بخشی از مقاله
چکیده
امروزه موتورهای اشتعال تراکمی سوخت همگن، اندیشهای نوین برای کاهش مصرف سوخت و آلایندههای تولیدی موتور محسوب میشوند. به همین علت بررسیهای گوناگونی در این زمینه انجام شده است. مهمترین مشکل برای انبوهسازی این موتورها در صنعت، دشواری کنترل احتراق آنها است. شماری از متغیرهای موتور بر احتراق آن تأثیر بسزایی داشته که بررسی آنها در یک الگوی تک ناحیهای، شدت تأثیر هر یک از آنها را مشخص میکند.
در این مقاله پس از توسعه و واسنجی یک مدل تکناحیهای با در نظر گرفتن سینتیک مفصل شیمیایی، تأثیر متغیرهایی نظیر فشار و دمای مخلوط ورودی، نسبت همارزی، مقدار گازهای برگشتی، رطوبت نسبی و دور موتور بر زمان شروع و طول دوره احتراق به دقت بررسی شد. سوخت موتور در این بررسی متان بوده و زمان شروع احتراق، لحظهای در نظر گرفته شده که 5 درصد سوخت موجود مصرف شده است.
در نهایت از برازش نتایج حاصل از شبیهسازی، رابطهای برای زمان شروع و طول دوره احتراق به منظور استفاده در مدلهای کنترل گرا ارائه شده است. همچنین مقدار میانگین مشتق سوم فشار بر حسب درجه لنگ در لحظه شروع احتراق برای موتور مورد نظر گزارش شده که یکی از مهمترین معیارهای تعیین زمان شروع احتراق در کاربردهای کنترلی است. تاثیر رطوبت نسبی بر زمان شروع احتراق ناچیز بیان شده است.
مقدمه
رفتار موتورهای اشتعال تراکمی مخلوط همگن1 ترکیبی از رفتار موتورهای اشتعال تراکمی و اشتعال جرقهای است. همانند موتورهای اشتعال جرقهای سوخت به صورت مخلوط با هوا وارد محفظه احتراق میشود و مانند موتورهای اشتعال تراکمی، احتراق آن در اثر خوداشتعالی صورت میگیرد. به سبب آمیختگی مخلوط سوخت و هوا پیش از ورود به محفظه احتراق، مخلوط همگن بوده و در نتیجه طول دوره احتراق کم خواهد بود. همچنین نبود جبهه شعله، دمای احتراق پایینتری را در این گونه موتورها موجب میشود.
در این موتورها مخلوط سوخت و هوا به درون سیلندر مکش میشود و به دلیل افزایش فشار و دما با بالا آمدن پیستون، بدون جرقه شمع، پدیده خوداشتعالی در مخلوط اتفاق میافتد. مقدار اکسیدهای نیتروژن و ذرات تولیدی اندک به دلیل احتراق دما پایین مهمترین شباهت رفتار این موتورها به موتورهای اشتعال تراکمی است. اولین تلاش روی موتور اشتعال تراکمی مخلوط همگن توسط اونیشی و نوگوچی در سال 1979 صورت پذیرفت 2]،.[1 ایشان بیان نمودند که الودگی و مصرف سوخت موتور در اثر احتراق ترمو اتمسفری فعال2 به میزان چشمگیری کاهش مییابد.
نجت و فاستر در سال 1983 کارهای صورت گرفته روی موتورهای دوزمانه را بر موتورهای چهار زمانه گسترش داده و تلاش کردند به درک بیشتری از فیزیک آن دست یابند .[3] در ادامه این پژوهشها، ترینگ به بررسی اثر گازهای برگشتی و نسبت هوا به سوخت بر عملکرد موتور پرداخت. او برای اولین بار در سال 1989 عنوان موتور اشتعال تراکمی مخلوط همگن را برای این گونه احتراق پیشنهاد داد. همچنین تلاشهای قبلی را برای موتور چهار زمانه با مخلوط کامل بنزین و هوا گسترش داد .[4]
بزرگترین موتور بنزینی با احتراق خود اشتعال در اواخر دهه 90 ارائه شد که موتوری 12 لیتری و 6 سیلندر بود .[5] در سال 1992 برای اولین بار نشان داده شد که موتور بنزینی 4 سیلندر با خود اشتعالی در بازه محدود دور و بار، با کمک نسبت تراکم بزرگتر و پیش گرمایش هوای ورودی نیز میتواند کار کند .[6] تا کنون تلاشهای بسیاری روی شبیهسازی تکناحیهای صورت پذیرفته که اهمیت آن در بررسی و پیش بینی رفتار برخی متغیرهای عملکردی موتور را نشان میدهد .
[7] در مدل تکناحیهای ارائه شده توسط ژنگ با در نظر گرفتن گازهای نشتی و با استفاده از مکانیزم کاهش یافته، نشان داده شد که میتوان از مدل مکانیزم کاهش یافته برای پیشبینی رفتار موتورهای اشتعال تراکمی مخلوط همگن شامل دما، فشار، تأخیر در اشتعال و آزادسازی انرژی استفاده کرد .[8] همچنین مدل تکناحیهای بیدررو، همگن و یک مدل 7 ناحیهای با سینتیک مفصل شیمیایی سوخت متان، هپتان نرمال، ایزو اکتان توسط ایسلی و همکاران [9] ارائه شد که در آن نشان داده شد اکسید نیتروژن در بازه زمانی بسیار کوتاه تولید شده و در طول دوره شبیهسازی تجزیه نمیشود.
همچنین نتایج حاکی از آن بود که مدل چند ناحیهای برای محاسبه تغییرات فشار و میزان آلایندههای تولیدی موتور بسیار مناسب است. شاهبختی و همکاران مدل تکناحیهای با سینتیک کاهش یافته برای سوختهای مرجع اصلی3 را برای اصلاح متغیرهای روش انتگرال کوبشی برای موتورهای اشتعال تراکمی مخلوط همگن توسعه دادند .[10] جهانیان و جزایری نیز با کمک مدل تکناحیهای و سینتیک مفصل شیمیایی سوخت متان، رفتار موتور اشتعال تراکمی مخلوط همگن را مورد بررسی قرار دادند -11] .[14 ایشان مدلهای خود را در محیط برنامهنویسی نرمافزار متلب به دو صورت تکناحیهای و چندناحیهای ارائه داده و به طور عمده تلاش داشتند با استفاده از سوختهای ترکیبی احتراق این موتوها را کنترل کنند .[15]
کنترل زمان احتراق برای موتورهای اشتعال تراکمی مخلوط همگن، مهمترین مشکل پیشرو برای تجاریسازی این موتورها به شمار میرود و بررسی دقیق آن امری ضروری است .[16] زمان شروع احتراق، طول دوره احتراق و زاویهی سوزش 50 درصد4 اصلیترین ویژگی فرایند احتراق در موتور است. از آنجا که امکان اندازهگیری مستقیم این کمیتها در موتور وجود ندارد، روشهای مختلفی برای اندازهگیری غیرمستقیم آن وجود دارد. در مدلهای کنترلگرای موتور از مقدار آستانهای مشتق سوم فشار سیلندر بر حسب درجه لنگ به عنوان منبعی برای گزارش زمان شروع احتراق تجربی استفاده میشود.
در کار حاضر به توسعه مدل ارائه شده در مرجع [14] توسط افزودن گازهای برگشتی و رطوبت نسبی به معادلات پرداخته شده تا امکان بررسی جامع عوامل موثر بر زمان شروع احتراق فراهم گردد. از آنجا که این مدل در بردارنده سینتیک مفصل شیمیایی است، امکان تعیین پارامترهای احتراق به شیوههای سینتیکی وجود داشته و از آنها استفاده شده است. در خاتمه رابطه ای بر اساس متغیرهای ورودی موتور برای محاسبه زمان شروع و طول دوره احتراق ارائه خواهد شد تا در مدل های کنترل گرا جایگزین مدل انتگرال کوبشی بهبود یافته شده و سرعت محاسبات در این دسته از مدلسازیها افزایش یابد.
مدلسازی موتور اشتعال تراکمی سوخت همگن
یک مدل تک ناحیهای با در نظر گرفتن سینتیک مفصل شیمیایی برای تقریب زمان شروع احتراق و بررسی کیفی رفتار متغیرهای آن در موتورهای اشتعال تراکمی مخلوط همگن توسعه یافته و مورد استفاده قرار گرفته است. سوخت موتور در این بررسی متان بوده و از نرمافزار متلب برای شبیهسازی استفاده شده است. برای بهرهگیری از سینتیک مفصل شیمیایی احتراق سوخت و تعیین ثوابت مورد نیاز در معادلات، از ماژول منبع باز کانترا1 استفاده شده است.
این ماژول به نرمافزار متلب نصب شده و در شرایط گوناگون مخلوط، مقدار لحظهای متغیرهایی مانند سرعت واکنش، نرخ تولید گونههای شیمیایی، غلظتهای آنی و خواص گرمایی را محاسبه میکند. سینتیک شیمیایی در نظر گرفته شده برای احتراق متان مکانیزم GRI 3.0 شامل 325 واکنش مقدماتی و 53 گونه شیمیایی است . در مدل تکناحیهای فرضهایی به شرح زیر در نظر گرفته میشود: شبیهسازی برای چرخه بسته موتور انجام شده است.
· کل سامانه به صورت یک ناحیه با دما، فشار و غلظت ترکیبات یکسان در نظر گرفته شده است به عبارتی تغییرات دما، فشار و اجزای سازنده ناچیز انگاشته شده است.
· سیال داخل سامانه قبل و بعد از احتراق، گاز ایدهآل انگاشته شده است.
· جرم سامانه ثابت بوده و از نشتی2 گازهای گذرنده از شکاف میان رینگها و همچنین گازهای باقیمانده در چرخه چشمپوشی شده است.
