بخشی از مقاله
خلاصه
امروزه دانشمندان با استفاده از مدلهای ساده شده موتور احتراق داخلی، به بررسی تاثیر پارامترهای موثر بر عملکرد موتور میپردازند. بعد از اینکه اوایل قرن بیستم، نرم افزار محبوب GT-Power به دنیا معرفی و عرضه شد، دانشمندان و مهندسین خودرویی توانستند مدل سه بعدی موتور را در این نرمافزار به صورت یکبعدی وارد کنند و با حل معادلاتعددی نسبتاً سنگین، جوابهای خوبی دریافت کنند.
هدف این مقاله، مدل کردن موتور بنزینی مزدا MX-5 بوده و قرار است در محیط نرمافزاری GT-Power این کار صورت گیرد. هدف کلان ما در این مجال، مدلسازی و البته بهینهسازی موتور از نظر کارکردی و مصرف سوخت ویژه و کلی است و مرجع اصلی ما برای اینکه بدانیم در ریل درست حرکت میکنیم یا نه، نمودارهای بخش 5-9 کتاب بلر که همان مرجع اصلی است، میباشد. میتوان به عینه دید که در این مقاله، هدف این است که با پارامترهای کلیدی موتور و تاثیرات آنها به صورت میدانی آشنا شویم و بتوانیم تاثیرات هر کدام از اجزا را روی نتیجه عملکرد کلی موتور را دیده و به خوبی تفسیر کنیم.
از آنجایی که دادههای ارائه شده توسط کتاب مرجع کامل نبوده و خود نرمافزار هم به جای مدلسازی سهبعدی، یکبعدی عمل مدلینگ را انجام میدهد، برای اطلاعات بیشتر مجبور به مراجعه به پایگاههای اینترنتی شدیم و در برخی مواقع هم به صورت حدودی، اعدادی را وارد کردیم. در نهایت تمام تلاش خود را کردیم تا نتایجی هر چند معقول و واقعی و منطبق بر فیزیک مسئله را ارائه نماییم.
.1 مقدمه
در این مقاله سعی خواهیم کرد موتور چهار سیلندر چهار زمانه و دو لیتری مزدا میاتا یا همان MX-5 مدل 1998 را در محیط نرمافزار GT-Power مدل کنیم و نتایج حاصله را با نمودارهای ارائه شده در کتاب مرجع مقایسه کنیم. موتور مذکور برای یک ماشین مسابقهای طراحی شده و مهندسین مزدا موتورز با استفاده از این موتور، از رقیب دیرین خود یعنی تویوتا پیش افتادهاند. موتور مذکور یک موتور خطی دو لیتری است که حجم جابجایی آنحدوداً برابر 2000 سانتیمتر مکعب است. این موتور تنفس طبیعی بوده و یادگیری چگونگی طراحی و عملکرد آن بسیار برای یک مهندس خودرویی مهم و مفید است.
اهمیت این موضوع از آنجا مشخص میشود که برای طراحی یک خودروی مسابقهای، در درجه اول توان و گشتاور بالا لازم است که همه بدان واقف هستیم، اما در درجه دوم، بحث آلایندگی و استانداردهای سختگیرانه آن علی الخصوص در کشوری همچون ژاپن است که بسیار اهمیت دارد. همانطوری که مرجع نیز ذکر کرده، دادههای ارائه شده در کتاب، لزوما با دقت بالایی داده نشدهاند و به صورت تقریبی ترسیم شدهاند . مشخصات هندسی منیفولد ورودی و خروجی، سوپاپها، سیلندر، میللنگ و نسبت تراکم را میتوان از کتاب بلر استخراج و اعمال کرد ولی نمودار لیفت سوپاپ، زمانبندی باز و بسته شدن سوپاپها و چند مورد دیگر در کتاب بلر نیامده و از منابع اینترنتی استخراج کردهایم.
.2 شبیهسازی
یک شبیهسازی کامل بایستی قابلیت این را داشته باشد که تغییرات دما، فشار و حجم نسبت به زمان را در موتوری خاص با هندسهای معین پیشبینی کرده و نتایج حاصل از کارکرد موتور اعم از توان، گشتاور، مصرف سوخت و ... را به ما مهندسین خودرویی نمایش دهد. ساختار مدل کامپیوتری باید به گونهای باشد که اولا هندسه هر سیلندر موتور، همه سطوح جریان سوپاپها و مجراها، حجمهای سیلندر در هر درجهای از زاویه میللنگ نسبت به نقطه مرگ بالا برای هر دور موتور را مشخص کند، ثانیا برای مدلسازی گازهای موجود در داکتهای ورودی و خروجی که حالت ناپایایی خواهند داشت، مبنا و مدلی ارائه کند، در مواقعی که لولهها و داکتها سطح مقاطعشان عوض میشود، ضریب تخلیه را اعمال کند و ... . اینها همه بخشی از دنیای بسیار پیچیده و مبهم شبیهسازی موتور است که تا بدین روز نیز بسیاری از دانشمندان بنام و مشهور را به خود مشغول ساخته است..
.3 اطلاعات ارائه شده در مراجع برای شروع شبیهسازی
همانطوری که در کتاب مرجع آمده، موتور دارای تاج پیستونی به ابعاد 86 میلیمتر، کورس 86 میلیمتر و طول شاتونی برابر 165 میلیمتر است. نسبت تراکم موتور برابر 10/3 بوده و حجم جاروب شده یا جابجا شده دقیق موتور برابر 1998/2 سانتی متر مکعب است. سیسم باز و بسته شدن سوپاپ ها به صورت سوپاپ در سر یا همان OHV میباشد - مدل دقیقتر آن Dual Over Head Cam - DOHC - میباشد - و ترتیب احتراق به صورت 1-3-4-2 بوده و اطلاعات ورودی سیلندر در شکل 1 آمده است. همانطوری که میبینیم، در قسمت ورودی یا همان سوپاپ گاز، دو عدد سوپاپ داریم که قطر داخلی سوپاپ برابر 29 میلیمتر و قطر خارجی آن برابر 32 میلیمتر میباشد. در قسمت سوپاپ اگزوز نیز میتوان دید که دو عدد سوپاپ خروجی با قطر داخلی 26 و قطر خارجی 29 داریم.
شکل -1 اطلاعات سوپاپ ورودی و خروجی موتور مزدا
بعد از سوپاپها، نوبت به تشریح هندسه ورودی یا همان سرسیلندر میرسد. همانطور که در شکل 2 میبینیم، در ابتدا یک Plenum یا محفظه آرامشی قرار داده شده است. موتور هوا را از طریق یک لوله با قطر 65 میلیمتر و طول 300 میلیمتر، به داخل این محفظه آرامش میکشد. البته در اینجا ذکر دو نکته ضروری است.
اولی در باب طول 300 میلیمتری لوله مکش است. معمولا در نرم افزار جی تی پاور، ما طول لولههایی که به نرمافزار میدهیم، تقریبا برابر 50 یا 40 میلیمتر است و لذا در اینجا مجبوریم فرضا لوله 300 میلیمتری را به 6 لوله 50 میلیمتری تبدیل کنیم. از آنجایی که جی تی پاور یک نرمافزار یکبعدی است، لذا میتوان خاطر جمع بود که دادههای وارد شده تقریبی، خطای زیادی در جواب نهایی وارد نخواهند کرد.
نکته دوم در باب نقش محفظه آرامش است. همانطوری که میدانیم، در موتورهای احتراق داخلی، به دلیل وجود تغییرات سیکل به سیکل و کاهش فشار هوای مکیده شده به دلیل مقاومت دریچه گاز، مهندسین خودرویی بسیار دوست دارند که برای تمام سیلندر ها، مقدار یکسانی هوا وارد شود. در اینجا نقش محفظه آرامش بیش از پیش پررنگ میشود بدین معنی که هوای مکیده شده در محفظه ای به حجم خود موتور یا بیشتر، ذخیره میشود و هنگام پایین رفتن پیستون، تقریبا حجم هوای یکسانی از انبار هوا به داخل هر سیلندر مکش میشود. این امر در اصل به ما کمک میکند تا بازده حجمی هر سیلندر را تقریبا برابر بگیریم.
بعد از لوله ساکشن دوم، به محفظه آرامش دوم با حجم تقریبی 3000 سانتی متر مکعب میرسیم که همانطور که گفته شد، کمی از حجم تمام سیلندرها، بیشتر است. این مازاد 1000 سانتیمتر مکعب البته دلیل مهندسی دارد. همانطوری که میبینیم، لولههای مکش به داخل سوپاپ ورودی یا همان سرسیلندر، به دو شکل طراحی شده اند. معمولا عملکرد موتورهای ژاپنی به گونهای است که اگر راننده، پای خود را از مقدار مشخصی بیشتر روی پدال گاز فشار دهد، عملکرد کاملا متفاوتی از موتور خودروی خود مشاهده میکند. دلیل این اصل را در اینجا به وضوح میتوان دید.
در حالتی که راننده پای خود را از آن مرز مذکور، بیشتر فشار ندهد، هوا از لوله انحناداری که طول آن 485 میلیمتر است وارد سیلندرهای موتور میشود اما در صورتی که توان و گشتاور بیشتری از موتور طلب کند، از لوله مشکی کوتاهتر نیز، موتور تنفس کرده و به عبارتی گویا هوای بیشتری وارد سیلندرها شده است. هوای بیشتر به معنای توانایی سوخته شدن سوخت بیشتر و لذا گشتاور و توان بالاتر است. در این مقاله، نگارنده با لوله سیاه رنگ که طول آن 325 میلیمتر است، کاری ندارد و فقط لوله 485 میلیمتری را مدل شده است. به مدل اول در کتاب مرجع اصطلاحا مدل short intake و به مدلی که ما شبیه سازی آن را انجام دادیم، مدل long intake میگویند.
