بخشی از مقاله
خلاصه
محدودیت منابع، انرژی آلودگی هوا و مسایل اقتصادی همواره محققان را بر آن داشته تا به دنبال منابع انرژی پاکتر، نامحدودتر و ارزان تر باشند. گاز طبیعی - که گاز متان گاز اصلی تشکیل دهنده آن است - به عنوان سوخت خودروها، به دلیل ویژگی هایی که دارد سوختی پاک و ارزان قیمت به حساب می آید. نقطه ضعفی که گاز طبیعی به عنوان سوخت موتور وسایل نقلیه دارد، کاهش بازده حجمی در حالت پاشش راهگاهی در موتورهای تنفس طبیعی است.
یک راه حل مناسب برای رفع این مشکل، پاشش مستقیم گاز طبیعی به داخل سیلندر موتور است. در این پژوهش به شبیه سازی عددی پاشش مستقیم گاز متان به صورت جت گذرای آزاد در یک سیلندر حجم ثابت پرداخته میشود و نتایج شبیهسازی با نتایج تجربی موجود مقایسه می شود. شبیه سازی با استفاده از مدل های دوبعدی و سهبعدی و در نرمافزار انسیس-فلوئنت انجام شده است.
.1 مقدمه
محدودیت منابع انرژی فسیلی، آلودگی هوای کلان شهرها و افزایش قیمت حامل های انرژی از مهم ترین چالش های جامعه جهانی است. یکی از بزرگ ترین مصرفکنندگان سوخت و تولیدکنندگان آلودگی هوای کلانشهرهای کشور ایران، خودروها هستند. وسایل نقلیه موتوری با آزادسازی گازهای کربن دی اکسید، کربن مونواکسید، اکسیدهای نیتروژن و اکسید گوگرد در هوا نقش چشمگیر خود در آلودگی هوا را بازی میکنند. یک راه کاهش آلودگی ناشی از گازهای تولیدی وسایل نقلیه، استفاده از سوخت های پاک است.
گاز متان - بخش اعظم گاز طبیعی از آن تشکیل شده است - به دلیل نسبت هیدروژن به کربن بالایی که در مولکول خود دارد سوختی پاک به حساب می آید[1] و [2] مشخصه دیگری که در طراحی موتور برای صنایع خودروسازی و به تبع مهندسان اهمیت دارد طراحی موتورهای با مصرف ویژه سوخت کمتر و راندمان بالاتر است. گاز متان به دلیل خاصیت ضد کوبش بیشتر و عدد اکتان بیشتر از بنزیناش - حدود - 130 این امکان را می دهد تا در موتورهای با نسبت تراکم بالاتر و درنتیجه با راندمان حرارتی بیشتر استفاده شود.[3]
همچنین قیمت کمتر گازطبیعی در مقایسه با بنزین و سوخت دیزل و ذخایر عظیم گاز طبیعی کشور ایران موجب می شوند تا استفاده از گازطبیعی به عنوان سوخت جایگزین اقتصادی باشد. از طرف دیگر تولید گازطبیعی از طریق توده های زیستی و فاضلاب وجود دارد که باعث میشود بتوان گاز طبیعی را به نوعی یک سوخت تجدید پذیر هم به حساب آورد.
با این همه، نقطه ضعفی که همه ی سوخت های گازی نسبت به سوختهای مایع دارند، کاهش بازده حجمی موتور در حالت پاشش راهگاهی در موتورهای تنفس طبیعی است. به این معنی که وقتی سوخت در راهگاه تزریق شد و همراه با هوا وارد سیلندر می شود به اندازه حجم سوخت تزریق شده، حجم هوای کمتری به داخل سیلندر موتور مکیده میشود و چون حجم مخصوص سوخت های گازی بسیار بیشتر از حجم مخصوص سوختهای مایع است موجب کاهش بیشتر هوای ورودی به موتور و کاهش بازده حجمی موتور میشوند.
یک راه برای رفع این مشکل پاشش مستقیم سوخت گازی به داخل سیلندر موتور است .[4] پاشش مستقیم سوخت به داخل سیلندر مزایای دیگری هم به همراه دارد که از آن ها به مخلوط لایه ای و امکان رقیق سوزی مخصوصا برای بارهای کم می توان اشاره کرد. که موجبات کاهش مصرف سوخت ویژه، احتراق بهینه و آلودگی کمتر را فراهم میآورند.
پاشش مستقیم سوخت گازی در موتور شامل جت گذرای آزاد و برخوردی با دیواره است. به دلیل طول مدت پاشش کوتاه که در کسری از ثانیه اتفاق می افتد، جت گاز فیزیکی شدیدا گذرا دارد. علاوه بر آن فشار بالای پاشش - برای تزریق میزان کافی از سوخت گازی در زمان پاشش - موجب گذار جت گاز تزریقی از حالت زیرصوتی به صوتی میشود همه اینها باعث اغتشاشات زیاد و پیچیده تر شدن فیزیک جریان می شود و می تواند بر شکل گیری مخلوط احتراقی و بالتبع احتراق و در نتیجه خروجی موتور موثر باشد.
این پیچیدگی ها موجب می شوند برای بهینه سازی و پیش بینی چگونگی شکلگیری مخلوط و احتراق بهینه در موتورهای پاشش مستقیم گازسوز ، مطالعه جت گذرای آزاد امری مهم و اجتناب ناپذیر باشد.[5] مطالعات گسترده ای در زمینه موتورهای گازسوز انجام شده است اما موتورهای پاششمستقیم گاز طبیعی همچنان موضوعی مدرن و تازه به حساب می آید.
دوآیلر و همکاران [1] به بررسی پتانسیل موتورهای اشتعال-جرقهای پاششمستقیم پایهدیزلی ویرایش شده برای احتراق گاز طبیعی فشرده1 بدون هیچ سوخت ثانویه پرداختند. اصلاحات اصلی آنها طراحی دوباره بالای سیلندر و تاج پیستون برای بهبود سرعت احتراق ناشی از حرکت وارویی2 بیشتر و اختلاط بهتر بود. نتایج آن ها نشان داد که - 1 پاشش دیرهنگامتر منجر به بازده حجمی بالاتر میشود. 2 - جرقه دیرتر منجر به سرعت شعله بیشتر برای مصرف سوخت اندیکاتوری بهتر میشود - 3 استفاده از پاشش مستقیم گازطبیعی در موتورهای سبک نسبت به موتورهای بنزینی و دیزل با کاهشی 27 درصدی همراه خواهد بود.
هوآنگ و همکاران[6] خواص احتراقی یک موتور اشتعال-جرقهای پاشش مستقیم با سوختی مرکب از گازطبیعی و هیدروژن، تحت زمانبندیهای مختلف اشتعال و شرایط مخلوط رقیق را به صورت آزمایشگاهی مورد مطالعه قرار دادند. نتایج مطالعه آنها نشان میدهد که زمانبندی اشتعال تاثیر زیادی بر عملکرد، احتراق و آلایندگی موتور دارد. اغتشاش ناشی از فواره سوخت که با کاهش بازه زمانی بین انتهای پاشش و زمانبندی اشتعال ظاهر میشود، موجبات نرخ سوختن سریع تر، فشار موثر میانگین ترمزی بیشتر، بازده گرمایی بالاتر و طول دوره احتراق کوتاهتر را فراهم میآورد.
آنها همچنین به این نتیجه رسیدند که برای یک زمانبندی اشتعال خاص، فشار موثر میانگین ترمزی و بازده گرمایی موثر با افزایش نسبت هیدروژن موجود در گاز طبیعی افزایش یافته و طول دوره احتراق کاهش مییابد. ونگ و واتسون [7]در پژوهشی تجربی به جزئیات توسعهی یک موتور گاز طبیعی فشرده با پتانسیل سوزش بسیار رقیق و آلایندگی کم پرداختند. آن ها از اشتعال جتی به کمک جت هیدروژن1 برای دست-یابی به احتراق مطمئن و NOx خروجی کم و پاشش مستقیم برای بهبود بازده حرارتی و کاهش هیدروکربنهای خروجی استفاده کردند.
کیم و همکاران [8] به مدلسازی محاسباتی پاشش گاز از طریق هندسههای گوناگون سوپاپ در یک موتور با قطر سیلندر بزرگ پرداختهاند. آن ها جریان گذشته از سوپاپ به داخل سیلندر موتور برای دو فرآیند پاشش کم فشار و فشار بالا با استفاده از سوپاپهای محصور به دیوار و سوپاپهای غیرمحصور را محاسبه کردند. ارکی و همکاران [9]مشخصات خود اشتعالی پاشش مستقیم گاز طبیعی فشرده را به صورت آزمایشگاهی مورد بررسی قرار دادند. آن ها از یک ماشین تراکم سریع2 با نسبت تراکم 10 استفاده کردند.
.2 فیزیک مساله و معادلات حاکم
چنان که ذکر شد فیزیک پاشش مستقیم سوخت گازی به داخل موتور احتراق داخلی مسالهای پیچیده است. چرا که طول دروه پاشش بسیار کوتاه است و با افزار دور موتور کوتاه تر هم می شود و حجم مخصوص زیاد سوخت گازی باعث میشود که برای رساندن مقدار کافی از سوخت گازی به موتور مجبور باشیم نسبت فشار مناسبی بین فشار پاشش و فشار محفظه برقرار کنیم.
البته افزایش قطر سوراخ انژکتور هم میتواند در دستور کار ما قرار گیرد اما این امر با کاهش سرعت پاسخگویی انژکتور همراه بوده و باعث کاهش کنترلپذیری پاشش سوخت میشود.[10] از طرفی افزایش نسبت فشار - فشار ریل سوخت - 0 - و فشار خروجی نازل - - به فشار داخل محفظه - - ∞ - نازل همگرا به بیشتر از حالتی که در آن برای اولین بار جریان صوتی اتفاق میافتد، موجب میشود که توسعهیافتگی جریان جت گاز خروجی انژکتور از حالت زیرصوتی3 به حالت صوتی فرومنبسط4 تغییر یابد.[11]
