بخشی از مقاله
چکیده
تلفیق عملکرد در موتورهای پاشش مستقیم از راههای رفع معایب موتورها می باشد که آلایندگی کمتر و راندمان تنفسی بالاتری دارد. بدین منظور در این مقاله شبیهسازی تشکیل مخلوط سوخت و هوا و احتراق آن درون یک موتور تک سیلندر تحقیقاتی بهوسیله شبکهبندی متحرک و پویا نسبت به زمان در دور موتور و زاویه لنگ مختلف بررسی شده است. آلایندگی های NOx, CO,CO2, Soot با استفاده از کانتورها و نمودارها، بررسی شده است . گازسوز کردن می تواند به صورت چشمگیری مقدار دوده را کاهش دهد در حالی که بازده حرارتی در بارهای بیشینه در حد موتور دیزلی پایه قرار می گیرد.
در مقابل در بارهای کمینه، در موتور گازسوز نسبت به موتور دیزلی پایه، مقدار بازده حرارتی ضعیف و مقدار آلاینده های هیدروکربن نسوخته و مونواکسیدکربن بیشتر است. با استفاده از نمودار میزان اشتعال پذیری مخلوط سوخت و هوا، دور موتور بهینه بهمنظور دستیابی به بیشینه کارآیی در نوع پاشش مستقیم بهدست آمده است.
شبیهسازی احتراق غیر پیش آمیخته گاز متان با هوا و چگونگی پیشروی جبهه ی شعله توسط کانتور دما و پاشش افشانه گاز توسط کانتور درصد جرمی متان نمایش داده شده که نشانگر بالاتر بودن قدرت تولیدی و رسیدن به دمای احتراق بیشتر در موتور پاشش مستقیم است. همچنین نتایج این تحقیق نشان میدهد که دور موتور ایدهآل برای سوخت چینهای استوکیومتریک سرعت 2000 RPM میباشد.
مقدمه
در سه دهه گذشته تلاشهای زیادی برای تولید یک موتور احتراق داخلی بهینه انجام شده است که ویژگیهای خوب یک موتور اشتعال جرقهای و موتور اشتعال تراکمی را داشته باشد. برای رسیدن به این هدف نوعی از موتورهای احتراق داخلی به نام پاشش مستقیم سوخت طراحی شدند که سوخت آنها هم میتواند بنزین باشد که بهصورت اسپری شده داخل محفظه احتراق پاشیده میشود و هم از گاز طبیعی استفاده کرد. سوختهای فسیلی اصلیترین منبع انرژی در سیستم حمل و نقل میباشند. در حالی که با شتاب بالایی منابع سوختهای فسیلی با گسترش جمعیت و صنایع مختلف رو به کاهش است.
به علاوه آلایندگیهای ناشی از سوختهای فسیلی مسالهای جدی است. در این نوع موتورها بار وارد بر موتور توسط دریچه گاز کنترل نمیشود بلکه توسط مقدار سوختی که به صورت متغیر میتواند وارد محفظه احتراق شود قابل کنترل است. بازده گرمایی بالا بهعلت کمتر بودن تلفات پمپی در نبود دریچه گاز و کاهش انتقال حرارت بهعلت عملکرد موتور در سوخت رقیق بدست میآید. اساسا قضیه کنترل هیدروکربنهای نسوخته در موتورهای پاشش مستقیم در تمام حالات و مدهای مختلف احتراق امری دشوار بهشمار میرود. حالات مختلف احتراق در موتورهای پاشش مستقیم بستگی به بار و سرعت موتور دارد و میتواند بار چینهای رقیق، بار همگن رقیق، استوکیومتری همگن و همگن غنی باشد.
مخلوط همگن رقیق در این موتورها تلاش برای بهبود مصرف سوخت و آلایندگی NOx در دور موتور متوسط استفاده میشود. در حالی که بار چینهای رقیق برای مصرف بهینه سوخت در حالت بیباری موتور و یا بار کم میباشد. از حالت همگن استوکیومتریک برای بار کامل با بیشترین مقدار هوای مصرف شده و همچنین برای شروع به کار سرد موتور میتوان استفاده کرد. در موتو پاشش مستقیم با توجه به اینکه سوخت به صورت گازی شکل درون محفظه احتراق پاشیده میشود از نسبت تراکم بالاتر نسبت به موتورهای احتراق داخلی معمول میتوان استفاده نمود . همچنین حتی در دماهای کم نیز پاسخ گذرا نسبت به موتورهای معمول که سوخت در راهگاه ورودی پاشیده میشد سریعتر میباشد.
این امر نکتهی مهمی در کاهش آلایندگی موتورهای پاشش مستقیم میباشد زیرا در موتورهای پاشش داخل راهگاه در آغاز به کار موتور که دمای آن پایین است مقدار آلایندگی زیاد میباشد تا اینکه مبدل کاتالیست به دمای مشخصی برسد تا بتواند اثر خود را در کاهش آلودگی ایفا کند. پدیده گازهای گلخانهای ناشی از کربندیاکسید احتراق سوخت باعث افزایش دمای زمین شده است
سوختهای جایگزین یا بهینهسازی در مصرف سوختها راه حلهای پیش رو میباشد که در صورت استفاده از آن مصرف سوخت در موتورهای پاشش مستقیم به مقدار قابل توجهای پایینخواهد آمد. همچنین میتوان از سوختهای جایگزین مانند هیدروژن استفاده کرد که مزیتهای استفاده از آن در منابع بررسی شده است
پاشش گاز طبیعی از انبساط در ناحیه پایین دست خروجی یک نازل حاصل میشود. ویژگیهای این جت انبساطی توسط موج شاک عمودی و بشکهای شکل مشخص میشود که به نام صفحهی ماخ1 موسوم است .[5] حل عددی این موج تصادم یا شاک2 نیازمند یک بحث دینامیک سیالات محاسباتی قوی و دقیق و یک شبکهبندی بسیار خوب میباشد. هدف از ارائهی این مقاله استفاده از یک مدل افشانه انبساطی برای شبیهسازی پاشش گازطبیعی و مقایسه خصوصیات مخلوط داخل سیلندر در شرایط مختلف پاشش است.
از مدل افشانه منبسط شونده برای مدل کردن ناحیه فرا صوت استفاده شده است. از شرایط خروجی در افشانه انبساطی به عنوان شرایط ورودی در ناحیهی محاسباتی استفاده شده است. نفوذ گاز متان و فرآیند مخلوط شدن سوخت و هوا با استفاده از نرم افزار FLUENT ANSYS در قسمت Workbench مدل و در فلوئنت شبیهسازی میشود .[6] مدل محاسباتی دقیق و موثر برای استفاده در طراحی موتورهای پاشش مستقیم ایجاد شده تا مصرف سوخت کمتر و آلایندگی در محیط زیست کاهش یابد.
معادلات حاکم بر افشانه و احتراق گاز طبیعی
ساختار و خصوصیات افشانهها به منظور کاربرد در طیف گستردهای از امور مورد مطالعه قرار گرفته است. محققی به نام ترنر ساختار افشانه را ارائه داده است .[7] این ساختار شامل ناحیه کروی گردبادی شکل میباشد که در تقابل ناحیه حالت پایدار است. گردباده با شعاع Rv از نازل دور میشود تا جایی که محو گردد. اندازه گردباده بهطور پیوسته تغییر میکند زیرا مقداری از جرم جت را که از پشت سر به آن فشار وارد میکند به دنبال خود میکشد و داخل خود میبرد. جت در ناحیه پشت گردباده در حالت پایدار در نظر گرفته میشود که این امر را براکو و کوو3 در تحقیقات خود نشان دادهاند
شکل.1 مدل جت گذرای آشفته ترنر [7]
این شکل که به نام تودهی ترنر معروف است مبنایی برای ساختار شروع یک جت گذرا میباشد که توسط محققان متعددی مورد استفاده قرار گرفته است . سالان وآبرامویچ از این مدل برای ایجاد یک بیان تحلیلی برای تعیین سرعت در ناحیه گردبادی شکل استفاده کردند و سرعت در فواصل نزدیک و دور از یک جت مایع در شرایط آرام با عدد رینولدز کم را بررسی کردند
در این تحلیل دیده شد که سرعت گردباده متناسب است با فاصله آن از نازل و مقدار آن در هر ناحیه شبیه به سرعت محوری جت در ناحیه حالت پایدار1 است که در ضریبی ثابت ضرب شده است. سرعت گردبادهی کروی شکل تقریباً نصف المان سیال در ناحیه پایدار جت بوده است. سالان و آبرامویچ نشان دادند که سرعت ماکزیمم محوری در نصف پهنای جت در ناحیه پایدار اتفاق میافتد و این مرکز مختصات جت با مرکز هندسهی نازل کمی متفاوت است که این مختصات با شعاع خروجی نازل و ریشهی دوم عدد رینولدز متناسب است. مطالعات انجام شده توسط ساکائو و ساتو میدهد که مقداری اختلاف در فاصله مختصات مرکزیت جت با نازل وجود دارد که لازم است برای تطابق بیشتر نتایج تئوری با تجربی این مقدار اختلاف را در نظر گرفت
این مقدار با افزایش عدد رینولدز بهعلت آشفتگی بیشتر جریان زیادتر میشود. اولت و هیل2 خصوصیات و ویژگیهای شبیه به هم را در جتهای توربولانسی مورد مطالعه قرار دادند و یافتند که شعاع سر گردباده R تابع ثابتی از فاصله تا نازل است .[11] این رابطه در زیر آورده شده است :
که در آن K2تقریباً 0,28 میباشد. در انواع جتهای توربولانسی که توسط یک نازل کروی ایجاد میشوند کل مومنتوم در سر گردباده 3را میتوان به صورت کسری از کل مومنتوم سیال پاشیده شده به-دست آورد.
که در آن M نرخ مومنتوم در نازل وK1 ضریبی مناسب و R و υυ به ترتیب چگالی متوسط، شعاع و سرعت سرگردباده میباشند. سرعت سرگردباده را میتوان بهصورت زیر نوشت:
که در آن K3 ضریبی مناسب از مرتبه 1 و Z فاصله سرگردباده تا نازل میباشد از معادلات بالا میتوان رابطه زیر را نتیجه گرفت:
اولت و هیل همچنین از مدل ترنر [7] برای تقریب زدن هندسه جت گاز استفاده کردند .[11] در مدل آنها جت بهطور ثابت توسط مومنتوم اوریفیس تغذیه میشود و مومنتوم در طول ناحیه شبه پایا و گردباده حرکت میکند.
روش اصلاح شبکه محاسباتی در فلوئنت
بهمنظور دستیابی به نتایج دقیقتر در حل معادلات ناویراستوکس کیفیت شبکهبندی انجام شده در مدل باید به اندازه کافی خوب باشد. با این وجود شبکهبندی بسیار ریز در سرتاسر میدان جریان به دلیل آنکه زمان حل مسأله طولانی میشود و لزومی به انجام این مقدار زیاد محاسبه نیست مناسب نمیباشد. شبکهبندی خوب و کوچکتر باید در نواحی از میدان جریان که تغییرات خصوصیات جریان زیاد است استفاده شود ولی این روش تنها برای مسائل ساده مناسب است و برای مسائل پیچیده مهندسی اغلب نمیتوان استفاده کرد. زیرا بسیاری از جزئیات و خصوصیات جریان قبل از انجام شبیهسازی شناخته شده نیست. روش اصلاح شبکه4 کمک زیادی در این موارد میکند.
