تحقیق مقاله استفاده از کنترلر های دیجیتالی در سیستم های مکانیکی

فصل اول کنترل موتور خودرو

1-1-اهداف سیستم های کنترل موتور الکترونیکی

سیستم کنترل موتور الکترونیکی شامل دستگاههای دریافت کننده ایست که به طور مداوم موقعیت های کاری موتور را ارزیابی می کنند، یک واحد کنترل الکترونیکی(Ecu) {است} که جداول داده ها و محاسبات کاربردی در ورودی دریافت کننده ( حسگرSensor) را ارزیابی می کند و خروجی را برای دستگاههای راه انداز معین می کند.

این دستگاههای راه انداز توسط Ecu فرمان می گیرند تا در پاسخ به ورودی حسگر، عملی را انجام دهند.

هدف استفاده از یک سیستم کنترل موتور الکترونیکی این است که موارد زیر تامین شود: دقت مورد نیاز و سازگاری به منظور کمتر کردن آلودگی خروجی و کم کردن مصرف سوخت، بهینه کردن قابلیت حرکت برای همه موقعیت های کاری، کم کردن آلودگی تبخیری، و تشخیص دادن سیستم وقتی که بد عمل می کند.

برای اینکه در سیستم کنترل، این اهداف را شاهد باشیم، یک مدت زمان توسعه شایان توجهی برای هر موتور وکارایی وسیله نقلیه مورد نیاز است. مقدار قابل توجهی از توسعه برای یک موتور نصب شده روی دینامومتر، تحت موقعیت های کنترل شده، مصرف شود. اطلاعات جمع آوری شده برای توسعه جداول داده های Ecu مفید است. مقدار قابل توجهی از تلاش های توسعه هم لازم است که در یک موتور نصب شده در وسیله نقلیه انجام شود.

وبالاخره، تعیین کردن رخ دادهای جداول داده ها در طول تست وسیله نقلیه لازم است.

1-1-1-آلودگی های خروجی

اجزاء خروجی:

خروجی موتور شامل محصولات احتراق مخلوط هوا و سوخت است.

سوخت مخلوطی از ترکیبات شیمیایی یا به اصطلاح هیدروکربن ها(HC) می‌باشد. ترکیبات سوختهای گوناگون، ترکیبی از هیدروژن و کربن می باشد. تحت یک واکنش کامل احتراق، هیروکربن ها در یک واکنش حرارتی با اکسیژن هوا ترکیب می شوند و دیوکسیدکربن (O2) و آب تشکیل می شود.

متاسفانه احتراق کامل رخ نمی دهد و علاوه بر CO2 وH2O ، مونوکسید کربن(CO)، اکسیدهای نیتروژن(NOX) و هیدروکربن ها(HC)، به عنوان نتیجه واکنش احتراق درخروجی به وجود خواهند آمد. افزودنی ها و ناخالصی ها هم به مقدار کمی در الودگی شرکت می کنند مثل اکسیدهای روی، هالوژن های روی و اکسیدهای گوگرد، در موتورهای احتراق تراکمی ( دیزل)، همچنین مقدار محسوسی از دوده ( به صورت ذره) به وجود می آید.

قوانین دولتی مقدار مجازHC,NOx,CO انتشار یافته در یک خروجی وسیله نقلیه را تنظیم کرده است.

درموتور دیزل هم مقدار ذرات منتشر شده تنظیم شده است.

موتور های احتراق جرقه ای:

نسبت هوا به سوخت: بیشترین تاثیر روی فرایند احتراق و درنتیجه روی آلودگی های خروجی، نسبت جرم هوا به سوخت است. نسبت اختلاط هوا به سوخت، برای بهینه کردن جرقه و احتراق، باید در یک رنج معینی واقع شود برای یک موتور احتراق جرقه ای، نسبت جرم برای احتراق کامل سوخت 7و1:14 است یعنی 14.7kg هوا و 1kg سوخت این نسبت به نسبت استوکیومتریک معروف است. در اصطلاح حجمی 000/10 لیتر هوا، تقریباً به 1 لیتر سوخت نیاز دارد. نسبت هوا به سوخت اغلب تحت اصطلاح، فاکتور هوای اضافه که به  معروف است، شرح داده می شود . به انحراف مقدار واقعی نسبت هوا به سوخت از نسبت مورد نیاز تئوری آن اشاره دارد:

مقدار هوای تأمین شده

(14.7برای بنزین) مقدار مورد نیاز تئوری

: در نسبت استوکیومتری

 : برای یک مخلوط با هوای اضافی ( سوخت ضعیف)

 : برای یک مخلوط با هوای ناکافی ( سوخت غنی)

تاثیر نسبت هوا به سوخت بر آلودگی ها عبارتست از موارد زیر:

آلودگی های مونوکسیدکربن (CO) :

در رنج کاری غنی ()، با یک مقدار افزایش سوخت، آلودگی های CO تقریباً به

طور خطی زیاد می شود، در رنج ضعیف () آلودگی های CO در پایین ترین سطح می باشند. در موتوری که رد شرایط کاری  است، آلودگی های CO می تواند تحت تاثیر توزیع سیلندر باشند.

اگر چه بعضی از سیلندرها در شرایط غنی و بعضی دیگر در شرایط ضعیف عمل می‌کنند ولی در نهایت مجموع  آنها به یک می رسد. ولی انتشار CO آنها بیشتر از سیلندرهایی است که در  عمل می کنند.

آلودگیهای هیدروکربن ها(HC) :

همانند آلودگی های CO، آلودگی های HC با افزایش مقدار سوخت، زیاد می شود. کمترین انتشار HC در 1.2 الی 1.1‌ رخ می دهد. درنسبت های هوا به سوخت خیلی ضعیف، آلودگی های HC به علت پایین بودن شرایط احتراق بهینه و درنتیجه سوخت محترق نشده، افزایش می یابد. یعنی ناقص ترین حالت احتراق که برای بازدهی موتور مطلوب نمی باشد.

آلودگی های اکسیدهای نیتروژن یا ناکس ها(NOx) :

تاثیر نسبت هوا به سوخت روی انتشار NOx در قسمت غنی استوکیومتری، برخلاف HC وCO است. هر قدر که حجم هوا زیاد می شودن حجم اکسیژن بیشتر و در نتیجه NOx بیشتری خواهیم داشت. درسمت ضعیف استوکیومتری انتشار NOx کاهش می یابد به این خاطر که در دمای پایین تر محفظه احتراق، NOx کاهش می یابد. ماکسیمم انتشارNOx در 1.1 الی 1.05 =  رخ می دهد.

تبدیل کننده های واسطه ای (catalgtic) مبدل واسطه ای یا بسترهای کاتالیستی:

برای کاهش دادن غلظت آلودگی گاز خروجی، یک مبدل واسطه ای در خروجی سیستم نصب شده است. واکنش های شیمیایی که در مبدل رخ می دهد، آلودگی های خروجی را به کم ضررترین اجزاء تبدیل می کند. معمول ترین مبدل هایی که درموتورهای اشتغال جرقه ای استفاده می شود، مبدل سه مسیره (TWC) می باشد.

همانطور که از اسمش بر می آید، به طور هم زمان غلظت سه گاز خروجی تنظیم شده، HC,CO,NOx ، را کاهش می دهد. کاتالیست، واکنش هایی را توسعه می دهد ( ایجاد می کند) که HC,CO را اکسید کرده و به CO2 ،H2O تبدیل می کند، و همچنین آلودگی های NOx را با تبدیل به N2 کم می کند.

در کاتالیست واکنش های شیمیایی واقعی، که رخ می دهند، عبارتند از:

2CO +O2-2CO2

2C2H6 + 7O2-4CO2+6H2O

2NO+2CO- N2+2CO2

به این واکنشها، تبدیلات کاهش آلودگی می گویند.

نکته مهم: به منظور اینکه مبدل واسطه ای یا بیشترین کاردهی برای تبدیل همه این سه گاز (HC,CO,NOx) کار کند، متوسط نسبت هوا به سوخت باید کمتر از 1 درصد استوکیومتری بماند. این رنج کاری کوچک به نام پنجره  یا پنجره مبدل واسطه ای معروف است (Catalytic Converter Window) شکل 1-1. نمودار  بر حسب آلودگی های خروجی قبل و بعد از مبدل واسطه ای می باشد. توسط مبدل واسطه ای بالای 90 درصد از گازهای خروجی به کم ضررترین اجزا تبدیل می شوند. برای ماندن در داخل پنجره مبدل واسطه ای، نسبت هوا به سوخت توسط کنترل سوخت حلقه بسته لاندا کنترل می شود. که این قسمتی از سیستم کنترل موتور الکترونیکی است. عنصر کلیدی در این سیستم، حسگر  است. این حسگر در خروجی سیستم ه بالای مبدل واسطه ای نسب شده است و به حجم اکسیژن در گاز خروجی واکنش نشان می دهد. حجم اکسیژن به اندازه هوای اضافی درگازهای خروجی ( یا کمبود هوا) می باشد. شرح مفصلی از سیستم کنترل حلقه بسته  
در بخش 1-1 آمده است.

(تصاویر در فایل اصلی قابل مشاهده است )