بخشی از مقاله
چکیده
آنالیز قانون اول که توسط مدلهای ترمودینامیکی یا سیالاتی انجام میگیرند، روش مناسبی برای بررسی عملکرد موتور و میزان حساسیت پارامترهای مختلف عملکرد آن میباشد.هدف از این مقاله تحلیل ترمودینامیکی دو منطقهای موتورهای سمند و زانتیا و مقایسه فشار، مصرف سوخت و کار تولید شده درمرحله تراکم و انبساط این موتورها میباشد. در این پژوهش به این نتیجه میرسیم که فشار و کار تولیدی زانتیا چه میزان از سمند بالاتر است.
مقدمه
سیکلی که در آن گرما در حجم ثابت آزاد میشود سیکل اتو نامیده میشود. در این تحلیل فرض می شود احتراق سریع رخ داده که پیستون در حین احتراق حرکتی نکرده است، در این حالت احتراق با یک جرقه شروع میشود به همین دلیل موتوری که بر مبنای سیکل اتو کار میکند موتور اشتعال جرقه ای نام گرفته است. از سیکل اتو برای تحلیل موتورهای احتراق داخلی که احتراق بسیار سریع رخ میدهد استفاده میشود. سیکل موتورهای بنزینی پاشش در راهگاه ورودی به سیکل اتو شبیه میباشد. مطالعات فراوانی با استفاده از روشهای تجربی، عددی و تئوری پیرامون موتورهای احتراق داخلی انجام شده است. ابراهیمی - [1] - EBRAHIMI,2010 اثرات تغییر فشار و cut-off را روی سیکل دوگانه مورد بررسی قرار داد،او با استفاده از مدل ترمودینامیکی به این نتایج دست یافت که با افزایش نسبت تراکم تا مقدار مشخصی بازده و قدرت خروجی افزایش یافته و پس از آن با افزایش نسبت تراکم کاهش پیدا میکنند.
لین و همکاران - [2] - Lin,1999تاثیر انتقال حرارت از دیواره سیلندر را روی کار خروجی در سیکل دوگانه مورد بررسی قرار دادند. نتایج آنها نشان می دهد مقدار بهینه نسبت تراکم بر طبق ماکزیمم کار خروجی، با افزایش نسبت فشار کاهش مییابد. رشیدی و همکاران - - Rashidi,2014 [3]آنالیز قانون اول و دوم ترمودینامیک را روی یک سیکل دوگانه استاندارد با در نظر گرفتن اتلاف حرارت مورد بررسی قرار دادند.آنها با استفاده از روش زمان محدود ترمودینامیکی نمودار بازده قانون اول، قانون دوم و قدرت خروجی با نسبت تراکم را نشان دادند. باهوش و سده - باهوش،[4] - 2013در سال 2013، بهبود متغییرهای عملکردی موتور دیزل پاشش مستقیم با استفاده از آنالیز اکسرژی را انجام دادند و تاثیر سوخت بیو دیزل تشکیل شده از روغن آفتاب گردان را مورد بررسی قرار دادند.
نتایج حاصل از بررسی اکسرژی نشان میدهد که استفاده از بیو دیزل مورد مطالعه باعث کاهش اکسرژی به میزان 7درصد میشود. از طرفی نسبت هم ارزی بهینه، شرایط را برای احتراق کاملتر فراهم نموده و افت راندمان ناشی از جایگزینی سوخت بیو دیزل را به کمتر از 2درصد میرساند. در زمینه پژوهشهای تجربی، پارلاک و همکاران - [5] - Parlak,2005 به بهینهسازی عملکرد یک سیکل بازگشتناپذیر دوگانه پرداخت، آنها عملکرد سیکل دوگانه و سیکل دیزل را تحت ماکزیمم کار خروجی با هم مقایسه کردند.
فرضیات ترمودینامیکی مدل:
الف - همگنی جزئی فشار ب - همگنی جزئی دما - برای کل سیلندر یا هر منطقه بررسی شده -
ت - ویژگیهای گاز با استفاده از روابط چند جملهایی با دما مدلسازی می شوند.
ث - حرارت آزاد شده حاصل از احتراق بطور یکنواخت در کل سیلندر توزیع یافته است. ذ - سیال انجام دهنده کار بعنوان یک گاز ایدهآل در نظر گرفته میشود.
روش تحقیق
معرفی مدل ترمودینامیکی:
در این پژوهش از مدلسازی دومنطقهایی که از دقیقترین مدلهای محاسبه انتقال حرارت است استفاده شده است. در این روش حجم سیلندر به حجم کنترلهای مجزایی تقسیم میشود. در این نوع مدل فرض میشود در هر لحظه از زمان احتراق حجم سیلندر به دو ناحیه سوخته شده و نسوخته تقسیم میشود. منطقه سوخته نشده unburne شامل مخلوط سوخت و هوا، گازهای باقیمانده و منطقه سوخت شده burne شامل محصولات ناشی از احتراق میباشد.
لازم به ذکر است که محدوده دمایی 300 تا 1000 کلوین برای محاسبه خواص مخلوط نسوخته و محدوده دمایی 1000 تا 5000 کلوین برای محاسبهی خواص مخلوط سوخته شده استفاده شده است. سیکل ترمودینامیکی ارائه شده این پژوهش دارای سه مرحله تراکم، احتراق و انبساط در طول 360 درجه حرکت میلنگ میباشد. به نوعی میتوان گفت نقطه شروع سیکل، نقطه مرگ پایین با زاویه گردش میلنگ منفی 180 درجه در مرحله تراکم میباشد. همچنین انتهای این سیکل در مرحله انبساط با زاویه گردش میلنگ منفی 180 درجه میباشد.
معادلات حاکم:
قانون بقای جرم و انرژی برای محتویات درون سیلندر در این پژوهش به شکل زیر نوشته میشود. اندیس u مربوط به حالات نسوخته مخلوط و اندیس b مربوط به حالت سوخته مخلوط درون سیلندر میباشد. همچنین m جرم محتویات درون سیلندر، u انرژی مخصوص، h آنتالپی مخصوص، θ زاویه میلنگ در حین گردش، V حجم سیلندر، P فشار درون سیلندر و Q انتقال حرارت بین منطقه احتراق و دیواره سیلندر میباشد.
خواص ترمودینامیکی هوا
هوای اطراف ما حاوی عناصری چون نیتروژن، اکسیژن، آب، دی اکسیدکربن، آرگون و سایر می باشد. از طرفی با توجه به اینکه در حدود %95 آن اکسیژن و نیتروژن است. ما در این پژوهش از سایر مقادیر صرف نظر می کنیم. فرض میشود ترکیب هوای اطراف از %21 اکسیژن و %79 نیتروژن تشکیل شده است. برای بدست آوردن خواص ترمودینامیکی هوا باید هریک از چند جمله ایی را در دمای مشخص معین کرد تا مقادیر آنتالپی، آنتروپی برای هر یک از گونه های شیمیایی ذکر شده بدست آید. مقادیر آنها در منابع مختلف به صورت جدول ذکر شده است.
لازم به ذکر است چون در محاسبات کامپیوتری فراخوانی اطلاعات از جداول مشکل است این خواص ترمودینامیکی به صورت چند جمله ای هایی در دو حالت دمایی زیر 1000 کلوین برای محاسبه خواص مخلوط نسوخته و بالای 1000 کلوین برای مخلوط سوخته پردازش شده اند. لازم به ذکر است که در این پژوهش مقادیر دما بر حسب درجه کلوین هستند.مقادیر ازدو جدول جداگانه - - Ferguson, CR.,1986 برای دمای زیر 1000 کلوین و بالای 1000 کلوین قابل دسترس می باشند. در این روابط R ثابت جهانی گاز میباشد که دارای مقدار 8/314 J/mol.K میباشد. همچنین لازم به ذکر است که ضریب در منابع مختلف به راحتی در دسترس می باشند.
خواص ترمودینامیکی سوخت
با توجه به اینکه مخلوط ورودی به سیلندر شامل هوا و سوخت میباشد باید اقدام به محاسبه خواص ترمودینامیکی سوخت کرد. برای محاسبه خواص ترمودینامیکی سوخت، چند جملهاییهای زیر را معرفی شدهاند که در آنها دما بر حسب کلوین و ضرایب a7..... a2,a1 از جدول - - 1 برای هر سوخت مشخص، تعیین میشود. خواص ترمودینامیکی مخلوط از طریق چند جملهایی هایی که تابع دما هستند به شرح زیر بدست میآیند.
