دسته: مکانیک مهندسی اتومبیل سازی با تأكید رو به افزایش بر دستیابی به پیشرفتهای اساسی در اقتصاد سوخت اتومبیل ، در تلاش جهت ارائه موتورهایی هستند كه مصرف موقت ویژه ترمز (BSFC) را افزایش داده و می توانند از شرایط و نیازهای انتشار شدید آینده تبعیت كنند BSFC و اقتصاد سوخت، موتور گازوئیلی، تزریق مستقیم (CIDI) و موتور دیزلی، بر BSFC و اقتصاد سوخت موتور احتراق جرقه ای
قیمت فایل فقط 3,900 تومان
مهندسی اتومبیل سازی
1- مقدمه:
1-1- مرور كلی
مهندسی اتومبیل سازی با تأكید رو به افزایش بر دستیابی به پیشرفتهای اساسی در اقتصاد سوخت اتومبیل ، در تلاش جهت ارائه موتورهایی هستند كه مصرف موقت ویژه ترمز (BSFC) را افزایش داده و می توانند از شرایط و نیازهای انتشار شدید آینده تبعیت كنند. BSFC و اقتصاد سوخت، موتور گازوئیلی، تزریق مستقیم (CIDI) و موتور دیزلی، بر BSFC و اقتصاد سوخت موتور احتراق جرقه ای (Spark-ignition) كه سوخت آن از طریق مجرا و دهانه موجود در آن تزریق می شود، ارجحیت دارد، دلیل این امر، عمدتاً استفاده از نسبت تراكم بسیار بالاتر و عمل غیر كنترلی می باشد. بنابراین،موتور دیزلی، عموماً صدا و سطح پارازیت بالاتر، دامنه سرعت محدودتر، قابلیت راه اندازی كاهش 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 كاربردهای اتومبیل سازی صورت گرفته است كه بهترین ویژگیهای موتورهای SI و دیزی را با هم تركیب كند. هدف از این كار، تركیب نیروی ویژه موتور گازوئیلی با كارایی و بازده موتور دیزلی در بخشی از بار بوده است. چنین موتوری ، BSFC را ارائه می دهد كه به BSFC موتور دیزلی نزدیك بوده و در عین حال، ویژگیهای عملی و بازده قدرت ویژه موتور SI را محفوظ می دارد.
تحقیق، نشان داده است كه كاندید نوید بخش برای دستیابی به این هدف، یك موتور احتراق جرقه ای ،چهار ضربه ای، تزریق مستقیم است كه تركیب ورودی را جهت كنترل بار خفه نمی كند. در این موتور، یك ستون ابری شكل اسپری سوخت، مستقیماً به سیلندر تزریق می شود، و تركیب هوا - سوخت با یك تركیب قابل احتراق در پلاتین و مولد جرقه و در زمان احتراق ، ایجاد می شود. این نوع موتور، بعنوان یك موتور تزریق مستقیم، شارژ لایه ای (DISC) طراحی می شود. این نوع موتور، عموماً؟؟ بسیاری در مورد سوختهای دارای عدد اكتان و اندیس حركت پذیری پائین تر را از خود بروز می دهند، و بخش چشمگیری از كار اولیه در مورد موتورهای طرح اولیه DISK بر قابلیت چندسوختی متمركز بود. توان خروجی این موتور، به شیوه ای مشابه با توان خروجی موتور دیزلی، با تغییر میزان كه به سیلندر تزریق می شود، كنترل می گردد. هوای القایی (مكشی) خفه نمی شود بنابراین به حداقل رسانی كار منفی حلقه پمپاژ چرخه، مورد توجه قرار می گیرد. موتور، با استفاده از كلید جرقه جهت احتراق سوخت و تركیب با هوا، موجبات احتراق مستقیم را فراهم می آورد، بنابراین از بسیاری از شرایط و نیازهای كیفیت احتراق احتراق اتوماتیك را كه مربوط به سوختهای موتور دیزلی هستند، اجتناب می كند. بعلاوه، به وسیله تنظیم كلید جرقه و انژكتور سوخت، ممكن است كل عمل تركیبات سوختنی بسیار زیاد بدون مواد قابل احتراق كافی حاصل شود، و یك BSFC افزایش یافته به بار آید.
از یك 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 كنترل شدة (TCCS) Texaco Man-fm of masch inenfabrik Auguburg-Nurnberg و سیستم احتراق برنامه ریزی شده Ford این سیستم های اولیه، مبتنی بر موتورهایی بودند كه دو شیر در هر سیلندر، با یك محفظه احتراق كاسة داخل پیستون داشتند. تزریق تأخیری، با بكارگیری یك سیستم تزریق سوخت نازل - خط - پمپ مكانیكی حاصل از یك كاربرد موتور دیزلی ، بدست آمد. عمل عدم خنگی (withrottled) از طریق دامنة بار و با BSFC حاصل شد كه با موتور دیزلی تزریق غیر مستقیم (IDI) رقابت می كرد . نقطه ضعف عمده این بود كه زمان بندی تزریق تأخیری ، حتی در بار كامل حفظ می شد، این امر، به دلیل محدودیات سیستم تزریق سوخت مكانیكی بود. این امر امكان احتراق بی دود یا كم دود را برای نسبتهای سوخت - هوای غنی تر از 20 به 1 فراهم می كرد. لزوم استفاده از تجهیزات تزریق سوخت دیزلی، با نیاز به یك توربو شارژ جهت فراهم آوردن توان خروجی مناسب همراه بود كه منجر به ایجاد موتوری با ویژگیهای عملكرد هزینه ای می شد كه مشابه با ویژگیهای عملكرد و هزینه یك موتور دیزلی بود، اما دارای انتشارات هیدروكربن خام با بار نسبی ضعیف (UBHC) بود. تركیب كاربرد هوای نسبتاً رقیق و استفاده از تجهیزات تزریق سوخت كه محدود به دامنة سرعت بود، بدین معناست كه توان خروجی ویژه موتور، كاملاً پائین بود. مبحثی در مورد تركیب بندی هندسی این سیستم های اولیه در بخش 1-6 ارائه می شود.
بسیاری از محدودیات اساسی كه در كار اولیه در مورد موتورهای DISC وجود داشت،هم اكنون می توانند از بین بروند. این امر، خصوصاً در موردمحدودیتهای كنترل عمده ای صحت دارد كه در مورد انژكتورهای تزریق مستقیم (DI) مربوط به 15 سال پیش وجودداشته است. تكنولوژیها و استراتژیهای كامپیوتری جدید،توسط بسیاری از شركتهای اتومبیل سازی جهت بررسی مجدد اینكه كدام منافع بالقوة موتور تزریق مستقیم گازوئیل (GDI) می توانند در تولید موتورها به كار 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، امكان مرور بررسی جامع دینامیكهای تركیبی و استراتژیهای كنترل احتراقی را برای خواننده فراهم می آورد كه ممكن است در موتورهای گازوئیلی، تزریق مستقیم، احتراق جرقه ای ، چهار ضربه ای به كار روند. بسیاری از این اطلاعات كه هنوز به زبان انگلیسی ترجمه شده اند، دقیقاً مورد بررسی قرار می گیرند، و تحقیق و توسعة 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 تركیب است كه در شكل 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 كاهش سوخت و هوا در سیلندر وجوددارد. اكثر موتورهای PFI اتومبیلی فعلی، از تزریق سوخت زمان بندی شده روی پشت دریچه ورودی استفاده می كنند، البته آنها اینكار را از زمانی انجام می دهند كه دریچه ورودی بسته باشد. در طول استارت زدن و آغاز سرما، یك لایة متحرك (موقت) ، یا تركیبی از سوخت مایع،در ناحیه دریچه ورودی مجرا (دهانه)تشكیل 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 كه از مقدار مورد نیاز برای نسبت استوكیومتریك ایده آل بیشتر است،لازم و ضروری است. این زمان عقب ماندگی و رتیكب ممكن است موتوری را ایجاد كند كه 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 مشكلات و مشكلات همراه با مرطوب بودن دیواره سوخت در دهانه جلوگیری كرده و در عین حال، امكان كنترل افزایش یافته سوخت تنظیم شده را برای هر احتراق و امكان كاهش زمان انتقال سوخت را فراهم می سازد. جرم واقعی سوخت وارد شده به سیلندر در یك چرخه معین می تواند بیشتر با تزریق مستقیم كنترل شود تا با PFI موتور GDI ، نیرو و پتانسیلی را برای احتراق مناسب تر ، تغییر كمتر 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، كمتر می شود. و عكس 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 اندازة افت متوسط، 16 میكرون SMD است كه با 120 میكرون SMD سیستم PFI قابل مقایسه می باشد. بنابراین، شایان ذكر است كه تزریق مستقیم سوخت به سیلندر، تضمین نمی كند كه مسائل ومشكلات مربوط به لایة سوخت، وجود ندارد. مرطوب بودن تاج های پیستون یا سطوح دیگر محفظة احتراق ،عمدی یا سهوی ، تبخیر و تشكیل لایة 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 دیوارة دهانة ارائه می دهد. لایة سوخت در دهانة ورودی موتور PFI، بعنوان یك خازن تلفیقی عمل می كند،و این موتور، در واقع در سوخت دقیق تنظیم شده حاصل از لایه عمل می كند، نه از سوختی كه توسط انژكتور، تنظیم می شود. در طول یك استارت سرد، سوخت حاصل از بیش از 10 چرخه باید جهت دستیابی به یك لایة نوسانی و ثابت سوخت مایع در دهانة ورودی باید تزریق گردد. این امر بدین معناست كه موتور PFI سرد، ابتدا در چرخه های معدود، راه اندازی و روشن نمی شود، گرچه سوخت، مكرراً به لایه تزریق می شود. آلگوریتم های كنترل باید در صورتی جهت فراهم سازی امكان سوختن اضافی مورد استفاده قرار گیرند كه زمانهای استارت قابل قبول PFI حاصل می شوند ، گرچه دمای كاتالیزور، 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 كلی BHC در آزمایش انتشار US FTP در اوایل دهه 90 امكانپذیر نیست.
تزریق مستقیم گازوئیل به سیلندر موتور چهار ضربه ای، گازوئیلی، احتراق جرقه ای ، لایه سوخت تلفیقی را در دهانة ورودی حذف می كند. مشخص شده كه تزریق مستقیم گازوئیل با غنی سازی اندك یا بدون غنی سازی سرد می تواند استارتهایی را در چرخة دومین استارت زدن فراهم سازد و همچنین می تواند كاهش های چشمگیری را در طول بارگیری موقت، پالس های كوتاه مدت UBHC را به معرض نمایش بگذارد. یك نمونه مناسب از مقایسه كمیت سوخت مورد نیاز جهت راه اندازی موتورهای PFI و GDI در شكل 2 ارائه می شود. كاملاً بدیهی است كه موتور GDI جهت راه اندازی موتور به سوخت بسیار كمتری نیاز دارد و این تفاوت در شرایط و نیازهای موقت می نیمم ، همانطور كه دمای محیط كاهش می یابد، بیشتر می شود.
محدودیت دیگر موتور PFI ، نیاز به خفه سازی برای كنترل بار اصلی می باشد. هر چند كه خفه سازی، یك مكانیسم قابل قبول و قابل اعتماد مربوط به كنترل بار در موتور PFI می باشد، اما اتلاف ترمودینامیك همراه با خفه سازی، اساسی به حساب می آید. هر سیستمی كه از خفه سازی جهت تنظیم سطح بار استفاده می كند، اتلاف ترمودینامیكی را تجربه خواهد كرد كه همراه با این حلقه پمپاژ است، و كاهش بازدة حرارتی را در سطوح پائین بار موتور به معرض نمایش خواهد گذاشت. موتورهای پیشرفته PFI فعلی، هنوز كارایی دارند. هنوز به خفه سازی جهت كنترل بار اصلی نیاز دارند. آنها همچنین دارای یك نوار عملی سوخت مایع در دهانة ورودی هستند این دو شرط عملی اساسی PFI ، دو اشكال 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 تكنولوژی PFI قدیمی، بوجود خواهد آمد، اما احتمال اینكه 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 عملكرد توأم با آنها نمی باشد. مزایای تئوریكی موتور GDI در موتور معاصر PFI ، به شرح زیر خلاصه می شوند.
اقتصاد سوخت افزایش یافته و پیشرفته 1 تا 25 درصدتوسعه پتانسیل، بسته به چرخة آزمایش كه ناشی از موارد زیر می باشد.
· اتلاف پمپاژ كمتر (حالت بدون خفگی و لایه ای )
· اتلافهای گرمای كمتر (حالت بدون خفگی و لایه ای)
· نسبت تراكم بیشتر (خنك سازی بار با تزریق در طول القا)
· نیاز به اكتان پائین تر (خنك سازی بار با تزریق در طول القا)
· بازده حجمی افزایش یافته (خنك سازی بار با تزریق در طول القا)
· قطع سوخت در طول كاهش سرعت وسیله نقلیه (بدون لایه چند راهه)
· واكنش موقتی افزایش یافته
· غنی سازی شتاب كمتر مورد نیاز (بدون لایة چند راهه)
· كنترل نسبت سوخت - هوای رقیق تر
· استارت زدن سریع تر
· سوختن اضافی استارت سرد كمتر مورد نیاز
· محدودیت تولرانس EGR توسعه یافته (برای به حداقل رسانی استفاده از خفه سازی)
· مزایای انتشارات انتخابی
· انتشارات UBHC استارت سرد كاهش یافته
· انتشارات CO2 كاهش یافته
· پتانسیل افزایش یافته برای بهینه سازی سیستم
فشارهای تزریق بسیار بالاتر مورد استفاده در سیستم های تزریق GDI ریل مشترك در مقایسه با سیستم های سوخت PFI ، درجه اتوماتیك سازی سوخت و میزان تبخیر سوخت را افزایش می دهد، و در نتیجه دستیابی به احتراق ثابت از اولین یا دومین چرخه تزریق بدون تأمین سوخت اضافی ،امكانپذیر است. بنابراین، موتورهای GDI ،دارای پتانسیل دستیابی به انتشارات UBHC استارت سردی هستند كه می توانند به سطح مشاهده شده در مورد شرایط اجرای ثابت نزدیك شود. Takagi گزارش داد كه انتشارات UBHC استارت سرد حاصل از موتور GDI بهینه سازی شده تحت شرایط قابل مقیاس می باشند. مزیت نهفته دیگر موتور GDI ،گزینه استفاده از قطع سوخت در زمان كاهش سرعت می باشد. قطع سوخت، به شرط اجرای موفق می تواند امكان توسعه ها و پیشرفتهای دیگری را در سطوح انتشار UBHC خارج از موتور و اقتصاد سوخت، فراهم سازد. در مورد موتور PFI كه از یك لایة تعیین سوخت در دهانه ورودی عمل می كند،قطع سوخت در طول كاهش سرعت وسیله نقلیه، گزینه عملی و قابل اجرایی به شمار نمی رود، و موجب كاهش یا حذف لایه سوخت مایع در دهانه می گردد. این امر،تركیبات بسیار رقیقی را در محفظة احتراق و در مورد چرخه محدود ایجاد می كند؛ این تركیبات به دنبال ذخیره بار ایجاد شده و عموماً منجر به عدم روشن شدن موتور می گردد.
شایان ذكر است كه مهندسین طراحی، مدیران و محقیقینی كه باید اطلاعات منتشر شده در مورد مزایای موتورهای GDI بر موتورهای PFI را ارزیابی كنند، باید از یك منطقة مقایسه داده ها و این گزارش مشوش آگاه باشند. در بسیاری مقالات،عملكرد GDI با خطوط مبنای PFI كه مشخص شده اند، مقایسه می شود، و این امر انجام یك مقایسه مهندسی مستقیم را میان عملكرد PFI و GDI ، برای خواننده بسیار مشكل می سازد. یك مثال مناسب، مقایسه داده های اقتصاد سوخت PFI و GDI است كه با استفاده از دو وسیله نقلیه مختلف با دو وزن اینرسی مختلف بدست آمد. مثالی از یك تفاوت ظریف تر، ارزیابی كاهش BSFC است كه ناشی از حذف كامل خفه سازی در یك موتور GDI می باشد، اما اتلاف پارازیتی یك پمپ خلاء را كه باید جهت ترمزگیری و كاربردهای دیگر اضافه گردد را مورد توجه قرار نمی دهد و آنرا حذف نیز نمی كند. تعدادی از مقایسات منتشر شده، میان این دو محدوده قرار دارند. به خوانندگان هشدار داده می شود كه كلیه ادعاهای مربوط به اطلاعات قیاسی GDI/PFI و درجه ای كه سیستم ها با آن و تحت شرایط و محدودیات مختلف آزمایش شده اند را به دقت بررسی كنند.
موتورهای PFI ،دارای مزایای محدودی بر موتورهای GDI هستند، و این امر ، بواسطه این حقیقت است كه سیستم ورودی ، مثل یك محفظه پیش تبخیری عمل می كند. زمانیكه سوخت ، مستقیماً به سیلندر موتور تزریق می شود، زمان قابل دسترسی برای عمل تركیب ،به طور چشمگیری كاهش می یابد. در نتیجه،اتوماتیك سازی اسپری سوخت،باید به حد كافی جهت مجازسازی تبخیر سوخت در زمان محدود قابل دسترسی میان تزریق وا حتراق ، مناسب باشد. قطرات كوچك سوختی كه تبخیر نمی شوند، احتمالاً در سوختن انتشاری دخالت كرده،یا بصورت انتشارات UBHC از موتور خارج می شوند. همچنین ، سوخت تزریقی مستقیم به سیلندر موتور می تواند منجر به تأثیر سوخت بی هدف بر پیستون یا دیوارة سیلندر گردد. این عوامل، می توانند به سطوح انتشارات ویژه و یا UBHC و به ساییدگی دهانه سیلندر كه می تواند به راحتی از ساییدگی دهانه سیلندر یك موتور PFI بهینه سازی شده بیشتر شود، كمك كند. برخی از مزایای دیگر موتورهای PFI مثل سخت افزای سیستم سوخت كم فشار، شدت توان بالاتر در بار جزئی (part load) و عملی بودن استفاده از كاتالیزور سه راهه و دماهای تخلیه بالاتر در مورد بازدة كاتالیزور افزایش یافته ،چالش در حال تكاملی را برای موتور GDI ارائه می دهد.
گرچه موتور GDI ، مزایای نهفته مهمی را فراهم می آورد، اما مسائل و مشكلاتی را بهمراه دارد كه مشابه با مسائل و مشكلات موتورهای DISC قدیمی هستند. جایگزینی موتور PFI با موتور GDI بصورت تأسیسات تولید برق اتومبیل، با موارد زیر محدود می گردد:
· سختی كنترل احتراق بار لایه ای در گستره عمل مورد نیاز
· پیچیدگی تكنولوژیهای تزریق و كنترل مورد نیاز برای تغییرات یكپارچه بار
· نسبت تقریباً بالای تشكیل رسوبات انژكتور و یا سوختن احتراقی
· انتشارات UBHC بار سبك نسبتاً بالا
· انتشارات Nox بار سنگین نسبتاً بالا
· تولید Nox محلی زیاد، تحت عمل بار لایه ای، و بار جزئی (part load)
· تشكیل دوده برای عمل بار سنگین
· انتشارات ویژه افزایش یافته
· كاتالیزور سه راهه نمی تواند در مورد كل مزایا به كار رود
· ساییدگی افزایش یافته جزئی از سیستم سوخت بواسطه تركیب سوخت كم و فشار زیاد
قیمت فایل فقط 3,900 تومان
برچسب ها : مهندسی اتومبیل سازی , طرح توجیهی مهندسی اتومبیل سازی , دانلود مهندسی اتومبیل سازی , مکانیک , اتومبیل سازی , مهندسی , منافع بالقوه اصلی , دینامیكهای تركیبی , موتور GDI در مقابل موتور PFI , استراتژیهای كنترل احتراقی , دانلود طرح توجیهی , پروژه دانشجویی , دانلود پژوهش , دانلود تحقیق , پایان نامه , دانلود پروژه
