غلظت مخلوط هوا و سوخت و عملکرد آن

اجزای تشکبل دهنده بنزین:

پارفینها،مانند اکتانC8H18

نفتنها،مانند سیکلوهگزانC6H12

ترکیبات آروماتیک،مانند بنزنC6H6

نسبت ایده آل(تئوری)سوخت و هوا برایی هر یک از این اجزا را می توان بر اساس معادله شیمیایی موازنه شده آن بدست آورد.این نسبت جرمی ایده آل(14.7:1)نسبت استوکیومتریک نامیده می شود؛یعنی برای احتراق کامل یک کیلوگرم بنزین به 14.7 کیلوگرم هوا نیاز می باشد.

عدد لامبداλ(ضریب نسبت هوا)

مقدار عدد لامبدا به ازای نسبت استوکیومتریک(14.7:1)را برابر واحد فرض می کنند.لامبدا را می توان بصورت زیر تعریف کرد:

با توجه به این تعریف و شرایط موتور سه محدوده برای لامبدا بوجود می آید:

1<λ:چنین مخلوطی دارای بنزینی بیشتر از نسبت استوکیومتریک بوده و به آن مخلوط غنی(Rich)یا غلیظ گفته می شود.

1>λ:چنین مخلوطی دارای بنزینی کمتر از نسبت استوکیومتریک بوده و به آن مخلوط رقیق(Lean) گفته می شود.

1=λ:چنین مخلوطی دارای بنزینی معادل نسبت استوکیومتریک بوده و به آن مخلوط  ایده آل(Sto.)گفته می شود.

در برخی مواجع نیز عددی بنام ضریب نسبت غنی سازی(Richness)تعریف گردیده و از آن استفاده می شود.این عدد معادل معکوس لامیدا می باشد.

λ/1=R

تاثیر نسبت هوا و سوخت بر روی توان تولیدی موتور و مصرف سوخت ویژه

توان خروجی موتور بنزینی(P) و مقدار مصزف سوخت ویژه (Be)به ازای تغییرات نسبت سوخت و هوا در نمودار زیر امده است.

تاثیر نسبت هوا و سوخت بر توان موتور

مقایسه توان خروجی موتور با مصرف سوخت به ازای تغییرات نسبت هوا و سوخت

همانطور که از نمودار پیداست مقدار توان تولیدی موتور به ازای λ=0.85 (تقریبا)(مخلوط هوا و سوخت غنی تر از مقدار استاندارد)ماکزیمم است.

در صورتیکه مقدار مصرف سوخت ویژه در λ=1.1 (تقریبا) مقدار مینیموم خود را دارا میباشد.

تاثیر نسبت هوا و سوخت بر روی آلاینده های خروجی موتور

NOX.HCو CO آلاینده های اصلی یک موتور بنزینی می باشد.

CO: گازی بی بو،بی رنگ و بسیار سمی است که غلظت یک درصد آن در هوای تنفسی انسان باعث خفگی می شود محدوده استاندارد این گاز بایستی کمتر از2.5 درصد باشد که ECU با استفاده از اطلاعات اکسیژن سنسور نسبت به تنظیم این مقدار تلاش می کند.

HC: به هیدروکربنهای نسوخته اطلاق می شود که مشخصه آن استشمام بوی بنزین خام خارج شده از موتور خارج می باشد.مقدار استاندارد این گاز باید کمتر از 250 PPM باشد.

NOx: گازی بی بو و بی رنگ می باشد که تمایل زیادی به ترکیب با اکسیژن و تشکیل NO2 دارد.NO2 قهوه ای قرمز رنگ است.این گاز در پیک حرارتی موتور تولید می شود و مقدار استاندارد آن باید کمتر از 50 PPM باشد

الگوی تولید آلاینده های موتور بنزینی در نمودار زیر آمده است.

تاثیر سوخت و هوا بر الاینده ها

تاثیر نسبت سوخت و هوا بر سه آلاینده اصلی تولید شده در موتوهای شمع دار

مبدل های کاتالیزوری زمانی حداکثر راندمان تبدیل خودرادارند که نسبت هوا و سوخت مصرفی موتور در بازه ی باریکی اطراف14.7:1 باشد،با در نظر گرفتن این موضوع و مقایسه ی نمودارها می توان به این نتیجه رسید که نسبت هوا و سوخت مناسب برای کارکرد موتورهای بنزینی با کمترین آلودگی و توانی نسبتا مناسب همانλ=1 و 14.7:1 می باشد.

عدد اکتان:

در سال های قبل برای کاهش تمایل سوخت به انفجار(Detonation)به بنزین موادی از قبیل تترا اتیل سرب اضافه می نمودند تا عملکرد بهتری در هنگام احتراق داشته باشد؛اما این کار مشکل آلودگی را حادتر می نمود و اثرات بسیار مخربی بر روی مبدل های کاتالیزوری داشت.سوختی که خاصیت ضدکوبش خوبی دارد ایزواکتان (C8H18)است(عدد اکتان 100)،ولی هپتان نرمال(C7H16)مقاومت خوبی در برابر خودسوزی ندارد(عدد اکتان صفر)

برای بدست آوردن عدد اکتان یا درجه ی ضد کوبش (ضربه)بودن یک سوخت متشکل از این ترکیبات،تحت شرایط مورد نظر روی موتور آزمایشگاهی(CFR Engine) در حال کار،آزمونی انجام می شود.شرایط شروع به انفجار این سوخت،باشزایط شروع انفجار در مخلوط هایی با درصوهای مختلف ایزواکتان و هپتان نرمال مقایسه می شود.

اگر عملکرد سوخت با عملکردمخلوط متشکل از مثلا 90 درصد ایزواکتان و 10 درصد هپتان نرمال،یکسان باشد؛می گویند که عدد اکتان سوخت مورد آزمایش 90 درصد است.

سوختی که درجه ی اکتان آن بالاتر است مقاومت در برابر کوبش آن نیز بالاتر می باشد.

دو روش بین المللی برای تعیین درجه ی اکتان بنزین وجود دارد:

1-(RON)Research Octane Number

2-(MON)Motor Octane  Number

RON  بعنوان شاخص اصلی شتاب کوبش می باشد و بیانگر عملکرد بنزین در دورهای پایین و هنگام شتاب گیری خودرو می باشد.MONدر آزمایشی که بر روی یک موتور تک سیلندر آزمایشگاهی (CFR Engine) انجام می شود،بدست می آید و بیانگر عملکرد بنزین در دورهای بالا و بار زیاد موتور می باشد(به ندرت از این عدد استفاده می شود).

مقادیر MON همواره (حدود 10 واحد کمتر از RON  می باشد.

بنزین سوپر بدون سرب=(RON=98)(MON=88)

بنزین بدون سرب=(RON=95)(MON=85)

نسبت هوا و سوخت در شرایط مختلف کارکرد موتور

موتورهای احتراق داخلی جهت کارکرد صحیح خود به مخلوط بهینه ای از هوا و سوخت احتیاج دارند.نسبت تئوری ایده آل جهت این منظورλ=1 یا 14.7:1 می باشد که بسته به شرایط مختلف کارکرد،این نسبت تغییر خواهد کرد.

استارت در خوای سرد و فاز گرم کردن موتور

در حین استارت زدن موتور در دماهای پایین،بدلیل سرد بودن منیفولد مقدار بنزین در مخلوط کاهش پیدا خواهد کرد.در این حالت برای استارت بهتر موتور وسریعتر گرم شدن آن، مرکز کنترل الکترونیکی (ECU) میزان پاشش سوخت را بیشتر می نمایدλ=0.9 تقریبا تا موتور راحت تر روشن شده و سریعتر گرم شود.

در صورت مجهز بودن موتور به سنسور اکسیژن تا رسیدن موتور به دمای کاری عادی ،از اطلاعات این سنسور استفاده نشده و کنترل موتور بصورت حلقه باز صورت می گیرد.

کارکرد موتور در حالت نیمه بار و دورهای میانی

در مرحله کارکرد موتور در حالت نیمه بار،به منظور کاهش مصرف سوخت و کارکرد صحیح مبدل کاتالیزوری نسبت هوا و سوخت بر روی مقدار استوکیومتریک λ=1 کنترل می گردد.

کارکرد موتور در حالت تمام بار و شتاب گیری

در حالت تمام بار و شتاب گیر خودرو،مرکز کنترل الکترونیکی موتور در پاسخ به این نیاز کمی مخلوط هوا و سوخت ورودی به موتور را با افزایش زمان پاشش انژکتور ها،غلیظ(λ=0.9 تقریبا)مینماید.پس از شتاب گرفتن خودرو دوباره نسبت هوا و سوخت به مقدار قبلی (λ=1) برگردانده می شود.

کارکرد موتور در حالت شتاب منفی

در سرعت بالای موتور زمانی که راننده پای خود را بصورت ناگهانی از روی پدال گاز بر می دارد(شتاب گیری منفی)،به منظور کاهش آلودگی موتور،مرکز کنترل الکترونیکی موتور تا رسیدن موور به دور پایین،بطور موقت پاشش سوخت توسط انژکتور ها را قطع می نماید.

دورهای بسیار بالای موتور

زمانیکه راننده پدال گاز را تا انتها فشار می دهد،برای جلوگیری از وارد آمدن صدمات مکانیکی به موتور،یا زمانیکه خودرو در سرازیری های با شیب زیاد حرکت می نماید،به منظور جلوگیری از داغ شدن بیش از حد مبدل کاتالیزوری و سوختن آن و همچنین کاهش مصرف سوخت و آلودگی،مرکز کنترل الکترونیکی موتور پاشش انژکتورها  را قطع می نماید.

به این عما(Overrun Fuel Cut off)گفته می شود.این دور برای موتور های مختلف کمی متفاوت (بین 5500تا6500 دور بر دقیقه)می باشد.

سیستم های ترکیب هوا و سوخت

در سوخت رسانی انژکتوری از سیستم  های مختلفی از جمله:

سیستم پاشش تک نقطه ای SPFI(Single Point Fuel Injection)

سیستم پاشش چند نقطه ایMPFI(Multi Point Fuel Injection)

سیستم پاشش مستقیمDI(Direct Injection) استفاده می شود.

سیستم های  انژکتوری که در حال حاضربر روی خودروهای تولید داخل از آنها استفاده می شود از نوع MPFI بوده و سوخت را به داخل منیفولد و پشت سوپاپ ورودی هوا تزریق می نمایند.در حال حاضر برخی از خودروهای وارداتی مانند مرسدس بنز مدل CLS 350 دارای سیستم سوخت رسانی از نوع تزریق مستقیم می باشد این نوع سیستم در خودروهای دیزلی کاربرد دارد.

پاشش تزریق مستقیم

حالات پاشش سوخت

حالت پاشش سوخت یکی از پارامتر های مهم در صرفه جویی مصرف سوخت و نیز کاهش گازهای آلاینده خروجی از موتور می باشد.در سیستم های سوخت رسانیMPFI از سه حالت پاشش سوخت استفاده می شود.

انواع این حالت ها عیارتند از:

پاشش همزمان

پاشش گروهی

پاشش ترتیبی

پاشش همزمان:

دراین حالت پاشش،فرآیند پاشش سوخت یک مرتبه در هر دور گردش میل لنگ (دو مرتبه در هر سیکل کامل موتور و هر بار نیمی از بنزین مورد نیاز برای احتراق سیلندر)در یک زمان معین و در تمایمی انژکتور ها صورت می گیرد.به این حالت،پاشش استاتیک نیز گفته می شود.حالت پاشش خودروهای پژو پرشیا و سمند اولیه با ECU ی مدل MM8P  بصورت همزمان می باشد.در این ECU  مقدار سوخت و آوانس جرقه بوسیله ی منوی مربوطه در دستگاه عیب یاب قابل تنظیم می باشد.

مقایسه ی انواع حالتهای پاشش سوخت.a:پاشش همزمان،b:پاشش گروهی،c:پاشش ترتیبی

پاشش گروهی

در این حالت انژکتور ها به دو گروه دسته بندی می شوند که هر گروهیکبار به ازای هر سیکل کاری موتور بطور حداگانه فعال می شوند.فاصله زمانی بین دو گروه فعال انژکتورها،برابر مدت زمان یک دور چرخش میل لنگ می باشند.حالت پاشش گروهی دقیق تر از پاشش همزمان بوده و همچنین از پاشش نا خواسته ی اسپری سوخت دز حین باز بودن سوپاپ های ورودی جلوگیری بعمل می آورد.

حالت پاشش خودروهای پژو405،سمند،پژو RD و پیکان با ECU ی مدل SL96 بصورت گروهی می باشد.دراین حالت مصرف سوخت و میزان آلایندگی تولیدی موتور کمتر از پاشش همزمان می باشد.مقدار سوخت در این ECU برای خودروهای سمند پارس و 405 توسط دستگاه عیب یاب و برای خودروهای پیکان و RD توسط پتانسیومتر CO قابل تنظیم است.

پاشش ترتیبی

این نوع حالت پاشش سوخت،آزادی عمل بیشتری را به انژکتور ها در پاشش سوخت فراهم می آورد.در این حالت،انژکتور هر سیلندر مستقل از دیگر سیلندر ها در چند درجه قبل از باز شدن سوپاپ ورودی،پاشش سوخت برای سیلندر مربوطه را انجام می دهد.

در خودروهای تولیدی شرکت ایرانخودرو حالت پاشش خودروها با ECU ی مدل S2000،BOSCH ME 7.4.4،BOSCH MP 7.4.5،BOSCH MP 7.3 و SIEMENS بصورت ترتیبی می باشد.

مزایای سیستم های انژکتوری

سیستم های سوخت انژکتوری دارای مزایای بسیاری نسبت به سیستم کاربراتوری می باشد.

از مهمترین این ویژگی ها می توان به موارد زیر اشاره کرد:

1.کاهش آلودگی خروجی از موتور

2.کاهش مصرف سوخت

3.قابلیت استارت بهتر در هوای سرد و بهبود عملیات گرم شدن موتور

4.بهبود عملکرد موتور:حذف و نتوری،طراحی راخت تر و بهینه منیفولد ورودی هوا،کنترل دور آرام و قابلیت شتاب گیری سریع تر و …

5.عدم نیاز به تنظیم خودرو در جابجایی از مناطق کوهستانی به مناطق پر فشار(کنار دریا)

6.توزیع یکنواخت مخلوط سوخت و هوا برای تمامی سیلندر ها