بخشی از مقاله
چکیده
هیدروژن به عنوان یک سوخت پاک از دیرباز مورد توجه محققین صنعت موتورهای احتراقی بوده اما در سالهای اخیر با توجه به افزایش قیمت سوختهای فسیلی، کاهش منابع آنها و همچنین سختگیرانهتر شدن قوانین زیست محیطی توجه بسیاری از محققین را به خود جلب کرده است. علاوه بر چالشهای تولید و ذخیرهسازی هیدروژن به عنوان سوخت، ارزیابی عملکرد موتور نیز امری ضروریست. تحلیل همزمان انرژی و اگزرژی درک بهتری از عملکرد موتور را فراهم نموده و به محققین امکان ارائه روشهای بهتر برای توسعه موتور را میدهد. در این پژوهش با استفاده از یک مدل ترمودینامیکی تکمنطقهای به تحلیل انرژی و اگزرژی یک موتوراشتعال تراکمی مخلوط همگن هیدروژنسوز پرداخته شده و تاثیر شرایط عملکردی موتور بر کارایی آن ارزیابی شده است. پارامترهای عملکردی مورد مطالعه شامل دور موتور، دما و فشار ورودی، نسبت همارزی و مقدار گازهای برگشتی بوده و در نهایت آنالیز حساسیت مولفههای انرژی و اگزرژی ناشی از پارامترهای ورودی موتور انجام شده است. نتایج حاصل از آنالیز حساسیت، بیانگر حساسیت ناچیز برگشتناپذیری به دور موتور بوده در حالی که فشار ورودی بیشترین اثر را بر بازگشتناپذیری داشته است. همچنین افزایش گازهای برگشتی سبب کاهش اگزرژی شیمیایی و افزایش اگزرژی ترمومکانیکی گازهای مخلوط ورودی میشود. همچنین با افزایش دمای مخلوط ورودی توان تولیدی موتور و اگزرژی شیمیایی مخلوط ورودی کاهش مییابد.
کلیدواژهها: موتور اشتعال تراکمی مخلوط همگن، انرژی، اگزرژی، آنالیز حساسیت، هیدروژن.
مقدمه
هیدروژن به عنوان یک سوخت تجدید پذیر با آلایندگی کم و مشخصات مناسب در مقایسه با سوختهای فسیلی با سختگیرانهتر شدن قوانین زیست محیطی مورد توجه محققین قرار گرفته است. آزادسازی سریع حرارت، سرعت شعله و همچنین عدد اوکتان بالا باعث افزایش کارایی موتورهای هیدروژنسوز شدهاست. همچنین دمای خود اشتعالی بالا و تاخیر دراشتعال کم خاصیت ضد کوبشی قابل توجهی را برای هیدروژن به ارمغان آورده است .[1] موتورهای هیدروژنسوز بخصوص در سرعتهای پایین قابلیت بکارگیری به صورت رقیقسوز را دارا بوده که در نتیجه تولید آلایندگی NOx بسیار پایینی خواهند داشت. همچنین با توجه به اینکه در ساختار شیمیایی هیدروژن اتم کربن وجود ندارد مقدار اندک آلایندگیهای CO و HC را میتوان در اثر احتراق روغنهای روانکار و همچنین کربندیاکسید موجود در هوای ورودی دانست .[2]
موتورهای اشتعال تراکمی مخلوط همگن به عنوان راه حلی مناسب برای کاهش تولید آلایندهها و مصرف سوخت در موتورهای احتراق داخلی محسوب شده که به صورت رقیقسوز عمل میکنند. در این موتورها مخلوط ورودی با نسبت تراکم بالا متراکم شده و در اثر خوداشتعالی محترق میشود. نرخ آزادسازی انرژی بالا که ناشی از خوداشتعالی میباشد، موجب تولید توان بالاتر و دمای شعله پایینتر در مقایسه با موتورهای اشتعال جرقهای و اشتعال تراکمی میشود. هرچند تاکنون فعالیتهای بسیاری توسط محققین در زمینه کنترل و تحلیل عملکرد موتورهای اشتعال تراکمی مخلوط همگن صورت پذیرفته است 3] و [4، نیاز به پژوهشهای بیشتری در زمینه تاثیر استفاده از هیدروژن به عنوان سوخت در موتور اشتعالتراکمی مخلوط همگن وجود دارد. هرچند تحلیل عملکرد موتور با قانون اول ترمودینامیک انجام پذیر است اما برای درک بهتر عوامل هدر رفت انرژی قانون دوم ترمودینامیک نیز باید در نظر گرفته شود.
اولین تجربه استفاده از موتور هیدروژنسوز پرواز چارلز1 با یک بالن هیدروژنی در سال 1783 بوده است .[5] در ادامه اولین موتور هیدروژنی برای خودرو توسط ریواز2 در سال 1807 تولید [6] و به موتور احتراق داخلی توسط ارن3 در سال 1939 توسعه داده شد .[7] این نمونهها توسعه یافته و در دهه 1990 با تحقیقات گسترده محققان موتورهای اشتعال تراکمی مخلوط همگن معرفی شدند .[8] در سال 2006، راکوپولوس و کریستیس[9] 4 به بررسی در دسترس پذیری در فرایند احتراق هیدروژن پرداخته و در کار خود از مدل ترمودینامیکی صفربعدی استفاده کردند. در این کار بر تفاوت تولید برگشتناپذیری در فرآیند احتراق هیدروژن و هیدروکربن تمرکز شده است. تاثیر استفاده از هیدروژن به عنوان سوخت افزودنی به موتور اشتعال تراکمی مخلوط همگن با سوخت نرمال هپتان توسط گو و نیل5 بررسی شده [10] و مطالعه مقایسهای اگزرژی برای موتورهای هیدروژنی و بنزینی بر اساس قانون دوم ترمودینامیک توسط نیمینن و دینسر 6 در سال 2010 انججام شده است .[11] در سال 2011 نیز تحلیل در دسترس پذیری سوخت ترکیبی گاز طبیعی و نرمال هپتان در موتور استعال تراکمی مخلوط همگن با بکارگیری مدل تکمنطقهای ترمودینامیکی توسط امجد 7 و همکاران انجام شده است .[12] در همان سال نتایج حاصل از مطالعه تجربی موتور اشتعال تراکمی مخلوط همگن هیدروژنسوز توسط بیکا8 و همکاران منتشر شد .[13]
در سال 2013 فاتحی و همکاران به تحلیل انرژی و اگزرژی یک موتور اشتعال تراکمی سوخت همگن با سوخت ایزو -بوتان پرداختند .[14] در همان سال تحلیلی مشابه برای یک موتور اشتعال جرقهای هیدروژنسوز با تاکید بر بررسی اثرات زمان پاشش و نسبت همارزی توسط نعمتی و همکاران انجام شده [15] و در سال بعد چینتالا و سابرامانیان9 به تحلیل حداکثر کار در دسترس در یک موتور اشتعال تراکمی دوگانهسوز هیدروژن-دیزلی پرداختهاند .[16] آنها ادعا کردند که با بکار گیری هیدروژن بازده قانون اول %10 افزایش و آلایندگی کربندیاکسید %36 کاهش مییابد. همچنین در سال 2014 جعفرمدار و جوانی به تحلیل اگزرژی یک موتور اشتعال تراکمی مخلوط همگن با سوخت گاز طبیعی و دی-متیل-اتر با استفاده از مدل تکمنطقهای ترمودینامیکی و سینتیک مفصل شیمیایی پرداختند .[17]
در این پژوهش به تحلیل انرژی و اگزرژی عملکرد یک موتور اشتعال تراکمی سوخت همگن هیدروژنسوز با استفاده از مدل تکناحیهای ترمودینامیکی و با در نظر گرفتن سینتیک مفصل شیمیایی پرداخته شده است. مقادیر تخریب اگزرژی در اثر تغییرات پارامترهای ورودی موتور با دقت بررسی شده و در نهایت آنالیز حساسیت مولفههای انرژی و اگزرژی مانند توان تولیدی موتور و بازگشت ناپذیری به پارامترهای ورودی موتور شامل دور موتور، فشار و دمای هوای ورودی، نسبت همارزی و گازهای برگشتی انجام شده است.
مدلسازی و روابط حاکم
مدل تکمنطقهای ترمودینامیکی به طور کلی برای تخمین زمان شروع احتراق و مطالعه کیفی عملکرد موتور بکار میرود. در این مطالعه یک مدل تکمنطقهای برای تحلیل قانون دوم ترمودینامیک توسعه داده شده است. بدین منظور از محیط برنامهنویسی نرمافزار متلب1 استفاده شده و برای شبیهسازی سینتیک احتراق ماژول منبع باز کانترا2 به آن اضافه شده است. این ماژول قادر به محاسبه آنی نرخ واکنشها و خواص ترمودینامیکی سیال عامل میباشد. مکانیزم سینتیک شیمیایی در نظر گرفته شده در این پژوهش برای مدلسازی احتراق هیدروژن شامل 10 گونه 21 واکنش میباشد .[18]
فرضهای در نظر گرفته شده در مدل تکناحیهای عبارتاند از:
· شبیهسازی برای چرخه بسته انجام میشود.
· کل محفظه احتراق به عنوان یک ناحیه با دما و فشار یکنواخت در هر لحظه در نظر گرفته میشود.
· سیال عامل به صورت کلی گاز ایدهال فرض میشود.
· جرم سیستم به صورت کلی ثابت در نظر گرفته شده و از نشتی3 گازها صرف نظر میشود.
محفظه احتراق در نظر گفته شده به عنوان سیستم ترمودینامیکی در شکل 1 به نمایش در آمده است که معادله انرژی برای آن به صورت زیر میباشد .[19] نرخ انتقال حرارت در موتورهای اشتعال تراکمی مخلوط همگن با معادله اصلاح شده وشنی مدل شده است :[20] که در آن A سطح انتقال حرارت، T دمای سیستم، TW دمای جداره و h ضریب انتقال حرارت جابجایی را نشان میدهند. کار صورت پذیرفته در مراحل تراکم و انبساط را به صورت زیر میتوان محاسبه نمود: که در آن P و به ترتیب فشار و حجم محفظه احتراق بوده که به ترتیب از قانون گاز کامل و روابط هندسی موتور بدست میآیند [19]، نرخ تغییرات انرژی داخلی در معادله 1 بیانگر تاثیر واکنشهای شیمیایی روی ویژگیهای ترمودینامیکی سیستم است. بنابراین دمای سیستم از معادله بقای انرژی قابل محاسبه است. انرژی داخلی مولی مخلوط ورودی به صورت زیر میباشد:که در آن yi کسر جرمی و ui انرژی داخلی مخصوص گونه -iام میباشد. با مشتق گرفتن معادله بقای انرژی نسبت به زمان نرخ تغییرات دمای داخل سیلندر مطابق با رابطه زیر قابل محاسبه است: کسر جرمی گونهها با قانون بقای جرم که در اینجا برابر با قانون بقای عناصر شیمیایی است محاسبه میشود. بدین منظور تعداد معادلات لازم برابر با تعداد گونههای شیمیایی میباشد. اطلاعات جزیی مربوط به نحوه محاسبات در منابع مختلف قابل دسترسی بوده [21] و در کار حاضر گازهای برگشتی و رطوبت نسبی به روابط موجود اضافه شده
