دانشکده مهندسي مکانيک
رساله دکتري
گرايش تبديل انرژی
تحليل و اصلاح راهگاه خنک‌کاری موتور EF7
نگارش:
علی قاسميان مقدم
استاد راهنما:
دکتر علی کشاورز وليان
خرداد 1394
دانشکده مهندسي مکانيک
رساله دکتري
گرايش تبديل انرژی
تحليل و اصلاح راهگاه خنک‌کاری موتور EF7
نگارش:
علی قاسميان مقدم
استاد راهنما:
دکتر علی کشاورز وليان
خرداد 1394
تاسيس 1307
دانشگاه صنعتي خواجه نصيرالدين طوسيتأييديه هيأت داورانشماره:
تاريخ:هيأت داوران پس از مطالعه پايان‌نامه و شرکت در جلسه دفاع از پايان‌نامه تهيه شده تحت عنوان :
تحليل و اصلاح راهگاه خنک‌کاری موتور EF7
توسط علی قاسميان مقدم صحت و کفايت تحقيق انجام شده را براي اخذ درجه دکتری رشته مهندسي مكانيك – تبديل انرژی در تاريخ 27/3/1394 مورد تأييد قرار دادند.1- استاد راهنماجناب آقاي دکتر علی کشاورز وليانامضاء2- استاد ممتحن جناب آقاي دکتر مسعود ضياء بشرحقامضاء3- استاد ممتحن جناب آقاي دکتر سيد علی جزايریامضاء3- استاد ممتحن جناب آقاي دکتر سيد محمد رضا مدرس رضویامضاء3- استاد ممتحن جناب آقاي دکتر سيد مصطفی حسينعلی پورامضاء6- نماينده تحصيلات تکميلي دانشکدهجناب آقاي دکتر علی شکوه‌فرامضاء
تاسيس 1307
دانشگاه صنعتي خواجه نصيرالدين طوسياظهار نامه دانشجو
شماره:
تاريخ:
اينجانب علی قاسميان مقدم دانشجوي دکتری رشته مهندسي مکانيک- تبديل انرژی دانشکده مهندسي مکانيک دانشگاه صنعتي خواجه نصيرالدين طوسي گواهي مي‌نمايم که تحقيقات ارائه شده در پايان‌نامه با عنوان:
تحليل و اصلاح راهگاه خنک‌کاری موتور EF7
با راهنمايي استاد محترم جناب آقاي دکتر علی کشاورز وليان توسط شخص اينجانب انجام شده و صحت و اصالت مطالب نگارش شده در اين پايان‌نامه مورد تأييد مي‌باشد، و در مورد استفاده از کار ديگر محققان به مرجع مورد استفاده اشاره شده است. بعلاوه گواهي مي‌نمايم که مطالب مندرج در پاياننامه تاکنون براي دريافت هيچ نوع مدرک يا امتيازي توسط اينجانب يا فرد ديگري در هيچ جا ارائه نشده است و در تدوين متن پايان‌نامه چارچوب (فرمت) مصوب دانشگاه را بطور کامل رعايت کرده‌ام.
امضاء دانشجو:
تاريخ:
حق طبع، نشر و مالکيت نتايج
1- حق چاپ و تکثير اين پايان‌نامه متعلق به نويسنده و استاد/اساتيد راهنماي آن مي‌باشد. هرگونه کپي برداري بصورت کل پايان‌نامه يا بخشي از آن تنها با موافقت نويسنده يا استاد/اساتيد راهنما يا کتابخانه دانشکده مهندسي مکانيک دانشگاه صنعتي خواجه نصيرالدين طوسي مجاز مي‌باشد.
2- کليه حقوق معنوي اين اثر متعلق به دانشگاه صنعتي خواجه نصيرالدين طوسي مي‌باشد و بدون اجازه کتبي دانشگاه به شخص ثالث قابل واگذاري نيست.
3- استفاده از اطلاعات و نتايج موجود پايان نامه بدون ذکر مرجع مجاز نمي‌باشد.
سلام بر آن‌هایی که زیباترین جلوات عشق را با تابلوی خون پیشانی خود به تصویر کشیدند.
سلام بر همه‌ی فارغ‌التحصیلان مکتب حضرت روح‌الله (ره)
تقدیم به پنج فاتح قله‌ی علم و ایمان
شهید دکتر مصطفی چمران
شهید دکتر مسعود علیمحمدی
شهید دکتر مجید شهریاری
شهید مهندس مصطفی احمدی روشن
شهید دکتر داریوش رضایی‌نژاد
تشکر و قدردانی
حمد و ثنا تنها خداوندی را سزاست که تن خاکی را جان بخشید و برترین مخلوق خود عقل و اندیشه را در آن به ودیعت گذاشت.
سپاس و شکر از دو وجود مقدس، پدر و مادر که زندگی را به من هدیه کردند. پدر و مادر عزیزم؛ چشم‌های نگران‌تان که به دنبال من به در ماندند، شمع وجود پرخیر و برکت‌تان که به‌پای من کم‌فروغ گشتند و قلب ‌ها و لب ‌های‌ پرمهرتان که همواره برای موفقیت من تپیدند و دعا کردند را هیچگاه از خاطر نخواهم برد.
بدون شک این رساله بدون حمایت‌ها و کمک‌های دو تن به سرانجام نمی‌رسید
ابتدا از استاد ارجمندم جناب آقای دکتر علی کشاورز کمال قدردانی و تشکر را دارم که با دانش فروزنده خود مسیر تاریک پیش رویم را روشنی بخشید. او که در بزنگاه‌های خستگی و نومیدی با سعه‌ی صدر و گشاده‌رویی خویش، علاوه بر ارشادات راهگشای علمی، درس استقامت و خستگی‌ناپذیری را به این شاگرد کوچک خود تدریس می‌نمود.
از همسر عزیزم از صمیم قلب سپاسگزارم. همو که لبخند‌ و نگاهش هر روز بدرقه راهم بود و شکیبایی، بردباری، همدلی و فداکاری عاشقانه‌اش حین مشکلات موجب می‌شد تا انگیزه‌ی حرکت و تلاش هماره در وجودم بجوشد.
در پایان لازم می‌دانم از کمک‌های آقایان مهندس مهدی رجبعلی، دکتر آرش محمدی و دکتر ایمان چیت‌ساز در مرکز تحقیقات موتور ایرانخودرو و همچنین خانم مهندس مریم اسفندیاری و آقایان مهندس مهدی کاظمی، و مهندس حامد ستوده نیز تشکر نمایم.
چکیده
یکی از مهمترین مباحث مطرح در موتورهای احتراق داخلی، مبحث انتقال حرارت در آن‌هاست؛ چرا که تقریباً یک‌سوم از انرژی تولید شده در داخل محفظه‌ی احتراق از طریق خنک‌کاری موتور از آن خارج می‌شود. انتقال حرارت موتورهای احتراق داخلی از جنبه‌های گوناگونی از جمله محافظت از مواد به کار رفته در بخش‌های حساس موتور در مقابل ذوب شدن و یا تغییر شکل حائز اهمیت است. از جمله مناطق حساس موتور که بواسطه‌ی شار حرارتی بالا در معرض خطر هستند ناحیه‌ی بین سوپاپ‌های دود و اطراف شمع است. عدم خنک‌کاری مناسب در این نواحی می‌تواند با ایجاد تغییر شکل در نشیمنگاه سوپاپ دود منجر به نشتی گاز از محفظه احتراق و در نتیجه افت توان و گشتاور موتور گردد. هدف این رساله بررسی سیستم خنک‌کاری موجود موتور ملی EF7 و اصلاح خنک‌کاری نامناسب در اطراف سوپاپ دود در این موتور است که در مواردی به اعوجاج نشیمنگاه سوپاپ دود منجر شده است. در این راستا ابتدا یک تحلیل جریانی یک‌بعدی و سه بعدی و سپس یک تحلیل حرارتی سه‌بعدی از جریان خنک‌کننده در راهگاه موتور صورت گرفت. به منظور اطمینان از حل عددی جریان در راهگاه موتور از روش تجربی PIV1 استفاده گردید. در روش PIV بکار گرفته شده از یک سرسیلندر شفاف از جنس Plexy glass و دوربین پرسرعت برای مشاهده و اندازه‌گیری سرعت در راهگاه‌های آب سرسیلندر موتور بهره گرفته شد. در راستای حل مشکل خنک‌کاری مطرح شده دو راهکار در این رساله ارائه گردید. راهکار اول تغییر هندسه جریان با استفاده از تغییر الگوی ورود و خروج خنک‌کننده است و راهکار دوم استفاده‌ی مؤثر از پدیده جوشش در راهگاه خنک‌کاری موتور. در راهکار اول پیشنهادی سه استراتژی متفاوت برای الگوی ورود و خروج خنک‌کننده ارائه گردید. مقایسه سرعت‌ خنک‌کننده در نقاط حساس خنک‌کاری در هر سه استراتژی نشان داد که استراتژی اول بدون نیاز به صرف هزینه‌ی زیاد، با کمترین تغییرات لازم و امکان عملی شدن2 بالا می‌تواند اهداف مورد نظر خنک‌کاری را ارضا نماید. در مبحث استفاده از جوشش ابتدا یک دستگاه آزمایشی ساخته شد که قابلیت ایجاد شارهای حرارتی بالا که در موتور اتفاق می‌افتد را دارا بود. با استفاده از این دستگاه شرایط وقوع پدیده جوشش جریانی در موتور شبیه‌سازی شد. سپس بر اساس داده‌های تجربی استخراج شده از این دستگاه رابطه‌ی دقیقی برای مدلسازی انتقال حرارت جوشش استخراج گردید. در این مرحله شار حرارتی گذرنده از نواحی مختلف راهگاه آب با استفاده از شبیه‌سازی عددی و حل حرارتی سه‌بعدی جریان در داخل راهگاه خنک‌کاری به‌دست آمد. با در دست داشتن شارهای حرارتی و رابطه‌ی انتقال حرارت جوشش سرعت لازم برای استفاده از پتانسیل‌های جوشش در انتقال حرارت استخراج گردید. اگرچه آزمایشات و محاسبات انجام شده حاکی از پتانسیل بالای پدیده‌ی جوشش در افزایش ضریب انتقال حرارت و دفع حرارت از نقاط بحرانی موتور است اما پیاده کردن آن در این موتور زمانی کارآیی لازم را خواهد داشت که یک بازنگری کلی در مسیر خنک‌کاری صورت گیرد که مستلزم صرف هزینه‌ی قابل توجهی است.
فهرست مطالب
عنوانصفحه
فهرست اشکالش‌
فهرست جداولع‌
فهرست علائمغ‌
فصل اول: دیباچه1
1-1- اهمیت انتقال حرارت در موتورهای احتراق داخلی2
1-2- روش‌های بهبود عملکرد سامانه‌ی خنک‌کاری3
فصل دوم: پیشینه مطالعات6
2-1- مقدمه7
2-2- تغییر هندسه‌ی جریان7
2-3- پیشینه‌ی مطالعات خنک‌کاری دقیق9
2-4- جوشش20
2-5- پیشینه‌ی مطالعات جوشش در موتورهای احتراق داخلی25
فصل سوم: مطالعات تجربی46
3-1- مقدمه47
3-2- دستگاه آزمایشگاهی جوشش47
3-2-1- مخزن48
3-2-2- گرمکن مخزن48
3-2-3- پمپ49
3-2-4- شیر سه‌راهه49
3-2-5- فشار سنج49
3-2-6- کانال50
3-2-7 روتامتر50
3-2-8 کویل مسی51
3-2-9- بخش مورد آزمایش51
3-2-10- بلوک مسی52
3-2-11- گرمکن استوانه‌ای52
3-2-12- عایق PTFE52
3-2-13- روغن انتقال حرارت53
3-2-14- رئوستا53
3-2-15- ترموکوپل54
3-2-16- سیتم داده بردار54
3-2-17- سمباده54
3-2-18- زبری سنج55
3-2-19- رله وکنترلر56
3-3- نتایج دستگاه جوشش جریانی57
3-3-1- نمودارهای تجربی انتقال حرارت جوشش57
3-3-2- آنالیز خطا61
3-4- مطالعه آزمایشگاهی حرکت سیال با استفاده از روش PIV62
3-4-1- آشنایی با روش PIV63
3-4-2- اجزای به‌کار رفته در آزمایش PIV برای سرسیلندر موتور احتراق داخلی65
3-4-3- نقاط اندازه‌گیری شده‌ی سرعت در سرسیلندر69
3-4-4- تحلیل و اندازه گیری سرعت با استفاده از روش PIV70
فصل چهارم: شبیه‌سازی عددی73
4-1- مقدمه74
4-2- شبیه‌سازی عددی جوشش جریانی مادون سرد74
4-2-1- روش چن75
4-2-2- روش BDL76
4-2-3- ضریب انتقال حرارت جابه‌جایی اجباری خالص، hfc82
4-2-4- ضریب انتقال حرارت جوشش هسته‌ای، hnb83
4-3- شبیه‌سازی یک‌بعدی جریان خنک‌کننده در راهگاه خنک‌کاری موتور92
4-4- شبیه‌سازی سه‌بعدی جریان خنک‌کننده در راهگاه خنک‌کاری موتور96
4-4-1- شبیه‌سازی جریانی خنک‌کننده در راهگاه موتور96
4-4-2- شبیه‌سازی حرارتی جریان خنک‌کننده در راهگاه خنک‌کاری موتور105
فصل پنجم: راهکارهای بهبود خنک‌کاری113
5-1- مقدمه114
5-2- ارائه‌ی روش‌هایی در راستای رسیدن به خنک‌کاری یکنواخت در موتور114
5-2-1- روش تغییر الگوی ورودی و خروجی خنک‌کننده114
5-2-2- استفاده از رژیم جوشش جریانی به منظور افزایش ضریب انتقال حرارت119
فصل ششم: جمع‌بندی و نتیجه گیری129
6-1- جمع‌بندی و نتیجه‌گیری130
6-2- نوآوری‌ها132
6-3- پیشنهادها برای ادامه کار133
6-4- محصولات علمی ارائه شده134
منابع و مآخذ136
فهرست اشکال
شکل 2- 1: خنک‌کاری دقیق به‌کار رفته در کار پرید و اندرتون [4]9
شکل 2- 2: رابطه‌ی بین شار حرارتی و سرعت سطح برای حالت شروع جوشش هسته‌ای [10]14
شکل 2- 3: طرح جدید مسیرهای خنک‌کاری در سرسیلندر خنک‌کاری دقیق [10]16
شکل 2- 4: مقایسه‌ی مقادیر سرعت‌های طراحی و اندازه‌گیری شده در سرسیلندر خنک‌کاری دقیق [10]16
شکل 2- 5: (الف) جریان کلی خنک‌کننده در سرسیلندر موتور استاندارد، (ب) جریان کلی خنک‌کننده در سرسیلندر خنک‌کاری دقیق [12]17
شکل 2- 6: مدار خنک‌کاری فواره‌ای [13]20
شکل 2- 7: تغییرات دمای دیواره و دمای متوسط سیال در پدیده‌ی جوشش جریانی [14]22
شکل 2- 8: رژیم‌های متفاوت جوشش [15]23
شکل 2- 9: نمودار شار حرارتی بر حسب دمای سطح برای سرعت‌های مختلف [14]23
شکل 2- 10: تغییرات شار حرارتی و ضریب انتقال حرارت جابجایی بر حسب دمای دیواره در رژیم‌های متفاوت جوشش [17]25
شکل 2- 11: رابطه‌ی دمای سطح و شار حرارتی در فشار bar2 و سرعت m/s5.5 برای یک سطح مسی به ازای افت فشار ثابت [11]27
شکل 2- 12: رابطه‌ی دمای سطح و شار حرارتی در فشار bar2 و سرعت m/s3 برای یک سطح مسی به ازای افت فشار ثابت [11]27
شکل 2- 13: رابطه‌ی دمای سطح و شار حرارتی در فشار bar2 و سرعت m/s4/1 برای یک سطح مسی به ازای افت فشار ثابت [11]27
شکل 2- 14: رابطه‌ی دمای سطح و شار حرارتی در فشار bar2 و سرعت m/s7/0 برای یک سطح مسی به ازای افت فشار ثابت [11]27
شکل 2- 15: مناطق حساس حرارتی سرسیلندر در مطالعه‌ی نوریس [6]28
شکل 2- 16: دستگاه به‌کاررفته در کار کمپل برای شبیه‌سازی جوشش در موتورهای احتراق داخلی [16]29
شکل 2- 17: تأثیر سرعت بر روی نمودار جوشش در فشار bar2، دمای ورودی C°90 برای یک سطح آلمینیومی [18]32
شکل 2- 18: تأثیر فشار بر روی نمودار جوشش، دمای ورودی C°90 و سرعت ورودی m/s25/0 [18]32
شکل 2- 19: تأثیر فشار بر روی نمودار جوشش، دمای ورودی C°60 و سرعت ورودی m/s25/0 [18]32
شکل 2- 20:تأثیر دما‌های ورودی مختلف بر نمودار جوشش به ازای فشار bar2 و سرعت m/s1 [18]32
شکل 2- 21: نقشه‌ی تعیین سرعت خنک‌کننده بر حسب شار حرارتی و دمای سطح [21]33
شکل 2- 22: شماتیک دستگاه به‌کار رفته در کار اشتاینر و همکاران [22]34
شکل 2- 23: بخش آزمون دستگاه آزمایشگاهی اشتاینر و همکاران [22]34
شکل 2- 24: نمودار جوشش جریانی در فشار bar5/1 و سه سرعت مختلف؛ خط کامل (— ) روش BDL، خط چین (- – – -) روش چن، اندازه‌گیری (•)[22]34
شکل 2- 25: نمودار جوشش جریانی در فشار bar2 و سه سرعت مختلف؛ خط کامل (— ) روش BDL، خط چین (- – – -) روش چن، (•) اندازه‌گیری [22]34
شکل 2- 26: محل کاشت ترموکوپل‌ها بر روی سرسیلندر موتور [23]35
شکل 2- 27: مقایسه‌ی منحنی شار حرارتی بر حسب دما برای اطلاعات موتور در دور rpm3000 و داده‌های تجربی بخش آزمون [23]36
شکل 2- 28: مقایسه‌ی منحنی شار حرارتی بر حسب دما برای اطلاعات موتور در دور rpm5600 و داده‌های تجربی بخش آزمون [23]36
شکل 2- 29: مقایسه‌ی نتایج تجربی و مدل چن در فشار های مختلف، سرعت ورودی m/s5/0 و دمای ورودی C°8/98 [26]39
شکل 2- 30: مقایسه‌ی نتایج تجربی و مدل چن در سرعت‌های مختلف، فشار bar82/1 و دمای ورودی C°8/98 [26]39
شکل 3- 1: شماتیک دستگاه ساخته شده برای آزمایش شاخصه‌های جوشش جریانی مادون سرد48
شکل 3- 2: مخزن49
شکل 3- 3: گرمکن مخزن49
شکل 3- 4: پمپ49
شکل 3- 5: شیر سه‌راهه49
شکل 3- 6: فشار سنج50
شکل 3- 7: کانال50
شکل 3- 8: روتامتر52
شکل 3- 9: کویل مسی52
شکل 3- 10: بخش آزمایش52
شکل 3- 11: بلوک مسی53
شکل 3- 12: گرمکن مسی53
شکل 3- 13: عایق PTFE53
شکل 3- 14: روغن انتقال حرارت54
شکل 3- 15: رئوستا54
شکل 3- 16: ترموکوپل55
شکل 3- 17: نمودار کالیبراسیون ترموکوپل55
شکل 3- 18: سیستم داده بردار55
شکل 3- 19: دستگاه زبری سنج56
شکل 3- 20: رله56
شکل 3- 21: تصویر محیط کنترلر در نرم افزار LABVIEW201056
شکل 3- 22: تصویر نمای برش خورده دستگاه آزمایش در نرم افزار CATIAV557
شکل 3- 23: نمودار جوشش آب (شار حرارتی بر حسب دمای سطح) در فشار bar4/1 و سرعت m/s5/058
شکل 3- 24: نمودار جوشش آب (شار حرارتی بر حسب دمای سطح) در فشار bar4/1 و سرعت m/s7/058
شکل 3- 25: نمودار جوشش آب (شار حرارتی بر حسب دمای سطح) در فشار bar4/1 و سرعت m/s9/059
شکل 3- 26: نمودار جوشش مخلوط 50-50 آب و اتیلن گلیکول (شار حرارتی بر حسب دمای سطح) در فشار bar4/1 و سرعت m/s5/060
شکل 3- 27: نمودار جوشش مخلوط 50-50 آب و اتیلن گلیکول (شار حرارتی بر حسب دمای سطح) در فشار bar4/1 و سرعت m/s7/060
شکل 3- 28: نمودار جوشش مخلوط 50-50 آب و اتیلن گلیکول (شار حرارتی بر حسب دمای سطح) در فشار bar4/1 و سرعت m/s9/061
شکل 3- 29: شماتیک روش PIV [48]64
شکل 3- 30: سرسیلندر شفاف ساخته شده از Plexiglass65
شکل 3- 31: سرسیلندر شفاف ساخته شده از Plexiglass66
شکل 3- 32: مخزن66
شکل 3- 33: پمپ66
شکل 3- 34: دبی‌سنج66
شکل 3- 35: موتور به همراه سرسیلندر شفاف67
شکل 3- 36: سرسیلندر شفاف نصب شده بر روی بلوک سیلندر67
شکل 3- 37: دستگاه آماده شده برای مشاهده‌ی جریان خنک کننده در سرسیلندر67
شکل 3- 38: دوربین پرسرعت MotionBLITZ68
شکل 3- 39: نحوه قرارگیری دوربین پرسرعت بر روی سرسیلندر شفاف68
شکل 3- 40: ترتیب نامگذاری در سرسیلندر69
شکل 3- 41: راهگاه خنک‌کننده در سمت سوپاپ‌های دود69
شکل 3- 42: دبی‌سنج70
شکل 3- 43: عکس گرفته شده از مقطع A71
شکل 3- 44: عکس گرفته شده از مقطع B71
شکل 3- 45: تحلیل سرعت در نقطه‌ی A71
شکل 3- 46: تحلیل سرعت در نقطه‌ی B71
شکل 4- 1: مراحل جدا شدن حباب از سطح داغ [51]77
شکل 4- 2: موازنه‌ی نیروی حباب78
شکل 4- 3: مقادیر Sflow محاسبه شده در این پایان‌نامه با مقادیر داده شده توسط اشتاینر81
شکل 4- 4: نمودار جوشش آب (شار حرارتی بر حسب دمای سطح) در فشار bar1، سرعت m/s5/0 و دمای ورودی °C90 [27]86
شکل 4- 5: نمودار جوشش آب (شار حرارتی بر حسب دمای سطح) در فشار bar1، سرعت m/s5/0 و دمای ورودی °C90 [27]86
شکل 4- 6: نمودار جوشش آب (شار حرارتی بر حسب دمای سطح) در فشار bar2، سرعت m/s5/0 و دمای ورودی °C90، اطلاعات تجربی از مرجع [27]86
شکل 4- 7: نمودار جوشش آب (شار حرارتی بر حسب دمای سطح) در فشار bar6/2، سرعت m/s5/0 و دمای ورودی °C90، اطلاعات تجربی از مرجع [27]86
شکل 4- 8: نمودار جوشش آب (شار حرارتی بر حسب دمای سطح) در فشار bar1، سرعت m/s25/0 و دمای ورودی °C90، اطلاعات تجربی از مرجع [27]87
شکل 4- 9: نمودار جوشش آب (شار حرارتی بر حسب دمای سطح) در فشار bar2، سرعت m/s25/0 و دمای ورودی °C90، [18]87
شکل 4- 10: نمودار جوشش آب (شار حرارتی بر حسب دمای سطح) در فشار bar1، سرعت m/s1 و دمای ورودی °C90، [18]87
شکل 4- 11: نمودار جوشش مخلوط حجمی 50-50 آب و اتیلن گلیکول (شار حرارتی بر حسب دمای سطح) در فشار bar2، سرعت m/s25/0 و دمای ورودی °C90، [18]87
شکل 4- 12: نمودار جوشش مخلوط حجمی 50-50 آب و اتیلن گلیکول (شار حرارتی بر حسب دمای سطح) در فشار bar2، سرعت m/s5/0 و دمای ورودی °C90، [18]88
شکل 4- 13: نمودار جوشش مخلوط حجمی 50-50 آب و اتیلن گلیکول (شار حرارتی بر حسب دمای سطح) در فشار bar2، سرعت m/s1 و دمای ورودی °C90، [18]88
شکل 4- 14: نمودار جوشش مخلوط حجمی 50-50 آب و اتیلن گلیکول (شار حرارتی بر حسب دمای سطح) در فشار bar1، سرعت m/s5/1 و دمای ورودی °C90، [18]88
شکل 4- 15: مقایسه نتایج آزمایشگاهی جوشش آب (انجام شده در این پایان‌نامه) با مدل نهایی بدست آمده برای جوشش، فشار bar4/1، سرعت m/s5/0 و دمای ورودی °C85 [61]89
شکل 4- 16: مقایسه نتایج آزمایشگاهی جوشش آب (انجام شده در این پایان‌نامه) با مدل نهایی بدست آمده، فشار bar4/1، سرعت m/s75/0 و دمای ورودی °C85 [61]89
شکل 4- 17: مقایسه نتایج آزمایشگاهی جوشش آب (انجام شده در این پایان‌نامه) با مدل نهایی بدست آمده برای جوشش، فشار bar4/1، سرعت m/s1 و دمای ورودی °C85[61]90
شکل 4- 18: مقایسه نتایج آزمایشگاهی جوشش آب و اتیلن گلیکول (انجام شده در این پایان‌نامه) با مدل نهایی بدست آمده برای جوشش، فشار bar4/1، سرعت m/s5/0 و دمای ورودی °C85[61]90
شکل 4- 19: مقایسه نتایج آزمایشگاهی جوشش آب و اتیلن گلیکول (انجام شده در این پایان‌نامه) با مدل نهایی بدست آمده برای جوشش، فشار bar4/1، سرعت m/s75/0 و دمای ورودی °C85 [61]91
شکل 4- 20: دبی حجمی خنک‌کننده موتور EF7 در دورهای مختلف93
شکل 4- 21: مدل یک‌بعدی راهگاه خنک‌کاری موتور EF793
شکل 4- 22: مسیرهای خنک‌کاری مربوط به یک بلوک سیلندر و سرسیلندر (بلوک سیلندر و سرسیلندر چهارم)94
شکل 4- 23: سرعت‌ خنک‌کننده محاسبه شده توسط مدل یک‌بعدی در قسمتهای مختلف سرسیلندر چهارم به ازای دبی lit/min6595
شکل 4- 24: مدل راهگاه خنک‌کاری بلوک سیلندر97
شکل 4- 25: مدل راهگاه خنک‌کاری سرسیلندر97
شکل 4- 26: مدل مش‌بندي شده راهگاه‌هاي سيال خنك‌كننده موتور99
شکل 4- 27: نواحی و سطوح ورودی، خروجی و دیوارها101
شکل 4- 28: نواحی ورودی، خروجی و دیوارها101
شکل 4- 29: خطوط جریان خنک‌کننده موتور در راهگاه خنک‌کاری در دبی lit/min120102
شکل 4- 30: توزیع فشار در طول راهگاه خنک‌کاری موتور با دبی lit/min65103
شکل 4- 31: بردارهای سرعت در سمت راهگاه دود سرسیلندر شماره 4 (نقاط A و B)104
شکل 4- 32: شبكه‌بندي بلوك سيلندر موتور106
شکل 4- 33: شبكه‌بندي سرسيلندر موتور106
شکل 4- 34: محفظه احتراق و محفظه دود و هوا107
شکل 4- 35: محفظه مجراي عبوري روغن در موتور107
شکل 4- 36: ضرایب انتقال حرارت و دما در محفظه احتراق موتور EF7110
شکل 4- 37: کانتور دمای سطح بیرونی راهگاه خنک‌کاری111
شکل 4- 38: شار حرارتی گذرنده از دیواره‌ی راهگاه خنک‌کاری112
شکل 4- 39: کانتور دمای بدنه جامد موتور112
شکل 5- 1: حالت معمولی الگوی ورودی و خروجی خنک‌کننده116
شکل 5- 2: استراتژی اول مطرح شده برای ورودی و خروجی خنک‌کننده116
شکل 5- 3: استراتژی دوم مطرح شده برای ورودی و خروجی خنک‌کننده116
شکل 5- 4: استراتژی سوم مطرح شده برای ورودی و خروجی خنک‌کننده116
شکل 5- 5: مدار یک‌بعدی یک بلوک سیلندر و سرسیلندر120
شکل 5- 6: شار حرارتی بر حسب سرعت خنک‌کننده برای رژیم جابه‌جایی خالص و رژیم جوشش جریانی در دمای سطح °C130 و فشار خنک‌کننده bar 4/1123
شکل 5- 7: شار حرارتی بر حسب سرعت خنک‌کننده برای رژیم جابه‌جایی خالص و رژیم جوشش جریانی در چهار فشار مختلف- دمای دیواره °C130124
شکل 5- 8: نمودار سرعت مناسب خنک‌کننده برای دفع شار حرارتی‌های موجود در موتور با استفاده از رژیم جوشش جریانی در فشارهای مختلف125
شکل 5- 9: مدار خنک‌کاری یک بلوک سیلندر و سرسیلندر بعنوان یک واحد مجزا127
فهرست جداول
جدول 2- 1: مقایسه‌ی پارامترهای خنک‌کاری برای دو موتور خنک‌کاری دقیق و استاندارد [10]15
جدول 2- 2: دماهای اندازه‌گیری شده در موقعیت بین سوپاپ‌های دود سیلندرهای مختلف [24]37
جدول 2- 3: مقایسه‌ی مقادیر دما تحت شرایط جابجایی تنها، مدل جوشش چن، مدل اصلاح شده‌ی این مقاله و مقادیر آزمایشگاهی [24]38
جدول 4- 1: مقایسه‌ی مقادیر سرعت در نقاط A و B با استفاده از روش تجربی PIV و شبیه‌سازی یک‌بعدی95
جدول 4- 2: مقایسه‌ی مقادیر سرعت در نقاط A و B با استفاده از روش تجربی PIV و شبیه‌سازی یک‌بعدی105
جدول 4- 3: خواص ترموفیزیکی سیال خنک‌کننده [63]109
جدول 4- 4: دما و ضریب انتقال حرارت در راهگاه هوا، راهگاه دود و مجاری روغن109
جدول 5- 1: دبی خنک‌کننده در ورودی های مختلف مدار خنک‌کاری معمولی و سه استراتژی مطرح شده115
جدول 5- 2: سرعت خنک‌کننده در مناطق مختلف مسیر خنک‌کاری سیلندر شماره 1 در حالت معمولی و سه استراتژی مطرح شده117
جدول 5- 3: سرعت خنک‌کننده در مناطق مختلف مسیر خنک‌کاری سیلندر شماره 4 در حالت معمولی و سه استراتژی مطرح شده117
جدول 5- 4: افت فشار خنک‌کننده در مسیر راهگاه خنک‌کاری برای حالت معمولی و سه استراتژی مطرح شده با استفاده از محاسبات یک‌بعدی118
جدول 5- 5: میزان شار حرارتی برای هر یک از این نواحی با استفاده از محاسبات تحلیل سه‌بعدی119
جدول 5- 6: سرعت مناسب خنک‌کننده برای دفع شار حرارتی‌های موجود در موتور با استفاده از رژیم جوشش جریانی در فشارهای مختلف126
فهرست علائم
q:انتقال حرارتq”:انتقال حرارت بر واحد سطحh:ضریب انتقال حرارت جابجاییT:دماA:مساحتk:ضریب رسانشRe:عدد رینولدزL:طول مشخصهPr:عدد پراندتلD:قطرr:شعاعΘ:زاویهρ:چگالیμ:ویسکوزیته دینامیکیν:ویسکوزیته سینامتیکیV:حجمu:سرعتα:ضریب پخش حرارتیCP:ظرفیت گرمایی ویژهm ̇_f:دبی جرمی سوختAP:سطح مقطع پیستونP:فشارΦ:ضریب تصحیح در معادله‌ی چنS:ضریب سرکوب کنندهσ:کشش سطحیζ:کسر جرمیλ:گرمای نهان تبخیرX_tt:عدد مارتینلیR:صافی سطح
زیر نویس‌ها
s:اشباعsys:سیستمw:دیوارهb:دمای توده‌ی سیالfc:جابجایی اجباریnb:جوشش هسته‌ایD:جدایش (Departure)L:بلند شدن (Lift)flow:جریانsub:مادون سرد (subcooling)h:هیدرولیکیf:مایعg:گاز
فصل اول: دیباچه
1-1- اهمیت انتقال حرارت در موتورهای احتراق داخلی
موتورهای احتراق داخلی موتورهای حرارتی هستند که انرژی شیمیایی سوخت را به انرژی مکانیکی تبدیل می‌کنند. یکی از مهم‌ترین مباحث مطرح در موتورهای احتراق داخلی، مبحث انتقال حرارت در آن‌هاست. انتقال حرارت موتورهای احتراق داخلی از جنبه‌های گوناگونی حائز اهمیت است. یکی از این موارد محافظت از مواد به کار رفته در بخش های حساس موتور در مقابل ذوب شدن و یا تغییر شکل با توجه محدودیت های طراحی مواد است. مورد دیگر بهبود عملکرد3 موتور است؛ چرا که تقریباً یک‌سوم از انرژی تولید شده در داخل محفظه‌ی احتراق از طریق خنک‌کاری موتور از آن خارج می‌شود [1] و درصورتی که بتوان این مقدار را کاهش داد در حقیقت به توان مفید موتور افزوده خواهد شد. همچنین یکی از مهم‌ترین منابع آلودگی در موتورهای احتراق داخلی زمان گرم شدن موتور4 می‌باشد که مبحث خنک‌کاری نقش مؤثری در کاهش و یا افزایش زمان مذکور و متعاقباً کاهش و یا افزایش آلاینده‌های خروجی موتور به عهده دارد. یکی دیگر از موارد اهمیت انتقال حرارت موتور، حرکت سریع و رو به رشد موتورهای احتراق داخلی در جهت افزایش توان و کوچک‌سازی5 موتور است که در این قسمت نیز سیستم خنک‌کاری تقش انکارناپذیری را بازی می‌کند؛ چرا که تولید توان بیشتر در موتورهای احتراق داخلی با اندازه‌های کوچکتر موجب می‌گردد تا شار حرارتی بیشتری به اجزا و قطعات موتور تحمیل گردد که در این صورت، برخی از نقاط حساس موتور که در معرض شار حرارتی بیشتری هستند – مانند ناحیه‌ی بین سوپاپ‌های دود و اطراف شمع- در پاره‌ای از اوقات دردسرساز شده و دقت بیشتری در طراحی سیستم خنک‌کاری را می‌طلبد. از دیگر جوانب اهمیت انتقال حرارت در موتور می‌توان به بهبود عملکرد روغنکاری و کاهش پدیده ضربه6 اشاره کرد. با توجه به همه‌ی این موارد نیاز به خنک‌کاری بهتر و دقیق‌تر موتورهای مدرن همواره به عنوان یکی از نیازهای اساسی در طراحی موتور معرفی شده است.
موتور ملی EF7 یک موتور پایه گاز سوز چهار سیلندر 16 سوپاپ است که توسط شرکت تولید و طراحی موتور ایرانخودرو با همکاری شرکت FEV آلمان طراحی و ساخته شده است. علیرغم ویژگی‌های بسیار خوب این موتور در برخی موارد معایب اندکی نیز برای آن گزارش شده است. از جمله این معایب گزارشاتی است که از اعوجاج نشیمنگاه سوپاپ دود در این موتور گزارش شده است. این موضوع که از خنک‌کاری ضعیف در این نواحی حکایت می‌کند می‌تواند منجر به نشتی گاز از محفظه احتراق و در نتیجه افت توان و گشتاور گردد. هدف از این پایان‌نامه بررسی این مشکل و ارائه‌ی راهکارهایی برای حل این مشکل است.
انرژی آزاد شده‌ی سوخت در یک موتور احتراق داخلی طی یک سیکل کاری به سه طریق از آن خارج می‌شود. این سه طریق عبارتند از: توان مکانیکی تولید شده، انرژی گازهای داغ خروجی از موتور و انتقال حرارت از طریق دیواره‌ها. اگر خروج بخشی از انرژی که از طریق دیواره‌ها صورت می‌گیرد به خوبی انجام نشود مشکلاتی از قبیل آسیب رساندن به قطعات، پدیده‌ی ضربه و … را در پی خواهد داشت. در ادامه روش‌های افزایش توان انتقال حرارت موتور از طریق دیواره‌ها معرفی خواهد شد.
1-2- روش‌های بهبود عملکرد سامانه‌ی خنک‌کاری
موتورهای احتراق داخلی از نظر خنک‌کاری به دو بخش کلی تقسیم می‌گردند؛ موتورهایی که به‌وسیله‌ی هوا خنک می‌شوند و موتورهایی که از طریق یک سیال مایع خنک می‌شوند. این مایع می‌تواند آب یا مخلوطی از آب و اتیلن گیلکول و یا هر مایع دیگر باشد. بنابراین اصول خنک‌کاری موتورهای احتراق داخلی بر اساس انتقال حرارت جابجایی بنا نهاده شده است.
معادله‌ی 1- 1 معادله‌ی انتقال حرارت جابجایی را بیان می‌کند [2].
1- 1q=hA(T_w-T_b) مهم‌ترین شاخصه‌ای که در مبحث خنک‌کاری مطرح می‌گردد ضریب انتقال حرارت جابجایی است که با h نشان داده می‌شود. در یک جریان داخلی آشفته ضریب انتقال حرارت جابجایی از دیوار به سیال خنک‌کننده مطابق رابطه‌ی 1- 2 به‌دست می‌آید:
1- 2h=0.023k/D_h Re^0.8 Pr^0.4 از طرفی رابطه‌ی عدد رینولدز و پراندتل به ترتیب مطابق روابط زیر خواهد بود
1- 3Re=(ρuD_h)/μ1- 4Pr=ν/α=(μ⁄ρ)/(k⁄(ρC_P ))=(μC_P)/k 1- 5h=0.023(k^(o.6) ρ^0.8 〖C_P〗^0.4)/μ^0.4 u^0.8/〖D_h〗^0.2 با توجه به روابط بالا مشخص می‌گردد که ضریب انتقال حرارت جابجایی تابعی از هندسه‌ی جریان (شکل سطح و سرعت جریان) و یا خواص سیال می‌باشد.
از این‌رو می‌توان با توجه به رابطه‌ی ضریب جابجایی در معادله‌ی 1- 5 دو راهکار کلی برای بهینه نمودن سیستم خنک‌کاری در نظر گرفت. راهکار اول ایجاد تغییرات مناسب در هندسه‌ی جریان است و راهکار دیگر تغییر ظرفیت‌ها و خواص انتقال حرارت بیشتر سیال خنک‌کننده است. دو روشی که می‌توان در بحث افزایش ظرفیت‌ها و خواص انتقال حرارت سیال خنک‌کننده در نظر گرفت استفاده از سیال عامل جدید یا بهره‌گیری از پدیده‌ی جوشش در سیال خنک‌کن است. یکی از رویکردهایی که در تغییر سیال خنک‌کن می‌تواند مورد بحث واقع شود استفاده از نانوسیالات است. در نانوسیالات با افزودن ذرات جامد فلزی یا غیرفلزی در ابعاد نانومتر خواص سیال دستخوش تغییر شده و از این طریق توانمندی‌های انتقال حرارت آن نیز تغییر می‌کند. در پدیده‌ی جوشش نیز تغییر فاز سیال خنک‌کن و گرمای نهان تبخیر آن موجب افزایش نرخ انتقال حرارت می‌گردد.
در این رساله از میان روش‌هایی که برای افزایش ضریب انتقال حرارت ذکر شد دو راهکار تغییر هندسه و استفاده از پدیده‌ی جوشش مورد بررسی قرار خواهد گرفت. برای این منظور تحقیقات آزمایشگاهی و عددی بر روی این پدیده‌ها انجام می‌گردد که در فصول آتی به‌طور مبسوط به آن پرداخته خواهد شد. ابتدا در فصل دوم پیشینه‌ای از مطالعات انجام شده بر روی این دو موضوع ارائه می‌گردد. سپس در فصل سوم کارهای آزمایشگاهی انجام شده شامل ساخت دستگاه آزمایشگاهی شبیه‌سازی جوشش در راهگاه موتور و استفاده از روش PIV7 برای اندازه‌گیری سرعت در داخل راهگاه خنک‌کاری موتور توضیح داده می‌شود. البته در بخش مشاهده جریان خنک‌کننده در راهگاه خنک‌کاری شفاف ساخته شده هیچگونه احتراقی8 در موتور صورت نمی‌گیرد و تنها گرداندن جریان خنک‌کننده در راهگاه‌های خنک‌کاری انجام می‌شود. بعد از آن در فصل چهارم شبیه‌سازی‌های عددی انجام گرفته روی موتور و مقایسه‌ی آن با نتایج آزمایشگاهی صورت می‌گیرد. در فصل پنجم راهکارهای پیشنهادی به منظور اصلاح و بهبود خنک‌کاری موتور EF7 به همراه شبیه‌سازی عددی و نتایج آن ارائه می‌شود.
امید است تا این پایان‌نامه نیز همچون بسیاری دیگر از تلاش‌های علمی و شتابان محققان و دانشمندان ایران‌زمین، گرهی از مشکلات صنعتی این سرزمین را گشوده و سربلندی و رفاه مردم آن را در پی داشته باشد.
فصل دوم: پیشینه مطالعات
2-1- مقدمه
همانگونه که در فصل اول اشاره شد در این پایان‌نامه دو راهکار برای بهبود خنک‌کاری موتورهای احتراق داخلی مورد بررسی قرار خواهند گرفت. این دو راهکار عبارتند از: تغییر هندسه‌ی جریان و استفاده از پدیده‌ی جوشش. در این فصل ابتدا مختصری در مورد تئوری‌ای که در پشت این دو موضوع قرار گرفته است مطالبی ارائه می‌گردد و سپس پیشینه‌ای از تحقیقات انجام شده درباره‌ی این دو موضوع ارائه خواهد شد.
2-2- تغییر هندسه‌ی جریان
مطالعات زیادی در جهت بهینه کردن طراحی راهگاه‌های خنک‌کاری موتورهای احتراق داخلی صورت گرفته است. مناطق مختلف یک موتور احتراق داخلی، با توجه با شرایط کارکرد موتور و موقعیت مکانی خود، شرایط حرارتی متفاوتی را تجربه می‌کنند. بعضی از این نقاط مانند اطراف شمع که در معرض تماس بیشتری با شعله قرار دارند و یا نشیمنگاه سوپاپ دود و اطراف آن که محل خروج گازهای داغ حاصل از احتراق هستند از جمله مناطقی محسوب می‌شوند که حساسیت و دقت بیشتری را از نقطه نظر خنک‌کاری می‌طلبند.
افزایش خنک‌کاری در نقاط بحرانی حرارتی و متعاقباً کاهش خنک‌کاری در مناطق غیر بحرانی حرارتی از طریق تغییر هندسه‌ی جریان را در ادبیات فن با عنوان “خنک‌کاری دقیق9” یا “خنک‌کاری هوشمند10″یاد می‌کنند. به عبارت دیگر به تغییر هندسه‌ی جریان با رویکرد تأمین خنک‌کاری مورد نیاز در هر ناحیه متناسب با شار حرارتی موجود در آن ناحیه، خنک‌کاری دقیق گفته می‌شود. خنک‌کاری دقیق را می‌توان به صورت “کمترین خنک‌کاری مورد نیاز برای رسیدن به توزیع دمای بهینه ” نیز تعریف کرد. توزیع دمای بهینه زمانی حاصل می‌شود که دمای اجزا:
الف- بین سیلندرها و یا بین مناطق معادل در یک سیلندر متغیر نباشد.
ب- از حد دمای مجاز توصیه شده با توجه به مقاومت مواد و با ملاحظات روغن‌کاری تجاوز نکند.
ج- آنچنان پایین نباشد که موجب تنش‌های حرارتی غیر مجاز، اعوجاج دمایی و یا دفع حرارت زیاد به خنک‌کننده و یا روغن گردد.
نکته‌ی مهم در مورد خنک‌کاری دقیق این است که با توجه به ملاحظات آن، طراحی راهگاه خنک‌کاری برخلاف حالت معمول و سنتی طراحی موتور، یکی از بخش‌های اصلی طراحی موتور می‌گردد. در حالت معمولی ابتدا مکان اجزایی مانند شمع، سوپاپ‌های دود و هوا و . . . در نظر گرفته می‌شود و فضای باقیمانده را برای راهگاه‌های خنک‌کاری اختصاص می‌دهند. در حالی‌که در خنک‌کاری دقیق همزمان با طراحی دیگر اجزا در سرسیلندر و بلوک سیلندر باید راهگاه‌های خنک‌کاری را نیز طراحی نمود. با استفاده از خنک‌کاری دقیق مناطق بحرانی حرارتی با شدت بیشتری خنک‌کاری شده، در حالی که مناطق غیر بحرانی کمتر خنک‌کاری شده و یا حتی به انتقال حرارت از طریق رسانش حرارتی در بلوک سیلندر و سرسیلندر اکتفا می‌شود. در این حالت توزیع دمای یکنواخت‌تر و تنش‌های حرارتی پایین‌تری حاصل شده و همچنین تغییرات دمایی بین سیلندرها نیز کاهش می‌یابد.
مزایایی که خنک‌کاری دقیق در موتورهای بنزینی دارند عبارتند از کاهش وزن موتور، اصطکاک کمتر، گرم شدن سریع‌تر موتور، مقاومت بیشتر در برابر خودسوزی و یکنواختی دمایی بیشتر سیلندرها که همه‌ی این موارد منجر به بهبود شاخصه‌های عملکردی موتور، مصرف کمتر سوخت و آلودگی کمتر می‌گردد. از دیگر مزایای آن می‌توان به قابلیت دوام بیشتر و هنچنین گرمایش بهتر و سریع‌تر فضای سرنشینان اشاره کرد. همچنین در موتورهایی که از خنک کاری دقیق استفاده می‌کنند می‌توان از نسبت تراکم‌های بالاتر بهره برد.
البته باید در نظر داشت که هندسه‌ی پیچیده‌ی موتور به خصوص در قسمت سرسیلندر و تعیین شار حرارتی نقاط مختلف موتور از مشکلاتی هستند که بر سر راه خنک‌کاری دقیق مطرح می‌باشند.
2-3- پیشینه‌ی مطالعات خنک‌کاری دقیق
یکی از اولین کارهایی‌که در این زمینه انجام شده است کاری است که ارنست بر روی یک موتور خورجینی 8 سیلندر شرکت فورد انجام داده است [3]. این کار با هدف جایگزینی یک سرسیلندر چدنی با یک سر سیلندر آلمینیومی که وزن آن نیز 10% کمتر باشد صورت گرفت. این کار شامل تحلیل المان محدود، ساخت تجهیزات جریان خنک‌کاری، آزمایش دوام موتور و آزمون حرکت خودرو بوده است. با وجود هزینه‌ی بالاتر مواد خام آلمینیوم در مقایسه با چدن، ساده‌سازی صورت گرفته بر روی فرآیند ساخت مدل جدید راهگاه خنک‌کاری و همچنین کاهش وزن موجب شده است تا هزینه‌ی نهایی مدل جدید سرسیلندر تقریباً با مدل قدیمی آن برابر باشد.
یکی دیگر از کارهای اولیه که در این زمینه صورت گرفته است کار پرید و اندرتون می‌باشد که بر روی سرسیلندر یک موتور دیزل سنگین 9/3 لیتری و یک موتور بنزینی 2 لیتری با سرسیلندر آلمینیومی انجام شده است [4]. در این کار مسیر اصلی خنک‌کننده با مسیرهای کوچک‌تری در اطراف نشیمنگاه سوپاپ، انژکتور و ساق سوپاپ جایگزین شد و فضای باقیمانده توسط هوا اشغال گردید (شکل 2- 1).
شکل 2- 1: خنک‌کاری دقیق به‌کار رفته در کار پرید و اندرتون [4]
چون در اثر خنک‌کاری دقیق از تلفات بی‌مورد حرارتی اجتناب می‌شود، با اعمال این تغییرات در موتور دیزل، دفع حرارت به خنک‌کننده در حالت تمام بار به اندازه‌ی 12% در دور rpm1500 و 18% در دور rpm2800 کاهش یافت. در این کار اشاره‌ای نیز به خنک‌کاری دقیق یک موتور بنزینی شده است و ادعا شده است که با استفاده از خنک‌کاری دقیق میزان دفع حرارت به خنک‌کننده به اندازه‌ی 5/14% کاهش یافته است. در هر دو مورد موتور دیزل و موتور بنزینی حرارت دفع شده به خنک‌کننده کاهش یافته است. این اختلاف حرارت دفع شده نسبت به حالت اولیه می‌تواند مستقیماً به توان تبدیل شود و یا همراه با گازهای خروجی از موتور خارج شود که در حالت دوم نیز منجر به عملکرد بهتر سیستم توربوشارژر شده و افزایش توان را به همراه خواهد داشت.
آرکومانیس [5] از روش سرعت سنجی لیزری داپلر برای اندازه‌گیری سرعت محلی خنک‌کننده در یک مدل بدنه شفاف استفاده کرد. موتور مورد مطالعه در این کار یک موتور دیزل تزریق مستقیم 5/2 لیتری بود. او از نتایج روش آزمایشگاهی خود برای صحه‌گذاری تحلیل دینامیک سیالات محاسباتی بهره برد. وی گزارش کرد که با استفاده از این روش دید بسیار خوبی در قابلیت خنک‌کاری جابه‌جایی به‌خصوص در نواحی حساس و بحرانی مانند مسیرهای بین سوپاپ دود و هوا به‌دست آورده است.
نوریس [6] رفتار حرارتی و سیالاتی خنک‌کننده سرسیلندر را به‌صورت تحلیلی و آزمایشگاهی مورد بررسی قرار داد. مطالعات وی شامل اندازه‌گیری دقیق دمای دیواره راهگاه خنک‌کاری، تحلیل المان محدود انتقال حرارت به منظور تشخیص نواحی با رژیم جابه‌جایی خالص، جوشش هسته‌ای و جوشش لایه‌ای بوده است. وی در این مطالعه نقاطی را با سرعت سیال نزدیک به صفر که “نقاط سکون11″ نامیده است مشاهده کرده است. وی گزارش کرده است که این نقاط در نواحی اطراف انژکتور و راهگاه‌های بین دو سیلندر بوده است.
کار دیگری که در این زمینه انجام شده است کار کوبایاشی و همکاران است که هدف اصلی آنها از خنک‌کاری دقیق، کاهش خوداشتعالی و در نتیجه افزایش نسبت تراکم به واسطه‌ی کنترل دمای بلوک سیلندر و سرسیلندر به صورت مستقل بوده است [7]. برای این منظور از خنک‌کاری دوگانه بر روی یک موتور برای انجام آزمایشات استفاده شده است؛ بدین معنی که برای هر یک از بلوک سیلندر و سرسیلندر یک مدار خنک‌کاری جداگانه در نظر گرفته شد به نحوی که حتی از طریق واشر سرسیلندر نیز با یکدیگر ارتباط نداشتند. برای کنترل دمای خنک‌کننده در هر یک از این مدارها، برای هر کدام آن‌ها یک پمپ آب، مبدل حرارتی، شیر کنترل دبی، دبی سنج مغناطیسی و ترموکوپل تعبیه گردید. موتوری که در این آزمایشات مورد استفاده قرار گرفت یک موتور 4 سیلندر 3/1 لیتری با نسبت تراکم 9 و دمای متوسط خنک‌کننده‌ی C°80 بوده است. آنها پس از انجام آزمایشات متعدد به نتایج ذیل رسیدند؛
1- تأثیر کاهش دمای خنک‌کننده‌ی سرسیلندر بر روی افزایش مقاومت در برابر خوداشتعالی تقریباً دو برابر کاهش دمای خنک‌کننده‌ی بلوک سیلندر است؛ زیرا کاهش دمای خنک‌کننده‌ی سرسیلندر تأثیر بیشتری بر کاهش دمای دیواره‌ی محفظه‌ی احتراق می‌گذارد. این موضوع نیز کاهش بیشتر دمای گازهای نسوخته را در پی دارد.
2- کاهش دمای خنک‌کننده‌ی سرسیلندر و بلوک سیلندر به نسبت یکسان راندمان حجمی را افزایش می‌دهد.
3- در کاربردهای عملی رادیاتور می‌تواند در بهترین حالت دمای خنک‌کننده را به C°50 برساند. در این کار با کاهش دمای خنک‌کننده‌ی سرسیلندر تا دمای مذکور و حفظ دمای خنک‌کننده‌ی بلوک سیلندر در همان دمای C°80 نسبت تراکم موتور تا 12 افزایش داده شد. این موضوع منجر به بهبود 5 درصدی مصرف سوخت در حالت برخه بار شد. همچنین توان خروجی موتور در حالت دریچه گاز تمام باز در دور‌های بالا 10 درصد افزایش یافت در حالی‌که در دورهای پایین تغییر فاحشی را از خود نشان نداد.
4- میزان HC به دلیل کاهش دمای محفظه‌ی احتراق افزایش یافت.
در زمینه‌ی خنک‌کاری مجزای بلوک سینلدر و سرسیلندر روحانی و بشرحق [8] در تحقیقی اثرات آن را بر کاهش زمان گرمایش سیال خنک‌کننده و تسریع افزایش دمای موتور مورد بررسی قرار دادند. آن‌ها در این کار گزارش کردند که با توجه به دبی حجمی متفاوت سیال خنک‌کننده در نقاط مختلف بلوک و سرسیلندر در سیستم خنک‌کاری معمولی، ضریب جابه‌جایی سیال و در نتیجه نرخ انتقال حرارت و دما در سیلندرهای مختلف موتور متفاوت می‌باشد. در این تحقیق یکی از راه‌های جلوگیری از این پدیده خنک‌کاری مجزای بلوک و سرسیلندر معرفی شد که این امر علاوه بر یکنواخت کردن دمای نقاط مختلف موجب تسریع افزایش دمای کل موتور و خنک‌کننده خواهد شد. در این مطالعه عنوان شد که جداسازی کامل خنک‌کاری بلوک و سرسیلندر منجر به بسته شدن مسیر جریان از بلوک به سرسیلندر می‌گردد که از نقاط ضعف این روش به حساب می‌آید.
کار دیگری که در این قسمت مورد مطالعه قرار می‌گیرد، کار فینلی و همکاران است [9]. دمای دیواره و شار حرارتی در نقاط مختلف سرسیلندر معمولی و سر سیلندر خنک‌کاری دقیق اندازه‌گیری شده است. در این کار اثرات دور و بار موتور، سرعت پمپ خنک‌کننده و فشار خنک‌کننده روی دمای محفظه‌ی احتراق مورد بررسی قرار گرفت. موتور مورد مطالعه یک موتور چهار سیلندر 1/1 لیتری بوده است. جنس هر دو سرسیلندر ذکر شده چدنی بوده است. پس از طراحی و ساخت سرسیلندر جدید، هر یک از سرسیلندرها با ترموکوپل تجهیز شد تا دمای سطح و میزان شار حرارتی در چندین موقعیت‌ مشابه هر دو سرسیلندر اندازه‌گیری گردد. منحنی‌های توان و مصرف سوخت ویژه‌ی به‌دست آمده به ازای هر دو سرسیلندر تقریباً یکسان بودند. همچنین در تمامی موقعیت‌ها دما در سرسیلندر خنک‌کاری دقیق پایین‌تر از مقدار مشابه‌ آن در سرسیلندر استاندارد بود که علت اصلی آن بالاتر بودن ضریب انتقال حرارت در سرسیلندر جدید بوده است. لازم به ذکر است که علت اصلی افزایش ضریب انتقال حرارت در مدل جدید سرسیلندر بالاتر بودن سرعت خنک‌کننده در مناطق حساس حرارتی مانند اطراف سوپاپ دود و پل بین سوپاپ‌هاست. همچنین سرعت بالای خنک‌کننده در نواحی حساس حرارتی موجب گردید تا این قسمت‌ها که خطر وقوع پدیده‌ی جوشش فیلمی در آن‌ها وجود داشت نیز از این پدیده مصون بمانند. اگرچه سرعت محلی خنک‌کننده در بسیاری از بخش‌های سرسیلندر خنک‌کاری دقیق بسیار بیشتر از سرسیلندر استاندارد است، اما به طور کلی دبی خنک‌کننده در مدل جدید 40 درصد کمتر از مدل استاندارد می‌باشد.
یکی دیگر از کارهای بسیار خوبی که در زمینه‌ی خنک‌کاری دقیق انجام شده است کاری است که کلاف در سال 1993 انجام داده است [10]. در این کار یک راهگاه آب جدید برای سرسیلندر و بلوک سیلندر طراحی شد. مراحلی که طی آن طراحی جدید صورت گرفت عبارتند از:
1- تخمین پروفیل شار حرارتی در نقاط مختلف موتور
2- تخصیص و تعیین سرعت‌های محلی
3- محاسبه‌ی سطح مقطع راهگاه خنک‌کاری مطابق گام دوم
4- طراحی جزئیات راهگاه خنک‌کاری و ساخت اجزا و قطعات
5- بازبینی و تأیید صحت سرعت خنک‌کننده
نویسنده‌ی این مقاله گزارش کرده است که با ترکیب نتایج تجربی گزارش شده برای یک موتور دو سوپاپ به ازای هر سیلندر و نتایج آزمایش‌هایی که خود انجام داده است و همچنین تجربه و دید مهندسی خود مقدار شار حرارتی را برای نقاط مختلف سرسیلندر استخراج کرده است. همچنین پروفیل شار حرارتی برای بلوک سیلندر نیز از اندازه‌گیری‌های تجربی و آنالیز محدود به دست آمد که طبق رابطه‌ی 2- 1 زیر فرموله شد:
2- 1q_local^”=HFF [m ̇_f/A_p ]^0.6شار حرارتی محلی:q_local^”ضریب شار حرارتی محلی (Local Heat Flux Factor):HFFدبی جرمی سوخت:m ̇_fمساحت سطح مقطع پیستون:Ap در مناطقی که بیشترین شار حرارتی وجود دارد مانند بین سوپاپ‌ها و اطراف شمع تشخیص داده شد که سرعت خنک‌کننده به‌گونه‌ای تعیین شود که رژیم جریان در محدوده‌ی انتقالی بین جابه‌جایی اجباری و جوشش هسته‌ای باشد. نویسنده برای یافتن ارتباط بین شار حرارتی، سرعت خنک‌کننده و دمای فلز از مرجع [11] استفاده کرده است و با استفاده از آن سرعت خنک‌کننده در نواحی مختلف سرسیلندر را به‌گونه‌ای تعیین کرد که جریان خنک‌کننده در آستانه‌ی جوشش هسته‌ای واقع گردد (شکل 2- 2).
شکل 2- 2: رابطه‌ی بین شار حرارتی و سرعت سطح برای حالت شروع جوشش هسته‌ای [10]
در این کار نویسنده برای یکنواخت سازی جریان در همه‌ی قسمت‌های موتور از جریان‌های مجزای طولی برای خنک‌کننده‌ی سرسیلندر و بلوک سیلندر استفاده نمود. با وجود بعضی معایب مانند افت فشار زیاد در جریان طولی، منافع یکسان نگه داشتن سرعت خنک‌کننده برای همه‌ی سیلندرها بر معایب آن برتری دارد.
مشکل اصلی در این کار فرستادن خنک‌کننده بین سوپاپ‌های دود بود. برای حل این مشکل از طرحی استفاده شد که در شکل 2- 3 نشان داده شده است. همان‌گونه که در شکل نیز نشان داده شده است با بزرگ در نظرگرفتن مسیرهای a و e و کوچک گرفتن مسیر b جریان به سمت سوپاپ دود هدایت می‌شود.
برای تعیین هندسه‌ی دقیق راهگاه آب، ابتدا یک مدل کلی برای آن ارائه شد که در آن فقط سرعت خنک‌کننده با توجه به شار حرارتی مشخص بود. سپس با استفاده از روابط موجود در مرجع و استفاده از یک روش سعی و خطایی، قطر مورد نیاز برای هر شاخه جریان به دست آمد. برای اندازه گیری سرعت خنک‌کننده به صورت تجربی و مقایسه‌ی آن با مقادیر محاسبه شده، یک سرسیلندر با رزین شفاف ساخته شد. سپس حباب‌های هوا به درون جریان هدایت شدند و با استفاده از یک دوربین عکسبرداری سریع با سرعت 2000 فریم در ثانیه از جریان عکسبرداری شد. شکل 2- 4 مقادیر سرعت واقعی اندازه‌گیری شده را در مقایسه با مقادیر طراحی نشان می‌دهد. مقادیر طراحی در داخل پرانتز نشان داده شده‌اند. پس از اعمال تغییرات بر روی موتور و انجام آزمایشات مورد نیاز با به‌کارگیری راهگاه جدید، نتایج زیر حاصل شد.
1- پارامترهای خنک‌کاری مطابق جدول 2- 1 تغییر کرد.
جدول 2- 1: مقایسه‌ی پارامترهای خنک‌کاری برای دو موتور خنک‌کاری دقیق و استاندارد [10]
نوع موتوردبی (lit/s)افت فشار (bar)توان پمپ (kW) آزمایشگاهی60/191/363/1استاندارد45/300/360/4 2- شرایط زمان گرم شدن موتور استاندارد و موتور جدید به ازای شرایط یکسان مورد بررسی قرار گرفت که در موتور استاندارد این زمان 150 ثانیه و در موتور جدید 123 ثانیه ثبت گردید.
3- ماکزیمم دمای فلز سر سیلندر پس از استفاده از طرح جدید به اندازه‌ی C°80 کاهش یافت و مقادیر توزیع دما در بدنه‌ی بلوک سیلندر نسبت به موتور قبلی کاهش داشت.
4- گرمای دفع شده به خنک‌کننده در موتور دقیق 37 درصد انرژی سوخت بوده است؛ در حالی‌که این عدد برای موتور معمولی 5/41 درصد بود.
5- علیرغم



قیمت: تومان

دسته بندی : پایان نامه ارشد

پاسخ دهید