بخشی از مقاله
خلاصه
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 منطقه ای موتورهای پراید و تیبا و مقایسه فشار، مصرف سوخت و کار تولید شده درمرحله تراکم و انبساط این موتورها میباشد.در واقع شرکت سایپا از همان بلوکه سیلندر در این پژوهش به این نتیجه میرسیم که به نسبت کاهش مصرف سوختی که موتورهای پاشش مستقیم دارند تولید کار قابل ملاحظه ای در مقابل با موتورهای پاشش در راهگاه ورودی دارا هستند.
واژگان کلیدی:موتورهای احتراق داخلی، پاشش در راهگاه ورودی ، دو منطقهای، شبیه سازی ترمودینامیکی.
مقدمه
سیکلی که در آن گرما در حجم ثابت آزاد میشود سیکل اتو نامیده میشود. در این تحلیل فرض میشود 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. 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.تاثیر 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.
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. در سال 2011 تجزیه و تحلیل ترمودینامیکی زمان محدود برای یک سیکل دیزل مدرن انجام دادند. قدرت حداکثر، انرژی حداکثر و توان را به دست آوردند و اثر پارامترها طراحی مانند نسبت حجم و نسبت درجه حرارت در شرایط حداکثر قدرت و حداکثر تراکم مورد بررسی قرار گرفت. نتایج تجزیه و تحلیل نشان میدهد که پارامتر های طراحی در شرایط حداکثر قدرت و حداکثر بازده قدرت مزیت قابل توجهی در مقایسه با حداکثر شاخص تراکم قدرت دارند.
باهوش و سده 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 پژوهشی روشی برای الگو سازی مخلوط سوخت وهوا با ترکیب کردن مولفه های شکل گیری مخلوط نظیر فشار سوخت ، زمان شروع پاشش ، سرعت پاشش و محل قرار گیری افشانه ارائه کردند برای انجام این کار تشکیل مخلوط سوخت وهوا با استفاده ازنرم افزار فلوئنت از لحظه شروع پاشش سوخت تا نقطه مرگ بالا در مرحله تراکم شبیه سازی شده است .آنها در شبیه سازی از افشانه سوخت چرخشی استفاده کردند و شمع وافشانه در مرکز سرسیلندر قرار داده شده است .
نتایج نشان داده است که هرچه فشار پاشش سوخت بیشتر باشد غلظت مخلوط در اطراف شمع وهمچنین قدرت نفوذ افشانه بیشتر می شود هر چه سوخت در بار چینه ای بیشتر باشد ، غلظت مخلوط در اطراف شمع ودر راستای محور سیلندر بیشتر می شود .این مسئله کمک شایانی به پایداری احتراق می نماید همچنین هر چه سطح کاسه روی پیستون بیشتر باشد سوخت بیشتر روی دیواره پیستون پخش می شود در صورت که هرچه کاسه کمتر باشد تمرکز غلظت مخلوط به سمت شمع هدایت می شود.
در پژوهشی دیگر نحوه شکل گیری مخلوط سوخت و هوا برای سوخت پاشش شده توسط افشنک دارای دو افشانه در یک موتور gdi بررسی شده است برای این منظور ویژگی های جرم سوخت مایع وبخار نفوذ افشانه سوخت و زاویه پاشش سوخت توسط شبیه سازی سه بعدی و تصویر برداری لیزری مورد بررسی وصحه گذاری قرار داده اند آنها سپس داده های ورودی شبیه سازی را تغییر داده اند نتایج حاصل نشان داده است که کاهش زاویه افشانه ها با محور سیلندر باعث افزایش قطرات با یکدیگر و تبخیر آنها و به این ترتیب افزایش جرم سوخت بخار شده می شود همچنین زمانی که زاویه افشانه ها با محور سیلندر 10 درجه باشد ، بیشترین و زمانی که 15 درجه باشد کمترین مقدار نفوذ افشانه مشاهده می شود آنها دریافتند که افزایش فشار پاشش سوخت از 100 بار به 150 بار مقدار تبخیر سوخت و طول نفوذ افشانه را به مقدار قابل ملاحظه ای افزایش می دهد اما افزایش فشار از 150 بار به 200 بار تاثیر چندانی در مقدار تبخیر سوخت و طول نفوذ افشانه ندارد.
در زمینه پژوهشهای تجربی،به بهینهسازی عملکرد یک سیکل بازگشتناپذیر دوگانه پرداخت، آنها عملکرد سیکل دوگانه و سیکل دیزل را تحت ماکزیمم کار خروجی با هم مقایسه کردند. بازگشت ناپذیری داخلی را با استفاده از بازده انبساطی و تراکمی تعیین کردند و عملکرد یک سیکل دوگانه را مورد بررسی قرار دادند.هدف این مقاله تحلیل ترمودینامیکی دو منطقه ای موتور پاشش مستقیم بنزینی و مقایسه فشار، مصرف سوخت و کار تولید شده درمرحله تراکم و انبساط این موتورها با موتورهای پاشش در راهگاه ورودی میباشد. 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 میباشد. 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 گونههای 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 جملهایهایی 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 برمقادیر ازدو جدول جداگانه برای دمای زیر 1000 کلوین و بالای 1000 کلوین قابل دسترس می باشند. در این روابط R ثابت جهانی گاز میباشد که دارای مقدار J/mol.K
8/314 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 a2,a1 محاسبه شده است.
محصولات احتراق
در این پژوهش محصولات احتراق باید برای دوحالت دما پایین - کمتر از 1000 کلوین - و دما بالا - بالاتر از 1000 کلوین - جداگانه محاسبه شوند.
محصولات احتراق دما پایین در دماهای پایینتر از 1000کلوین فرض میشود که محصولات احتراق دارای 6گونه به شرح زیر میباشند.
محصولات احتراق دما بالادر معادله - 11 - ده مجهول دیده میشود که برای پیدا کردن مجهولات به 10 معادله نیاز داریم که چهار معادله از موازنه اتم های کربن،اکسیژن،هیدروژن و نیتروژن بدست میاید و 6 معادله باقی مانده به صورت 6 واکنش تعادلی در دسترس هستند. Ferguson,جرم گازهای سوخته شده در پژوهش های مربوط به موتورهای احتراق جرقهایی جهت شبیهسازی نرخ سوختن مخلوط درون سیلندر از دو مدل Current Study و [13] Wiebe Function استفاده میشود. هر دو روش تطابق خوبی با نرخ سوختن به صورت تجربی دارند.
