بخشی از مقاله
چکیده
سوخت پاک، ارزان و در دسترس گاز طبیعی در سالیان اخیر تولیدکنندگان در زمینه موتورهای احتراق داخلی را به توسعه و تولید موتورهای گازسوز خصوصا در زمینه کاربری سنگین و نیروگاهی واداشته است. در این مطالعه که برگرفته از طرح تبدیل موتور دیزل ملی د87 به گازسوز نیروگاهی میباشد، برای دستیابی به اهداف پروژه که در فاز اول دستیابی به بازده حرارتی %35 و در فاز نهایی دسترسی به بازده حرارتی %42 است استفاده از طرح سوخت آما در بالادست تنجار جهت اختلاط هوا و سوخت بر سایر طرحهای رایج ترجیح داده شد.
قابل ذکر است این مطالعه برگرفته از مرحله اول پروژه جهت دسترسی به حداقل بازده حرارتی %35 میباشد. لذا با انتخاب این طرح از آنجایی که در تمامی لحظات کارکردی موتور، بطور پیوسته مخلوط هوا و سوخت جایگزین هوا در راهگاه مکش شده است با مطالعه اولیه مشخص شد که زمانبندی دریچههای هوا و دود جهت دسترسی به بازده هدف در تبدیل طرح دیزل به گازسوز نقش تعیینکنندهای را ایفا میکند.
لذا پس از مشاهده عملکرد نامناسب زمانبدی دریچه موتور پایه دیزل، در مطالعهای عددی ثرات زمان باز و بسته شدن دریچههای هوا و دود بررسی شد که در نهایت مشخص گردید که بیشترین اثرات مربوط به همپوشانی دریچهها میباشد که در نهایت منجر به کاهش زمان همپوشانی از 110 درجه در دیزل به حدود 33 درجه در طرح گازسوز شد. در انتهای این مطالعه، مرحله اول پروژه در اتاق آزمون با دسترسی به بازده حرارتی ترمزی %38 انجام شد که مقایسه آن با الگوی پیشگویی یکبعدی نهایی در انتهای گزارش اعلام شده است.
مقدمه
افزایش روزافزون تقاضا برای انرژی از یکسو و کاهش منابع سوختهای فسیلی که متعاقبا با افزایش قیمت سوخت همراه است موجب گردیده است تا تولیدکنندگان موتورهای احتراق داخلی در سراسر دنیا به فکر توسعه و تولید موتورهای گازسوز شوند. موتورهایی که با وجود پیچیدگی طراحیهای مکانیکی و کنترلی بیشتر نسبت به دیزل بدلیل امکان استفاده از سوختهای جایگزین میتواند گزینه مناسب برای کشورهایی با ذخایر گازی فراوان از جمله کشور پهناور ایران باشد.
لذا شرکت دسا به عنوان تنها شرکت تولیدکننده در محدوده توانی بالا و کاربری سنگین در کشور بر آن شد تا زمینه توسعه این گونه احتراقی را در طرح تبدیل موتور ملی دیزل به گازسوز د87 پیاده نماید. هدف نهایی پروژه دستیابی به توانی در محدوده 800 کیلووات و بازده گرمایی %42 میباشد که جهت تعیین خط مسیر و بخشبندی آن در ابتدا مطالعه خطوط فنی بکار گرفته شده توسط تولیدکنندگان جهانی پیشرو در این زمینه انجام شد.
شرکت GE در توسعه محصولات موتور Jenbacher بر توسعه سیکلهای میلر و اتکینسون همراه با افزایش بازده پرخورانی جهت ارتقا بازده موتورهای گازسوز تاکید ویزهای داشته است .[1] همچنین شرکت MWM که برای توسعه سه نسل از موتورهای گازسوز خود از روش سوخت آما استفاده میکند برای توسعه محصول خود به بازدهای بالاتر لزوم طراحی راهگاه، استفاده از سیکل میلرو استفاده از شمعهای مخصوص را در دستور کار قرار داد .[2]
شرکت هیواندایی در توسعه اولین محصول موتور گازسوز خود موتور Himsen H17/24G را با استفاده از فناوری سوخت آما در اتاق آزمون شرکت AVL توسعه داد .[3] از مهمترین تغییرات این محصول میتوان به حداقل کردن مقدار همپوشانی دریچه ها و اصلاح سنبه همراه با کم کردن طول لقی - 3,5 میلیمتر - در حجم مرده محفظه احتراق جهت دستیابی به بازده %42 اشاره کرد.[3] شرکت هیواندایی برای توسعه موتورهای سایز بزرگ نسلH35/40G از حالت دیزل به گازسوز از سیستم پاشش مجزا برای هر استوانه استفاده کرد.
در این طرح قطر استوانه نسبت به دیزل %10 افزایش داده شد و با اعمال چرخه میلر با فشار تقویتی پرخوران بالا و همچنین بهینهسازی پورت ورود هوا جهت بالا بردن چرخش جریان، دسترسی به توان 480 کیلووات بهازای هر استوانه با بازده حرارتی %47 محقق شد .[4] ریک بوم از شرکت Woodward در کار خود سیستم SOGAV1 را مناسبترین سیستم برای موتورهای بزرگ جهت تامین دبی بالای سوخت در مدت زمان کم مکش هوا معرفی کرد .[5] در این سیستم از پاشش مجزا گاز برای هر استوانه استفاده میشود.
همچنین آرتو [6]در کار خود عنوان داشته که وارتسیلا برای توسعه محصول سایز بزرگ خود از سیستم پاشش مجزا استفاده میکند که تاکید بر زمان پاشش گاز بعد از بسته شدن دریچه دود دارد. همچنین با بررسی موتورهای موجود در بازار همانند آنچه در جدول 1 نشان داده شده است تمامی موتورهای روز همرده با موتور د87 از سیستم سوخت آما برای تزریق گاز به هوا استفاده کردهاند که قابلیت ارائه بازده گرمایی در محدوده %42 را دارا میباشند.
حال با جمعبندی مطالعه انجام شده مشخص گردیدکه استفاده از سامانه سوخت آما جهت افزودن سوخت گازی منطقیترین راه چه از لحاظ زمان و بودجه طرح و چه از لحاظ هدف نهایی پروژه میباشد، در حالیکه موتورهای سایزبزرگ که اینرسی جرمی بالایی دارند نیاز به سیستم سوخت و کنترلری با پاسخدهی سریعتر همچون پاشش گاز مجزا در هر استوانه را دارند تا دبی بالای درخواستی موتور را فراهم کند. علاوه بر این، مطالعات نشان داد که جهت نیل به هدف نهایی پروژه - بازده - %42 تغییر زمانبندی دریچهها به چرخه میلر2 و اتکینسون3، تغییر شکل کاسه سنبه - طراحی مجدد قالب - و تغییر و استفاده از پرخوران های فشار بالا امری ضروری محسوب میگردد.
حال براساس این مطالعات انجام گرفته، پروژه با رویکرد دو مرحلهای شروع شد که در مرحله اول دسترسی به بازده %35 و در مرحله دوم دسترسی به بازده %42 به عنوان اهداف پروژه تعریف شدند که با این رویکرد با توجه به اینکه این مطالعه برگرفته از انجام مرحله اول این پروژه میباشد تغییر زمانبندی و بهینهسازی دریچهها به عنوان راهکار اولیه و اصلی معرفی شد و بهینهسازی سنبه و تغییر پرخوران در این مرحله مورد بررسی قرار نگرفت.
امکانسنجی اولیه موتور گازسوز با زمانبندی دریچه دیزل
با توجه به مطالعه صورت گرفته در ابتدا امکانسجی و ارزش آفرینی اولیه از تغییر زمانبندی دریچههای دیزل انجام پذیرفت. با توجه به اینکه در عملکرد موتورهای روز استفاده از پرخوران جهت افزایش بازده حجمی امری ضروری میباشد لذا تاثیرات مشخصههای جریانی هوا و دود و احتراق دو برهمکنش متقابل میباشند که این امر ارزش و لازمه تحلیلهای یکبعدی را دوچندان میکند.
در این مطالعه با استفاده از نرم افزار تجاری GT-Power مدل یکبعدی موتور گازسوز شبیهسازی شده است که گستره وسیعی از زمانبندی دریچهها مورد بررسی و تحلیل قرار گرفتهاند. مطابق با جدول 2 مشخصات موتور گازسوز د87 ارائه شده است که با توجه به تقارن مسئله جهت کاهش زمان تحلیل، نصف موتور یعنی 6 استوانه از مجموعه همانند شکل 1 شبیهسازی شده است.
در ابتدا نتایج حاصله از شبیهسازی موتور گازسوز با زمانبندی دریچه دیزلِ - - DT4 ارائه میگردد. در جدول 3 زمانبندی دریچههای هوا و دود برای موتور دیزل ملی د87 ارائه شده است. نتایج شبیهسازی یرای دو نقطه توانی مختلف مطابق با آنچه که در جدول 4 بیان شده است نشاندهنده بازده حرارتی پایین موتور در حالت کاربری با زمانبندی دیزل میباشد.
با توجه به اینکه فشار تقویت تنجار بالاتر از فشار مسیر تخلیه میباشد که این شرایط از لحاظ ایجاد کار خالص مثبت شرایطی مطلوب میباشد، این امر موجب میگردد که بخش قابل توجهی از مخلوط هوا و گاز - حدود - %20 که قابلیت سوختن دارد بدلیل همپوشانی زیاد دریچههای موتور دیزل، به سمت مسیر دود رفته و بصورت نسوخته هدر رود.
این اتفاق نه تنها موجب کاهش بازده حرارتی موتور میشود بلکه باعث ورود بخش قابل توجهی آلاینده هیدروکربن نسوخته و سوخت متان به محیط زیست میگردد. علاوه بر این سوخت متان بدلیل قابلیت شعلهوری بالای آن میتواند خطرات انفجاری را با خود داشته باشد که باعث ایجاد صدمات جبرانناپذیر به مجموعه موتور و محیط کاربری خواهد شد. لذا با این نتیجه، تغییر زمابندی دریچهها برای تبدیل موتور دیزلی به موتوهای گازسوز پیشآمیخته امری ضروری میباشد.
