بخشی از مقاله
چکیده
امروزه احتراقهای نوع RCCI مطرح شده و پژوهشهای مختلفی نیز روی آنها انجام گرفته است. این نوح احتراق کاستیهای مربوط به آلایندگی موتورهای دیزلی را با حفظ سایر مزایای آنها برطرف میکند. پژوهشهای قبلی بیشتر کارکرد و آلایندههای خروجی از موتور را بررسی کردهاند. در این پژوهش احتراق نوع RCCI از دیدگاه گونههای تولیدشده و مصرفشده مورد مطالعه قرار گرفته و نقش گونههای مختلف در حین فرایند احتراق مطالعه میشود. بررسی صورت گرفته نشان داد که آزادسازی انرژی ابتدا با دیزل شروع شده و آزادسازی انرژی اولیهای انجام میشود، سپس انرژی بنزین آزاد می شود. پدیدار شدن گونهی فرمالدهید شروع احتراق شعله سرد و مصرف سوخت دیزل را نشان داده و تولید رادیکال هیدروکسیل نیز همزمان با آزادسازی انرژی بنزین صورت میپذیرد.
همچنین مقداری از گونهی فرمالدهید با شروع تولید رادیکال هیدروکسیل مصرف میشود. آزادسازی ترتیبی انرژی که ابتدا با دیزل شروع و سپس با بنزین ادامه مییابد، تأثیرات مثبتی به دنبال دارد.اولاً با این گونه آزادسازی ترتیبی، انرژی بهتدریج آزادشده و دمای درون سیلندر افزایش ناگهانی نمی یابد، بنابراین باعث کاهش تلفات انرژی میشود. ثاناًی اکسیدهای نیتروژن به دلیل پایینتر بودن دمای محلی کمتر تولید میشوند. در ادامه نیز نمونه بررسیهایی با تغییر زمان شروع پاشش و درصد سوخت دیزل با گونههای مهم انجام پذیرفتهاست.
کلمات کلیدی: احتراق RCCI، گونه های مهم تولید و مصرف شده، فرمالدهید، رادیکال هیدروکسیل
مقدمه
زندگی مدرن بدون استفاده از فنآوری احتراق ممکن نیست. درواقع احتراق بهعنوان ابزار اصلی گرمایش، آمادهسازی غذا و فرآوری مواد برای هزاران سال بوده و هست بٌب. همچنین برای تولید انرژی در بخش حملونقل نیز از احتراق هیدروکربنها استفاده میگردد. باوجود این تاریخچه طولانی، ماهیت موضوعات بسیاری از قبیل برهمکنش بین جریانهای سیال، اختلاط و سینتیک شیمیایی بهصورتکاملاً دقیق درک نگردیده است. در موتورهای احتراق داخلی نیز به علت ترکیب احتراق آشفته با جریان پیچیده سیال و وجود جریان دوفازی در داخل موتور، این سختی چندین برابر گردیده است. این پیچیدگی درنهایت بنابر ملاحظات مکانیکی برای گرفتن کار و استفاده از توربوماشینها برای پرخورانی، بیشتر شده است.
امروزه توسعه اقتصاد جهانی تقاضا برای نفت خام را بیشتر کردهاست. بنابراین محققان علاقه زیادی به موتورهای دیزل به علت اقتصاد سوخت بهتر، نسبت تراکم بالا و عدم وجود تلفات دریچه گاز پیدا کردهاند که این موتورها نیز آلایندگی اکسیدهای نیتروژن و ذرات جامد بالایی دارند. در صورت استفاده از فیلترها در موتورهای دیزلی مصرف سوخت افزایش یافته و مزیت برتری بازده سوخت موتورهای دیزلی - کارکرد در حالت فقیر - ، نسبت به موتورهای بنزینی از بین میرود. بنابراین این نتیجه حاصل میشود که بهتر است برای افزایش کارایی موتورهای دیزلی، از حداقل فیلتر برای موتورها استفاده گردد. بر این اساس لزوم توجه به کاهش آلایندههای NOx و دوده در داخل سیلندر مطرح میشود که در این بین موتورهای با احتراق RCCI مطرح شدهاند بٍب. در زمینهی احتراق RCCI کوک و همکاران [3] به صورت بسیار دقیق تأثیر رقت1 و زمان بندی پاشش را بر روی آلایندگی احتراق دماپایین موردبررسی قراردادند. با ثابت گرفتن زمان پاشش، آنها مشاهده کردند که دمای شعله آدیاباتیک و درنتیجه آلایندهی NOx با رقیقسازی واکنشدهندهها کاهش مییابد.
بنابراین آلایندهی NOx با دمای آدیاباتیک شعله همبسته است. همچنین در سطح ثابتی از رقت عقب انداختن زمان پاشش NOx کمتری تولید میکند. آنها اشاره کردند که زمانبندی پاشش زودهنگام در حالت بسیار رقیق دمای آدیاباتیک شعله بالاتری نسبت به پاشش دیرهنگام در حالت کمتر رقیقسازی شده دارد. ازنقطهنظر تشکیل آلایندهی NOx آنها به این نکته پی بردند که حالت LTC پاشش دیرهنگام دمای پایینتری نسبت به احتراق زودهنگام تولید میکند، پس حالت اول بهتر از دومی میباشد. در تحقیقات آنها CO با دیرتر کردن پاشش و استفاده از EGR زیاد افزایش و دوده با افزایش EGR کاهش یافت که در حالت EGR بالای 60% به مقدار صفر خود رسید. هانسون و همکاران [4] به صورت تجربی و عددی توانایی کنترل احتراق PCCI دو سوخته را با تغییر دادن واکنشپذیری سوخت موردبررسی قراردادند. آنها از بنزین بهعنوان پاشش سوخت درگاهی و از دیزل بهعنوان پاشش مستقیم سوخت برای کنترل زمان بندی احتراق در بار متوسط موتور - 9 bar IMEP - استفاده کردند. این استراتژی آنها از افزایش بیشازحد نرخ افزایش فشار نیز جلوگیری نمود. آنها آزمایشهای خود را توسط کد کیوا-کمکین و با استفاده از مکانیسم کاهش یافته PRF مدلسازی نمودند.
آنها آزمایشهای خود را توسط انژکتور معمولی دیزلی انجام دادند و نشان دادند که میتوان با تغییر ترکیب مخلوط، زمان پاشش و زمان بندی IVC کنترل مناسبی روی احتراق PCCI دو سوخته داشت. بناجس و همکاران [5] به دو صورت تجربی و عددی به بررسی فرایندهای خود اشتعالی و اختلاط سوخت در داخل موتور با احتراق RCCI پرداختند. نتایج بهدستآمده از مطالعات آنها نشان میدهد که با کاهش نسبت سوخت دیزل به بنزین تأخیر در اشتعال افزایش یافته و اختلاط به خوبی در درون موتور انجام میگیرد و با پاشش زودتر سوخت دیزل، احتراق بهبودیافته و میزان آلایندههای مونواکسید نیتروژن و ذرات معلق کاهش مییابد. با توجه به این که کمتر پژوهشی در زمینهی بررسی گونههای داخل محفظهی احتراق در احتراق نوع RCCI شده است بنابراین در این پژوهش به بررسی گونههای مهم تولید و مصرف شده در حین احتراق RCCI پرداخته میشود. در ابتدا حل عددی روی موتور سبک فریمان که در هستهی پژوهشی سوخت، احتراق و آلایندگی دانشگاه صنعتی شریف قرار دارد، راستیآزمایی شده و سپس مورد بررسی قرار میگیرد.
دادههای آزمایشگاهی
دادههای آزمایشگاهی از یک موتور دیزلی سبک1 تک سیلندر دریایی سبک با نام Farymann 18W که در هستهی پژوهشی سوخت، احتراق و آلایندگی دانشگاه صنعتی شریف قرار دارد، استفاده گردیده است. بر روی سرسیلندر موتور 4 دریچه قرار دارد که باز و بسته شدن این دریچهها توسط یک میل بادامک صورت میگیرد. سایر مشخصات و ویژگی مربوط به این موتور و انژکتورها در جدول 1 تا جدول 3 بیان گردیده است. برای اعتبارسنجی نتایج شبیه سازی، دو حالت کارکردی آزمایشگاهی مطابق با جدول 4 انتخاب گردیده است.
شبیهسازی عددی
برای شبیهسازی فرایند احتراق و جریان سیال درون یک موتور، باید برخی پدیدهها ازجمله اسپری، تبخیر قطرات، انتقال حرارت و.... مدلسازی گردند. به دلیل بررسی جریان درون محفظه احتراق و فرایند احتراق، شبیهسازی به صورت سیکل بسته انجام میگیرد بهگونه ای که شبیهسازی از زمان بسته شدن سوپاپ ورودی تا زمان باز شدن سوپاپ خروجی صورت میپذیرد. ولی به دلیل پیچیده بودن مکانیسم شیمیایی بنزین و دیزل به ترتیب از مکانیسم شیمیایی ایزواکتان و نرمالهپتان استفادهشده است. ازآنجاییکه واکنشهای مکانیسم شیمیایی مفصل ترکیب دو سوخت ایزواکتان و نرمالهپتان بسیار زیاد است و استفاده از آن در کدهای دینامیک سیالات محاسباتی بسیار وقتگیر است.
در این پژوهش یک مکانیسم PRF کاهش یافته که شامل 77 گونه است، استفاده گردیده است .[6] برای محاسبات مشخصات فیزیکی مانند نقطهجوش، تبخیر، گرانروی و ... از مشخصات فیزیکی بنزین و دیزل استفاده گردیده است. برای مدلسازی فروپاشی در هنگام پاشش، ابتدا در شروع پاشش قطر اولیهی قطرات خارج شده از سوراخ انژکتور مطابق جدول 3 برابر با قطر سوراخ انژکتور در نظر گرفتهشده و سپس مدل KHRT به آن اعمال شده است بْب. برای برخورد قطرات از مدل 2ʼ5RXUNH بَب استفاده گردیده است. مدلسازی برخورد قطرات به دیوار نیز با استفاده از مدل $PVGHQ 2ʼ5RXUNH بُب مدل گشته است. برای در نظر گرفتن آشفتگی در داخل محفظه احتراق نیز از مدل − − بًٌب، استفادهشده است. تبخیر نیز با استفاده از مدل Dukowicz بٌٌب مدل گشته است.
نتایج بهدستآمده از شبیهسازی عددی و همچنین نتایج تجربی برای هر دو حالت عملکردی در شکل 2 آورده شده است. با توجه به نمودارهای حاصل از شبیه سازی عددی و تجربی مشاهده میشود که اختلاف اندکی بین شبیهسازی عددی و تجربی وجود دارد و شبیهسازی توانسته شکل کلی احتراق درون موتور را بهخوبی پیشبینی کند. نتایج مربوط به اعتبار سنجی دادههای آلایندگی نیز در جدول 5 آورده شده است. شبکه محاسباتی توسط محیط AVL ESE Diesel Tool ساخته شدهاست. برای صرفهجویی در زمان محاسباتی و به علت تقارن انژکتور موجود در مرکز محفظهی احتراق، تنها 45 درجه از دامنه محاسباتی در نظر گرفته شدهاست. که جزییات شبکهبندی آن در شکل 1 دیده می شود. توصیف احتراق RCCI با گونههای تولید و مصرف شده با استفاده از شبیه سازی عددی صورت گرفته به مطالعهی گونههای مهم تولیدشده و مصرفشده و فرایندهای رخ داده در احتراق نوع RCCI پرداخته میشود. شرایط کارکردی موردبررسی در این بخش مطابق حالت عملکردی 2 جدول 4 است. کسرهای جرمی گونههای نرمالهپتان، ایزواکتان، هیدروژناکسید، فرمالدهید، کربنمونواکسید، کربندیاکسید، اکسیدهاینیتروژن و دوده و همچنین پروفیل دمای متوسط و متوسط نرخ آزادسازی حرارت در شکل 3 آورده شده است.
با بررسی شکل 3 مشاهده میگردد که مصرف نرمالهپتان سریعتر از ایزواکتان آغازشده است. همزمان با مصرف نرمالهپتان در درون موتور، تولید گونهی فرمالدهید - CH2O - که نشان دهندهی احتراق دما پایین است، آغاز میشود. بنابراین ظاهر شدن فرمالدهید را میتوان نشانهی شروع احتراق و مصرف سوخت دیزل دانست. اگر به نمودار نرخ آزاد سازی حرارت در شکل 3 توجه شود، مشاهده میگردد که آزاد سازی اولیهی حرارت نیز تقریبا همزمان با تولید فرمالدهید شروع میشود. بنابراین در بررسیهای عددی میتوان ظهور فرمالدهید را نشان از مصرف دیزل دانست.
رادیکال هیدروکسیل - OH -
بعد از ظاهرشدن فرمالدهید رادیکال هیدروکسیل تولید میشود که با پدیدارشدن آن، فرمالدهید مصرف میگردد. شکل 3 نشان میدهد که در این هنگام ایزواکتان در داخل محفظهی احتراق مصرف میگردد. همچنین با ظاهرشدن رادیکال هیدروکسیل، دما به طور قابل توجهی بالا میرود. با توجه به نحوهی تغییرات میانگین نرخ آزادسازی حرارت نیز میتوان مشاهده نمود که شروع آزاد سازی حرارت تقریبا مطابق با پدیدار شدن رادیکال هیدروکسیل صورت گرفتهاست. به علت این که سوخت پاشیده شده، هم زمان با تبخیر، مصرف نیز میگردد بنابراین نوساناتی در نمودار نرمالهپتان دیده می شود.
کربنمونواکسید - CO -
CO تولیدی در داخل موتور از لحظه ی مصرف سوخت نرمالهپتان و همزمان با تولید فرمالدهید آغاز گشته است. همچنین هنگامیکه انرژی کافی از مصرف نرمالهپتان آزاد شد و مقداری از انرژی ایزواکتان نیز آزاد گردید و دما به اندازهی کافی در درون سیلندر باﻻ رفت، اکسیداسیون CO آغاز میگردد. کربن دیاکسید - CO2 - تولید گونهی CO2 همزمان با مصرف ایزواکتان و افزایش قابل توجه دما آغاز میگردد. اکسیدهای نیتروژن - NOx - تولید NOx نیز تقرباًی همزمان با مصرف ایزواکتان در داخل موتور و بالا رفتن دما شروع گردیده و درنهایت با پایین آمدن دما، مقدار آن ثابت باقی میماند.
بررسی کانتورهای گونه های بررسی شده
برای مطالعه جزئیتر فرایندهای رخداده در درون موتور، محل اسپری در دامنه محاسباتی با صفحهای برش داده شده و کانتورهای دما، کسر جرمی نرمالهپتان، کسر جرمی ایزواکتان، کسر جرمی فرمالدهید، کسر جرمی هیدروژناکسید، کسر جرمی کربنمونواکسید، کسر جرمی اکسیدهاینیتروژن و کسر جرمی دوده در شکل 7 آورده شده است. همانند حالتی که در نمودار مشاهده شد، تولید فرمالدهید همزمان با مصرف نرمالهپتان آغاز میگردد. سپس هنگامیکه مقداری از نرمالهپتان مصرف گردیده و انرژی آن آزاد گردید، مصرف ایزواکتان شروع میشود. تولید رادیکال هیدروژناکسید و مصرف فرمالدهید نیز همزمان با مصرف ایزواکتان شروع می شود. در مورد آلایندهی اکسیدهاینیتروژن نیز میتوان گفت که به علت آزادسازی سریعتر حرارت در محل تجمع سوخت نرمالهپتان و به دنبال آن احتراق ایزواکتان، دما سریعتر بالا رفته و این ماندگاری بالای دما، باعث تولید اکسیدهاینیتروژن در این منطقه میگردد. دوده نیز در مکانی تولیدشده است که سوخت نرمالهپتان به دیواره برخورد نموده و تجمع سوخت بالایی ایجاد گردیده است.
