مهندسی اتومبیل سازی

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 No_x 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.

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.

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.

اقتصاد سوخت افزایش یافته و پیشرفته 1 تا 25 درصدتوسعه پتانسیل، بسته به چرخه آزمایش که ناشی از موارد زیر می باشد.

• اتلاف پمپاژ کمتر (حالت بدون خفگی و لایه ای )
• اتلافهای گرمای کمتر (حالت بدون خفگی و لایه ای)
• نسبت تراکم بیشتر (خنک سازی بار با تزریق در طول القا)
• نیاز به اکتان پائین تر (خنک سازی بار با تزریق در طول القا)
• بازده حجمی افزایش یافته (خنک سازی بار با تزریق در طول القا)
• قطع سوخت در طول کاهش سرعت وسیله نقلیه (بدون لایه چند راهه)
• واکنش موقتی افزایش یافته
• غنی سازی شتاب کمتر مورد نیاز (بدون لایه چند راهه)
• کنترل نسبت سوخت – هوای رقیق تر
• استارت زدن سریع تر
• سوختن اضافی استارت سرد کمتر مورد نیاز
• محدودیت تولرانس EGR توسعه یافته (برای به حداقل رسانی استفاده از خفه سازی)
• مزایای انتشارات انتخابی
• انتشارات UBHC استارت سرد کاهش یافته
• انتشارات CO₂ کاهش یافته
• پتانسیل افزایش یافته برای بهینه سازی سیستم

گرچه موتور GDI ، مزایای نهفته مهمی را فراهم می آورد، اما مسائل و مشکلاتی را بهمراه دارد که مشابه با مسائل و مشکلات موتورهای DISC قدیمی هستند. جایگزینی موتور PFI با موتور GDI بصورت تأسیسات تولید برق اتومبیل، با موارد زیر محدود می گردد:

• سختی کنترل احتراق بار لایه ای در گستره عمل مورد نیاز
• پیچیدگی تکنولوژیهای تزریق و کنترل مورد نیاز برای تغییرات یکپارچه بار
• نسبت تقریباً بالای تشکیل رسوبات انژکتور و یا سوختن احتراقی
• انتشارات UBHC بار سبک نسبتاً بالا
• انتشارات No_x بار سنگین نسبتاً بالا
• تولید No_x محلی زیاد، تحت عمل بار لایه ای، و بار جزئی (part load)
• تشکیل دوده برای عمل بار سنگین
• انتشارات ویژه افزایش یافته
• کاتالیزور سه راهه نمی تواند در مورد کل مزایا به کار رود
• ساییدگی افزایش یافته جزئی از سیستم سوخت بواسطه ترکیب سوخت کم و فشار زیاد
• مقادیر افزایش یافته ساییدگی دهانه سیلندر
• شرایط و نیازهای ولتاژ و نیروی الکتریکی افزایش یافته انژکتور را محرکها،
• اتلاف پارازیتی پمپ سوخت و فشار سیستم سوخت افزایش یافته.

موارد فوق، باید در هر طراحی ویژه، در صورتی مورد بررسی قرار گیرند که موتور GDL، جایگزین موتور PPL فعلی گردد. اگر تنظیمات انتشار آینده مثل  و سینه تقلید دارای انتشار بسیار کم (VLEV)، و سینه تقلید دارای انتشار فوق العاده کم (SVLEV) و شرایط اقتصاد سوخت میانگین (CAFÉ) بتوانند با استفاده از موتورهای PEI و بدون نیاز به سخت افزار جدید پیچیده حاصل شوند، میزان نفوذ به بازار در هداموتورهای GDL، کاهش خواهد یافت، شرایط GDL در مورد سخت افزار تزریق سوخت پیشرفتی، پمپ سوخت فشار بالا، و یک سیستم کنترل موتور پیچیده تر بوجود خواهد آمد. محدودیت مهم در مورد طراحی های مورتور GDL، انتشارات نسبتاً بالای No_x و UBHC و این حقیقت می باشد که کاتالیزورهای سه راهه نمی توانند بطور موثر و مفید به کار روند.

دینامیک های ترکیب داخل سیلندر و هندسه محفظه احتراق

میدان جریان داخل سیلندر موقتی که د طول حرکت ضربات تراکم دو رود یک موتور GDL ارائه می شود، یکی از عوامل اصلی در تعیین قابلیت اجرا پذیری عملی سیستم می باشد. بزرگی مولفه های متوسط حرکت  و تغییرات ناشی از آنها در کل چرخه، از اهمیتی برخوردار هستند که با بزرگی مولفه های متوسط حرکت سیستم تزریق سوخت، قابل قیاس می باشد. در یک مقیاس میکروسکوپی، سطح بالای آشفتگی، برای افزایش و ارتقای پروسه ترکیب هوا- سوخت، لازم است؛ اما جریان انبوه (bulk flow) یا میانگین تحت کنترل. عموماً برای تثبیت یک ترکیب لایه ای مورد نیاز می باشد. در مورد موتورهای CSL بدیهی است که نوسانات سرعت آشفتگی نزدیک به نقطه مرگ بالایی (TDC) در تراکم می تواند این بزرگی را به صورت سرعت میانگین کسب کند. و بدیهی است که حمل و نقل انتقالی و حمل و نقل انتشاری آشفته می توانند دارای تاثیر معادلی در تعیین وضعیت اولیه پروسه احتراق باشند. مثدار صحیح نوشان تجمع ترکیب در داخل محفظه احتراق می تواند به بزرگی مقدار صحیح نوسان سرعت باشد. این امر منجر به نوسانات شدید تجمع در یک نقطه ثابت مثل محل پلاتین مولد جرقه می شود که این امر نیز می تواند منجر به بروز مشکلاتی در بدست آوردن یک هسته مشتقل و ثابت گردد.

در کل، ساختار جریان چرخشی، در سیلندر و محفظه احتراق وجود دارد و این ساختار منسجم، دارای زاویه لحظه ای انحراف میان محور سیلندر و محور اصلی رچخش می باشد. جز چرخشی که دارای محوری که موازی با محور سیلندر است، چرخان (swirl) نامیده می شود، و جزئی که دارای محور عمود بر محور سیلندر است، معلق نامیده می شود. بزرگی هر دو مولفه چرخان و معلق شدیداً به ویژگیهای طراحی دهانه ورودی، هندسه شیر ورودی، نسبت ضربه / دهانه و به شکل محفظه احتراق بستگی دارند. ساختارهای جریان غائب معلق و جریان غائب چرخان، جهت دستیابی به احتراق لایه ای در مورتورهای GDL مورد استفاده قرار می گیرند. در مورد معلق ستون ابری- شکل سوخت، از حالت حفره شکل در پیستون منحرف می شود، و سوخت مایع و گاز، به شمع محترق کننده منتقل می شوند. در مورد میدان جریان غالب چرخان، تریکب می تواند در پیرامون حفره پیستون، تجمع یابد. حرکت هوای دیگری که باید به صورت دقیق توسعه در سیستم احتراق GDL ارزیابی شود، squish است. این جریان، در مسیر شعاعی داخل فاصله آزاد پیستون تا راس و در زمانی ایجاد می شود که پیستون، به TDC تراکم نزدیک می شود. برخی از ویژگیهای چرخان، معلق و squish و نقش آنها در سیستم احتراق GDL عبارتند از :

• چرخان:
• اتلاف ویسکوز کمتری به بار می آورد و به مدت طولانی تر در ضربه تراکم حفظ می شود؛
• برای محافظت لایه بندی. مناسب است؛
• زمانیکه با squish ترکیب می شود شدیدتر می گردد؛
• وابسته سرعت موتور است بنابراین منطقه عمل محدودی را برای ترکیب مناسب و کافی هوا- سوخت ارائه می دهد.
• معلق:
• با تغییر شکل معلق و گرایانهای سرعت مربوطه، نزدیک TDC به آشفتگی تبدیل می شود؛
• تنها به آشفتگی با یک محفظه صفحه ای تخت تبدیل می شود؛
• ممکن است تبدیل ناقص به آشفتگی. منجر به ایجاد یک جریان متوسط افزایش یافته شود؛
• در ایجاد سطوح بالای سرعتهای جریان نزدیک دیواره جهت افزایش بخار لایه دیواره. موثر است؛
• در افزایش ترکیب با تولید آشفتگی موثر است؛
• تغییرات یک چرخه تا یک چرخه دیگر را نسبت به تغییرات ارائه شده توسط چرخان. بزرگتر می سازد؛
• تمایل دارد که در ساختار جریان ثانویه با مقیاس بزرگ. کاهش یافته و لایه بندی را مشکل تر سازد.
• squish
• تا وقتی که پیستون، نزدیک TDC نباشد، ظاهر نمی شود؛
• تنها جریان انبوه را تغییر می دهد. چرخان یا معلق را تقویت می کند؛
• گرایش در جهت احتراق اتوماتیک را بواسطه مناطق توسعه یافته شکاف و ترک افزایش می دهد؛
• ممکن است به کاهش نسبت تراکم نیاز داشته باشد؛
• تاثیر squish معکوس باید ارزیابی گردد.

جز چرخان حرکت داخل سیلندر، بواسطه هندسه مطلوب تر شد، عموماً پراکندگی دسکوز کمتری را نسبت به جز معلق تجربه می کند، بنابراین مدت طولانی تری در ضربه تراکم می ماند در حفظ لایه بندی ترکیب، کارایی قایده بیشتری دارد.