للوقود، وتبعتها فورد في عام 2008 بمحرك باورستروك سعة 6.4 لتر. واليوم، تستخدم جميع المركبات التي تعمل بالديزل غير التجارية تقريباً أنظمة الحقن المباشر للوقود.

يُعدّ نظام الحقن المباشر للوقود (Common Rail) مناسبًا لجميع أنواع السيارات التي تعمل بمحركات الديزل، بدءًا من سيارات المدينة (مثل فيات باندا ) وصولًا إلى سيارات السيدان الفاخرة (مثل أودي A8 ). ومن أبرز موردي أنظمة الحقن المباشر للوقود الحديثة: بوش ، ودلفي تكنولوجيز ، ودينسو ، وسيمنز في دي أو (التي أصبحت الآن مملوكة لشركة كونتيننتال إيه جي ). ^{[ 8 ]}

يشير مصنعو السيارات إلى محركاتهم ذات نظام الحقن المباشر للوقود بأسماء علاماتهم التجارية الخاصة :

• أشوك ليلاند : نظام CRS (يستخدم في شاحنات U وحافلات E4)
• أودي : TDI ، BiTDi، يشير حرف "Bi" إلى ثنائي التوربو
• مجموعة بي إم دبليو ( بي إم دبليو وميني ) : d ( يُستخدم أيضًا في لاند روفر فريلاندر باسم TD4 وفي روفر 75 وإم جي زد تي باسم CDT وCDTi)، D و SD
• كرايسلر سي آر دي
• سيتروين : HDi ، e-HDi و BlueHDi
• كومينز وسكانيا : XPI ( تم تطويره في إطار مشروع مشترك)
• كمنز : CCR ( مضخة كمنز مع حاقنات بوش )
• دايملر : سي دي آي
• مجموعة فيات ( فيات ، ألفا روميو ولانشيا ): JTD ( تسمى أيضًا MultiJet و JTDm ، ومن قبل الشركات المصنعة الموردة باسم TDi و CDTi و TCDi و TiD و TTiD و DDiS و QuadraJet )
• شركة فورد موتور : محركات الديزل TDCi ( دوراتورك وباورستروك ) ومحركات الديزل EcoBlue
• جنرال موتورز : محركات ديزل دوراماكس (مرخصة من شركة في إم موتورز ) ، ومحركات ديزل ، ومحركات CTDI
• هوندا : i-CTDI و i-DTEC
• هيونداي وكيا وجينيسيس : CRDi​​
• IKCO : EFD
• ايسوزو : iTEQ و Ddi و DI TURBO
• جاكوار : د
• جيب : CRD و EcoDiesel
• كوماتسو : الفئة 3 ، الفئة 4 ، 4D95 وما فوق - سلسلة HPCR
• لاند روفر : TD4 ، eD4، SD4، TD6، TDV6، SDV6، TDV8، SDV8
• لكزس : د (على سبيل المثال 450د و220د)
• ماهيندرا : CRDe ، m2DiCR ، mEagle ، mHawk ، mFalcon و mPower (شاحنات)
• مازيراتي : ديزل
• مازدا : محركات MZR-CD و Skyactiv-D (يتم تصنيع بعض محركات MZR-CD بواسطة المشروع المشترك بين فورد وبيجو سيتروين PSA ) و DiTD السابقة
• مرسيدس بنز : CDI و d
• ميتسوبيشي : دي-د
• نيسان : دي دي تي آي
• أوبل / فوكسهول : DTI ، CDTI ، BiTurbo CDTI ، CRI ، Turbo D و BiTurbo D
• بورش : ديزل
• بروتون : SCDi
• مجموعة PSA (بيجو، سيتروين، ودي إس) : محركات HDi ، و e-HDi ، و BlueHDi (التي طُوّرت في إطار مشروع مشترك مع فورد ) – انظر محرك PSA HDi
• رينو ، داسيا ونيسان : dCi و BLUEdCi (تستخدم إنفينيتي بعض محركات dCi كجزء من تحالف رينو-نيسان ، تحت العلامة التجارية d )
• ساب : TiD (كان محرك الديزل التوربيني سعة 2.2 لتر يُطلق عليه أيضًا اسم "TiD"، لكنه لم يكن مزودًا بنظام الحقن المباشر للوقود) و TTiD. يشير حرف "T" المزدوج إلى الشاحن التوربيني المزدوج.
• سانج يونج : XDi أو eXDI أو XVT أو D
• سوبارو : TD أو D أو BOXER DIESEL (اعتبارًا من يناير 2008)
• سوزوكي : DDiS
• تاتا : 2.2 VTT DiCOR (يستخدم في فئة سيارات الدفع الرباعي الكبيرة مثل سفاري )، VARICOR (يستخدم في فئة سيارات الدفع الرباعي الكبيرة مثل سفاري ستورم ، آريا وهيكسا )، 1.05 Revotorq CR3 (يستخدم في تياجو وتيجور ) ، 1.5 Revotorq CR05 (يستخدم في نيكسون وألتروز )، 1.4 CR4 ( يستخدم في إنديكا وإنديجو )، 3.0 CR4 (يستخدم في سومو جولد ) ، 1.3 Quadrajet (مُورّد من قبل فيات ويستخدم في إنديكا فيستا وإنديجو مانزا وزيست )، و 2.0 Kryotec (مُورّد أيضًا من قبل فيات ويستخدم في سيارة الدفع الرباعي هارير وسفاري الجديدة كليًا )، 3.3 لتر Turbotronn و 5 لتر Turbotronn (يستخدم في الشاحنات المتوسطة والثقيلة).
• تويوتا : D4-D
• مجموعة فولكس فاجن ( فولكس فاجن ، أودي ، سيات، وسكودا ): محركات TDI (تستخدم الطرازات الأحدث نظام الحقن المباشر للوقود، على عكس محركات الحقن الأحادي القديمة ). تُطلق بنتلي على سيارتها بنتايجا ديزل اسم " ديزل" فقط .
• محركات فولفو : D و D2 و D3 و D4 و D5 (بعضها من إنتاج فورد وبيجو سيتروين PSA )، ومحركات فولفو بنتا من سلسلة D

تتيح الصمامات الكهروإجهادية أو الصمامات اللولبية تحكمًا إلكترونيًا دقيقًا في وقت وكمية حقن الوقود، كما يوفر الضغط العالي الذي توفره تقنية الحقن المباشر للوقود (السكك المشتركة) تذرية أفضل للوقود . ولتقليل ضوضاء المحرك ، يمكن لوحدة التحكم الإلكترونية للمحرك حقن كمية صغيرة من الديزل قبل عملية الحقن الرئيسية مباشرةً ("الحقن التجريبي")، مما يقلل من احتمالية انفجاره واهتزازه، بالإضافة إلى تحسين توقيت وكمية الحقن لمراعاة اختلافات جودة الوقود، وبدء التشغيل على البارد، وما إلى ذلك. وتقوم بعض أنظمة الحقن المباشر للوقود المتقدمة بما يصل إلى خمس عمليات حقن في الشوط الواحد. ^{[ 9 ]}

تتطلب محركات السكك الحديدية المشتركة وقت تسخين قصير جدًا أو لا تتطلب أي وقت على الإطلاق، وذلك حسب درجة الحرارة المحيطة، وتنتج ضوضاء وانبعاثات أقل من الأنظمة القديمة. ^{[ 10 ]}

استخدمت محركات الديزل تاريخياً أشكالاً مختلفة من أنظمة حقن الوقود. ومن بين الأنواع الشائعة نظام الحقن الموحد ونظام الموزع/المضخة المدمجة . ورغم أن هذه الأنظمة القديمة توفر تحكماً دقيقاً في كمية الوقود وتوقيت الحقن، إلا أنها محدودة بعدة عوامل:

• تعمل هذه المضخات بنظام الكامات، ويتناسب ضغط الحقن طرديًا مع سرعة المحرك. وهذا يعني عادةً أن أعلى ضغط حقن لا يمكن تحقيقه إلا عند أعلى سرعة للمحرك، وأن أقصى ضغط حقن يمكن تحقيقه يتناقص مع انخفاض سرعة المحرك. تنطبق هذه العلاقة على جميع المضخات، حتى تلك المستخدمة في أنظمة الحقن المباشر للوقود. أما في أنظمة الحقن الموحدة أو الموزعة، فيرتبط ضغط الحقن بالضغط اللحظي لعملية ضخ واحدة دون وجود خزان تجميع، وبالتالي تكون هذه العلاقة أكثر وضوحًا وتعقيدًا.
• تُعاني هذه الأنظمة من محدودية في عدد وتوقيت عمليات الحقن التي يمكن التحكم بها خلال عملية احتراق واحدة. ورغم إمكانية إجراء عمليات حقن متعددة باستخدام هذه الأنظمة القديمة، إلا أن ذلك يُعدّ أكثر صعوبة وتكلفة.
• في نظام الحقن المباشر التقليدي، يبدأ الحقن عند ضغط محدد مسبقًا (يُشار إليه غالبًا بضغط الفتح) وينتهي عند ضغط محدد مسبقًا. وتنتج هذه الخاصية عن حاقنات بسيطة في رأس الأسطوانة، تفتح وتغلق عند ضغوط تحددها قوة الزنبرك المطبقة على مكبس الحاقن. بمجرد أن يصل الضغط في الحاقن إلى مستوى محدد مسبقًا، يرتفع المكبس ويبدأ الحقن.

في أنظمة الحقن المباشر للوقود (السكك المشتركة)، تقوم مضخة الضغط العالي بتخزين الوقود في خزان تحت ضغط عالٍ يصل إلى 2000 بار (200 ميجا باسكال؛ 29000 رطل لكل بوصة مربعة) أو أكثر . يشير مصطلح "السكك المشتركة" إلى أن جميع حاقنات الوقود تُغذى من سكة وقود مشتركة، وهي عبارة عن خزان ضغط يُخزن فيه الوقود تحت ضغط عالٍ. يزود هذا الخزان حاقنات الوقود المتعددة بالوقود المضغوط. هذا يُبسط وظيفة مضخة الضغط العالي، إذ يكفيها الحفاظ على ضغط محدد (يتم التحكم فيه ميكانيكيًا أو إلكترونيًا). عادةً ما تتحكم وحدة التحكم الإلكترونية للمحرك (ECU) في حاقنات الوقود. عند تنشيط حاقنات الوقود كهربائيًا، يُفتح صمام هيدروليكي (يتكون من فوهة ومكبس) ميكانيكيًا أو هيدروليكيًا، ويُرش الوقود في الأسطوانات بالضغط المطلوب. بما أن طاقة ضغط الوقود تُخزّن عن بُعد، والحاقنات تُشغّل كهربائيًا، فإن ضغط الحقن في بداية ونهاية عملية الحقن يكون قريبًا جدًا من الضغط في المُراكم (السكك الحديدية)، مما يُنتج معدل حقن ثابتًا. إذا تم اختيار حجم المُراكم والمضخة والأنابيب بشكل صحيح، فسيكون ضغط الحقن ومعدله متساويين في كل عملية حقن.  

تتميز محركات الديزل ذات نظام الحقن المباشر للوقود من الجيل الثالث الآن بحاقنات كهرضغطية لزيادة الدقة، مع ضغوط وقود تصل إلى 2500 بار (250 ميجا باسكال؛ 36000 رطل لكل بوصة مربعة) . ^{[ 11 ]}   

• حقن إلكتروني يعمل بالتشغيل الهيدروليكي
• مضخة الوحدة
• مستشعر الماء

• نظام الحقن المباشر للسكك المشتركة (CRDI) - آلية العمل والمزايا
• ملخص موجز عن آلية عمل محرك CRDI
• رسم متحرك يشرح آلية عمل نظام الحقن المباشر للوقود (السكك الحديدية المشتركة).