بخشی از مقاله
چکیده
موتورهای بنزینی علاوه بر خودروهای سواری و موتورسیکلتها، به شکل گسترده در ماشینهای کشاورزی مثل سمپاشها، علفبرها، تیلرها و غیره استفاده میشوند. به علاوه در دستگاههای جدیدی که بهصورت نوآورانه در سالهای اخیر ساخته شده، از موتورهای بنزینی تک سیلندر به عنوان نیروی محرکه دستگاه استفاده شده است. اطلاع از نحوهی توزیع دما و چگونگی انتقال حرارت در پیستون این موتورها برای آگاهی از وضعیت بارهای حرارتی و حفظ آن در وضعیت مطلوب لازم است.
در این مطالعه به کمک اجزای محدود، وضعیت انتقال حرارت و دمای یک پیستون موتور بنزینی به روش گذرا و با استفاده از نرمافزار ABAQUS, 6.12-1 مورد بررسی قرار گرفت. نتایج نشان داد بیشینه شار حرارتی کل در پایان زمان بارگذاری، حدود +2/27 MW m-2 و در تاج پیستون بود. همچنین بیشینه دمای گرهها برابر 366œC بود که در گرههای مرکزی تاج پیستون مشاهده شد و کمترین دما مربوط به دمای گرههای پایینی دامن پیستون و برابر 181œC مشاهده شد.
مقدمه
بارهای حرارتی از جمله بارهای پیچیده و مهم در تحلیل حرارتی دستگاهها محسوب میشوند. شناسایی و تعیین مقدار دقیق این بارها، مستلزم تعیین توزیع دقیق میدان دمایی در جسم است. تعیین توزیع و محاسبه میدان دما در قطعات، همواره از بحثهای مهم طراحی موتور بشمار میآید. در برخی از مسائل مهندسی، تنشهای ناشی از بارهای حرارتی که در اثر توزیع دما ناشی میشود، به مراتب از بارهای مکانیکی بیشتر و از اهمیت بالاتری برخوردار است . - Gharloghy and Kakaee, 2011; Silva, 2006 -
محاسبه توزیع دمای پیستون به منظور کنترل تنشها و تغییر شکلهای حرارتی در محدوده مجاز از اهمیت بالایی برخوردار است. توزیع دمای پیستون امکان طراحی بهینه پیستون به لحاظ انتقال حرارت و کنترل تنشهای حرارتی، قبل از اینکه نمونه اولیه ساخته شود را با کمترین هزینهها، فراهم میسازد. بیشترین دمای هر نقطه از پیستون نباید از %66 دمای ذوب آلیاژ مربوطه بیشتر شود. این محدوده دمایی برای آلیاژ پیستون موتورهای امروزی حدود 640 کلوین است . - Esfahanian et al., 2006 -
حداقل دمای کاری اجزای موتور نیز بین 160 تا 180 & گزارش شده که مربوط به مجاری عبور آب در داخل محفظه موتور میباشد. تاج پیستون از جمله داغترین بخشهای یک موتور احتراق داخلی است. به همین علت در درجه اول سیستم خنککاری وظیفه دارد که دمای تاج پیستون را در حد مطلوب نگه دارد زیرا اگر دمای تاج پیستون از حد بهینه خود بالاتر رود باعث افت کارایی - ایجاد کوبش در موتور - و در نهایت موجب آسیبدیدگی پیستون خواهد شد.
از طرفی افت بیش از حد دمای پیستون باعث افزایش اتلاف حرارتی از آن میشود. لذا با توجه به این نکات توصیه شده است که پیستون موتورهای احتراقی در محدوده بیشینه دمای کاری خود کار کند و نباید نرخ خنککاری موتور طوری باشد که دمای پیستون را بیش از حد پایین آورد. بنابراین آنالیز حرارتی پیستون در طراحی یک موتور با تلفات حرارتی پایین و دوام مناسب از اهمیت بسیار بالایی برخوردار است - . - 1988 تنشهای حرارتی در اجزای موتور تا حد زیادی به وضعیت توزیع درجه حرارت در نقاط مختلف اجزا بستگی دارد.
این توزیع دما تابعی از بارهای حرارتی وارد به اجزا، طراحی اجزا و وضعیت سیستم خنک کننده میباشد. یکی از روشهای اطلاع از وضعیت توزیع دما به خصوص در اجزای موتور، استفاده از روشهای شبیهسازی با نرمافزارهای کامپیوتری است. این نرمافزارها، توزیع دمایی را در المانهای مختلف سیستم بر اساس منطق حاکم بر معادلات حرارتی، گزارش میکند. در کارهایی که اخیراً در تحلیل حرارتی پیستون صورت گرفته، وانلی و همکاران - 2003 - با استفاده از روش اجزای محدود و تحلیل سهبعدی همزمان پیستون- روغن- لاینر، به شبیهسازی حرارتی پیستون پرداختهاند.
گسستهسازی سهبعدی با این فرضیه صورت گرفته است که فیلم روغن به صورت مقاومت حرارتی یک بعدی عمل میکند . - Wanli et al., 2003 - لیم - 1998 - ، نشان داد که بیشینه درجه حرارت گازهای احتراقی به حدود . 2500 میرسد که بیش از حد مجاز دمای آلومینیوم و چدن است. بنابراین در موتورهای احتراقی، احتیاج به یک سیستم خنک کننده میباشد . - Lim, 1998 - تقریباً تمام مطالعات عملی انجام شده در زمینه انتقال حرارت در موتورهای احتراق داخلی، به صورت اندازهگیری درجه حرارت در سطوح قطعات موتور به وسیله سنسورهای مختلف از جمله ترموکوپلهای حساس میباشد که پس از استخراج دمای کاری سطوح، از آن برای تخمین شار حرارتی اجزا استفاده شده است.
چانا و همکاران - 2001 - ، با استفاده از دو سنسور حرارتی، میزان انتقال حرارت را از سطح پیستون و سرسیلندر یک موتور اشتعال جرقهای مورد مطالعه قرار دادند. نتایج نشان داد بیشینه انتقال حرارت از پیستون 2/5 MW m-2 است که از یک سیکل به سیکل دیگر تغییر میکند. با رسم نمودار میزان انتقال حرارت نسبت به زاویهی چرخش میللنگ نشان دادند که با تغییرات زاویه چرخش میللنگ، میزان انتقال حرارت تغییر میکند .
- Chana et al., 2001 - آلکیداس و همکاران - 1990 - ، فرآیند انتقال حرارت را در یک موتور اشتعال جرقهای مورد بررسی قرار دادند و نشان دادند به دلیل اشتعال غیر یکنواختی که در موتور اتفاق میافتد، تغییرات زیادی در انتقال حرارت یک سیکل و همچنین یک سیکل با سیکلهای دیگر وجود دارد . - Alkidas et al., 1990 - ازونینو و همکاران - 2008 - ، توزیع حرارتی را در یک پیستون موتور اشتعال جرقهای در دو حالت مخلوط بنزین و %10 اتانول و حالت بنزین تنها مورد بررسی قرار دادند.
نتایج نشان داد در حالت اضافه کردن %10 اتانول، تنشهای حرارتی در پیستون کاهش مییابد . - Uzuneanu et al., 2008 - در پژوهشی دیگر، هاری گایا و تودا به بررسی اثر سرعت شعله بر شار حرارتی در محفظه احتراق پرداختهاند. آنها با استفاده از روش دو ناحیهای، دمای گاز را محاسبه کرده و با استفاده از یک روش آزمایشگاهی، شار حرارتی در نقاط مختلف محفظه احتراق را محاسبه کردند. نتایج نشان داد که با افزایش سرعت شعله میزان بیشینه شار حرارتی کاهش مییابد. آنها همچنین یک رابطه تجربی بین عدد نوسلت - با مبنای ضریب انتقال حرارت محلی - و عدد رینولدز - بر مبنای سرعت شعله - به دست آوردند . - Harigaya et al., 1993 - اصفهانیان و همکاران - 2006 - ، با استفاده از نرمافزارهای KIVA_3V و NASTRAN به بررسی اثر شرایط مرزی بر رفتار حرارتی پیستون پرداختند.
سه روش تحلیل آنها عبارتند از: استفاده از مقادیر متوسط سطحی و زمانی برای دمای تاج پیستون، مقادیر محلی متوسط زمانی برای دمای تاج پیستون و استفاده از مقادیر کاملاً گذرای محلی برای دمای تاج پیستون. آنها نشان دادند که استفاده از شرایط محلی و متوسط زمانی به عنوان شرایط مرزی سمت احتراق پیستون تقریبی مناسب و مهندسی است . - Esfahanian et al., 2006 -
در این مطالعه با استفاده از روش اجزای محدود، وضعیت انتقال حرارت و دمای یک پیستون موتور بنزینی به روش گذرا مورد بررسی قرار گرفت و نتایج آن به صورت منحنیهای کانتور مورد مقایسه قرار گرفت.
مواد و روشها
در این مطالعه، انتقال حرارت در پیستون نشان داده شده در شکل 1 که مربوط به یک موتور اشتعال جرقهای است، با استفاده از نرمافزار آباکوس، انجام شد. در ابتدا نقشه فنی پیستون بر اساس دادههای فنی تهیه شده از آن، با استفاده از نرمافزار سالیدورکز 2012 کشیده شد. برای راحتی در فراخوانی فایل به نرمافزار آباکوس، نقشه تهیه شده، با پسوند *.step ذخیرهسازی شد. در ادامه پس از باز کردن نرمافزار آباکوس، نقشه تهیه شده به صورت یک پارت فراخوانی شد.
یک تحلیل کامل در آباکوس شامل پیشپردازش، پردازش و پسپردازش میشود. در طول این سه مرحله فایلهایی تولید و به یکدیگر مرتبط میشوند. در پیشپردازش مدل المان محدود با استفاده از دستورات گرافیکی یا خطوط دستوری ساخته میشود و در مرحلهی پردازش به روش ضمنی یا صریح، مسئله به کمک روابط موجود و شرایط مرزی، حل میشود. نهایتاً در مرحلهی پسپردازش با مشاهدهی خروجیها و نیز انجام اعمال اضافی بر روی آنها به کلیهی دادههای مورد نظرمان دست مییابیم.
