بخشی از مقاله
چکیده
با توجه به کاهش ذخایر انرژی، بالا بردن بازده احتراق در موتورهای احتراق داخلی و کاهش اتلاف انرژی سوخت اهمیت زیادی پیدا کرده است. به زبان ساده چون زمان موجود برای فرایند احتراق در یک چرخه موتور، بسیار کوتاه است و ممکن است تمامی مولکولهای سوخت نتوانند با مولکول اکسیژنی ترکیب شوند و یا کم بودن دما در نقطهای، امکان ایجاد واکنش را فراهم نسازد. در نتیجه مقدار کمی از سوخت، بدون واکنش، با گازهای خروجی خارج میشود. لذا با بهدست آوردن نرخ آزادسازی انرژی با روش این مقاله، و مقایسه آن با ارزش حرارتی سوخت و جرم آن در یک چرخه کاری موتور، میتوان راندمان احتراق را برای موتور محاسبه کرد. هدف، تعیین نرخ آزادسازی انرژی در یک موتور دیزل پاشش مستقیم، با توجه به دادههای تجربی آزمایشگاهی است. موتور به کار رفته در آزمایش، دایدونگ با توان یازده اسب بخار است. آزمایش در سرعت 800 دور بر دقیقه در حالت بدون بار، گشتاورهای 1,4 نیوتن متر و 20 نیوتن متر انجام شده است، همچنین در سرعت 1000 دور بر رقیقه در گشتاورهای 4,5 نیوتن متر، 13,5 نیوتن متر و 20 نیوتن متر و در سرعت 1200 دور بر دقیقه در گشتاورهای 4,7 نیوتن متر، 11 نیوتن متر و 14,3 نیوتن متر انجام شده است. اطلاعات و نمودار فشار بر حسب زاویه لنگ به طور تجربی بهدست آمده و از تحلیل این اطلاعات تجربی، نرخ آزادسازی انرژی، زمان شروع احتراق و بازه احتراقی بهدست آمد و با اندازهگیری مصرف سوخت در آزمایشگاه، بازده احتراق تعیین شد.
کلیدواژهها: نرخ آزادسازی انرژی، زاویه لنگ، زمان شروع احتراق، بازده احتراقی
مقدمه
در سالهای گذشته با افزایش تعداد خودروها به عنوان یکی از اصلیترین مصرفکنندههای سوخت، ذخایر انرژی با کاهش شدیدی روبهرو شد. از این رو بالا بردن بازدهی سوخت، اهمیت بیشتری پیدا کرده است. در موتور دیزل، زمان موجود برای فرایند احتراق در یک چرخه موتور، بسیار کوتاه است و ممکن است تمامی مولکولهای سوخت نتوانند با مولکول اکسیژنی ترکیب شوند و یا کم بودن دما در نقطهای، امکان ایجاد واکنش را فراهم نسازد. در نتیجه مقدار کمی از سوخت، بدون واکنش، با گازهای خروجی خارج میشود. در نتیجه در سالهای اخیر آزمایشهای زیادی در راستای شناخت و جداسازی موتورهای با بازده بالا از بازده پایین انجام شده است. در واقع مطالعات زیادی در راستای رسیدن دقیقتر از دادههای محدود تجربی به اطلاعات جامع صحیح در مورد موتور مورد آزمایش، انجام شده است . همچنین مطالعات نظری پیرامون تحلیل اطلاعاتی مانند نمودار فشار و نمودار نرخ آزادسازی انرژی، به هدف رسیدن به اطلاعات جدید و بهینه کردن عملکرد موتور انجام شده است.
در تحقیقات جعفرمدار و منصوری [1] با استفاده از یک مدل چندبعدی به تحلیل اکسرژی در یک موتور دیزل، در بارهای مختلف پرداخته شد. نتایج پارامترهای اکسرژی حاکی از آن بود که با افزایش بار از بیستوپنج درصد به صد درصد بار کامل، راندمان اکسرژی در موتور تزریق هوا نسبت به موتور پایه کاهش مییابد. در تحقیقات سکمن1 و ایلبسی[2] 2 کاربرد قوانین اول و دوم ترمودینامیک برای تحلیل کمی و کیفی انرژی، در یک موتور دیزل چهار سیلندر پاشش مستقیم و با استفاده از سوخت دیزل و بیودیزل مورد بررسی قرارگرفت. نتایج نشان داد که مهمترین عامل ناکارآمدی سیستم، تخریب اکسرژی از طریق فرآیندهای برگشتناپذیری میباشد که بیشتر در فرآیند احتراق دیده میشود. بریجش3 و راجندرا[3] 4 مقدار فشار لازم تزریق سوخت را در موتور دیزل بررسی تجربی کردند. در این بررسی سوخت را با فشارهای مختلف از رنج صدوپنجاه نیوتن بر مترمربع تا صدونود نیوتن بر مترمربع درون محفظه احتراق یک موتور دیزل تک سیلندر چهار زمانه آب خنک تزریق کردند. نتایج این بررسی نشان داد، که بازده حرارتی و مصرف سوخت ویژه موتور با فشار تزریق سوخت صدوهفتاد نیوتن بر مترمربع بهبود مییابد. سانگ ووک لی5 و همکاران [4] تأثیر پارامترهای سوخت دیزل بر روی پاشش و احتراق را در یک موتور دیزل بررسی کردند. نتایج نشان داد، چنانچه فشار تزریق سوخت زیاد باشد، مدت احتراق کاهش مییابد. زیرا شدت نفوذ سوخت زیاد است.
معادلات تجربی زیادی برای بهدست آوردن تخمینی نرخ آزادسازی انرژی ارائه شده است. از پر کاربردترین آنها توابع وایب[5] که توسط هیوود6 ارائه شد، است. این تابع کمک میکند تا نسبت انرژی آزاد شده به کل انرژی که در انتهای مرحله احتراق آزاد میشود بهدست آید. با این وجود این معادله یک تابع عمومی برای موتورهای اشتعال جرقهای بهشمار میرود. معادلات تجربی دیگری نیز وجود دارد، الگوی واتسون[6]، الگوهای آرنیوسی[7] و الگوهای وشنی آنیسیتز[8] از معروفترینهای این معادلات تجربی هستند. اما در این مقاله در کنار تمرکز بیشتر روی دادههای تجربی، از مدل احتراق تک منطقهای قانون اول ترمودینامیک7 در کنار معادله حالت استفاده شده است، وفرضیاتی مانند، گاز ایدهآل بودن محصولات احتراق، نبود جریان بین شکافها و فواصل و همچنین یکنواخت بودن فشار، دما و ترکیب مخلوط گازها، در نظر گرفته شده است.
نرخ آزادسازی انرژی
برای به دست آوردن رابطه نرخ آزادسازی انرژی از قانون اول ترمودینامیک و مدل احتراق تک منطقه استفاده شده است.[9] در مدل تک منطقه فشار، دما و مخلوط گازهای داخل سیلندر یکنواخت در نظر گرفته شده است و تفاوتی بین گازهای سوخته شده و سوخته نشده نیست. انتشار شعله و شکل هندسی محفظه احتراق مورد بحث نیست و احتراق به شکل افزودن گرما هست. معادله - 1 - قانون اول ترمودینامیک برای سیستم باز است. پارامترها به ترتیب از چپ به راست معرف انرژی شیمیایی آزاد شده در احتراق، تغییر انرژی محسوس داخلی، کار انجام شده توسط پیستون، انتقال حرارت از مخلوط گازها به دیواره های سیلندر و انرژی عبوری از مرزهای سیستم هستند.
با توجه به فرض صرفنظر کردن جریان جرمی در فواصل رینگها و پیستون با جداره سیلندر، بین شکافها و لقی سوپاپها و نشستی احتمالی به داخل سیلندر، و همچنین فرض اینکه محصولات احتراق، گاز کامل هستند ومعادلات - 4 - ، - 5 - و - 6 - صادق هستند. با جایگذاری معادلات - 3 - تا - 6 - در معادله - 1 - ، معادله نرخ آزادسازی انرژی در هر زاویه میل لنگ به دست میآید. که از انتقال حرارت از دیواره سیلندر صرفنظر میشود. در این رابطه P فشار داخل سیلندر، V حجم سیلندر، و نسبت گرمای ویژه فشار ثابت به حجم ثابت است. و با تقسیم بر ⅆ نرخ آزادسازی انرژی در هر زاویه لنگ به دست میآید.
نحوه انجام آزمایش
جهت انجام این آزمایش، در ابتدا آزمایشگاه تست موتور احتراق داخلی در دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل راهاندازی شد و آزمایش زیر اولین آزمایش انجام شده در این آزمایشگاه بوده است. موتور به کار رفته در آزمایش، موتور دیزل تک سیلندر با پاشش مستقیم دایدونگ1 با توان یازده اسب بخار است. سوخت به کار رفته در آزمایش، گازوئیل است. تست ها در دورهای ثابت با گشتاورهای مختلف انجام شده و نتایج به صورت اطلاعات فشار بر حسب زاویه لنگ به دست آمده است. فشارسنج مورد استفاده کیستلر - type6613CA SN4543176 - 2 بوده است. آزمایش در سرعت 800 دور بر دقیقه در حالت بدون بار، گشتاور 1,4 نیوتن متر و 20 نیوتن متر انجام شده است. آزمایش در سرعت 1000 دور بر رقیقه در گشتاورهای 4,5 نیوتن متر، 13,5 نیوتن متر و 20 نیوتن متر انجام شده است. آزمایش در سرعت 1200 دور بر دقیقه در گشتاورهای 4,7 نیوتن متر، 11 نیوتن متر و 14,3 نیوتن متر انجام شده است. در هر قسمت میزان مصرف سوخت اندازهگیری شده است. نتایجی که در هر قسمت از آزمایش بهدست میآید به صورت
