بخشی از مقاله
چکیده
موتورهای بنزینی پاشش مستقیم به عنوان یکی از دستاوردهای جدید صنعت خودرو و قوای محرکه با افزایش بازده موتور مصرف سوخت را کاهش می دهند. در این نوع از موتورهای بنزینی به جای پاشش سوخت در پورت ورودی، انژکتور فشار بالا سوخت را مستقیما به محفظه احتراق تزریق می کند. در نتیجه به دلیل سرمایش تبخیری، مخلوط سرد شده و امکان دستیابی به نسبت تراکم بالاتر در دور و بار بالا بدون رخ دادن پدیده ضربه فراهم می شود. افزایش نسبت تراکم بازده حرارتی موتور را افزایش می دهد. در دور و بار پایین با حذف دریچه هوا و ایجاد مخلوط چینه ای مصرف سوخت کاهش می یابد. در پژوهش حاضر با استفاده از نرم افزار فایر مش متحرک محفظه موتور ملی ایجاد شده و ورود هوا به آن شبیهسازی شده است. سپس از یک اسپری -6راهه فشار بالای پاشش مستقیم برای تزریق مستقیم سوخت به محفظه و تشکیل مخلوط سوخت و هوا استفاده شده است.
جرقه با مدل کروی و احتراق با مدل ECFM شبیه سازی شده است. در نهایت اثر تاخیر در زمان شروع پاشش بر احتراق بررسی شده است. نتایج شبیهسازی احتراق نشان می دهد در حالت تشکیل مخلوط استوکیومتریک، سوخت باید زودهنگام تزریق شود تا مخلوط همگن سوخت و هوا ایجاد شده و احتراق مخلوط کامل صورت گیرد. پاشش دیرهنگام سوخت موجب عدم اختلاط صحیح سوخت و هوا، برخورد اسپری سوخت به تاج پیستون، تشکیل فیلم سوخت روی پیستون و در نتیجه احتراق ناقص مخلوط می شود. در نتیجه تولید توان کاهش و تولید آلاینده ها افزایش می یابد.
کلیدواژهها: موتور پاشش مستقیم بنزینی، انژکتور چند-راهه، اسپری سوخت، احتراق مخلوط همگن، احتراق مخلوط چینهای
مقدمه
بهبود تشکیل مخلوط هوا و سوخت یکی از راههای افزایش بازده عملکرد موتورهای احترق جرقه ای است. حدود اشتعال مخلوط فقیر، امکان احتراق فقیر را در این گونه موتورها کاهش می دهد. در نتیجه از دریچه هوا برای کاهش توان استفاده میشود که این موضوع نیز به نوبه خود باعث کاهش بازده حجمی میشود. پاشش مستقیم سوخت در موتورهای جرقه ای از طرق مختلف باعث بهبود عملکرد احتراق و موتور می شود. تبخیر سوخت، دمای مخلوط قبل از احتراق را کاهش می دهد. در نتیجه نسبت تراکم های بالاتر و بازده حرارتیهای بالاتر قابل دسترسی است. [4-1] در حالت مخلوط چینه ای1، با برداشتن دریچه هوا افت دریچه هوا از بین می رود.[5] جلوگیری از خروج سوخت در حالت هم پوشانی سوپاپ ها یکی دیگر از مزایای استفاده از پاشش مستقیم است. احتراق ناقص موضعی و افزایش هیدروکربن نسوخته از نتایج فیلم سوخت دیواره است که با پاشش مستقیم کاهش مییابد.[6]
با استفاده از پاشش مستقیم می توان به چند طریق از موتور بنزینی استفاده کرد. در بار کم، سوخت به اطراف شمع هدایت می شود و یک مخلوط سوخت و هوای چینه ای تشکیل می شود. مخلوط تشکیل شده پیرامون شمع استوکیومتریک یا کمی غنی است در حالی که نسبت سوخت به هوای کلی، فقیر است. در بار زیاد، سوخت بسیار زود هنگام و در طی مرحله مکش یا تراکم تزریق می شود و یک مخلوط همگن استوکیومتریک ایجاد میشود.[7] انواع متعددی از روش های پاشش و انژکتورهای سوخت به منظور دستیابی به مخلوط سوخت و هوای مطلوب وجود دارد. انژکتورهای مخروطی توخالی2، مخروطی کامل تک-راهه و چند-راهه 3 برای روش های پاشش هدایت یافته توسط اسپری4، هدایت یافته توسط جریان هوا5 و هدایت یافته توسط تاج پیستون6 استفاده می شوند.[6] در روش هدایت یافته توسط اسپری، انژکتور در نزدیکی شمع نصب می شود و اسپری سوخت مستقیما به سمت شمع پاشیده میشود. در روش هدایت یافته توسط جریان هوا، سوخت به جریان هوای درون محفظه پاشیده می شود و جریان هوا سوخت را به سمت شمع هدایت می کند. در روش هدایت یافته توسط تاج پیستون، سوخت مستقیما به سمت تاج پیستون پاشیده می شود. تاج پیستون با هندسه ویژه خود، سوخت را به سمت شمع برمیگرداند[8] - شکل . - 1
رونالد و گروور[9] 7 جت خروجی از هر نازل یک انژکتور چند -راهه را بررسی کردند و الگوی قرارگیری نازلها روی انژکتور را باز طراحی کردند تا تشکیل فیلم سوخت روی دیواره را کاهش دهند. مونتانارو8 و همکاران [10] تنها یک جت از انژکتور چند-راهه را شبیه سازی و صحه گاری کردند تا ثوابت زیر مدل های اسپری چند-راهه به دست آید. این روش هزینه محاسبات را به شدت کاهش میدهد. اگرچه شرایط اویه و ثوابت زیرمدل ها برای تمام جت های خروجی از یک انژکتور ثابت است، اما جت های مجاور به دلیل تداخل جتها، اثرات دینامیک سیال و ... رفتار متفاوتی دارند. این پژوهشهای صورت گرفته، اسپری را در محیط بدون جریان شبیه سازی میکنند. در حالی که جریانهای درون سیلندر میتوانند تاثیر زیادی بر روی نحوه پخش سوخت و در نتیجه عملکرد احتراقی موتور داشته باشد.
موریو و همکارانش [11] با ایجاد جریان غلتشی هوای درون سیلندر9 به صورت مصنوعی و در نظر گرفتن غیر فعال10 تبخیر اسپری، به صورت تجربی مشاهده کردند که تزریق سوخت، ساختار جریان هوای درون سیلندر و مرکز دوران آن را تغییر میدهد. حرکت هوا زودتر پایان مییابد و آشفتگی جریان زمان بیشتری برای اتلاف انرژی جنبشیِ جریان خواهد داشت. کیم و همکارانش [3]با استفاده از ابزار وی سی ام11 و نرم افزار استار- سی دی12، اثر جریان غلتشی و آشفتگی شدت یافته را بر پارامترهای عملکردی مختلف موتور بررسی کردند. آنها مشاهده کردند که در صورت تشدید جریان غلتشی و آشفتگی در محفظه احتراق، مخلوط غنیتری در نزدیکی شمع ایجاد شده و باعث کاهش نرخ سوختن سوخت و پایداری احتراق میگردد. چن و همکاران [12] با استفاده از نرم افزار استار سی دی یک موتور بنزینی 2 لیتری با پاشش مستقیم را بهینه کردند. آنها فرآیند های ورود هوا به محفظه، پاشش سوخت و احتراق مخلوط را شبیه سازی کردند و با استفاده از دریچه تنظیم شدت جریان هوا در پورت ورودی، اثر متقابل اسپری سوخت و جریان هوا در محفظه را بر تشکیل مخلوط و احتراق بررسی کردند. آن ها نشان دادند که تغییر در زمان پاشش سوخت شدت جریان هوای درون محفظه، انرژی جنبشی آشفتگی، توزیع قطرات سوخت در محفظه و همگنی مخلوط سوخت و هوا را تحت تاثیر قرار می دهد.
همچنین نشان دادند هرچه شدت جریان هوای درون محفظه بیشتر باشد سرعت جبهه ی شعله نیز بیشتر می شود. در نهایت به منظور محاسبه سریع مدت زمان احتراق، آن ها یک همبسته1 ارائه کردند. به هر حال اثر متقابل اسپری و جریانهای داخل سیلندر و اثرات آن بر عملکرد موتور به شایستگی مورد بررسی قرار نگرفته است. هدف از انجام این تحقیق مدل سازی احتراق در یک موتور بنزینی با پاشش مستقیم سوخت است تا عملکرد موتور تحت این شرایط ارزیابی گردد. بخش نخست چنین مدلی، توسعه دقیق زیر مدل پاشش سوخت است. برای این منظور از نرم افزار ای وی ال فایر2 برای تولید مدل اصلی و زیر مدلهای پاشش سوخت استفاده میشود. در مقایسه با سایر مدل های عددی مشابه، مدل توسعه داده شده قابلیت محاسبه پارامترهای اسپری نظیر طول نفوذ را در محدوده وسیعی از نقاط عملکردی موتور و به ویژه برای فشارهای مختلف محفظه احتراق دارد. علاوه بر آن با توجه به اینکه عمده مدل های توسعه داده شده فقط به شبیه سازی اسپری در محیط بدون جریان3 پرداخته اند، شبیه سازی عددی در این پروژه با در نظر گرفتن جریان های درون سیلندر برای سیکل کامل از ورود هوا به محفظه، پاشش سوخت تا زمان پایان احتراق صورت گرفته و زیر مدلهای احتراقی مناسب برای مخلوط شارژ چینهای تهیه شده است.
شبیهسازی اسپری سوخت
در این مقاله از داده های تجربی کاستا و همکاران در انستیتو موتوری ایتالیا به عنوان ورودی شبیه سازی استفاده شده است.[6] در مطالعه حاضر از انژکتور شش راهه Bosch HDEV 5.1 استفاده شده است. پاشش با فشار 20 مگاپاسکال در محفظه حجم ثابت پر شده از نیتروژن در دما و فشار 298 کلوین و 100 کیلوپاسکال صورت گرفته و با دوربین پرسرعت با شاتر 0,5 میکروثانیه تصویربرداری شده است. انژکتور شش نازل با قطر 0,193 میلی متر دارد که به صورت متقارن روی محیط انژکتور قرار دارد اما جهت شش نازل نامتقارن است. برای شبیهسازی اسپری از زیر مدلهای زیر استفاده شده است:
· توزیع اندازه قطرات به عنوان مدل فروپاشی اولیه قطرات
· مدل کلوین-هلمهلتز4 و هو-گوسمن5 به عنوان مدل فروپاشی ثانویه
· مدل نوردین[13] 6 به عنوان مدل برخورد قطرات
· مدل داکوویکز7 به عنوان مدل تبخیر قطرات
نحوه شبیه سازی و صحه گذاری اسپری سوخت تحت شرایط فوق به تفصیل در پژوهشهای گذشته [15 , 14] تشریح شده است و از ذکر دوباره آن خودداری شده است. تنها مقایسه نهایی اسپری شبیه سازی شده با داده های تجربی تصویربرداری شده در شکل - 2 - نشان داده شده است.
انتخاب محفظه احتراق
محفظه موتور ملی EF7 با 4 سیلندر به حجم 1650 سیسی به عنوان محفظه مورد مطالعه انتخاب شده است. مشخصات این محفظه از مرکز تحقیقات موتور ایران خودرو - ایپکو - گرفته شده و در جدول - 1 - ارائه شده است. در شکل - 3 - هندسه محفظه موتور ملی مشاهده می شود. در دور 3000 rpm و فشار 1 bar زمانبندی باز و بسته شدن سوپاپها و زمان جرقه از ایپکو اخذ شده و برای همین شرایط کاری مش متحرک محفظه با استفاده از ماژول ESE Chamber modeler نرمافزار ای وی ال فایر ایجاد شده است.
