بخشی از مقاله
چکیده
عملیات خنککاری در موتورملی، درنتیجه ورود سیال خنککاری به بدنه و به موازات ورود آن به بستار از طریق راهگاههای اطراف استوانهها اتفاق می افتد که همین امر باعث افت عملکرد سامانه خنککاری در بستار به دلیل پیش گرم شدن سیال در بدنه و افزایش مصرف سوخت و انتشار آلاینده ها در حالت راه اندازی سرد بدلیل دیر گرم شدن موتور خواهد شد. یک روش برای حل این مشکل، خنککاری جداگانه بدنه و بستار میباشد. در این تحقیق به منظور بررسی اثر توزیع شارجریان دربخش های مختلف سامانه خنک کاری جداگانه بدنه و بستار، از دو زیرمجموعههای نرمافزار GT-SUITE، GT-POWER و GT-COOL بهصورت همزمان استفاده شده است.
برای این منظور، ابتدا سامانه خنککاری موتور EF7 تنفس طبیعی با سامان خنک کاری جداگانه در نرمافزار GT-COOL مدلسازی و با سامانه عملکرد موتور در نرمافزار GT-POWER بهصورت همزمان شبیهسازی شده است . سپس نتایج افت فشار در راهگاه آب موتور و شارجریان با نتایج حاصل از آزمون خنککاری صحهگذاری شده است و باتوجه بدست آوردن شرایط مرزی از شبیه سازی یک بعدی در نهایت به بررسی اثرات سه بعدی جریان در راهگاه آب برای دو مدل پایه و خنک کاری جداگانه با استفاده از نرم افزار فلوئنت پرداخته شده است.
مقدمه
سامانه خنک کاری موتور احتراق داخلی بهگونهای طراحی میشود که دفع حرارت در بدترین شرایط کارکرد موتور یعنی بار کامل در بیشینه دور موتور را تضمین نماید. حال آنکه این شرایط تنها حدود پنج درصد زمان استفاده وسیله نقلیه را شامل میشود. این رویکرد باعث افزایش مصرف سوخت میشود که با مدیریت سامانه حرارتی میتواند بهبود پیدا کند
دمای سیال خنک کاری بهطور مستقیم بر دمای بدنه و عملکرد موتور تأثیر می گذارد. مصرف سوخت، بازده موتور وجود آلایندههایی نظیر CO، HC، NOx و اصطکاک تحت تأثیر دمای سامانه خنک کاری موتور می باشد . بیشتر مطالعات و آزمایشهایی که در گذشته درزمینه سامانه خنک کاری موتور انجامشده به بهبود توان موتور و کاهش آلایندهها از طریق کاهش خنک کاری - افزایش دمای سامانه خنک کاری - انجامشده است.[3-1] به علاوه کاهش خنک کاری در موتور از طریق کاهش دبی جریان سیال خنک کننده می تواند توان مورد نیاز برای پمپ را کاهش دهد. کربن و اکسیژن برای انجام واکنش کامل و تبدیل به CO2 به دمای بالا احتیاج دارند. در اثر کاهش دما در طی فرآیند انبساط کربن و اکسیژن بهطور ناقص واکنش داده و CO تولید می شود. HC نیز حاصل احتراق ناقص در نواحی بسیار غنی و یا بسیار فقیر است
کاهش زمان گرم شدن موتور و رسیدن به حالت پایا از مزایای افزایش دمای سامانه خنک کاری می باشد. کاهش خنک کاری موتور همچنین باعث کاهش لزجت روغن، افزایش روان کاری و کاهش تلفات توانی ناشی از اصطکاک می شود.[5] این اثرات بر روی موتورهای بنزینی به دلیل دمای پایینتر روغن بالاتر بودن آلایندههای CO و HC نسبت به موتورهای دیزل بیشتر می باشد
در سامانه خنک کننده ی معمول، به دلیل ارتباط میان راهگاه های خنک کاری بدنه و بستار موتور خنک کاری بدنه بیش از حد لازم انجام میشود تا دبی سیال خنککننده از افزایش دمای بیش از حد بستار جلوگیری کند. زیرا میتواند باعث اثرهایی چون سوختن واشر بستار شود. دمای پایین سیال خنک کننده در بدنه، باعث کاهش دمای گازهای حاصل از احتراق و افزایش آلایندههایی نظیر HC و CO و کاهش توان موتور می شود.
به همین دلیل بهتر است تا حد ممکن دمای بدنه افزایش پیدا کند تا آلایندههایی نظیر مونوکسید کربن و هیدروکربن نسوخته کاهش پیدا کند و دمای بستار تا حدی کاهش پیدا کند تا اکسیدهای نیتروژن نیز، کاهش پیدا کند. برای کنترل دمای بدنه و بستار موتور، بهعنوان یک راهکار میتوان خنک کاری بدنه و بستار بهطور جداگانه انجام گیرد. که باعث میشود میزان خنک کاری بدنه و بستار موتور را بهصورت مجزا کنترل کرد. این روش مزایای بسیاری را در کاهش آلایندهها و کاهش مصرف سوخت ویژه به همراه دارد. در فاصله زمانی پاشش و احتراق خود به خودی در موتورهای دیزل قطرات سوخت بخار شده و با هوا مخلوط قابل اشتعال تولید میکند.
از آنجایی که تبخیر و اشتعال خود به خودی فرآیندهایی هستند که با دما کنترل می شوند، کاهش دمای سیال خنک کاری تأخیر در اشتعال را افزایش می دهد .[8] کاهش دمای سیال خنک کاری باعث کاهش دمای دیوار محفظه احتراق و درنتیجه افزایش HC می شود. در سوی دیگر، افزایش دما در بستار تأثیر منفی در آلاینده NOx دارد. چراکه تشکیل ناکس حساسیت زیادی به تغییرات دمای محفظه احتراق دارد. از آنجایی که در سامانه خنک کاری معمول کنترل جداگانه دمای بدنه و بستار موتور امکانپذیر نمی باشد، بنابراین کنترل دما و کاهش تمامی آلایندهها میسر نیست. دو اشکال عمده در سامانههای خنک کاری معمولی وجود دارد. اول اینکه حجم زیاد سیال خنککننده در این سامانه موجب افزایش زمان گرم شدن موتور میشود، دوم اینکه وقتی موتور در حالت بار جزئی عمل مینماید، سامانه خنک کاری باعث دفع حرارت بیش از مقدار لازم موتور میشود .
برای غلبه بر این مشکلات نیاز به یک سامانه خنک کاری پیشرفته است که هدف عمده آن ایجاد توزیع بر اساس بهرهگیری از بیشترین مقدار توان حرارتی و کمترین آسیب به قطعات در موتور میباشد. روشهای مدیریت هوشمند خنک کاری مانند استفاده از ترموستات و پمپ آب برقی، خنک کاری با در نظر گرفتن پدیده جوشش، خنک کاری دقیق و مدار خنک کاری جداگانه بدنه و بستار موتور راه حل مناسبی برای کنترل خنک کاری موتور میباشد.
با توجه به اینکه بر اساس نتایج حاصل از آزمونهای پایش آلایندههای خروجی موتور، بیشترین مقدار آلایندههای موتور در حالت راهاندازی سرد ایجاد میشود با استفاده از سامانه خنک کاری جداگانه میتوان کاهش چشمگیری در گرمایش موتور و آلایندههای تولید با یک هزینه بسیار کم در مقایسه با سایر روشها داشت. در این تحقیق اثر خنک کاری جداگانه بدنه و بستار با استفاده از دو دمابان روی توزیع شار جریان و اختلاف دمای بین ورودی وخروجی موتور نسبت به موتور مبنا بوسیله شبیه سازی یک بعدی مورد بررسی قرارگرفته است. سپس با استفاده از نتایج حاصل از شبیه سازی یک بعدی برای تعریف شرایط مرزی و بررسی اثرات سه بعدی جریان از نزم افزار فلوئنت استفاده شده است.
سامانه خنک کاری جداگانه بدنه و بستار
در این سامانه پیشنهادی موردمطالعه، خنک کاری بدنه و بستار موتور، توسط ورود و خروج جداگانه سیال خنک کننده به بدنه و بستار انجام می گیرد. بهاینترتیب، دمای بدنه و بستار موتور بوسیله دمابان که در خروجی بدنه و بستار نصب می شود، کنترل می گردد. در این شرایط، افزایش جداگانه دمای سیال خنک کننده در بدنه موتور، باعث کاهش تولید آلایندههای HC و CO، کاهش لزجت روغن و کاهش مصرف سوخت ویژه می شود. همچنین افزایش دمای بدنه باعث انبساط بیشتر پیستون و کاهش فاصله بین پیستون و دیوار سیلندر می شود. این امر سبب می شود که هیدروکربن نسوخته که در فاصله بین پیستون و دیوار سیلندر حبس می شود، کاهش یابد
در سوی دیگر کاهش جداگانه دمای سیال خنک کننده در بستار باعث کاهش تولید آلاینده NOx، افزایش چگالی هوای ورودی و درنتیجه افزایش بازده موتور می شود. خنک کاری جداگانه بدنه و بستار موتور همچنین باعث بهبود زمان گرم شدن موتور از حالت استارت سرد میگردد. شکل 1 شمایی از یک سامانه خنک کاری جداگانه با استفاده از دو دمابان که در موتور فورد اکوبوست مورداستفاده قرارگرفته است را نشان میدهد.
شکل - 1 شماتیکی از سامانه خنک کاری جداگانه مورداستفاده در موتور فورد 1 لیتری اکوبوست
با توجه به شرایط عملکردی سامانههای خنک کاری دوگانه، ایده ای که سریع به نظر میرسد، معکوس نمودن مسیر جریان خنک کاری در سامانههای خنک کاری معمول است ب11ب. به این ترتیب که جریان سیال ابتدا وارد بستار و سپس وارد بدنه موتور شود که در این صورت سیال در بستار، دمای کمتر و در بدنه موتور دمای بیشتری را داراست. در این حالت شرایطی شبیه به شرایط سامانههای خنک کاری دوگانه به وجود میآید، اما این سامانه در عمل دارای مشکلاتی میباشد:
-1 به دلیل حرکت سیال از بالا به پائین در راهگاههای ارتباطی بین بستار و بدنه موتور، در صورت تبخیر مایع خنک کننده و تشکیل حباب در مسیر، حرکت سیال در جهت عکس حرکت حبابها انجام میشود؛ که این مسئله امکان به جمع شدن بخار در بعضی نقاط را به وجود میآورد و در این صورت امکان افزایش موضعی دما در آن نقاط وجود خواهد داشت.
-2 به دلیل وجود مساله انتقال حرارت بهوسیله جابجایی آزاد، جهت حرکت اجباری سیال که ناشی از اختلاف فشار ایجاد شده توسط پمپ آب است، در جهت عکس نیروی وارده به سیال در اثر پدیده جابجایی آزاد خواهد شد. این مسئله نیاز به ایجاد اختلاف فشار بیشتر در دو طرف پمپ آب ایجاد مینماید. درنتیجه توان مصرفی پمپ آب افزایش پیدا میکند. بنابراین با توجه به مطالعات انجام شده در انواع سامانه های خنک کاری، سامانه خنک کاری دوگانه از اهمیت ویژهای برای مطالعه برخوردار میباشد.
اکثر مطالعاتی که بر روی سامانه خنک کاری موتور و بهبود آن صورت گرفته به کاهش آلایندهها، افزایش توان و کاهش مصرف سوخت ویژه اشاره دارد. این امر در سامانه خنک کاری جداگانه با افزایش دما در بدنه و کاهش دما در بستار، محقق می شود.
راس و همکارانش [15]، در آزمایشی بر روی یک موتور تک سیلندر دو سوپاپ، با مدار خنک کننده مستقل برای بدنه و بستار، تأثیر افزایش دما را بر کاهش تولید HC مورد بررسی قرار دادهاند. آزمایش با دو نوع سوخت متفاوت و بصورت جاده ای انجام پذیرفته است. در این آزمایش دمای سیال خنک کننده بستار و بدنه موتور بهطور جداگانه از دمای 71 تا 110 درجهی سانتیگراد افزایش یافت. و در زمان افزایش دمای بستار، دمای بدنه ثابت نگه داشته شد و در زمان افزایش دمای بدنه، دمای بستار ثابت نگه داشته شد و سپس به بررسی مقدار آلاینده هیدروکربن نسوخته در هریک از بخش ها به صورت جداگانه با سوخت مرجع ایزوپنتان پرداخته شد که نتایج نشان دهنده کاهش هیدروکربن نسوخته از1500 ppmبه 1200 برای بستار و کاهش کمتر آلاینده هیدروکربن از 1400 ppm به 1300 برای بدنه در مقایسه با بستار بود.
سارویا و همکارانش [16] تغییرات HC، CO و BSFC را در موتور بررسی کردند. در این آزمایش، برای جلوگیری از ورود سیال خنک کننده به بستار، از یک صفحه فلزی در فضای بین بستار و بدنه موتور استفاده شد. به این ترتیب ورودی سیال خنک کننده به داخل بدنه موتور، همان ورودی اصلی و خروجی آن در 100 میلیمتر بالاتر از نقطه مرگ پایین، تعبیه شده بود. در بارهای مختلف موتور، سرعت موتور در مقدار ثابت 1500 دور بر دقیقه نگاه داشته شد. آنها نشان دادند که با استفاده ار سامانه خنک کاری جداگانه در تمامی بارها بغیر از 5 و 85 درصد کاهش حدود20 درصدی در مصرف سوخت ویژه را بهمراه دارد و همچنین کاهش حدود 30 درصدی را در آلاینده مونوکسیدکربن و کاهش 17 درصدی آلاینده هیدروکربن نسوخته را به همراه دارد.
کبایاشی و همکارانشب17ب، سامانه خنک کاری جداگانه را در یک موتور 1/3 لیتری چهار سیلندر SI، مورد بررسی قرار دادند. در این آزمایش، افزایش دمای سیال خنک کننده بدنه موتور از 80 به 95 درجه سانتیگراد، باعث کاهش گشتاور اصطکاکی به میزان 4 درصد شد. همچنین کاهش دمای سیال خنککننده بستار از 80 به 50 درجه سانتیگراد، باعث افزایش HC به میزان % 10 گزارش شد. فینلای و همکارانش19] و [18، سامانه خنک کاری جداگانه را برای یک موتور 1/1 لیتری چهار سیلندر SI استفاده کردند. آنها نشان دادند، افزایش دمای سیال خنک کننده تا 100 درجه سانتیگراد، مصرف سوخت ویژه را % 6 -4 کاهش می دهد. همچنین، HC نیز به میزان 35 -20 % کاهش می یابد، اما NOx به میزان %35-20 افزایش می یابد.
