بخشی از مقاله
چکیده
امروزه، با توجه به ذخایر گسترده گاز طبیعی در کشور و همچنین رویکرد جهانی به کاهش آلاینده های محیط زیست، گسترش استفاده از گاز طبیعی به عنوان سوختی پاک، در دستور کار دولت قرار گرفته است. مخلوط کردن گاز طبیعی با سایر سوخت های دیگر از طرحهای روز دنیا به شمار میرود. یکی از این مخلوط ها،ترکیب هیدروژن و متان میباشد.
در این مقاله سعی شده است تا با استفاده از روابط حاکم بر سیکل بسته موتور و معادلات قانون اول ترمودینامیک و بقاء جرم ، شاخص های مهم عملکرد وآلایندگی یک موتور گازسوز سوز شش سیلندر تا حد امکان پیش بینی گردد. این شبیه سازی شامل محاسبات کامل سیکل بسته با استفاده از پارامترهای هندسی، زمان بندی سوپاپها و زمان جرقه زنی می باشد سپس معادله قانون اول ترمودینامیک برای هر یک از این حجم های کنترلی حل و ارضاء می گردد شبیه سازی به روش شبه ابعادی انجام شده و 53 گونه شیمیایی در محصولات احتراق به کار گرفته است.
با فرض دو ناحیه سوخته و نسوخته ، تعادل شیمیایی برای تمامی گونه های شیمیایی اعمال شده است ونتایج این کد بعنوان یک ابزار مناسب قابلیت پیش بینی میزان آلایندگی ، توان و مشخصه های عملکردی یک موتور اشتعال جرقه ای نظیر اندازه دما و فشار داخلی موتور و میزان انتقال و آزادسازی حرارت بر حسب زاویه میل لنگ را دارا می باشد.
مقدمه
امروزه مصرف بالای سوخت علاوه بر مصرف زیاد انرژی ، از نظر آلودگی هوا و خطرات زیست محیطی نیز باید مورد توجه قرار گیرد لذا دانشمندان در صدد پیدا کردن راهی برای بهینه سازی احتراق و کاهش مصرف سوخت هستند همچنین آزمون گرم موتور جهت انجام آزمایشات مختلف هزینه های بسیار زیادی را برجای میگذارد که بعضاً بررسی و تحلیل های آزمایشگاهی را تحت تاثیر قرار می دهد . همچنین شرایط آزمایشگاهی مناسب جهت انجام تست های موتور نیز مشکل جدی تخمین آزمایشات و نتایج می باشد. ارائه شرایط شبیه سازی احتراق در موتور اشتعال جرقه ای ، به گونه ای صورت گرفته است که شامل مراحل تراکم و احتراق و انبساط باشد، همچنین برای شبیه سازی مرحله تراکم از معادله انرژی به همراه معادله حالت استفاده شده است.
تغییر پارامترهای هندسی و ترمودینامیکی موتور تاثیر زیادی بر نرخ سوختن و نرخ افزایش فشار در مرحله احتراق دارد، به همین جهت شبیه سازی مرحله احتراق از اهمیت ویژه برخوردار است. در این تحقیق از یک مدل چند ناحیه ای به همراه روابط تجربی برای پاشش سوخت، نرخ مخلوط شدن سوخت و هوا و زمان اشتعال استفاده شده است همچنین جهت شبیه سازی سوخت از مدل تجربی تابع وایب استفاده شده است. برای محاسبه دمای نواحی در حال سوختن از حل معادله انرژی با در نظر گرفتن پنجاه و سه جزء درمحصولات احتراق استفاده شده است و برای کاهش زمان اجرای برنامه در حل معادلات ، ترکیب روشهای نیوتن و رافسون و جایگزینی متوالی بکار گرفته شده است. بر این اساس در محیط متلب، مدلی از یک موتور اشتعال جرقه ای شبیه سازی شد .
بدنه اصلی مقالات
معادلات
کلیه محاسبات انجام شده بر پایه قانون اول ترمودینامیک استوار است و طبق آن خواهیم داشت :
Q گرمای آزاد شده ، E انرژی درونی، W کار انجام شده میباشد. همچنین با استفاده از معادله گازهای کامل برای حل و محاسبه بسیاری از مجهولات در داخل محفظه احتراق پرداخته شده است که خواهیم داشت:
مدل سازی موتور
مدل های پیشگویانهغالباً1 بر سه نوع هستند. صفر بعدی2،چند بعدی و شبه بعدی. مدل صفربعدی، مدلی ترمودینامیکی است که برپایه اصول بقای جرم وانرژی استوار است. در این مدل ،از تمام مشخصات هندسی صرف نظر شده و به سادگی ،احتراق را در یک افزودن انرژی گرمایی3 در نظر می گیرد. نرخ این افزودن گرما با استفاده از روابط تجربی محاسبه می شود نقطه ضعف این نوع مدلها ناتوانی آنها در میزان گسترش شعله ونرخ سوختن است [1] همانطور که گفته شد نرخ سوختن باید از روابط تجربی مانند توابع وایب4 بدست آید 2]،[1 روسو5 و همکارانش آزمایش های بسیاری انجام دادند تا روابط بین سه ثابت تابع وایب و متغیرهای عملکرد موتور پیدا کنند
.مدل های چندبعدی دقیق تر از مدل های دیگر هستند.[1] در مدل های چند بعدی ،معادلات مربوط به احتراق به وسیله مدل دینامیک سیالات محاسباتی6، حل می شوند. مدل های چندبعدی پیچیده بوده و کند هستند .[1] در مقاله پیشرو، ازیک مدل شبه بعدی استفاده شده که قابلیت محاسبه دما و فشار داخل محفظه احتراق را داشته و نسبت به مدل چند بعدی سریعتر است.
مدل مذکور ،مدلی ترمودینامیکی،شبه بعدی،دوناحیه ای1 وسیکل بسته2 است که معادلات دیفرانسیل مربوط به تراکم،احتراق،انبساط راحل می کند4]،2،[1 مخلوط داخل سیلندر به دو ناحیه سوخته ونسوخته تقسیم شده است. حد فاصل این دو ناحیه،جبهه شعله بوده وشعله با سرعت شعله ای مغشوش و به صورت کروی شکل در محفظه احتراق گسترش یافته و با گذر از ناحیه ی نسوخته ،آنرا تبدیل به ناحیه سوخته می کند . ضمن استفاده ازمدل های پیشنهادی هی وود3 از رابطه وشنی4 برای محاسبه انتقال حرارت استفاده شد
مدلسازی احتراق
در این قسمت مدل، نرخ آزاد شدن انرژی برای موتور اشتعال جرقه ای با دو مدل تابع وایب و استفاده از آرایه های فشار داخل سیلندر- - P Teta - بررسی می شوند، بطوریکه در تصاویر بعدی به آن پرداخته شده است .
استفاده از تابع وایب
از تابع وایب برای محاسبه نرخ آزادشدن انرژی به ازاء زاویه لنگ استفاده میشود.
این تابع که به تابع ریکاردو نیز معروف است، از طول سوزش ورودی، مستقل از پارامتر های تابع شکل برای محاسبه نرخ جرمی سوزش استفاده می کند این مدل برای توصیف احتراق سوخت و هوای پیش آمیخته در چرخه احتراق جرقه ای مناسب است. کسرجرم سوخته متراکم بصورت تابعی از زاویه لنگ بصورت زیر تعریف می شود .
در رابطه فوق نرخ احتراق جرقه ای بوسیله سه پارامتر معین شده در مدل کنترل انجام می شود که به شرح ذیل میباشد:
- مدت زمان سپری شده برحسب زاویه میل لنگ برای سوختن جرم 10 الی 90 درصد از مخلوط
- توان تابع وایب
- نقطهای که 50 درصد سوخت درآن سوخته است برحسب زاویه لنگ دربعد از نقطه مرگ بالا
در مدل فوق هرچه توان بیشتر باشد نرخ آزاد شدن انرژی نیز افزایش می یابد. مقدار پیشنهادی برای 50 درصد جرم سوخته بین 0 تا 20 اعلام شده است بطوریکه تغییر آن باعث پس و پیش شدن احتراق در مدل میگردد .
همچنین مقدار پیشنهادی برای 10 تا 90 درصد جرم سوخته بین 10 تا 50 درجه زاویه میل لنگ است بطوریکه کاهش این زمان حداکثر دما وفشار را تغییر می دهد زیرا انرژی یکسانی در مدت زمان کوتاهتری آزاد می شود .
قابل ذکر است که مقدار پیشنهادی برای توان بین 1 تا 5 اعلام شده است که مقدار 2 در مدل نتایج بهتری را نشان می داد بطوریکه کاهش این عدد منجر به احتراق آرامتر میگردد .
با استفاده از روابط زیر برای محاسبه کسر جرمی گازهای سوخته شده پرداخته شده است
در رابطه فوق m جرم کل گازها که در آن mu جرم گازهای نسوخته mb جرم گازهای سوخته شده و X b کسر جرمی گازهای سوخته است .
در روابط بالا Ach مساحت محفظه احتراق و Ap مساحت سطح پیستون و زاویه میل لنگ است - در روابط بالا زاویه میل لنگ در انتهای مرحله تراکم برابر با 360 درجه است -
