گزارش کاراموزی احتراق در موتورهاي اشتعال

دسته بندي : فنی و مهندسی » برق، الکترونیک، مخابرات
گزارش کاراموزي احتراق در موتورهاي اشتعال در 43 صفحه ورد قابل ويرايش


احتراق در موتورهاي اشتعال – جرقه اي

موتورهاي اشتعال ( احتراق ) جرقه اي يا اتو

اصول كاركرد

اين سيستم ، يك موتور احتراقي مي باشد كه با استفاده از اشتعال بيروني ، انرژي موجود در سوخت ( بنزين ) را به انرژي جنبشي ( سينتيك ) تبديل مي كند .

اين نوع موتورها براي كاركرد خود از يك مخلوط سوخت – هوا ( بر پايه بنزين يا گاز ) استفاده مي كنند .

هنگامي كه پيستون در داخل سيلندر به سمت پايين حركت مي كند مخلوط سوخت هوا به داخل سيلندر كشيده شده و هنگامي كه پيستون به سمت بالا حركت مي كند اين مخلوط به صورت متراكم در مي آيد.

اين مخلوط ، سپس در فواصل زماني معين و توسط شمع ها ، جهت احتراق آماده مي شود . گرمايي كه در طي مرحله احتراق حاصل مي شود باعث بالا رفتن فشار سيلندر گرديده و سپس پيستون باعث به حركت درآمدن ميل لنگ شده و در نتيجه اين فعل و انفعال ، انرژي مكانيكي ( قدرت ) حاصل مي گردد .

پس از هر مرحله احتراق كامل ، گازهاي موجود از سيلندر خارج شده و مخلوط تازه اي از سوخت – هوا به داخل سيلندر كشيده ( وارد )مي شود . در موتوراتومبيلها تبديل گازها ( جابه جايي گازهاي موجود ) بر اساس اصول چهار مرحله آغاز احتراق ( چهار حالت موتور ) و نيز حركت ميل لنگ كه براي هر احتراق كاملي مورد نياز مي باشد ، صورت مي گيرد . ( شكل 1 )




اصول كاركرد موتورهاي چهار زمانه اي

موتورهاي احتراقي چهار زمانه اي از سوپاپهايي جهت كنترل جريان گاز بهره مي گيرند .

چهار حالت موتور عبارتند از :

1- حالت تنفس

2- حالت تراكم و جرقه

3- حالت انفجار

4- حالت تخليه

-حالت تنفس

سوپاپ هوا ( ورودي ) : باز

سوپاپ دود ( خروجي ) : بسته

حركت پيستون : به سمت پايين

احتراق : وجود ندارد .

حركت رو به پايين پيستون باعث افزايش حجم مفيد داخل سيلندر شده و بدين طريق مخلوط سوخت – هواي تازه از داخل سوپاپ ورودي ، وارد سيلندر مي شود .





- حالت تراكم و جرقه

سوپاپ هوا( ورودي ) : بسته

سوپاپ دود ( خروجي ) : بسته

حركت پيستون : به سمت بالا

احتراق : فاز اشتعال اوليه

هنگامي كه پيستون به سمت بالا حركت مي كند باعث كاهش حجم مفيد سيلندر شده و مخلوط سوخت – هوا را متراكم مي كند .

درست چند لحظه قبل از رسيدن پيستون به نقطه مرگ بالا شمع بالاي سيلندر جرقه زده و باعث احتراق مخلوط سوخت – هوا مي شود .

نسبت تراكم توسط مقدار حجم سيلندر و حجم تراكم مطابق ذيل محاسبه مي شود:

?=( V n + Vc ) Vc

نسبت تراكم در خودروهاي مختلف بستگي به طراحي موتور دارد .

افزايش نسبت تراكم در موتورهاي احتراق داخلي ، باعث افزايش بازده گرمايي و مصرف سوخت مي گردد .

به طور مثال افزايش نسبت تراكم از 6:1 به 8:1 باعث زياد شدن بازده گرمايي به مقدار 12 درصد مي گردد .

آزادي عمل در افزايش نسبت تراكم ، توسط عامل به نام « ضربه » ( يا پيش اشتعال ) محدود مي شود . « ضربه » بر اثر فشار ناخواسته و احتراق كنترل نشده به وجود مي آيد . اين عامل باعث به وجود آمدن خساراتي به موتور مي شود .

سوختهاي نامناسب و نيز شكل نامناسب محفظه احتراق باعث بوجود آمدن اين پديده در نسبت تراكم هاي بالاتر مي شود .

-مرحله قدرت

سوپاپ هوا ( ورودي ) : بسته

سوپاپ دود ( خروجي ) : بسته

حركت پيستون : به سمت بالا

احتراق : به صورت كامل انجام گرفته است .

هنگامي كه شمع ، جهت احتراق مخلوط سوخت - هوا جرقه مي زند ، مخلوط گاز منفجر شده و در نتيجه دما افزايش پيدا مي كند . در اثر اين فعل و انفعال سطح فشار نيز در داخل سيلندر افزايش پيدا كرده و پيستون را به سمت حركت مي دهد .

نيروي حاصله از حركت پيستون از طريق شاتون به ميل لنگ و به شكل انرژي مكانيكي انتقال مي يابد . اين مرحله منبع اصلي قدرت موتور مي باشد.

توان خروجي با افزايش سرعت موتور و گشتاور بيشتر و مطابق معادله ذيل افزايش مي يابد :

P=M.?

-مرحله تخليه

سوپاپ هوا ( ورودي ) : بسته

سوپاپ دود ( خروجي ) : باز

حركت پيستون : به سمت بالا

احتراق : وجود ندارد .

هنگامي كه پيستون به سمت بالا حركت مي كند گازهاي مصرف شده ( دود ) را از طريق سوپاپ دود باز شده به سمت بيرون حركت مي دهد . اين سيكل پس از اين مرحله دوباره تكرار خواهد شد . مدت زمان باز بودن سوپاپها در يك زاويه معين باعث جريان بهتر گاز شده و پر شدن تخليه كامل سيلندر را بهبود مي بخشد .

( شكل 2 )








سيستم هاي آرايش مخلوط سوخت – هوا

وظيفه سيستمهاي كاربراتوري يا انژكتوري ، تامين مخلوط سوخت و هوا جهت شرايط كاركرد آني موتور مي باشد .

در سالهاي اخير سيستمهاي انژكتوري روش جديدي را ابداع نمودند كه مزايايي از قبيل صرفه اقتصادي ، بازده بيشتر موتور ، قابليت رانندگي بهتر و نيزآلودگي كمتر را در بر داشته است .

سيستمهاي انژكتوري با تعيين دقيق مقدار هواي ورودي وظيفه تامين مقدار مشخصي از سوخت را مطابق با شرايط بار موتور به عهده داشته و نيز كمترين آلودگي خروجي را نيز در بر خواهند داشت . در اين سيستم و به جهت ثابت نگه داشتن كمترين آلودگي تركيب و ساختار مخلوط سوخت – هوا به صورت كاملاً دقيق كنترل مي شود .


قابليت شتابگيري سريع

تمامي سيستمهاي انژكتوري خود را با تغييرات بار موتور در هر شرايط كاركرد ، بدون هيچ وقفه اي مطابقت مي دهند . اين قابليت در هر دو سيستم انژكتوري تك نقطه اي و نيز سيستم چند نقطه اي وجود دارد . سيستمهاي چند نقطه اي سوخت را مستقيماً به طرف سوپاپ ورودي پاشش مي كنند . در اين نوع سيستم مشكلات مربوط به تغليظ سوخت را در داخل سيلندر وجود ندارد . در سيستمهاي انژكتوري تك نقطه اي ، بايستي مشكل وجود لايه هاي تغليظ شده سوخت در سيلندر را بطريقي رفع كرد . اين مشكل با ايجاد سيستم طراحي جديد كه سوخت را مخلوط كرده و اندازه مي گيرد رفع خواهد شد .

قابليت استارت بهتر در هواي سرد

مقدار دقيق سوخت با درجه حرارت موتور و سرعت استارتر مشخص گريده و امكان استارت سريع و پايداري سيستم موتوردر دور آرام را فراهم مي كند .

در فاز گرم شدن موتور ، سيستم دقيقاً از مقدار مشخصي سوخت جهت راه اندازي سيستم و در پاسخگويي به نياز دريچه گاز در تامين كمترين مقدار مصرف سوخت استفاده مي كند .





آلودگي خروجي كمتر

در اين سيستم مخلوط سوخت – هوا تاثير مستقيمي بر عمل تجمع گازهاي خروجي از اگزوز خواهد داشت . در صورت كاركرد موتور با كمترين سطح آلودگي خروجي سيستم تشكيل مخلوط سوخت – هوا بايستي نسبت اين مخلوط در حد ثابتي نگه دارد . دقت كاركرد سيستمهاي ketronic امكلان ثابت نگه داشتن شكل مخلوط سوخت – هوا را فراهم آورده است .

تاريخچه سيستمهاي سوخت رساني انژكتوري

استفاده از سيستمهاي سوخت رساني انژكتوري به حدود 100 سال قبل باز مي گردد . Gasmotorenfabik deutz سازنده پمپهاي پلانجري پاشش سوخت از سال 1898 از اين سيستم ابتدايي استفاده مي كرد . مدت زماني بعد ، استفاده از سيستم و تئوري در طراحي كامپيوتر ابداع گرديد و سيستم هاي سوخت رساني انژكتوري بر پايه طول مدت زمان پاشش سوخت ، بوجود مد . شركت Bosch از سال 1912 تحقيقات وسيعي را در خصوص پمپهاي انژكتوري بنزيني آغاز نمود. اولين موتور هواپيمايي كه از سيستم انژكتوري Bosch استفاده مي كرد با قدرت 1200 اسب بخار در سال 1937 وارد توليد سري گرديد . مشكلات مربوط به سيستمهاي كربراتوري از قبيل يخ زدگي و نيز خطرات آتش سوزي ، باعث بوجود آمدن انگيزه بيشتري در خصوص توسعه اين دانش در صنعت هوانوردي گرديد .

اين پيشرفت نشانگر يك دوره جديد از سيستم انژكتوري در شركت Bosch بود ولي تا زمان كاربرد اين سيستم در خودروها راه طولاني باقي مانده است . در سال 1951 براي نخستين مرتبه سيستم انژكتوري پاشش مستقيم در يك خودروي كوچك نصب گرديد . چند سال بعد اين سيستم در خودروي 300SL از محصولات شركت دايملر – بنز نصب گرديد . درسالهاي بعد پيشرفت هاي حاصله در خصوص ساخت و نصب پمپ هاي انژكتوري مكانيكي تداوم پيدا كرد . در سال 1967 اين نوع سيستم گام بزرگتري رو به جلو برداشت . ابداع اولين سيستم انژكتوري الكترونيكي بنام سيستم كنترل فشار ورودي يا D-jetronic . در سال 1973 سيستم كنترل جريان هوا بنام L-jetronic در بازار خودرو ظاهر گرديد و در همان زمان سيستم كنترل مكانيكي – هيدروليكي و نيز سيستم مجهز به سنسور جريان هوا ابداع گرديد . سال 1979 مقدمه اي جهت ظهور سيستم جديد ديگري بنام Motronic بود كه از خصوصيات كنترل ديجيتال كاركرد موتور ، بهره برد . اين سيستم شامل سيستم L-jetronic به همراه كنترل الكترونيكي اشتعال در موتور بود ( اولين ميكروپروسسور در صنعت خودرو ) . در سال 1982 سيستم K-jetronic در شكل وسيع تري كه شامل مدار كنترل حلقه بسته و سنسور اكسيژن ( لامبدا ) kejetronic بود در صنعت ظهور پيدا كرد . اين سيستم به همراه سيستم mono – jetronic شركت bosch و نيز سيستم پاشش تك نقطه اي در سال 1983 در خودروهاي كوچك نصب گرديد . در سال 1991 بيش از 37 ميليون خودرو در سرتا سر جهان مجهز به سيستمهاي انژكتوري سوخت رساني bosch گرديدند . 6/5 ميليون در سال 1992 مجهز به سيستم مديريتي هوشمند شدند ، هم چنين تعداد 5/2 ميليون موتور كجهز به سيستم mono – jetronic و 2 ميليون موتور مجهز به سيستم هاي motronic شدند . امروزه سيستم هاي انژكتوري سوخت رساني يكي از اجزاء ضروري صنعت خودرو سازي شده اند .




اصول كاركرد

سيستم اشتعال جهت آغاز مرحله احتراق در مخلوط متراكم شده سوخت – هوا و در زمان معيني بكار مي رود . در موتورهاي احتراق – جرقه اي ، اين عمل توسط قوس الكتريكي ايجاد شده ما بين دو الكترود شمع ، انجام مي گيرد . اشتعال صحيح ، زمينه اي براي عملكرد مناسب سيستم مبدل كاتاليتيكي در خودروها مي باشد . عدم اشتعال به موقع ، منجر به وارد آمدن خسارت به مبدل كاتاليتيكي مي شود كه بر اثر گرماي زياد ناشي سوخته شدن گازهاي نسوخته در داخل مبدل كاتاليتيكي حاصل مي شود .


نيازمنديهاي سيستم

اشتعال در مخلوط

جهت اشتعالي قابل قبول در مخلوط استوكيومتريك سوخت – هوا قوس الكتريكي با انرژي معادل mj 2/0 مورد نياز مي باشد . بسته به غني يا فقير بودن مخلوط سوخت – هوا مقدار اين انرژي نيز متغير خواهد بود . اين ارقام بيانگر بخشي از انرژي موجود در شمع ها مي باشد . اگر انرژي اشتعال به مقدار كافي توليد نشود ، اشتعالي وجود نداشته و در نتيجه مخلوط سوخت – هوا بدرستي محترق نشده ودر نتيجه باعث بدكاركردن موتور خواهد شد. به همين علت ، بايستي انرژي اشتعال به حد كافي توليد گردد تا مخلوط سوخت – هوا تحت شرايط گوناگون ، محترق گردد. مخلوط قابل اشتغال كوچكي نيز ، جهت اشتعال كل مخلوط سوخت – هوا توسط شمع ، كافي مي باشد . اين مخلوط قابل اشتعال پس از احتراق ، اكثرا به ساير قسمتهاي مخلوط داخل سيلندر انتقال مي يابد. يك مخلوط مناسب از لحاظ عدم وجود مانع در عملكرد شمع ها ، خصوصيات اشتعال را بهبود بخشيده و مدت زمان جرقه و قوس الكتريكي بين دو الكترود را افزايش داده و بزرگتر مي كند. موقعيت و طول جرقه توسط ابعاد شمع تعيين مي گردد. مدت زمان اشتعال توسط نوع و طراحي سيستم اشتعال و نيز شرايط اشتعال آني سيستم كنترل مي گردد.



توليد جرقه

قبل از توليد جرقه ، به يك ولتاژ كافي جهت ايجاد قوس الكتريكي مابين دو الكترود شمع مورد نياز مي باشد. هنگامي كه مرحله اشتغال آغاز مي گردد ، ولتاژ سرالكترودها به سرعت از مقدار صفر تا ولتاژ نهايي مورد نياز جهت ايجاد قوس الكتريكي ما بين دو سر الكترودها ، مي رسد. ( ولتاژ اشتعال )

در نقطه اشتعال ، ولتاژ شمع ، كاهش پيدا كرده و ولتاژ را در حد ثابتي نگه مي دارد. مخلوط سوخت – هوا تا زماني كه قوس الكتريكي ايجاد شده مابين دو سر الكترود وجود داشته باشد . قابل احتراق خواهد بود ( مدت زمان جرقه )

سرانجام ، قوس الكتريكير سر الكترود شمع از بين رفته و ولتاژ به آرامي به صفر باز مي گردد. ( شكل 1)

تلاطم و اغتشاش در مخلوط سوخت – هوا ، باعث از بين رفتن جرقه در شمع ها شده و در نتيجه منجر به احتراق ناقص در موتور مي گردد. به همين علت ، انرژي موجود در كويل بايستي به اندازه اي باشد كه مرحله اشتعال در شمع ها به طور كامل انجام گيرد.




طراحي سيستم

پمپ بنزين الكتريكي شامل عناصر ذيل مي باشد :

- مجموعه پمپ

- موتور الكتريكي و قاب آن

موتور الكتريكي و مجموعه پمپ به طور مشترك در يك محل قرار گرفته اند بطوريكه در داخل سوخت به طور شناور مي باشند . اين ترتيب قرار گيري باعث ايجاد خاصيت خنك كنندگي بهتري در موتور الكتريكي مي گردد . بخاطر عدم وجود اكسيژن مخلوط قابل احتراقي تشكيل نشده و در نتيجه خطر وجود انفجار و آتش سوزي در سيستم وجود ندارد . قاب انتهايي شامل رابط هاي الكتريكي سوپاپ مانع برگشت سوخت و رابطه هاي فشار در سمت پر فشار سيستم مي باشد . سوپاپ مانع برگشت فشار سيستم رالحظاتي پس از خاموش شدن واحد و جهت جلوگيري از تشكيل شدن حبابهاي بخار ثابت نگه مي دارد . ابزار و تجهيزات متوقف كننده ديگري نيز مي تواند در بخش انتهايي پمپ بكار رود .


تغيير در طراحي سيستم

بسته به نوع انتظارات از سيستم طراحيهاي مختلفي را جهت برآورده كردن اين نيازها مي توان در نظر گرفت ( شكل 4 )

پمپ هاي جابجايي مثبت

شبكه چرخان ( RZP ) و پمپ هاي دنده داخلي ( IZP ) هر دو دسته پمپ هاي جابجايي مثبت طبقه بندي مي شوند . هر دو نوع اين پمپ ها از طريق اندازه متغير و محفظه چرخان جهت تامين سوخت و مكش آنها از طريق تغيير در حجم عمل مي كنند . هنگاميكه حجم به بيشترين مقدار خود مي رسد دريچه تامين سوخت بسته شده و دريچه تخليه باز مي شود سپس سوخت تحت فشار ، با فشاري بالا به سمت بيرون تخليه مي گردد و حجم محفظه كاهش مي يابد . محفظه هاي پمپ توسط يك مدور عمل مي كنند .نيروي گريز از مركز و فشار سوخت باعث تخليه سريع و پر فشار سوخت در مسير خود مي گردد . نيروي گريز از مركز مابين صفحه مدور و مسير آن ، باعث افزايش ثابتي در حجم مي گردد .


پمپ هاي هيدروليك

پمپ هاي محيطي و كانال جانبي جزو پمپ هاي هيدرو كينتيك طبقه بندي مي شوند. در اين پمپ ها يك وسيله پيش برنده ( ايمپلر ) ذرات سوخت را شتاب داده و از اين طريق قبل از اينكه سوخت رابداخل مانيفولد هدايت كند آنها را پر فشار مي كند . پمپ هاي محيطي و كانال جانبي از لحاظ تعداد تيغه هاي بزرگتر و شكل آنها با يكديگر تفاوت دارند ( هم چنين از لحاظ قرار گيري و موقعيت نيز با يكديگر تفاوت هايي دارند ) به هر حال پمپ هاي محيطي تنها قادر به ايجاد فشار در محدوده 300 كيلو پالس مي باشند و از اين طريق سوختي دائمي و بدون نوسان را تامين خواهند كرد . اين عامل سبب ايجاد صداي كمتري در حين كاركرد اين نوع پمپ ها گرديده

و بازار مناسبي را در جهت نصب بر روي خودروها فراهم مي نمايد . پمپ هاي كانال جانبي تنها قادر به توليد فشار بالاتر از 100 كيلو پاسكال مي باشند . يكي از مهم ترين استفاده هاي اين پمپ ها به عنوان يك پمپ تقويت كننده در سيستمهايي مي باشد كه از پمپ هاي نوع داخل خط سوخت رساني استفاده مي كنند . از ديگر مواردكاربرد اين نوع پمپ ها به عنوان مرحله اول از پمپ هاي دو مرحله اي نوع داخل باك حساس به مشكلات استارت و نيز در سيستم هاي انژكتوري پاشش تك نقطه اي مي باشد .


فيلتر سوخت

آلودگيهاي موجود در سوخت باعث عدم عملكرد مناسب رگلاتور فشار و انژكتورها مي گردد . فيلتر به همين دليل فيلتر سوخت در پايين پمپ الكتريكي نصب مي گردد . اين فيلتر شامل يك المنت كاغذي به ضخامت در حدود 10 ميكرومتر مي باشد . مدت زماني تعويض بر حسب حجم فيلتر و مقدار آلودگي موجود در سوخت تعيين مي شود ( شكل 5 )

سنسور دريچه گاز

اين سنسور ، سيگنالي را بر اساس تغيير زاويه درچه گاز به ECU ارسال مي كند . اين سيگنال اطلاعاتي مانند عملگرهاي ديناميكي ، تشخيص مقدار بار سيستم ( دور آرام ، بار كامل و نيم بار ) و ذخيره اطلاعات كمكي و استفاده از آن در صورت خرابي سنسور اصلي را شامل مي شود . سنسور دريچه گاز بر روي مجموعه دريچه گاز قرار گرفته است . بطوريكه بر روي شفت هم محور با دريچه گاز مي باشد . يك پتانسيومتر ، تغيير زاويه پره دريچه گاز را مشخص كرده و نسبت ولتاژي را از طريق يك مدار مقاومتي به ECU انتقال مي دهد ( شكل 10 و 11 )

جهت مشخص كردن دقيق بار سيستم از دو پتانسيومتر يكپارچه شده ، استفاده مي شود . واحد كنترل مقدار حجم هواي ورودي را توسط مقدار زاويه دريچه گاز و سرعت موتور ، محاسبه مي كند . اطلاعات ارسالي از سنسورهاي درجه حرارت ، اين امكان را به واحد كنترل مي دهند تا تغييرات در مقدار حجم هواي ورودي رابا توجه به تغيير درجه حرارت جبران كند .




شرايط كاركرد سيستم

استارت

محاسبات ويژه اي جهت مشخص نمودن مقدار پاشش سوخت در خلال مدت مرحله استارت انجام مي گيرد . هم چنين تايمينگ ( زمان ) پاشش ويژه اي نيز جهت شروع مرحله پاشش بايستي وجود داشته باشد . مقدار پاشش سوخت مطابق با درجه حرارت موتور افزايش مي يابد تا ساختار فيلم موجود از سوخت را بر روي مانيفولد ارتقاء دهد .

بدين طريق نيازمنديهاي سيستم در رابطه با افزايش مقدار سوخت جهت افزايش سرعت ، به راحتي جبران مي شود . به محض اينكه موتور ، استارت خورد ، مقدار سوخت اضافي در ابتداي مرحله استارت كم شده و پس از روشن شدن كامل و پايان مرحله استارت اين مقدار سوخت اضافي به طور كامل قطع مي شود . زاويه آوانس جرقه با توجه به درجه حرارت و سرعت موتور جهت مرحله استارت زني بطور خودكار تنظيم مي گردد .


مرحله بعد از استارت

در اين مرحله مقدار سوخت اضافي كه توسط مدار مكمل تهيه مي شود ، كاهش خواهد يافت . مقدار كاهش بر اساس درجه حرارت موتور و زمان سپري شده از مرحله شروع بكار استارت صورت مي گيرد . زاويه آوانس جرقه ، جهت تصحيح مقدار سوخت و شرايط مختلف كاركرد سيستم ، تنظيم مي شود . اين مرحله پس از انتقال به مرحله گرم شدن موتور از حركت باز مي ايستد .


مرحله گرم شدن

مراحل مختلفي بسته به نوع طراحي موتور كنترل خروجي آن ، در فاز گرم شدن بكار برده مي شود . معيارهاي اصلي در اين سيستم جهت كنترل عبارتند از : قابليت رانندگي بهتر ، كاهش آلودگي و صرفه جويي در مصرف سوخت .

تاخير در تايمينگ جرقه باعث افزايش درجه حرارت گازهاي خروجي گرديده و مرحله گرم شدن ضعيفي را به وجود مي آورد ، هم چنين استفاده از مخلوط غني و پاشش كمكي هوا ، درجه حرارت گازهاي خروجي راافزايش خواهد داد .

در اين حالت هوا به پايين دست سيستم خروجي پاشيده شده و مدت زمان پس از مرحله استارت را كاهش مي دهد . پمپ هوا ، وظيفه تامين مقدار هواي كمكي را به عهده دارد .

هنگاميكه درجه حرارت به اندازه كافي بالا باشد ، اين مقدار هواي اضافي اكسيداسيون گازهاي هيدروكربن ( HC ) و CO در سيستم خروجي راانجام داده و به طور همزمان درجه حرارت مطلوب خروجي را تامين مي كند . ( شكل 1 )