بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش، اثر سوختهای جایگزین بنزین بر روی عملکرد موتور اشتعال جرقهای تک سیلندر، مورد ارزیابی قرار گرفته است. از نرمافزار تجاری GT-POWER برای مدلسازی و تحلیل داده ها استفاده شده است. ارزیابیها در یک موتور تک سیلندر چهار زمانه تحت بارگذاری کامل و در نسبت تراکم 12 انجام گرفته است. در تحلیل حاضر، نتایج مربوط به سوخت های متانول، اتانول و هیدروژن با بنزین مقایسه شده است.
کمیتهای مورد بررسی شامل آلایندههای اکسید کربن - CO/CO2 - ، اکسید نیتروژن، راندمان حجمی، راندمان اندیکاتوری، توان ترمزی، گشتاور ترمزی، فشار بیشینه، دمای بیشینه و مصرف سوخت ویژه ترمزی است. نتایج حاصل نشان میدهد که سوخت اتانول و متانول کارایی بیشتری نسبت به بنزین دارند. جایگزین مناسب دیگر از نظر زیست محیطی، سوخت هیدروژن است زیرا خروجی اگزوز آن، بخار آب است. هر چند اکسید نیتروژن تولیدی آن نسبت به مابقی سوخت ها بیشتر است اما اکسیدهای کربن آن صفر است.
مقدمه
با توجه به نقش اصلی صنعت حمل و نقل در تمدن امروز بشر بحث جایگزین کردن سوخت های فسیلی با سوخت های حاصل از منابع تجدیدپذیر و بی ضرر برای محیط زیست و سلامت انسان ها در رأس هرم توجه کشورهای صنعتی و مصرف کنندگان قرار گرفته است. برای مثال، کشور آمریکا از سوخت هیدروژن و اتانول و برخی سوخت های جایگزین دیگر برای کاهش مصرف سوخت های فسیلی استفاده میکند. بسیاری از تولیدکنندگان خودرو در حال حاضر، خودروهای هیدروژنی را آزمایش میکنند که از مطرح ترین آنها می توان به مدل هیدروژن7 شرکت BMW اشاره کرد. به علاوه، سوخت اتانول نیز جایگزین مناسبی برای بنزین است. ولی عمده مشکل خودروهای اتانول سوز، بالابودن مصرف سوخت ویژه و راه اندازی سرد آنهاست. همچنین به دلیل قیمت بالای آن، آنها را با بنزین ترکیب شده و استفاده می کنند.
در این راستا، تحقیقاتی انجام شده است که در ادامه، به بررسی اجمالی آنها پرداخته میشود. رحیم و همکاران ، با استفاده از نرم افزار GT-POWER به شبیه سازی یک بعدی موتور دیزل تک سیلندر پرداختهاند. در این تحقیق ، مشخصات عملکردی موتور در هنگام کارکرد با سوخت اتانول به جای گازوئیل بررسی شده است. آنها در مشاهدات خود به این نتیجه رسیدند که کارکرد اتانول برای موتور دیزل مناسب نیست. بنی طالبی و همکاران [2]، به طراحی اولیه یک موتور اتانول سوز بر پایه موتور XU7 و با استفاده از نرم افزار GT-POWER پرداختهاند. به دلیل اینکه اکتان اتانول بالاتر از بنزین است، اینگونه خودروها می توانند تا نسبت تراکم بیشتری کار کنند. برای رفع مشکل اتانول در راه اندازی سرد نیز، از بنزین استفاده شده است.
چانگ وی جی و همکاران با مطالعه موتور چهار سیلندر، با امکان ترکیب هیدروژن و بنزین، مخلوط های رقیق سوخت و هوا را بررسی و تغییرات سیکلی را برحسب نسبت تعادل سوخت به هوا مطالعه کردند. نتیجه گیری آنها بدین صورت بود که با فقیر شدن مخلوط سوخت و هوا، تغییرات سیکلی افزایش می یافت و این روند در ترکیب 3 درصدی هیدروژن و بنزین نیز مشاهده می شد. همچنین تغییرات آلاینده هیدروکربن نسوخته نیز مطالعه شد که در نتیجه افزایش نسبت سوخت به هوا، مقدار این آلاینده در گازهای خروجی افزایش مییافت.
در مقاله دیگر، سویز و همکاران ، تغییرات سیکلی و آلاینده های خروجی موتور چهار سیلندر اشتعال جرقهای را در دو حالت ترکیب دو سوخت اتانول و بنزین برای درصدهای حجمی مختلف اتانول در شرایط نسبت سوخت به هوا بیشتر، بررسی کردند و تغییرات سیکلی را براساس درصد حجمی اتانول ترکیب شده نیز ارائه کردند. در این مطالعه، نقطه بهینهای برای ترکیب اتانول و بنزین معرفی شده است که در این نقطه، تغییرات سیکلی کمینه میگردد. براساس دیگر نتایج، مقدار نسبت سوخت به هوا در نقطه بهینه معرفی شده، کمترین مقدار را داشت. همچنین در این شرایط، مقدار آلاینده هیدروکربن نسوخته و منوکسید کربن نیز، کمینه می گردد.
اقدم و همکاران ، به مطالعه تجربی اثر تغییرات سیکلی بر هیدروکربن نسوخته در موتور اشتعال جرقه ای پرداختهاند. آنها برای بهبود عملکرد موتور اشتعال جرقهای، شناخت تغییرات سیکلی را از اهداف اصلی قرار داده اند که این تغییرات به نوع سوخت، نسبت سوخت به هوا، سرعت دورانی، بار و مشخصات هندسی موتور وابسته است و می تواند سبب نواسانات توان خروجی و هیدروکربن نسوخته شود.
سویز با استفاده از موتوری چهار سیلندر، اثر تغییر حجم مخزن آرامش قبل از چندراهه ورودی را بررسی کردو به این نتیجه رسید که کمینه تغییرات چرخهای در سرعتی خاص رخ داده است و برای حجم های مختلف مخزن آرامش تقریبا ثابت است. دراین تحقیق آلایندهها بصورت تابعی از سرعت رسم شده است.
موری و همکاران مطالعه جامعی از موتور چهار سیلندر در نسبت های رقیق سوخت و هوا ارائه کردند. آنها تاثیر زمان بندی جرقه، زمان بندی پاشش سوخت، سرعت موتور، بار موتور و نسبت تعادل سوخت به هوا را بر تغییرات سیکلی سه متغیر فشار متوسط، دمای بیشینه گازهای خروجی و دمای متوسط گازهای خروجی مطالعه کردند. این بررسی نشان داد که با افزایش هوای اضافی - کاهش غنا - ، تغییرات سیکلی بطور متوسط افزایش مییابد. همچنین، با دور شدن زمان بندی جرقه از نقطه مرگ بالا، تغییرات سیکلی، روند کاهشی را نشان می داد اما تغییرات سیکلی فشار مؤثر متوسط در چنین شرایطی، مقدار کمینهای دارد. همچنین تغییرات سیکلی برای زمان بندی شروع پاشش نیز دارای یک مقدار کمینه است.
پلاسک و همکاران با استفاده از شبیه سازی دو ناحیهای، آلایندگی اکسید نیتروژن را در موتور هیدروژن سوز بررسی کردند. ما5 و همکاران [9]، با استفاده از شبیه سازی صفر بعدی، موتوری هیدروژنی را بهینه سازی کردند.
ورهلست و همکاران با استفاده از شبیه سازی چند ناحیه ای، موتور اشتعال جرقه ای را با سوخت هیدروزنی بررسی کردند.
اسامه اثر سوختهای مختلف را بر عملکرد یک موتور تک سیلندر با استفاده از احتراق دو ناحیهای و رابطه تجربی وشنی برای تلفات حرارتی مدلسازی کرد. همچنین پورخصالیان و همکاران با توسعه یک برنامه کامپیوتری به مقایسه اثر سوختهای مختلف بر عملکرد یک موتور احتراق جرقهای پرداختند.
در این مقاله سعی شده است که عملکرد یک موتور اشتعال جرقهای تک سیلندر با چند نمونه سوخت در مقایسه با بنزین بررسی شود. برای این منظور، از شبیه سازی یک بعدی در نرم افزار GT-POWER استفاده شده است.
مدلسازی
در این تحقیق، سعی شده عملکرد موتور اشتعال جرقهای با استفاده از چهار نمونه سوخت - بنزین، متانول، اتانول و هیدروژن - ، با یکدیگر مقایسه شود. به عبارت دیگر، هدف این بوده است که سوختی جایگزین برای سوختهای فسیلی یافت شود. برای این منظور، از نرم افزار GT-POWER استفاده شده است که مربوط به تحلیل ترمودینامیکی موتورهای احتراق داخلی است و امروزه در صنعت، کاربرد فراوان دارد. لازم به توضیح است به دلیل این که تاثیر سوخت مدنظر بوده است، هندسه و سایر مشخصات موتور که در مقایسه عملکردی نیاز به تغییر نداشته اند، مانند دمای سطوح مختلف طبق داده های موجود در خود نرم افزار انتخاب شده اند. در شکل 1، موتور تک سیلندر اشتعال جرقهای که توسط نرم افزار GT-POWER بصورت یک بعدی، شبیه سازی شده است، دیده می شود. ضمنا مشخصات موتور تک سیلندر مورد بررسی، در جدول 1 آمده است.
شکل :1 مدل یک بعدی موتور تک سیلندر اشتعال جرقهای
جدول :1 مشخصات موتور تک سیلندر مورد استفاده
در مدل یک بعدی نرم افزار GT-POWER، بخش های زیر به عنوان اطلاعات ورودی برنامه معرفی شده اند:
· بخش Env-Inlet - ورودی محیط - : فشار ورودی، - bar - 1 و دمای ورودی 300 درجه کلوین در نظر گرفته شده است که همان فشار و دمای محیط است.
· بخش :Int-Runner دارای مشخصات هندسی به شرح ذیل است: طول 350 میلیمتر - اگر طول کمتری انتخاب شود، جریان باز خواهد گشت - ، قطر ورودی و خروجی 40 میلیمتر. جنس منیفولد پلاستیک1 بوده و دمای دیواره 350 کلوین است. سیال ورودی، هوا بوده که شامل 76,7 درصد جرمی نیتروژن و 23,2 درصد جرمی اکسیژن است.
· بخش :Int-Port دارای مشخصات بصورت ذیل است: طول 80 میلیمتر و قطر انتهایی و ابتدایی 40 میلیمتر است. همچنین دمای دیواره، 450 درجه کلوین و فاکتور انتقال حرارت1,5 2 است.
· بخش :Cylinder سه دمای ثابت که برای عملکرد اکثر موتورها کافی است عبارت است از: دمای سرسیلندر 550 - درجه کلوین - ، دمای پیستون 590 - درجه کلوین - ، دمای سیلندر 450 - درجه کلوین - است. نسبت سطح سر سیلندر به سطح حفره سیلندر 1,15 می باشد.
· بخش :SI-Inject دبی جرمی پاشش انژکتور 6 گرم بر ثانیه بوده است. نتایج براساس نسبت هوا به سوخت استوکیومتری بدست آمده است. کسر سوخت تبخیر شده نیز 0,3 در نظر گرفته شده است.
· بخش :Exh-Port طول، 60 میلیمتر و قطر ورودی و خروجی، 30 میلیمتر در نظر گرفته شده است. جنس آن نیز چدن بوده و دمای دیواره 550 درجه کلوین می باشد.
· بخش :Exh-Runner قطر ورودی و خروجی 30 میلیمتر و طول آن، 150 میلیمتر در نظر گرفته شده است. جنس منیفولد دود، فولاد و دمای دیواره 600 درجه کلوین می باشد.
· بخش :Env-Outlet در این بخش، فشار و دمای خروجی به ترتیب - bar - 1 و 300 درجه کلوین قرار داده شده است.
نتایج شبیهسازی
در این بخش، در دورهای متفاوت موتور تک سیلندر، اثر تغییر سوخت بر مشخصه های مختلف عملکرد آن، نشان داده شده است. در شکل 2 راندمان حجمی و در شکل 3 راندمان اندیکاتوری برای این چهار سوخت نشان داده شده است.
شکل های 4 و 5 نیز، به ترتیب، گشتاور ترمزی و توان ترمزی را نشان می دهد. در شکل های 6 تا 8، میزان آلاینده های موتور - منوکسید کربن، دی اکسید کربن و اکسید نیتروژن - برای سوخت های مختلف بررسی شده است.
