بخشی از مقاله
چکیده
بخش قابل توجهی از انرژی تولید شده ناشی از احتراق سوخت به صورت گرما از طریق اگزوز خودرو تلف میشود و بنابراین بازده خودرو کاهش مییابد. برای استفاده بهینه از این انرژی، در بسیاری از خودروها از توربوشارژر استفاده می-شود. توربوشارژر در مسیر گازهای خروجی از اگزوز قرار دارد و طی فرآیندی هوا را فشرده و به سمت داخل سیلندرها کمپرس میکند. بکارگیری مبدل توربوشارژر بر عملکرد مبدلهای خودرو مانند کندانسور و رادیاتور تاثیر میگذارد. بنابراین جانمایی هر یک از مبدلها دارای اهمیت است که در این مقاله به آن میپردازیم. از طرف دیگر افزایش فشار هوا، افزایش دما را نیز در پی دارد. این افزایش دما اگر از محدوده مجاز بالاتر برود موجب می شود مخلوط سوخت و هوا پیش از جرقه دچار احتراق شود و آسیب های جدی به موتور وارد آید. بنابراین لزوم بکارگیری مبدلی که هوای فشرده را خنک کند، اهمیت زیادی دارد. پارامترهای موثر بر عملکرد مبدل خنککن اینترکولر دراینجا بررسی خواهند شد.
-1 مقدمه
بهینه سازی مصرف انرژی در جهان یکی از مهمترین چالش هایی است که صنایع مختلف با آن درگیر هستند و در صنعت خوردو نیز این مساله اهمیت زیادی دارد. مقررات شدیدی در مورد گازهای خروجی از اگزوز خودرو مانند دی اکسید کربن و دی اکسید نیتروژن وضع شدهاند که تولید کنندگان وسایل نقیله را موظف به تولید خودروهایی با سوخت با بازده بالاتر و کاهش اثرات تخریبی بر محیط زیست، میکنند. آلفرد بوچی مهندس مکانیک سوئدی اولین پرخوران توربوشارژر را بین سال های 1909 تا 1915 اختراع کرد. او توربوشارژر را قبل از جنگ جهانی دوم، در کشور آلمان در سال 1909 طرح ریزی و اجرا نمود - نظیف، . - 1396 توربوشارژر دو مزیت مهم دارد: کاهش میزان مصرف سوخت وکاهش انتشار گازهای آلاینده محیطزیست. به همین دلیل استفاده از آن در خودروها، رو به افزایش است. پتانسیل بالای توربوشارژرها باعث میشود که بتوان از موتور کوچک تر با بازده بالاتری در خودرو استفاده کرد. تخمین زده میشود که نرخ استفاده از توربوشارژرها در آیندهای نزدیک، دو رقمی شود. به دلیل ماهیت فشرده توربوشارژر - مجموعه ای از توربین و کمپرسور که در فضای کوچکی قرار دارند - و دمای بالای گازهای خروجی - در موتورهای بنزینی این دما تا 100 K هم میرسد - مقدار قابل توجهی از حرارت در توربین و کمپرسور وجود دارد که باعث افزایش دمای موتور میشود - . - Romagnoli, 2017 بنابراین تطبیق توربوشارژر با موتور خودرو اهمیت زیادی دارد، باید تاثیراتی که افزودن توربوشارژر بر عملکرد موتور خودرو میگذارد را بررسی کنیم.
روتنبرگ و همکاران - Rautenberg, 1984 - از اولین محققانی بودند که مضرات انتقال گرما در توربوشارژرها را مطرح کردند. آنها این تاثیرات را از لحاظ آیرودینامیک و ترمودینامیک مورد بررسی قرار دادند. تاثیرات آیرودینامیکی به عنوان تغییر در سرعت و خواص سیال - مانند عدد رینولدز، ویسکوزیته و چگالی - مورد توجه قرار میگیرد در حالیکه تغییرات درکار/ توان توربوشارژر اثرات ترمودینامیکی را نشان میدهد. رومانگنولیا و همکاران - - Romagnoli, 2017 انتقال گرما در توربوشارژرها را بررسی کردند و با روشهای تست آزمایشگاهی و شبیه سازی نشان دادند که اگر توربوشارژر آدیاباتیک در نظر گرفته شود، منجر به نتایج نادرست میشود. رومنگنولیا و همکاران - - Romagnoli, 2012 عملکرد یک توربوشارژر را در شرایط غیر آدیاباتیک بررسی کردند و اندازهگیری ها را براساس طیف وسیعی از سرعت و بار موتور انجام دادند. سرعت موتور بین 1000 تا 3000 rpm و بار اعمالی بین16 تا 250Nm بود. با توجه به نتایج تست توزیع دمای بدنه توربوشارژر را به دست آوردند. نتایج تست نشان داد که دمای سطح توربین و کمپرسور به طور خطی با دمای گازهای خروجی از اگزوز تغییر میکند. بر مبنای نتایج آزمایشگاهی، رابطه ای برای دمای خروجی گازهای کمپرسور با گازهای خروجی از اگزوز پیشنهاد شد که اختلاف آن با نتایج آزمایشگاهی بیش از %3 نبود. شابن وسیوم - Shaaban, 2006 - عوامل موثر بر کاهش کارایی کمپرسور از طریق تحقیقات تئوری و آزمایشگاهی بررسی کردند و نشان دادند که عدد ماخ محیطی کمپرسور، یکی از مهمترین پارامترهای موثر در عملکرد توربوشارژرهای غیر آدیاباتیک است. هوئر و همکاران - - Heuer 2005 آزمایش ها و آنالیزهای محاسباتی مختلفی را در نقاط عملکرد مختلف توربوشارژر انجام دادند. آنها علاوه بر اندازهگیری پارامترهای استاندارد، دمای سطح توربین و کمپرسور را اندازهگیری کردند که از این نتایج در محاسبات عددی استفاده می شود.
در خودروهایی که از توربوشارژر استفاده میشود، گازهای خروجی از توربوشارژر دمای بالایی دارند و باید قبل از اینکه وارد سیلندر شوند، دمای آنها کاهش یابد. به کمک اینترکولر میتوان دمای گازهای ورودی به سیلندر را کاهش و در نتیجه بازده را افزایش داد. آزمایشها نشان داده است که با نصب اینرکولر علاوه بر افزایش قدرت موتور، در مصرف سوخت صرفه جویی شده و انتشار گاز به محیط زیست نیز کاهش مییابد. بنابراین مطالعه و بررسی عملکرد اینترکولر ضروری است - . - Qinguo, 2016 اولیت - Oliet, 2007 - و شان - - Shon, 2014 پارامترهای موثر در میزان خنککاری یک مبدل پره - لوله را بررسی کردند. در سال های اخیر با کمک دینامیک سیالات محاسباتی، شبیه سازیهای سه بعدی برای بررسی جریان سیال و انتقال حرارت در مبدل ها انجام شده است - نجفی خبوشان . - 1395 ونگ - - Wang, 2009 و چن - Chen, 2013 - میدان جریان و میدان دما را در مبدلهایی با بافلهای حلزونی با تحلیلهایCFD، بدون در نظرگرفتن محیط متخلخل، مورد بررسی قرار دادند. کیونگ زانگو همکاران - - Qinguo, 2016 اینترکولر پره- لوله با پره های موج دار را بصورت عددی و آزمایشگاهی بررسی کردند. آنها با به دست آوردن میدان جریان و میدان دما تحت دبیهای جرمی مختلف، نشان دادند که جریان جرمی هوا تاثیر مهمی در عملکرد مبدل دارد. نرخ تبادل حرارت برای مبدل با در نظر گرفتن مبدل به عنوان جسم متخلخل، تنها %15 با نتایج آزمایشگاهی اختلاف داشت. این تحقیق به بررسی و مقایسه حرارت دفع شده از مبدل اینترکولر و مقایسه آن با سایر مبدل های خودرو می پردازد و با توجه به نتایج به دست آمده به جانمایی مناسب برای اینترکولر در داخل خودرو، می پردازد.
-2 عملکرد توربوشارژر و خنک کن میانی اینترکولر
توربوشارژر مطابق شکل 1 از دو قسمت اصلی تشکیل شده است : توربین و کمپرسور. توربین با شفت به کمپرسور متصل شده است و بین منیفولد خروجی و خفهکن اگزوز قرار دارد، گازهای اگزوز از روی بدنه توربین عبور میکنند و انبساط این گازها موجب حرکت پروانه توربین میشود. این حرکت باعث حرکت پروانه کمپرسور میگردد. کمپرسور بین صافی هوا و منیفولد ورودی موتور قرار میگیرد. توربوشارژ با فشردن هوای بیرونی باعث میشود هوای بیشتری وارد سیلندر میشود و در نتیجه بازده فرآیند احتراق افزایش یافته و توان موتور بیشتر میشود - نظیف، . - 1396 این افزایش دما موجب افزایش حداکثر فشار درون سیلندر و کاهش تعداد مول های هوا میشود. بنابراین باید از یک خنککننده استفاده شود تا بدون اینکه تاثیر قابل توجهی روی فشار داشته باشد، دما را کاهش دهد. با کاهش دما در خنککننده میتوان به راحتی فشار را افزایش داد بدون اینکه نگران تاثیر افزایش فشار بر دما باشیم. شکل 2 یک خنککن میانی را که در مسیر خروجی توربوشارژ قرارگرفته است، نشان میدهد.
