بخشی از مقاله
چکیده
در طی دهه گذشته، یک فناوری احتراقی جایگزین با عنوان موتورهای اشتعال تراکمی همگن - HCCI - شناخته شده است . در این مقاله یک تک سیلندر موتور HCCI با نسبت تراکم 12,5 و سوخت ایزواکتان با نرم افزار AVL Fire در دورها و نسبتهای همارزی مختلف، با مدل های آشفتگی k-zeta-f، احتراقی شکست گردابی، آلایندگی NO توسعه یافته زلدویچ، برخورد قطرات سوخت به دیواره ضربه دیوار1، توزیع و پخش قطرات جت سوخت موج، انتقال حرارت و تبخیر قطره دوکوویچ، به روش CFD شبیه سازی شده است. با توجه به اینکه موتور مورد بحث، می تواند در یک خودروی هیبریدی با یک ژنراتور کوپل شود و در شرایط معین و بهینهای کار کند، با نتایج بدست آمده از فشار و دمای محفظه سیلندر، فشار متوسط موثر، مصرف سوخت ویژه، تاثیر نسبت همارزی، آلاینده NOx و مقایسه با استاندارد آلایندگی 6 نقطه ژاپن و در نظر گرفتن محدودیتهای زیست محیطی و اقتصادی، بهترین حالت عملکرد موتور در دور 3000 دور بر دقیقه و بارگذاری %50 و نسبت هم ارزی 0,6 پیشنهاد میشود.
کلیدواژه ها: عملکرد بهینه، موتور اشتعال تراکمی همگن
مقدمه
در طی دهه گذشته، یک فناوری احتراقی جایگزین با عنوان موتورهای اشتعال تراکمی همگن - HCCI - شناخته شده است، که توانایی رسیدن به راندمان بالاتری نسبت به موتورهای بنزینی و نزدیک به موتورهای دیزلی را دارا میباشد و همچنین میزان تولید NOx در آنها در حد نصف و یا کمتر میباشد. مزیتهای موتور HCCI ، دانشمندان را بر آن داشت تا به رفع معایب آن بپردازند ، یکی از این معایب، عملکرد نامطلوب موتور HCCI در بارها و سرعتهای بالا است. لذا موتور HCCI میتواند انتخاب مناسبی برای خودروی هایبرید الکتریکی باشد. در خودروی هیبریدی از دو یا چند منبع انرژی - باتری یا سوخت فسیلی - و مبدل انرژی - موتور الکتریکی و احتراق داخلی - برای تولید قدرت استفاده میشود و دارای ساختارهای سری، موازی و ترکیبی میباشد.در این خودروها نیاز است که موتور درون سوز در یک بازه محدود سرعت و بار کار کند ، لذا نیازی به برطرف کردن معایب موتور HCCI در دورهای بالا نیست، چون عملاً موتور احتراقی در این محدوده قرار نمیگیرد. خودروهای هیبریدی این امکان را فراهم میکنند که مزایای هر دو نوع خودروهای الکتریکی و احتراقی استفاده شود. بدین طریق، میتوان خودرویی با آلودگی ناچیز و قدرت شتابگیری مناسب طراحی نمود.
در این موتورها همانند موتورهای اشتعال جرقهای1 ، سوخت و هوا قبل از اشتعال با هم مخلوط میشوند. عمل اختلاط یا در سیستم ورودی به سیلندر و یا در خود سیلندر صورت میگیرد. در این شیوه احتراقی برای شروع احتراق از سیستم جرقه استفاده نمیگردد، بلکه مخلوط هوا و سوخت متراکم میگردد تا پیش واکنش ها با بالا رفتن دمای مخلوط، انرژی اولیه جهت احتراق را فراهم نمایند. در اواخر مرحله تراکم، احتراق بوسیله پدیده خود اشتعالی2 در چندین مکان درون سیلندر به صورت همزمان آغاز میگردد. اگر چه شاید پدیده خود اشتعالی عمری به اندازه عمر موتورهای بنزینی داشته باشد، اما اولین کارهای صورت گرفته در زمینه کنترل پدیده خود اشتعالی به عنوان پدیدهای مستقل در اشتعال سوخت در موتور را میتوان به اُنیشی 1[] و نُگوچی [2] در سال 1979 نسبت داد.
پتانسیل موجود در این نوع موتورها در کاهش مصرف سوخت و آلایندهها، منجر به تحقیق بر روی نوع چهار زمانه این نوع موتورها توسط نجت و فُستر در سال 1983 شد.[3] ترینگ کار را ادامه داد و تأثیر بازگردانی گازهای خروجی 3 و نیز نسبت هوا به سوخت را بر کارایی این موتورها بررسی کرد .[4] در سال 1992، استُکینگر4 و همکارانش برای اولین بار نشان دادند که یک موتور 4 سیلندره بنزینی که از سیستم اشتعال خوداشتعالی استفاده میکند، به کمک نسبت تراکم بالاتر و گرمایش هوای ورودی، میتواند در یک محدوده سرعت و بار محدود فعالیت کند.[5] مهم ترین فعالیتها در زمینه به کارگیری خوداشتعالی کنترل شده در موتورهای چهار زمانهی بنزینی در اروپا در سال 2000 میلادی صورت گرفته است.
در سال 2010 مصرف سوخت موتور HCCI برای اشکال مختلف انتقال قدرت از معمولی5 تا هیبرید الکتریکی - HEV - 6 و هیبرید قابل شارژ با پریز برق - PHEV - 7 در دو نوع سیکل رانندگی استاندارد و سیکل واقعی جهانی - RWDC - 8 برای یک تک سیلندر موتور کامل با حجم 2 لیتر مورد مطالعه قرار گرفت و نتایج کاهش 10 تا 15 درصدی مصرف سوخت برای انواع خودروهای هیبریدی در سیکل اتو و تاثیر مثبت کارکرد بیشتر خودرو در حالت HCCI در مصرف سوخت بدست آمد.[6] در سال 2012 به بررسی عملکرد تکنولوژی HCCI در یک ون کراساور با سیستم محرکه هیبریدی پرداخته شد و نتیجه آن براساس فرضیات، به صورت کاهش میانگین 2/55 درصدی مصرف سوخت در سیکل US06 و کاهش میانگین 5 درصدی مصرف سوخت در سیکل 9FTP-75 نسبت به محرکه معمولی بدست آمد.[7] با توجه به نتایج بدست آمده و بهبود مصرف سوخت در استفاده از موتور HCCI درخودروی هیبریدی باید دید آیا از نظر فشار و دمای محفطه سیلندر و کار و حرارت آزاد شده نیز این امکان برای استفاده از آن در خودروی هیبریدی وجود دارد و در صورت مثبت بودن پاسخ، کدام بازه عملکرد بهتری دارد. لذا با این هدف در این مقاله یک خودروی هیبرید الکتریکی با قابلیت های حرکتی خودرو، مصرف سوخت و موتور الکتریکی مناسب در نظرگرفته شده و برای آن یک موتور احتراق داخلی اشتعال تراکمی با سوخت همگن - HCCI - با نرم افزار AVL Fire به روش دینامیک سیالات محاسباتی10 شبیه سازی شده و پارامترهای موثر برای بازده بیشتر و آلایندگی کمتر آن مورد بررسی قرار گرفته است.
معادلات و مدلهای حاکم بر مساله
در این تحقیق از مدل k-zeta-f برای شبیه سازی جریان آشفته استفاده شده است. این مدل توسط هانجالیک و همکارانش [8] بر پایه مدل دوربین[9] توسعه یافته است. در این تحقیق از مدل احتراقی شکست گردابی11 استفاده شده است ، در این مدل فرض بر این است که در هنگام تشکیل شعلههای آشفته، واکنشگرها - مخلوط هوا و سوخت - دارای ادیهای یکسان هستند و از محصولات احتراق که خود نیز دارای ادیهای بخصوصی هستند تفکیک میشوند.[10] برای انتقال حرارت و تبخیر قطره از مدل دکوویچ12 استفاده شده است که بیان میکند انرژی گرمایی انتقال یافته به قطره موجب افزایش دمای قطره و درنهایت تبخیر آن میشود.[11] برای مدل سازی توزیع و پخش قطرات جت سوخت از مدل موج13 استفاده شده است. در این مدل، فرض بر این است که به دلیل آشفتگی جریانی که درون سوراخ نازل انژکتور وجود دارد، طیفی از موجهای سینوسی با نوسانات محوری بینهایت کوچک در سطح جت سوختی به وجود می آیند.[12] برای پیشگویی برخورد قطرات سوخت به دیواره، مدل ضربه دیوار14 1درنظر گرفته شده که بر طبق این مدل فرض میشود در شرایط کاری موتور، یک لایه بخار بین قطرهها و دیواره تشکیل شده و بسته به عدد وبر - We - قطره باعث برگشتن یا لغزیدن قطرات روی دیواره میشودNO . [13] حرارتی در پشت جبهه شعله و در بین گازهای داغ سوخته شده شکل میگیرد و اولین بار مکانیزم دو مرحلهای آن توسط زلدوویچ15 ارائه شد، که بعدها توسط لاویه16 توسعه یافت .[14] نرم افزار AVL Fire برای حل معادلههای حاکم بر جریان سیال، روش گسسته سازی حجم محدود را به کار میبرد که بر پایه بیانهای بقایی انتگرالی برای یک حجم کنترل دلخواه بنا شده است. دستگاه مختصات مورد استفاده، دستگاه مختصات کارتزین است و اجزاء برداری و تانسوری در قالب ترمهای کارتزین بیان می-شوند .[15]
مدلسازی با نرم افزار AVL FIRE
برای ایجاد شبکهی سه بعدی مدل، ابتدا شبکه دو بعدی ایجاد می-شود. در قسمت لقی بین پیستون و سرسیلندر از شبکه با سازمان و در حفرهی کاسه پیستون از شبکهی بیسازمان استفاده شده است. از آنجا که تعداد سوراخهای نازل انژکتور چهار عدد میباشد، شبکه ایجاد شده 90 درجه حول محور عمودی سیلندر نگاشت شده و شبکههای سه بعدی با ساختار شش وجهی به وجود میآیند. تعداد تقسیمهای شبکه در جهت زاویه ای برابر 27 میباشد و دو ردیف شبکه لایه مرزی نیز در نظر گرفته شده است. گام محاسباتی از نقطهی بسته شدن سوپاپ ورودی آغاز شده و تا نقطهی باز شدن سوپاپ خروجی ادامه مییابد. در این بخش یک تک سیلندر موتور HCCI با هواخوری طبیعی، حجم 0/5 لیتر و نسبت تراکم 12/5 برای دور موتورهای 1000 تا 3500 دور بر دقیقه و سوخت ایزواکتان با نسبت هم ارزی کمتر از 1 که توسط دانشگاه میشیگان برای یک خودروی هیبریدی - انتقال قدرت جداگانه - بر اساس مدل سال 2010 از نقطه نظر مصرف سوخت مورد بررسی قرار گرفت[6]
، به عنوان موتور مناسب برای یک خودروی هیبریدی به صورت CFD در نرم افزار AVL Fire شبیه سازی میشود.مشخصات خودروی هیبریدی و اصلی موتور و به ترتیب در جدول 1 و 2 آمده است. کنترل بار بر اساس تغییر نسبت هم ارزی از 0/5 تا 1 و فشار ورودی، دمای اولیه ، EGR و چرخش به ترتیب 1 بار ،380 کلوین ، 0/25 و 3000 دور بر دقیقه میباشد.در جدول 3 فرضیات اصلی حاکم بر مدلسازی آمده است. با مشخص کردن شرایط اسپری سوخت در محفظه احتراق و نیز ساختار شبکهبندی جهت مش زدن متفاوت در هر بخش، مش دوبعدی تولید می شود که در شکل1 نشان داده شده است. با انتقال مش برای استفاده در محیط مدیریت جریان فایر17 اقدام به ایجاد مش سه بعدی می کنیم که در شکل 2 نشان داده شده است.
نتایج
برای نسبت هم ارزی کمتر از 0/5 در این پروژه احتراق نامعمول به دست آمد.در شکل 3 یک نمونه از احتراق نامعمول در دور2000 و نسبت 0/4 نشان داده شده است. در این پروژه فشار برای دورهای 3500،3000،2500،2000،1500 دور بر دقیقه و نسبت های هم ارزی
