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 واردکنند و با حل معادلات عددی نسبتاً سنگین، جوابهای خوبی دریافت کنند.
هدف ما در این مقاله، مدل کردن یک موتور هشت سوپاپ بنزینی است و در قدم دوم، همین موتور به صورت شانزده سوپاپ، طراحی و شبیهسازی خواهد شد. بررسی تفاوت پارامترهای عملکردی موتور بنزینی هشت سوپاپ و شانزده سوپاپ نیز جزو اهداف این مقاله میباشد.
این شبیهسازیها در محیط نرمافزاری GT-Power انجام شده است. 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
سوپاپ در لغت به معنی دریچه است. سوپاپ یکی از قطعات قارچی شکل موتور است که روی سرسیلندر قرار میگیرد و ورود مخلوط هوا و سوخت و خروج دود را کنترل میکند. سوپاپ ها به دو نوع سوپاپ ورودی - گاز - و سوپاپ خروجی - اگزوز - دستهبندی میشوند. سوپاپهای متداول امروزی معمولاً از نوع سوپاپ قارچی شکل یا پایهدار میباشند. این سوپاپها شامل یک ساقه - که به مشابه ساقه قارچ است - و یک سه تخت و پهن - که مشابه کلاهک قارچ - میباشند. همچنین سر سوپاپ دارای یک لبه مورب است که وجه نامیده میشود.
همچنین محل قرارگیری سوپاپ که معمولا در کف سرسیلندر و گاها در خود سیلندر قرار دارد نیز دارای یک لبه به نام نشیمنگاه است که به سیت سوپاپ مشهور است. در انتهای دیگر سوپاپ یعنی بر روی ساقه آن یک یا بعضاً دو فنر قوی قرار دارد که بوسیله یک نگهدارنده و دو عدد خار به انتهای سوپاپ محکم شدهاند. فنر سوپاپ موجب میگردد تا وجه سوپاپ بر روی نشیمنگاه سوپاپ محکم نگهداشته شده و بدین ترتیب از هر گونه نشتی در زمانهای تراکم و قدرت جلوگیری شود. زاویه رایج برای وجه و نشیمنگاه سوپاپ 45 درجه است اما برای سوپاپهای هوا گاهی از زاویه 30 درجه نیز استفاده میشود.
سوپاپها را معمولاً در داخل قالبهای مخصوص با روش آهنگری میسازند و به وسیله عملیات حرارتی مخصوص سختی آنها را به مقدار لازم بالا میبرند تا در برابر حرارت و فشار محفظه احتراق مقاومت لازم را داشته باشد سپس به کمک فرز کاری و پرداخت شکل نهایی آن را کامل و آماده نصب میکنند. شکل 1 شماتیکی از سوپاپ ورودی - گاز - و سوپاپ خروجی - دود - را نشان میدهد. همانطور که میدانیم، برای حفظ راندمان حجمی مطلوب موتور و جلوگیری از اتلافات ناشی از افت فشار، طراحان خودرویی سطح مقطع سوپاپ گاز را کمی بزرگتر از سوپاپ دود در نظر میگیرند. در شکل 1 نیز سوپاپ مشکی رنگ، مربوط به منیفولد ورودی و سوپاپ خاکستری متعلق به منیفولد خروجی است.
شکل -1 شماتیک سوپاپ ورودی و خروجی در موتور احتراق داخلی
.2 زمانبندی باز و بسته شدن سوپاپ
محل زمانبندی و تنظیم زمانهای باز شدن یا بسته ماندن سوپاپها را قطعهای به نام میل بادامک انجام میدهد. این میله با توجه به ساختار و شکل برجستگیهای روی آن - بادامکها - تعیین میکند که سوپاپها میبایست در چه زمانی باز شده و پس از آن بسته شوند. همچنین تعیین میکند که بسته ماندن سوپاپها میبایست تا کی ادامه پیدا کند. همانگونه که ذکر شد حرکاتِ باز و بسته شدن سوپاپها میبایست با حرکات بالا و پایین رفتن پیستون در سیلندر، کاملاً هماهنگ باشد. برای تامین کردن این هماهنگی در ساختمان موتورها، میل بادامکها را در ارتباط ثابت و همیشگی با میللنگ نگه میدارند. شکل 2 شماتیکی از هندسه و مکان قرار گیری میل بادامک را به نمایش میگذارد.
شکل -2 شماتیک محل قرار گیری میل بادامک در موتور احتراقی شانزده سوپاپ
از آنجا که میللنگ تحت تاثیر حرکات بالا و پایین پیستون میچرخد از اینرو حرکت میل بادامک به خودی خود با حرکت پیستون هماهنگ میشود. این هماهنگی باعث میشود تا در لحظه پایین آمدن در ابتدای کورس خود، به منظور مکش هوا به داخل سیلندر میل بادامک سوپاپ هوا را باز کند . این کار تا زمانی ادامه مییابد که پیستون شروع به متراکم ساختن هوای ورودی کند در این زمان سوپاپ هوا و سوپاپ دود هر دو بسته شدهاند.
بسته بودن سوپاپ تا پایان مرحله قدرت ادامه پیدا میکند در این لحظه با شروع حرکت رو به بالای پیستون، سوپاپ دود هم باز شده و تا رسیدن پیستون به نقطه مرگ بالا باز میماند . پس از آن سیکل آغاز میشود. همانطوری که میدانیم، بین نسبت چرخش زاویهای میل لنگ و میل سوپاپ نسبت دو به یک برقرار است بدین معنی که اگر یک سیکل کامل موتور در 720 درجه انجام شود، یک کورس کامل میل بادامک، در 360 درجه اتفاق میافتد. در شکل 3 میتوان تسمه تایم را به وضوح دید و ملاحظه کرد که چگونه این تسمه پلاستیکی ارتباط بین میل لنگ و میل بادامک را برقرار میکند.
شکل -3 نقش تسمه تایم به عنوان ارتباط دهنده میل لنگ با میل بادامک
