بخشی از مقاله
چکیده
یکی از بخشهای مهم یک خودرو سواری که فاکتور آلایندگی و مصرف سوخت خودرو را به شدت تحت تأثیر عملکردش قرار میدهد، موتور خودرو است. موتورهای امروزی خودرو معمولاً در یک نسبت تراکم ثابت عمل میکنند. راندمان ترمودینامیکی این نوع موتورها، متأسفانه در حد 30 درصد است. به این ترتیب، بخش اعظم انرژی آزادشده توسط سوخت در این موتورها به گرما تبدیل شده یا حتی سوخت به صورت ناقص شعلهور شده و هیدروکربنهای سوخته نشده در محصولات احتراق ظاهر میگردند.
موتور نسبت تراکم متغیر این قابلیت را دارد تا برای تمام شرایط کاری موتور، نسبت تراکم بهینه را فراهم سازد. نتیجه آن افزایش راندمان موتور و کاهش مصرف سوخت است. برای تحلیل دینامیک طولی ابتدا یک موتور نسبت تراکم متغیر با روش مقدار متوسط طراحی شده است؟ پس از آن این موتور روی مدل دینامیکی طولی یک خودرو سواری قرار گرفته و طی انجام شبیهسازیهایی در محیط سیمولینک متلب، تأثیر متغیر بودن نسبت تراکم بر رفتار دینامیکی طولی خودرو از یکسو و مصرف سوخت آن از سوی دیگر مورد ارزیابی قرار گرفته است.
.1 مقدمه
موتور احتراقی اصلیترین منبع تولید توان در خودرو میباشد و عملکرد آن تأثیر زیادی بر رفتار خودرو و سایر اجزا دارد. عملکرد مطلوب موتور، تابعی از پارامترهای مختلفی چون دمای موتور، دور موتور، آوانس و ریتارد جرقه، میزان زاویه دریچه عبور هوا، نسبت تراکم و ... است. تغییر هر یک از این پارامترها در خودرو سبب کاهش راندمان یا رسیدن به راندمان بهینه میگردد.
نسبت تراکم در این میان کمیتی غیرقابل تغییر است که درموتورهای احتراقی معمولی پس از طراحی توسط طراح موتور و ساخت موتور قابل تغییر نیست. نسبت تراکم بر گشتاور خروجی موتور و مصرف سوخت تأثیر زیادی دارد. همانطور که در شکل - 1 - نشان داده شده با افزایش نسبت تراکم، گشتاور خروجی موتور نیز افزایش یافته است .[1]
شکل .1 افزایش گشتاور خروجی موتور با افزایش نسبت تراکم [1]
1,1 مروری بر پژوهشهای پیشین
در سال 2003 ، برگسترم با کنترل گشتاور خروجی موتور نسبت تراکم متغیر، توانست تأثیرات شدید نسبت تراکم را بر روی گشتاور تولیدی موتور حذف کند که در نتیجه باعث حذف تکانهای شدید در خوردرو شد .[1] در سال 2008، نیلسون و همکاران میزان سوخت مصرفی یک موتور نسبت تراکم متغیر را مورد مطالعه قرار دادند و تأثیر کنترل بهینه مصرف سوخت را در میزان گشتاور تولیدی و افزایش راندمان نشان دادند
در سال 2009، کاسیانی و همکاران مدل دینامیکی و سینماتیکی یک موتور نسبت تراکم متغیر را با استفاده از معادلات اویلر توسعه دادند. همچنین تأثیرات نسبت تراکم بر فشار سیلندر موتور را بررسی نمودند .[ 3] در سال 2012، هات و بهالرا با ارائه یک مدل عددی برای موتور نسبت تراکم متغیر، تأثیرات استفاده از سوخت ترکیبی بنزین و اتانول را بر روی این موتور بررسی کردند .
در سال 2014، تومار و همکاران یک شاتون اصلاح شده را جهت افزایش یا کاهش نسبت تراکم در دو مرحله بهجای تغییر پیوسته نسبت تراکم، طراحی کردند. این شاتون اتصالدهنده بهوسیله دو سیلندر هیدرولیکی در بدنه اصلی طراحی شده است. آنها بیان نمودند که با استفاده از این مکانیزم، مصرف سوخت موتور تا 30 درصد کاهش پیدا میکند. .
1,2 مدل موتور نسبت تراکم متغیر
موتور نسبت تراکم متغیر مورد استفاده ساخت شرکت ساب1 است که در سال 1990 اختراع و ثبت گردید. این موتور دارای یک سرسیلندر است که با سیلندرها یک پارچه شده است. سر سیلندر در این موتور میتواند تا 4 درجه نسبت به بلوک سیلندر تغییر زاویه دهد که باعث تغییر نسبت تراکم از 8 به 14 میشود؟ در شکل - 2 - نمایی از این موتور نشان داده شده است. این موتور خطی 5 سیلندر با حجم 1598 سیسی است. حداکثر گشتاور تولیدی در این موتور 305 نیوتنمتر میباشد .
شکل .2 نمایی از موتور نسبت تراکم متغیر
نسبت تراکم در یک موتور بصورت رابطه - 1 - تعریف میشود :
در رابطه rc - 1 - نسبت تراکم، Vd حجم جابجایی2 و Vc حجم مرده3 است. رابطه - 1 - نشان میدهد که مخلوط سوخت و هوا در داخل سیلندر قبل از احتراق چه مقدار فشرده شده است. نسبت تراکم از مهمترین فاکتورهایی است که تعیین میکند موتور، چه مقدار از انرژی سوخت را استفاده کرده است. برای چرخه اتو ایدهآل بازده حرارتی از رابطه - 2 - بدست میآید :
در رابطه γ - 2 - نسبت گرمای ویژه است. همانطور که از رابطه - 2 - مشخص است با افزایش نسبت تراکم، بازده حرارتی افزایش مییابد.
.2 ارائه مدل ریاضی و مشخصات کلی مسئله
2,1 مدلسازی موتور با روش مقدار متوسط
برای بررسی عملکرد موتور احتراقی، نیاز به مدلی داریم که بتواند رفتار واقعی موتور را در هر شرایطی تخمین بزند، مدل مقدار متوسط4 به عنوان روش پذیرفته شدهای در شبیهسازی موتور احتراقی مطرح میباشد. مدل مقدار متوسط، مدل دینامیکی است که در آن میانگین متغیرهای مهم خودرو در یک مقیاس زمانی مناسب محاسبه میشود. مقیاس زمانی در حدود یک یا چند سیکل کاری موتور بوده و در عین حال با دقت خوبی رفتار واقعی موتور را نشان میدهد. در این روش، موتور به 3 زیر مجموعه دینامیک منیفولد ورودی، دینامیک سوخت و دینامیک دورانی تقسیم میشود و پارامترهای عملکردی موتور به صورت معادلات دیفرانسیل غیر خطی شبیهسازی میشوند
