عنوان :

پروژه کارکرد سنسورها در تنظیم کارایی موتور خودرو

تعداد صفحات : ۱۰۹

نوع فایل : ورد و قابل ویرایش

چکیده

مقاله در ۴ فصل خلاصه می شود. در فصل اول: احتراق در موتورهای بنزینی : فرآیند احتراق در موتورهای شمع دار از فرآیندهایی است که از زمان اختراع اتومبیل همواره مورد توجه طراحان و سازندگان آن بوده است . اطلاعات موجود درباره چگونگی این فرآیند حاصل سالها پژوهش صبورانه است و حتی اکنون نیز نمی توان گفت که کامل شده است . دراین جا سعی برآن است که تا حد نیاز برای درک آسانتر سیستمهای سوخت رسانی انژکتوری با این پروسه آشنا شویم .

فصل دوم – شکل گیری مخلوط: از مهمترین عوامل مؤثر بر روی توان موتور و میزان آلاینده های خروجی از آن ، مخلوط هوا و سوخت ورودی به موتور می باشد . مخلوط هوا و سوخت هم از نظر نحوه ترکیب با یکدیگر و هم از نظر مقدار در این رابطه تعیین کننده می باشد . برای کم کردن میزان آلاینده های خروجی از موتور و استفاده از مبدلهای کاتالیزوری بایستی نسبت هوا و سوخت در محدوده بسیار باریکی کنترل گردد . همچنین برای اطمینان از احتراق کامل و پاسخ به احتیاجات راننده این نسبت باید با توجه به شرایط کاری موتور مقداری جابجا گردد.

فصل سوم – انواع سنسورها و عملگرها : در این جا انواع سنسورها و عملگرهای مورد استفاده در انواع سیستمهای سوخت رسانی انژکتوری و سیستمهای اداره موتور مورد بررسی قرار می گیرند .

ابتدا با ساختار کلی سیستم های انژکتوری و در ادامه جزئیات هر قسمت آشنا می شویم . در انتها با سیستم های اشتعال متداول در سیستمهای انژکتوری و سیستم جرقه زنی مورد استفاده در
سیستم های اداره موتور آشنا خواهیم شد .

واژه های کلیدی: احتراق ، موتورهای بنزینی، سیستمهای انژکتوری ، غلظت مخلوط ، آلاینده ها، سنسورها ، عملگرها

فهرست مطالب

فصل اول – احتراق در موتورهای بنزینی
۱-۱- مقدمه     ۲
۱-۲- موتورهای احتراق جرقه ای یا سیکل اتو     ۲
۱-۲-۱- اصول کارکرد     ۲
۱-۲-۲- اصول سیکل چهار زمانه     ۳
۱-۳- فرآیند احتراق در موتورهای شمع دار     ۷
۱-۴- عوامل نامطلوب در احتراق     ۹
۱-۴-۱- انفجار     ۹
۱-۴-۲- اشتعال زود هنگام     ۱۱
۱-۴-۳- ضربه     ۱۲
۱-۵- پارامترهای مهم در طراحی موتور     ۱۳
۱-۵-۱- نسبت تراکم     ۱۴
۱-۵-۲- شکل محفظه احتراق     ۱۵
۱-۵-۳- زمانبندی سوپاپها     ۱۸
۱-۵- ۴- هندسه مانیفولد ورودی     ۲۰
۱-۵-۵- غشابندی سوخت     ۲۱
۱-۵-۶- دیگر پارامترها     ۲۳
فصل دوم – شکل گیری مخلوط
۲-۱- مقدمه     ۲۵
۲-۲- غلظت مخلوط و عملکرد آن     ۲۵
۲-۳- تأثیر غلظت مخلوط بر روی آلاینده های خروجی     ۲۸
۲-۳-۱- میزان تولید CO    ۲۹
۲-۳-۲- میزان تولید HC    ۲۹
۲-۳-۳- میزان تولید NOx     ۲۹
۲-۴- نسبت هوا و سوخت در شرایط مختلف     ۳۰
۲-۴-۱- ضریب غلظت     ۳۰
۲-۴-۲-  مخلوط سوخت و هوا     ۳۱
۲-۵- تطابق با شرایط کاری خاص     ۳۲
۲-۶- سیستمهای ترکیب سوخت و هوا     ۳۵
۲-۶-۱- سیستم پاشش چند نقطه ای     ۳۵
۲-۶- ۲- سیستم پاشش تک نقطه ای     ۳۷
۲-۷- حالات پاشش سوخت     ۳۷
۲-۷-۱- پاشش همزمان     ۳۸
۲-۷-۲- پاشش گروهی     ۳۸
۲-۷-۳- پاشش ترتیبی     ۳۹
۲-۸- مزایای سیستمهای انژکتوری     ۴۰
فصل سوم – انواع سنسورها و عملگرها
۳-۱- مقدمه     ۴۴
۳-۲- ساختار کلی سیستمهای سوخت رسانی انژکتوری     ۴۴
۳-۳- انواع سنسورهای جمع آوری اطلاعات موتور     ۴۶
۳-۳-۱- انواع سنسورهای بار موتور     ۴۶
۳-۳-۲- درجه حرارت موتور و هوای ورودی     ۵۵
۳-۳-۳- سنسوراکسیژن     ۵۷
۳-۴- سرعت موتور و موقعیت میل لنگ     ۵۹
۳-۴-۱- حسگر موقعیت میل لنگ     ۶۰
۳-۵- سیستم سوخت رسانی     ۶۵
۳-۵-۱- پمپ بنزین الکتریکی     ۶۶
۳-۵-۲- فیلتر سوخت     ۷۰
۳-۵-۳- ریل سوخت     ۷۱
۳-۵-۴- رگلاتور فشار سوخت     ۷۲
۳-۵-۵- میراکننده نوسانات فشار سوخت     ۷۳
۳-۵-۶- پاشش سوخت     ۷۴
۳-۵-۷- انژکتور مغناطیسی     ۷۵
۳-۵-۸- آرایش مخلوط     ۷۷
۳-۶- سنسور کوبش     ۷۹
۳-۷- مدار جرقه زنی ولتاژ بالا     ۸۱
۳-۷-۱- کویل     ۸۲
۳-۷-۲- راه انداز سیستم اشتعال     ۸۳
۳-۷-۳- تقسیم ولتاژ     ۸۵
۳-۷-۴- رابطها و پارازیت گیرها     ۸۷
۳-۷-۵- شمع     ۸۸
نتیجه گیری     ۹۰
پیشنهادات     ۹۱
منابع و مآخذ     ۹۲
مقاله لاتین     ۹۳

منابع و مآخذ  :

 ۱-   معینی پور ، محمد تقی ، کتاب آشنایی با سیستمهای انژکتوری

۲- مهندسین ایران خودرو ،  مجلات آموزشی ایران خودرو

۳- جزوات درسی دانشگاهی

۱-۱- مقدمه :

فرآیند احتراق در موتورهای شمع دار از فرآیندهایی است که از زمان اختراع اتومبیل همواره مورد توجه طراحان و سازندگان آن بوده است . اطلاعات موجود درباره چگونگی این فرآیند حاصل سالها پژوهش صبورانه است و حتی اکنون نیز نمی توان گفت که کامل شده است . دراین جا سعی برآن است که تا حد نیاز برای درک آسانتر سیستمهای سوخت رسانی انژکتوری با این پروسه آشنا شویم ولی برای آشنایی کامل با این فرآیند بایستی به منابع مناسب رجوع کرد .

۱-۲- موتورهای احتراق جرقه ای یا سیکل اتو :

۱-۲-۱- اصول کارکرد :

موتورهای احتراق جرقه ای یا سیکل اتو یک موتور احتراقی با اشتعال خارجی ( توسط شمع )
می باشد که انرژی نهفته در سوخت ( بنزین ) را به انرژی جنبشی تبدیل می کنند.

امروزه در موتورهای احتراق جرقه ای استاندارد از تزریق به داخل مانیفولد ورودی برای تشکیل مخلوط هوا و سوخت در خارج محفظه احتراق ، استفاده می شود . سیستم تشکیل مخلوط، یک مخلوط هوا و سوخت ( بر پایه بنزین یا یک سوخت گازی ) تولید می کند . بطوریکه این مخلوط با حرکت رو به پایین پیستون و انجام عمل مکش ، به داخل سیلندر کشیده می شود . در آینده شاهد افزایش استفاده از موتورهایی خواهیم بود که سوخت را بطور مستقیم و بصورت تناوبی به داخل محفظه احتراق تزریق می کنند . هنگامی که پیستون بالا می آید مخلوط را فشرده می سازد تا برای انجام عمل احتراق زمانبندی شده آماده شود و این مخلوط فشرده ،توسط یک انرژی خارجی که بوسیله شمع اعمال می شود ( جرقه ) تحت احتراق قرار می گیرد .

گرمای آزاد شده درفرآیند احتراق ، سیلندر را تحت فشار قرار می دهد و پیستون را با فشار به سمت پایین می راند. که این عملیات باعث ایجاد نیرویی به میل لنگ شده و آنرا می گرداند . بعد از هر مرحله احتراق ، گازهای سوخته شده از سیلندر بیرون رانده می شود تا سیلندر برای شارژ تازه ای از مخلوط هوا و سوخت آماده شود. مفهوم اولیه طراحی ،مورد استفاده در موتور خودروها برای کنترل انتقال گاز ( مکش ، تراکم، احتراق و تخلیه ) سیکل احتراق چهار زمانه است که برای کامل شدن هر سیکل ، دو دور چرخش میل لنگ مورد نیاز است .

۱-۲-۲- اصول سیکل چهار زمانه :

موتورهای چهار زمانه ، از سوپاپهای کنترل دبی ، برای هدایت جریان گازهای مکیده شده به داخل موتور و خارج شده از آن استفاده می کنند . این سوپاپها ، کانالهای ورود گاز به سیلندر یا خروج از آن را ، باز یا بسته می کنند :

– مرحله اول : مکش

– مرحله دوم : تراکم و جرقه زنی

– مرحله سوم : احتراق و انجام کار

– مرحله چهارم : تخلیه

مکش :

– سوپاپ ورودی : باز

– سوپاپ خروجی : بسته

– حرکت پیستون : به سمت پایین

– احتراق : وجود ندارد .

تراکم :

– سوپاپ ورودی : بسته

– سوپاپ خروجی : بسته

– حرکت پیستون : به سمت بالا

– احتراق : فاز احتراق اولیه

زمانیکه پیستون  به سمت بالا حرکت می کند ، بواسطه فشرده شدن مخلوط سوخت وهوا . حجم موثر سیلندر کاهش می یابد . دقیقاً قبل از رسیدن پیستون به نقطه مرگ بالایی [۱] ( TDC ) ، شمع مخلوط هوا و سوخت متراکم شده را مشتعل می سازد . تا احتراق اولیه صورت پذیرد . حجمی که پیستون در یک حرکت بالا به پایین یا بلعکس جابجا می کند ( حجم جاروب V_h ) وحجم فشرده شده ( حجم محفظه احتراق V_c ) مبنایی برای محاسبه نسبت تراکم می باشد .

محدوده نسبت تراکم ( Î ) از ۱۳ … ۷ می باشد که وابسته به ویژگیهای طراحی موتور می باشد. بالا رفتن نسبت تراکم یک موتور احتراق جرقه ای افزایش راندمان حرارتی آنرا در بردارد . که نتیجتاً باعث استفاده مفیدتر از سوخت می گردد . بعنوان مثال افزایش نسبت تراکم از ۶:۱ به ۸:۱ باعث افزایش راندمان حرارتی به میزان ۱۲ درصد می گردد . دامنه افزایش نسبت تراکم توسط عاملی به نام ضربه [۲] محدود شده است . این پدیده در اثر اشتعال کنترل نشده مخلوط هوا و سوخت بوجود می آید .احتراق بوجود آمده توسط پدیده ضربه ، خسارت زیادی را به موتور وارد
می کند. سوختهای مناسب و طراحی سازگار محفظه احتراق می تواند آستانه بوجودآمدن پدیده ضربه را به نسبتهای تراکم بالاتر منتقل کند.

مرحله قدرت :

– سوپاپ ورودی : بسته

– سوپاپ خروجی : بسته

– حرکت پیستون : به سمت پایین

– احتراق : احتراق بطور کامل انجام گرفته و فاز بعد از احتراق ( انبساط ) در حال انجام است .

جرقه ایجاد شده در سرشمع مخلوط هوا و سوخت متراکم شده را منفجر می کند و باعث آغاز پدیده احتراق و بالا رفتن دما می شود .

با بالا رفتن دما مخلوط سوخته شده منبسط شده و نتیجتاً فشار آن افزایش می یابد . بطوریکه در اثر این حرکت پیستون توسط شاتون متصل به آن به میل لنگ نیرو وارد می کند و باعث انجام کار مکانیکی می گردد : این فرآیند منبع اصلی ایجاد توان و قدرت توسط موتور می باشد .

توان موتور بصورت تابعی از دور موتور و گشتاور طبق رابطه زیر افزایش می یابد:

( ۲ )                                         P = M.w

یک گیربکس متشکل از نسبتهای تبدیل گوناگون برای سازگار کردن توان موتور و منحنی گشتاور آن با نیازمندیهای راننده خودرو تحت شرایط واقعی مورد نیاز می باشد.

مرحله  تخلیه :

– سوپاپ ورودی : بسته

– سوپاپ خروجی : باز

– حرکت پیستون : به سمت بالا

– احتراق : وجود ندارد.

حرکت پیستون به سمت بالا و باز بودن سوپاپ خروجی باعث خروج گازهای سوخته شده از طریق مجرای مربوطه می گردد .بدین ترتیب یک سیکل انجام شده و سیکل بعدی با انجام مرحله مکش آغاز می شود . سوپاپهای ورودی و خروجی ، بطور همزمان در قسمتی از مرحله تخلیه باز می باشد . این همپوشانی سوپاپها ، باعث خروج راحتتر دود از سیلندر ، بدلیل جریان گاز ایجاد شده از طریق سوپاپ ورودی و شارژ بهتر سیلندر در مرحله بعدی ( مکش ) می شود .

۱-۳- فرآیند احتراق در موتورهای شمع دار :

فرآیند احتراق در موتورهای احتراق داخلی را می توان بصورت ساده ای که در ذیل آمده ، توصیف کرد.یک جرقه شدید بسیار داغ بین الکترود های شمع ایجاد، و با عبور از یک الکترود به الکترود دیگری ، رد نازکی از شعله باقی می گذارد . احتراق مخلوط از این رد نازک آغاز
می شود و به مخلوط سوخت و هوای اطراف خود سرایت می کند ؛ البته با آهنگی که بیشتر به دمای جبهه شعله بستگی دارد و تا حدود کمتری به دما و چگالی مخلوط هوا و سوخت در مجاورت جرقه نیز وابسته است .

بدین ترتیب حبابی از شعله ایجاد می شود که بصورت شعاعی گسترش پیدا می کند تا تمام مخلوط بسوزد . حباب شعله ، شامل فرآورده های بسیار داغ احتراق است که در جلوی آن مخلوط نسوخته قرار دارد ؛ حباب با گسترش خود این مخلوط را متراکم می کند.

اگر محتویات سیلندر ساکن می بود این حباب نمی ترکید ، اما به سبب تلاطمی که هوا در داخل سیلندر دارد ، جداره حباب شعله می ترکد و جبهه ای ایجاد می شود که مساحت و سرعت پیشروی خود را افزایش می دهد . آهنگ پیشروی شعله به میزان تلاطم بستگی دارد ، اما تلاطم برجهت حرکت آن تأثیر چندانی ندارد ، مگر اینکه جریان گردبادی خاصی به سیستم اعمال شود .

فرآیند احتراق از دو مرحله تشکیل می شود :

– رشد شعله خود انتشار

– گسترش در محفظه احتراق

فرایند اول یک فرآیند شیمیایی است و به ماهیت سوخت ، دما و فشاردر همان لحظه و سرعت اکسایش سوخت بستگی دارد . همانطور که در شکل ۱-۲ نشان داده شده است این فرآیند در فاصله زمانی بین لحظه جرقه زدن ( A ) و زمانی که برای اولین بار می توان افزایش فشار را آشکار سازی کرد ( B ) اتفاق می افتد.

این تأخیر در اشتعال را به روشنی می توان نشان داد . اگر سوخت در یک حجم ثابت سوزانده شود آنقدر فشرده می شود تا به دمای خود اشتعالی برسد . رابطه فشار – زمان برای اینچنین فرایندی بصورت نشان داده شده در شکل ۱-۳ خواهد بود. این فاصله زمانی در تمام سوخت ها مشاهده می شود اما ممکن است با افزایش دمای تراکم این فاصله کاهش یابد .

پیش از احتراق ( با توجه به شکل ۱-۲ ) فشار در سیلندر افزایش پیدا می کند و از نقطه B به C می رسد این روند بسیار سریع به فرآیند حجم ثابت در موتورهای چهارزمانه مشهور است . در حالیکه نقطه C  اوج فشارسیلندر و پایان حرکت شعله را نشان می دهد هنوز تمام گرمای موجود در سوخت آزاد نشده است و درطول فرآیند انبساط که می تواند آن را فرآیند پس سوزی در حین فرآیند انبساط نامید، این گرمای باقیمانده آزاد می شود .