بخشی از مقاله
*** این فایل شامل تعدادی فرمول می باشد و در سایت قابل نمایش نیست ***
مقایسه ترمودینامیکی چرخه های چهار زمانه انبساط کامل اتکینسون و اتو
خلاصه
با توجه به این که وظیفه موتور تولید توان و قدرت است و به دلیل کمبود سوخت های فسیلی و بحث آلاینده ها بیشترین توجهات به بررسی ملاک های طراحی ،نظیر توان ماکزیمم و بازده حرارتی ماکزیمم است که از نظر فنی واقتصادی قابل قبول باشد.در بسیاری از موارد تقویت اصولی و حرفه ای موتور به بهبود مصرف سوخت، افزایش راندمان موتور و همچنین کاهش استهلاک و آلودگی موتور می انجامد. تقویت موتور از طریق تغییر راندمان ترمودینامیکی ،گذشته ازافزایش نیروی تولیدی موتور باعث کاهش مصرف سوخت می شود. با تقویت موتور درحقیقت از منابع موجود به صورت بهینه، بهره برداری می شود. در طراحی موتور احتراق داخلی بیشترین تحقیقات بر استفاده از مدل های چرخه استاندارد هوا با آنالیزهای عملکردی ترمودینامیک است.. چرخه اتکینسون نیز یک چرخه چهار زمانه است که شامل فرآیندهای مکش ، تراکم ،احتراق سو خت ، انبساط کامل و تخلیه است.در چرخه چهار زمانه اتو فشار گازهای حاصل از احتراق در انتهای مرحله انبساط و ابتدای باز شدن سوپاپ خروجی حدود 3تا5 اتمسفر است . که یک پتانسیل برای انجام دادن کار اضافی در موتور است حال اگر بتوان با مکانیزمی به پیستون اجازه داده شود تا انتهای انبساط کامل گاز به سمت پایین حرکت داده شود باعث افزایش راندمان حرارتی موتور می شود. یکی از راه های تشخیص میزان کیفیت و بهینه بودن طرح ها، مقایسه کردن عمل کردآن ها از نقطه نظرهای متفاوت است.که در این تحقیق چرخه های چهار زمانه انبساط کامل اتکینسون و اتو با هم مقایسه شده که در شرایط برابر راندمان چرخه اتکینسون بیشتر از چرخه اتو است.در چرخه اتکینسون نسبت انبساط ،بزرگتر از نسبت تراکم می باشد و موتور به بازده حرارتی بزرگتری در مقایسه می رسد که این امرموجب بهبود مصرف سوخت در چرخه انبساط کامل اتکینسون می شود.
کلمات کلیدی: چرخه انبساط کامل اتکینسون، چهار زمانه ، اتو ، موتور احتراق داخلی
مقدمه
چرخه اتکینسون توسط جیمز اتکینسون درسال 1882 اختراع گردید . [1] چرخه اتکینسون نیز یک چرخه چهار زمانه است که شامل فرآیندهای مکش ، تراکم ،احتراق سوخت ، انبساط کامل و تخلیه است. 2 ]و [ 3 تفاوت اساسی چرخه اتکینسون با چرخه های چهارزمانه دیگر در مرحله انبساط می باشد زیرا این چرخه دارای انبساط کامل تری بوده و کورس انبساط آن بیشتر از کورس تراکم است که این عامل باعث محدودیت هایی در طراحی و ساخت موتور آن بوجود آورده است. اگر بتوان موتوری طراحی کرد که از لحاظ قیمت تمام شده و از لحاظ تکنولوژی ساخت با موتورهای معمولی برابری کند بسیار مفید خواهد بود.زیرا موتور به بازده حرارتی بزرگتری درمقایسه با موتورهای پیستونی متداول می رسد که موجب بهبود مصرف سوخت ، کاهش آلاینده ها و افزایش قدرت خروجی می شود. که در اتومبیل های مدرنی نظیر تویوتا پریوس وفورد اسکیپ الکتریکی، هیبریدی ازچرخه اتکینسون استفاده شده است .[4]درسالهای اخیر مطالعات بر چرخه موتور حرارتی اتکینسون براساس برگشت پذیری ، برگشت پذیری داخلی و برگشت ناپذیری ها بااستفاده از مدل های مختلف به صورت تابعی از کارخروجی ، توان خروجی، بازده حرارتی آورده شده است و مشخص می کند که توان خروجی مستقل از تلفات حرارتی است درحالی که به وضوح بازده حرارتی وابسته به تلفات حرارتی می باشد و افزایش تلفات حرارتی همیشه موجب کاهش بازده می گردد. فرآیندهای آدیاباتیک برگشت ناپذیر همیشه موجب کاهش توان و بازده حرارتی می شود.[5] درتحقیقی کارسیال در یک چرخه برگشت ناپذیر داخلی استاندارد هوای دوگانه تحلیل شده و تاثیر برخی ازعوامل بازگشت ناپذیری رابر روی کارسیال مورد ارزیابی قرار گرفت. [6] درمطالعه ای دیگر بناجیس و همکارانش چرخه اتکینسون و موتور دیزلHD مجهز بهEGRرا با هم مقایسه کردند که باتوجه به انتشار گازهای خروجی از موتورها به این نتیجه رسیدند که ، اکسیدهای نیتروژن در چرخه اتکینسون نسبت به موتور دیزل کمتر است. [ 7 ]درکاری دیگر که توسط ژائو و چن انجام شد به بررسی و بهینه سازی بعضی ازپارامترهای مهم ازقبیل قدرت خروجی، راندمان حرارتی، نسبت فشار پرداخته است [8] درمطالعه ای دیگر به بررسی تاثیر انتقال حرارت برراندمان اتکینسون پرداخته که نتایج حاصل ازاین بررسی نشان می دهد که توان خروجی ونیزراندمان حرارتی ، که حداکثر قدرت خروجی درآن رخ می دهد، با افزایش حداکثر ظرفیت احتراق وبا کاهش دادن ضریب اصطکاک ،درجه حرارت افزایش یافته ودرنتیجه راندمان خروجی موتور نیز افزایش می یابد [9] درتحلیلی دیگر سوادکوهی وهمکارانش به بررسی ومقایسه ترمودینامیکی چرخه های اتکینسون واتو با بهره گیری ازمعیار دانسیته توان در راندمان حرارتی موتورهای احتراق داخلی پرداختند.[10]سارخی و اکاش به بررسی بازده حرارتی ازموتوراتکینسون درحداکثر دانسیته توان بااستفاده از دمای وابسته به گرمای ویژه می پردازد [11]. یانلین و چن به بررسی وطراحی وتجزیه وتحلیل ترمودینامیکی برگشت ناپذیر اتکینسون درزمان محدود پرداختند.[12] ودر این تحقیق به بررسی ترمودینامیکی و مقایسه چرخه های استاندارد اتکینسون و اتو در شرایط ورودی یکسان می پردازیم.
مکانیزم عملکرد موتورهای احتراق داخلی چهار زمانه :
چرخه موتورهای احتراق داخلی چهار زمانه از پنج فرآیند اصلی " مکش – تراکم – احتراق-انبساط – تخلیه " در چهار مرحله و 720 درجه از گردش میل لنگ تشکیل شده است.فرآیند مکش:در این فرآیند پیستون به سرعت از نقطه مرگ بالا به طرف نقطه مرگ پایین حرکت می کند،در این حالت سوپاپ ورودی باز شده و سوپاپ خروجی بسته است.در چرخه واقعی اتو به علت حرکت سریع پیستون،در فضای بالای آن خلا نسبی ایجاد شده و هوای محیط به درون موتور کشیده می شود.فشار سیلندر در زمان مکش حدود 0.7 آتمسفر ودما 100 درجه سانتیگراد که در نتیجه دودهای باقی مانده مرحله تخلیه می باشد.فرآیند تراکم:در این فرآیند پیستون از نقطه مرگ پایین به طرف نقطه مرگ بالا حرکت می کند. هر دو سوپاپ ها بسته هستند و مخلوط سوخت و هوا تحت فشار وتراکم قرار می گیرد.فشار هوای تحت تراکم بین 8 تا 16 آتمسفر و دمای آن بین 300 تا 400 درجه سانتیگراد می باشد.فرآیند احتراق: این فرآیند در انتهای تراکم وکمی قبل از نقطه مرگ بالا شمع جرقه می زند. هر دو سوپاپ ها بسته هستند و مخلوط سوخت وهوا شروع به سوختن می کند واحتراق شروع می شود تکمیل احتراق و افزایش فشار احتراق موقع پایین آمدن پیستون انجام می شود. فشار احتراق بین 30 تا 40 آتمسفر است و دمای احتراق در لحظه احتراق کامل حدود2000 درجه سانتیگراد می باشد.فرآیندانبساط :این فرآیند پس از احتراق سوخت رخ می دهدو پیستون با قدرت زیاد از نقطه مرگ بالا به طرف نقطه مرگ پایین حرکت می کند. هر دو سوپاپ ها بسته هستند وتا کمی قبل از نقطه مرگ پایین ادامه می یابد.فرآیند تخلیه:کمی قبل از رسیدن پیستون به نقطه مرگ پایین در فرآیند انبساط،سوپاپ خروجی باز می شود.محصولات حاصل از احتراق با فشار 1.5آتمسفر و دمای 900 درجه سانتیگراد با سرعت 800 متر بر ثانیه موتور را ترک می کند. که این یکی از مهمترین معایب این موتورها می باشد چون قسمتی از حرارت که در اثر احتراق سوخت ایجاد می شود بدون اینکه کار مفیدی انجام دهد در فرآیند تخلیه از موتور خارج می شود. علاوه بر آن به یک سیستم خنک کاری نیز نیازمند می باشد که باعث می شود قسمتی از کار خروجی موتور صرف چرخاندن واترپمپ شود.
شکل شماتیک فرآیندهای ترمودینامیکی ، نمودار فشار-حجم در چرخه اتو در زیر آمده است
شکل-1 فرآیندهای موتور احتراق داخلی چهار زمانه موتورهای احتراق داخلی چهار زمانه اتو، تنها در مرحله احتراق ،کار انجام می دهند. به این صورت که انبساط گاز در مرحله احتراق رخ داده و مستقیما
روی پیستون اثر گذاشته و میل لنگ را 180 درجه می چرخاند. شکل((2نمودار وضعیت سوپ ها نسبت به وضعیت میل لنگ را نمایش می دهد
شکل-2نمودار وضعیت سوپ ها نسبت به وضعیت میل لنگ
مقایسه ترمودینامیکی عملکرد چرخه های اتو واتکینسون:
مقادیر داده شده مربوط به موتور تک سیلندر چهارزمانه می باشد.
حجم جابجایی پیستون Vs = 124 cm3
قطر سیلندر D= 5.65 cm
کورس پیستون S=4.95cm
نسبت تراکم Rc =9:1
حجم محفظه احتراق Vc = 15.5cm3
البته بعضی از شرایط ترمودینامیکی مانند : P1 =1atm
فشار هوای ورودی به سیلندر
دمای هوای ورودی به سیلندر T1 =333K
حرارت داده شده در مرحله احتراق qin = 1200 kj/kg
گرمای ویژه در حجم ثابت Cv =0.71 kj/kg.K
گرمای ویژه در فشار ثابت Cp = 1.005 kj/kg.K
نسبت گرماهای ویژه K = 1 .4
به صورت فرضی برای چرخه های اتو واتکینسون قرار داده شده است . حال به تحلیل فرآیندهای چرخه اتو و اتکینسون می پردازیم.
فرآیند :1-2 فرآیند تراکم آدیاباتیک برگشت پذیر چرخه اتو:
با توجه به روابط آیزنتروپیک داریم که
فرآیند : 2-3 فرآیند احتراق در حجم ثابت با استفاده از روابط گاز ایده آل برای فرآیند حجم ثابت داریم
فرآیند :3-4 فرآیند انبساط آدیاباتیک برگشت پذیر
فرآیند :4-1فرآیند انتقال حرارت در حجم ثابت
