تحقیقات موتور
سال:1394 | دوره:11 | شماره:39 |تعداد مقالات:6

ویژگی اصلی موتورهای اشتعال تراکمی (HCCI) کاهش شدید آلاینده NOx و PM همزمان با افزایش بازده و کاهش مصرف سوخت است. با این وجود به علت بازه کاری محدود و نبود راه های معین برای پایش زمان شروع احتراق کاربردهای این موتورها محدود مانده است. در این مطالعه از موتوری تک استوانه دیزلی با نسبت تراکم 19.3 برای احتراق در حالت HCCI استفاده شده است. بازه کاری در این مطالعه براساس l و EGR تعریف شده است. در موتوری HCCI برای مقادیر ثابت نسبت تراکم، دور موتور، دما و فشار دمای هوای ورودی می توان با تغییر مقدار l و EGR به مقدار توان مورد نیاز دست یافت. کلیه آزمون ها در دمای هوای ورودی 75 درجه سانتیگراد و فشار ورودی 137 کیلوپاسکال و دور 1600 rpm انجام گرفته است. مقدار گازهای EGR هم در آزمون ها از صفر تا 41 درصد متغیر بوده است. در آزمون ها در هر EGR ثابت مقدار l از حالت کوبش تا حالت بدسوزی جاروب شده است. نتایج نشان داد با استفاده از EGR می توان بازه کاری موتور HCCI را تا بارهای متوسط (imep=5.4 bar) افزایش داد. در یک مقدار EGR ثابت با افزایش مقدار l مقادیر HC و CO افزایش یافت. روند کلی کاهش HC و CO با افزایش EGR به علت ماهیت مخلوط است که با افزایش EGR به سمت مقدار درست (stoichiometric) می رود. ولی EGR به خودی خود باعث افزایش این آلاینده ها می گردد.

استفاده از سوخت های ترکیبی از موضوعات مهم در صنعت خودرو است که چند سال اخیر مورد توجه زیاد پژوهشگران این حوزه قرار گرفته است. استفاده از قابلیت های بالقوه هر یک از سوخت های پایه در یک سوخت ترکیبی موجب هم افزایی و بهبود عملکرد احتراق موتور خواهد شد. در این تحقیق، سرعت شعله آرام (به عنوان یک خاصیت ذاتی مخلوط اشتعال پذیر) سوخت متان (سوخت پایه گاز طبیعی) و ایزواکتان (سوخت پایه بنزین) و ترکیب آنها، بررسی شد. با استفاده از روش فشار جزئی در تعیین غنای مخلوط، ایزواکتان و متان (با کسر های مولی %70 و %95 در سوخت ترکیبی) به محفظه حجم ثابت در دما های 368، 408 و 448 کلوین و فشار 1، 2.5 و 5.5 بار تزریق شدند و بعد از ورود هوا و ایجاد جرقه در مرکز محفظه، از مراحل انتشار شعله کروی به روش نوری شلیرین عکسبرداری شد. سپس با پردازش تصاویر، سرعت شعله آرام و طول مارک اشتاین استخراج شد. برای شبیه سازی عددی سرعت شعله آرام، از الگوی شعله تخت یک بعدی پیش مخلوط در نرم افزار کمکین و با سازوکار سینتیکی توسعه داده شده برای مخلوط متان و ایزواکتان استفاده شد و با نتایج آزمون های تجربی مقایسه شدند. بعد از شبیه سازی عددی معادله همبسته (نیمه تجربی) برای محاسبه سرعت شعله سوخت ترکیبی که تابعی از دما، فشار، غنا و نسبت جرمی متان در سوخت ترکیبی باشد ارائه شد. استفاده از این معادله، دقت بسیار خوبی در تخمین سرعت شعله آرام سوخت ترکیبی در دما و فشار و نسبت جرمی های مختلف دارد.

هدف مطالعه حاضر توسعه یک الگوی چند منطقه ای برای شبیه سازی عملکرد موتورهای دیزل پاشش مستقیم است. هندسه بندی مناطق الهام گرفته از شکل مخروطی فواره بوده است. برای محاسبه زاویه مخروطی فواره از معادله سایبرز استفاده شده است. برای محاسبه طول منطقه مایع نیز از معادله هیگینز استفاده شده است. برای محاسبه مقدار جرم ورودی به داخل محفظه احتراق از فشار تجربی پشت افشانه استفاده شده است. مقدار جرم ورودی به هر منطقه از افشانه از معادله ارائه شده در مرکز تحقیقات موتور سندیا به دست آمده است. در این الگو از سازوکار سینتیک شیمیایی برای شبیه سازی عملکرد موتور دیزل استفاده شده است. بنابراین برای محاسبه نرخ نفوذ ذرات سوخت و هوا در داخل یکدیگر از قانون فیک بهره گرفته شده است. از زیر الگوهای کمکین برای شبیه سازی شیمی احتراق استفاده شده است. از سازوکار سینتیک شیمیایی ارائه شده در دانشگاه چالمرز برای شبیه سازی شیمی احتراق سوخت دیزل استفاده شده است. این سازوکار دارای 76 گونه و 327 واکنش است. و در آن از 6 واکنش برای شبیه سازی تولید دوده و از 14 واکنش برای شبیه سازی تولید اکسیدهای نیتروژن استفاده شده است. مقایسه نتایج حاصل از شبیه سازی با نتایج تجربی نشان می دهد که الگو دارای قابلیت مطلوبی در پیش بینی آلاینده ها و عملکرد موتور است. بیشینه خطای الگو در پیش بینی دوده %20 و در پیش بینی اکسیدهای نیتروژن %15 برآورده شده است.

موتورهای دیزل دریایی از خانواده موتورهای دیزل سنگین و دارای توان قوی هستند. استوانه این موتورها که غالبا از نوع بوش تر است، به وسیله سیال خنک کاری احاطه می شود و سیال خنک کاری نیز حرارت خود را به آب دریا می دهد. احتراق داخل استوانه و برهم کنش بین سیال خنک کاری و استوانه در بیرون، پدیده های فیزیکی و شیمیایی مختلفی در این استوانه ها بوجود می آورد. ایجاد و رشد ترک در استوانه موتورهای دیزل سنگین امری محتمل است و عوامل مختلفی مانند ازدیاد تنش حرارتی، پدیده حفره زایی و یا خوردگی دارد که منجر به باز کردن موتور و تعویض استوانه می شود. در این مقاله ایجاد و رشد ترک در استوانه یک موتور دیزل دریایی خورجینی شکل 12 استوانه بررسی می شود. نتایج نشان می دهند که افزایش دمای سیال خنک کاری موجب تسریع خستگی حرارتی استوانه و ایجاد ترک در آن شده است و عوامل خوردگی و پدیده حفره زایی، رشد ترک را تشدید کرده است.

یکی از موضوعات بسیار مهم که در بازده موتور تاثیر بسزایی دارد اصطکاک داخلی موتور است. در این مقاله نحوه اصطکاک مجموعه سمبه و استوانه موتور EF7 توسط نرم افزار AVL Excite شبیه سازی شده است. در نهایت نتایج حاصل از آزمون با نتایج حاصل از شبیه سازی برای اعتبارسنجی الگوی شبیه سازی شده، مقایسه شد. سپس مقدار اصطکاک موتور برای لقی های دیگر، توسط شبیه سازی ارائه شده به دست آمد. همچنین اصطکاک موتور در شرایط احتراق نیز به دست آمد و مقدار آن با حالت موتورگردانی مقایسه شد. نتایج شبیه سازی نشان داد که در حالت موتورگردانی با افزایش لقی سمبه و حلقه، مقدار اصطکاک در سرعت های کمتر از 3000 د.د.د. (دور در دقیقه) تغییر چندانی نمی کند. اما افزایش لقی از 30 به 80 میکرومتر در سرعت 6000 د.د.د.، سبب حدود %20 کاهش اصطکاک می شود. همچنین دیده شد که احتراق منجر به افزایش قابل ملاحظه ای در اصطکاک موتور می شود.

با توجه به اینکه موتورهای اشتعال جرقه ای سهم زیادی در تولید آلاینده ها دارند، شناخت مقدار آلایندگی موتور در حالتی که موتور در نسبت تراکم های بزرگ و شرایط مختلف با دو سوخت بنزین و گاز کار کند، می تواند برای مقایسه مقدار آلاینده های خروجی با استفاده از دو سوخت بنزین و گاز طبیعی و یافتن شرایطی با کمترین مقدار آلایندگی مورد استفاده قرار گیرد. در کار حاضر موتور در نسبت تراکم 9 و 10 که بترتیب برای حالت های بنزین سوز و گازسوز تنظیم و در سه سرعت موتور و چهار نسبت هم ارزی مبنای مختلف در حالت بار کامل داده های تجربی خروجی موتور استخراج شده در هر سرعت و هر نسبت هم ارزی پیش رسی جرقه در بازه غیر کوبش با گام 2 درجه میل لنگ تغییر داده شد و نتایج خروجی ذخیره گردید. داده های خروجی ثبت شده شامل آلاینده های HC، CO و نسبت هوا به سوخت نسبی (l) و همچنین دبی هوای ورودی و گشتاور خروجی بودند. نتایج نشان داد که، کاهش نسبت هم ارزی مبنا در هر دو حالت بنزین سوز و گازسوز مقدار HC و CO کاهش می یابد. در نسبت هم ارزی مبنای معین، مقادیر HC حالت بنزین سوز بیشتر از حالت گازسوز مشاهده شد و در مجموع افزایش بیش از سه برابر برآورد شد. تغییر سرعت موتور موجب تغییر مقدار HC شد در حالی که تاثیری روی مقدار CO خروجی ملاحظه نشد.