بخشی از مقاله
چکیده
این مقاله روند تکاملی تلمبه های روغن موتورهای احتراق داخلی را در دو دهه گذشته ارائه می کند . پس از تشریح تلمبه های دنده ای جابجایی ثابت سنتی، تعامل بر روی مدار روغن برای تعیین نقاط کاری آنها ارزیابی شده است. تجزیه و تحلیلها شواهدی دالّ بر وجود عدم انطباق از نظر نرخ جریان و فشار بین نیازمندی مدار روانکاری موتور و مشخصههای تلمبه را ارائه می کند. این تفاوتها باعث کاهش بازده کلی تلمبه روغن و در نتیجه افزایش مصرف سوخت میشود. به همین دلیل، نوآوری های زیادی با هدف کاهش قدرت مصرفی تلمبه روغن در سالهای اخیر توسعه یافته اند. در این مقاله راه حل هایی در محدوده تلمبه های جابجایی متغیر تا زمانبندی متغیر و تلمبه های برقی ارائه شده است. علاوه بر این، در مورد روش های مختلف برای کنترل فشار مدار، مانند تجهیزات ترموستاتیکی و برقی، روشهای گسسته و پیوسته نیز بحث شده است. این تجزیه و تحلیل گسترده نشان می دهد که بسیاری از نوآوری های اخیر منجر به کاهش مصرف سوخت 2 الی4 درصدی می شود.
کلیدواژهها: نیازمندی مدار روانکاری موتور، تلمبه روغن جابجایی ثابت، تلمبه روغن جابجایی متغیر، کنترل فشار، مصرف سوخت
مقدمه
در یک موتور احتراق داخلی، نرخ جریان خروجی تلمبه روغن وظایف مختلفی دارد. در کنار هدف اصلی روغن که روانکاری قطعات دارای حرکت نسبی است مانند یاتاقان ها و رینگ های پیستون، جریان روغن در گرماگیری از قطعاتی که به سیستم خنک کاری دسترسی ندارند نقش ایفا میکند. برای مثال پیستونها و یاتاقانها. علاوه بر این، مدار روانکاری ذرات جامد را بوسیله گیر انداختن در فیلتر حذف میکند. در نهایت، مصرف کنندههایی مانند لقی گیرهای هیدرولیکی، سیستمهای زمان بندی و گشودگی متغیر دریچهها، تسمهها و زنجیرهای تایمینگ پیش کشنده دار از روغن مدار روانکاری استفاده میکنند. برای سالهای متمادی به تلمبه روغن به عنوان یک واحد کمکی نگریسته میشد که باید در عملکرد خود از قابلیت اطمینان زیادی برخوردار میبود و بازدهی تلمبه خیلی مورد توجه نبوده است.
اگر چه حداکثر فشار کاری برای تلمبههای روغن موتورهای احتراق داخلی کم است - معمولا کمتر از 8 بار - ، اما شرایط عملکردی آنها به دلیل محدوده دمایی حدود 200 درجه ای روغن -40 - تا 150 درجه سانتی گراد - بسیار سخت است. علاوه بر این ممکن است سرعت موتور در برخی از موتورها به 8000 دور در دقیقه هم برسد. از طرفی، تلمبه روغن باید بتواند با روغنی کار کند که دارای ذرات آلوده و مقدار قابل توجهی حباب هوا میباشد. با توجه به این وضعیت، تلمبههای جابجایی ثابت - دنده خارجی، هلالی شکل و جی روتور - فقط با یک شیر فشارشکن ساخته شده اند.عمومیترین نوع چیدمان - اتصال - تلمبه به میللنگ، محرک مستقیم1 است که تلمبه به طور مستقیم به میللنگ متص ل و توسط آن به گردش در میآید.
نوع دیگر اتصال خارج از محور2 است که تلمبه بوسیله یک چرخ زنجیر یا تسمه تایمینگ با نسبت انتقال ثابت به حرکت در میآید. در هر دو نوع تلمبه، تولید جریان متناسب با دور موتور است. با توجه به چرخه های رانندگی استاندارد، راندمان تولید جریان در تلمبه روغن بسیار کم است و در برخی از شرایط عملکردی مقادیر کمتر از 30 نباید تعجب آور باشد. با وجود این واقعیت، هنوز استفاده از چیدمان های مورد بحث رایج است.در سال های اخیر دو نیاز قابل توجه پدید آمده است که سازندگان خودرو به طور فزاینده ای به سمت انتخاب تلمبه های روغن با دیدگاه صرفهجویی در مصرف انرژی بروند:
الف- نیاز به نرخ جریان زیادتر در دورهای کم تلمبه برای به حرکت درآوردن سیستم های گشودگی سوپاپ متغیر.
ب- محدودیت های سخت گیرانهتر در مصرف سوخت و آلودگی، کاهش فشار روغن در شرایط عملکردی غیر بحرانی را ضروری میسازد که این مسئله با عملکرد شیر فشارشکن ساده در تضاد است.
راه حل های جایگزین عدم استفاده از تلمبههای جابجایی ثابت برای اولین بار در سال 2000 مطرح گردید که نمونههای کاربردی آن در انتهای دهه اول 2000 در دسترس قرار گرفت. هدف این مقاله ارائه مراحل تکاملی طراحی تلمبههای روغن است که با برجسته نمودن استراتژیهای مختلف به تدریج در کم کردن مصرف سوخت موثر واقع شدهاند.
نیازمندیهای مدار روغنکاری
مدار روانکاری بار وارد بر تلمبه را تعیین میکند. این مدار از مجموعه ای مصرف کننده - یاتاقانهای میللنگ، نازل خنککننده پیستون، سامانه زمانبندی دریچه ها و ... - متصل به هم بصورت موازی یا سری تشکیل شده است. از یک منظر میتوان کل مجموعه را معادل یک روزنه3 در نظر گرفت که رفتار آن به شدت به دما و کمی به دور موتور بستگی دارد. شکل1 نرخ جریان تجربی مدار به عنوان تابعی از فشار خروجی تلمبه برای یک موتور دیزلی 1900 سیسی را نشان میدهد.نمودارهای شکل1 با معادله تحلیلی - 1 - به خوبی همخوانی دارد:شیب منحنیها تابعی از "نشت پذیری مدار" G است که بستگی به سطح جریان روزنه معادل و گرانروی روغن دارد.
به همین دلیل همانگونه که در شکل 2 نشان داده شده، G با درجه حرارت روغن افزایش پیدا میکند.وابستگی شدید نرخ جریان به گرانروی از این واقعیت سرچشمه میگیرد که بیشترین تعداد مصرف کننده ها یاتاقان های میل لنگ میباشند که در آن رژیم جریان آرام است. این قضیه با تغییر مقادیر توان - - از 0,9 - رژیم شبه آرام - به 0,75 - با رفتن از دمای پایین به دمای حداکثر حدود 150 درجه سانتی گراد - تایید می شود.سرعت موتور نیز از طریق تابع c روی نرخ جریان تاثیرگذار است که خود تابعی از عوامل دیگر است. اول از همه، سرعت بر خروج از مرکز یاتاقان نسبت به محور اثر دارد که خود بر جریان وابسته به فشار - جریان حاصل از فشار تزریق - تاثیر میگذارد که نرخ جریان با افزایش سرعت کاهش مییابد.
با این حال، جریان هیدرودینامیکی حاصل از فشردگی روغن در فضای لقی بین محور و یاتاقان متناسب با سرعت زاویه ای است. علاوه بر این، سرعت دمای فیلم روغن را در یاتاقان افزایش میدهد که منجر به کاهش گرانروی موضعی میشود .[23] ضمنا به علت وجود نیروی گریز از مرکز در کانالهای روغن موجود در میللنگ یاتاقانهای شاتون روغن را با فشار زیادتری نسبت به یاتاقانهای اصلی میللنگ دریافت میکنند که این فشار با توان دوم سرعت افزایش مییابد. بنابراین در یک فشار ورودی ثابت، نرخ جریان در یاتاقانها با افزایش سرعت بیشتر میشود. بر اساس دادههای تجربی، نتیجه اثر ترکیبی این عوامل، افزایش نشت پذیری مدار با افزایش سرعت است.
با افزایش بار موتور نیروی شعاعی موثر بر یاتاقانها افزایش مییابد و خروج از مرکز یاتاقان نسبت به محور بیشتر میشود. با این حال افزایش بار موتور تاثیر کمی در نرخ جریان دارد.برای جلوگیری از ایجاد خرابیها، حداقل جریان و یا فشار باید برای هر مصرف کننده تامین گردد. حداقل فشار مورد نیاز مدار برای تضمین عملکرد صحیح تمامی مصرفکنندهها در بحرانیترین وضعیت حداکثر دمای روغن و بار در هر سرعت قابل ارزیابی است. نمونه ای از حداقل فشار مورد نیاز در شکل3 نشان داده شده است. فشار در حداقل سرعت روی 1 bar تنظیم میشود و سپس با یک شیب کاهشی در حالیکه سرعت افزایش مییابد تا حدود 4-5 bar زیاد میشود. [23] و [1]
به طور ویژه در سرعتهای زیاد لازم است برای اطمینان از خنککاری مناسب یاتاقانهای اصلی، نرخ جریان روغن کافی باشد. این هدف میتواند با افزایش فشار در کانال اصلی روغن به دست آید. در روشی مشابه، تحت کنترل درآوردن درجه حرارت پیستون ها بوسیله نرخ جریان مناسب در افشانه های روغن پیستون در سرعتهای زیاد ضروری است. لازم به ذکر است که شرایط بحرانی مدار در سرعتهای کم و زیاد رخ میدهد در حالی که در محدوده میانی سرعت هیچ شرایط حائز اهمیتی وجود ندارد. همانگونه که بعدا بحث خواهد شد نحوه طراحی تلمبه روغن از طریق مراحل مختلف تکاملی استنتاج می شود.
تلمبههای سنتی - قدیمی -
انواع تلمبهها
یک تلمبه روغن جی روتور1 محرک مستقیم با شیر فشارشکن در شکل4 نشان داده شده است. روتور داخلی با یک محور توپی در بدنه تلمبه نصب شده و از طریق سطوح مسطح با میللنگ موتور به حرکت در میآید. شیر فشارشکن، روغن را در محفظه مکش تخلیه میکند. طرح محرک مستقیم از نقطه نظر تولید ساده و ارزان و از نقطه نظر تعداد محدود اجزاء و بسته بندی جمع و جورتر میباشد. نقطه ضعف این طرح این است که تلمبه هم سرعت با موتور میچرخد و بطور میانگین روتورها قطر بزرگی دارند. از این رو بخاطر اصطکاک لزج2 زیاد و سرعت محیطی بالاتر گشتاور بیشتری تلف میکنند.در روش خارج از محور، روتور داخلی محور کوچکتری دارد و از طریق یک دنده زنجیر یا مجموعه ای از چرخ دندهها توسط موتور به گردش در میآید - شکل. - 5
