بخشی از مقاله
خلاصه
در کار حاضر احتراق در محفظه سیلندر موتور اشتعال جرقهای حین کارکرد عادی و در سیکل بسته با استفاده از 2 نوع سوخت در نسبت همارزیهای مختلف سوخت و هوا، با هدف بررسی چگونگی کارکرد موتور و دستیابی به آلایندگی کمتر و بازدهی بیشتر، با کمک نرمافزار AVL FIRE شبیه سازی شده و آلاینده مونوکسیدکربن، دیاکسیدکربن، اکسیدهای نیتروژن و هیدروکربنهای نسوخته حاصل از احتراق مورد تحلیل و مقایسه قرار گرفتهاست. با توجه به نتایج به دست آمده می توان گفت با افزایش دور موتور از 3500rpm به 4500rpm میزان آلاینده NO در شرایط کارکرد عادی موتور بنزینسوز -%59,8 و موتور گازسوز -%59,6 تغییر یافته که در مورد آلاینده CO2 این تغییر به ترتیب -%85 و -% 89 و آلاینده CO به میزان +% 67 و +%63 می باشد. در شرایط استوکیومتری با افزایش دور موتور میزان تغییرات آلاینده NO و CO2 در هر دو حالت بنزینسوز و گازسوز بسیار ناچیز بوده و آلاینده CO نیز به میزان %4 در هر دو حالت کاهش داشتهاست. به دلیل تاثیر بسیار ناچیز دوده نتایج این آلاینده در مقاله حاضر ارائه نشده است. همچنین نتایج نشان میدهد که در شرایط استوکیومتری تاثیر افزایش دور موتور بر بازدهی موتور بنزینسوز +%2 و در حالت گازسوز +%3,5 می باشد که این مقادیر در شرایط کارکرد عادی موتور به ترتیب به -%7,2 و -%6,5 تغییر می یابد.
.1 مقدمه
ذخایر نفت خام در حال کاهش و تقاضا در حال افزایش می باشد. از طرفی آلودگی هوا نقش عمده ای در تخریب لایه ازن و سلامت بشر دارد که درصد چشمگیری از آلاینده ها مربوط به احتراق سوخت در موتورهای اشتعال جرقه ای است. یکی از راه حل های پیشنهادی جهت حل این معضل استفاده از سوخت های جایگزین بنزین بوده که با دارا بودن مزایای این نوع سوخت، درصدد رفع معایب آن برآمده باشند. ایران با اختصاص %18,2 از کل منابع جهان، بزرگترین دارنده منابع گازی به شمار می رود، لذا استفاده از سوخت های گازی راهکار هوشمندانه ای است که از بین آنها گاز طبیعی، متانول و اتانول بیشتر مورد توجه قرار گرفته اند. از طرف دیگر با توجه به هزینه های بالا و محدودیت های تست های آزمایشگاهی، شبیه سازی های عددی و پیش بینی میزان آلاینده ها بسیار حائز اهمیت بوده که در این زمینه تحقیقات متعددی انجام گرفته است. کریم و همکارانش[1] احتراق و آلایندگی یک موتور دوگانهسوز را در بار جزیی بررسی کردند. نتایج نشان داد در بارهای جزیی، زمانیکه مخلوط متان و هوا فقیر است یا مقدار سوخت آتشزا کم است، آلاینده مونوکسیدکربن1 افزایش مییابد. قسمت عمده مونوکسیدکربن در مراحل اولیه اکسیداسیون متان بوجود میآید که در مراحل بعدی احتراق مقداری از آن به دیاکسیدکربن2 اکسیده میشود.
برای کاهش هیدروکربنهای نسوخته3، استفاده از سوخت آتشزا با مقدار زیاد در بارهای جزیی یا سوخت آتشزای کم در بارهای بالا، آوانس زمان پاشش سوخت آتشزا و پیشگرم کردن مخلوط گاز و هوا پیشنهاد شدهاست. البته روشهای پیشنهاد شده، آلاینده اکسید نیتروژن4 را افزایش میدهند. دیشی و همکارانش[2] تأثیر بازخورانی گازهای اگزوز5 را بر عملکرد و آلایندگی یک موتور دوگانهسوز بهصورت تجربی بررسی کردند. نتایج نشان داد در بارجزیی، EGR گرم به دلیل افزایش دمای گازهای ورودی به سیلندر، موجب بهبود احتراق و افزایش بازده گرمایی میشود. بنابراین هیدروکربن نسوخته و اکسیدنیتروژن کاهش یافته و دوده6 نیز در مقادیر بالای گاز طبیعی تقریبا صفر میباشد. در بار کامل نیز از آنجا که EGR سرد تأثیر کمی بر زمان تأخیر در اشتعال دارد، اکسیدنیتروژن و دوده را کاهش میدهد بدون اینکه بازده دمایی را کاهش دهد . برای کاهش آلاینده منوکسیدکربن نیز از کاتالیست پلاتینیوم استفاده شده که مقدار آن را در بارهای جزیی و کامل تقریبا %100 کاهش میدهد. پیروزپناه و کاشانی[3] احتراق و آلایندگی در یک موتور دوگانهسوز را با استفاده از مدل احتراق چند منطقهای برای احتراق سوخت آتشزا و مدل احتراق دو منطقهای برای احتراق بار پیشآمیخته هوا و سوخت گازی شبیهسازی کردند. از چهار زیر مدل برای پیشگویی آلایندههای UHC، NO، CO و Soot استفاده شده است.
در این زیر مدلها فرض بر این است که هیدروکربنهای نسوخته، منوکسیدنیتروژن و منوکسیدکربن در هر دو منطقه احتراقی سوخت آتشزا و مخلوط هوا وسوخت گازی بوجود میآیند اما آلاینده دوده تنها در منطقه احتراقی سوخت آتشزا بوجود میآید. اگرچه نتایج عددی مدل در پیشگویی انتقال حرارت بین مخلوط داخل سیلندر و دیواره، همچنین رفتار آلایندهها توافق خوبی را با نتایج تجربی نشان میدهد، اما مقادیر آلایندهها، همچنین فشار بیشینه داخل سیلندر با نتایج تجربی سازگاری خوبی ندارند. یکی از مشکلات اصلی موتورهای اشتعال جرقهای، علاوه بر کاهش توان و بازده گرمایی، تولید زیاد آلایندههای CO ، CO2 و هیدروکربن هاست که از احتراق گاز طبیعی به وجود میآیند. با افزودن هیدروژن به گاز طبیعی علاوه بر بهبود خاصیتهای احتراقی، این آلایندهها نیز کاهش مییابد. دالگر[4] بررسی عددی را روی احتراق مخلوط سوختی شامل %80 گازطبیعی و %20 هیدروژن انجام دادهاست . سوآن و همکاران[5] و یوسف[6] نیز همین ترکیب را برای موتورهای مختلف بررسی کردهاند. هنگامی که از مخلوط متان-هیدروژن به جای متان خالص با غنای برابر استفاده میشود، بازده حرارتی و NOx افزایش مییابد، در حالیکه هیدروکربنهای نسوخته و CO کاهش مییابند. داس و همکاران [8][7] بهکارگیری مخلوط هیدروژن و گاز طبیعی را در یک موتور اشتعال جرقهای بررسی کردهاند. نتایج کار آنها نشان داد که ترکیب هیدروژن با گاز طبیعی توانایی کارکرد در حالت رقیقتر را در شرایط بارهای جزئی دارد و فشار موثر متوسط ترمزی بهبود مییابد. ترکیب هیدروژن با گاز طبیعی باعث کاهش آلایندهها میشود. همچنین مصرف مخصوص سوخت کاهش و بازده حرارتی ترمزی نیز افزایش مییابد. قرهقانی و همکاران[9] به بررسی اثر هیدروژن در غنیسازی موتور اشتعال جرقهای با توجه به محدوده عملکردی احتراق پرداختند و از مدل چند بعدی CFD7 همراه با مکانیزم سینتیک شیمیایی استفاده کردند. در این پژوهش نشان دادند که با افزایش کسر جرمی هیدروژن میزان آلایندههای مونوکسیدکربن، دیاکسیدکربن و هیدروکربنهای نسوخته کاهش مییابد . در کار حاضر احتراق در محفظه سیلندر موتور اشتعال جرقه ای حین کارکرد عادی و در سیکل بسته با استفاده از 2 نوع سوخت با هدف بررسی میزان آلاینده ها و تغییرات بازدهی با تغییر دور موتور مورد تحلیل و مقایسه قرار گرفته است.
.2 موتور مورد مطالعه
موتور مورد مطالعه در این تحقیق، موتور ملیEF7 میباشد که پروژهای مشترک بین مرکز تحقیقات موتور ایرانخودرو1 و مرکز تحقیقات موتور آلمان2 میباشد. مشخصات فنی این موتور در جدول 1 آمدهاست.
.3 شبیه سازی
1,3 فرضیات
در مراحل انجام این مطالعه فرض بر این است که موتور در حالت کارکرد عادی و بار کامل مشغول به کار میباشد. شروع سیکل مکش در زاویه میل لنگ 360 3 درجه می باشد که یک سیکل کامل تا زاویه میل لنگ 1080 درجه ادامه می یابد. احتراق در نسبت هم ارزیهای4 مختلف در دو دور موتور و با ثابت نگه داشتن نسبت تراکم، زمان جرقه زنی و دور موتور، در سیکل بسته موتور شبیهسازی شده است.
