آلاینده‌های خودرو در زمان warm up تولید می‌شوند، می‌توان گفت که این طرح به خصوص از نظر کاهش آلاینده‌ها طرح مثبتی تلقی می‌شود. زیرا زمان warm up را به میزان قابل توجهی کاهش می‌دهد.
از جمله مواردی که در حیطه‌ی خنک‌کاری دقیق مطرح می‌شود مبحث خنک‌کاری فواره‌ای13 است. البته این نوع خنک‌کاری بیشتر برای سیستم‌های هواخنک به‌کار می‌رود و برای سیستم‌های آب‌خنک و به خصوص در موتورهای احتراق داخلی که بر روی خودروهای سواری سوار می‌شود بسیار به ندرت دیده شده است. در این قسمت به یکی از معدود کارهایی که در این زمینه وجود دارد اشاره می‌شود. در این کار که توسط واگناس انجام شده است [13]، خنک‌کاری بهتر مناطق حساس حرارتی سرسیلندر مانند پل بین دو سوپاپ دود (EVB)14 به عنوان هدف اصلی آن محسوب می‌شود. برای این کار یک نازل به قطر mm3 در نزدیکی نقاط مورد نظرسرسیلندر قرار داده شد. برای ایجاد جریان داخل نازل منتهی به نقطه‌ی مورد نظر، از یک پمپ کمکی استفاده شد. الگوواری از مدار خنک‌کاری فواره‌ای در شکل 2- 6 نشان داده شده است. برای شبیه‌سازی این سیستم از یک مدار کنترلی استفاده شد. در این مدار دمای خنک‌کننده‌ی ورودی موتور با پروانه‌ی رادیاتور، دمای خنک‌کننده‌ی خروجی از موتور با پمپ اصلی و دمای ناحیه‌ی بین دو سوپاپ دود از طریق پمپ کمکی کنترل می‌گردید. آزمایشات برای دو حالت مختلف انجام شد؛ حالت بار کم با سرعت km/h40 و شیب صفر درصد و حالت بار زیاد با سرعت km/h40 و شیب 12 درصد. نتیجه‌ی آزمایشات برای هر دو حالت گفته شده رفتار مشابهی را از خود نشان دادند. در حالتی که پمپ اصلی در توان‌های پایین خودش کار کند، خنک‌کاری فواره‌ای تأثیر فاحشی در کاهش دمای ناحیه‌ی بین سوپاپ دارد زیرا در این حالت فواره‌ی خنک‌کاری بهتر می‌تواند خنک‌کننده را در مجاورت ناحیه‌ی بین سوپاپ‌ها تزریق کند. در مقابل با افزایش توان پمپ اصلی به توان کامل خود از تأثیر خنک‌کاری فواره‌ای کاسته می‌شود تا جایی که در حالت کارکرد کامل پمپ اصلی با افزایش توان پمپ کمکی دمای ناحیه‌ی بین سوپاپ‌ها رو به افزایش می‌گذارد.
به‌کارگیری خنک‌کاری فواره‌ای دقت بسیار زیادی را می‌طلبد چرا که باید مراقب تقابل جریان اصلی خنک‌کننده و جریان فواره‌ای خنک‌کننده بود. با توجه به آزمایشات انجام شده مشاهده گردید که در سرعت‌های بالای پمپ اصلی جریان جت اثر معکوس بر روی خنک‌کاری ناحیه‌ی بین سوپاپ‌ها دارد؛ اما در مورد دلیل این موضوع، مطلب خاصی در این مقاله عنوان نشد. به‌طور کلی می‌توان گفت خنک‌کاری فواره‌ای زمانی بهترین کارایی را دارد که پمپ اصلی در توان‌های پایین خود کار کند.
شکل 2- 6: مدار خنک‌کاری فواره‌ای [13]
2-4- جوشش
زمانی که یک سیال مایع با یک دیواره‌ی داغ تماس پیدا می‌کند به دلیل انتقال حرارت جابه‌جایی دمای سیال نزدیک دیواره افزایش می‌یابد و باعث ایجاد لایه‌ی مرزی دمایی در نزدیکی دیواره می‌گردد. در صورتی که دمای دیواره از دمای اشباع سیال مایع در آن فشار بیشتر باشد پدیده‌ی جوشش رخ می‌دهد. اگر سیالی که در تماس با سطح داغ قرار دارد ساکن باشد فرآیند جوشش را جوشش استخری15 و اگر بر روی سطح جریان داشته باشد جوشش جریانی16 نامیده می‌شود. همچنین از یک دیدگاه دیگر می‌توان جوشش را به دو نوع جوشش اشباع17 و جوشش مادون سرد18 دسته‌بندی کرد. اگر دمای سیال کاری در دمای اشباع سیال در فشار کاری‌اش باشد جوشش از نوع اشباع است و اگر دمای سیال کاری پایین‌تر از دمای اشباع سیال در فشار کاری‌اش باشد جوشش از نوع مادون سرد است. از آنجایی که نوع پدیده‌ی جوشش که در موتور اتفاق می‌افتد از نوع جوشش جریانی مادون سرد می‌باشد در این قسمت سعی شده است تا فیزیک این نوع از جوشش به اختصار توضیح داده شود.
در مراحل اولیه‌ی شروع پدیده‌ی جوشش حباب‌هایی از بخارات مایع مذکور در روی بدنه ایجاد می‌گردد. اگر سرعت سیال و برآیند نیروهای وارد بر حباب به‌گونه‌ای باشد که بتواند حباب را از دیواره جدا کند، حباب وارد ناحیه‌ی با دمای پایین‌تر شده و پدیده‌ی چگالش اتفاق می‌افتد که در اثر آن دمای سیال لایه‌های میانی افزایش می‌یابد. سپس سیال خنک لایه‌های بالایی جایگزین حباب‌ها شده و بدین ترتیب مقدار انرژی عظیمی از روی دیواره‌ی داغ جابه‌جا می‌شود. به عبارت دیگر سیال خنک‌تر لایه‌های بالایی به نزدیکی دیوار آمده، گرم شده و به دمای جوش می‌رسد. سیال مذکور در ادامه انرژی نهان برای تغییر فاز را از دیوار جذب کرده و این انرژی را به لایه‌های بالاتر منتقل می‌کند. تغییرات دمایی در اطراف دیواره در شکل 2- 7 نشان داده شده است. در این مرحله انرژی نهان جذب شده در مقایسه با انرژی جابه‌جا شده توسط مکانیزم جابه‌جایی اجباری دیواره بسیار بزرگ‌تر می‌باشد. با افزایش دمای دیواره تعداد حباب‌های ایجاد شده در دیواره نیز افزایش می‌یابد که این امر موجب می‌گردد که ضریب انتقال حرارت افزایش یابد. به تدریج با افزایش بیشتر دمای دیواره رژیم تشکیل حباب‌ها به مرحله‌ای می‌رسد که سرعت تشکیل حباب‌ها از سرعت جدا شدن آن‌ها از روی دیواره پیشی می‌گیرد. به رژیم جریان جوشش از ابتدای شروع آن تا این مرحله، جوشش هسته‌ای19 گفته می‌شود. همان‌گونه که گفته شد با پیشی گرفتن سرعت تشکیل حباب‌ها از سرعت جدا شدن آن‌ها از روی دیواره، حباب‌ها به یکدیگر متصل شده و در نهایت یک لایه از بخار سیال بر روی دیواره تشکیل می‌گردد. به این پدیده، جوشش لایه‌ای یا فیلمی20 اطلاق می‌گردد. لازم به ذکر است که به حالت گذر از جوشش هسته‌ای به جوشش فیلمی جوشش انتقالی21 گفته می‌شود. به مقدار شار حرارتی که موجب می‌گردد تا رژیم جوشش هسته‌ای به پایان برسد و رژیم جوشش انتقالی و یا جوشش فیلمی شروع شود شار حرارتی بحرانی گفته می‌شود و با علامت اختصاری CHF22 نشان داده می‌شود. مراحل گفته شده در شکل 2- 8 نشان داده شده است.
شکل 2- 7: تغییرات دمای دیواره و دمای متوسط سیال در پدیده‌ی جوشش جریانی [14]
یکی از نکاتی که در جوشش جریانی اهمیت می‌یابد سرعت جریان است. به‌طور کلی در جوشش جریانی نقطه‌ی شروع جوشش هسته‌ای (ONB)23 در مقایسه با جوشش استخری در دماهای بالاتری از سطح اتفاق می‌افتد (نقاط B و B’ در شکل 2- 9). با افزایش سرعت جریان دمایی که در آن جوشش هسته‌ای شروع خواهد شد افزایش خواهد یافت. در دماهای سطح بسیار بالا اثر انتقال حرارت جابجایی کاهش یافته و حالت غالب انتقال حرارت، مربوط به جوشش و تبخیر می‌گردد. به‌واسطه‌ی این موضوع همان‌طور که با نقطه‌ی C در شکل 2- 9 نشان داده شده است، نمودار جوشش جریانی بر روی جوشش استخری خواهد افتاد. به حالتی از جوشش جریانی که نمودار جوشش مستقل از سرعت سیال می‌گردد اصطلاحاً جوشش کاملاً توسعه یافته (FDB)24 اطلاق می‌گردد. به حالتی از جوشش جریانی که نمودار جوشش متأثر از سرعت سیال است جوشش نیمه توسعه یافته (PDB)25 گفته می‌شود (از نقطه‌ی B تا C در شکل 2- 9).
شکل 2- 8: رژیم‌های متفاوت جوشش [15]
شکل 2- 9: نمودار شار حرارتی بر حسب دمای سطح برای سرعت‌های مختلف [14]
شکل 2- 10 نحوه‌ی تغییرات شار حرارتی و ضریب انتقال حرارت جابه‌جایی را در سه حالت انتقال حرارت جابه‌جایی اجباری، جوشش هسته‌ای و جوشش فیلمی نشان می‌دهد. همان‌طور که در شکل 2- 10 مشخص است با شروع جوشش هسته‌ای ضریب انتقال حرارت افزایش می‌یابد و شیب نمودار شار حرارتی بر حسب دمای سطح به طور ناگهانی زیاد می‌شود. این موضوع بدین معنی است که به ازای یک دمای سطح ثابت در صورتی‌که پدیده‌ی جوشش هسته‌ای رخ دهد می‌توان حرارت بیشتری را در مقایسه با انتقال حرارت جابجایی دفع نمود. این موضوع معرف پتانسیل افزایش انتقال حرارت توسط سیال در ناحیه‌ی جوشش هسته‌ای است. در مورد استفاده از پتانسیل پدیده‌ی جوشش به‌منظور افزایش انتقال حرارت باید بیشترین دقت و احتیاط را در مورد نقطه‌ی CHF به خرج داد چرا که در این نقطه که عملاً به عنوان پایان رژیم جوشش هسته‌ای شناخته می‌شود، به ازای افزایش ناچیز شار حرارتی دمای سطح به صورت ناگهانی و چشمگیری افزایش می‌یابد که می‌تواند آسیب‌های جدی و جبران ناپذیری را به بدنه‌ی داغ سطح جامد وارد آورد. بنابراین بهره‌گیری از پتانسیل افزایش انتقال حرارت پدیده‌ی جوشش باید کاملاً به‌صورت کنترل شده صورت گیرد به نحوی که فرآیند جوشش، در ناحیه‌ی رژیم هسته‌ای خود باشد و از آن تجاوز نکند. همچنین در به‌کارگیری پدیده‌ی جوشش برای خنک‌کاری راهگاه‌های باریک خنک‌کاری مانند آنچه در موتورهای احتراق داخلی وجود دارد باید این نکته را در نظر گرفت که در نواحی‌ای که شدت تولید حباب زیاد می‌شود احتمال بسته شدن راهگاه توسط حباب‌ها وجود دارد. به همین دلیل نیز اکثر محققینی که قصد استفاده از جوشش به‌منظور افزایش نرخ انتقال حرارت را داشته‌اند متذکر شده‌اند که برای تأمین این هدف باید از محدوده‌ی شروع جوشش استفاده کرد [16].
شکل 2- 10: تغییرات شار حرارتی و ضریب انتقال حرارت جابجایی بر حسب دمای دیواره در رژیم‌های متفاوت جوشش [17]
2-5- پیشینه‌ی مطالعات جوشش در موتورهای احتراق داخلی
یکی از اولین کارهایی که در زمینه‌ی بررسی جوشش در موتورهای احتراق داخلی انجام شد کاری است که فینلی در سال 1987 انجام داده است [11]. در این کار که یک کار آزمایشگاهی است سعی شده است تا شرایط جوشش در یک موتور احتراق داخلی با استفاده از یک دستگاه آزمایشگاهی شبیه‌سازی شود. برای این منظور از یک لوله با مقطع دایروی استفاده شده است. سطح لوله با یک گرمکن به صورت شرط مرزی شار ثابت حرارت داده می‌شود. بیشنیه شار حرارتی W/cm2 140 تعیین شد. از مخلوط آب و اتیلن گلیکول به‌عنوان سیال کاری استفاده شده است. محدوده‌ی سرعت خنک‌کننده از 1/0 متربرثانیه تا 5/5 متربرثانیه تغییر می‌کند. سعی شده است تا برای شبیه‌سازی هرچه بیشتر دستگاه به شرایط موتور، آزمایشات در فشارهای بالای فشار اتمسفر انجام پذیرد و همچنین دمای ورودی به بخش آزمون بین 85 درجه‌ی سانتیگراد تا 95 درجه‌ی سانتیگراد تنظیم شد.
در آزمایش اولیه از مس و در آزمایش‌های بعدی از آلمینیوم و چدن نیز استفاده شده است. در این کار علاوه بر ثبت یافته‌های آزمایشگاهی، فرآیند جوشش با استفاده از مدل چن نیز شبیه‌سازی گردید و با یافته‌های آزمایشگاهی مطابقت داده شد. چند نمونه از نتایج آزمایشگاهیات برای لوله‌ی مسی در شکل 2- 11 تا شکل 2- 14 نشان داده شده است. همان‌گونه که ملاحظه می‌گردد در سرعت‌های بالا انتقال حرارت به صورت جابجایی خالص است. با کاهش سرعت به تدریج اثرات انتقال حرارت جوششی ظاهر می‌گردد. دمای اشباع مخلوط 50-50 آب و اتیلن گلیکول C°132 است و مشاهده می‌شود که شروع پدیده جوشش یعنی جایی که شیب نمودار افزایش ناگهانی از خود نشان می‌دهد نیز در محدوده‌ی دمای سطح C°130 تا C°140 بوده است.
در سرعت‌های کمتر از m/s1 اثر جوشش هسته‌ای مهم است و در سرعت‌های بالاتر از m/s3 رژیم غالب انتقال حرارت جابجایی اجباری است. به طور کلی هر چه سرعت اولیه‌ی سیال کمتر باشد حساسیت به نقطه‌ی شروع جوشش فیلمی افزایش می‌یابد.
برای این‌که بتوان بهترین شرایط انتقال حرارت را فراهم کرد و از پدیده‌ی جوشش هم استفاده کرد و همچنین از رسیدن به شرایط جوشش فیلمی نیز اجتناب نمود، بایستی در وهله‌ی اول نقاط با شار حرارتی بالا مانند نواحی بین سوپاپ دود و یا اطراف شمع را شناسایی کرد و با کاهش سطح مقطع و افزایش سرعت شرایطی را فراهم نمود که رژیم غالب انتقال حرارت در این نواحی جابجایی باشد.
در حالتی که انتقال حرارت از نوع جابجایی باشد تغییرات فشار نمی‌تواند اثر چندانی بر نرخ انتقال حرارت داشته باشد، اما زمانی که انتقال حرارت از طریق جوشش رخ می‌دهد، فشار می‌تواند تأثیر بسزایی در نرخ انتقال حرارت داشته باشد. بنابراین در سرعت‌های پایین که جوشش اهمیت بیشتری پیدا می‌کند بایستی تأثیر فشار را در نظر گرفت. فشار بالاتر می‌تواند موجب به تعویق افتادن شروع جوشش فیلمی گردد.
شکل 2- 11: رابطه‌ی دمای سطح و شار حرارتی در
