بخشی از مقاله
چکیده
زمانبندی بهینه جرقه یکی از مشخصههای مهم موتورهای اشتعال جرقهای است که میتواند از نوع سوخت مصرفی متأثر گردد. در این مقاله با استفاده از نتایج تجربی استخراجی از یک موتور اشتعال جرقهای تک سیلندر، تأثیر یک حالت ترکیبسوز %75 - بنزین%25B گاز طبیعی - روی زمانبندی بهینه جرقه مورد بررسی قرار گرفته است. دادههای خام سیگنالهای فشار و شفت انکودر تحت حالتهای تکسوز و ترکیببسوز مذکور با نسبت همارزی استوکیومتری، سرعت 1800 rpm و نسبت تراکم 10/12 از یک موتور تک سیلندر پژوهشی اخذ شد. پس از پردازشهای این دادههای خام نتایج قابل استفاده بدست آمد.
نتایج حاصله در حالت تکسوز نشان داد که آوانس بهینه جرقه برای بنزین 27° bTDC و برای گاز طبیعی 35° bTDC بود و در حالت ترکیبسوز فوق این آوانس 29° bTDC شد. از این نتایج ملاحظه میشود که آوانس بهینه جرقه در حالت ترکیب سوز حدود 2 درجه میللنگ نسبت به حالت بنزینسوز آوانس و 6 درجه نسبت به حالت گاز سوز ریتارد داشته است.
مقدمه
با توجه به وفور منابع گاز طبیعی در کشور و داشتن ذخایر گاز طبیعی فراوان ، سیاست سازمان بهینهسازی مصرف سوخت کشور، تغییر سوخت خودروها از بنزین به گاز طبیعی است. اثرات نامطلوب گازهای آلاینده منتشره از موتورها بر محیط زیست با سوختهای مایع مثل بنزین، افزایش قیمت نفت و گرمایش جهانی که از نظر محیط زیست موضوع مهمی است، استفاده از سوختهای جایگزین و ترکیبسوز را امری اجتنابناپذیر کرده است. بخشی از سیستم حمل و نقل از موتورهای اشتعال جرقهای استفاده میکنند که در نسبت تراکم پایین و با خروجی گازهای آلاینده بالا کار میکنند. موتورهای اشتعال جرقهای بنزینسوز، آلایندههای HC، CO و CO2 بالا و آلاینده NOx پایینتری را نسبت به گاز طبیعی تولید میکنند
همچنین موتورهای بنزینسوز مقاومت به کوبش کمتر و تولید توان و گشتاور بالاتری را در نسبت تراکم برابر نسبت به گاز طبیعی دارند. ترکیب مولکولی گاز طبیعی اکثراً از CH4 تشکیل شده است در حالی که ترکیب مولکولی بنزین C8H18 میباشد و این بدین معنی است که در گاز طبیعی تعداد هیدروژن بیشتری به ازای یک کربن وجود دارد بنابراین درصد کربن در متان کمتر از بنزین است پس گاز طبیعی آلاینده CO2 کمتری را نسبت به بنزین تولید میکند[ 3] با توجه به نکات ذکر شده میتوان با ترکیب این دو سوخت معایب کارکرد موتور با هر یک از این سوختها به صورت تک گانه را کمرنگ کرده و به بهترین حالت عملکرد موتور و کمترین میزان تولید آلایندگی دست یافت پس مناسب است از موتور تک گانهسوز به سمت موتور ترکیبسوز حرکت نمود.
زمان پاشش سوخت یکی از مهمترین پارامترهای مؤثر در کارکرد موتور است که یافتن بهترین زمان برای پاشش سوخت میتواند به عملکرد بهتر موتور و کاهش آلایندههای آن کمک کند [5].[4] بر روی اثر نوع سوخت - بنزین و گاز طبیعی - روی تغییرات سیکلی یک موتور اشتعال جرقه ای در حالت مخلوط فقیر، با استفاده از یک موتور پژوهشی تک سیلندر CT300 کار کردند. با اندازه گیری تغییرات فشار داخل سیلندر بیش از 400 سیکل پشت سر هم در موتور مورد نظر برای مخلوط بنزین - هوا و گاز طبیعی - هوا در بار کامل ، سرعت 1800rpm و نسبت تراکم 8 با نسبت هم ارزی 0/94 با تحلیل آماری دادهها به این نتیجه رسیدند که ضریب تغییر - COV1 - فشار موثر متوسط اندیکه - imep2 - ، قله فشار - Pmax - و مکان زاویه ای قله فشار - Ɵ - در حالت بنزین- هوا بترتیب 2/4، 1/29، 1/04 برابر مخلوط گاز طبیعی- هوا است.
در یک تحقیق تجربی بر روی آلایندههای خروجی یک موتور تک سیلندر پژوهشی اشتعال جرقهای و حالت بنزینسوز و گازسوز کار کردند. آنها دادههای خود را در سه سرعت موتور و چهار نسبت همارزی مبنای مختلف و با گام 2œCA انجام دادند و به این نتیجه رسیدند که مقادیر HC حالت بنزینسوز بیشتر از حالت گازسوز است.
جاهیرول3 و همکاران [3] در یک موتور خودرو مجهز شده به سیستمهای کنترلی و سنسورهای مختلف اثر دو سوخت بنزین و گاز طبیعی را بر روی عملکرد و آلایندههای خروجی آن بررسی کردند. آنها در این کار توان ترمزی، مصرف سوخت ویژه، بازده حرارتی ترمزی، دمای گازهای خروجی و میزان آلایندههای خروجی را اندازه گیری کردند و به این نتیجه رسیدند که در حالت گازسوز توان ترمزی، مصرف سوخت ویژه ترمزی، دمای گازهای خروجی و میزان آلایندههای خروجی کمتر از حالت بنزینسوز است.
طاهر4 و همکاران [7] بر روی یک موتور تک سیلندر اشتعال جرقهای به مقایسهی کارکرد موتور در دو حالت بنزینسوز و گازسوز پرداختند. آنها از یک دینامومتر هیدرولیک و انواع سنسورها برای کنترل و ثبت دادهها استفاده کردند. نتایج نشان داد که فشار داخل سیلندر در حالت گازسوز %20 کمتر از حالت بنزینسوز است. همچنین تولید توان در حالت گازسوز %18/5 کمتر از حالت بنزینسوز است.
آچیکگوز5 و همکاران [8] در یک موتور پژوهشی دو سیلندر سوخت متان خالص در مقایسه با سوخت متان مخلوط با مقداری گاز هیدروژن با نسبتهای حجمی 10، 20 و 30 درصد را مقایسه کردند. نتایج بدست آمده نشان میدهد 9]،[10که آلایندههای CO2 و HC با افزایش درصد حجمی هیدروژن، کاهش یافته ولی CO در شرایط هوای استوکیومتریک تمایل به افزایش از خود نشان میدهد. همچنین آلاینده NOx با افزایش درصد حجمی هیدروژن در سوخت، افزایش مییابد.
در کار حاضر تأثیر افزودن گاز طبیعی به بنزین و همچنین تغییر موقعیت زاویه پاشش بر روی مؤلفههای عملکردی موتور ، دبی هوا ، نسبت هم ارزی با استفاده از نتایج استخراجی از یک موتور پژوهشی بررسی میشود. در این مطالعه داده برداری در سرعت 1800rpm و نسبت همارزی 1/00 با نسبت ترکیبی 25% گاز طبیعی و %75 بنزین انجام شده است.
تجهیزات استفاده شده
موتور استفاده شده در این آزمایش یک موتور تک سیلندر مدل 29C ساخت شرکت فریمن دیزل که توسط شرکت گونت آلمان با تغییرات لازم به موتور نسبت تراکم متغییر ارتقا یافته است. سکوی آزمایشی که این موتور روی آن سوار شده مدل CT300 است که توسط شرکت مذکور طراحی و ساخته شده است. شکلهای - 1 - و - 2 - بترتیب نمایی از موتور پژوهشی استفاده شده و شماتیکی از بستر آزمایش را نشان میدهند.
شکل :1 نمایی از موتور استفاده شده
این موتور صرفاً اشتعال جرقهای است و از ویژگیهای بارز آن قابلیت تغییر نسبت تراکم موتور میباشد. این موتور به کمک ماشین آسنکرون که سرعت آن قابل تنظیم است بارگذاری میشود. مشخصات هندسی این موتور در جدول - 1 - آورده شده است. سیستم به گونهای طراحی شده که قدرت خروجی در حالت ژنراتور را میتوان از طریق یک واحد بازیاب به شبکه الکتریکی بازگرداند. بستر آزمایشی موتور از یک قاب پایهای محکم که از پروفیلهای ناودانی ساخته شده است، تشکیل گردیده است. این قاب پایهای یک صفحه ضخیم محکم فولادی را که بر تکیهگاههای کائوچویی و الاستیکی قرار گرفته است در بر دارد، خود بستر آزمایشی موتور بر پایههای الاستیکی سوار شده و باعث به حداقل رسیدن انتقال صوت سازهای میشود. روی صفحه بستر، موتور تک سیلندر و ماشین آسنکرون قرار گرفته است که از طریق یک کوپلینگ پنجهای و الاستیک به هم متصل شدهاند.
شکل :2 نمایی از بستر آزمایش -1 - قاب پایهای -2 صفحه فولادی -3 موتور -4 ماشین آسنکرون -5 گیج کرنش -6 جعبه ترمینال الکتریکی -7 گهواره -8 تکیهگاه الاستیکی -9 پایه -10 کوپلینگ -
موتور به طور محکم و با پیچ به صفحهی بستر بسته شده اما ماشین آسنکرون به طور تحریکپذیر روی دو گهواره سوار گردیده، این وضعیت اندازهگیری الکتریکی گشتاور را از طریق یک اهرم بازویی گیج کرنش و واسطه الکتریکی نیرو امکانپذیر میسازد. در قاب پایه یک جعبهی ترمینال الکتریکی بین موتور و ماشین آسنکرون نصب شده، این جعبه تمامی خطوط الکتریکی را گروهبندی و آنها را به طرف سوکتهای متناظر هدایت میکند.
گشتاور بین موتور و ماشین آسنکرون از طریق یک کوپلینگ مبادله میشود. ماشین آسنکرون روی تکیهگاه قابل چرخش - بلبرینگی - قرار گرفته است. یک بازوی اهرمی متصل به تکیهگاه ثابت که روی آن یک ترانسدیوسر نیروی گیج فشار نصب شده است مانع اصلی غلط خوردن ماشین روی تکیهگاه خود میباشد. سیگنالهای کرنش گیج توسط سیستم مربوطه تقویت و اصلاح میشود و گشتاور به صورت دیجیتالی بر حسب N.m روی تابلوی کنترل نمایش داده میشود.
