نفَس آخر کاربراتور: تولد سیستم سوخت‌رسانی

پاشش الکترونیکی سوخت، بدون آنکه به کسی اعلان جنگ بدهد، به سلطه یک‌صدساله کاربراتور پایان داد؛ انقلابی خاموش که با اعداد به دست آمد.
پاشش الکترونیکی سوخت، بدون آنکه به کسی اعلان جنگ بدهد، به سلطه یک‌صدساله کاربراتور پایان داد؛ انقلابی خاموش که با اعداد به دست آمد.

این صفحه را به اشتراک بگذارید

گذار از کاربراتور به پاشش الکترونیکی سوخت، خاموش‌ترین اما تعیین‌کننده‌ترین انقلاب فنی در تاریخ صدساله موتور احتراق داخلی است: تزریق سوخت در اوایل دهه 1950 در خودروهای سواری معرفی شد، در فاصله سال‌های 1960 تا 1980 خانواده Jetronic شرکت Bosch کاربراتور را سرنگون کرد و در اوایل دهه 2000 به‌کلی از خودروهای تازه‌تولید ناپدید شد. این صفحه روایت می‌کند که آن گذار چگونه رقم خورد، با چه اعدادی به دست آمد و در مهندسی چه چیزی را تغییر داد.

نکات برجسته

  • اولین سیستم تزریق الکترونیکی تولید انبوه Bendix Electrojector بود؛ برای سال مدل 1958 به‌طور کوتاه در مدل‌های گروه کرایسلر عرضه شد.
  • Bosch D-Jetronic، در سال 1967 به‌عنوان نخستین سیستم تزریق الکترونیکی موفق که جایگزین کاربراتور بر روی VW 1600 TL شد، وارد تولید انبوه گردید.
  • نسبت هدف هوا/سوخت 14.7:1 (استوکیومتریک)؛ نسبت ایده‌آل برای حداکثر توان 12:1-13.5:1 و بهترین اقتصاد سوخت 15:1-16:1 است.
  • خودروسازان آمریکایی EFI را در خودروهای عادی در اوایل دهه 1980 فراگیر کردند؛ فورد در 1983 و GM و کرایسلر در 1983-84 به آن روی آوردند.
  • کاربراتور در خودروهای تازه‌تولید، در اوایل دهه 2000 به‌کلی به تاریخ پیوست.

حدود 125 سال است که اصل کار موتور بنزینی چهارزمانه تغییر نکرده است: هوا، سوخت، تراکم، احتراق. آنچه تغییر کرده، میزان دقت دوزاژی این زوج به موتور است. کاربراتور یک قرن این کار را با هوش مکانیکی و بر پایه نیروی مکش جریان ورودی انجام داد. اما پاشش الکترونیکی سوخت (EFI) همان کار را با اندازه‌گیری، محاسبه و به‌صورت جداگانه برای هر سیلندر آموخت. این تفاوت، نه‌تنها در جدول بازدهی، بلکه در مسیر تاریخ موتور تعیین‌کننده بود.

چرا کاربراتور صد سال دوام آورد؟

قدرت کاربراتور در سادگی آن بود. برای مخلوط کردن سوخت با جریان هوای منیفولد ورودی، یک دیافراگم متحرک، چند نازل و محفظه شناور کافی بود؛ نصب آن آسان بود، تعمیر و نگهداری آن با ابزار دستی انجام می‌شد و هزینه‌اش پایین بود. در طول یک صد سال، همین سادگی کاربراتور را به راهکار استاندارد بالفعل تغذیه موتور بنزینی چهارزمانه تبدیل کرد.

اما محدودیت ساختاری کاربراتور نیز همین‌جا بود: در توزیع سوخت دقیق نبود. نسبت هوا/سوخت عمدتاً برحسب وزن اندازه‌گیری می‌شود؛ 15:1 یعنی به ازای 15 پوند هوا، 1 پوند بنزین. اگر برحسب حجم نگاه کنیم، این نسبت تقریباً معادل 9.000 گالن هوا به 1 گالن بنزین است - نگه داشتن این تعادل در هر دور موتور، هر بارگذاری و هر دما یک ترفند مهندسی است، نه یک مقدار اندازه‌گیری تضمین‌شده. موتورهای بنزینی چهارزمانه می‌توانند با نسبت‌هایی از غنی‌ترین حالت 8:1 تا فقیرترین حالت 18.5:1-19:1 کار کنند؛ باند ایده‌آل برای حداکثر توان 12:1-13.5:1 و برای بهترین اقتصاد سوخت 15:1-16:1 است. کاربراتور ناچار بود میان این باندها جابه‌جا شود و هنگامی که عصر کنترل آلایندگی فرا رسید، نتوانست این کار را با دقت کافی انجام دهد.

پاشش سوخت چگونه متولد شد؟ از ورزش‌های موتوری تا تولید انبوه

ریشه‌های ایده تزریق به سال 1925 و مهندس سوئدی Jonas Hesselman'a uzانی... no - start properly: 50|'a می‌رسد؛ اما برای فراگیر شدن فناوری بیش از چهل سال باید منتظر ماند. اولین انژکتور بنزینی موتور بنزینی نیز از راهی غیرمعمول آمد: با یک سیستم دیزل بازآرایی‌شده، که در آن زمان تقریباً ناشناخته بود Goliath GP700 - 1952. سپس مرسدس-بنز، نخستین موتور بنزینی با انژکتور مستقیم را در خودروی اسپرت افسانه‌ای 300SL Gullwing معرفی کرد.

آزمایشگاه واقعی اما پیست‌ها بود. سیستم انژکتور مکانیکی که اِستu هیلبورن در دریاچه‌های نمکی بونویل توسعه داد، در ایندیاناپلیس 500 سال 1949 در موتورهای مایر-دریک آفی دیده شد؛ انژکتورهای هیلبورن میان سال‌های 1950 تا 1970 در ایندی 500 بیش از 34 پیروزی به دست آوردند. در خشکی و در خیابان‌ها نیز نمونه‌های اولیه وجود داشتند: در شیورولت کوروت 1957 سیستم روچستر رَم‌جت فول اینجکشن به کار رفت و یکی از نمونه‌های نادر انژکتوردار عصر خودروهای کلاسیک شد.

بندیکس الکتروجکتور: نخستین تلاش الکترونیکی

نخستین سیستم انژکتور الکترونیکی تولید انبوه بندیکس الکتروجکتور بود. کرایسلر برای سال مدل 1958 این سیستم را برای مدتی کوتاه عرضه کرد؛ در همان سال مدل‌های کرایسلر 300D، دسوتو ادونچرر، داج D-500 و پلموث فیوری دارای الکتروجکتور بودند. اینها نخستین خودروهایی هستند که به کاربرد انژکتور الکترونیکی سوخت در آنها اشاره شده است. بخش عمده کار مهندسی اصلی سیستم در دهه 1950 در شرکت بندیکس کورپ در آمریکا انجام شده بود - خانواده جترونیک بوش در واقع وارث این پیشگام آمریکایی است.

خانواده بوش جترونیک: سیستم‌هایی که کاربراتور را برانداختند

1967'de VW 1600 TL ile başlayan D-Jetronic, karbüratörün saltanatını sessizce sona erdiren ilk elektronik enjeksiyon devrimiydi.

بوش، در سال 1959 با یک طرح سیستم انژکتور الکترونیکی بنزین نقطه آغاز خانواده جترونیک را تعیین کرد. سامانه‌ای که در اوایل دهه 1960 توسعه یافت، D-Jetronic، نخستین سیستم انژکتور الکترونیکی سوخت تولید انبوه شرکت بود و به‌عنوان نخستین سیستم انژکتور الکترونیکی موفق که در میانه دهه 1960 جانشین کاربراتور شد، معرفی گردید. D-Jetronic نخستین بار در 1967 روی فولکس‌واگن 1600 TL دیده شد؛ در برخی بازارها نخستین کاربر، مدل 1968 از فولکس‌واگن تیپ 3 ثبت شده است. مرسدس-بنز نیز D-Jetronic را از سال 1967 در موتورهای شش سیلندر خطی و V8 خود تا سال 1976 به کار برد. بازه تولیدی که ویکی‌پدیا ذکر می‌کند روشن است: 1967-1979.

منطق کار D-Jetronic با اصطلاحات امروزی رویکرد «سرعت-چگالی» (speed-density) است: فشار هوای منیفولد مکش (سنسور MAP) و دور موتور اندازه‌گیری می‌شود و سوخت از این دو داده محاسبه می‌گردد. به‌جای توزین مستقیم هوایی که واقعاً وارد موتور می‌شود، تخمین آن از دو متغیر قابل اندازه‌گیری - دقیقاً این، منطق نخستین گام انژکتور الکترونیکی بود.

راه مکانیکی: K-Jetronic

بوش به‌عنوان همتای مکانیکی D-Jetronic الکترونیکی، K-Jetronic را توسعه داد. عضو بعدی همین خانواده L-Jetronic (L، از آلمانی "Luft" یعنی هوا) در اواسط دهه 1970 معرفی شد: بالای پروانه دریچه، یک فلپ متحرک حسگر حجم هوا را اندازه‌گیری می‌کرد و فورد و بسیاری از تولیدکنندگان آسیایی و اروپایی آن را به کار گرفتند. در سال 1974 جای D-Jetronic را K-Jetronic و L-Jetronic گرفتند؛ هرچند برخی خودروها - برای مثال Volvo 164 - به استفاده از D-Jetronic ادامه دادند. در دهه 1970 بوش و BMW پیشگام این سیستم‌های اولیه بودند؛ فورد نیز در 1980 نخستین سیستم دیجیتال خود را معرفی کرد.

چرا استانداردهای آلایندگی گذار را شتاب دادند؟

تنها عامل برانداختن کاربراتور، عملکرد یا مصرف نبود؛ نیروی محرکه اصلی، استانداردهای آلایندگی سخت‌گیرانه‌ترشده در آمریکا و جهان بود. کاربراتور نمی‌توانست مخلوط هوا-سوخت را در پنجره باریکی که کاتالیزور و قوانین سخت‌گیرانه‌تر می‌طلبند نگه دارد. انژکتور با کنترل دقیق‌تر مخلوط، احتراق تمیزتر و آلایندگی کمتر ارائه کرد - در موتورهای مدرن، هدف، نسبت استوکیومتری 14.7:1 است که تعادل میان آلایندگی و توان/اقتصاد را برقرار می‌کند و تنها با دقتی که انژکتور کنترل‌شده با کامپیوتر می‌توانست فراهم کند به دست می‌آمد.

ابزار گذار هم جالب بود: TBI سیستم‌های (انژکتور بدنه دریچه گاز) عملاً مثل «کاربراتور الکترونیکی» بودند - برج تهویه و محفظه شناور برداشته می‌شد و به جای آن‌ها انژکتوری با یک-دو سلنوید نصب می‌شد. راه‌حل گذار اقتصادی و مؤثری بود اما چون نقاط ضعف کاربراتور را نیز به اشتراک می‌گذاشت، در اوایل دهه 1990 بیشتر از تولید کنار گذاشته شد. جهش اصلی در اواسط و اواخر دهه 1980 با افزایش سرعت پردازش کامپیوترهای کنترل موتور رخ داد: انژکتور ترتیبی (sequential)، یعنی پاشش سوخت بر اساس زمان‌بندی مکش هر سیلندر، ممکن شد. در اوایل دهه 1990 بازنگری‌های Clean Air Act و الزامات OBD-II، کنترل سوخت در هر سوپاپ مکش را عملاً اجباری کردند. از این نقطه به بعد بحث بسته شد: کنترل دیجیتال کامپیوتری، دقت اندازه‌گیری سوختی را که کاربراتور هرگز نمی‌توانست فراهم کند، استاندارد کرد.

انژکتور یا کاربراتور؟ مقایسه با اعداد

جمع‌بندی تفاوت‌های دو سیستم در یک جدول، واضح‌ترین راه برای دیدن توازن مهندسی است:

ویژگیکاربراتورانژکتور الکترونیکی (EFI)
اندازه‌گیری سوختبا مکش مکانیکی جریان هوا، دقت کمتربا حسگر و کامپیوتر، دوز جداگانه برای هر سیلندر
کنترل نسبت هوا/سوختبر اساس بار و دما انحراف می‌یابدنسبت استوکیومتری 14.7:1 را محقق می‌کند
سازگاری با آلایندگیاز پس استانداردهای سخت‌گیرانه برنمی‌آیداحتراق تمیزتر، آلایندگی کمتر
استارت سردنیاز به دریچه دستی/چوکغنی‌سازی خودکار
ارتفاع و دمانیازمند تنظیمخودکار سازگار می‌شود
نگهداری و سادگیساده، کم‌هزینه، دوست‌دار تعمیرات شخصیپیچیدگی الکترونیکی، قطعات بیشتر

همان‌طور که از جدول نیز خوانده می‌شود، جایی که کاربراتور در برابر انژکتور باخت، دقت اندازه‌گیری بود؛ و جایی که همچنان برنده می‌شد، سادگی. ضعف‌های دوره‌ی اولیه‌ی EFI نیز نباید نادیده گرفته شود: در اواسط دهه 1980، انژکتورهای پورت مسدودشده و رسوبات سوپاپ مکش به دلیل بنزین‌های بدون شوینده، مشکلات شناخته‌شده‌ی نخستین سیستم‌های انژکتور پورت بودند - که با افزودنی‌های سوخت و اصلاحات موقعیت‌دهی انژکتور برطرف شدند. سیستم‌های مبتنی بر MAF در عین اینکه دقیق‌ترین کنترل سوخت را ارائه می‌دادند، به دلیل پیچیدگی الکترونیکی‌شان در دوره‌ای در میان پرمشکل‌ترین سیستم‌ها شمرده می‌شدند. به‌طور خلاصه، EFI یک‌شبه کامل نبود؛ به بلوغ رسید.

تمپوی گذار: کل بازار در یک دهه

تولیدکنندگان آمریکایی EFI را در اوایل دهه 1980 در خودروهای تولید انبوه رواج دادند: فورد در 1983 و جنرال موتورز و کرایسلر در 1983-84. تولیدکنندگان ژاپنی نیز در اواخر دهه 1970 و اوایل دهه 1980 به همین سمت چرخیدند. امروز EFI استاندارد جهانی برای تقریباً تمام خودروها و خودروهای تجاری سبک در جهان است؛ اما کاربراتور در اوایل دهه 2000 به‌طور کامل از تولید خودروهای سواری جدید حذف شد.

همین گذار در موتورسیکلت نیز رخ داد و فرآیند در آنجا به‌طور قابل مشاهده‌ای مستند شده است: هارلی-دیویدسن، EFI را در دهه 1980 روی مدل‌های پلیس آزمایش کرد؛ در 1995 مدل‌های تورینگ FLH نخستین هارلی‌های دارای EFI کارخانه‌ای شدند؛ این سیستم در 2002 در سری Touring استاندارد شد و در 2007 تمام مدل‌ها با EFI عرضه شدند - موتورسیکلت‌های کاربراتوردار به‌طور رسمی از خط تولید به تاریخ پیوستند. سنت‌گرایان همچنان از سادگی کاربراتور و انعطاف تنظیم مکانیکی آن دفاع می‌کنند؛ اما نیاز کاربراتوردار به بازتنظیم با تغییر ارتفاع، در کنار سازگاری خودکار EFI به‌عنوان یک عیب عملی باقی ماند.

میراث انقلاب خاموش

گذار از کاربراتور به پاشش الکترونیکی سوخت، تبدیل یک قطعه به قطعه‌ای دیگر نبود؛ تغییر در درک «مدیریت» موتور بود. کاربراتور به رفتار خودانگیخته موتور اتکا داشت؛ اما EFI یک معماری رایانه‌ای ایجاد کرد که کاری موتور را اندازه‌گیری می‌کرد و بر اساس آن تصمیم می‌گرفت. آن رایانه به‌مرور به واحد کنترل موتور تحول یافت و کل فناوری موتور امروزی، از مدیریت توربوشارژ تا راهبرد احتراق زودرس (نوک)، بر بستر این زیرساخت بنا شد.

اگر بخواهیم با اعداد خلاصه کنیم: انژکتور الکترونیکی که در سال 1958 روی چند صد مدل لوکس کرایسلر امتحان شد، در سال 1967 با VW 1600 TL در یک خودروی خانوادگی معمولی مشروعیت یافت، در سال‌های 1983-84 به ماده گذار استاندارد همه خودروسازان بزرگ تبدیل شد و در اوایل دهه 2000 با محو کردن کاربراتور از خطوط تولید، به کار آن پایان داد. مسیری که از ایده Emil Hesselman در سال 1925 تا EFI مدرن طول کشید، حدوداً 75 سال بود؛ اما دهه آخرش - یعنی خودِ تحول اصلی - حتی یک دهه هم طول نکشید. این یکی از تمیزترین نمونه‌هایی است که نشان می‌دهد در تاریخ مهندسی، آنچه واقعاً یک فناوری را از بین می‌برد، بالغ شدن یک جایگزین بهتر است.

منابع