بخشی از مقاله
چکیده
برای درک فرایند احتراق و مشاهدهی تأثیر انواع سوختها بر متغیرهای مختلف عملکرد موتور میبایست آزمونهایی را بر روی موتور انجام داد. برای غلبه بر مشکلات انجام ازمایشات تجربی میتوان از مدلسازی و الگوهای ترمودینامیکی استفاده کرد.
دادههای استخراجشده از طریق محاسبات را با دادههای آزمون موتور مقایسه کرده و پس از تأیید دادههای محاسباتی توسط دادههای تجربی میتوان دادههای استخراجی از مدل را به تعداد نامحدودی از شرایط عملکردی تعمیم داد. این مدل ها در دو گروه اصلی ترمودینامیکی و ابعادی گنجاندهشدهاند. در ادامه مروری بر مدل های ترمودینامیکی تک ناحیهای و چند ناحیهای و قیاسی بین ان ها خواهیم داشت.
.1 مقدمه
انرژی به عنوان توانایی انجام کار تعریف میشود. منابع انرژی به گروههای فسیلی، تجدید پذیر و هستهای طبقهبندی میشوند . در بین این منابع، سوخت فسیلی بزرگترین تأمینکنندهی انرژی جهان و به خصوص از مهمترین منابع تولید انرژی در موتورها و ماشینهای حرارتی میباشند
موتورهای احتراقی، به عنوان بخشی اساسی در تأمین نیروی محرکهی خودروهای جادهای و غیر جادهای، صنعت و کشاورزی و همچنین به عنوان یکی از اصلیترین مصرفکنندههای سوختهای سنگواره ای به حساب میآیند
موتورهای دیزل بر مبنای نسبت فشار بالا طراحیشدهاند که در نتیجهی فشار بالا، درجه حرارت هوای فشرده شده ی داخل محفظهی احتراق بالا می رود. سوخت در موتورهای دیزل میبایست مراحل پاشش، اتمیزه شدن، توزیع ذرات، نفوذ حرارت، جذب ذرات تبخیر و اختلاط با هوا را طی کند تا اشتعال آغاز شود؟
در موتورهای بنزینی معمولی سوخت و هوا در کاربراتور با نسبتهای معین ترکیبشده و از طریق مانی فولد هوا و به وسیلهی سوپاپ هوا وارد محفظهی احتراق میشوند و در چند درجه قبل از نقطهی مرگ بالا به وسیله جرقهی ایجادشده توسط شمع، مخلوط بنزین و هوا محترق میشوند.
موتورهای دیزل نسبت به موتورهای بنزینی دارای دوام بیشتر، عدم نیاز به سیستم جرقه زنی، قابلیت استفاده از سایر سوختها و بازدهی گرمایی بالاتر است .[22] از دیگر جنبههای مثبت موتور دیزل میتوان به قابلیت اطمینان بالا، طول عمر قابلتوجه، مقرون به صرفه بودن و آلودگی کمتر نسبت به موتورهای بنزینی مشابه اشاره کرد
برای درک فرایند احتراق و مشاهدهی تأثیر انواع سوختها بر متغیرهای مختلف عملکرد موتور میبایست آزمونهایی را بر روی موتور انجام داد. از آن جا که چنین آزمایشهایی بسیار پر هزینه و وقتگیر است، برای غلبه بر مشکلات انجام ازمایشات تجربی روی موتور میتوان از مدلسازی و الگوهای ترمودینامیکی استفاده کرد. در هر صورت برای تأیید مدلهای ترمودینامیکی میبایست، دادههای استخراجشده از طریق محاسبات را با دادههای آزمون موتور مقایسه کرد و پس از تأیید دادههای محاسباتی توسط دادههای تجربی که برای تعداد معدودی از شرایط عملکرد یا نمونههای سوخت انجام گرفته است، میتوان دادههای استخراجی از مدل را به تعداد نامحدودی از شرایط عملکردی یا تعداد نامحدودی از نمونههای سوخت تعمیم داد؟ مدل های مورد استفاده در موتورهای احتراق داخلی به دو گروه مدل های ترمودینامیکی و مدل های ابعادی تقسیمبندی میشود. مدل های ترمودینامیکی خود به دو زیرگروه تک ناحیهای و چند ناحیهای و مدل های ابعادی خود به دو دستهی یک بعدی و چندبعدی تبدیل میشوند.
.2 انواع مدل ها و الگوهای مورد استفاده
.2.1 مدلهای ابعادی
ازان جایی که مقالهی حاضر در مورد مدل های ترمودینامیکی بحث میکند، در مورد مدل های ابعادی - یک بعدی و چندبعدی - فقط به معرفی ان ها اکتفا خواهیم نمود. مدل های یک بعدی قبل از مدل های چندبعدی به وجود آمدهاند و در ان ها انتشار شعله به صورت استوانهای یا مسطح در نظر گرفته میشوند. در مدل های انتشار شعلهی استوانهای، فاصلهی بین پیستون و سر سیلندر میبایست بیش از قطر سیلندر باشد که خود در موتورهای رفت و برگشتیکاملاً غیر واقعی مینمایید. این مدل ها گرچه پیشگویی دقیقی از مراحل ابتدایی احتراق نمی هند، اما قادرند رفتار احتراق پس از رسیدن شعله به پیستون را با دقت نسبتاً خوبی شبیهسازی نمایند.
مدل های چندبعدی بر مبنای حل معادلات زمانی و سه بعدی بقا جرم، مومنتم، انرژی و همچنین معادلات سه بعدی و زمانی برای اجزا تشکیلدهنده بناشدهاند. ازان جایی که حل همهی پارامترهای جریان توسط کامپیوتر های فعلی و آتی میسر نیست، این مدل ها نیازمند تجزیه متغیرهای متوسط و نوسانی جریان میباشند که این تجزیه در معادلات حاکم میبایست جایگذاری شود ولی درعینحال، حل معادلات زمان کامپیوتری بسیار زیادی را میطلبد که در نتیجه این مدل ها را تنها برای شبیهسازی پدیدههای خاصی همچون فرایند دینامیک جریان در داخل محفظهی احتراق و یا عبور سیال از سوپاپها مفید جلوه میدهد.
2.2 مدل های ترمودینامیکی
مدل ها و الگوهای ترمودینامیکی با استفاده از قوانین ترمودینامیکی و روابط دینامیکی حاکم بر موتور و همچنین یک زبان برنامهنویسی تهیه میشوند. مدل های ترمودینامیکی خود به دو گروه تک ناحیهای و چند ناحیهای تبدیل میشوند.
.2.2.1 مدل های ترمودینامیکی تک ناحیهای
با توجه به حجم کم محاسباتی، این مدلسازی هنوز هم به عنوان یک ابزار مناسب در تحقیقات احتراق مورد استفاده قرار میگیرد؛ به ویژه زمانی که راندمان کلی موتورها از درجه اهمیت بالایی برخوردار است. ضعف عمده تکنیک مدلسازی صفر بعدی فرضیه چشمپوشی از غیریکنواختی خواص فیزیکی محتویات سیلندر موجود در یک موتور واقعی در طی فرآیند احتراق میباشد. برای استفاده از این نوع مدل ترمودینامیکی فرض بر آن است که فشار، دما و ترکیبات محفظهی سیلندر به صورت همگن میباشد.
یک مدل تک منطقهای از احتراق موتور دیزل از بیودیزل های حاصل از روغن پسماند مواد غذایی ارائه شد که از این مدل برای پیشبینی فشار درون سیلندر، احتراق و ویژگیهای عملکرد موتور با سوختهای دیزل و بیودیزل استفاده شد. در این مدل تک منطقهای از تابع سهگانه وایب - Wiebe - استفاده شد که شبیهسازی انتشار حرارت را از زمان باز شدن سوپاپ هوا تا بسته شدن سوپاپ دود را به عهده داشت. در این مدل از تابع وشنی برای محاسبه میزان انتقال حرارت استفاده شد.
همچنین از تابع سهگانه وایب برای محاسبهی میزان نرخ آزادسازی گرما استفاده گردید .نتایج حاصل از آزمون تجربی بر روی موتور چهار زمانهی تک سیلندر با سوخت دیزل و بیودیزل با نتایج حاصل از مدل مورد ارزیابی قرار گرفت. این مدل شامل Submodels های بود که قادر به شبیهسازی تمام مراحل احتراق شامل مراحل مکش و تخلیه، تأخیر احتراق، سوخت سوخته شده در طول سیکل و تلفات حرارتی از طریق دیوارهی سیلندر بود
پایری و همکاران به منظور برآورد میزان انتقال حرارت به دیوارههای محفظهی سیلندر، تزریق سوخت و تغییر شکل موتور، همراه با تغییر آنی در خواص گاز، یک مدل ترمودینامیکی صفر بعدی برای موتور دیزل پاشش مستقیم ارائه دادند. همچنین از این مدل برای برآورد برخی از پارامترهای مکانیک و انتقال حرارت نیز استفاده شد. اعتبار این مدل با استفاده از ازمایشات تجربی بر روی یک موتور دیزل چهار سیلندر DI تأیید شد ونشان داد که مدل ارائهشده توانایی خوبی برای پیشبینیهای دقیق از عملکرد موتور و حالت گاز در چرخهی بسته دارد. در این مدل نیز از تابع وایب دوگانه و وشنی نیز برای محاسبهی نرخ آزادسازی حرارت و میزان انتقال حرارت استفاده شد
یک مدل صفر بعدی به منظور بررسی عملکرد احتراق موتور دیزل تک سیلندر پاشش مستقیم با سوختهای زیستی ارائه دادند. این مدل پیشبینی عملکرد موتور با سوختهای زیستی در سرعت ثابت را با موفقیت انجام میدهد. نتایج این مدل نشان داد که در صورت ترکیب سوخت بیودیزل با سوخت دیزل عملکرد موتور بهبود مییابد
یک مدلسازی ترمودینامیکی برای موتورهای پاشش مستقیم با سوخت متانول در سال 755{ توسط شن ارائه شد. برای حل این مدل از یک تابع انتشار گرما و یک عامل راندمان تجربی استفاده شد.
فشار حاصل از مدل ترمودینامیکی با دادههای اندازهگیری شده آزمایشگاهی از یک موتور احتراقی مورد مقایسه قرار گرفت. نتایج حاکی از آن است که مدل قادر به توصیف کیفی و کمی فشار سیلندر در هر زاویهی میللنگ است. همچنین مدل قادر به استخراج پارامترهای غیر بعدی از عملیات موتور از جمله زاویهی میللنگ در حداکثر فشار و نسبت افزایش فشار است و مدل نیز میتواند فشار در مقابل زاویهی میللنگ برای بعد از احتراق را توصیف کند
در تحقیق دیگری یک مدل کامپیوتری برای پیشبینی انتشار خأآ ناشی از احتراق بیودیزل تدوین شد. نتایج این تحقیق نشان داد که جلو کشیدن زمان پاشش انتشار خأآ را افزایش و عقب کشیدن زمان پاشش انتشار خأآ را کاهش میدهد. همچنین عوامل دیگری مانند سرد کردن هوای ورودی و برگشت گازهای خروجی اگزوز نیز میزان انتشار خأآ را کاهش میدهند.
