بخشی از مقاله
چکیده
در این تحقیق فرآیند احتراق سوخت بیودیزل و مخلوط های آن با گازوئیل با استفاده از یک مدل ترمودینامیکی در یک موتور دیزل پاشش مستقیم ، شبیهسازی گردید . برای اعتبار سنجی مدل، مخلوطهای مختلف بیودیزل و گازوئیل B00 - ، B20، B40، B60، B80 و - B100 در دور کاری موتور 1400rpm و در شرایط بار کامل - Full Load - بصورت تجربی بر روی موتور MT4-244 مورد آزمون قرار گرفت .
نرخ آزادسازی حرارت توسط تابع وایب دوتایی و نرخ انتقال حرارت با مدل تجربی وُشنی - Woschni - پیشبینی گردید . گرماهای ویژه ترکیبهای موجود در سوخت بیودیزل - اتیل استئارات، اتیل پا لمیتات، اتیل اولئات و اتیل لینولئات - از طریق محاسبات شیمی کوانتومی و با استفاده از نرم افزار Gaussian 98 و Gaussian 03 در محدوده دمایی محفظه احتراق موتور تخمین زده شد . نتایج نظری و تجربی نرخ آزادسازی حرارت و همچنین فشار داخل سیلندر با یکدیگر مقایسه و توافق خوبی بین آنها مشاهده گردید.
مقدمه
برای درک فرآیند احتراق هر سوختی ، می بایست تأثیر آن بر متغیرهای مختلف عملکرد موتور، بصورت تجربی آزمون شود ولی انجام چنین آزمونها ی بسیار هزینه بر و وقت گیر می باشد. شبیهسازی عددی فرآیند احتراق با استفاده از مدلهای نظری، میتواند راه حل مناسبی باشد. با تأیید اعتبار چنین مدل هایی با دادههای تجربی حاصل از آزمون موتور، میتوان دادههای حاصل از مدل را به شرایط مختلف سوخت تعمیم داد. مدل هایی که بدین منظور استفاده میشوند عموماً به دو دسته مدل های دینامیک سیالات - ابعادی - و مدلهای ترمودینامیکی - شبه بعدی - تقسیم می شوند. مدلهای ابعادی بر اساس حل معادلات بقای جرم، مومنتم و انرژی و معادلات اجزای تشکیل دهنده بنا شده اند و حل تمام این معادلا ت با تکنولوژی رایانه ای حاضر، مستلزم صرف زمان زیادی میباشد
در مدلهای ترمودینامیکی فضای داخل محفظه احتراق را می توان به چند قسمت تقسیم کرد که در این صورت فرض مسشود محتویات داخل هر ناحیه همگن بوده و با نواحی دیگر در مرزها، تبادل جرم و حرارت دارند. هر چند مدلهای چندمنطقهای توانایی بالایی در توصیف فرآیند احتراق سوخت را دارند ولی نسبتا پیچیده و زمان بر هستند.
اگر فرض شود که دما، فشار و ترکیبات داخل محفظه احتراق همگن است مدل، تکمنطقهای نامیده می شود، که توانای پیشبینی نرخ آزادسازی حرارت را داشته ولی قادر به تحلیل ابعادی منطقه احتراق نمی باشند
مدل تکمنطقهای به لحاظ سادی و زمان پاسخگویی کوتاه ، کاربرد فراوانی یافته است . در تحقیقی رامداز و همکاران، یک مدل تکمنطقهای را برای آنالیز خصوصیات عملکردی موتورهای اشتعال تراکمی ارائه کردند. در این مدل از یک تابع وایب، جهت پیش بینی نرخ آزادسازی حررات مخلوط بیودیزل و گازوئیل استفاده گردید . آنها مدل را برای مطالعه تاثیر تغییراتی که اعمال آنها در شرایط آزمون موتور غیر ممکن یا بسیار مشکل می باشد - مانند تاثیر نسبت تراکم - ، بکار بردند.
در تحقیقی دیگری نجفی، یک مدل تک منطقهای Whitehouse برای پیشگویی فرآیند احتراق مخلوط سوخت بیودیزل حاصل از روغن پسماند با گازوئیل ارائه کرد . مقادیر پیشگویی شده فشار داخل سیلندر و آهن گ گرمای آزاد شده برای موتور دیزل توسط این مدل با مقادیر تجربی مقایسه و توافق خوبی را نشان داد . در این تحقیق با توجه به سادگی از یک مدل ترمودینامیکی تک منطقهای برای پیشبینی نرخ آزادسازی حرارتِ سوخت بیودیزل و ترکیبات مختلف آن با گازوئیل در یک موتور استفاده گردید
مواد و روشها
سوخت بیودیزل - اتیلاستر - موردنیاز این تحقیق به روش ترانس استریفیکاسیون از روغن آفتابگردان تولید گردید . جهت مقایسه خروجی مدل با داده های عملی، نمونه های سوخت حاوی %0 تا %100 حجمی بیودیزل و مابقی گازوئیل در بار کامل و در د ور حداکثر گشتاور بر روی موتور دیزل پاشش مستقیم MT4-244، مجهز به توربوشارژر ساخت شرکت موتورسازان تبریز و در واحد تحقیقات مهندسی کارخانه سازنده ، مورد آزمایش قرار گرفت. مشخصات فنی این موتور در جدول - - 1 آورده شده است. آزمون موتور بر مبنای استاندارد 8 مد ECER-96 با استفاده از دینامومتر مغناطیسی مدل E400 ساخت شرکت PMID CO، زاویه سنج AVL333 حسگر فشار پیزوالکتریک Indi modul 621، حسگر فشار خط پاشش SL31D-3000، آلاینده سنج AVL Dicom4000 مدل A-8020 انجام گرفت.
جدول -1 مشخصات فنی موتور دیزل MT4-244
معادله انرژی و نرخ آزادسازی حرارت
برای یک موتور دیزل محتویات داخل سیلندر، یک سیستم باز می باشد. تنها جرمی که از مرز سیستم - در هنگام بسته بودن سوپاپهای ورودی هوا و خروجی گاز - عبور می کند، سوخت و جریان نشتی میباشد که با صرف نظر کردن از جریان نشتی و فرض ایدهال بودن گازهای داخل محقظه احتراق خواهیم داشت:
محاسبه انرژی داخلی ترکیبات بیودیزل
در این تحقیق ابتدا درصد هر یک از اسیدهای چرب موجود در سوخت بیودیزل - اتیل استئارات %12/4، اتیل
پالمیتات %5/1، اتیل اولئات %25/9 و اتیل لینولئات - %54/6 با استفاده از آزمون کروماتوگرافی - GC-mass -
تعیین گردید و سپس ضرایب معادله چند جملهای برای تعیین گرمای ویژه - در فشار ثابت - هر یک از این اسیدهای چرب برحسب دما، با استفاده از داده های حاصل از نرم افزار تخصصی Gaussian 98 و Gaussian 03 استخراج
شد، گرمای ویژه در فشار ثابت برای اتیل استر j ام بصورت زیر بدست می آید:
ضرایب u j1 الی u j 5 ثابتهای معادله چند جملهای مربوط به اتیل استر j ام میباشند . از آنجاییکه قبلا درصد جرمی و درصد مولی هریک از اسیدهای چرب موجود در بیودیزل اندازه گیری شده است، لذا برای محاسبه گرما و آنتالپی مخصوص بیودیزل کافی است که نسبت مولی هرکدام از اتیل استرهای موجود در بیودیزل n j در مقدار گرما و آنتالپی مخصوص متناظر با آن اتیل استر ضرب شده و مجموع کل - cpB - T محاسبه گردد و برای محاسبه انرژی داخلی مخلوط سوخت بیودیزل و گازوئیل، نسبت مولی گازوئیل aD و بیودیزل aB در مقادیر متناظر آن ضرب شده و مجموع کل - cp - T محاسبه گردید:
