تحقیق در مورد کاهش منو اکسید کربن

هدف کاهش مونوکسید کربن ، اکسید نیتروژن و هیدروکربن های نسوخته
کاربرد سنسور اکسیژن در موتور انژکتوری
از این سنسور در کنترل و پایین نگه داشتن میزان مونوکسید کربن ، اکسید نیتروژن و هیدروکربن های نسوخته می توان استفاده کرد
سنسور اکسیژن (که با نامهای دیگر مانند سنسور O2 ، لامبدا سنسور و یا سنسور EGO معرفی می شود) یکی از مهمترین سنسورها در موتور انژکتوری است . شکل آن شبیه یک شمع است و در منیفولد اگزوز بین توربو و مبدل کاتالیست قرار می گیرد. (مط ابق شکل 1).
هنگامی که در دمای عملکرد قرار می گیرد، مثل یک باتری کوچک عمل می کند که ولتاژ تولیدی آن ناشی از اختلاف غلظ ت اکسیژن موجود در اگزوز و اکسیژن موجود در محیط اط راف است . با این روش آن مقدار از اکسیژن بخار شده موجود در خروجی را اندازه گیری کرده و به ECM اجازه می دهد تا احتراق را متناسب با گریدهای مختلف سوخت مصرفی ، تغییرات ارتفاعی (ناشی از حرکت خودرو در مسیر خود)، میزان مصرف سوخت و… کنترل کند. همچنین از این سنسور می توان در کنترل و پایین نگه داشتن میزان مونوکسید کربن ، اکسید نیتروژن و هیدروکربنهای نسوخته استفاده کرد.
شکل 1
معرفی سنسور اکسیژن
سنسور اکسیژن شامل بدنه سرامیکی با سره پلاتینیوم است . سره سنسور توسط غلاف فلزی محافظ ت شده است . محدوده خارجی این سرامیک پوشش داده شده در معرض اکسیژن موجود در اگزوز قرار دارد. قسمت داخلی آن به اکسیژن موجود در اتمسفر مرتبط است (شکل شماره 2). اختلاف بین این دو نقط ه باعث تولید ولتاژ در سنسور می شود.
قبل از این که سنسور عمل کند باید در حدود 300 درجه سلسیوس گرم شود (در حدود 600 درجه فارنهایت ) و بهترین عملکرد را در حدود دمای 1400 درجه فارنهایت دارا است . لذا محل قرارگیری آن را اگزوز در نظ ر گرفته اند. تا قبل از این که دمای سنسور به دمای نامی عملکرد برسد، واحد کنترل الکترونیکی خودرو به صورت Open Loop عمل کرده بط وری که ECU بدون این که فیدبکی داشته باشد، فقط اط لاعات را از سنسور اکسیژن گرفته و مقادیر قابل کنترل را برای تنظ یم نسبت هوا به سوخت اصلاح می کند. در هنگام شروع که موتور سرد است ، میزان نسبت هوا به سوخت کمی در حالت غلیظ کار می کند.
از آنجایی که سنسور اکسیژن برای انجام عملکرد صحیح باید پیش گرم شود، برخی واحدهای جدیدتر شامل یک هیتر دوازده ولتی بوده تا سنسور را هرچه سریعتر به دمای عملکرد برسانند زیرا در غیر این صورت همانط وری که قبلا توضیح داده شد تا زمانی که سنسور به دمای عملکرد نرسد، موتور به صورت Open Loop کار می کند که از نظ ر مصرف سوخت مقرون به صرفه نیست . این سنسورها می توانند با تعداد سیمهایی که از این واحد خارج می شوند، شناسایی شوند اگر سنسوری یک سیم داشته باشد، این سنسور فاقد هیتر است . اگر دارای سه سیم باشد، یکی از آنها برای سیگنال بوده و دو سیم دیگر برای هیتر استفاده شده است . برخی دیگر دارای چهار سیم بوده که یکی از آنها برای سیگنال های محیط اط راف (جلوگیری از اثرات نویز و افزایش دقت اندازه گیری ) و دوتای دیگر برای هیتر است . در این حالت سیم سیگنال در مقابل اثرات جانبی محافظ ت شده و شکل ظ اهری آن شبیه آنتن تلویزیون به صورت تو درتو و هم محور، کشویی است .
بیشتر موتورها با توربو، از سنسورهایی با هیتر استفاده می کنند زیرا توربو به مقدار زیادی از انرژی فوق گرم جهت پمپ کردن هوای اضافی به سیستم ، استفاده می کند. بدون هیتر سنسور دارای عملکرد خوبی نبوده و عددی که ارایه می دهد قابل قبول نیست . مخصوصا در هنگام شروع به کار توربو، این موضوع مشهودتر است .
سنسور اکسیژن به ECM کمک می کند تا مقدار سوخت مصرفی لازم را براساس مقدار اکسیژن عبوری از اگزوز مشخص کند. در سط ح دریا میزان نسبت سوخت به هوا جهت احتراق کامل (نسبت سوخت استوکیومتری ) 14/7 است . این نسبت عددی 14/7 به 1 معادل عدد لامبدای 1 است و به این دلیل Bosch سنسورهایش را سنسورهای لامبدا نامیده است . در عدد لامبدای 1/3 و بالاتر، میزان سوخت آنقدر زیاد می شود که جرقه صورت نخواهد گرفت .
در هنگام سرد بودن موتور قبل از استارت ، ولتاژ تولیدی سنسور صفر است به محض این که استارت زده می شود عدد ولتاژ 0/04 ولت را نشان می دهد بتدریج به سمت عدد 0/5 شروع به زیاد شدن می کند و این روند ادامه دارد. تا زمانی که موتور هنوز کاملا گرم نشده است
ولتاژ در حدود اعداد 0/6 تا 0/8 ولت تغییر می کند زیرا هنوز موتور به صورت Open Loop کار می کند و این بدان معنی است که هیچ فیدبکی از ط رف سنسور برای کنترل میزان نسبت هوا و سوخت صادر نمی شود و موتور همچنان در حالت سوخت غلیظ کار می کند.
اط لاعات مربوط به نسبت سوخت و هوا بعد از پردازش در واحد کنترل الکترونیکی ECU ، میزان سوخت لازم را تعیین و از تلفات و مصرف غیر ضروری جلوگیری می کند .(Close Loop) .در سیستم کنترل مدار بسته هدف ، اندازه گیری ولتاژ سنسور اکسیژن بوده که
تعیین کننده غلیظ یا رقیق بودن مخلوط است . با این کار میزان آن را براساس تنظ یم زمان تزریق جبران می کند ECU .در تنظ یم سوخت دقت بیشتری اعمال کرده بط وری که بعد از تنظ یم نسبت سوخت و هوا ممکن است مجددا مقدار دیگری سوخت تزریق کند که این موضوع سبب ایجاد نوساناتی در تنظ یم میزان نسبت سوخت و هوا حول نقط ه استوکیومتری می شود که این نیز باعث بهبود و کاهش آلودگی خروجی آلاینده ها از مبدل کاتالیست می شود.
سنسور اکسیژن در خودرو
همان ط ور که قبلا اشاره شد سنسور اکسیژن میزان نسبت هوا به سوخت A/F استوکیومتری که عدد 14/7 است را همواره کنترل کرده و به محض این که سوخت اضافی تزریق شود، قدرت موتور بالا رفته و مقادیر H2 و Co باقی مانده در اگزوز نیز زیاد می شود این ناحیه را سوخت غلیظ گویند. زمانی که سوخت کاهش می یابد قدرت موتور کاهش یافته که میزان اکسیژن موجود در اگزوز زیاد می شود این ناحیه را ناحیه سوخت رقیق گویند.
بیشتر موتورها حول نقط ه استوکیومتری کار می کنند. برای کاهش بهتر و موثرتر میزان آلودگی خروجی اگزوز بهتر است از مبدل کاتالیست سه راهه استفاده کنیم . بط وری که H2 و Co با اکسیژن باقی مانده واکنش می دهد و با احیای Co2 Nox و H2o وN2 تولید می شود. سنسور اکسیژن که برای کنترل و تنظ یم موتور در نقط ه استوکیومتری به کار می رود، میزان ولتاژ خروجی آن در حالت سوخت غلیظ 1 و یا سوخت رقیق صفر است . این عدد در این نقط ه دارای نوسانات ناگهانی بوده که کنترل آن در نقط ه استوکیومتری وظ یفه سنسور لامبدا است .
موتورهای جدید که اخیرا ساخته شده اند، ط وری ط راحی شده اند که در حالت حداقل سوخت کارکرده تا سوخت را بیشتر ذخیره کنند.
این موتورها عموما در نسبت A/F بین 20 تا 25 کار می کنند. کنترل موتور در این حالت توسط سنسور لامبدا، به علت حساس نبودن سنسور میسر نیست .
لذا سنسوری جدید که قادر به آشکارسازی مقدار دقیق نسبت A/F است ، مورد نیاز بوده تا این که فیدبک لازم را نیز ارایه دهد. این سنسور با نام سنسور نسبت هوا به سوخت با رنج گسترده مورد استفاده قرار می گیرد که آن را UEGO سنسور گویند(Universal . air to fuel ratio Exhaust Gas Oxygen)
این سنسورها در حالت سوخت غنی نیز مورد استفاده قرار می گیرند که در حال حاضر چند گروه تحقیقاتی روی این موضوع کار می کنند.
ساختمان ساده و شماتیک یک سنسور لامبدا در شکل فوق نمایش داده شده است . بدنه اصلی آن از لوله های الکترولیت زیر کونیا تشکیل شده است . زیرکونیا دارای خاصیت شناخته شده خوبی در خصوص هدایت یون اکسیژن در دمای بالا است . الکترودهای pt در دو ط رف لوله زیر کونیا قرار دارد. الکترود داخلی با هوای اتمسفر و در ط رف خارجی با گاز اگزوز مرتبط است . در واقع این یک پیل الکترولیت بوده و می توان آن را مط ابق فرایند زیر بیان کرد:
O2 (exhaust) pt | solid electrolyte (zirconia) | Pt,O2(air)
محاسبه نیروی محرک الکتریکی این سلولها به شرح زیر است :
EMF = (RT/4F)log {(Po2 (exhaust)/ Po2(air)}
فشار جزیی اکسیژن در هوا Po2 (air) و مقدار EMF به فشار اکسیژن گاز اگزوز وابسته است . در حالت سوخت رقیق فشار اکسیژن اگزوز به فشار اکسیژن هوا نزدیک بوده و در نتیجه EMF اغلب به صفر نزدیک می شود. در حالت سوخت غنی فشار اکسیژن اگزوز با اکسیژن محیط دارای اختلاف بوده که در نتیجه مقدار EMF در حدود 1 ولت است .
سنسور UEGO می تواند رنج گسترده ای از نسبت A/F را آشکار کند لذا امکان کنترل موتور را در گستره وسیعی از ترکیب سوخت و هوا می توان به وجود می آورد.
سنسور UEGO به صورت آمپرومتریک کارکرده حال آن که سنسور لامبدا براساس اختلاف پتانسیل کار می کند. این سنسور جریانی که متناسب با فشار جزیی Co و H2 و هیدروکربنهای CmHn در سوخت غلیظ را اندازه گیری کرده تا اط لاعات لازم جهت تنظ یم نسبت A/F به دست بیاید. همین که میزان نسبت A/F در سوخت زیاد شود اکسیژن اضافی در اگزوز ظ اهر شده و به محض کاهش این نسبت ، در سوخت غلیظ فشار جزیی Co و H2 و CmHn در اگزوز بخاط ر کمبود اکسیژن افزایش می یابد. لازم به ذکر است که در نقط ه استوکیومتری مقادیر این گازها اغلب ناچیز و در حد صفر بوده و در خروجی اگزوز بخار H2o و Co2 مشاهده می شود.
این امکان وجود دارد که اکسیژن با اعمال یک ولتاژ مناسب بین دو الکترود چاپ شده روی صفحه زیرکونیم گسیل داده شود. الکترون ها را از کاتد گرفته و تبدیل به یونهای اکسیژن می کند. یونهای اکسیژن به سمت آنود حرکت کرده تا الکترون خود را از دست داده و به گاز اکسیژن تبدیل شود. این فرایند را پمپاژ اکسیژن نامند که آن گاز اکسیژن از کاتد به سمت آند گسیل داده می شود که مقدار پمپ اکسیژن را می توان با اندازه گیری جریان را در الکترولیت بدست آورد. فرایند پمپاژ را می توان با قرار دادن مانعی برسرراه نفوذ گاز به الکترود محدود کرد.
در سوخت رقیق جریان توسط مقدار اکسیژن به الکترود کنترل شده که این متناسب با فشار جزیی اکسیژن در اگزوز است . نسبت هوا به سوخت را می توان با اندازه گیری محدوده جریان تعریف کرد.
اما در حالت سوخت غلیظ اکسیژن کمی در اگزوز وجود دارد، لذا برای اندازه گیری فشار جزیی Co و H2 و CmHn باید جهت جریان برگردانده شود تا دیفیوژن گاز محدود شود. اکسیژن از تجزیه Co2 در الکترود به دست می آید. برای جریان برگشتی اکسیژن گسیل داده شده به وسیله مانع محدود نمی شود.
اکسیژن گسیل داده شده با Co و H2 و CmHn روی دیگر الکترود واکنش می دهد تا Co2 و H2o تشکیل دهد. این جریان توسط تغذیه Co و H2 و CmHn از ط ریق مانع دیفیوژن کنترل می شود. مقدار اکسیژن گسیل داده شده نمی تواند از میزان Co و H2 و CmHnزیادتر شود. در غیر این صورت میزان اکسیژن اضافی باعث به وجود آمدن EMF مخالف شده که در نتیجه جریان برگشتی توسط Co و H2 و CmHn در الکترود محدود می شود.
بنابراین نیاز است که برگشت جریان بین حالت سوخت غنی و سوخت رقیق صورت گرفته تا سنسور بتواند گستره وسیعی از نسبت A/F را اندازه گیری کند. بیشتر سنسورهای UEGO دارای سلولهای پتانسیومتری بوده تا این که بتوانند شرایط اگزوز را از نظ ر غنی یا رقیق بودن حس کنند; که این اضافه بر سلولهای پمپاژ اکسیژن است . ابتدا آنها سیگنالها را از سلول پتانسیومتر دریافت کرده تا این که در مورد شرایط غلظ ت در اگزوز تصمیم بگیرند بعد از آن میزان ولتاژ مربوط ه گسیل و پمپاژ اکسیژن را براساس آن سیگنال تنظ یم می کنند.
شرکت ژاپنی NGK اولین شرکتی است که در زمینه ط راحی و توسعه این نوع سنسورها فعالیتهایی انجام داده است .
شکل 3
قانون عملکرد این نوع سنسور این گونه است که سلول پتانسیومتری میزان EMF بین اگزوز و هوای اتمسفر را اندازه گیری می کند میزان ولتاژ اندازه گرفته شده Vs با) Vo براساس EMF حاصل از نقط ه استوکیومتری ) مقایسه می شود بعد از مقایسه یک تقویت کننده ولتاژی به سلول پمپاژ اعمال می کند. (لازم به ذکر است که اگر Vs>Vo آنگاه سوخت را غلیظ گویند در غیر این صورت سوخت رقیق است .)
انواع دیگری از سنسورهای UEGO وجود دارد اما عموما قانون عملکردی آنها با هم تفاوت چندانی ندارد و بیشتر آنها شامل پمپاژ و سلولهای پتانسیومتری بوده که اندکی با هم متفاوت هستند. در برخی دیگر به دلیل این که جریان برگشتی بین سوخت غلیظ و رقیق بط ور اتوماتیک انجام می شود، سلولهای پمپاژ متاثر از هوا و بدون سلولهای پتانسیومتری هستند.