نحوه عملکرد سیستم سوخت رسانی ریلی مشترک (Common Rail Fuel Injection)

 

با سیستم سوخت رسانی ریلی مشترک ، فرایند احتراق می تواند با تولید مقادیر آلاینده کمتر و مصرف سوخت پایین تر بهینه سازی شود. سوخت از یک ریل مشترک تحت فشار بالا به درون محفظه احتراق تزریق می شود. سیستم کنترل الکترونیکی تضمین می کند که شروع تزریق، مقدار و زمان آن مستقل از سرعت موتور می باشد. شرکت MTU در سال1996 با سری موتورهای 4000 ، نخستین تولیدکننده موتورهای دیزل بزرگ بود که سیستم سوخت رسانی ریلی مشترک را به عنوان یک مشخصه استاندارد معرفی نمود.

 

پیشگام درسیستم سوخت رسانی ریلی مشترک
قوانین برای موتورهای دیزل به کار برده شده در کشتی ها، قطارها، وسایل نقلیه سنگین و ژنراتور های دیزلی در سراسر جهان به سمت دقیق تر شدن و تغییرات گسترده در الزاماتشان پیش می رود. در عین حال مشتری ها مداوم خواستار موتورهای مقرون به صرفه ترند. سیستم های پسا تصفیه ای گاز های خروجی مانند مبدلهای کاتالیزوری SCR (Selective Catalytic Reduction) و یا فیلترهای ذرات دیزل راهی برای کاهش گازهی زائدند، اما نیازمند فضای بزرگ تری هستند و به طور بالقوه نیازمندی های نگهداری از موتور را افزایش می دهند. به این دلایل، شرکت MTU در درجه اول به دنبال تدبیری برای کاهش تولید گازهای زائد توسط ارتقاء دادن به موتور داخلی می باشد. با توجه به بهبود احتراق سوخت درون موتور، در بهترین حالت گازهای زائد در اولین مرحله تولید نمی شوند. در صورت لزوم شرکت MTU دومین مرحله از کنترل گازهای زائد را معرفی می کند که به موجب آن گازهای زائد خطرناک به وسیله سیستم های پسا تصفیه ای گاز های خروجی از بین می روند.

تصویر 1- سیستم سوخت­رسانی موتور دیزل MTU 4000

 

به عنوان قسمتی از پیشرفت­های موتورهای دیزل، یکی از روش های اصلی کنترل، برای دسترسی به احتراق سوخت پاک در کنار چرخش گاز­های خروجی، سیستم سوخت رسانی می­باشد که طراحی شده است تا سوخت را در فشار بالا و دقیقا در لحظه مناسب تزریق کند و همچنین در حالی که به طور دقیق مقدار سوخت تزریق شده اندازه گیری می­شود، شرایط مطلوبی برای احتراق درون سیلندر با گازهای زائد کم ایجاد شود. با کنترل دقیق حجم سوخت انتقالی در فشار بالا، مصرف سوخت نیز می­تواند به طور چشم گیری کاهش یابد. به همین خاطر شرکت  MTUدر مراحل اولیه، زمانی که اغلب تولید موتورهای مقرون به صرفه تر مورد نظر است یک تکنولوژی تغییر سیستم­های تزریق مکانیکی سنتی به سیستم انعطاف پذیر کنترل الکترونیکی ریلی مشترک را اجرا می­کند. در سال1996 ، شرکت MTU موتورهای سری 4000 که اولین موتورهای دیزلی بزرگ را با سیستم ریلی مشترک به عنوان یک مشخصه استاندارد، تجهیز کرد. یک لوله کشی سوخت مشترک به اصطلاح ریل همه ی انژکتورهای موتور را با سوخت تامین می­کند. هنگامی که سوخت باید به درون سیلندر تزریق شود، نازل انژکتور مربوطه باز شده و سوخت از ریل به درون محفظه احتراق جریان می­یابد و طی فرایندی با فشار بالا اتمیزه می­گردد و با هوا مخلوط می­شود. اجزا و قطعات سیستم ریلی مشترک باید بسیار دقیق و به راحتی قابل کنترل باشند. به همین منظور، شرکت MTU از ECU Engine Control unit) – تصویر شماره 1) که یک سیستم اختصاصی مدیریت موتور است و در خود شرکت MTU ساخت و توسعه داده شده است، استفاده می­کند. به دلیل استانداردهای سخت گیرانه دفع گازهای زائد برای همه­ی موتورها با انواع کلاس های قدرت و کاربردها، شرکتMTU  در آینده تمامی موتورهای پیشرفته جدید را به تزریق سوخت ریلی مشترک مجهز خواهد کرد.

 

انتشار گازهای زائد کمتر به واسطه بکارگیری سایر تکنولوژی های کلیدی

با بهینه­سازی احتراق توسط ویژگی­های طراحی موتورهای دیزلی سه فرایند و اثرمتقابل بین تشکیل اکسید نیتروژن، تولید ذرات دود و مصرف سوخت به وجود می­آید: هرچه احتراق و تبدیل انرژی شدیدتر باشد، ذرات دود و مصرف سوخت کمتر و تولید گاز اکسید نیتروژن بیشتر است. در مقابل، احتراق آهسته اکسید نیتروژن کمتری را ایجاد می کند اما مصرف سوخت بالاتر و مقدار ذرات دودها بیشتر می­شود. کار توسعه دهندگان موتوردیزل این است که بین این اثرات متقابل یک حد میانه را برای تمام نقاط روی نقشه عملکرد موتور پیدا کنند. هنگام انجام این کار، آ­ن­ها باید اثر سیستم تزریق سوخت را با دیگر مقادیر اندازه گیری شده موتور دیزل مانند چرخش گازهای خروجی – که گازهای اکسید نیتروژن را کاهش می دهد – و سیستم های خارجی  پسا-تصفیه ای گازهای خروجی هماهنگ کنند. به عنوان یک پیشگام در این زمینه، شرکت  MTUمی تواند از سال ها تجربه­ی همکاری که در زمینه سیستم های تزریق سوخت تولید شده توسط رولز رویس (Rolls-Royce Power Systems)، برند L’Orange و دیگر تولیدکنندگان دارد، خود آن ها را طراحی کند.

در طی این دوره، MTU تخصص جامعی را در زمینه ادغام سیستم تزریق سوخت ریلی مشترک با موتور به دست آورده است. این موضوع شرکت را توانمند ساخته تا به طور کامل از پتانسیلی که در ترکیب سیستم تزریق سوخت با دیگر تکنولوژی های کلیدی برای پالایش فرایند احتراق وجود دارد، استفاده کند. دو اصل مهم در تزریق سوخت که بر مصرف سوخت و دفع گازهای زائد تاثیر گذار است، نرخ و فشار تزریق می باشد.

نمودار 1- نمودار انرژی-زمان ( تزریق مرحله ای سوخت)

نمودار 2- نمودار ویژگی تزریق سوخت – زمان (تزریق ابتدایی، تزریق اصلی، تزریق نهایی)

 

نرخ تزریق: تزریق ابتدایی، تزریق اصلی، تزریق نهایی

نرخ تزریق، زمان و مقدار سوخت تزریق شده به درون سیلندر را مشخص می­کند. به منظور کاهش گازهای زائد و مصرف سوخت، مرتبه کنونی پیشرفت سیستم تزریق موتورهای MTU، مراحل تزریق سوخت را به سه شکل مجزا تقسیم بندی می کند ( نمودارهای 1و2). اندازه­گیری زمان شروع تزریق، مدت زمان تزریق و میزان آن با توجه به نقشه کاربردی موتور، توسط کاربر تعریف می شوند. مرحله ی تزریق اصلی سوخت، سوخت را برای تولید قدرت خروجی موتور تامین می­کند. مرحله­ی پیش تزریق، احتراق پیشرفته را آغاز می کند تا عمل احتراق سوخت کنترل شده­ای را برای مرحله تزریق اصلی فراهم سازد. این موضوع گازهای اکسید نیتروژن را کاهش می دهد، چون احتراق ناگهانی از ایجاد شدن دماهای بالا جلوگیری می کند. مرحله ی تزریق نهایی به سرعت بعد از مرحله تزریق اصلی ذرات دود را کاهش می دهد. همچنین مخلوط شدن هوا و سوخت را در طی مرحله احتراق و بعد از آن را به منظور افزایش دما در محفظه احتراق بهبود می بخشد که اکسیده شدن دوده ها را افزایش می­دهد. با توجه به مبنای کار موتور مرحله تزریق اصلی می­تواند به شکل مورد نیاز که شامل مراحل پیش-تزریق و پسا-تزریق است تکمیل گردد.

تصویر 2- انژکتور سری­های مختلف موتور دیزل MTU

 

فشار تزریق: حداکثر فشار تا 2200 بار

فشار تزریق تاثیر به سزایی روی مقدار ذرات دود دارد. هرچه فشار تزریق بیشتر باشد اتمیزاسیون سوخت در طول تزریق بهتر است و در سیلندر با اکسیژن بهتر مخلوط می­شود. این امر منجر می شود به یک احتراق سوخت تقریبا کامل با انرژی تبدیل بالا که در طی آن مقدار کمی ذرات دود ایجاد می شوند. به همین دلیل، MTU پیوسته بیشینه فشار تزریق را در سیستم های ریلی مشترک خود را از 1400 بار در مورد سری موتورهای 4000 در سال1996 تا اکنون 2200 بار برای موتورهای سری 1600 ، 2000 و 4000 افزایش داده است  (تصویر شماره 3). در مورد موتورهای سری 8000 ، فشار 1800 بار می­ باشد. برای نسل های آینده موتورهای شرکتMTU فشار تزریق تا 2500 بار نیز حتی برنامه ریزی شده است. در طی همین دوره MTU دوام و سهولت در تعمیر و نگهداری را ارتقاء می دهد. در آینده نیز به کمک امکانات عیب شناسی الکترونیکی فاصله زمانی بین تعمیرات انژکتور طولانی تر خواهد شد.

 

تصویر 3- میزان فشار تزریق سوخت در سری­های مختلف موتور دیزل MTU 4000

 

سیستم سولو (SOLO): انژکتور دارای مخزن سوخت

به دلیل قابلیت های کاری، به ویژه در چند سال اخیر سیستم تزریق ریلی مشترک خودش را به عنوان یک قطعه ی استاندارد بر روی موتورهای دیزل خودروها نشان داده است. این نسخه از سیستم همان طور که شرح داده شد برای استفاده در موتورهای صنعتی با ظرفیت کم نیز مناسب است. در مورد موتورهای با ظرفیت سیلندر بالا، سیستم ریلی سنتی محدودیت ها و نواقص خودش را آشکار می کند چون به طبع به مقدار زیادی سوخت نیاز دارند تا به درون سیلندر برای هر مرحله جرقه زنی تزریق شود. این امر نوسانات فشاری را در سیستم مخزن سوخت ریلی مشترک تولید می کند که می تواند با مراحل تزریق متوالی تداخل داشته باشد. از سال 2000 ، شرکت MTU از نسخه پیشرفته سیستم ریلی مشترک برای موتورهای سری 4000 و 8000 استفاده کرده است و از سال 2004  نیز برای موتورهای سری 2000 ،که در آن انژکتورهای سوخت دارای یک مخزن سوخت یکپارچه هستند(تصویر شماره 4). این موضوع این امتیاز را دارد که لوله های سوخت بین انژکتورها و سیستم ریلی می­توانند سطح مقطع کوچکی داشته باشند. در طی یک مرحله تزریق همه اتفاقی که می افتد این است که فشار در مخزن سوخت خود انژکتور به آرامی کاهش می­یابد که از نوسانات فشاری در سیستم ریلی مشترک و در ادامه عدم عرضه یا عرضه بیش از حد سوخت به صورت لحظه ای به انژکتورها جلوگیری می کند.

 

تصویر 4- اجزا تشکیل دهنده انژکتور به همراه مخزن سوخت یکپارچه

 

راه حل های مناسب برای استفاده آسان از سوخت

با توجه به مراتب عملکرد فنی بالاتر سیستم های تزریق، تقاضاها برای سوخت پاک و با کیفیت افزایش یافته است. بنابراین، از آنجایی که قطعات پمپ­های فشار بالا و انژکتورها به وسیله سوخت چرب می شوند سوخت باید با مقادیر از قبل تعیین شده برای لزجت و چربی تطبیق داده شود و همچنین باید از هرگونه آلودگی که آسیب خورندگی را در فشارهای بالا ایجاد می­کند، پاک باشد. برای اطمینان از کارکرد درست موتور فقط از سوخت دیزلی که برای عملکردی مشخص، در طی امتحان و تطابق با استاندارد مربوطه تایید شده، می توان استفاده کرد. طبق درخواست مشتریان، شرکت MTU در همکاری نزدیکی که با سیستم های قدرت رولز رویس (Rolls Royce Power Systems) برند L’Orange یا دیگر تولیدکنندگان دارد، تحلیل هایی را برای کاربردهای خاص برای تایید سوخت ها انجام داده است. به طور مثال، در برخی کاربردها، کمبود خاصیت چربی در سوخت می تواند به وسیله پوشش های مخصوصی روی سیستم تزریق جبران شود. علاوه بر آن شرکت MTU از مشتریان در طراحی مخزن و سیستم سوخت نیز حمایت می کند. که این امر به طور مثال برای وسایل نقلیه حفاری که در معرض گرد و غبارند بسیار سودمند است.

 

چکیده مطالب

شرکت MTU به صورت مداوم موتورهای خود را ارتقاء می دهد تا تضمین کند که در آینده، آنها استانداردهای سخت دفع گازهای زائد را برآورده می کنند، در حالی که هم زمان تا جایی که ممکن است سوخت کمی را  به مصرف رسانند. برای این منظور، شرکت MTU احتراق سوخت را درون سیلندر به وسیله سیستم تزریق سوخت ریلی  مشترک کنترل-الکترونیکی خود با ترکیب سایر تکنولوژی ها مانند چرخش گاز خروجی بهبود می­بخشد. با دستیابی به احتراق بهینه و پاک، هزینه ی سیستم های تصفیه ای گازهای خروجی می تواند کاهش یابد، در بعضی موارد هزینه کاملا حذف می­شود. شرکت MTU از سیستم های ریلی از مدت ها پیش از سال 1996 استفاده کرده و مداوما تکنولوژی را در همکاری با برندL’Orange  سیستم های قدرت رولز رویس و دیگر تولیید کنندگان ارتقاء داده است. به دلیل تخصص گسترده در سیستم های تزریق ریلی، شرکت MTU قادر است به طور بهینه از پتانسیل این تکنولوژی به منظور ساخت موتورهای بسیار مقرون به صرفه و پاک بهره جوید.

 

دانلود مقاله با فرمت pdf

 

نویسنده: دکتر جوهانس کچ / تصاویر: MTU
سوخت رسانی ریلی مشترک، موتورهای دیزل MTU سری 4000

ترجمه اختصاصی: شرکت بهین کارا سریر

منبع: وب سایت شرکت MTU