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- 1
q_local^”=HFF [m ̇_f/A_p ]^0.6
شار حرارتی محلی
:
q_local^”
ضریب شار حرارتی محلی (Local Heat Flux Factor)
:
HFF
دبی جرمی سوخت
:
m ̇_f
مساحت 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 موتور
دبی (lit/s)
افت فشار (bar)
توان پمپ (kW)
آزمایشگاهی
60/1
91/3
63/1
استاندارد
45/3
00/3
60/4
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 کاهش دمای فلز، هیچ‌گونه اثر منفی بر روی آلاینده‌ی HC و اصطکاک پیستون مشاهده نگردید.
شکل 2- 3: طرح جدید مسیرهای خنک‌کاری در سرسیلندر خنک‌کاری دقیق [10]
شکل 2- 4: مقایسه‌ی مقادیر سرعت‌های طراحی و اندازه‌گیری شده در سرسیلندر خنک‌کاری دقیق [10]
یکی دیگر از کارهای انجام گرفته در زمینه‌ی خنک کاری دقیق کاری است که هاتنیر و هانکوک در سال 1996 انجام دادند [12]. در این کار یک سرسیلندر جدید با استفاده از روش‌های خنک‌کاری دقیق به کمک CFD و CAD طراحی شد. موتور مورد استفاده در این کار یک موتور شش سیلندر 24 سوپاپه شرکت فورد به حجم 5/2 لیتر بوده است. البته چون موتور به صورت V شکل بوده است تنها یک ردیف از موتور مورد آزمایش قرار گرفت. یکی از اهداف اصلی این کار مطالعه‌ی اثرات خنک‌کاری دقیق بر روی آلاینده‌ها و به خصوص HC بوده است. از آنجایی که دمای سمت مکش همواره کمتر از سمت اگزوز است، بنابراین سمت مکش را می‌توان منبع اصلی آلاینده‌های HC دانست. به همین دلیل با افزایش دمای سمت مکش سرسیلندر می‌توان میزان این آلاینده را کاهش داد. این در حالی است که از آنجایی که دمای سمت مکش هیچگاه از سمت اگزوز بیشتر نمی‌شود، میزان NOX افزایش قابل توجهی نخواهد داشت و همچنین امکان بروز پدیده‌ی ضربه تقویت نخواهد شد. البته بالا بردن دمای سمت مکش منجر به کاهش راندمان حجمی خواهد شد که در حالت برخه بار با بیشتر باز شدن سوپاپ جبران خواهد شد. البته در حالت تمام‌بار نیاز به خنک‌کاری بیشتر سمت مکش به دو علت افزایش راندمان حجمی و جلوگیری از رسیدن به دمای بحرانی وجود دارد. در اینجا نیز از کاهش سطح مقطع و بالا بردن سرعت خنک‌کننده در مناطق حرارتی بحرانی مانند بین سوپاپ‌ها و اطراف شمع استفاده می‌شود. ایده‌ی اصلی در این کار معرفی یک راهگاه آب متغیر است، بدین معنی که مقدار عبور خنک‌کننده از سمت مکش در شرایط warm up و برخه بار قابل کنترل است. در این کار علاوه بر تغییرات ایجاد شده در جزئیات راهگاه‌های خنک‌کاری، شکل کلی جریان نیز تغییر داده شد. بدین معنی که در طرح جدید برخلاف طرح اصلی خنک‌کننده از هریک از سیلندرها به سرسیلندر نمی‌رود بلکه ازهمان ابتدا به دو قسمت مجزا تقسیم می‌شود که یک بخش آن برای خنک‌کاری بلوک سیلندر و بخش دیگر آن برای خنک‌کاری سرسیلندر اختصاص داده می‌شود. شکل 2- 5 این موضوع را به‌خوبی نشان می‌دهد.
(الف)
(ب)
شکل 2- 5: (الف) جریان کلی خنک‌کننده در سرسیلندر موتور استاندارد، (ب) جریان کلی خنک‌کننده در سرسیلندر خنک‌کاری دقیق [12]
سپس سرسیلندر تغییر داده شده به‌وسیله‌ی ترموکوپل‌های متعدد در نقاط مورد نیاز تجهیز شد و تحت شرایط زیر مورد آزمایش قرار گرفت:
– کانال آب سمت مکش کاملا بسته و راهگاه آب سمت اگزوز باز
– همه‌ی راهگاه‌ها باز
موتور جدید با توجه به شرایط ذکر شده در حالات زیر مورد آزمایش قرار گرفت.
– تست warm up
– تست ماتریس بار و دور
– تست WOT12
همچنین در کنار آزمایش موتور جدید موتور استاندارد نیز مورد آزمایش قرار گرفت تا همه‌ی این نتایج با حالت استاندارد قابل مقایسه باشد. آزمایشات نشان داد که حالت استاندارد بیشترین و حالتی که کانال سمت مکش بسته باشد کمترین زمان warm up و متعاقبا کمترین میزان HC را دارد. تست ماتریس دور و بار نیز که برای بررسی دمای فلز داخل سرسیلندر تحت شرایط مختلف خنک‌کاری انجام شد نشان داد که حتی در حالتی که هیچ خنک‌کننده‌ای هم از سمت مکش عبور نکند هیچ مشکل خاصی پدید نمی‌آید و دمای فلز از دمای بحرانی عبور نمی‌کند. در این حالت دمای سمت مکش و اگزوز با یکدیگر برابر بودند. در حالت تمام‌بار وقتی سمت مکش خنک‌کاری نمی‌شد به علت کاهش راندمان حجمی توان کاهش می‌یافت؛ اما در حالتی که خنک‌کاری سمت مکش انجام می‌شد هیچ تغییری مشاهده نشد. حالات مختلف خنک‌کاری تأثیر فاحشی بر روی پدیده‌ی ضربه نداشت. به‌طور کلی آلاینده‌ی HC برای حالتی که کانال خنک‌کاری سمت مکش بسته باشد کاهش می‌یابد. آلاینده‌ی CO رفتار مشخصی نشان نمی‌دهد اما همه‌ی حالات اصلاحی مقدار بیشتری را نسبت به حالت استاندارد نشان می‌دهند. همچنین آلاینده‌ی NOX افزایش کمی را به ازای حالت‌های گرم‌تر از خود نشان می‌دهد. با افزایش دمای خنک‌کننده مقدار HC کاهش و مقدار NOX افزایش می‌یابد. با توجه به اینکه در حدود 80 درصد
