دانلود مقاله احتراق در موتورهای اشتعال – جرقه ای

word قابل ویرایش
53 صفحه
8700 تومان
117,000 ریال – خرید و دانلود

موتورهای اشتعال ( احتراق ) جرقه ای یا اتو
اصول کارکرد
این سیستم ، یک موتور احتراقی می باشد که با استفاده از اشتعال بیرونی ، انرژی موجود در سوخت ( بنزین ) را به انرژی جنبشی ( سینتیک ) تبدیل می کند .
این نوع موتورها برای کارکرد خود از یک مخلوط سوخت – هوا ( بر پایه بنزین یا گاز ) استفاده می کنند .

هنگامی که پیستون در داخل سیلندر به سمت پایین حرکت می کند مخلوط سوخت هوا به داخل سیلندر کشیده شده و هنگامی که پیستون به سمت بالا حرکت می کند این مخلوط به صورت متراکم در می آید.

این مخلوط ، سپس در فواصل زمانی معین و توسط شمع ها ، جهت احتراق آماده می شود . گرمایی که در طی مرحله احتراق حاصل می شود باعث بالا رفتن فشار سیلندر گردیده و سپس پیستون باعث به حرکت درآمدن میل لنگ شده و در نتیجه این فعل و انفعال ، انرژی مکانیکی ( قدرت ) حاصل می گردد .

پس از هر مرحله احتراق کامل ، گازهای موجود از سیلندر خارج شده و مخلوط تازه ای از سوخت – هوا به داخل سیلندر کشیده ( وارد )می شود . در موتوراتومبیلها تبدیل گازها ( جابه جایی گازهای موجود ) بر اساس اصول چهار مرحله آغاز احتراق ( چهار حالت موتور ) و نیز حرکت میل لنگ که برای هر احتراق کاملی مورد نیاز می باشد ، صورت می گیرد . ( شکل ۱ )

 

اصول کارکرد موتورهای چهار زمانه ای
موتورهای احتراقی چهار زمانه ای از سوپاپهایی جهت کنترل جریان گاز بهره می گیرند .
چهار حالت موتور عبارتند از :
۱- حالت تنفس
۲- حالت تراکم و جرقه
۳- حالت انفجار
۴- حالت تخلیه
-حالت تنفس

سوپاپ هوا ( ورودی ) : باز
سوپاپ دود ( خروجی ) : بسته
حرکت پیستون : به سمت پایین
احتراق : وجود ندارد .
حرکت رو به پایین پیستون باعث افزایش حجم مفید داخل سیلندر شده و بدین طریق مخلوط سوخت – هوای تازه از داخل سوپاپ ورودی ، وارد سیلندر می شود .

 

– حالت تراکم و جرقه
سوپاپ هوا( ورودی ) : بسته
سوپاپ دود ( خروجی ) : بسته
حرکت پیستون : به سمت بالا
احتراق : فاز اشتعال اولیه

هنگامی که پیستون به سمت بالا حرکت می کند باعث کاهش حجم مفید سیلندر شده و مخلوط سوخت – هوا را متراکم می کند .
درست چند لحظه قبل از رسیدن پیستون به نقطه مرگ بالا شمع بالای سیلندر جرقه زده و باعث احتراق مخلوط سوخت – هوا می شود .
نسبت تراکم توسط مقدار حجم سیلندر و حجم تراکم مطابق ذیل محاسبه می شود:

ε=( V n + Vc ) Vc
نسبت تراکم در خودروهای مختلف بستگی به طراحی موتور دارد .
افزایش نسبت تراکم در موتورهای احتراق داخلی ، باعث افزایش بازده گرمایی و مصرف سوخت می گردد .
به طور مثال افزایش نسبت تراکم از ۶:۱ به ۸:۱ باعث زیاد شدن بازده گرمایی به مقدار ۱۲ درصد می گردد .
آزادی عمل در افزایش نسبت تراکم ، توسط عامل به نام « ضربه » ( یا پیش اشتعال ) محدود می شود . « ضربه » بر اثر فشار ناخواسته و احتراق کنترل نشده به وجود می آید . این عامل باعث به وجود آمدن خساراتی به موتور می شود .

سوختهای نامناسب و نیز شکل نامناسب محفظه احتراق باعث بوجود آمدن این پدیده در نسبت تراکم های بالاتر می شود .
-مرحله قدرت
سوپاپ هوا ( ورودی ) : بسته
سوپاپ دود ( خروجی ) : بسته
حرکت پیستون : به سمت بالا
احتراق : به صورت کامل انجام گرفته است .

هنگامی که شمع ، جهت احتراق مخلوط سوخت – هوا جرقه می زند ، مخلوط گاز منفجر شده و در نتیجه دما افزایش پیدا می کند . در اثر این فعل و انفعال سطح فشار نیز در داخل سیلندر افزایش پیدا کرده و پیستون را به سمت حرکت می دهد .

نیروی حاصله از حرکت پیستون از طریق شاتون به میل لنگ و به شکل انرژی مکانیکی انتقال می یابد . این مرحله منبع اصلی قدرت موتور می باشد.
توان خروجی با افزایش سرعت موتور و گشتاور بیشتر و مطابق معادله ذیل افزایش می یابد :
P=M.ω
-مرحله تخلیه
سوپاپ هوا ( ورودی ) : بسته
سوپاپ دود ( خروجی ) : باز
حرکت پیستون : به سمت بالا
احتراق : وجود ندارد .

هنگامی که پیستون به سمت بالا حرکت می کند گازهای مصرف شده ( دود ) را از طریق سوپاپ دود باز شده به سمت بیرون حرکت می دهد . این سیکل پس از این مرحله دوباره تکرار خواهد شد . مدت زمان باز بودن سوپاپها در یک زاویه معین باعث جریان بهتر گاز شده و پر شدن تخلیه کامل سیلندر را بهبود می بخشد .
( شکل ۲ )

سیستم های آرایش مخلوط سوخت – هوا
وظیفه سیستمهای کاربراتوری یا انژکتوری ، تامین مخلوط سوخت و هوا جهت شرایط کارکرد آنی موتور می باشد .
در سالهای اخیر سیستمهای انژکتوری روش جدیدی را ابداع نمودند که مزایایی از قبیل صرفه اقتصادی ، بازده بیشتر موتور ، قابلیت رانندگی بهتر و نیزآلودگی کمتر را در بر داشته است .

سیستمهای انژکتوری با تعیین دقیق مقدار هوای ورودی وظیفه تامین مقدار مشخصی از سوخت را مطابق با شرایط بار موتور به عهده داشته و نیز کمترین آلودگی خروجی را نیز در بر خواهند داشت . در این سیستم و به جهت ثابت نگه داشتن کمترین آلودگی ترکیب و ساختار مخلوط سوخت – هوا به صورت کاملاً دقیق کنترل می شود .

سیستم های انژکتوری چند نقطه ای
در این نوع سیستم از هر انژکتور به طور جداگانه برای پاشش سوخت ، مستقیماً از سوپاپ ورودی به داخل سیلندر مجزا استفاده می شود . به عنوان مثالی از این سیستم می توان سیستمهای KE-jetronic و L-jetronic رانام برد ( شکل ۴ )

سیستمهای انژکتوری مکانیکی
سیستم K- jetronic یک سیستم انژکتوری مکانیکی با کاربردی وسیع می باشد این سیستم سوخت را بطور مداوم و پیوسته پاشش می کند .
سیستمهای انژکتوری مکانیکی – الکترونیکی

سیستم KE-jetronic نوع جدیدتری از سیستم K- jetronic و با قابلیتهای بیشتری می باشد . این سیستم محدوده بیشتری از اطلاعات کارکرد موتور را به سیستم کنترل حافظه باز الکترونیکی فراهم کرده و در نتیجه وظیفه تامین دقیق سوخت را در شرایط مختلف کارکرد موتور به عهده خواهد داشت .
سیستمهای انژکتوری الکترونیکی

سیستمهای انژکتوری الکترونیکی از انژکتورهای الکترو – مغناطیسی جهت پاشش سوخت به طور متناوب استفاده می کنند . به عنوان مثالی از این نوع سیستمها می توان سیستمهای L-ketronic و LH-jetronic و MotronicSystem را نام برد .

 

سیستم های انژکتوری تک نقطه ای
سیستم های انژکتوری تک نقطه ای ازیک واحد انژکتوری کنترل الکترونیکی و نیز یک انژکتور الکترو – مغناطیسی که مستقیماً در بالای دریچه گاز قرار دارد ، استفاده می کنند . این انژکتور سوخت را به صورت متناوب به داخل مانیفولد ورودی پاشش می کند . به عنوان مثالی از این نوع سیستم ، می توان Mono-jetronic را نام برد . ( شکل ۵ )

مزایای سیستم های انژکتوری سوخت رسانی
کاهش مصرف سوخت
این سیستم تمامی اطلاعات ضروری کارکرد موتور ( نظیر سرعت موتور ، بار موتور، درجه حرارت ، میزان گشودگی دریچه گاز ) را جهت تطابق دقیق شرایط کارکرد دینامیکی یا ساکن ، مشخص کرده و بدینوسیله مقدار دقیق سوخت خورد نیاز موتور را تحت شرایط مشخص شده تامین می کند .

افزایش بازده موتور
سیستمهای K-jetronic و L-jetronic آزادی عمل بیشتری را جهت پر شدن کامل سیلندر ( بازده حجمی ) و گشتاور بالاتر فراهم می کند . این عمل باعث افزایش توان خروجی و نیزبهبود نمودار گشتاور خواهد شد . هم چنین Mono-jetronic قابلیت تطابق با سیستمهای اندازه گیری جداگانه سوخت و هوا رانیز دارا می باشد.

قابلیت شتابگیری سریع
تمامی سیستمهای انژکتوری خود را با تغییرات بار موتور در هر شرایط کارکرد ، بدون هیچ وقفه ای مطابقت می دهند . این قابلیت در هر دو سیستم انژکتوری تک نقطه ای و نیز سیستم چند نقطه ای وجود دارد . سیستمهای چند نقطه ای سوخت را مستقیماً به طرف سوپاپ ورودی پاشش می کنند . در این نوع سیستم مشکلات مربوط به تغلیظ سوخت را در داخل سیلندر وجود ندارد . در سیستمهای انژکتوری تک نقطه ای ، بایستی مشکل وجود لایه های تغلیظ شده سوخت در سیلندر را بطریقی رفع کرد . این مشکل با ایجاد سیستم طراحی جدید که سوخت را مخلوط کرده و اندازه می گیرد رفع خواهد شد .

قابلیت استارت بهتر در هوای سرد
مقدار دقیق سوخت با درجه حرارت موتور و سرعت استارتر مشخص گریده و امکان استارت سریع و پایداری سیستم موتوردر دور آرام را فراهم می کند .
در فاز گرم شدن موتور ، سیستم دقیقاً از مقدار مشخصی سوخت جهت راه اندازی سیستم و در پاسخگویی به نیاز دریچه گاز در تامین کمترین مقدار مصرف سوخت استفاده می کند .

آلودگی خروجی کمتر
در این سیستم مخلوط سوخت – هوا تاثیر مستقیمی بر عمل تجمع گازهای خروجی از اگزوز خواهد داشت . در صورت کارکرد موتور با کمترین سطح آلودگی خروجی سیستم تشکیل مخلوط سوخت – هوا بایستی نسبت این مخلوط در حد ثابتی نگه دارد . دقت کارکرد سیستمهای ketronic امکلان ثابت نگه داشتن شکل مخلوط سوخت – هوا را فراهم آورده است .

تاریخچه سیستمهای سوخت رسانی انژکتوری
استفاده از سیستمهای سوخت رسانی انژکتوری به حدود ۱۰۰ سال قبل باز می گردد . Gasmotorenfabik deutz سازنده پمپهای پلانجری پاشش سوخت از سال ۱۸۹۸ از این سیستم ابتدایی استفاده می کرد . مدت زمانی بعد ، استفاده از سیستم و تئوری در طراحی کامپیوتر ابداع گردید و سیستم های سوخت رسانی انژکتوری بر پایه طول مدت زمان پاشش سوخت ، بوجود مد .

شرکت Bosch از سال ۱۹۱۲ تحقیقات وسیعی را در خصوص پمپهای انژکتوری بنزینی آغاز نمود. اولین موتور هواپیمایی که از سیستم انژکتوری Bosch استفاده می کرد با قدرت ۱۲۰۰ اسب بخار در سال ۱۹۳۷ وارد تولید سری گردید . مشکلات مربوط به سیستمهای کربراتوری از قبیل یخ زدگی و نیز خطرات آتش سوزی ، باعث بوجود آمدن انگیزه بیشتری در خصوص توسعه این دانش در صنعت هوانوردی گردید .

این پیشرفت نشانگر یک دوره جدید از سیستم انژکتوری در شرکت Bosch بود ولی تا زمان کاربرد این سیستم در خودروها راه طولانی باقی مانده است . در سال ۱۹۵۱ برای نخستین مرتبه سیستم انژکتوری پاشش مستقیم در یک خودروی کوچک نصب گردید . چند سال بعد این سیستم در خودروی ۳۰۰SL از محصولات شرکت دایملر – بنز نصب گردید . درسالهای بعد پیشرفت های حاصله در خصوص ساخت و نصب پمپ های انژکتوری مکانیکی تداوم پیدا کرد . در سال ۱۹۶۷ این نوع سیستم گام بزرگتری رو به جلو برداشت .

ابداع اولین سیستم انژکتوری الکترونیکی بنام سیستم کنترل فشار ورودی یا D-jetronic . در سال ۱۹۷۳ سیستم کنترل جریان هوا بنام L-jetronic در بازار خودرو ظاهر گردید و در همان زمان سیستم کنترل مکانیکی – هیدرولیکی و نیز سیستم مجهز به سنسور جریان هوا ابداع گردید . سال ۱۹۷۹ مقدمه ای جهت ظهور سیستم جدید دیگری بنام Motronic بود که از خصوصیات کنترل دیجیتال کارکرد موتور ، بهره برد . این سیستم شامل سیستم L-jetronic به همراه کنترل الکترونیکی اشتعال در موتور بود ( اولین میکروپروسسور در صنعت خودرو ) .

در سال ۱۹۸۲ سیستم K-jetronic در شکل وسیع تری که شامل مدار کنترل حلقه بسته و سنسور اکسیژن ( لامبدا ) kejetronic بود در صنعت ظهور پیدا کرد . این سیستم به همراه سیستم mono – jetronic شرکت bosch و نیز سیستم پاشش تک نقطه ای در سال ۱۹۸۳ در خودروهای کوچک نصب گردید . در سال ۱۹۹۱ بیش از ۳۷ میلیون خودرو در سرتا سر جهان مجهز به سیستمهای انژکتوری سوخت رسانی bosch گردیدند . ۶/۵ میلیون در سال ۱۹۹۲ مجهز به سیستم مدیریتی هوشمند شدند ، هم چنین تعداد ۵/۲ میلیون موتور کجهز به سیستم mono – jetronic و ۲ میلیون موتور مجهز به سیستم های motronic شدند . امروزه سیستم های انژکتوری سوخت رسانی یکی از اجزاء ضروری صنعت خودرو سازی شده اند .

 

اصول کارکرد
سیستم اشتعال جهت آغاز مرحله احتراق در مخلوط متراکم شده سوخت – هوا و در زمان معینی بکار می رود . در موتورهای احتراق – جرقه ای ، این عمل توسط قوس الکتریکی ایجاد شده ما بین دو الکترود شمع ، انجام می گیرد . اشتعال صحیح ، زمینه ای برای عملکرد مناسب سیستم مبدل کاتالیتیکی در خودروها می باشد . عدم اشتعال به موقع ، منجر به وارد آمدن خسارت به مبدل کاتالیتیکی می شود که بر اثر گرمای زیاد ناشی سوخته شدن گازهای نسوخته در داخل مبدل کاتالیتیکی حاصل می شود .

 

نیازمندیهای سیستم
اشتعال در مخلوط
جهت اشتعالی قابل قبول در مخلوط استوکیومتریک سوخت – هوا قوس الکتریکی با انرژی معادل mj 2/0 مورد نیاز می باشد . بسته به غنی یا فقیر بودن مخلوط سوخت – هوا مقدار این انرژی نیز متغیر خواهد بود . این ارقام بیانگر بخشی از انرژی موجود در شمع ها می باشد . اگر انرژی اشتعال به مقدار کافی تولید نشود ، اشتعالی وجود نداشته و در نتیجه مخلوط سوخت – هوا بدرستی محترق نشده ودر نتیجه باعث بدکارکردن موتور خواهد شد. به همین علت ، بایستی انرژی اشتعال به حد کافی تولید گردد تا مخلوط سوخت – هوا تحت شرایط گوناگون ، محترق گردد. مخلوط قابل اشتغال کوچکی نیز ، جهت اشتعال کل مخلوط سوخت – هوا توسط شمع ، کافی می باشد .

 

این مخلوط قابل اشتعال پس از احتراق ، اکثرا به سایر قسمتهای مخلوط داخل سیلندر انتقال می یابد. یک مخلوط مناسب از لحاظ عدم وجود مانع در عملکرد شمع ها ، خصوصیات اشتعال را بهبود بخشیده و مدت زمان جرقه و قوس الکتریکی بین دو الکترود را افزایش داده و بزرگتر می کند. موقعیت و طول جرقه توسط ابعاد شمع تعیین می گردد. مدت زمان اشتعال توسط نوع و طراحی سیستم اشتعال و نیز شرایط اشتعال آنی سیستم کنترل می گردد.

تولید جرقه
قبل از تولید جرقه ، به یک ولتاژ کافی جهت ایجاد قوس الکتریکی مابین دو الکترود شمع مورد نیاز می باشد. هنگامی که مرحله اشتغال آغاز می گردد ، ولتاژ سرالکترودها به سرعت از مقدار صفر تا ولتاژ نهایی مورد نیاز جهت ایجاد قوس الکتریکی ما بین دو سر الکترودها ، می رسد. ( ولتاژ اشتعال )
در نقطه اشتعال ، ولتاژ شمع ، کاهش پیدا کرده و ولتاژ را در حد ثابتی نگه می دارد. مخلوط سوخت – هوا تا زمانی که قوس الکتریکی ایجاد شده مابین دو سر الکترود وجود داشته باشد . قابل احتراق خواهد بود ( مدت زمان جرقه )

سرانجام ، قوس الکتریکیر سر الکترود شمع از بین رفته و ولتاژ به آرامی به صفر باز می گردد. ( شکل ۱)
تلاطم و اغتشاش در مخلوط سوخت – هوا ، باعث از بین رفتن جرقه در شمع ها شده و در نتیجه منجر به احتراق ناقص در موتور می گردد. به همین علت ، انرژی موجود در کویل بایستی به اندازه ای باشد که مرحله اشتعال در شمع ها به طور کامل انجام گیرد.

 

تولید ولتاژ بالا و ذخیره انرژی
در سیستمهای مولد باطری ، ایجاد ولتاژ بالا جهت ایجاد جرقه در شمع ها ، به عهده کویل می باشد. کویل ، مطلابق با نیازهای شمع ها در رابطه با تولید جرقه طراحی شده و ولتاژی بسیار بالا را به همین منظور تولید می کنند. این سیستم ، ولتاژی در حدود( کیلوولت ) kv 30 – ۲۵ و ذخیره انرژی در حدودmj 120 – ۶۰ را تولید می کند.

 

محل و زمان اشتعال
در حدود ۲ میلی ثانیه از زمان جرقه تا احتراق کامل ، زمان لازم می باشد. در صورت تغییر نکردن مخلوط ، این پریود زمانی به صورت ثابت باقی خواهدماند. شمع ها بایستی جهت تولید بهترین و مناسب ترین فشاراحتراق ر تمامی شرایط کارکرد موتور ، توانایی تولید قوس الکتریکی قبل از موعد مقرر را داشته باشند. ( آوانس جرقه ) جهت روشن کرن این مطلب ، به طور خلاصه یادآوری می کنیم که تایمینگ جرقه و یا به عبارتی زمان ایجاد جرقه شمع ها مرتبط با اصلی می باشد که به آن نقطه مرگ بالا یا TDC گفته می شود .

 

پس از این تعریف ، تایمینگ جرقه صحیح به زاویه قبل از نقطه مرگ بالا اطلاق می شود که به آن « آوانس جرقه » می گویند . تنظیم زمان جرقه پس از نقطه مرگ بالا را « ریتارد » یا دیربودن زمان جرقه می گویند . ( شکل ۲ )

تایمینگ جرقه بایستی جهت نیل به اهداف ذیل بدرستی تنظیم گردد :
-بالاترین قدرت خروجی موتور
-مصرف سوخت کمتر
-جلوگیری از بوجود آمدن پدیده ضربه در موتور
-آلودگی خروجی کمتر
در عمل بسیاری از نیازهای سیستم پاسخگوی واکنش جزء به جزء در سیستم نمی باشند و جهت نیل به این هدف بایستی تطابق بین سیستم ها را بصورت جزء به جزء بوجود آورد .

جهت تنظیم صحیح و مناسب تایمینگ جرقه برای هر شرایط مستقل ، بایستی بسیاری از عوامل را در نظر گرفت که مهمترین این فاکتورها عبارتند از : سرعت موتور ، بار موتور ، طراحی موتور ، نوع سوخت و حالت دقیق کارکرد موتور ( به طور مثال : سیستم استارت ، دور آرام موتور، حالت بار کامل … )
تنظیمات اولیه مورد نیاز جهت تطابق تایمینگ جرقه با شرایط آنی موتور ، توسط اطلاعات سرعت و بار موتور بدست می آید . نسبت تراکم های بالاتر در موتورها منجر به افزایش پدیده ضربه زنی در موتور خودروها خواهد گردید .

 

پدیده ضربه زنی در موتورها از احتراق خود بخودی مخلوط سوخت – هوا ناشی از عدم توانایی ارسال جرقه به سایر قسمتهای مخلوط در فاز اولیه اشتعال باعث اشتعال در قسمتهای بالایی مخلوط می شود . این پدیده در اثر آوانس بیش از حد جرقه تولید می گردد .پدیده ضربه منجر به افزایش درجه حرارت محفظه احتراق شده و در نتیجه باعث اشتعال پیش از موقع و افزایش بیش از حد فشار می شود .

احتراق بی موقع و ناگهانی باعث بوجود آمدن نوسان در فشار سیستم خواهد شد . این عوامل به صورت یک نمودار اضافی بر روی الگوی فشار نرمال قرار می گیرند . در ( شکل ۳ ) در این شکل تفاوت دو نوع پدیده ضربه نشان داده شده است:

– پدیده ضربه در هنگام شتاب گیری وتحت بار زیاد و در سرعتهای پایین ( صدای قابل شنیدن )
– پدیده ضربه در سرعت های بالا که در دور موتور بالا و کارکرد تحت بار بالا می باشد .

وجود پدیده ضربه در سرعت های بالا برای عملکرد موتور بسیار بحرانی می باشد و به صورت غیر قابل شنیدن در حین کارکرد موتور می باشد . هم چنین پدیده ضربه زنی همراه با صدا نیز نمی تواند منبع قابل اعتمادی جهت پی بردن به وجود این عامل در موتور باشد. به هر حال تجهیزات الکترونیکی جدید ، قادر به شناسایی دقیق این پدیده می باشند . استمرار این پدیده باعث بوجود آمدن خسارات اساسی به موتور و شمع ها می گردد . ( به طور مثال باعث آسیب دیدن واشر سر سیلندر ، یاتاقانها و بوجود آمدن حفره بر روی پیستون می شوند . )

پدیده اشتعال نیز به چنین عواملی و نیز طراحی موتور مرتبط می باشد ( به طور مثال : شکل محفظه احتراق ، شکل و آرایش مخلوط سوخت – هوا ، مسیر ورود هوا و نیز در ارتباط با کیفیت خود سوخت نیز می یباشد . )

این فقط قسمتی از متن مقاله است . جهت دریافت کل متن مقاله ، لطفا آن را خریداری نمایید
word قابل ویرایش - قیمت 8700 تومان در 53 صفحه
117,000 ریال – خرید و دانلود
سایر مقالات موجود در این موضوع
دیدگاه خود را مطرح فرمایید . وظیفه ماست که به سوالات شما پاسخ دهیم

پاسخ دیدگاه شما ایمیل خواهد شد