پروژه استفاده از کنترلرهای دیجیتالی در سیستم های مکانیکی

پروژه مکانیک

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 اکسید های 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.

تنظیم جرقه:

تنظیم جرقه اینطور صورت می پذیرد که قبل از رسیدن میل لنگ به نقطه مرگ بالا (TDC) که در آن احتراق جرقه ای رخ بدهد. تنظیم احتراق مخلوط هوا به سوخت تاثیر قطعی روی آلودگی های خروجی دارد.

تاثیر تنظیم احتراق روی آلودگی های خروجی:

انتشار CO تقریباً کاملاً مستقل از تنظیم احتراق است و در درجه اول تابع نسبت هوا به سوخت است. عموماً در بیشتر احتراق هایی که دارای آوانس بیشتری هستند ( جلوتر جرقه می زنند) آلودگی های HC بیشتراست. واکنش هایی که در محفظه احتراق انجام می‌شود، ادامه پیدا می کنند تا سوپاپ خروجی باز شود، که در این حالت باقی مانده هیدروکربنها، خارج می شوند. با تنظیم کردن ( به صورت) آوانس به دلیل دماهای پایین تر خروجی، این واکنش های بعدی به سرعت رخ نخواهند داد.

با افزایش زمان آوانس، دماهای محفظه احتراق افزایش پیدا می کند. افزایش دما باعث افزایش در انتشار NOx ، صرفنظر از نسبت هوا به سوخت، خواهد شد. برای بدست آوردن تنظیم احتراق بهینه برای آلودگی های خروجی، کنترل دقیقی ازتنظیم احتراق لازم است. لازم است تنظیم احتراق متناسب با نسبت هوا به سوخت صورت گیرد چون که روی آلودگی های خروجی، به همان مقدار که روی مصرف سوخت و قابلیت حرکت تاثیر دارد، اثر معادلی دارد. تنظیم احتراق عموماً توسط ECU کنترل می شود. کنترل تنظیم احتراق مفصلاً در بخش 1-2-1 بحث شده است.

باز گردش (Recirculation) گاز خروجی (Exauste Gas Recirculation)(EGR)

باز گردش گاز خروجی (EGR) روشی برای کاهش دادن آلودگی های اکسید نیتروژن است. بخشی از گاز خروجی به محفظه احتراق باز گردش می شود( بر می گردد). گاز خروجی، گاز بی اثری ( بی جان- ضعیف ) است که در محفظه احتراق پیک دما را پایین می‌آورد. بسته به مقدار EGR آلودگی های NOx تا بالای 60 درصد می تواند کاهش پیدا کند. اگر چه در سطوح بالای EGR ، افزایشی در آلودگی HC رخ خواهد داد. مقداری از EGR داخلی به علت قیچی (overlap) سوپاپ های ورودی و خروجی رخ می دهد. کمیت‌های مقادیر اضافی توسط یک سیستم زنجیره ای جداگانه، از منیوفولد(Manyfuld) تا منیوفولد ورودی تامین می شوند. مقدار جریان EGR به سیستم ورودی، توسط شیرهای پنوماتیک یا الکترونیک اندازه گیری می شود. سوپاپ EGR  توسط ECU کنترل می شود. ماکسیمم جریان EGR به خاطر افزایش در آلودگی های HC ، مصرف سوخت و ناهمواری موتور، محدود شده است. مبحث کنترل کردن EGR مفصلا در بخش 1-2-1 بحث شده است.

موتورهای احتراق تراکمی ( دیزل):

یک مقدار تفاوت کلیدی بین موتور SI ( احتراق جرقه ای) و CI ( احتراق تراکمی) وجود دارد.

موتور CI از فشار و دمای بالا، به جای جرقه برای احتراق مخلوط قابل سوختن هوا و سوخت استفاده می کند. برای رسیدن به این منظور، نسبت فشار موتورCI در رنج 1:21 است، تقریباً در مقابل نسبت 1: 10 برای موتورهای SI در موتورهای CI سوخت مستقیماً داخل سیلندر، نزدیک نقطه تراکم بالا تزریق ( پاشش) می شود.

بنابراین، اختلاط سوخت و هوا درون سیلندر رخ می دهد.

نسبت هوا به سوخت:

موتورهای دیزل همیشه با هوای اضافی کار می کنند(1>‌ یا ) که،

مقدار هوای تأمین شده

مقدار مورد نیاز تئوری

هوای اضافی ( ........  ) مقدار دوده ( ذرات معلق)، HC و آلودگی های CO را کاهش می دهد.

مبدل های واسطه ای:

یک کاتالیزور ( واسطه) اکسید کننده برای این منظور استفاده می شود که HC,CO را به CO2 و H2O تبدیل کند. کاهش NOx که برای موتور SI در مبدل سه واسطه ای سه مسیره (TWC) رخ می داد، در موتور دیزل امکان پذیر نیست، چونکه موتور دیزل با هوای اضافی کار می کند. تبدیل بهینهNOx نیاز به یک استوکیومتری (1= ) یا مصرف کمتر هوا (1>) دارد. که با اساس کار موتور اشتعال تراکمی کاملاً متفاوت و غریبه می باشد.

تنظیم زمان تزریق:

در یک موتور احتراق تراکمی شروع احتراق توسط شروع تزریق سوخت معین می‌شود.

عموما تنظیم زمان تاخیری (retard) باعث آلودگی NOx می شود، در حالی که بیش از retard کردن، به افزایش آلودگی های HC منتهی می شود. یک انحراف یک درجه ای درتنظیم تزریق ( زاویه میل لنگ) می تواند ، آلودگی های NOx را تا 5 درصد و آلودگی‌های از HC راتا بیشتر 15 درصد، زیاد کند، کنترل دقیق زمان تزریق امری بحرانی است. تنظیم زمان تزریق در بعضی از سیستمها توسط ECU کنترل می شود. سیستم پس خور(Feed back) تنظیم زمان تزریق می تواند توسط حسگری که روی نازل انژکتور نصب شده، تهیه شود. توضیح بیشتر تنظیم زمان تزریق در بخش 1-3-1 آمده است.

بازگردش گاز خروجی EGR :

همانند یک موتور SI ، گاز خروجی می تواند به محفظه احتراق بازگردش شود تا به طرز قابل توجهی آلودگی های NOx را کاهش دهد. مقدار EGR مجاز ورودی توسط سوپاپ EGR اندازه گیری می شود. اگر این مقدار خیلی زیاد شود، درنتیجه ناکافی بودن مقدار هوا، آلودگی های HC ، آلودگی های CO و دوده ( ذرات معلق) افزایش پیدا کند. پیش از EGR توسط ECU کنترل می شود که مقدار EGR قابل قبول را تحت شرایط جاری کارکرد موتور، معین می کند.

2-1-1 مصرف سوخت:

قوانین دولتی که هم اکنون در جریان است، با توجه به نیاز هر کارخانه اتومبیل سازی برای رسیدن به یک سوخت با صرفه متوسط برای تمام مدل های تولید شده خود، در مدل هر سال، به وجود آمده است. این نیازمندی تحت عنوان شرکت اقتصاد سوخت متوسط یا CAFÉ شناخته شده است. اقتصاد سوخت برای هر نوع وسیله ای در طی روند تست مرکزی معین می گردد، شبیه تعیین کردن آلودگی های خروجی، که روی قاب دینامومتر تعبیه شده است. به خاطر نیاز CAFÉ ، کمینه کردن مصرف سوخت برای هر نوع وسیله تولید شده، امری بحرانی است.

سیستم کنترل موتور الکترونیکی، برآورد سوخت و تنظیم زمان دقیق احتراق را که برای کم کردن مصرف سوخت لازم است، تامین می کنند بهترین اقتصاد سوخت در نزدیکی 1.1= رخ می دهد. به هر حال، همانطور که بیش از این شرح داده شد، اثرات کاری موتور ضعیف(Lean) ، آلودگی خروجی و انتشار NOx در ماکسیمم مقدار خود، در 1.1= می‌باشد.

در شیب ها و مواقع قطع سرعت، مصرف سوخت می تواند توسط مسدود کردن سوخت اضافه کم شود، تا آنجا که سرعت موتور به آهستگی کمتر از سرعت تنظیمی، ملایم گردد. ECU این نکته را معین می کند که قطع سوخت وقتی می تواند انجام شود که وضعیت دریچه کنترل بنزین ( ساسات)RPU موتور و سرعت وسیله، ارزیابی شود. تاثیر تنظیم زمان احتراق روی مصرف سوخت، در تضاد با تاثیر آن روی آلودگی های خروجی است. هر چقدر که مخلوط هوا به سوخت رقیق تر شود(Leaner) تنظیم زمان جرقه باید آوانس بیشتری پیدا کند( جلوتر بیفتد) تا سرعت احتراق پایین را بتواند جبران کند. به هر حال همانطور که قبلاً توضیح داده شد، بیشتر کردن آوانس زمان جرقه، آلودگی HC ،NOx را زیاد می کند. یک استراتژی آگاهانه کنترل احتراق، اجازه بهینه سازی احتراق در هر نقطه کاری را می دهد که نیازمند رسیدن به یک توافق بین مصرف سوخت و آلودگی های خروجی می باشد. سیستم کنترل موتور الکترونیکی این استراتژی آگاهانه را تهیه می کند که نام آن چیزی جز ECU نمی باشد.

(نمودار و جداول در فایل اصلی موجود است)