بخشی از مقاله
چکیده
در مطالعه حاضر موتور دیزل دو سوخته دما پایین که با دو سوخت دیزل و بنزین کار می کند، با نرم افزار AVL-FIRE شبیه سازی گردیده است. طرز کار موتور مورد بررسی که اصطلاحا به آن موتور RCCI گفته می شود بدین طریق است که ابتدا بنزین با پاشش در درگاه ورودی هوا، به صورت پیش آمیخته با هوا مخلوط می گردد و سپس در داخل موتور، دیزل به صورت پاشش مستقیم در دو مرحله تزریق می شود. هدف این مقاله بررسی چگونگی تاثیر زمانبندی پاشش اولیه و ثانویه دیزل و همچنین تاثیر تغییر کسر جرمی دیزل در کنترل احتراق می باشد.
نتایج بدست آمده نشان دهنده کاهش مقدار بیشینه نمودار فشار، در پاشش زود هنگام پاشش اولیه سوخت دیزل می باشد. به علت کمتر بودن کسر جرمی سوخت دیزل در ترکیب بنزین/دیزل و از طرفی کم بودن درصد دیزل در پاشش دوم، تغییر زمانبندی پاشش ثانویه در محدوده ای به صورت چشمگیر تاثیر گذار نبوده و تاثیر خود را از زاویه به خصوصی نشان می دهد. نتایج نشان دادند که یکی از بهترین راه ها برای کنترل زمان احتراق تغییر کسر جرمی سوخت دیزل در ترکیب سوخت بنزین/دیزل می باشد، زیرا می توان به راحتی با تغییر کسر جرمی سوخت دیزل در مخلوط، زمان احتراق را کنترل نمود.
مقدمه
امروزه با گسترش حمل و نقل اتومبیلی، محققان در پی افزایش بازده و کاهش آلایندگی موتور ها بوده اند. در بین موتور های احتراق داخلی نیز موتور های دیزل به علت بازده بالاتر، مصرف سوخت پایین تر و سطح کربن دی اکسید کمتر، مورد توجه بیشتری واقع شده اند اما آلایندگی ذرات معلق و اکسید های نیتروژن در این موتور ها بالا می باشد. برای غلبه بر مشکلات نامبرده و استفاده از موتور های پر بازده دیزل یکی از راه هایی که محققان پیشنهاد نموده اند، بهبود فرایند احتراق در درون موتور می باشد .
یکی از پیشنهاد هایی که برای بهبود فرایند احتراق مطرح شده است، احتراق دما پایین می باشد. به علت این که دما در این نوع احتراق ها پایین تر است تولید اکسید های نیتروژن کاهش می یابد [3] و به دلیل پخش یکنواخت سوخت در داخل محفظه موتور نیز ذرات معلق نسبت به موتور های دیزل های متداول کاهش می یابد . از مهم ترین مسائلی که در این نوع احتراق مطرح می شود چگونگی کنترل بهتر فرایند احتراق در درون موتور می باشد.
در زمینه بررسی انواع استراتژی های دما پایین مطالعات گوناگونی صورت پذیرفته است. تامانگا و همکاران[5] 1 احتراق دو سوخته دیزل - بنزین را شبیه سازی نمودند تا تاثیر زمانبندی پاشش سوخت و ترکیب مخلوط را روی رفتار احتراق مورد مطالعه قرار دهند. آن ها مشاهده نمودند که ترکیب سوخت روی احتراق تاثیر زیادی می گذارد به طوری که با کاهش دیزل احتراق انجام شده به احتراق HCCI نزدیک می شود. بنابراین می توان نتیجه گرفت که در احتراق نوع RCCI، دیزل تاثیر کنترلی بازی می کند. آن ها مشاهده نمودند که زمانبندی پاشش، زمانی اثر خود را نشان می دهد که دیزل پاشش شده بیش از ده درصد از مقدار کل سوخت را تشکیل دهد، در غیر این صورت تاثیر آن جدی نخواهد بود.
لیدمارکس و همکاران به مطالعه گسترده تر موتور دیزل دما پایین دو سوخته پرداختند تا اثر زمانبندی پاشش و تعادل بین دو سوخت دیزل و بنزین را مورد مطالعه قرار دهند. اسپلیتر و همکاران[7] 3 ابتدا به صورت تجربی تاثیر زمانبندی پاشش مستقیم را با یک و دو پاشش مورد بررسی قرار دادند. سپس با شبیه سازی چند بعدی به بررسی نحوه آماده سازی سوخت و زمانبندی پاشش پرداختند. نتایج آن ها نشان دهنده کاهش آلاینده های CO و HC و افزایش بازده حرارتی در پاشش دو زمانه بود.
کوکجان و ریتز با استفاده از کد کیوا دو نوع احتراق دیزل متداول و RCCI را شبیه سازی کردند. در مطالعه آن ها اقتصاد سوخت و آلایندگی مورد مطالعه قرار گرفت. آن ها برای این مدل سازی از سینتیک شیمیایی مفصل استفاده کردند. برای جلوگیری از افزایش بسیار زیاد زمان محاسباتی آن ها مجبور شدند تا اندازه سلول های محاسباتی را بزرگتر در نظر بگیرند. بناجس و همکاران[9] 5 به دو صورت تجربی و عددی به بررسی فرایند های خود اشتعالی و اختلاط سوخت در داخل موتور با احتراق RCCI پرداختند. نتایج بدست آمده از مطالعات آن ها نشان می دهد که با کاهش نسبت سوخت دیزل به بنزین تاخیر در اشتعال افزایش یافته و اختلاط به خوبی در درون موتور انجام می گیرد و با پاشش زودتر سوخت دیزل، احتراق بهبود یافته و میزان آلاینده های مونو اکسید نیتروژن و ذرات معلق کاهش می یابد.
در پژوهش حاضر به مقایسه چگونگی و کیفیت احتراق انجام شده با تغییر زمان پاشش اول و دوم دیزل و همچنین تغییر نسبت دیزل به بنزین پرداخته شده است. ابتدا موتور نوع RCCI با نتایج تجربی اعتبار سنجی می گردد و سپس با تغییر زمانبندی پاشش اول و دوم و تغییر کسر جرمی دیزل عملکرد موتور و زمان احتراق مطالعه می گردد.
داده های تجربی
داده های تجربی مورد استفاده در این مقاله از داده های موتور کوکجان و همکاران [10] واقع در دانشگاه ویسکانسین- مدیسن استفاده گردیده است. هندسه موتور استفاده شده در این شبیه سازی مطابق جدول 1 می باشد.
جدول :1 هندسه موتور مورد استفاده [10]
نازل استفاده شده در این آزمایش برای پاشش درگاهی، از مشخصات جدول 2 و برای پاشش مستقیم از نازل
جدول 3 استفاده گردیده است.
جدول :2 مشخصات نازل پاشش درگاهی
جدول :3 مشخصات نازل پاشش مستقیم
شبیه سازی عددی
در این مطالعه عددی، شبیه سازی بوسیله نرم افزار AVL-FIRE انجام پذیرفته است. به علت بررسی جریان درون محفظه احتراق و فرایند احتراق، شبیه سازی از زمان بسته شدن سوپاپ ورودی تا زمان باز شدن سوپاپ خروجی انجام گرفته است. برای مدل سازی فرمول شیمیایی بنزین و دیزل به ترتیب از ایزواکتان و نرمال هپتان استفاده شده و برای مشخصات فیزیکی نیز از مشخصات فیزیکی بنزین و دیزل استفاده گردیده است. به منظور صرفه جویی در زمان محاسباتی، برای مکانیسم های واکنش از مکانیسم کاهش یافته استفاده شده است .[11] مدل سازی فروپاشی قطرات در هنگام پاشش از مدل [12] KH-RT و برای برخورد قطرات از مدل [13] O’Rourke استفاده گردیده است. مدل سازی برخورد قطرات به دیوار نیز با استفاده از مدل [14] Amsden O’Rourke شبیه سازی شده است. مدل سازی آشفتگی در داخل محفظه احتراق با مدل ، مدل گشته است
شبکه محاسباتی توسط محیط AVL ESE Diesel Tool ساخته شده است. برای صرفه جویی در زمان محاسباتی و به علت تقارن انژکتور موجود در مرکز محفظه ی احتراق، تنها 60 درجه از دامنه محاسباتی در نظر گرفته شده است. که جزییات مش بندی آن در شکل زیر دیده می شود.
شکل :1 دامنه محاسباتی شبکه بندی شده.
شرایط کارکردی موتور دیزل نامبرده نیز در جدول4 دیده می شود.
جدول :4 شرایط کارکردی مختلف برای شبیه سازی
بحث بر روی نتایج
از آنجایی که در این موتور دو پاشش مستقیم داریم، ابتدا تاثیر زمانبندی هر دو پاشش سوخت بر روی پارامتر های عملکردی موتور مورد بررسی قرار گرفته و سپس تاثیر درصد دیزل مطالعه می گردد. برای این منظور ابتدا موتور نوع RCCI با داده های آزمایشگاهی مدل سازی شده و اعتبار سنجی می شود. همانگونه که در نمودارهای 2 و 3 مشاهده می گردد، نتایج شبیه سازی شده دارای تطابق خوبی با داده های تجربی [10] می باشد.
شکل :2 مقایسه نمودار فشار شبیه سازی شده با نتایج آزمایشگاهی
