بخشی از مقاله
چکیده
موتورهای دیزل به عنوان یک جزء جدایی ناپذیر از سیستم حمل و نقل عمومی کشور، به عنوان منبع اصلی نشر آلاینده های خطرناکی همچون دوده و اکسیدهای نیتروژن در شهرها میباشند. در این مقاله شبیهسازی موتور دیزلی اسکانیا DC9 که بطور وسیعی در سیستم حمل و نقل کشور مورد استفاده قرار میگیرد با استفاده از نرم افزار GT-POWER انجام شده است.
مقایسه نتایج حاصل از شبیه سازی با نتایج تجربی تطابق خوبی را نشان میدهد. تاثیر زمان پاشش سوخت بر روی عملکرد و آلاینده های این موتور مورد بررسی قرار گرفته است و نتایج نشان میدهند که تعجیل در زمان پاشش میزان آلاینده NOx را حدود 1/5 برابر میکند در حالی که آلاینده دوده بطور متوسط حدود 23 درصد کاهش می یابد. همچنین مشاهده میشود که بیشینه فشار داخل محفظه احتراق و بیشینه انرژی آزاد شده نیز با پیش اندازی زمان پاشش افزایش می یابد.
-1 مقدمه
امروزه تلاش برای کاهش آلایندهها در دستور کار بسیاری از دولتها قرار گفته است و در چندین سال گذشته یکی از اصلی ترین اولویتهای مراکز تحقیقاتی احتراق، بررسی فرایندهای احتراق و روش های کاهش آلاینده ها با استفاده از بهینه سازی موتورها و سوختها بوده است. موتورهای دیزل به دلیل داشتن مزایایی همچون بازده بالا، مدت کارکرد بیشتر ومصرف سوخت پایین از جمله پرکاربردترین موتورهای احتراق داخلی به شمار میآیند. مهم ترین عیب این دسته از موتورهای درون سوز، نشر آلاینده های خطرناک ناشی ازاحتراق ناقص سوخت دیزل است.
برای درک فرایند احتراق و مشاهده تاثیر پارامترهای مختلف بر عملکرد و آلایندههای آن میبایست آزمونهایی راروی موتور انجام داد. برای غلبه بر مشکلات آزمایشات تجربی میتوان از شبیه سازی و الگوهای ترمودینامیکی استفاده کرد. داده های استخراج شده از طریق محاسبات را با دادههای آزمون موتور مقایسه کرده و پس از تایید، میتوان دادههای استخراجی از مدل را به تعداد نامحدودی از شرایط عملکردی تعمیم داد. بطور کلی روشهای مدلسازی موتورهای احتراق داخلی به دو دسته مدلهای ترمودینامیکی و مدلهای ابعادی تقسیمبندی میشوند.
مدلهای ترمودینامیکی که براساس معادله انرژی و بقای آن استوار است و به دو زیر گروه تک ناحیه ای و چند ناحیه ای تقسیمبندی میشوند و مدلهای ابعادی که براساس وابستگی زمانی معادلات سه بعدی جرم، مومنتوم و انرژی بیان میشوند و به آنالیز میدان جریان سیال داخل سیلندر میپردازند .[1] در این مقاله از نرم افزار GT-POWER به عنوان شبیه ساز ترمودینامیکی موتور پایه استفاده شده است.-GT POWER برای مطالعه در کارهای مختلفی استفاده شده است.
انداوه و همکاران [ 2] با شبیه سازی یک موتور پایه اثر پدیده تطابق پرخورانی را بررسی کردند ریفارس و همکاران [3] با شبیهسازی در این نرم افزار نقاط قوت و ضعف سیستم EGR را بررسی کردند. سوخت دیزل به عنوان منبع نشر موادی مانند ذرات معلق1، هیدروکربن های آروماتیک حلقوی، فلزات سنگین و اکسیدهای نیتروژن2 شناخته میشود. که در این میان دوده 3 - به عنوان اصلیترین گونه در میان ذرات معلق - و اکسیدهای نیتروژن از جمله مضرترین آلاینده ها برای سلامت انسانها میباشند .[4]
درک بیشتر نسبت به تشکیل آلایندهها این امکان را فراهم میکند تا بتوان مدلهای ریاضی برای پیش بینی مقدار تولیدی آنها ارائه داد. مدلهای انتشار آلاینده ها در موتورهای دیزل شامل دو گروه هستند: - 1 مدلهای تجربی که پارامترهای عملکردی موتور را به انتشار آلایندهها مرتبط میکنند - 2 مدلهای پدیده ای چند مرحله ای که تمامی مراحل تشکیل و اکسیداسیون آنها را مدل میکنند .[5]
دوده یک آلاینده جامد میباشد که از هشت قسمت کربن و یک قسمت هیدروژن تشکیل شده است. چگالی آن حدود 1.84701 ⁄ 3 است و در مناطقی از سیلندر که دمای بالا و مخلوط غنی وجود دارد شکل میگیرد. تشکیل دوده در موتورهای دیزل یک فرایند پیچیده شامل فرایندهای فیزیکی و شیمیایی است که گاها با هم نیز اتفاق می افتند. در زمینه مدلسازی دوده تا کنون محققین بسیاری مدل های مختلفی را ارائه دادهاند.خان و همکاران [6] یکی از اولین و ساده ترین مدل های تشکیل دوده در موتورهای دیزل را پیشنهاد دادند، پس از آن هیرویاسو و همکاران[7] یک مدل تجربی دو مرحله ای تشکیل و اکسیداسیون دوده را معرفی کردند.
پس از معرفی مدلهای اولیه دوده، مدلهای پیچیده تر و چند مرحلهای تشکیل دوده نیز برای پیش بینی مقدار دود منتشره ارائه شد .[ 9 ][8] آلاینده مهم دیگر موتورهای دیزل اکسیدهای نیتروژن است. اکسیدهای نیتروژن در موتورهای دیزل شامل اکسید نیتروژن - NO - و مقدار کمی دیاکسید نیتروژن - 2 - می باشد. تاکنون روشهای مختلفی برای تعیین چگونگی تشکیل و تجزیه ارائه شده است.
مکانیسم زلدویچ که توسط زلدویچ ارائه شد [10] سپس توسط لاویه و همکاران [11] با افزودن واکنش تجزیه توسعه داده شد. ملر و همکاران [12] نیز مکانیسم اکسید نیتروس را که شامل واکنشهای زلدویچ توسعه یافته است را معرفی کردند. در زمینه بررسی آلایندههای دیگر نیز کارهایی انجام شده است بطور نمونه متین [13] با نوشتن یک زیر مدل سینتیکی برای آلاینده منوکسید کربن میزان انتشار این آلاینده را در یک موتور نمونه بررسی کرد.
نکته قابل توجه در موتورهای دیزل، تاثیر پارامترهای مختلف بر عملکرد و میزان انتشار آلاینده ای آن است. در این زمینه نیز محققین تحقیقات فراوانی را انجام داده اند. آویناش و همکاران [ 14] تاثیر فشار پاشش را بر عملکرد یک موتور دیزلی تک سیلندر بررسی کردند. در تحقیقی دیگر شینلینگ و همکاران [15] تاثیر زمان پاشش بر توزیع سایز ذرات متشر شده در یک موتور دیزل را مورد بررسی قرار دادند.
هدف ازین مقاله شبیه سازی موتور دیزلی اسکانیا DC9 در نرم افزار GT-POWER و بررسی تاثیر زمان پاشش بر عملکرد و دو آلاینده مهم این موتور میباشد. جهت اطمینان از از صحت نتایج، منحنی های قدرت و گشتاور به ازای دورهای مختلف موتور با نتایج تجربی که از شرکت عقاب افشان استعلام شده است اعتبار سنجی شده است. مقدار دوده تولیدی در حالت پایدار و تمام بار برای سه مدل مختلف دوده که بصورت پیش فرض در نرم افزار وجود دارد استخراج و با هم مقایسه شده است. و در انتها در نتایج حاصل از تغییر زمان پاشش نیز گزارش شده است.
-2 شبیه سازی و الگوهای محاسباتی
پیشبینی جزئیات میدان جریان در موتورهای درون سوز و فرایندهای انتقال حرارت و احتراق با حل عددی معادلات بقا امکان پذیر خواهد بود. این روش های عددی را در دهههای اخیر محققان بسیاری بررسی کردهاند و در این مدت بطور پیوسته توانایی تحلیل میدان جریان در هندسه های واقعی موتور افزایش یافته است. در ادامه به معرفی مدل ها و معادلات حاکم جهت حل میدان جریان در سیلندر و تشکیل آلاینده ها پرداخته میشود .[16]
-1-2 شبیه سازی موتور مورد بررسی
همواره برای طراحی یک موتور در یک نرم افزار شبیهساز نیاز به تعدادی اطلاعات وجود دارد. در کار حاضر این اطلاعات تا حد امکان بصورت تجربی در موتور اندازه گیری شده و تعدادی نیز از شرکت عقاب افشان دریافت شده است. در این مقاله از موتور دیزلی اسکانیا DC9 جهت شبیه سازی و بررسی اثر زمان پاشش بر عملکرد و آلایندههای آن استفاد شده است. DC9 یک موتور دیزل 5 سیلندر خطی مجهز به توربو شارژ بوده که بطور وسیعی در خطوط اتوبوسرانی شهری مورد استفاده قرار میگیرد. مشخصات اصلی این موتور در جدول 1 آمده است.
شبیه سازی موتور پایه، در نرم افزار GT-SUITE انجام شده است. نرم افزار GT-SUITE یک نرم افزار توسعه یافته شبیه ساز، ساخت شرکت گاما تکنولوژی4 در زمینه خودرو است که شامل زیر شاخه هایی میباشد.یکی از این زیر شاخه ها GT-POWER است که برای شبیه سازی موتورهای احتراق داخلی استفاده میشود. GT POWER یک حل کننده جریان یک بعدی به خصوص برای شبیه سازی جریان های موتور احتراق داخلی، محاسبه حرکت سیلندر، احتراق و درجه حرارت است. GT POWER حرکت جریان در زمان را بااستفاده از مدلهای مختلف بسیاری برای تمامی قطعات موتور محاسبه میکند. مدل ها بطور عمده بر اساس تجربه آزمایشگاهی و برازش منحنی از جدول دادهها است.
