بخشی از مقاله
چکیده
در این پژوهش، یک موتور اشتعال تراکمی از نوع پاشش مستقیم سرعت بالا جهت بررسی تاثیرات فشار سامانه پاشش سوخت بر نحوه عملکرد و میزان آلاینده های تولیدی موتور مورد شبیه سازی و مطالعه قرار گرفته است. برای این منظور در مرحله اول، با مقایسه نتایج حاصل از شبیه سازی با نتایج تجربی موتور پایه، تطبیق مناسبی به لحاظ شرایط عملکردی موتور شامل فشار داخل استوانه و میزان آلاینده های اکسیدهای نیتروژن و دوده بدست آمده است.
در مرحله دوم، با اعمال تغییرات در قطر نازل سامانه پاشش سوخت، پارامترهای مختلفی نظیر تغییرات مصرف سوخت ویژه اندیکاتوری، فشار موثر متوسط اندیکاتوری و میزان آلاینده اکسیدهای نیتروژن و دوده مورد مقایسه و تحلیل قرار گرفته است. نتایج این تحقیق نشان می دهد، با ثابت بودن میزان سوخت پاشیده شده در هر چرخه، افزایش قطر نازل سبب کاهش فشار موثر متوسط اندیکاتوری و افزایش میزان مصرف سوخت ویژه اندیکاتوری می گردد با این حال میزان آلاینده اکسیدهای نیتروژن تا حد زیادی کاهش یافته و همچنین میزان آلاینده دوده با افزایش همراه است.
-1 مقدمه
موتورهای احتراق داخلی به عنوان یکی از مهمترین منابع تولید آلاینده های زیست محیطی مطرح هستند. به همین علت، در سالهای اخیر افزایش تولید و کاربرد موتورهای اشتعال تراکمی در صنعت حمل و نقل همواره با چالشی بزرگ و مهم به لحاظ مسائل مربوط به زیست محیطی همراه بوده است. در 20 سال گذشته تحقیقات و مطالعات فراوانی جهت توسعه تکنولوژی های پیشرفته برای برآوردن استاندارهای سختگیرانه زیست محیطی در تولید موتورهای اشتعال تراکمی صورت پذیرفته است.
همچنین بحث در خصوص استفاده از سوخت های نوین به عنوان جایگزینی برای سوخت های فسیلی به موازات این تحقیقات همواره مطرح و مورد توجه بوده است . - Richards and et al, 2001 - یکی از چالش های عمده و اساسی در موتورهای اشتعال تراکمی کاهش همزمان آلاینده های دوده و اکسیدهای نیتروژن می باشد از آنجا که این دو آلاینده عموما رفتاری متضاد با یکدیگر داشته به نحوی که کاهش هرکدام افزایش دیگری را به دنبال دارد . - Mobasheri and Peng, 2012 -
در سالهای اخیر راهکارهای مختلفی برای کاهش میزان آلاینده های تولیدی در موتورهای احتراق داخلی ارائه شده است نظیر اعمال تغییر در میزان باز خورانی گاز های خروجی، افزایش فشار پاشش سوخت، تغییر زاویه پاشش سوخت، تغییر هندسه محفظه احتراق و غیره. به طور کلی پارامترهای مرتبط با سامانه سوخت رسانی که در مقاله حاضر نیز مورد توجه و تحلیل قرار گرفته اند در موتورهای اشتعال تراکمی از اهمیت ویژه ای برخوردار بوده و تحقیقات مختلفی در زمینه بهبود شرایط عملکردی موتور با اعمال تغییر در پارامترهایی نظیر فشار پاشش و زمانبندی پاشش سوخت انجام شده است.
در تحقیقی - خباز و خوشبختی سرای، - 1389 تاثیر فشار پاشش سوخت را بر روی میزان آلایند های تولیدی در یک موتور اشتعال تراکمی پاشش مستقیم بررسی کرده اند. نتایج این تحقیق نشان می دهد که با افزایش مقدار فشار پاشش سوخت، اختلاط سوخت و هوا بهتر انجام گرفته و مقدار بیشینه فشار و دما در داخل استوانه افزایش پیدا می کند که این امر باعث افزایش مقدار اکسیدهای نیتروژن و کاهش آلاینده دوده تولیدی می گردد. از آنجا که توان تولیدی موتور با مساحت زیر نمودار فشار داخل استوانه رابطه مستقیمی دارا می باشد، لذا با افزایش فشار پاشش سوخت، مقدار توان موتور افزایش پیدا کرده است.
در پژوهشی دیگر - رستمی و همکاران، - 1392، اثر فشار پاشش سوخت و زمان پاشش سوخت را بر روی یک موتور اشتعال تراکمی بررسی کرده اند که نتایج این تحقیق نشان می دهد افزایش فشار پاشش سوخت باعث افزایش بیشینه فشار درون استوانه شده است. این امر باعث نفوذ بیشتر فواره سوخت به درون محفظه احتراق و اختلاط بهتر سوخت با هوای درون استوانه شده است. در فشار پاشش سوخت بالا مخلوط مناسبی برای اشتعال مهیا شده است که باعث افزایش بیشینه فشار درون استوانه و در نتیجه افزایش توان و گشتاور ترمزی موتور شده است.
در طرف مقابل، کاهش فشار پاشش سوخت، نفوذ فواره سوخت به هوای داخل استوانه را کاهش داده است و قطر متوسط ذرات سوخت را افزایش داده و درنتیجه سوخت دیرتر تبخیر شده و به خوبی با هوای درون استوانه مخلوط نشده است که باعث کاهش کیفیت مخلوط سوخت و هوا نسبت به حالت موتور پایه شده است و انرژی آزاد شده در اثر احتراق را کاهش داده است.
با توجه به مزایا و معایب اشاره شده در روش مورد استفاده در تحقیقات پیشین، افزایش فشار پاشش سوخت، هدف و انگیزه اصلی در تحقیق حاضر، بررسی و اعمال راهکار فوق الذکر جهت دستیابی به شرایط عملکردی بهتر موتور می باشد که برای این منظور یک موتور اشتعال تراکمی مدرن سرعت بالا برای انجام تحقیقات انتخاب و مورد شبیه سازی قرار گرفته است.
-2 شبیه سازی
برای بررسی عددی و شبیه سازی فرایند احتراق در این مطالعه ازنسخه سال 2013 نرم افزار دینامیک سیال محاسباتی فایر استفاده شده است . - Manual, 2013 - به دلیل مکان هندسی متقارن سامانه پاشش سوخت و قرارگیری آن در مرکز سراستوانه و همچنین به دلیل وجود 6 سوراخ در سامانه پاشش سوخت موتور مورد بررسی، محاسبات بر روی یک قطاع 60 درجه صورت گرفته است. شکل محفظه احتراق طراحی شده و شبکه های محاسباتی آن برای موقعیتی که پیستون در نقطه مرگ بالا قرار دارد در شکل 1 نشان داده شده است.
همان گونه که در شکل مشخص است سطح کاسه پیستون جهت انجام محاسبات انتقال حرارت دقیق تر با دو لایه یکنواخت و سراسری شبکه بندی شده است. جهت تمرکز شبیه سازی بر جریان سیال و فرآیند احتراق، از ورودی هوا و خروجی دود چشم پوشی شده است و لذا محاسبات از زمان بسته شدن سوپاپ های ورودی هوا - زاویه 271درجه میل لنگ - شروع و به هنگام بسته شدن سوپاپ های خروجی دود - زاویه 491 درجه میل لنگ - به پایان رسیده است.
در این مطالعه از الگوی جدایش سوخت - Manual, 2013 - WAVE جهت بررسی تاثیر پیکربندی های پاشش سوخت بر ساختمان افشانه موتور اشتعال تراکمی و تاثیرات آن بر گردافشانی اولیه و ثانویه ذرات سوخت افشانده استفاده شده است. رشد آشفتگی اولیه سطح سوخت افشانده شده، به طول موج و دیگر خصوصیات فیزیکی و دینامیکی آن وابسته است.
برای انجام این شبیه سازی، با استفاده از این الگوی جدایش سوخت، قطر ذرات سوخت هم اندازه با قطر سوراخ های سامانه پاشش سوخت در نظر گرفته شده است. همچنین جهت بررسی و مطالعه بر گردافشانی و افزایش دمای ذرات سوخت از الگوی گردافشانی Dukowicz استفاده شده است . - Manual, 2013 - طبق این الگوی گردافشانی، دمای ذره سوخت یکنواخت در نظر گرفته شده است. علاوه بر آن، آهنگ تغییر دمای ذرات سوخت با استفاده از تعادل گرمایی تعیین شده است بطوری که انتقال دما از گازهای اطراف به قطره سوخت باعث افزایش دمای آن شده و یا به فرآیند تبخیر آن کمک می کند.
تعیین مقدار متوسط نرخ واکنش های شیمیایی اشتعال، مسئله مهمی در شبیه سازی عددی فرآیندهای سینتیک شیمیایی است زیرا در این فرآیندها توابع غیر خطی بسیاری برای تعیین مقادیر محلی دما و تراکم گونه ها وجود دارد. در مطالعه حاضر از الگوی شعله پیوسته - CFM - استفاده شده است - . - Manual, 2013 این الگوی اشتعالی بر پایه نظریه ریز شعله استوار است و بیان می کند که شعله متلاطم متشکل از مجموعه ایی از ریز شعله های آرام می باشد.
