بخشی از مقاله
بررسي عددي اثر زمان و زاويه پاشش بر نرخ تبخير سوخت و آلاينده هاي موتور بنزيني پاشش چند نقطه اي با استفاده از کد شبيه سازي V٣-KIVA
چکيده :
موتورهاي انژکتوري با سيستم پاشش در راهگاه ورودي در راستاي کاهش مصرف سوخت و آلايندههاي اگزوز خودروهاي بنزيني جايگزين موتورهاي سوخت آما شدهاند. اين موتورها براي هرچه کمتر شدن ميزان آلايندههاي خروجي و مصرف سوخت بايد بهينه شوند تا استانداردهاي سخت آلايندگي و مصرف سوخت رعايت شود. فرآيند تشکيل مخلوط يکي از مهمترين عوامل مؤثر در عملکرد موتور ميباشد.
در اين مقاله با استفاده از کد شبيه سازي V٣-KIVA اثر زاويه و زمان پاشش سوخت بر نرخ تبخير و ميزان آلايندگي موتور ٧-EF بررسي شده است . پاشش ديرهنگام سوخت موجب کاهش نرخ تبخير سوخت شد و جهت پاشش به سمت نقاط داغتر نظير سطح بالايي سوپاپ، ميزان تبخير سوخت را افزايش داد. زاويۀ پاشش ٥٧ درجه موجب ايجاد مخلوط با کيفيت بهتري نسبت به حالات ديگر شده و احتراق بهتري به دست داد که نتيجه آن کاهش آلايندههاي CO و HC و افزايش نسبتًا کم آلاينده NO شد. براي کاهش آلاينده NO بايد از روشهاي ديگري مثل تنظيم زمان جرقه استفاده شود.
واژه هاي کليدي : موتور، پاشش سوخت در راهگاه ورودي، انژکتور، اسپري سوخت ، ICEMCFD ،V ٣-KIVA
١. مقدمه
امروزه مصرف بالاي سوخت علاوه بر مصرف زياد انرژي و هزينه مالي ، از نظر آلودگي هوا و خطرات زيست محيطي نيز بايد مورد توجه قرار گيرد، لذا دانشمندان درصدد پيدا کردن راهي براي بهينه نمودن احتراق و کاهش مصرف سوخت هستند. بدين منظور تلاشهاي زيادي انجام گرفته که بخش مهمي از اين تلاشها بر روي فرآيند سوخت رساني در موتورهاي خودرو و پيشرانه ها است که استفاده از انژکتور براي پاشش سوخت و ايجاد احتراق کامل نتيجه اينگونه تلاشها بوده و منجر به احتراق بهتر و کاهش مصرف سوخت و آلودگي در موتور شده است .
فرآيند پاشش در موتورهاي رفت و برگشتي از پيچيدگي هاي زيادي برخوردار است که با توجه به تعدد پارامترهاي
مطرح ، براي بررسي اين فرآيند و تاثير پارامترهاي مختلف بر آن بايد از محاسبات و نتايج تجربي و آزمايشگاهي بهره جست . از جمله تحقيقات انجام شده روي موتور در زمينه پاشش عبارتند از :
به منظور توسعه و بهينه سازي سيستم سوخت رساني در موتورهاي انژکتوري با پاشش چند نقطه اي، چن در سال
١٩٩٦ يک مدل يک بعدي گذرا از جريان چند فازي در چندراهه ورودي توسعه داد و فرآيند تشکيل مخلوط سوخت و هوا در راهگاه ورودي را بررسي کرد [٨]. اهياما در سال ١٩٩٦ فرايند تشکيل مخلوط در سيلندر را از طريق تحليل ترموديناميکي بررسي کرده و از دو پارامتر همگني مخلوط سوخت و ميزان فيلم سوخت مايع جهت ارزيابي کيفيت ايجاد و آماده سازي مخلوط استفاده کرد[٩].
امروزه استفاده از کدهاي ديناميک سيالات محاسباتي (CFD) در دنيا پيشرفت بسياري کرده است که البته از اين
کدها مي توان براي مدلسازي جريان و پديده احتراق در موتور اتومبيل ها استفاده کرد. کد V٣-KIVA يکي از کدهاي
CFD است که بطور وسيعي مورد استفاده قرار گرفته و تحقيقات زيادي با آن انجام شده است . در سال ١٩٩٩، ادوارد سو و همکارش چگونگي مخلوط شدن سوخت و هوا را در يک موتور تزريق مستقيم اشتعال جرقه اي به کمک کد V٣-KIVA بررسي نمودند.
استفاده از جهت هاي مختلف تزريق يا همان زاويه نصب انژکتور، بطور قابل ملاحظه اي قادر به تغيير عملکرد موتور مي باشد چرا که با اين کار مي توان ميزان تبخير و خيسي ديواره را تغيير داد . جهتگيري اسپري سوخت يک پارامتر بسيار مهم در کاهش انتشار HC و دود در موتورهاي MPFI مي باشد [٧].
ايواتا و همکارانش در سال ١٩٨٧ نشان دادند که انتشار HC و CO در حالتيکه اسپري به سمت مرکز سوپاپ هدايت شده است حداقل مقدار را داراست . علاوه بر اين با حفظ جهتگيري اسپري به سمت مرکز سوپاپ و تغيير زاويه محور انژکتور در راستاي محور ساق سوپاپ در سه حالت ساق سوپاپ ، پايه ساق سوپاپ (محل تماس ساق سوپاپ و سر سوپاپ ) و لبه جلويي سر سوپاپ مشخص شده است که آلاينده هاي خروجي در حالتي که اسپري به سمت پايه ساق سوپاپ جهتگيري شده است کمترين مقدار را دارد. دماي بالاي مرکز سر سوپاپ تبخير سوخت را افزايش مي دهد و بنابراين موجب افزايش يکنواختي و همگني مخلوط هوا و سوخت در محفظه احتراق ميشود [٢،٣]. نتيجه اي مشابه نيز توسط مارتينز و فينلاي گزارش شده است . در اين گزارش آمده است که تماس دقيق اسپري به مرکز سر سوپاپ در تبخير خوب سوخت بسيار موثر است . به طور کلي بهترين نقطه براي برخورد اسپري سوخت ، مرکز سر سوپاپ مي باشد [٤، ٥].
تزريق سوخت يا بصورت سوپاپ باز و يا به صورت سوپاپ بسته صورت مي گيرد. تزريق سوپاپ باز (OVI) معمولا در طول کورس مکش انجام ميشود و تزريق سوپاپ بسته (CVI) معمولا به گونه اي صورت مي گيرد که در ابتداي کورس مکش ، تزريق به اتمام مي رسد. اينکه کداميک از اين دو روش تزريق بايستي مورد استفاده قرار بگيرد به شرايط عملکرد موتور بستگي دارد. هامبورگ و کليک در سال ١٩٨٢ گزارش داده اند که ميزان پراکندگي نسبت هوا به سوخت و همچنين غلظت انتشار HC خروجي ، شديدا تحت تاثير زمان تزريق سوخت نسبت به کورس مکش موتور مي باشند. اگر تزريق سوخت در شروع فرآيند مکش پايان پذيرد، هم پراکندگي نسبت هوا به سوخت و هم ميزان انتشار HC به حد اقل خواهند رسيد.
اگر سوخت در زمانيکه سوپاپ مکش باز ميشود تزريق شود، مقدار انتشار HC و CO افزايش مي يابد. اين مطلب هم براي بار کامل و هم بار جزيي موتور صادق است . علت اين امر اين است که سوخت مستقيما به داخل سيلندر انتقال مي يابد و از آنجاييکه به علت سرعت بالاي جريان مکش هوا، فرصت کمي براي تبخير وجود دارد لذا سوخت انتقال يافته به داخل سيلندر بيشتر در فاز مايع مي باشد و بر ديواره هاي سيلندر ته نشين شده و تشکيل فيلم سوخت مي دهد که اين امر افزايش انتشار HC و CO را (بدليل مخلوط ناهمگن سوخت و هوا) به دنبال دارد [٢، ٣]. در تزريق سوپاپ باز ته نشيني سوخت و ضخامت فيلم مايع تشکيل شده بر سطوح راهگاه و سوپاپ کاهش مي يابد علت اين امر اين است که در اين حالت بعلت باز بودن سوپاپ مکش و سرعت بالاي جريان هواي مکش سوخت بلافاصله به داخل سيلندر انتقال مي يابد.
٢. روش مدل سازي
بطور کلي در بهينه سازي فرآيند تشکيل مخلوط ، به دنبال راهکارهايي هستند که نرخ تبخير سوخت را افزايش دهند چرا که با افزايش ميزان تبخير سوخت ، کيفيت مخلوط حاصله نيز افزايش خواهد يافت . همه پارامترهاي موثر بر بهينه سازي فرآيند تشکيل مخلوط تاثير خود را بر اين فرآيند با افزايش يا کاهش نرخ تبخير سوخت نشان مي دهند. بهينه سازي تشکيل مخلوط در راهگاه ورودي موتورهاي SI مستلزم فهم دقيق فرآيندهاي حاکم نظير اتميزاسيون ، تبخير، اندر کنش جريان هوا، اسپري سوخت و برخورد ديواره ها مي باشد.
فرآيندهاي تبخير و انتقال سوخت تحت تاثير خواص سوخت ، مدت تزريق سوخت ، زمانبندي پالس تزريق نسبت به پروفيل باز شدن سوپاپ مکش ، شکل اسپري ، توزيع ابعادي قطره ، شرايط حرارتي راهگاه و سوپاپ مکش ، جهتگيري دقيق پاشش سوخت و فشار مطلق چندراهه مي باشند. زمانبندي پالس تزريق متناسب با شرايطي که در آن سوپاپ مکش باز و يا بسته است در فرآيند اختلاط سوخت و هوا بسيار مهم مي باشد. اگر سوخت زماني تزريق شود که سوپاپ مکش باز است و هوا نيز با سرعت بالا در حال عبور از راهگاه مي باشد در اينصورت بخشي از قطرات سوخت به ديواره راهگاه و سوپاپ مکش برخورد خواهند کرد ولي قسمت عمده آنها وارد جريان هوا شده و وارد سيلندر مي شوند که ممکن است با ديواره سيلندر يا تاج پيستون تماس يابند. سپس سوخت تبخير ميشود و در طول مراحل مکش و تراکم با هوا مخلوط ميشود.
در اين تحقيق از ميان عوامل موثر در فرآيندهاي تبخير و انتقال سوخت ، اثر زاويه نصب و زمان پاشش انژکتور مورد بررسي قرار گرفته است .
٣. شرايط اوليه براي حل معادلات مشخصات موتور ٧-EF
موتور مورد بررسي در اين مطالعه ، ساخت شرکت ايران خودرو ميباشد که داراي چهار سيلندر بوده و همچنين امکان استفاده از سوخت بنزين و گاز طبيعي (CNG) را دارا ميباشد. اين موتور١.٧ ليتري ، داراي ١٦ سوپاپ و مجهز به سامانه زمان بندي متغير سوپاپ ها ميباشد. در اين تحقيق موتور در حالت استفاده از سوخت بنزين مورد بررسي قرار گرفت . شکل کلي محفظۀ احتراق و راهگاه ورودي و خروجي آن در شکل ١ نشان داده شده است . جدول ١ مشخصات مهم اين موتور را نشان ميدهد.
٤. مدلسازي و ايجاد شبکه
هدف اين پژوهش بررسي مدل بهينه پاشش انژکتور در يک موتور انژکتوري ميباشد. ابتدا موتور پايه با شرايط واقعي شبيه سازي شده و پس از آن معتبر سازي آن اثر پارامترهاي موثر بر تشکيل مخلوط نظير زاويه و زمان پاشش انژکتور مورد بررسي قرار گرفت . با توجه به جوان بودن تحقيقات موتور در کشور و جذابيت هاي تحليل سه بعدي و نبودن چنين تحليلي ، براي موتور مورد تحقيق ، در اين مقاله سعي شده است با کمک نرم افزار V٣-KIVA که قدرت و دقت آن به اثبات رسيده است مدل سه بعدي موتور استخراج شده و تزريق سوخت و سيکل کامل موتور مورد بررسي قرار گيرد. هندسه موتور مورد نظر به کمک نرم افزار CATIA ترسيم گرديد و با توجه به اينکه سيکل باز مورد مطالعه است سوپاپها نيز رسم شدهاند. با توجه به مشکلات موجود در استفاده از کد جانبي برنامه اصلي V٣-KIVA بنام KPREP٣ که براي ايجاد شبکه و پيچيده بودن هندسه مورد مطالعه (زاويه دار بودن سوپاپها و شکل پيچيدة اتاق احتراق در سرسيلندر) عملاٌ امکان استفاده از اين نرم افزار فراهم نبود. بنابراين شبکه اوليه با استفاده از نرم افزار ICEMCFD توليد گرديد. با ايجاد بلوک بندي مناسب ، شبکه بندي متناسب و يکنواخت ايجاد شد. شبکه ايجاد شده در شکل ٢ نشان داده شده است .
٥. نتايج شبيه سازي
در اين تحقيق ابتدا کد V٣-KIVA براي حالت پايه موتور اجرا شد و پس از اعتباردهي توسط اطلاعات آزمايـشگاهي به بررسي تغييرات زاويه پاشش و زمان پاشش سوخت پرداخته شد.
٥-١. معتبرسازي نتايج
براي صحه گذاري نتايج بدست آمده از کد V٣-KIVA، از نتايج آزمايشگاهي مشخصه فشار داخل سـيلندر ( P ) استفاده گرديد که در شکل (٣) نشان داده شده است .
همانطور که مشاهده ميشود در مراحل مکش ، تراکم و انبساط نمودارها انطباق خوبي دارد و در مرحله احتـراق تقريبـا ١.٥% متفاوت ميباشد. اختلاف ناچيز بين منحني هاي حاصل از شبيه سازي و آزمايشگاهي را به اين خاطر است کـه سـوخت مورد استفاده در شبيه سازي ، داراي مشخصات بنزين استاندارد ميباشد در حالي که مشخصات بنـزين هـاي مـورد اسـتفاده در ايران استاندارد نمي باشد. لذا با توجه به محدود بودن اطلاعات سعي شد با اسـتفاده از نتـايج کارهـاي مـشابه بـا تنظـيم دقيـق ثابتهاي نرخ واکنشهاي شيميايي حل عددي کاليبره گردد.
٥-٢. بررسي اثر زاويه نصب انژکتور
انژکتور بکار رفته در موتور مورد مطالعه يک انژکتور ٤ سوراخه ميباشد. زاويه پاشش سوخت در صفحه xz برابر با ٥٢ درجه است . از آنجاييکه موتور مورد مطالعه يک موتور با دو راهگاه ورودي ميباشد لذا سوراخهاي انژکتور به گونه اي تنظيم شده اند که پاشش به هر دو راهگاه ورودي توسط يک انژکتور انجام شود، بنابراين زاويه دو سوراخ انژکتور در صفحه xy برابر با ٨,٢٥ درجه و زاويه دو سوراخ ديگر برابر با ٨,٢٥- درجه ميباشد. در اين تحقيق زوايا در صفحه xy ثابت نگه داشته شد و زاويه پاشش سوخت به اندازه ٥± درجه تغيير داده شده و اثرات آن مورد بررسي قرار گرفت .
شکلهاي ٤ و ٥ به ترتيب ميزان بخار سوخت و سوخت مايع موجود در راهگاه ورودي را بر حسب زاويه لنگ از زمان
شروع پاشش تا زمان باز شدن سوپاپ ورودي نشان ميدهند.
همانطور که مشاهده مي گردد افزايش زاويه پاشش به اندازه ٥ درجه موجب افزايش ميزان تبخير سوخت در راهگاه ورودي و در نتيجه کاهش ميزان سوخت مايع شده است . همچنين کاهش زاويه پاشش سوخت به اندازه ٥ درجه کاهش ميزان تبخير سوخت و افزايش ميزان سوخت مايع موجود در راهگاه ورودي را نتيجه داده است .
مقدار دقيق بخار سوخت موجود در راهگاه ورودي در جدول ٢ آمده است . همانطور که از جدول پيداست افزايش زاويه تزريق سوخت به مقدار ٥ درجه موجب افزايش تبخير سوخت به ميزان ١٣,٤٣ درصد شده و در نتيجه آن مخلوط همگن تري تهيه شده و عملکرد موتور بهبود مييابد.
شکلهاي ٦ و ٧ ميزان بخار سوخت و سوخت مايع ورودي به سيلندر را از زمان باز شدن سوپاپ ورودي در زواياي
پاشش مختلف نشان ميدهند. در شکلهاي زير مشاهده ميشود ميزان بخار سوخت ورودي به داخل سيلندر براي زاويه پاشش ٥٧ درجه همواره بيشتر از حالت پايه و براي زاويه پاشش ٤٧ درجه کمتر از حالت پايه ميباشد. و يا به عبارت ديگر براي زاويه پاشش ٥٧ درجه درصد زيادي از کل سوخت پاشش شده، در زمان کمتري نسبت به زواياي پاشش ديگر وارد سيلندر شده و در نتيجه فرصت بيشتري را براي مخلوط شدن مي يابند و در نتيجه سوخت با کيفيت بالايي براي اين زاويه پاشش تهيه ميشود. اين بدان علت است که ميزان تبخير سوخت در راهگاه ورودي قبل از باز شدن سوپاپ براي زاويه پاشش ٥٧ درجه بيشتر از حالت پايه و براي زاويه پاشش ٤٧ درجه کمتر از حالت پايه ميباشد(شکل ٤). بنابراين براي زاويه پاشش ٥٧ درجه مخلوط بهتري نسبت به حالتهاي ديگر خواهيم داشت .
شکل ٨ ميزان آلودگي CO را بر حسب زاويه لنگ از زمان شروع احتراق تا پايان آن، براي زواياي پاشش مختلف نشان ميدهد. همانطور که مشاهده ميشود با شروع شدن احتراق مقدار آلودگي افزايش يافته و در نهايت پس از اتمام احتراق به دليل متوقف شدن واکنشهاي شيميايي ناشي از احتراق به مقدار ثابتي ميرسد. مقدار نهايي آلودگي ايجاد شده CO نيز در شکل ٩ نمايش داده شده است . همانطور که از شکلهاي ٨ و ٩ پيداست ميزان آلودگي CO توليد شده براي زاويه پاشش ٥٧ درجه نسبت به زواياي ديگر کمتر ميباشد و اين بدان علت است که در اين زاويه پاشش همانگونه که در قسمتهاي قبلي مشاهده شد مخلوط بهتري نسبت به حالات ديگر تشکيل شده و در نتيجه سوخت به صورت کاملتري ميسوزد و باعث کاهش مقدار CO ميشود.
شکل ١٠ ميزان آلودگي NO را بر حسب زاويه لنگ از زمان شروع احتراق تا پايان آن، براي زواياي پاشش مختلف نشان ميدهد. همچنين مقدار نهايي آلودگي ايجاد شده NO نيز در شکل ١١ نمايش داده شده است . با توجه به شکلهاي ١٠ و ١١ مشاهده ميشود که اگر چه براي زاويه پاشش ٥٧ درجه مقدار CO توليد شده کاهش مييابد ولي ميزان NO توليد شده براي زاويه پاشش ٤٧ درجه کمتر از حالات ديگر است . اين به آن دليل است که در اين زاويه پاشش کيفيت مخلوط نسبت به حالات ديگر بدتر بوده و به علت احتراق ناقص تر در مقايسه با حالات ديگر، دماي متوسط ماکزيمم سيلندر کاهش يافته و در نتيجه مقدار NO کاهش مييابد.
در شکل ١٢ ميزان نهايي هيدروکربنهاي نسوخته براي زواياي پاشش مختلف نشان داده شده است .
همانگونه که مشاهده مي شود مقدار هيدروکربنهاي نسوخته براي زاويه پاشش ٥٧ درجه نسبت به زواياي پاشش ديگر کمتر از حالات ديگر است که اين نيز بعلت احتراق کاملتر نسبت به حالات ديگر به دليل مهيا شدن مخلوط بهتر مي باشد.
٥-٣. بررسي اثر زمان پاشش انژکتور
پاشش انژکتور در موتور مورد مطالعه در ٦٥٨- درجه زاويه لنگ آغاز ميشود و مدت زمان پاشش به اندازه ٢٨٠ درجـه زاويه لنگ ميباشد (جدول ١). در حالت پايه اين پاشش به گونه اي است که بلافاصله بعد از اتمام پاشش انژکتور سوپاپ ورودي باز مي گردد. در اين تحقيق پاشش انژکتور به ترتيب به اندازه ٥، ١٠، ٢٠ و ٤٠ درجه زاويه لنـگ بـه تـاخير انداختـه شـده تـا مقداري از پاشش انژکتور در زمان باز بودن سوپاپ انجام پذيرد و سپس اثر تغييرات اعمال شده مورد بررسي قرار مي گيرد.
شکل ١٣ ميزان بخار سوخت وارد شده به سيلندر را بر حسب زاويه لنگ براي زمانهاي پاشش مختلف نشان ميدهـد. همـانطور که در شکل ١٣ پيداست ميزان بخار سوخت وارد شده به سيلندر با تاخير انداختن زمان پاشـش کـاهش مـي يابـد و در نتيجـه بخار سوخت فرصت کمتري را براي مخلوط شدن داشته و کيفيت مخلوط کاهش مييابد. اين بدان دليـل اسـت کـه بـا تـاخير انداختن زمان پاشش سوخت ، سوخت پاشش شده فرصت کمتري را براي تبخير شدن در راهگاه ورودي مي يابند و همچنـين از آنجايي که مقداري از سوخت در زمان باز بودن سوپاپ ورودي پاشش ميشود بخشي از آن به صورت مـستقيم و بـدون تبخيـر شدن وارد سيلندر ميشود که موجب افزايش ميزان سوخت مايع وارد شده به سيلندر ميشود (شکل ١٤).
شکل ١٥ ميزان آلودگي CO توليد شده در سيلندر را بر حسب زاويه لنگ از زمان شـروع احتـراق تـا زمـان پايـان آن براي زمانهاي پاشش مختلف نشان ميدهد. همچنين مقدار نهايي آلودگي CO توليد شـده بـراي زمانهـاي پاشـش مختلـف در شکل ١٦ نشان داده شده است .
همانطور که در شکل ١٥ پيداست مقدار آلودگي CO براي همه زمانهاي پاشش با شـروع احتـراق افـزايش يافتـه و در نهايت به مقدار ثابتي ميرسد. با توجه به شکل ١٦ مشاهده مي شود مقدار نهايي آلودگي CO توليد شـده بـا تـاخير انـداختن زمان پاشش افزايش مييابد و اين بدان دليل است که با تاخير انداختن زمان پاشـش کيفيـت مخلـوط تهيـه شـده در سـيلندر نسبت به حالت پايه نامطلوبتر بوده در نتيجه احتراق ناقص شده و مقدار CO توليدي افزايش مييابد.
شکل ١٧ ميزان آلودگي NO توليد شده در سيلندر را بر حسب زاويه لنگ از زمان شـروع احتـراق تـا زمـان پايـان آن براي زمانهاي پاشش مختلف نشان ميدهد. مقدار نهايي اين آلودگي براي زمانهاي پاشش مختلف در شکل ١٨ نشان داده شـده است . در شکل ١٧ مشاهده ميشود که ميزان آلودگي NO توليد شده نيز با شـروع احتـراق افـزايش يافتـه و بـا پايـان يـافتن احتراق به مقدار ثابتي ميرسد. از شکل ١٨ نيز دريافت ميشود که ميزان نهايي آلـودگي NO توليـد شـده بـا تـاخير انـداختن زمان پاشش کاهش مييابد و اين بدان علت ميباشد که با تاخير انداختن زمان پاشش به دليل احتراق نـاقص دمـاي مـاکزيمم متوسط داخل سيلندر کاهش مييابد و در نتيجه اين کاهش مقدار آلودگي NO نيز کاهش مييابد.
در شکل ١٩ ميزان نهايي هيدروکربنهاي نسوخته براي زمانهاي پاشش مختلف نـشان داده شـده اسـت . همانگونـه کـه مشاهده مي شود با تاخير انداختن زمان پاشش ميزان هيدروکربنهاي نسوخته افزايش مي يابد که به دليل احتراق ناقص ناشـي از کيفيت نامطلوبتر سوخت نسبت به حالت پايه مي باشد.
