بخشی از مقاله

چکیده

در تحقیق حاضر، فرآیند احتراق و تولید آلایندهها در یک موتور اشتعال تراکمی با سوخت بنزین با استفاده از یک مدل CFD سه بعدی بررسی شده و سپس از لحاظ میزان تولید آلایندگیها و سایر پارامترهای احتراق با سوخت دیزل که سوخت متداول این نوع موتورهاست مقایسه گردیده است. نتایج به دست آمده در هر دو حالت بنزین سوز و دیزل سوز با نتایج تجربی مطابقت خوبی را نشان میدهد. مهمترین آلاینده ها در موتور اشتعال تراکمی، اکسیدهای نیتروژن - NOx - و دوده - soot - می باشند. در تمام شرایط کاری بنزین به دلیل تاخیر در اشتعال بالا میزان دوده خیلی کمتری نسبت به سوخت دیزل تولید میکند.

در مقاله حاضر نحوه پاشش بنزین بصورت دو مرحله ای میباشد که 30 درصد از سوخت در 137 درجه قبل از نقطه مرگ بالا و 70 درصد آن در 8 درجه قبل از نقطه مرگ بالا پاشیده میشود. در این روش پاشش، بیشینه حرارت آزاد شده و حداکثر دمای داخل محفظه سیلندر کاهش مییابد که باعث کاهش آلاینده NOx میگردد. از طرف دیگر به علت بالا بودن تاخیر در اشتعال سوخت بنزین، احتراق در نزدیکی نقطه مرگ بالا رخ میدهد، از این رو کار منفی در این نوع موتور کمتر است که باعث افزایش توان خروجی موتور میگردد. میزان مصرف سوخت ویژه نیز در این حالت کمتر از موتور دیزلی است. پس با این روش میتوان همزمان با کاهش میزان مصرف سوخت میزان تولید آلایندههای NOx و soot را نیز کاهش داد.

-1 مقدمه

موتورهای اشتعال تراکمی بطور متداول با سوختهایی مانند دیزل که عدد ستان آنها بزرگتر از 30 میباشد کار می-کنند در حالی که عدد ستان بنزین در حدود 15 است که این امر تاثیر بسزایی در مدت زمان تاخیر در اشتعال دارد. همانطور که میدانیم مهمترین آلایندهها در موتورهای اشتعال تراکمی soot و NOx میباشند. وقتی که سوخت درون محفظه احتراق پاشیده میشود، سوخت بخار شده و با هوا مخلوط میشود. خود اشتعالی زمانی رخ میدهد که این مخلوط غنی بوده و نسبت اکیوالانس آن تقریبا حدود 4 باشد که soot نیز در طی احتراق این مخلوط غنی تولید میشود.

بقیه سوخت در یک احتراق دیفوزیونی میسوزد و NOx که عمدتا از NO تولید میشود، در طی این فاز از احتراق یا درون گازهای داغی که انتهای احتراق باقی ماندهاند تولید میگردد.[1] در سالهای اخیر تلاشهای فراوانی در جهت کاهش همزمان دو آلایندگی soot و NOx انجام گرفته است. در کل برای کاهش NOx باید دمای محفظه احتراق را کاهش داد که برای این کار از روشهایی مانند احتراق فقیر، احتراق پیش آمیخته و بازگردانی گازهای خروجی - EGR - استفاده میکنند .[2] دوده نیز میتواند با اختلاط بهتر مخلوط قبل از احتراق و جلوگیری از تشکیل مخلوطهای غنی کاهش یابد.

روشهای مختلفی برای رسیدن به احتراق پیشآمیخته و دما پایین در موتورهای اشتعال تراکمی بکار گرفته شده است. یکی از این روشها احتراق اشتعال تراکمی با مخلوط همگن - HCCI - است که در آن سوخت و هوا همانند موتورهای اشتعال جرقهای کاملا پیش آمیخته شده و سپس متراکم میشوند تا به خود اشعالی برسند. زمان احتراق در موتورهای HCCI کاملا بستگی به خود اشتعالی سوخت دارد که تابعی از فشار و دما در مرحله تراکم، ترکیب مخلوط سوخت و هوا و پارامترهای دیگر میباشد. با توجه به پیشرفت سیستمهای پاشش سوخت، میتوان با پاشش زود هنگام سوخت درون محفظه احتراق نیز به مخلوطی نسبتا همگن دست یافت که به آن، احتراق اشتعال تراکمی پیش آمیخته - PCCI - گفته میشود.

با استفاده از بنزین با عدد ستان حدود 15 میتوان به فشار موثر متوسط اندیکه - IMEP - بالاتری نسبت به سوخت دیزل رسید در حالی که soot و NOx کمتری تولید میشود. این امر در اثر تاخیر در اشتعال بالایی است که بنزین در اثر مقاومت در برابر خوداشتعالی از خود نشان میدهد و به همین دلیل بنزین باید زودتر درون محفظه احتراق پاشیده شود. در حالت کاملا پیشآمیخته آزادسازی انرژی از سوخت کاملا وابسته به شیمی خود اشتعالی است و کنترل زمان احتراق تقریبا ممکن نیست، از این رو وجود ناهمگنی در مخلوط سوخت و هوا برای کنترل این نوع احتراق ضروری است بطوری که می توان با تغییر در زمانبندی پاشش سوخت، روی میزان ناهمگنی سوخت تسلط داشت و احتراق را کنترل کرد.

یکی دیگر از مشکلات احتراق پیشآمیخته نرخ آزادسازی بالای گرماست که اگر قبل از نقطه مرگ بالا - TDC - رخ دهد، باعث ایجاد کوبش - knock - میگردد. برای حل این مشکل از روش پاشش چندمرحلهای استفاده میشود که در آن، بیشینه حرارت آزاد شده کاهش مییابد و به نوعی آزادسازی انرژی در مراحل مختلف توزیع میشود. پس میتوان با پاشش دو مرحلهای سوخت بنزین، همزمان با کنترل احتراق، به soot و NOx کمتری نسبت به موتور دیزل سوز دست یافت. در این اینجا ابتدا نتایج مدلسازی برای هر دو سوخت دیزل و بنزین با نتایج تجربی اعتباردهی شده و سپس مقایسهای بین پارامترهای احتراق و تولید آلایندگی هر دو انجام گرفته است.

.2 تشریح مدل

رشد سریع تکنولوژی و پیدایش کامپیوترهای با سرعت وقدرت محاسباتی بالا و همچنین پیشرفت در الگوریتم های حل عددی، بکارگیری مدلهای ریاضی پیچیده را به منظور توسعه سیستم های احتراق داخلی، جهت جلوگیری از انجام آزمایشات وقت گیر امکان پذیر ساخته است.

.1 .2 معادلات حاکم و مدلهای به کاررفته

مدل خود اشتعالی Shell برای مدلسازی خوداشتعالی بکار گرفته میشود .[3] فرآیند احتراق با استفاده از مدل Eddy Breakup مدل میشود. در این مدل، نرخ مصرف سوخت به عنوان تابعی از ویژگی های محلی جریان معرفی میشود . در معادله بالا k انرژی جنبشی توربولانسی و  نرخ توزیع k میباشد. mfu و mox و mpr بترتیب جزء جرمی سوخت، اکسیژن و محصولات میباشد. C R و CR به عنوان ثابت های مدل در نظر گرفته میشوند.

مدل استاندارد Wave برای شرح جدایش اولیه و ثانویه بکار رفته است .[5] در این مدل قطر قطرات خروجی از نوک نازل با قطر نازل برابر در نظر گرفته می-شود. مدل تبخیر Dukowicz با فرض توزیع یکنواخت دما، به منظور بررسی انتقال حرارت و تبخیر شدن قطرات استفاده شده است .[6] در این مدلسازی، مدل Zeldovich برای مکانیزم تشکیل NOx بکار گرفته میشود .[7] تولید NOx به تغییرات دمایی در داخل سیلندر بسیار حساس میباشد و در این مدل تشکیل اکسید نیتروژن یک واکنش وابسته به دما در نظر گرفته میشود. مدل Kennedy, Hiroyasu, Magnussen برای مدلسازی تشکیل و اکسیدشدن soot بکار میرود .[8]

در متن اصلی مقاله به هم ریختگی وجود ندارد. برای مطالعه بیشتر مقاله آن را خریداری کنید