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 . 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 :
حالت تنفس
حالت تراکم و جرقه
حالت انفجار
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 6:1 به 8:1 باعث زیاد شدن بازده گرمایی به مقدار 12 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 .
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 4 )
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 5 )
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 100 سال قبل باز می گردد . Gasmotorenfabik deutz سازنده پمپهای پلانجری پاشش سوخت از سال 1898 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 1912 تحقیقات وسیعی را در خصوص پمپهای انژکتوری بنزینی آغاز نمود. اولین موتور هواپیمایی که از سیستم انژکتوری Bosch استفاده می کرد با قدرت 1200 اسب بخار در سال 1937 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 1951 برای نخستین مرتبه سیستم انژکتوری پاشش مستقیم در یک خودروی کوچک نصب گردید . چند سال بعد این سیستم در خودروی 300SL 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 1967 این نوع سیستم گام بزرگتری رو به جلو برداشت . ابداع اولین سیستم انژکتوری الکترونیکی بنام سیستم کنترل فشار ورودی یا D-jetronic . در سال 1973 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 1979 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 1982 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 1983 در خودروهای کوچک نصب گردید . در سال 1991 بیش از 37 میلیون خودرو در سرتا سر جهان مجهز به سیستمهای انژکتوری سوخت رسانی bosch گردیدند . 6/5 میلیون در سال 1992 مجهز به سیستم مدیریتی هوشمند شدند ، هم چنین تعداد 5/2 میلیون موتور کجهز به سیستم mono – jetronic و 2 میلیون موتور مجهز به سیستم های motronic شدند . امروزه سیستم های انژکتوری سوخت رسانی یکی از اجزاء ضروری صنعت خودرو سازی شده اند .
(جداول و تصاویر در فایل اصلی موجود است)