بخشی از مقاله
چکیده
یکی از راههای رفع معایب موتورهای اشتعال جرقهای و اشتعال تراکمی، تلفیق عملکرد این دو نوع موتور در کارکرد موتورهای پاشش مستقیم میباشد که آلایندگی کمتر و راندمان حجمی بالاتری دارند. بدین منظور در این مقاله شبیهسازی پاشش سوخت و تشکیل مخلوط و احتراق آن درون یک موتور تک سیلندر تحقیقاتی بهوسیله شبکهبندی متحرک و پویا نسبت به زمان در سرعتهای مختلف موتور و زاویه لنگهای متفاوت بررسی شده است. با استفاده از نمودار میزان اشتعال پذیری مخلوط سوخت و هوا، دور موتور بهینه بهمنظور دستیابی به بیشینه کارآیی در موتور پاشش مستقیم بهدست آمده است.
شبیهسازی احتراق غیر پیش آمیخته گاز متان و چگونگی پیشروی جبههی شعله در محفظه احتراق توسط کانتور دما و پاشش افشانه گاز توسط کانتور درصد جرمی متان نمایش داده شدهاست. نمودارهای مربوطه حاکی از بالاتر بودن قدرت تولیدی و رسیدن به دمای احتراق بیشتر در موتورهای پاشش مستقیم است. همچنین نتایج این تحقیق نشان می دهد که دور موتور ایدهآل برای سوخت چینهای استوکیومتریک در سرعت 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 می شود و هم از گاز طبیعی استفاده کرد. در این نوع موتورها بار وارد بر موتور توسط دریچه گاز کنترل نمیشود بلکه توسط مقدار سوختی که به صورت متغیر می تواند 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 می رود. 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 می توان 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 می باشد 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 سوخت ها راه حل های پیش رو میباشد که در صورت استفاده از آن مصرف سوخت در موتورهای پاشش مستقیم به مقدار قابل توجهای پایین خواهد آمد. همچنین میتوان از سوخت های جایگزین مانند هیدروژن استفاده کرد که مزیت های استفاده از آن در منابع بررسی شده است
تحقیقات توسط پندا و سی شالتس[5] نشان داد 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. حل عددی این موج تصادم2 نیازمند محاسبات پیچیده دینامیک سیالاتی دقیق و یک شبکه بندی بسیار خوب میباشد.
تحقیقات تجربی که توسط ریکو و اسپالدینگ [6] انجام شده نشانگر آن است که نرخ سیال کشیده شده توسط سیال پاشیده شده با فاصله از سوراخ نازل و دبی جرمی سیال پاشیده شده متناسب است. جریان جت پایا را میتوان به سه قسمت تقسیم کرد [7] در قسمت اولیه هستهی مرکزی پتانسیل جت، سرعت ثابت است و مقدار آن برابر مقدار اولیه است قسمت بعد ناحیه پایا و دیگری ناحیه گذرا یا گردابه است. هدف از ارائه این مقاله استفاده از یک مدل افشانه انبساطی برای شبیهسازی پاشش گازطبیعی و مقایسه خصوصیات مخلوط داخل سیلندر در شرایط مختلف پاشش است.
با شبیه سازیهای انجام گرفته دیده میشود که میتوان کارایی و بازده موتور را در نوع پاشش مستقیم بهبود داد و از این مدل برای ارتقای سطح عملکرد موتورهای پاشش در راهگاههای ورودی استفاده کرد. این افزایش کارایی موتور را بوضوح میتوان در نمودارهای مربوط به فشار و دمای حاصل از احتراق در این مقاله مشاهده کرد که روند فزایندهای نسبت به قبل داشتهاند. همچنین با حل عددی این مدل در سرعتهای مختلف موتور، سرعت موتور بهینه برای افزایش توانایی شعلهوری مخلوط برای سوخت چینهای استوکیومتریک و هوا بهدست آمده است. که به تبع آن بازده موتور در این سرعت بیشینه خواهد بود.
شبیهسازی احتراق غیر پیش آمیخته گاز متان با هوا و چگونگی پیشروی جبههی 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. 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 ANSYS FLUENT در قسمت Workbench مدل و در فلوئنت شبیهسازی میشود
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. ساختار و خصوصیات افشانهها به منظور کاربرد در طیف گستردهای از امور مورد مطالعه قرار گرفته است.
محققی به نام ترنر [9] ساختاری برای افشانه ارائه داده است، این ساختار شامل ناحیه کروی گردابه شکل میباشد که در تقابل ناحیه حالت پایدار است. گردابه با شعاع Rv از نازل دور میشود تا جایی که محو گردد. اندازه گردابه 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 گردابه در حالت پایدار در نظر گرفته میشود که این امر را براکو و کوو1 در تحقیقات خود نشان دادهاند
شکل :1 مدل جت گذرای آشفته ترنر
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 گردابه متناسب است با فاصله آن از نازل و مقدار آن در هر ناحیه شبیه به سرعت محوری جت در ناحیه حالت پایدار2 است که در ضریبی ثابت ضرب شده است. سرعت گردابه 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 .[12] این مقدار با افزایش عدد رینولدز بهعلت آشفتگی بیشتر جریان زیادتر می شود.
معادلات حاکم بر افشانه و احتراق گاز طبیعی
جت قسمت انبساط ساختار بسیار پیچیدهای دارد که شامل هم موج انبساطی و هم موج تراکمی است. موج تراکمی از مرز آزاد جت منعکس می شود و برگشت داده می شود و تبدیل به یک شوک و ضربه ی فشاری می شود که باعث شکلگیری یک ساختار بشکهای شکل خواهد شد که توسط یک شوک یا ضربهی عمودی خاتمه می یابد که به صفحه ی ماخ معروف است
صفحهی ماخ در صورتی که نسبت فشار خروجی نازل و داخل محفظه بالاتر از 2.1 باشد شکل میگیرد . اولت و هیل3 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. این رابطه در زیر آورده شده است که در آن K2تقریباً 0.28 میباشد.
در انواع جتهای توربولانسی که توسط یک نازل کروی ایجاد می شوند کل مومنتوم در سر گردباده4 را می توان به صورت کسری از کل مومنتوم سیال پاشیده شده بهدست آورد که در آن M نرخ مومنتوم در نازل وK1 ضریبی مناسب و و R و به ترتیب چگالی متوسط، شعاع و سرعت سرگردباده می باشند.
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 [9] برای تقریب زدن هندسه جت گاز استفاده کردند .[در مدل آنها جت بهطور ثابت توسط مومنتوم اوریفیس تغذیه میشود و مومنتوم در طول ناحیه شبه پایا و گردباده حرکت میکند.
