بخشی از مقاله
چکیده
یکی از موضوعات بسیار مهم که در راندمان موتور تاثیر بسزایی دارد اصطکاک داخلی موتور است. در این مقاله سعی شده مدل اصطکاکی مجموعه سمبه و استوانه موتور EF7 توسط نرم افزار AVL Excite شبیه سازی شود. در نهایت نتایج حاصل از آزمون با نتایج حاصل از شبیه سازی برای اعتبارسنجی مدل شبیه سازی شده، مقایسه شد. سپس مقدار اصطکاک موتور برای لقی های دیگر، توسط مدل ارائه شده به دست آمد. همچنین اصطکاک موتور در شرایط احتراق نیز به دست آمد و مقدار آن با حالت موتورگردانی مقایسه شد.
نتایج شبیه سازی نشان داد که در حالت موتورگردانی با افزایش لقی سمبه و حلقه، مقدار اصطکاک در سرعت های کمتر از 3000 ددد - دور در دقیقه - تغییر چندانی نمی کند. اما افزایش لقی از 30 به 80 میکرومتر در سرعت 6000 ددد، سبب حدود %20 کاهش اصطکاک می شود. همچنین دیده شد که احتراق منجر به افزایش قابل ملاحظه ای در اصطکاک موتور میشود.
مقدمه
یکی از مسائل مهم در موتورهای احتراق داخلی، راندمان موتوراست. امروزه سعی بر آن است تا با پائین آوردن اصطکاک داخلی موتور میزان راندمان را افزایش دهند. یکی از مجموعه های تاثیر گذار در اصطکاک داخلی موتور اصطکاک مجموعه حلقه و سمبه است که متاٌثر از عوامل زیادی مانند میزان لقی بین سمبه و استوانه است.
در این مقاله سعی می شود به شبیه سازیی مدل اصطکاکی سامانه سمبه و حلقه موتور ملی و مقایسه نتایج حاصل از شبیه سازی با آزمون تجربی برای بدست آوردن مدل دقیق از این سامانه، انجام می پذیرد. همچنین در این مقاله به چگونگی اثر لقی بین سمبه و استوانه در اصطکاک با شبیه سازی پرداخته می شود. برای شبیه سازی سامانه سمبه و حلقه از نرم افزار AVL-EXCITE-PISTON AND RING استفاده شد. در انتها با شبیه سازی شرایط احتراقی سامانه سمبه و حلقه در نرم افزار به مقایسه مقدار اصطکاک با حالت موتورگردانی در مقایسه با اصطکاک در حالت احتراقی پرداخته شد.
و در انتها مقایسه ی بین اصطکاک مجموعه سمبه و استوانه در حالت موتورگردانی با اصطکاک در حالت احتراقی انجام گرفت. در این نرم افزار ورودی هایی از مشخصه های موادی و ابعادی سمبه، حلقه، آستری، محور سمبه و دسته سمبه باید وارد شود. برای محاسبه هرچه بهتر ورودی ها باید به طور دقیق به نرم افزار داده شود. آقایان تاکی گوچی1 و همکارانش به بررسی لقی بین سمبه و استوانه برای بهینه کردن صدا و ارتعاشات ناشی از ضربات سمبه به استوانه پرداختند.
بهینه سازی لقی منجر به کم شدن لقی بین سمبه و استوانه می شد که تاکی گوچی و همکارانش باید بهینه سازی را تاحدی انجام می دادند که منجر به افزایش اصطکاک و سایش سمبه نشود. آنها به بررسی اثر قسمتهای مختلف سمبه در اصطکاک پرداختند.
آقایان هانس2 و هوبرت3 با شبیه سازی مجموعه سمبه، حلقه و استوانه به بررسی اثر کشش حلقه روی برخی از پارامترهای موتور از جمله اصطکاک بین حلقه و استوانه پرداختند . آنها اصطکاک را بصورت مجزا در رینگ های مختلف و در شرایط مختلف شبیه سازی کردند. نتایج تحقیق آنها نشان می داد که اثر کشش رینگ بیشترین تاثیر را در اصطکاک رینگ روغن به نسبت رینگ های اول و دوم می گذارند و کشش رینگ اثر مستقیم در اصطکاک دارد.[2] در بعضی مقالات به بررسی تاثیر مواردی همچون انحراف مرکز4 محور سمبه5 و یا محور میل لنگ در اصطکاک پرداخته شده است.
آقایان مادن6 و کیم7 در سال 2006 با انجام آزمون تجربی به بررسی اثر تغییر طراحی دامن سمبه و لقی آن در اصطکاک و صدا8 مجموعه سمبه پرداختند. آنها آزمایشات خود را روی یک موتور تک استوانه و در حالت احتراقی انجام دادند و هر سمبه طراحی دامن مشخص را با لقی های مختلف آزمایش کردند و اثر آن را در اصطکاک و صدای موتور اندازه گیری کردند.[3] آقای ناکایاما9 و همکارانش در سال 2000 مقاله ای با همین عنوان ارائه دادند. در این مقاله همان طور که گفته شد مقدار اصطکاک مجموعه سمبه در شرایطی که محور میل لنگ با مرکز انحراف داشت اندازه گیری شده بود.
شبیه سازی
همان طور که گفته شد برای شبیه سازی اصطکاک مجموعه سمبه از نرم افزار AVL-EXCITE -PISTON AND RING استفاده می شود. این نرم افزار قابلیت های بالایی در شبیه سازی پارامترهایی نظیر اصطکاک، نیرو، شتاب، سرعت و فشار مجموعه سمبه و حلقه دارد. در شبیه سازی ابتدا باید داده های عمومی موتور نظیر قطر استوانه، طول دسته سمبه، شعاع میل لنگ، انحراف محور سمبه و گام سمبه را به نرم افزار داد .[5] در قدم بعد داده های سمبه که شامل داده های ابعادی، موادی و دمایی است برای نرم افزار تعریف می شود. داده های ابعادی سمبه شامل داده های ابعاد دقیق مانند ارتفاع سمبه، فاصله مرکز جرم سمبه تا محور پین و شکل دامن سمبه است. شکل شماره 1 شکل تغیرات سطح دامن سمبه را بر حسب میکرومتر نشان می دهد
شکل :1 شکل سمبه در موتور EF7
این شکل از سمت فشاری1 دامن سمبه موتور تا وسط سمت فشاری فشاری ضعیف2 آن می باشد که نیمه دیگر قرینه این نیمه می باشد. سطح تماسی سمبه با آستری به همراه دقت مش زنی نیز باید وارد داده های نرم افزار شود. شکل شماره 2 شکل سطح تماسی سمبه را نشان می دهد.
شکل :2 شکل سطح تماسی سمبه
بدلیل اینکه سمبه موتور ملی دارای دامن سرتاسری3 نمی باشد سطح سطح تماسی آن در محل محور سمبه فرو رفتگی دارد که در تعریف سطح تماسی فقط دامن سمبه در دو سمت فشاری ضعیف و قوی لحاظ می شود .[5] داده های موادی نظیر ضریب انبساط و سختی سمبه نیز از جمله داده های موادی این قطعه است. توزیع دما در ارتفاع های مختلف سمبه نیز باید وارد شود. یکی دیگر از اطلاعات مهم در شبیه سازی سمبه مشخصه های اصطکاکی است که خود نرم افزار برای موتورهای بنزینی این ضرایب را پیشنهاد می دهد . دیگر قطعه مهم برای شبیه سازی در نرم افزار حلقه است. داده های حلقه نیز شامل داده هایی مربوط به مواد، ابعاد، دما و لقی آن در سمبه می باشد. شکل شماره 3 سطح مقطع حلقه اول را نشان می دهد.
شکل :3 سطح مقطع حلقه اول
حلقه های دوم و سوم نیز با شکل متفاوت شبیه سازی میشود. برای شبیه سازی پویایی حلقه سمبه، پیش فرض های زیر در نظرگرفته شده است :
- به طور همزمان محاسبات در دو سمت فشاری و غیر فشاری سمبه انجام شده است.
- حلقه ها نزدیک به هم هستند و می توان مانند جرمی تنها آنها را در نظر گرفت.
- از نیروهای جرمی در جهت شعاعی حلقه میتوان صرف نظر کرد. - از تغییرات جزئی ناشی از ضخامت فیلم روغن صرف نظر میشود - .
- نیروی اصطکاک شعاعی بین جناحین حلقه و شیار حلقه با استفاده از Friction Function با توجه به معادله Stribeck محاسبه می شود. روابط زیر معادلات حاکم بر این محاسبات را نشان می دهد
در معادلات بالا ضرایت A ،B ،C و D به شرح زیر است. 57 :A متر بر ثانیه برای موتورهای بنزینی احتراق داخلی :B برابر صفر
1,5 :C متر بر ثانیه
:D برابر 3.6˟10-4 ثانیه بر متر برای موتورهای بنزینی احتراق داخلی
F ضریب Friction change می باشد که با مقایسه با آزمون تجربی برای این موتور برابر 0,04 بدست آمد.
نیروهای وارده به حلقه مطابق شکل شماره 4 اعمال میشود.
