بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش به شبیهسازی یکبعدی موتور Ryobi در شرایط کاری و مقایسه آن با رفتار واقعی موتور پرداخته میشود. این شبیهسازی با استفاده از نرمافزار یکبعدی GT-power انجامشده است. در ابتدا مشخصات هندسی اجزاء به همراه شرایط عملکردی موتور Ryobi در نرمافزار GT-Power مدلسازی شده است. پس از اطمینان از درستی مدلسازی، نتایج شبیهسازی با نتایج آزمون تجربی مقایسه شده و سپس به مطالعه پارامترهای عملکردی این موتور پرداخته میشود. نحوه تنظیم مدل احتراقی Wiebe، مدل انتقال حرارت Woschni و مدل اصطکاک Chen-Flynn در نرمافزار بررسی شد و تأثیر آنها بر پارامترهای عملکردی تحلیل شد. همچنین منحنی بلند شوندگی سوپاپ با توجه به مشخصات موتور موردنظر بازمان بندی تجربی تایمینگ سوپاپهای موتور مذکور و نتایج تجربی موتور بررسیشده و سپس وارد نرمافزار شده است و از این طریق شبیهسازی مسئله با نتایج تجربی کالیبره شده است. پس از شبیهسازی، نمودارهای عملکردی موتور Ryobi در دورهای مختلف به دست آمد و مشخص گردید که این موتور در دور 6500 دور بر دقیقه بیشترین توان خروجی را دارد. همچنین این نتایج برای افزایش توان و کارایی موتور Ryobi میتوان مورداستفاده قرار بگیرد.
کلیدواژهها: شبیهسازی یکبعدی، مدل وشنی وایپ، منحنی بلند شوندگی سوپاپ، نتایج تجربی، کالیبره موتور،GT-Power، پارامترهای عملکردی
-1 مقدمه
موتورهای تک سیلندر بنزینی در بسیاری از وسایل مثل ماشین و هواپیمای کنترلی، چمنزن، اره برقی و ژنراتورهای برق قابلحمل یافت میشوند. این موتورها نسبت به انواع موتورهای مورداستفاده در خودروهای سواری، از طراحی خاص و متفاوتی برخوردارند. همچنین قوانین کنترلکننده آلایندگی، دمای گاز خروجی و صدای تولیدشده توسط این موتورها نیز متفاوت و در برخی موارد سختتر میباشد. یک نمونه از موتورهای تک سیلندر کوچک موتور چهارزمانه و 26 سیسی Ryobi میباشد که در چمنزنهای دستی استفاده میگردد و درمواردی که اندازه کوچک موتور و آلایندگی هیدروکربنی کم موردنظر است، انتخاب خوبی به شمار میآید. در این پژوهش با استفاده از مشخصات ارائهشده از موتور موجود، آن را در نرمافزار GT-Power مدلسازی کرده و عملکرد موتور در دورهای مختلف بررسیشده است.
-2 معرفی نرمافزار
نرمافزار GT-suite یک نرمافزار بسیار کاربردی و پیشرفته درزمینه طراحی و تحلیل موتور احتراق داخلی، وسایل نقلیه و سیستمهای هیدرولیکیBحرارتی میباشد. این محصول برای کمپانی Gamma Technologies میباشد و در کل از مهمترین نرمافزارهای تجاری موجود درزمینه شبیهسازی موتور میباشد. این نرمافزار در ابتدا به همت پروفسور جان بی هیوود، تولید و توسعه داده شد و در دهههای اخیر رشد چشمگیری داشته است. این نرمافزار برای تحلیل سیستمهای سیالاتی در صورت امکان از روشهای تحلیلی و یا تقریبی و در بعضی مواقع از تحلیلهای عددی یکبعدی استفاده مینماید. ازاینرو در مقایسه با سایر نرمافزارهای تحلیل عددی، سرعت بسیار بالایی دارد. یکی از کاربردیترین ماژولهای این نرمافزار GT-power نام دارد که برای شبیهسازی موتور مورداستفاده قرار میگیرد. از نرمافزار GT-power جهت تحلیل عملکرد موتور مثل گشتاور و توان، بررسی نحوه احتراق و آلایندگی موتور، فشار و امواج فشاری ایجادشده در منیفولد ورودی و خروجی، رفتار کاتالیست و تحلیل لحظهای عملکرد موتور استفاده میشود. از دیگر خصوصیات این نرمافزار میتوان به قابلیت شبیهسازی مدلهای پیشگویانه احتراق دیزل، قابلیت شبیهسازی مدلهای حساس به توربولانس و جریانهای داخل سیلندر اشاره کرد.
-3 مشخصات هندسی و دادههای اولیه موتور
موتوری که در این پژوهش مدلسازی شده است، یک موتور کوچک چهارزمانه به نام Ryobi است، که تنها 26 سیسی حجم دارد و در چمنزنهای دستی استفاده میشود. البته از این موتور میتوان در ماشینها و هواپیماهای کنترلی نیز استفاده کرد که نمونههای دستساز اینگونه وسایل ساخته و استفاده میشوند. در جدول 1 مشخصات اولیه این موتور آورده شده است. همچنین برای شبیهسازی، مشخصات هندسی منیفولدهای ورودی و خروجی موتور مثل قطر لولههای ورودی و طول آنها نیز در شکلهای 1 و 2 آورده شدهاند.
-4 مدلسازی موتور
مدلسازی موتورهای احتراق داخلی در نرمافزار GT-power شامل عبور جریان گذرا از درون منیفولد ورودی و خروجی، جریان گذرای داخل منیفولد هنگام مواجهه با سیلندر، سوپاپ، تغییر مساحت ناگهانی و یا گلوگاه در مسیر جریان، رفتار ترمودینامیکی سیال در هر سیلندر در زمان باز شدن سوپاپ، رفتار ترمودینامیکی سیال در هر سیلندر در زمان بسته بودن سوپاپ، عملیات جاروب سیلندر که درنتیجه آن مقدار هوای تازه بازگشتی به سیلندر قابلاندازهگیری خواهد بود، همچنین رفتار اصطکاکی موتور که درنتیجه آن میتوان مقادیر اندیکاتوری بهدستآمده از شبیهسازی عملکرد موتور را به مقادیر ترمزی قابلاندازهگیری مانند فشار متوسط مؤثر ترمزی، توان ترمزی و یا مصرف سوخت ویژه ترمزی تبدیل کرد، مواردی هستند که در مدلسازی یک موتور احتراق داخلی چهار زمانه باید به آنها توجه کرد.
بر اساس مشخصات هندسی موتور و نوع پارامترهای عملکردی در دسترس به بررسی اجزای مختلف موتور مذکور در نرمافزار GT-power خواهیم پرداخت. همانطور که مشاهده میشود نمایی از چگونگی مدلسازی موتور Ryobi و همچنین قسمتهای منیفولد ورودی و خروجی در نرمافزار GT-power در شکلهای 3 و 4 و 5 نشان دادهشده است. آزمون تجربی سر سیلندر بهدستآمده و بهصورت کانتورهایی مطابق شکلهای 6 و 7 ارائهشده است. لازم به ذکر است که در سوپاپ ورودی جریان رفت یا Inflow جریان به داخل سیلندر است و در سوپاپ خروجی جریان رفت همان Outflow و یا جریان خروجی از سیلندر میباشد.
-5 منحنی بلند شوندگی سوپاپ
با در اختیار داشتن مقادیر زمانبندی تایمینگ سوپاپ موتور حاصل از آزمون تجربی و دیگر مشخصات موتور مربوطه منحنی بلند شوندگی سوپاپ در نرمافزار تعیین میشود. و از این طریق شبیهسازی مسئله را با نتایج تجربی کالیبره میکنیم. پس از واردکردن دادههای مربوط به لیفت سوپاپ برحسب زاویه میللنگ، باید در منوی اصلی نرمافزار مشخص کنیم که اولین زاویه واردشده در دادههای لیفت سوپاپ نسبت به چه زاویه مرجعی سنجیده شده است. در این پژوهش زاویه 0 درجه، نقطه مرگ بالا درست قبل از شروع مرحله قدرت میباشد. در مرحله آخر مدلسازی سوپاپ در نرمافزار GT-Power، ضرایب تخلیه رفتوبرگشت معلوم میگردند. در این مقاله ضرایب تخلیه از طریق
-6 سیلندر و میللنگ
در نرمافزار GT-Power هیچیک از اطلاعات هندسی سیلندر در عضو مربوط به آن وارد نمیگردد و این عضو تنها برای تعیین مدل انتقال حرارت به دیواره سیلندر، دمای دیوارهها، جریان داخل سیلندر و احتراق بهکاربرده میشود. برای مدل دمای دیوارهها از مدل ساده EngCylTWall موجود در نرمافزار استفاده میکنیم که تنها به سه دما نیاز دارد و این مقادیر در جدول 2 آورده شدهاند. لازم به ذکر است که در صورت استفاده از عضو PipePort بهعنوان پورت ورودی یا خروجی، نیاز به مدل پیچیدهتر EngCylTWallDetail برای مدلسازی دمای دیوارهها وجود دارد و نرمافزار مدل ساده را قبول نمیکند.
