تحقیق مقاله مهندسی اتومبیل سازی

- مقدمه:

1-1- مرور کلی

مهندسی اتومبیل سازی با تأکید رو به افزایش بر دستیابی به پیشرفتهای اساسی در اقتصاد سوخت اتومبیل ، در تلاش جهت ارائه موتورهایی هستند که مصرف موقت ویژه ترمز (BSFC) را افزایش داده و می توانند از شرایط و نیازهای انتشار شدید آینده تبعیت کنند. BSFC و اقتصاد سوخت، موتور گازوئیلی، تزریق مستقیم (CIDI) و موتور دیزلی، بر BSFC و اقتصاد سوخت موتور احتراق جرقه ای (Spark-ignition) که سوخت آن از طریق مجرا و دهانه موجود در آن تزریق می شود، ارجحیت دارد، دلیل این امر، عمدتاً استفاده از نسبت تراکم بسیار بالاتر و عمل غیر کنترلی می باشد. بنابراین،‌موتور دیزلی، عموماً صدا و سطح پارازیت بالاتر، دامنه سرعت محدودتر، قابلیت راه اندازی کاهش یافته و انتشارات Nox بالاتری را نسبت به موتور احتراق جرقه ای (SI) از خود نشان می دهد. در طول دو دهه گذشته، تلاش هایی در جهت ارائه موتور احتراق درونی در مورد کاربردهای اتومبیل سازی صورت گرفته است که بهترین ویژگیهای موتورهای SI و دیزی را با هم ترکیب کند. هدف از این کار، ترکیب نیروی ویژه موتور گازوئیلی با کارایی و بازده موتور دیزلی در بخشی از بار بوده است. چنین موتوری ، BSFC را ارائه می دهد که به BSFC موتور دیزلی نزدیک بوده و در عین حال، ویژگیهای عملی و بازده قدرت ویژه موتور SI را محفوظ می دارد.

تحقیق، نشان داده است که کاندید نوید بخش برای دستیابی به این هدف، یک موتور احتراق جرقه ای ،‌چهار ضربه ای، تزریق مستقیم است که ترکیب ورودی را جهت کنترل بار خفه نمی کند. در این موتور، یک ستون ابری شکل اسپری سوخت، مستقیماً به سیلندر تزریق می شود، و ترکیب هوا - سوخت با یک ترکیب قابل احتراق در پلاتین و مولد جرقه و در زمان احتراق ، ایجاد می شود. این نوع موتور، بعنوان یک موتور تزریق مستقیم، شارژ لایه ای (DISC) طراحی می شود. این نوع موتور، عموماً؟؟ بسیاری در مورد سوختهای دارای عدد اکتان و اندیس حرکت پذیری پائین تر را از خود بروز می دهند، و بخش چشمگیری از کار اولیه در مورد موتورهای طرح اولیه DISK بر قابلیت چندسوختی متمرکز بود. توان خروجی این موتور، به شیوه ای مشابه با توان خروجی موتور دیزلی، با تغییر میزان که به سیلندر تزریق می شود، کنترل می گردد. هوای القایی (مکشی) خفه نمی شود بنابراین به حداقل رسانی کار منفی حلقه پمپاژ چرخه، مورد توجه قرار می گیرد. موتور، با استفاده از کلید جرقه جهت احتراق سوخت و ترکیب با هوا، موجبات احتراق مستقیم را فراهم می آورد، بنابراین از بسیاری از شرایط و نیازهای کیفیت احتراق احتراق اتوماتیک را که مربوط به سوختهای موتور دیزلی هستند، اجتناب می کند. بعلاوه، به وسیله تنظیم کلید جرقه و انژکتور سوخت، ممکن است کل عمل ترکیبات سوختنی بسیار زیاد بدون مواد قابل احتراق کافی حاصل شود، و یک BSFC افزایش یافته به بار آید.

از یک چشم انداز تاریخی، تمایل به این منافع مهم، تعداد تحقیقات مهم در مورد پتانسیل موتورهای DISC ، ارتقاء یافته است. چند استراتژی احتراق، ارائه و اجرا شدند، از جمله سیستم احتراق کنترل شده (TCCS) Texaco Man-fm of masch inenfabrik Auguburg-Nurnberg و سیستم احتراق برنامه ریزی شده Ford این سیستم های اولیه، مبتنی بر موتورهایی بودند که دو شیر در هر سیلندر، با یک محفظه احتراق کاسه داخل پیستون داشتند. تزریق تأخیری، با بکارگیری یک سیستم تزریق سوخت نازل - خط - پمپ مکانیکی حاصل از یک کاربرد موتور دیزلی ، بدست آمد. عمل عدم خنگی (withrottled) از طریق دامنه بار و با BSFC حاصل شد که با موتور دیزلی تزریق غیر مستقیم (IDI) رقابت می کرد . نقطه ضعف عمده این بود که زمان بندی تزریق تأخیری ، حتی در بار کامل حفظ می شد، این امر، به دلیل محدودیات سیستم تزریق سوخت مکانیکی بود. این امر امکان احتراق بی دود یا کم دود را برای نسبتهای سوخت - هوای غنی تر از 20 به 1 فراهم می کرد. لزوم استفاده از تجهیزات تزریق سوخت دیزلی، با نیاز به یک توربو شارژ جهت فراهم آوردن توان خروجی مناسب همراه بود که منجر به ایجاد موتوری با ویژگیهای عملکرد هزینه ای می شد که مشابه با ویژگیهای عملکرد و هزینه یک موتور دیزلی بود، اما دارای انتشارات هیدروکربن خام با بار نسبی ضعیف (UBHC) بود. ترکیب کاربرد هوای نسبتاً رقیق و استفاده از تجهیزات تزریق سوخت که محدود به دامنه سرعت بود، بدین معناست که توان خروجی ویژه موتور، کاملاً پائین بود. مبحثی در مورد ترکیب بندی هندسی این سیستم های اولیه در بخش 1-6 ارائه می شود.

بسیاری از محدودیات اساسی که در کار اولیه در مورد موتورهای DISC وجود داشت،‌هم اکنون می توانند از بین بروند. این امر، خصوصاً در موردمحدودیتهای کنترل عمده ای صحت دارد که در مورد انژکتورهای تزریق مستقیم (DI) مربوط به 15 سال پیش وجودداشته است. تکنولوژیها و استراتژیهای کامپیوتری جدید،‌توسط بسیاری از شرکتهای اتومبیل سازی جهت بررسی مجدد اینکه کدام منافع بالقوه موتور تزریق مستقیم گازوئیل (GDI) می توانند در تولید موتورها به کار روند، استفاده می شوند. این موتورها و استراتژیهای احتراق، در بخش های 2-6 و 17-6 مورد بررسی قرار می گیرند.

اطلاعات موجود در این سند، امکان مرور بررسی جامع دینامیکهای ترکیبی و استراتژیهای کنترل احتراقی را برای خواننده فراهم می آورد که ممکن است در موتورهای گازوئیلی، تزریق مستقیم، احتراق جرقه ای ، چهار ضربه ای به کار روند. بسیاری از این اطلاعات که هنوز به زبان انگلیسی ترجمه شده اند، دقیقاً مورد بررسی قرار می گیرند، و تحقیق و توسعه دقیق و حیاتی آینده، شناسایی می شوند.

2-1- منافع بالقوه اصلی: موتور GDI در مقابل موتور PFI

تفاوت اصلی میان موتور PFI و موتور GDI ، در استراتژیهای آماده سازی ترکیب است که در شکل 1 نشان داده می شود. در موتور PFI ، سوخت به دهانه ورودی هر سیلندر تزریق می شود، و زمانی عقب ماندگی میان عمل تزریق و کاهش سوخت و هوا در سیلندر وجوددارد. اکثر موتورهای PFI اتومبیلی فعلی، از تزریق سوخت زمان بندی شده روی پشت دریچه ورودی استفاده می کنند، البته آنها اینکار را از زمانی انجام می دهند که دریچه ورودی بسته باشد. در طول استارت زدن و آغاز سرما، یک لایه متحرک (موقت) ، یا ترکیبی از سوخت مایع،‌در ناحیه دریچه ورودی مجرا (دهانه)‌تشکیل می شود. این امر، موجب تأخیر در دریافت سوخت و خطای ژیگلور می گردد،‌این امر، بواسطه تبخیر ایجاد می شود و ایجاد این امر، جهت تأمین مقدار سوختی که از مقدار مورد نیاز برای نسبت استوکیومتریک ایده آل بیشتر است،‌لازم و ضروری است. این زمان عقب ماندگی و رتیکب ممکن است موتوری را ایجاد کند که جرقه نمی زند یا در چرخه های 4 تا 10 اولیه، سوختن ناقص را بوجود آورد، و افزایش چشمگیری در انتشارات UBHC ایجاد سازد.

متقارباً، تزریق مستقیم سوخت به سیلندر موتور، از ایجاد مشکلات و مشکلات همراه با مرطوب بودن دیواره سوخت در دهانه جلوگیری کرده و در عین حال، امکان کنترل افزایش یافته سوخت تنظیم شده را برای هر احتراق و امکان کاهش زمان انتقال سوخت را فراهم می سازد. جرم واقعی سوخت وارد شده به سیلندر در یک چرخه معین می تواند بیشتر با تزریق مستقیم کنترل شود تا با PFI موتور GDI ، نیرو و پتانسیلی را برای احتراق مناسب تر ، تغییر کمتر سیلندر تا سیلندر دیگر در نسبت سوخت - هوا و مقادیر BSFC عمل پائین تر، ارائه می دهد. انتشارات UBHC در طول آغاز سرما ، با تزریق مستقیم، کمتر می شود. و عکس العمل موقتی موتور می تواند حاصل شود. در نتیجه فشار سوخت عملی بالاتر سیستم GDI ، سوخت وارد شده به سیلندر تحت شرایط عمل در سرما بهتر از فشار سوخت عملی سیستم PFI بهینه سازی می شود، بنابراین مقادیر تبخیر سوخت بیشتری را ارائه می دهد. سایز و اندازه افت متوسط، 16 میکرون SMD است که با 120 میکرون SMD سیستم PFI قابل مقایسه می باشد. بنابراین، شایان ذکر است که تزریق مستقیم سوخت به سیلندر، تضمین نمی کند که مسائل ومشکلات مربوط به لایه سوخت، وجود ندارد. مرطوب بودن تاج های پیستون یا سطوح دیگر محفظه احتراق ،‌عمدی یا سهوی ، تبخیر و تشکیل لایه ‌ دیوار موقتی متغیر مهمی را ارائه می دهد.

البته،‌مفهوم GDI ،‌فرصتهایی را جهت گریز از محدودیات اساسی موتور PFI ،‌خصوصاً محدودیات مربوط به مرطوب بودن دیواره دهانه ارائه می دهد. لایه سوخت در دهانه ورودی موتور PFI، بعنوان یک خازن تلفیقی عمل می کند،‌و این موتور، در واقع در سوخت دقیق تنظیم شده حاصل از لایه عمل می کند، نه از سوختی که توسط انژکتور، تنظیم می شود. در طول یک استارت سرد، سوخت حاصل از بیش از 10 چرخه باید جهت دستیابی به یک لایه نوسانی و ثابت سوخت مایع در دهانه ورودی باید تزریق گردد. این امر بدین معناست که موتور PFI سرد، ابتدا در چرخه های معدود، راه اندازی و روشن نمی شود، گرچه سوخت، مکرراً به لایه تزریق می شود. آلگوریتم های کنترل باید در صورتی جهت فراهم سازی امکان سوختن اضافی مورد استفاده قرار گیرند که زمانهای استارت قابل قبول PFI حاصل می شوند ، گرچه دمای کاتالیزور، زیر آستانه iight-off در این شرایط قرار دارد و انتشارات UBHC افزایش خواهند یافت. بنابراین، در مورد سیستم های PFI ، تولید 90 درصد از انتشارات کلی BHC در آزمایش انتشار US FTP در اوایل دهه 90 امکانپذیر نیست.

تزریق مستقیم گازوئیل به سیلندر موتور چهار ضربه ای، گازوئیلی، احتراق جرقه ای ، لایه سوخت تلفیقی را در دهانه ورودی حذف می کند. مشخص شده که تزریق مستقیم گازوئیل با غنی سازی اندک یا بدون غنی سازی سرد می تواند استارتهایی را در چرخه دومین استارت زدن فراهم سازد و همچنین می تواند کاهش های چشمگیری را در طول بارگیری موقت، پالس های کوتاه مدت UBHC را به معرض نمایش بگذارد. یک نمونه مناسب از مقایسه کمیت سوخت مورد نیاز جهت راه اندازی موتورهای PFI و GDI در شکل 2 ارائه می شود. کاملاً بدیهی است که موتور GDI جهت راه اندازی موتور به سوخت بسیار کمتری نیاز دارد و این تفاوت در شرایط و نیازهای موقت می نیمم ، همانطور که دمای محیط کاهش می یابد، بیشتر می شود.

محدودیت دیگر موتور PFI ، نیاز به خفه سازی برای کنترل بار اصلی می باشد. هر چند که خفه سازی، یک مکانیسم قابل قبول و قابل اعتماد مربوط به کنترل بار در موتور PFI می باشد، اما اتلاف ترمودینامیک همراه با خفه سازی، اساسی به حساب می آید. هر سیستمی که از خفه سازی جهت تنظیم سطح بار استفاده می کند، اتلاف ترمودینامیکی را تجربه خواهد کرد که همراه با این حلقه پمپاژ است، و کاهش بازده حرارتی را در سطوح پائین بار موتور به معرض نمایش خواهد گذاشت. موتورهای پیشرفته PFI فعلی، هنوز کارایی دارند. هنوز به خفه سازی جهت کنترل بار اصلی نیاز دارند. آنها همچنین دارای یک نوار عملی سوخت مایع در دهانه ورودی هستند این دو شرط عملی اساسی PFI ، دو اشکال بزرگ و عمده را در دستیابی به پیشرفتهای عملی چشمگیر در انتشارات یا اقتصاد سوخت PFI ارائه می دهند. پیشرفتهای رو به افزایش و مداوم در تکنولوژی PFI قدیمی، بوجود خواهد آمد، اما احتمال اینکه اهداف انتشار و اقتصاد سوخت با دامنه طولانی بتوانند بطور همزمان حاصل شوند، وجود ندارد. موتور GDI ، در تئوری، دارای این دو محدودیت عمده و محدودیات عملکرد توأم با آنها نمی باشد. مزایای تئوریکی موتور GDI در موتور معاصر PFI ، به شرح زیر خلاصه می شوند.