بخشی از مقاله
چکیده
گازسوز کردن خودروها و به تبع آن طراحی موتورهاي پایه گازسوز، لزوم بازنگري در طراحی اجزاء مختلف یک موتور از جمله سیستم خنک کاري را ایجاب می کند. در این پژوهش، ضمن تشریح روند طراحی سیستم خنک کاري یک موتور پایه گازسوز، به چگونگی این امر با استفاده از نرم افزارهاي تخصصی یک بعدي و سه بعدي پرداخته می شود. نتایج تحلیل شامل هندسه بهینه راهگاهها و مسیر گردش سیال خنک کننده در موتور، به همراه جانمایی بهینه تلمبه آب خواهد بود. پس از تحلیل جریان در موتور، سیستم خنک کاري خودرو نیز بصورت یک بعدي شبیه سازي شده و عملکرد آن در کل خودرو ارزیابی می گردد.
مقدمه
طراحی سامانه خنک کاري یکی از مهمترین مراحل طراحی یک موتور بوده که بصورت همزمان با سایر اجزاء و سامانه ها - چندراهه ها، سامانه هواي ورودي، محفظه احتراق، سامانه روغن کاري و ... - و با در نظر گرفتن ملاحظات عملکردي و ساختی صورت می گیرد. بگونه ایکه بتوان با یک طراحی مناسب، علاوه بر دستیابی به یک سامانه بهینه از نظر جریان، راندمان حرارتی را بهبود بخشیده و به تبع آن آلاینده ها و مصرف سوخت را کاهش داد. این امر در طراحی موتورهاي پایه گازسوز، با توجه به ملاحظات احتراقی آن، اهمیت ویژه اي پیدا خواهد کرد.
با در نظر گرفتن سامانه خنک کاري خودرو، مراحل طراحی را می توان به دو بخش موتوري و خودرویی - Internal & External - تقسیم کرد. در بخش موتوري، صرفاً راهگاه سیال از تلمبه آب و ورود به بدنه موتور تا خروج از بستار مورد تحلیل قرار می گیرد. در مراحل طراحی از هر دو ابزار شبیه سازي رایانه اي - یک بعدي و سه بعدي - و آزمون تجربی استفاده می گردد. در تحلیل یک بعدي، راهگاه سیال خنک کننده در موتور به صورت یک بعدي شبیه سازي شده و یک ارزیابی اولیه از هندسه جریان و نحوه گردش سیال ارائه خواهد شد.
در تحلیلCFD، با استفاده از نرم افزارهاي شبیه سازي، مسیر جریان بصورت سه بعدي مدل شده و تحلیل می شود. در نهایت با توجه به متغیرهاي مهم ساختی و اعمال تجربیات لازم در خصوص ضخامت جریان در نواحی مختلف موتور، در خصوص سرعت و نحوه توزیع سیال خنک کننده منتج از تحلیل، تصمیم گیري خواهد شد. ضمن اینکه می توان با مدل کردن ساختار موتور و انجام تحلیل انرژي، چگونگی توزیع دما در بدنه موتور را به دست آورد. در بخش خودرویی، همه اجزاء سامانه خنک کاري مدل شده و عملکرد آنها مورد ارزیابی قرار می گیرد.
در نهایت با استفاده از نمودارهاي عملکردي خودرو در شرایط مختلف، وضعیت کلی سامانه خنک کاري، بویژه رادیاتور، ارزیابی شده و در صورت لزوم اصلاحات مورد نیاز اعمال می گردد. در این مقاله صرفاً طراحی سامانه خنک کاري در داخل موتور مد نظر قرار گرفته که شامل تحلیل جریان در دو بخش شبیه سازي یک بعدي و سه بعدي می شود.
طراحی سامانه خنک کاري موتور در مرحله طراحی مفهومی یکی از موارد مهم در طراحی یک موتور جدید، طراحی مسیر مناسب خنک کاري و بررسی رفتار سیال خنک کننده در داخل موتور است. بگونه ایکه بتوان با صرف هزینه و زمان کم، پیش بینی مناسبی از رفتار سیال در داخل موتور ارائه کرده و الزامات طراحیِ راهگاه سیال را جهت توزیع بهتر جریان در نواحی مختلف مشخص نمود. در مرحله طراحی مفهومی، ابتدا نوع گردش سیال پیرامون استوانه ها و بستار، با در نظر گرفتن ساختار کلی موتور، ملاحظات ساختی و جانمایی و همچنین راندمان سامانه خنک کاري تعیین می شود. روشهاي موجود در موتورهاي خطی به چهار صورت است:
-1 ورود و خروج سیال از یک سمت موتور مانند موتور پیکان. در این روش، حجم بیشترسیال از استوانه هاي انتهایی وارد بستار می شود.
-2 ورود و خروج سیال در دو سمت موتور و توزیع یکنواخت سیال پیرامون استوانه ها.
-3 مشابه روش دوم با این تفاوت که از استوانه هاي یک و چهار، سیال بیشتري وارد بستار شده و مابقی از استوانه هاي دو و سه وارد می شود.
-4 مشابه روشهاي دوم و سوم، با فرق اینکه فقط از سمت دریچه هاي دود، سیال وارد بستار شده و در سمت دریچه هاي هوا، سیال از یک کانال سراسري عبور کرده و از بستار خارج می شود - جریان عرضی - .پس از انتخاب روش و تهیه مدل اولیه از راهگاه سیال موتور،تحلیل جریان به صورت یک بعدي انجام می شود. در حالیکه در مرحله طراحی جزیی - Detail Design - به صورت سه بعدي و با دقت بیشتر انجام می شود.
دلیل اصلی انجام تحلیل به روش یک بعدي، تغییرات وسیعی است که در مرحله طراحی مفهومی روي موتور انجام می گیردکه با توجه به مدت زمان کوتاه تحلیل، از این روش سود می برند. بعبارتی سرعت محاسبات و دقت مورد نیاز در این مرحله، با این روش قابل حصول خواهد بود. اما تمام پدیده ها مانند چرخش جریان و پدیده هایی از این قبیل، توسط تحلیل یک بعدي قابل بررسی نیست. لذا نیاز به تحلیل سه بعدي در مراحل بعدي طراحی وجود دارد. همچنین تعیین شرایط مرزي جهت تحلیل حرارتی نیز نیازمند تحلیل سه بعدي جریان است.
جانمایی تلمبه آب روي موتور
در طراحی تلمبه آب از مفهوم یکپارچگی - Modularity - استفاده می شود. امروزه به خاطر صرفه جویی و کاهش هزینه نیروي انسانی و همبندي قطعات در کارخانه اصلی، سعی می کنند موتور را به چند قسمت تقسیم کنند. بدینصورت که قطعاتی که قرابت خاصی در عملکرد دارند؛ یکپارچه شده و به صورت یک ماژول روي موتور نصب می شود.
بر این اساس، اجزاء تلمبه آب، خنک کن روغن و صافی روغن در یک قطعه به نام ماژول آب و روغن قرار می گیرند. لذا نیازي به تعبیه محلی براي نصب تلمبه آب روي بدنه موتور نخواهد بود. موتور مورد استفاده در این تحلیل نیز از این نوع تلمبه بهره می برد. نزدیکی و درگیري دو سیال مهم و حیاتی موتور یعنی آب و روغن، نشت بندي داخلی و خارجی این قطعه را داراي اهمیت کرده و بایستی دقت لازم در فرآیند ساخت، ماشینکاري و کاربري واشرهاي مربوطه به عمل آید. در خصوص جانمایی، بایستی پولی تلمبه آب بنحوي با حرکت موتور ارتباط گرفته و به گردش در آید تا توان مورد نیاز پمپ در شرایط مختلف از طریق موتور تأمین شود. این مرحله هم نیاز به محاسبات ، شبیه سازي وآزمون هاي زیادي لازم دارد که البته ذکر جزئیات آن از حوصله این مقاله خارج است.
نرم افزارهاي تحلیل یک بعدي و سه بعدي
جهت تحلیل یک بعدي سامانه خنک کاري از نرم افزار GT-COOL که خود یکی از بخشهاي نرم افزار GT-Suit است؛ استفاده می شود. این نرم افزار بعنوان یک ابزار پیشرفته جهت طراحی و تجزیه و تحلیل سامانه خنک کاري بویژه در موتور خودرو به شمار می رود. بعبارتی، به کمک این نرم افزار می توان کلیه مسائل مرتبط با تجزیه و تحلیل حرارتی موتور را مدیریت کرد.
از جمله قابلیتهاي آن می توان شبیه سازي دینامیک سیال بصورت یک بعدي، شبیه سازي سامانه خنک کاري موتور و خودرو بطور همزمان جهت محاسبه بارهاي حرارتی تحت شرایط مختلف، هماهنگی کامل با نرم افزار STAR-CD به منظور انجام محاسبات سه بعدي و اجراي سریع محاسبات بکمک روشهاي عددي پیشرفته را نام برد. ضمن اینکه قابلیت حل معادلات بصورت صریح را براي شرایط گذرا و پایدار داراست. علاوه بر قابلیتهاي فنی و محاسباتی، از لحاظ محیط نرم افزاري و چگونگی انجام فرآیندها نیز نرم افزار مناسبی به حساب می آید.
این نرم افزار همانند بسیاري نرم افزارهاي دیگر، داراي یک سري اجزاء - Objects - سازنده الگو بوده که هر یک معرف بخشی از سامانه مورد استفاده در تحلیل مورد نظر است. بعنوان مثال از این اجزاء می توان به تلمبه آب، شیرهاي مسیر، لوله ها، تقسیم کننده هاي جریان،خواص سیال، شیر حرارتی - ترموستات - ، محور چرخش تلمبه، مبدل حرارتی - رادیاتور - و پروانه خنک کننده اشاره نمود که با توجه به نوع مسئله، چیدمان آنها تعیین خواهد شد.
براي تحلیل سه بعدي از نرم افزارهاي Fluent و Star-CD استفاده می شود. بکمک این نرم افزارها و نرم افزارهاي کمکی جهت شبکه بندي مدل مانند Gambit و Hypermesh، جریان سیال به صورت سه بعدي تحلیل شده و ارزیابی دقیقی از نتایج حل بعمل خواهد آمد. در شبیه سازي سه بعدي موتور مورد اشاره در این مقاله، از نرم افزار Fluent استفاده شده است. مدل بکار رفته از نوع κ-ε دو معادله اي و مدل RNG ، با استفاده از روش حل ضمنی و دقت حل دوگانه - Double precision - می باشد.
