بخشی از مقاله
چکیده
در سال های اخیر استانداردهای آلایندگی خودرو روز به روز سخت گیرانه تر شده اند. راهبردهای جدید احتراقی با کاهش آلاینده های خام خروجی از موتور ها،یکی از راه هایی است که دست یابی به سطح آلایندگی مجاز را اندکی هموار تر می نماید و هزینه های سامانه های پس تصفیه را کمینه می کند. احتراق نیمه پیش آمیخته اشتعال تراکمی نیز یکی از راهبرد های احتراقی جدید در موتورهای دیزل است که قسمتی از هوا و سوخت پیش مخلوط شده و در فاز احتراقی پیش مخلوط می سوزند و سبب کاهش آلاینده های اکسیدهای نیتروژن و ذرات معلق دیزلی می شود.
در تحقیق حاضر، امکان دست یابی به این راهبرد احتراقی در یک موتور دیزل سواری دور تند که مجهز به سامانه سوخت رسانی فشار بالا، هندسه متغیر پرخوران و سامانه بازگردانی گازهای خروجی بوده است با یک سوخت نفت گاز معمولی مورد آزمایش و ارزیابی قرار گرفته است. اثرات عوامل مختلف از جمله زمان بندی شروع پاشش ،فشار مسیر سوخت رسانی و نرخ گازهای برگستی برای دست یابی به راهبرد احتراقی نیمه پیش آمیخته اشتعال تراکمی بررسی شده است و میزان آلاینده های خروجی از موتور،فشار داخل استوانه و نرخ آزاد سازی گرما ارزیابی شده است.
کلیدواژهها: اشتعال تراکمی دور تند، احتراق نیمه پیش آمیخته اشتعال تراکمی، بازگردش گازهای خروجی، سوخت رسانی پرفشار
مقدمه
در سال های اخیر استانداردهای آلایندگی خودرو روز به روز سخت گیرانه تر شده اند. استانداردهای آلایندگی اروپا نمونه ای از این استانداردها هستند که در هر مرحله سخت تر شده است. در سال 2005 یورو 1E.4 و از سال 2009 استاندارد یورو 52E. و از سال 2014 استاندارد یورو 3 E. 6 واخیرا نیز با به کارگیری "روش آزمون هماهنگ برای وسایل نقلیه سبک"4قوانین آلایندگی برای موتورهای دیزل بسیار سخت گیرانه شده است.[2] راهبردهای جدید احتراقی با کاهش آلاینده های خام خروجی ازموتور ها،یکی از راه هایی است که دست یابی به سطح آلایندگی مجاز را اندکی هموار تر می نماید و هزینه های سامانه های پس تصفیه را کمینه می کند.
احتراق نیمه پیش آمیخته اشتعال تراکمی نیز یکی از راهبرد های احتراقی جدید در موتورهای دیزل است که قسمتی از هوا و سوخت پیش مخلوط شده و در فاز احتراقی پیش مخلوط می سوزند و سبب کاهش آلاینده های اکسیدهای نیتروژن و ذرات معلق دیزلی می شود. در تحقیق حاضر، امکان دست یابی به این راهبرد احتراقی در یک موتور دیزل سواری دور تند که مجهز به سامانه سوخت رسانی فشار بالا، هندسه متغیر پرخوران و سامانه بازگردانی گازهای خروجی بوده است با یک سوخت نفت گاز معمولی مورد آزمایش و ارزیابی قرار گرفته است.
راهبرد احتراقی نیمه پیش آمیخته اشتعال تراکمی
احتراق نیمه پیش آمیخته اشتعال تراکمی - 5 - PCCIعبارت است از احتراق در موتور اشتعال تراکمی با افزایش مقدار پیش آمیختگی هوا و سوخت به نحوی که مهار احتراق با تنظیم زمان بندی پاشش سوخت انجام می شود .آمیختگی هوا و سوخت در شعله نفوذی در احتراق معمول موتور دیزل نسبتاً آهسته است ، بنا بر این پیش مخلوط شدن سوخت و هوا قبل از احتراق نفوذی و در زمان شروع احتراق باعث خواهد شد مقدار سوخت سوخته شده در احتراق پیش مخلوط بیشتر از سوخت سوخته شده در احتراق نفوذی باشد و همین مسأله احتراق نیمه پیش آمیخته اشتعال تراکمی6 را از احتراق معمولی دیزل متمایز می کند.
همان طور که در ادامه بحث خواهد شد دمای احتراق خنک تر و دست یابی به مخلوط بهتر، برتری های احتراق نیمه پیش آمیخته اشتعال تراکمی است که توانایی زیادی در کاهش همزمان آلاینده های دوده و اکسیدهای نیتروژن دارد. آلاینده های خروجی، مصرف سوخت و صدای حاصل از احتراق مسائلی هستند که در بکارگیری راهبرد نیمه پیش آمیخته در موتور چند استوانه پاشش مستقیم بررسی می شوند.هدف اصلی در استفاده از راهبرد احتراق نیمه پیش آمیخته اشتعال تراکمی کاهش همزمان آلاینده های دوده و اکسیدهای نیتروژن است به گونه ای که بتواند استانداردهای سخت گیرانه آلایندگی را که از سال 1992 به بعد وضع شده اند را طی نماید.
در سال 1955 آقایان کیمامتو7 و بائه [3]8 یک نقشه ارئه کردند - غنا 9 در مقابل دما - > -T] که اصول اساسی احتراق پیش مخلوط و دما پایین را شرح خواهد داد. نویسندگان مقاله فوق بیان می دارند که اکسیدهای نیتروژن و ذرات معلق دوده در یک شرایط معین وخاصی از غنا و دما تولید خواهد شد - البته این شرایط، شرایط محلی و نقطه هستند - . مقدار غنا مخلوط، غنا بودن، رقیق بودن و یا مخلوط استوکیومتری را نشان خواهد داد. اعداد بالاتر از یک نشان دهنده غنا بودن سوخت واعداد کمتر نشان دهنده رقیق بودن مخلوط است. این نقشه در شکل 1 نشان داده شده است.
البته در این تحقیق از نقشه های دیگری که آقای کیمامورا 1 و دیگران [4] ارائه کرده اند نیز استفاده شده است.
آقای کیمامورا تأثیر ترکیبات سوخت بر جاری شدن ذرات معلق دوده را بررسی نموده است.ذرات معلق دوده در نواحی تشکیل خواهند شد که نسیت هم ارزی بیشتر از 2 باشد - نواحی که غنا از سوخت است - و دما نیز باید بین1600 Kتا 2500K باشد. در مقابل اکسیدهای نیتروژن در دماهای بالاتر از 2200K و غنا کمتر از - <2 - 2 تشکیل می شود. اگر از این ناحیه دور شویم مقدار ذرات معلق دوده و اکسیدهای نیتروژن کاهش خواهد یافت. یک ویرایش جدیدتر از نقشه > -T] توسط آکیهاما 2 ارائه شده است. [5] این نقشه در شکل 2 نشان داده شده است.در سال های اخیر احتراق دما پایین دیزل مورد توجه محققان بسیاری قرار گرفته است، تا از پتانسیل بالای این سامانه احتراقی در جهت کاهش اکسیدهای نیتروژن و ذرات معلق دوده استفاده کنند.
بهبود احتراق پیش مخلوط و کم کردن احتراق مهار شونده مخلوط - MCC - باعث کم شدن ذرات معلق دوده می شود که معمولاً در نقاط غنا از سوخت و در مرکز اسپری تشکیل می شوند.تمایز میان سامانه احتراقی دما پایین، در این موضوع است که مهار مراحل مختلف و احتراق با پاشش سوخت انجام می شود یا نه. [6] در موتورهای با احتراق نیمه پیش آمیخته اشتعال تراکمی - PCCI - مهار احتراق با راهبردهای مختلف پاشش مهار می شود. این راهبرد همانند احتراق دیزل است. با این تفاوت که درصد بیشتری از مخلوط ورودی قبل از اشتعال پیش مخلوط می شود. راهبردهای مختلفی برای پاشش در موتورهای PCCI است ولی اغلب از راهبرد پیش انداختن زمان بندی پاشش و نرخ بالای گازهای برگشتی مورد استفاده قرار می گیرد تا اکسیدهای نیتروژن را کاهش و همچنین تأخیر در اشتعال را افزایش دهد.
شکل 2 نمودار > -T] که به صورت ساده نشان می دهد که احتراق در موتور دیزل معمولی و PCCIدر چه نواحی رخ می دهد. [7] این نمودار اثر افزایش بازگردانی گاز خروجی و همچنین اثر افزایش پیش مخلوط شدن هوا و سوخت را بر احتراق PCCI بوضوح نشان می دهدهمان طور که در شکل های 1 و 2 مشاهده شد، راه حل های مختلفی برای جلوگیری از تشکیل ذرات معلق دوده و اکسیدهای نیتروژن پیشنهاد شده است. همان طور که در فصل اول شرح داده شد، احتراق PCCI عبارت است از افزایش مقدار پیش آمیختگی مخلوط سوخت و احتراق در مقایسه با احتراق معمولی بیشتر است و مهار احتراق با استفاده از راهبردهای مختلف پاشش انجام می شود.
در شکل 2 نواحی مشخص شده در شکل 1، به صورت جدا از هم برای احتراق معمولی دیزل و احتراق PCCI مشخص کرده است. در این شکل اثر افزایش EGR و همچنین بهبود مخلوط شدن هوا و سوخت نقطه ای یکنواخت تر است و دماها نسبت به احتراق موتور دیزل پایین تر است.به طور خلاصه، نواحی عملکردی شرح داده شده در شکل 2، یک دیدگاه کلی راجع به چالش های پیش رو دربر خواهد داشت. به عبارت دیگر کارهای عددی و محاسباتی که به وسیله کامپیوتر انجام شده و در قالب نمودار > -T] ارائه شده است باعث فهم دقیق تری از فرآیند احتراق می شود.
موارد عملی استفاده از راهبرد PCCI
اگرچه مطالعات بسیاری برروی احتراق پیش مخلوط انجام شده است ولیکن فقط تعداد محدودی از این پژوهش به صورت عملی و برروی یک موتور واقعی انجام شده است. [12]در زیر سه راهبرد پیشنهادی برای دست یابی به احتراق PCCI بررسی می شود:
