بخشی از مقاله
چکیده
هدف اصلی این پژوهش، مدلسازی سیکل ترمودینامیکی موتور اشتعال جرقهای جهت تجزیه و تحلیل پارامترهای موتور میباشد. برای شبیهسازی، روابط حاکم بر سیکل ترمودینامیکی موتور و معادلات قانون اول ترمودینامیک، بقای جرم و سایر روابط تجربی و نیمهتجربی مورد استفاده قرار گرفته است. در طی فرآیند احتراق، محفظه احتراق به دو ناحیهی سوخته و نسوخته تقسیم و خواص ترمودینامیکی این دو ناحیه محاسبه میشود. نتایج حاصل از شبیه-سازی با نتایج تجربی مقایسه و در ادامه، اثر سایر پارامترهای موتور نظیر تأثیر نسبت تراکم، زمان جرقهزنی، نسبت همارزی، فشار و دمای ورودی بر روی عملکرد موتور پرداخته شده است. سوخت موتور، بنزین بوده و برای شبیهسازی از نرمافزار تجاری متلب استفاده شده است.
مقدمه
نخستین نمونه از موتورهای اشتعال جرقهای در سال 1876 توسط اتو ساخته شد و در دههی 1880 برای اولین بار در خودروهای سواری به کار رفت. با پیشرفت جوامع بشری و نیاز بیشتر به استفاده از موتورهای احتراق داخلی در صنایع گوناگون به ویژه صنعت حمل و نقل، تلاشهای گستردهای برای بهینهسازی عملکرد اینگونه موتورها به منظور کاهش آلایندگی و افزایش بازده صورت گرفته است .[1]
با توسعهی مدلسازی کامپیوتری، برای شبیهسازی فرآیندهای موتور احتراق داخلی، مدلهای احتراقی عرضه شدند. این مدلها بر حسب بعد فضایی متغیرهای مورد نظر به سه دستهی صفر بعدی، شبه بعدی و چند بعدی تقسیمبندی میشوند. با توجه به عدم توانایی مدل تک ناحیهای برای محاسبه دقیق خیلی از پارامترهای اساسی موتور و پیچیدگیهای خاص مدل سه ناحیهای، مرسومترین روش مدلسازی ترمودینامیکی موتور، روش دو ناحیهای است.
ون وایلن و پترسون [2] برای اولین بار مدلسازی دو ناحیهای موتور را انجام دادند. هرچند مدل آنان نرخ جریان و انتقال حرارت بین دو ناحیه را در نظر نمیگرفت اما سرآغاز تاریخ مدلسازی چند ناحیهای بود. بنسون و همکاران [3]، در سال 1979 یک مدل دو ناحیهای نسبتاً دقیق با در نظر گرفتن غلظتهای تعادلی گونههای شیمیایی برای سوخت پروپان ارائه دادند؛ پس از آن استفاده از مدلهای دو ناحیهای رواج بیشتری پیدا کرد.
ایسلی و همکاران [4] در سال 2001، با در نظر گرفتن سینتیک مفصل شیمیایی احتراق مخلوط ایزواکتان و هپتان نرمال به بررسی زمان شروع احتراق، روند تغییر دمای محفظه احتراق و میزان آلایندههای خروجی پرداختند. آنها در این کار از هر دو مدل تک ناحیهای و چند ناحیهای استفاده کردند و این دو روش را با هم مقایسه نمودند. در سال 2002، هنگ مینگ و همکاران [5] برای بررسی اثرات گازهای برگشتی در یک موتور اشتعال تراکمی سوخت همگن و مقایسه عملکرد آن با یک موتور اشتعال جرقهای مشابه از یک مدل تک ناحیهای استفاده کردند. سوخت مورد استفاده در این بررسی، مخلوط ایزواکتان و هپتان نرمال بود.
در همان سال ژنگ و همکاران [6]، با تبدیل مکانیزم کاهش یافته مدل تک ناحیهای خود به مکانیزم اسکلتی شامل 69 واکنش و 45 گونه شیمیایی، دقت نتایج قبلی خود را افزایش دادند. در سال 2006، یاو و همکاران [7] تحقیقات خود مبنی بر اثرات تغییر سوخت را که با یک مدل تک ناحیهای تحلیل شده بود، ارائه کردند. ایشان به بررسی استفاده از ترکیب دیمتیلاتر و متانول به عنوان سوخت پرداختند و به صورت دقیق آزادسازی انرژی دما بالا و دما پایین این سوخت را نشان دادند.
ورلست و سیرنز [8] در سال 2007، یک کد شبیهسازی را برای سیکل توان موتورهای هیدروژنسوز با استفاده از مدل شبه ابعادی دو ناحیهای به همراه فرضیات مدلسازی استاندارد، به کار بردند. جهانیان و همکاران [9] در همان سال ، مدلسازی یک موتور اشتعال جرقهای با سوخت متان را انجام دادند. مدلسازی به شیوهی دو ناحیهای - ناحیههای سوخته و نسوخته - و با در نظر گرفتن سینتیک شیمیایی سوختن متان انجام گرفته است.
جعفرمدار [10] در سال 2007، از یک مدل سینتیک شیمیایی متشکل از 4236 واکنش و 1034 گونهی شیمیایی، استفاده کرد که با استفاده از آن میتوان خوداشتعالی سوخت بنزین را در دورها و عدد اکتانهای مختلف موتور بررسی نمود. او مدل احتراقی را به صورت تکناحیهای نسوخته در نظر گرفت. در سال 2009، گارسیا و همکاران [11] با استفاده از نتایج تجربی و انجام فرآیند بهینهسازی، مدل جدیدی را برای تعیین نرخ آزادسازی انرژی در مدلهای صفر بعدی ارائه دادند. ایشان با تفکیک فرآیند آزادسازی انرژی دما پایین و دما بالا توانستند خطای مدل تک ناحیهای در تعیین فشار درون سیلندر را به حدود %2 کاهش دهند.
در همان سال، عمرو ابراهیم و سایفول بوری [12] ، یک مدل احتراقی دو ناحیهای را برای شبیهسازی شرایط درون سیلندر در طول دورهی احتراق، توسعه دادند. آنها هر دو اثر گازهای برگشتی و سوخت ضعیف را بر روی عملکرد موتور اشتعال جرقهای گاز طبیعی سوز در شرایط کارکرد مشابه مقایسه کردند. در سال 2010 ، گو و همکاران [13] با استفاده از مدلی تکناحیهای عملکرد موتور با سوخت هپتان نرمال را مورد بررسی قرار دادند. ایشان نتایج مدل را با دادههای تجربی خودشان صحهگذاری کرده و به بررسی پارامترهای نظیر نسبت تراکم، نسبت همارزی و پرخوران بر عملکرد موتور پرداختند.
یونسیان و همکاران [14] در سال 2011، با استفاده از روابط حاکم بر سیکل بسته موتور و معادلات قانون اول ترمودینامیک و بقاء جرم، شاخصهای مهم عملکرد یک موتور گازسوز شش سیلندر را پیشبینی کردند. در همان سال، لونیچی و همکاران[15]، اثر انتخاب فرمول انتقال حرارت و روش محاسباتی مساحت انتقال حرارت ناحیهی سوخته را بررسی کردند و مدل بهینهتر را برای مدل ترمودینامیکی دو ناحیهای پربازده در موتورهای اشتعال جرقهای گاز طبیعی سوز انتخاب کردند.
در سال 2012، باهوش کازرونی و همکاران [16]، با استفاده از روابط حاکم بر سیکل ترمودینامیکی موتور و استفاده از معادلات قانون اول ترمودینامیک، بقای جرم، یک موتور اشتعال جرقهای را شبیهسازی کردند. آنها در این پژوهش از مدل دو ناحیهای سوخته و نسوخته استفاده نمودند. فلاحی و همکاران[17] در سال 2012، با ارائهی یک مدل ترمودینامیکی سیکل بسته از طریق مدل شبهابعادی و با الگوی دو ناحیهای - سوخته و نسوخته - و با در نظر گرفتن سینتیک شیمیایی در هر دو ناحیه، عملکرد یک موتور اشتعال جرقهای را بررسی کردند. برای تعیین میزان نرخ سوختن از تابع وایب و برای کدنویسی پدیدهی احتراق از نرمافزار متلب استفاده شده است.
ورلست و همکاران[18] در سال 2014 ، زیرمدلهای خاصی را برای سوختهای الکلی سبک - اتانول و متانول - توسعه دادند و آن را در کد شبیهسازی شبهبعدی موتور نشان دادند و به ازای مجموعهای از اندازهگیریهای بدست آمده بر روی دو موتور تک سیلندر CFR، در نسبتهای تراکم، بارگذاری، زمانهای جرقه، دور، نسبت همارزی و درصد گازهای برگشتی مختلف، اعتبارسنجی کردند. در سال 2014، بهلولی و همکاران [19] با استفاده از مدلی تک ناحیهای و با تغییر سینتیک مفصل شیمیایی به مکانیزم کاهش یافته به نتایج قابل استنادی دست یافتند. میزان خطا در محاسبات برای پارامترهای احتراقی کمتر از 2 درجه لنگ گزارش شد.
در سال 2014، مطهری نژاد و همکاران [20]، با استفاده از مدل صفر بعدی تک ناحیهای و دو ناحیهای، یک موتور اشتعال جرقهای بنزینی را شبیهسازی کرده و سپس نتایج این دو مدل را با هم مقایسه نمودند. ایشان در شبیهسازی خود از نرمافزار متلب استفاده کردند. در این پژوهش یک مدل ترمودینامیکی صفربعدی دوناحیهای برای شبیهسازی موتور اشتعال جرقهای ارئه شده و قابلیتهای آن در بررسی تاثیر تغییر پارامترهای مختلف ورودی موتور بررسی خواهد شد. این مدل قابلیت بررسی انواع مختلف تابع وایب را دارا بوده و همچنین امکان اضافه نمودن سرعت شعله برای توسعههای آینده در آن در نظر گرفته خواهد شد.
فرضیات ترمودینامیکی مدل
تحلیل موتورهای احتراق داخلی از پیچیدهترین مسائل مهندسی مکانیک است؛ از این رو برای سادهسازی و ایجاد امکان مدلسازی، فرضیاتی منطقی را در نظر میگیرند. فرضایت بکار رفته در مدل دو ناحیهای به شرح زیر است:
-1 مخلوط داخل سیلندر همواره گاز کامل فرض میشود.
-2 از تبادل جرم با شکافهای رینگ صرفنظر میشود.
-3 زمان تأخیر در اشتعال معادل زمان لازم برای احتراق %5 سوخت پس از جرقهزنی فرض میشود.
-4 خواص ترمودینامیکی نظیر دما، فشار، غلظت گونههای شیمیایی و ... برای هر ناحیه یکنواخت فرض میشود.
-5 خواص ترمودینامیکی - به جز فشار - دو ناحیه سوخته و نسوخته میتواند با یکدیگر تفاوت داشته باشد. فشار داخل سیلندر همواره یکنواخت و برای دو ناحیه سوخته و نسوخته برابر است.
-6 مجموع انتقال حرارت به جداره سیلندر، بوسیله یک مدل انتقال حرارت جابجایی مدل شده است.
روابط ترمودینامیکی حاکم بر مسأله
مدل ترمودینامیکی مورد استفاده در این پژوهش، شبه بعدی است یعنی دارای دو منطقه سوخته و نسوخته است. نرخ سوختن و تبدیل سوخت به محصول توسط تابع وایب کنترل میشود. معادلات بقای انرژی و جرم و معادلات حالت از معادلات اصلی در شبیهسازی هستند. زمان شروع احتراق در واقع معادل زاویه لنگی است که در آن 5 درصد از سوخت مصرف شده باشد.
