بررسی کارکرد سنسورها در تنظیم کارایی موتور خودرو

مقدمه:
تحول صنعت خودروسازی در سده گذشته همواره با دو دغدغه اساسی همراه بوده است؛ افزایش بازدهی انرژی و کاهش آلاینده های حاصل از احتراق سوخت های فسیلی. در نیمه نخست قرن بیستم تعداد محدود موتورهای احتراق داخلی موجب می شد اثرات زیست محیطی آنها چندان محسوس نباشد، اما رشد سریع جمعیت، توسعه نیروگاه ها و گسترش ناوگان حمل و نقل شهری، کیفیت هوا را در بسیاری از مناطق جهان دگرگون ساخت. شکل گیری نخستین هشدارهای جدی درباره آلودگی هوا در دهه های میانی قرن بیستم و تدوین استانداردهای سخت گیرانه آلایندگی در ایالات متحده، اروپا و ژاپن، مسیر طراحی موتورهای بنزینی را به سوی سامانه های دقیق تر کنترل احتراق و مصرف سوخت سوق داد. کاهش چشمگیر انتشار هیدروکربن ها، منواکسید کربن و اکسیدهای نیتروژن در دهه های بعد، نتیجه پیوند فناوری های سنجش، کنترل الکترونیکی و بهینه سازی فرآیند احتراق در موتور خودرو بود.

در موتورهای احتراق جرقه ای یا سیکل اتو، تبدیل انرژی شیمیایی سوخت به انرژی مکانیکی از طریق توالی منظم مکش، تراکم، احتراق و تخلیه انجام می گیرد. تشکیل مخلوط یکنواخت هوا و سوخت، زمان بندی دقیق جرقه و کنترل شرایط ترمودینامیکی داخل سیلندر، سه مؤلفه بنیادین در دستیابی به احتراقی پایدار و کارآمد به شمار می روند. با حرکت پیستون در کورس مکش، مخلوط سوخت و هوا وارد سیلندر شده و در مرحله تراکم برای احتراق آماده می شود؛ سپس جرقه شمع آغازگر واکنش های سریع شیمیایی است که افزایش فشار و دما را به دنبال دارد و این افزایش فشار، نیروی لازم برای چرخش میل لنگ را فراهم می سازد. هرگونه اختلال در یکنواختی مخلوط، زمان جرقه یا شرایط حرارتی می تواند به پدیده هایی مانند انفجار، اشتعال زودهنگام یا ضربه موتور منجر شود؛ رخدادهایی که مستقیماً بر بازدهی، دوام قطعات و میزان آلایندگی اثر می گذارند.

پیشرفت سامانه های سوخت رسانی انژکتوری نقطه عطفی در کنترل دقیق فرآیند احتراق محسوب می شود. در این سامانه ها، تنظیم نسبت هوا به سوخت بر اساس شرایط لحظه ای کارکرد موتور انجام می گیرد و پارامترهایی مانند بار موتور، دمای هوای ورودی، دمای مایع خنک کننده و ترکیب گازهای خروجی به طور پیوسته پایش می شوند. تغییر در غلظت مخلوط نه تنها توان تولیدی موتور را دگرگون می کند، بلکه نقش تعیین کننده ای در میزان تولید آلاینده هایی مانند CO ، HC و NOx دارد. به همین دلیل طراحی سیستم های پاشش چند نقطه ای، تک نقطه ای و الگوهای مختلف زمان بندی تزریق سوخت، بخشی جدایی ناپذیر از مسیر تکامل موتورهای بنزینی به شمار می رود؛ مسیری که در آن کنترل الکترونیکی جایگزین تنظیمات صرفاً مکانیکی شده است.

در قلب این ساختار کنترلی، سنسورهایی قرار دارند که وضعیت واقعی موتور را به سیگنال های قابل پردازش تبدیل می کنند. حسگر موقعیت میل لنگ، سرعت دورانی موتور را مشخص می سازد؛ سنسور دمایی شرایط حرارتی را ثبت می کند؛ سنسور اکسیژن کیفیت احتراق و نسبت هوا به سوخت را بازتاب می دهد؛ و سنسور کوبش وقوع ارتعاشات غیرعادی ناشی از احتراق نامنظم را آشکار می کند. داده های حاصل از این حسگرها مبنای فرمان دهی به عملگرهایی مانند انژکتورهای مغناطیسی، رگلاتور فشار سوخت، کویل جرقه و دیگر اجزای مدار اشتعال ولتاژ بالا قرار می گیرد. این چرخه پیوسته دریافت داده و اعمال فرمان، رفتار موتور را در گستره ای وسیع از شرایط کاری تنظیم می کند و هماهنگی میان احتراق، توان خروجی و محدودیت های زیست محیطی را شکل می دهد.

پیچیدگی روزافزون سامانه های الکترونیکی خودرو سبب شده است که عملکرد موتور دیگر تنها به طراحی مکانیکی وابسته نباشد، بلکه به شبکه ای از سنجش های لحظه ای و واکنش های کنترلی متکی شود. تغییرات فشار سوخت در ریل، نوسانات دمایی، اختلاف های جزئی در ترکیب مخلوط یا تغییرات بار ناگهانی، همگی در بازه های زمانی بسیار کوتاه ثبت و اصلاح می شوند. چنین سازوکاری تصویری از موتور مدرن ارائه می دهد که در آن سنسورها نقش عناصر تعیین کننده در پایداری احتراق، یکنواختی توان تولیدی و محدودسازی انتشار آلاینده ها دارند و تعامل مداوم میان داده های اندازه گیری شده و فرمان های کنترلی، سیمای عملکردی این سامانه پیچیده را ترسیم می کند.

فهرست مطالب
فصل اول – احتراق در موتورهای بنزینی
۱-۱- مقدمه ۲
۱-۲- موتورهای احتراق جرقه ای یا سیکل اتو ۲
۱-۲-۱- اصول کارکرد ۲
۱-۲-۲- اصول سیکل چهار زمانه ۳
۱-۳- فرآیند احتراق در موتورهای شمع دار ۷
۱-۴- عوامل نامطلوب در احتراق ۹
۱-۴-۱- انفجار ۹
۱-۴-۲- اشتعال زود هنگام ۱۱
۱-۴-۳- ضربه ۱۲
۱-۵- پارامترهای مهم در طراحی موتور ۱۳
۱-۵-۱- نسبت تراکم ۱۴
۱-۵-۲- شکل محفظه احتراق ۱۵
۱-۵-۳- زمانبندی سوپاپها ۱۸
۱-۵- ۴- هندسه مانیفولد ورودی ۲۰
۱-۵-۵- غشابندی سوخت ۲۱
۱-۵-۶- دیگر پارامترها ۲۳
فصل دوم – شکل گیری مخلوط
۲-۱- مقدمه ۲۵
۲-۲- غلظت مخلوط و عملکرد آن ۲۵
۲-۳- تأثیر غلظت مخلوط بر روی آلاینده های خروجی ۲۸
۲-۳-۱- میزان تولید CO 29
۲-۳-۲- میزان تولید HC 29
۲-۳-۳- میزان تولید NOx 29
۲-۴- نسبت هوا و سوخت در شرایط مختلف ۳۰
۲-۴-۱- ضریب غلظت ۳۰
۲-۴-۲- مخلوط سوخت و هوا ۳۱
۲-۵- تطابق با شرایط کاری خاص ۳۲
۲-۶- سیستمهای ترکیب سوخت و هوا ۳۵
۲-۶-۱- سیستم پاشش چند نقطه ای ۳۵
۲-۶- ۲- سیستم پاشش تک نقطه ای ۳۷
۲-۷- حالات پاشش سوخت ۳۷
۲-۷-۱- پاشش همزمان ۳۸
۲-۷-۲- پاشش گروهی ۳۸
۲-۷-۳- پاشش ترتیبی ۳۹
۲-۸- مزایای سیستمهای انژکتوری ۴۰
فصل سوم – انواع سنسورها و عملگرها
۳-۱- مقدمه ۴۴
۳-۲- ساختار کلی سیستمهای سوخت رسانی انژکتوری ۴۴
۳-۳- انواع سنسورهای جمع آوری اطلاعات موتور ۴۶
۳-۳-۱- انواع سنسورهای بار موتور ۴۶
۳-۳-۲- درجه حرارت موتور و هوای ورودی ۵۵
۳-۳-۳- سنسوراکسیژن ۵۷
۳-۴- سرعت موتور و موقعیت میل لنگ ۵۹
۳-۴-۱- حسگر موقعیت میل لنگ ۶۰
۳-۵- سیستم سوخت رسانی ۶۵
۳-۵-۱- پمپ بنزین الکتریکی ۶۶
۳-۵-۲- فیلتر سوخت ۷۰
۳-۵-۳- ریل سوخت ۷۱
۳-۵-۴- رگلاتور فشار سوخت ۷۲
۳-۵-۵- میراکننده نوسانات فشار سوخت ۷۳
۳-۵-۶- پاشش سوخت ۷۴
۳-۵-۷- انژکتور مغناطیسی ۷۵
۳-۵-۸- آرایش مخلوط ۷۷
۳-۶- سنسور کوبش ۷۹
۳-۷- مدار جرقه زنی ولتاژ بالا ۸۱
۳-۷-۱- کویل ۸۲
۳-۷-۲- راه انداز سیستم اشتعال ۸۳
۳-۷-۳- تقسیم ولتاژ ۸۵
۳-۷-۴- رابطها و پارازیت گیرها ۸۷
۳-۷-۵- شمع ۸۸
نتیجه گیری ۹۰
پیشنهادات ۹۱
منابع و مآخذ ۹۲
مقاله لاتین ۹۳