چکیده: امروزه در صنعت خودروسازی، از موتور های hcci به عنوان یکی از موتورهای احتراق داخلی با آینده ای امیدوارکننده یاد می شود. موتورهای hcci ، از نسبت تراکم بالا و مخلوط رقیق و همگن سوخت و هوا استفاده می کنند. این کلید بازده ی بالا و آلایندگی پایین nox و pm در این نوع از موتورهاست. تغییرات سیکلی پایین به علت هموژن بودن مخلوط و اشتعال خودکار مخلوط سوخت و هوا بطور همزمان در چندین نقطه، نیز از دیگر ویژگیهای موتورهای hcci است. اما مشکل عمده ی آنها به بالا بودن میزان آلاینده های hc و co بر می گردد. که علت عمده ی آن، احتراق ناقص و پایین بودن دمای گازهای خروجی از موتور به علت وجود هوای اضافی است. اما به هر حال این موتور ها در قیاس با موتورهای si و دیزل میزان آلایندگی nox و دوده ی کمتری دارند. حذف آلاینده های hc و co به مراتب از nox و دوده راحت تر است. نتایج نشان می دهد که اگر دمای گازهای خروجی از موتور hcci به اندازه ی کافی برای پروسه ی اکسایش بالا باشد بطوری که واکنشگر ها در tlight_off خودشان قرار داشته باشند، پخش آلاینده های hc و co به مراتب کاهش می یابد. نتایج مدل سازی حاکی از این است که بیش از 30% گازهای خروجی از موتور hcci دمایی پایین تر از دمای light-off که برای اکثر واکنشگرهای شیمیایی شناخته شده حدود oc 300 است، قرار دارند. در این پایان نامه ابتدا در بخش مقدمه ، سعی شده است تا حدی به معرفی موتورهای hcci و چالش های پیش روی پرداخته شود سپس به علت وابسته بودن میزان پخش آلاینده های hc و co به دمای گازهای خروجی از موتور، به مدل سازی کامل و مرحله به مرحله ی موتور hcci و در نهایت ارائه ی مدلی ترمودینامیکی برای دمای گازهای خروجی از موتورهای hcci پرداخته شده است. مدل ارائه شده تعمیم کار دکتر شاهبختی [4] است و مدل سازی مراحل مکش و تخلیه برای ارائه ی مدل ترمودینامیکی دمای گازهای خروجی، توسط اینجانب ارائه شده است. با توجه به در دسترس بودن اطلاعات تجربی برای حالت پایدار برای بیش از 300 نقطه و هم چنین حالت گذرا ، برای صحه گذاری و اعتبار مدل، به ارزیابی مدل و مقایسه ی نتایج با داده های تجربی پرداخته شده است. نتایج، سازگاری بالای مدل با داده های تجربی، مخصوصا برای حالت گذرا که بعد از اعمال تاثیر خطای زمانی ترموکوپل در ثبت دما، با داده های تجربی منطبق شده است را نشان می دهد. سپس در فصل سوم سعی شده است تا با آنالیز فاکتورهای موثر روی دمای اگزوز، محدوده ی عملکرد مناسب جهت کاهش آلاینده های hc وco تشخیص داده شود. و در نهایت در فصل پایانی به نتیجه گیری و ارائه ی پیشنهادات برای کارهای بعدی پرداخته شده است.

تولید آلایندگی کم و راندمان بالای مصرف سوخت در موتورهای احتراق داخلی از اهداف اصلی صنعت خودروسازی امروزی می باشد. موتورهای احتراق تراکمی با مخلوط هموژن (hcci) نوع جدیدی از موتورهای احتراق داخلی هستند که به لحاظ تولید آلایندگی اکسیدهای نیتروژن، دوده و ذرات معلق و نیز مصرف سوخت عملکرد مطلوبی نسبت به موتورهای بنزینی و دیزلی دارند. هرچند معایبی نیز وجود دارد که مانعی جدی بر سر راه به کارگیری گسترده این نوع موتورها در صنعت شده است. مهم ترین معضل موجود، عدم امکان کنترل مستقیم زمان اشتعال بر خلاف دو نوع دیگر متداول موتورها است. این نوع اشتعال در حقیقت یک فرآیند کینتیکی پیچیده است که عوامل مختلفی بر آن اثرگذار هستند. احتراق با زمان کنترل نشده می تواند منجر به تشدید معایب این نوع موتورها از جمله تولید آلاینده های مونوکسیدکربن و هیدروکربن نسوخته و افزایش نوسانات سیکلیک شود. استراتژی های کنترلی و نیز کنترلرهای مختلفی جهت کنترل زمان اشتعال hcci وجود دارد. استراتژی به کار رفته در این پژوهش کنترل زمان اشتعال موتور hcci دو سوخته با تنظیم عدد اکتان یا نسبت مخلوط دو سوخت پایه ی ان هپتان و ایزواکتان می باشد و از روش کنترل بر اساس مدل (model-based control) بهره گیری می شود. برای این منظور از یک مدل ترمودینامیکی گسسته پس از ساده سازی های اولیه استفاده می شود. یک مدل کنترلی غیرخطی جهت پیشگوئی زمان احتراق، طراحی و با نتایج ازمایشگاهی صحه گذاری می شود. نتایج شبیه سازی حاکی از زمان بسیار کم شبیه سازی این مدل نسبت به مدل فیزیکی است (در حدود 1 میلی ثانیه برای شبیه سازی هر سیکل موتور با پردازنده 2.67 گیگاهرتز intel). از این مدل جهت طراحی کنترلی استفاده می گردد. کنترلرهای مختلفی ازدو دسته کلی : کنترلر های تنظیم تجربی و کنترلر های بر اساس مدل طراحی (شامل: lqr، فیدبک حالت انتگرالی بهمراه فیدفوروارد، lqg و کنترلر مود لغزشی) و عملکرد آن ها بر روی مدل فیزیکی اولیه (که برای یک موتور تک سیلندر ریکاردو (ricardo) تعیین پارامتر شده) در محدوده ای از عملکرد موتور بررسی و مورد مقایسه قرار می گیرد. ضمن این که کنترلرهای هر دود گروه به لحاظ عملکرد تعقیب شرایط یکسانی دارند، در دفع اثرات اغتشاشات فیزیکی عملکرد کنترلرهای بر اساس مدل می تواند بهینه تر باشد، بدین ترتیب که کنترلرهایی نظیر فیدبک حالت انتگرالی و همچنین lqg با انحراف کمتری از خروجی در اثر اعمال اغتشاش، مقاومت از خود نشان می دهند. همچنین کنترلر مود لغزشی توانائی دفع اثر نامطلوب اغتشاش را با سرعت بیشتری داراست. این ویژگی های متمایز همگی از موارد مطلوب و متناسب با عملکرد موتورهای hcci است چرا که در این نوع موتورها به دلیل سرعت به نسبت بالای احتراق، کنترلری سریع که در برابر اغتشاشات عملکرد مطلوبی داشته باشد و بتواند بازه عملکرد این نوع موتورها را نیز تا حدودی افزایش دهد، بسیار موثر خواهد بود. در نهایت کنترلر مود لغزشی با عملکرد تعقیب و مقاومت مناسب بع عنوان کنترلری جدید و موثر در عرصه کنترل زمان اشتعال hcci معرفی می گردد.

گسترش و پیشرفت هر چه بیشتر صنایع وابسته به حمل و نقل خودرویی جهت برآوردن نیازهای روز افزون بشری در طی سده گذشته همواره از اهمیت بالایی برخوردار بوده و از موضوعات به روز صنعتی محسوب می شود. با پیشرفت سیستم های کنترلی جدید و استفاده از آن ها در کنترل خودروها، دریچه ی جدیدی از کنترل بهینه موتور و کاهش آلایندگی ایجاد شده است. گسترش استانداردهای آلایندگی و تمرکز بر روی بخشهای مختلف موتور که با سختگیری سازمان های دولتی جهت اجرا همراه است، تلاش های جدیدی را جهت ارائه روش های نو برای مطابقت با استاندارد ها ایجاد نموده است. یکی از بخش های مهم در استاندارد های خودرویی شناسایی عدم احتراق در موتور است. در این پایان نامهروش های شناسایی پدیده عدم احتراق در موتور اشتعال جرقه ای بررسی شده است. با توجه به تاثیر عدم احتراق بر پارامترهای مختلف موتور،اثرات و چگونگی این پدیده با توجه به اطلاعات دور موتور، نسبت اکسیژن در گاز خروجی، فشار گاز خروجی بررسی شده است. با توجه به بیشینه توانایی نمونه برداری استفاده از اطلاعات دور موتور مد نظر قرار گرفته است، سپس با بررسی دینامیک موتور و استفاده از مدل دینامیکی اجزای موتور دو پارامتر با مفهوم نرخ شتاب میانگین و انحرافات توان میانگین ارائه شده است. با اطلاعات تجربی بدست آمده از موتور ef7 بر روی خودرو سمند در شاسی-دینامومتر توانایی پارامترهای ارائه شده برای شناسایی عدم احتراق مورد بررسی قرار گرفته است. وجود متغیرهای مختلفدر واحد کنترل موتور همواره با پیچیدگی در نگاشت همراه بوده و نیازمند زمان و هزینه بالایی است.جهت سهولت در نگاشت متغیر های موجود در برخی از توابع مربوط به شناسایی عدم احتراق در واحد کنترل موتور فعلی، مدلی از این بخش ارائه شده است. با استفاده از ابزارهای بهینه سازی در نرم افزار متلب و تحلیل مقادیر مختلف توابع شناسایی عدم احتراق روشی جهت نگاشت ارائه شده است.

تحلیل مدار روانکاری ، یکی از فرآیندهای جدایی ناپذیر طراحی موتورهای احتراق داخلی است . با پیشرفت فناوری و همزمان با طراحی موتورهای پیشرفته و مدرن ، سرعت نسبی و بار وارد بر قطعات درونی موتورها که باید توسط روغن ، روانکاری شوند افزایش یافته است . رقابت شدید شرکت های طراح و سازنده موتورهای احتراق داخلی ، باعث شده که مهمترین هدف طراحان ، طراحی خانواده موتوری با کمترین تلفات اصطکاکی ممکنه باشد . استفاده از نرم افزارهای رایانه ای در شبیه سازی فرآیند های موتور و کاربرد آنها در بهینه سازی طراحی ، تاثیر چشمگیری بر مدت زمان طراحی گذاشته است. یکی از سامانه های جدایی ناپذیر موتور ، سامانه روانکاری آن است . این سامانه یک شبکه هیدرولیکی از روغن را در موتور شامل می شود که وظیفه تامین روغن بخش های مختلف موتور را بر عهده دارد .طراحی مدار روانکاری برای موتورهای مدرن که از سامانه های جدیدی بهره می برند و این سامانه ها اکثرا تحت فشار روغن عمل می کنند ، اهمیت استفاده از نرم افزار شبیه ساز جریان را دو چندان می کند . با توجه به اینکه نسبت قطر به طول مجاری روغن در تمامی بخش های مدار روانکاری بسیار کوچک است ، تحلیل یک بعدی جریان نیاز طراح را برآورده خواهد کرد . با با بررسی مقالات و پروژه های انجام گرفته در زمینه روانکاری [16-23] ، میتوان پی برد که در زمینه شبیه سازی جریان سیال در حالت غیر پایا کار آنچنانی صورت نگرفته است و انجام پروژه ای در این زمینه ضروری به نظر می رسید. با انجام این پروژه تصمیم داریم تا به نوعی مدار روانکاری را در حالت شروع به کار موتور ، شبیه سازی کنیم . همانطور که می دانیم در حالت شروع به کار موتور (تقریبا 40 ثانیه اول) ، بسیاری از قطعات متحرک موتور ، روغن لازم برای حرکت بدون نقص خود را ندارند و بسیاری از خرابی قطعات متحرک موتور در این زمان اتفاق می افتد ، لذا رساندن هر چه سریعتر روغن به این قطعات اهمیت زیادی پیدا می کنند . در در این پروژه با بهره گیری از یک نرم افزار شبیه ساز یک بعدی جریان سیال یعنی نرم افزار فلومستر ، سامانه روانکاری موتور اُ-اِچ-وی-جی شبیه سازی شده است.(موتور اُ-اچ-وی-جی ، بر روی اتومبیلهای پیکان ، آر- دی و روآ قرار دارد) در راستای تکمیل این پروژه کارهای زیر صورت گرفته است : • آموزش نرم افزار فلومستر • شناخت تک تک اجزای مدار روانکاری و نحوه کارکرد آنها (حداقل چهار موتور مختلف مورد بررسی قرار گرفت) • معادل سازی تک تک اجزای مدار روانکاری در نرم افزار با استفاده از ابزار در اختیار • وارد کردن اطلاعات مورد نیاز نرم افزار جهت شبیه سازی مدار طراحی شده • یافتن روش تحلیل مناسب برای شرایط در نظر گرفته شده (شرایط گذرا ) در نرم افزار • اجرای مدار طراحی شده به تعداد دفعات زیاد برای یافتن نواقص احتمالی و برطرف نمودن آنها .

در این پایان نامه در ابتدا دلایل شکل گیری آلاینده ها در شرایط cold start و warm up و راهکارهای کاهش آنها ارائه می شود. در ادامه، بهینه سازی فرایند شکل گیری مخلوط هوا و سوخت از طریق کنترل دقیق نسبت هوا به سوخت بعنوان یکی از بهترین راهکارهای عملی کاهش آلاینده ها در شرایط cold start و warm up با جزئیات کامل مورد بررسی قرار می گیرد. مدل بدست آمده (برای موتور پیکان انژکتور)، شبیه سازی می شود و نتایج آن با تست موتور بر روی دینامومتر مقایسه می گردد. در نهایت نحوه بکارگیری پارامترهای مدل در مدار رایانه موتور به صورت مختصر تشریح می گردد.