بخشی از مقاله
چکیده
در این مقاله از یک مدل کنترلی جهت مدیریت دمایی در یک موتور احتراق داخلی استفاده است. بدین منظور در سیسستم خنک کاری موتور از یک دمابان برقی بهره گرفته شده و یک راهبرد خاص کنترلی در واحد کنترل الکترونیکی موتور جهت فرماندهی به آن تدوین و اعمال شده است. در نتیجه با کنترل دمای موتور در حالتهای مختلف بوسیله جداول کالیبراسیونی، رفتار پارامترهای مهم موتور از جمله گشتاور، آلایندگی، مصرف سوخت و کوبش تا حدودی بهبود می یابد. فعالیتها در سه بخش اصلی توسعه نرم افزار، سخت افزار و انجام آزمون بر روی خودرو و داده برداری تقسیم میشود.
بخش اول شامل تدوین مدل مناسبی جهت کنترل رفتار باز و بسته شدن ترموستات برقی در شرایط مختلف کاری موتور می باشد. این مدل با در نظر گرفتن پارامترهای مهم دیگر همچون دمای هوای چند راهه ورودی موتور، رفتار کنترلی بادزنها فرمان مناسبی را جهت مدیریت دمایی موتور به دمابان برقی میدهد. پس از آماده سازی نرم افزار، سخت افزار لازم جهت پیاده سازی مدل که شامل رایانه موتور عمومی، دمابان برقی تک کاره و دوکاره می باشد، آماده سازی شده و فرایند اعمال نرم افزار در رایانه موتور جهت انجام آزمون صورت گرفته است.
در مرحله آخر آزمون اندازه گیری مصرف سوخت بر روی خودرو در سیگل آلایندگی استاندارد اروپا در سه حالت با دمابان برقی تک کاره، دوکاره و دمابان مکانیکی مرجع انجام و تمام متغیرهای مرتبط با رفتار عملکردی و دمایی در رایانه موتور اندازه گیری و ثبت گردید. نتایج بهبودهای قابل قبولی را در گشتاور خروجی موتور، کاهش مصرف سوخت، آلایندگی و رفتار کوبش نشان میدهد.
مقدمه
امروزه صنایع خودروسازی با چالشهای بی سابقه ای در خصوص مسائل انرژی و زیست محیطی روبرو هستند. قوانین و مقررات مرتبط با معیارهای آلایندگی سختگیرانه میشوند درحالیکه روزبروز قیمت سوختهای فسیلی در تمام دنیا رو به افزایش است. از اینرو خودروسازان بدنبال استفاده از تکنولوژیهایی هستند تا بتوانند با بالابردن راندمان قوای محرکه خودرو، مصرف سوخت و آلایندگی را کاهش دهند.
یکی از مهمترین پیشرفتها در این زمینه استفاده از ادوات و تجهیزات الکترونیکی در سیستمهای مختلف موتورو خودرو می باشد که در سالهای اخیر شتاب چشمگیری داشته است. طراحان توانسته اند با استفاده از حسگرها، عملگرها و سیستمهای کنترل پذیر قابلیتهای جدیدی در خودرو ایجاد نمایند و کارآیی سیستمهای موتوری را ارتقا دهند. سیستم خنک کاری نیز یکی از مهمترین سیستمهای موتوری است که نوآوریهای جدیدی را در سالهای اخیر تجربه کرده است و محققان و طراحان بسیاری در این زمینه فعالیتهای گوناگون انجام داده اند.
در سال 2006 چاستین استراتژیهای مختلفی در خصوص خنک کاری موتورهای احتراق داخلی طراحی و تستهای گوناگون انجام داد و از بین چندین طرح بهترین طرح را جهت خنک کاری مناسب موتور با کمترین توان مصرفی انتخاب نمود .[1] در سال 2003 چالگرن و بارون از یک مدل مدیریت دمایی در خودروی نمونه استفاده کردند که قابلیت کاهش مصرف سوخت تا 5 درصد را دارا بود .[2]
ابرث و همکارانش در سال 2004 از روشی در مدیریت دمایی موتور استفاده کردند که توانست زمان گرمایش موتور را پس از استارت بهبود دهد .[3] در سال 2005 لاپتوسفکی یک مدل شبیه سازی ارائه نمود و بوسیله آن توانست زمان گرمایش موتور و توان مصرفی مصرف کنندها در سیستم خنک کاری را کاهش دهد. این مدل بر روی 60 خودروی دیزل تست شد و نتایج قابل قبولی حاصل گردید .[4] در سال 2011 پارک مدل مدیریت دمایی جهت خودروهای دورگه یا هیبرید ارائه داد .[5] چو و همکارانش تأثیر استفاده از پمپ آب برقی را در کاهش مصرف و بهبود پارامترهای خنک کاری مطالعه کردند .[6]
در این تحقیق امکان استفاده از یک دمابان برقی تک کاره و دوکاره در سیستم خنک کاری موتور EF7 بر روی خودروی سمند بررسی شد. در ادامه استراتژی کنترلی انجام مدیریت دمایی در موتور ملی با دمابان برقی طراحی گردید و توسعه نرم افزاری بوسیله نرم افزارهای تخصصی انجام گرفت. با توجه به اینکه امکان تغییر در واحد کنترل الکترونیکی در موتورهای فعلی بسیار سخت یا عملا غیر ممکن است، سخت افزار لازم جهت انجام این آزمون نیز طراحی و ساخته شد. سپس آماده سازی مدار خنک کاری جدید بر روی خودرو صورت گرفته و آزمونهای متفاوتی طراحی و انجام شد. نتایج نهایی بهبود قابل قبولی را در پارامترهای خنک کاری، مصرف سوخت و گشتاور نشان میدهد.
دمابان برقی
نحوه عملکرد دمابان برقی همچون دمابان مکانیکی است با این تفاوت که عامل باز و بسته شدن آن، علاوه بر انرژی گرمایی آب موتور، انرژی الکتریکی است که توسط یک سیگنال از واحد کنترل الکترونیکی موتور به گرمکن درونی آن اعمال میشود - شکل . - 1 آغاز بازشدگی دمابانهای مکانیکی در یک نقطه می باشد که معمولا در دمای 90 درجه سانتیگراد می باشد و بسته به طراحی آن، نقطه کامل بازشدگی آن نیز در یک دمای خاص صورت میگیرد، در نتیجه کنترل باز و بسته شدن آن تقریبا غیرممکن است. از مزایای اصلی دمابان برقی کنترل این دماها در کورسهای مختلف بازشدگی، بوسیله یک جریان الکتریکی می باشد. این قابلیت کمک موثری در مدیریت دمایی موتور بهمراه دارد به نحوی که موتور میتواند در محدوده های دمایی بیشتری کار کند.
شکل :1 شمایی از دمابان برقی و المان گرمکن درونی آن
هدف اصلی استفاده از راهبرد مدیریت دمایی در موتور، بهبود پارامترهای عملکردی مؤثر همچون افزایش گشتاور خروجی، کاهش مصرف سوخت و کاهش آلایندگی می باشد. با استفاده از دمابان برقی و کنترل دمای کارکرد موتور می توان به این اهداف دست یافت بدین صورت که با کنترل بسته ماندن دمابان در شرایط نیمه بار در سیکل آلایندگی، موتور در شرایط گرمتری کار میکند - دمای حدود 110 درجه سانتیگراد - و بدین ترتیب میزان مصرف سوخت و آلایندگی تا حدی کاهش می یابد.
در شرایط تمام بار با باز نمودن دمابان در دماهای پایین - حدود 80 درجه سانتیگراد - ، میزان کوبش در سیلندرهای مختلف بدلیل دمای بالا کاهش می یابد که نهایتا افزایش در گشتاور خروجی را نتیجه خواهد داد .[7] شکل 2 نمودار عملکردی دمابان الکتریکی استفاده شده در این مقاله را نشان می دهد. منحنی قرمز رنگ میزان درصد سیگنال اعمال شده به دمابان، منحنی آبی میزان گشودگی دمابان با اعمال جریان الکتریکی و منحنی بنفش میزان گشودگی دمابان بدون اعمال جریان الکتریکی می باشد.
در مقایسه با دمابان مکانیکی که در دمای حدود 90 درجه سانتیگراد شروع به بازشدن میکند، از فنر قویتری در دمابان برقی استفاده شده است تا در دمای بالاتری شروع به بازشدن کند. همانطور که از منحنی بنفش پیداست بدون اعمال جریان الکتریکی دمابان در دمای 102 درجه سانتیگراد شروع به بازشدن میکند و در دمای حدود 118 درجه به کورس حدود 8 میلیمتر میرسد. همانطور که پیشتر نیز بیان شد در شرایط نیمه بار میزان جریان الکتریکی اعمال شده از جانب واحد کنترل الکترونیکی کم خواهد بود تا موتور در شرایط گرمتری کار کند.
منحنی آبی رنگ میزان بازشدن دمابان هنگام اعمال جریان را نشان میدهد. تا دمای 102 درجه سانتیگراد که نقطه بازشدن مکانیکی دمابان است جریان اعمال میشود و از آن به بعد جهت صرفه جویی در انرژی الکتریکی، جریان کاهش می یابد و از انرژی گرمایی آب موتور جهت بازترشدن دمابان استفاده میگردد. در شرایط تمام بار با اعمال جریان الکتریکی می توان نقطه بازشدگی دمابان را کنترل نمود.
در این تحقیق از دو نوع دمابان برقی استفاده شده است: دمابان برقی تک کاره و دمابان برقی دوکاره. در نوع تک کاره مسیر کنارگذر آب موتور به سمت بخاری جدا از عملکرد دمابان همیشه باز می باشد ولی در مسیر دوکاره با بازشدن مسیر دمابان مسیر کنارگذر بسته می شود تا تمام حجم آب موتور به سمت رادیاتور جاری میشود تا بیشترین ظرفیت خنک کاری صورت گیرد. در این تحقیق از هر دو نوع دمابان برقی در انجام آزمونها استفاده و نتایج با دمابان مکانیکی مقایسه شده است.
مدلسازی
مدل سازی مجموعه دمابان برقی شامل دو بخش عمده میباشد. بخش توسعه نرم افزار که وظیفه کنترل دمابان را برعهده دارد و بخش توسعه سخت افزار که تهیه و آماده سازی یک رایانه موتور را شامل میشود که بتواند عملکرد موتور را در شرایط مختلف کاری کنترل نماید.
توسعه نرم افزار
به طور کلی برای کنترل هر مجموعه مکانیکی- الکتریکی در موتور نیاز به شناخت اجزای مختلف آن مجموعه و آشنایی با نحوه عملکرد آنها میباشد. دمابان برقی دارای یک بخش مکانیکی است که همانند دمابان مکانیکی معمولی عمل میکند و بخش کنترلی آن شامل یک گرمکن برقی است که توسط یک ولتاژ خروجی کنترل می شود. برای تدوین برنامه کنترلی این گرمکن از نرم افزار ASCET استفاده شده است.
این نرم افزار توسط شرکت آلمانی ETAS ارائه شده است که پیشرو در زمینه تجهیزات نگاشت و کالیبراسیون در موتور میباشد. از آنجایی که کنترل عملکرد دمابان باید در حالت کارکرد عادی موتور باشد، بنابراین لازم است که ابتدا تمام الگوریتم های عملکردی موتور در نرم افزار ASCET نوشته شود تا موتور روشن شده و تحت کنترل در شرایط کارکرد مورد نظر قرار گیرد. در این تحقیق، این بخش از کار نیز انجام گردید و تمامی شرایط برای کارکرد موتور در نقاط مختلف آزمون دمابان برقی تحت کنترل قرار گرفت. در مرحله بعدی تابع کنترلی گرمکن دمابان برقی در محیط ASCET تدوین شد. شکل 3 شماتیکی از مدار کنترلی استراتژی مورد نظر را نشان میدهد.
بر اساس منطق استفاده شده در کنترل گرمکن نیاز است که بصورت دایم اطلاعات برخی از شرایط کاری موتور و خودرو مانند دمای آب موتور، سرعت خودرو و دمای هوای محیط در اختیار باشد. برای این کار داده های مورد نظر از حسگرهایی که بر روی موتور و چرخ های خودرو قرار دارند جمع آوری شده و به وسیله خوانش مقادیر ولتاژ خروجی از حسگرها توسط واحد کنترل اکترونیکی عمومی موتور - GCU - ، در اختیار تابع کنترل گرمکن قرار میگیرد. در نهایت با استفاده از یک الگوریتم کنترلی، ولتاژ کنترل شده برای عملکرد گرمکن دمابان استخراج میشود.
