ی 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- 1
q=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- 2
h=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- 3
Re=(ρuD_h)/μ
1- 4
Pr=ν/α=(μ⁄ρ)/(k⁄(ρC_P ))=(μC_P)/k
1- 5
h=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 د
مای 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