دانلود مقاله احتراق در موتورهای اشتعال – جرقه ای

بخشی از مقاله

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:

ε=( 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.ω
-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 .

سيستم هاي انژكتوري چند نقطه اي
در اين نوع سيستم از هر انژكتور به طور جداگانه براي پاشش سوخت ، مستقيماً از سوپاپ ورودي به داخل سيلندر مجزا استفاده مي شود . به عنوان مثالي از اين سيستم مي توان سيستمهاي KE-jetronic و L-jetronic رانام برد ( شكل 4 )

سيستمهاي انژكتوري مكانيكي
سيستم K- jetronic يك سيستم انژكتوري مكانيكي با كاربردي وسيع مي باشد اين سيستم سوخت را بطور مداوم و پيوسته پاشش مي كند .
سيستمهاي انژكتوري مكانيكي – الكترونيكي

سيستم KE-jetronic نوع جديدتري از سيستم K- jetronic و با قابليتهاي بيشتري مي باشد . اين سيستم محدوده بيشتري از اطلاعات كاركرد موتور را به سيستم كنترل حافظه باز الكترونيكي فراهم كرده و در نتيجه وظيفه تامين دقيق سوخت را در شرايط مختلف كاركرد موتور به عهده خواهد داشت .
سيستمهاي انژكتوري الكترونيكي

سيستمهاي انژكتوري الكترونيكي از انژكتورهاي الكترو – مغناطيسي جهت پاشش سوخت به طور متناوب استفاده مي كنند . به عنوان مثالي از اين نوع سيستمها مي توان سيستمهاي L-ketronic و LH-jetronic و MotronicSystem را نام برد .

سيستم هاي انژكتوري تك نقطه اي
سيستم هاي انژكتوري تك نقطه اي ازيك واحد انژكتوري كنترل الكترونيكي و نيز يك انژكتور الكترو – مغناطيسي كه مستقيماً در بالاي دريچه گاز قرار دارد ، استفاده مي كنند . اين انژكتور سوخت را به صورت متناوب به داخل مانيفولد ورودي پاشش مي كند . به عنوان مثالي از اين نوع سيستم ، مي توان Mono-jetronic را نام برد . ( شكل 5 )

مزاياي سيستم هاي انژكتوري سوخت رساني
كاهش مصرف سوخت
اين سيستم تمامي اطلاعات ضروري كاركرد موتور ( نظير سرعت موتور ، بار موتور، درجه حرارت ، ميزان گشودگي دريچه گاز ) را جهت تطابق دقيق شرايط كاركرد ديناميكي يا ساكن ، مشخص كرده و بدينوسيله مقدار دقيق سوخت خورد نياز موتور را تحت شرايط مشخص شده تامين مي كند .

افزايش بازده موتور
سيستمهاي K-jetronic و L-jetronic آزادي عمل بيشتري را جهت پر شدن كامل سيلندر ( بازده حجمي ) و گشتاور بالاتر فراهم مي كند . اين عمل باعث افزايش توان خروجي و نيزبهبود نمودار گشتاور خواهد شد . هم چنين Mono-jetronic قابليت تطابق با سيستمهاي اندازه گيري جداگانه سوخت و هوا رانيز دارا مي باشد.

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.

توليد ولتاژ بالا و ذخيره انرژي
در سيستمهاي مولد باطري ، ايجاد ولتاژ بالا جهت ايجاد جرقه در شمع ها ، به عهده كويل مي باشد. كويل ، مطلابق با نيازهاي شمع ها در رابطه با توليد جرقه طراحي شده و ولتاژي بسيار بالا را به همين منظور توليد مي كنند. اين سيستم ، ولتاژي در حدود( كيلوولت ) kv 30 – 25 و ذخيره انرژي در حدودmj 120 – 60 را توليد مي كند.

محل و زمان اشتعال
در حدود 2 ميلي ثانيه از زمان جرقه تا احتراق كامل ، زمان لازم مي باشد. در صورت تغيير نكردن مخلوط ، اين پريود زماني به صورت ثابت باقي خواهدماند. شمع ها بايستي جهت توليد بهترين و مناسب ترين فشاراحتراق ر تمامي شرايط كاركرد موتور ، توانايي توليد قوس الكتريكي قبل از موعد مقرر را داشته باشند. ( آوانس جرقه ) جهت روشن كرن اين مطلب ، به طور خلاصه يادآوري مي كنيم كه تايمينگ جرقه و يا به عبارتي زمان ايجاد جرقه شمع ها مرتبط با اصلي مي باشد كه به آن نقطه مرگ بالا يا TDC گفته مي شود .

پس از اين تعريف ، تايمينگ جرقه صحيح به زاويه قبل از نقطه مرگ بالا اطلاق مي شود كه به آن « آوانس جرقه » مي گويند . تنظيم زمان جرقه پس از نقطه مرگ بالا را « ريتارد » يا ديربودن زمان جرقه مي گويند . ( شكل 2 )

تايمينگ جرقه بايستي جهت نيل به اهداف ذيل بدرستي تنظيم گردد :
-بالاترين قدرت خروجي موتور
-مصرف سوخت كمتر
-جلوگيري از بوجود آمدن پديده ضربه در موتور
-آلودگي خروجي كمتر
در عمل بسياري از نيازهاي سيستم پاسخگوي واكنش جزء به جزء در سيستم نمي باشند و جهت نيل به اين هدف بايستي تطابق بين سيستم ها را بصورت جزء به جزء بوجود آورد .

جهت تنظيم صحيح و مناسب تايمينگ جرقه براي هر شرايط مستقل ، بايستي بسياري از عوامل را در نظر گرفت كه مهمترين اين فاكتورها عبارتند از : سرعت موتور ، بار موتور ، طراحي موتور ، نوع سوخت و حالت دقيق كاركرد موتور ( به طور مثال : سيستم استارت ، دور آرام موتور، حالت بار كامل ... )
تنظيمات اوليه مورد نياز جهت تطابق تايمينگ جرقه با شرايط آني موتور ، توسط اطلاعات سرعت و بار موتور بدست مي آيد . نسبت تراكم هاي بالاتر در موتورها منجر به افزايش پديده ضربه زني در موتور خودروها خواهد گرديد .

پديده ضربه زني در موتورها از احتراق خود بخودي مخلوط سوخت – هوا ناشي از عدم توانايي ارسال جرقه به ساير قسمتهاي مخلوط در فاز اوليه اشتعال باعث اشتعال در قسمتهاي بالايي مخلوط مي شود . اين پديده در اثر آوانس بيش از حد جرقه توليد مي گردد .پديده ضربه منجر به افزايش درجه حرارت محفظه احتراق شده و در نتيجه باعث اشتعال پيش از موقع و افزايش بيش از حد فشار مي شود .

احتراق بي موقع و ناگهاني باعث بوجود آمدن نوسان در فشار سيستم خواهد شد . اين عوامل به صورت يك نمودار اضافي بر روي الگوي فشار نرمال قرار مي گيرند . در ( شكل 3 ) در اين شكل تفاوت دو نوع پديده ضربه نشان داده شده است:

- پديده ضربه در هنگام شتاب گيري وتحت بار زياد و در سرعتهاي پايين ( صداي قابل شنيدن )
- پديده ضربه در سرعت هاي بالا كه در دور موتور بالا و كاركرد تحت بار بالا مي باشد .

وجود پديده ضربه در سرعت هاي بالا براي عملكرد موتور بسيار بحراني مي باشد و به صورت غير قابل شنيدن در حين كاركرد موتور مي باشد . هم چنين پديده ضربه زني همراه با صدا نيز نمي تواند منبع قابل اعتمادي جهت پي بردن به وجود اين عامل در موتور باشد. به هر حال تجهيزات الكترونيكي جديد ، قادر به شناسايي دقيق اين پديده مي باشند . استمرار اين پديده باعث بوجود آمدن خسارات اساسي به موتور و شمع ها مي گردد . ( به طور مثال باعث آسيب ديدن واشر سر سيلندر ، ياتاقانها و بوجود آمدن حفره بر روي پيستون مي شوند . )

پديده اشتعال نيز به چنين عواملي و نيز طراحي موتور مرتبط مي باشد ( به طور مثال : شكل محفظه احتراق ، شكل و آرايش مخلوط سوخت – هوا ، مسير ورود هوا و نيز در ارتباط با كيفيت خود سوخت نيز مي يباشد . )