اثر تغييرات در شاخصههاي سامانه پاشش سوخت به منظور بهينهسازي عملکرد و آاليندهها در موتورهاي ديزلي تزريق مستقيم

Transcript

1 اثر تغييرات در شاخصههاي سامانه پاشش سوخت به منظور بهينهسازي عملکرد و آاليندهها در موتورهاي ديزلي تزريق مستقيم عباس زارع نژاد اشکذري عليرضا حسيننژاد* سعيد فراهت nezhadd@hamoon.usb.ac.r 9- دانشجوي دکتري مهندسي مکانيک دانشگاه سيستان و بلوچستان 2- دانشيار گروه مهندسي مکانيک دانشگاه سيستان و بلوچستان 3- استاد گروه مهندسي مکانيک دانشگاه سيستان و بلوچستان چکيده پارامترهاي سيستم پاشش سوخت نقش بسزايي را در فرآيند احتراق و در نتيجه مصرف سوخت و آاليندههاي خروجي دارند. به همين دليل در اين مطالعه بطور جامع با اعمال تغييرات در شاخصههاي مختلف سيستم پاشش سوخت نظيز زمان شروع و بازه تزريق سوخت هندسه نازل تعداد و قطر سوراخ نازل و همچنين زاويه و فشار پاشش سوخت به بررسي بهينه عملکرد و آاليندهها در يک موتور ديزلي تزريق مستقيم پرداخته شده و در نهايت بهينهترين حالت ممکن از ديدگاه کاهش آاليندهها و همچنين کاهش مصرف سوخت بيان شده است. براي ارزيابي نتايج حاصل از شبيه سازي مقدار بيشينه فشار تجربي و زاويه رخداد آن با مقدار حاصل از حل عددي مقايسه شده است. در کنار اين پارامتر مقادير تجربي آاليندهه يا soot و همچنين مصرف سوخت ويژه ترمزي با مقادير تئوري مقايسه شده است. اين مقايسهها نشان ميدهند که تطابق خوبي بين نتايج حاصل از حل عددي و نتايج تجربي وجود دارد. واژگان كليدي : تزريق سوخت آاليندگي مصرف سوخت. 13/92/04 15/09/97 تاريخ دريافت مقاله : تاريخ پذيرش مقاله : 22

2 1- مقدمه سيستم سوخت رساني يکي از سيستمهاي اصلي و تاثير گذار بر عملکرد بهينه موتور است که وظيفه آن تامين سوخت مورد نياز و تزريق آن به درون محفظه احتراق است. در يک سيستم سوخت رساني اهم پارامترهاي تزريق سوخت عبارتند از: زمان بندي تزريق سوخت طول تزريق و منحني نرخ تخليه فشار تزريق تزريق پايلوت تزريق ثانويه تزريق چند مرحله اي هندسه نازل و کنترل پذيري. پارامترهاي مذکور بر ساختار و مشخصات اسپري از جمله توزيع اندازه قطرات نفوذ اسپري زاويه اسپري و فرآيند احتراق تاثير ميگذارند. ميزان مصرف سوخت توليد ذرات معلق و و سر و صداي احتراق شديدا بستگي به فرآيند احتراق دارد. بنابراين کنترل دقيق تزريق سوخت و تشکيل اسپري به منظور بهبود فرآيند احتراق ضروري است به منظور بهينه کردن آاليندههاي بدون و soot قرباني کردن مصرف سوخت درک ارتباط بين پارامترهاي تزريق سوخت و اينکه چگونه آنها بر فرآيند احتراق تاثير ميگذارند بسيار مهم است. لذا تحقيقات بسيار زيادي در اين زمينه صورت گرفته است. شيمادا و همکاران] 9 [ اثر افزايش فشار تزريق و کاهش قطر سوراخهاي نازل را بر روي آالينده بررسي soot و کردند. اين دو اثر منجر به اتميزاسيون بهتر و مخلوط شدن بهتر سوخت و هوا از طريق بهبود نفوذ اسپري ورود هوا به درون اسپري و برخورد اسپري با ديواره ميشود. اما محدوديتهايي نيز براي افزايش فشار به علت مقاومت مواد و هزينه سيستم سوخت رساني وجود دارد. ريتز و همکاران] 3 [ اثر فشار تزريق شرايط ورودي نازل )لبه تيز و لبه گرد( و زاويه اسپري نازل را روي soot bsfc سيلندر در دور بررسي کردند. آزمايشات بر روي يک موتور تک 9000rpm و در بارهاي 75 درصد و 25 درصد صورت گرفت. نتايج حاصل در بار 75 درصد نشان داد که آالينده soot با افزايش فشار تزريق افزايش مييابد. اما با افزايش فشار تزريق از 10 تا 900 مگاپاسکال براي اينکه مقدار در نتيجه bsfc ثابت بماند بايد زمان تزريق ريتارد شود 9 الي 2 درصد افزايش مييابد. همچنين آنها نشان دادند که نازلهاي لبه تيز آالينده soot bsfc لبه گرد کمتر و کمتري در فشارهاي پايين ايجاد ميکنند و نازله يا bsfc پايينتري را ايجاد ميکنند. شوندو و همکاران] 2 [ تاثير زواياي مختلف اسپري سوخت را بر روي آاليندههاي خروجي بررسي کردند. آنها دو نازل با زاويه اسپري 925 و 940 درجه مورد بررسي قرار دادند. نتايج نشان داد که در بارهاي زياد اثر زاويه اسپري روي آاليندههيا توجه است. و پ نگ و همکاران ]4[ در سال مدلسازي sootکمتر است ولي در بار کم قابل 2092 تاثيرات CFD تايمينگهاي سوخت را بر روي فرآيند احتراق و آاليندهه يا با استفاده از مختلف تزريق خروجي در يک موتور ديزلي سنگين بررسي کردند. آنها با استفاده از کد ديناميک سياالتي FIRE تايمينگهاي مختلف تزريق را مدلسازي نمودند. نتايج بيانگر افزايش فشار بيشينه احتراق و آالينده توليدي با افزايش آوانس تزريق سوخت بود. در اين مقاله بطور جامع با اعمال تغييرات در شاخصهه يا مختلف سيستم پاشش سوخت نظيز زمان شروع و بازه تزريق سوخت هندسه نازل تعداد و قطر سوراخ نازل و همچنين زاويه و فشار پاشش سوخت به بررسي عملکرد و آاليندهها در موتور ديزلي يک بهينه تزريق مستقيم پرداخته شده و در نهايت بهينهترين حالت ممکن از ديدگاه کاهش آاليندهها و همچنين کاهش مصرف سوخت شده است. 2- مدل سازي بيان موتور استفاده شده در اين تحقيق يک موتور ديزلي تزريق مستقيم چهار زمانه است. مشخصات اصلي و شرايط عملکردي موتور در جدول )9( آمده است. به منظور مدل سازي سه بعدي در ابتدا يک سيلندر موتور در نرمافزار SoldWors مدل گرديد. سپس با توجه به استراتژيي که براي ايجاد شبکه در نرم افزار درنظر FIRE گرفته شده نياز به ايجاد يک شبکه سطحي از مدل است. جدول )1( مشخصات موتور مورد بررسي. نوع موتور تعداد سيلندر قطر پيستون )m( کورس پيستون )m( نسبت تراکم دور موتور )rpm( سرعت متوسط پيستون )m/s( ديزلي پاشش مستقيم چهار زمانه 5 0/900 0/240 95/5 : /0 23

3 بنابر اين شبکه ذکر شده درحالتي که پيستون در نقطه مرگ باال قرار دارد توسط نرم افزار ANSYS ICEM CFD توليد گرديد. شبکه سطحي ايجاد شده در اين مرحله توسط نرم افزار FIRE فراخواني ميشود. در مراحل بعدي مدلسازي هندسه سه بعدي پيچيده موتور و ايجاد شبکه متحرک با استفاده از ابزار شبکهبندي FEP انجام ميشود. با توجه به اينکه تحليل به صورت سوپاپ بسته يعني از لحظه بسته شدن سوپاپ ورودي )240 ( تا لحظه باز شدن سوپاپ خروجي )474 ( انجام محاسباتي مدل که شامل سيلندر ميگيرد لذا دامنه ميباشد به سرسيلندر بوش سيلندر و کاسه پيستون تقسيم ميشود. در واقع يک شبکه سطحي شامل سيلندر را براي توليد شبکه متحرک در کورس تراکم و انبساط در نظر ميگيريم. اکنون بايد سطوح مرزي با اسامي مناسب براي اعمال شرايط مرزي انتخاب گردد. در مورد موتور مورد نظر اين نواحي بر روي شبکه نهايي در شکل) 9 ( نشان داده شده است. براي ايجاد شبکه متحرک به ابزار FEP رجوع ميکنيم. در اين ابزار پارامترهاي قسمت متحرک را که شامل پيستون ميباشد وارد ميکنيم. با داشتن طول شاتون و کورس حرکت پيستون شبيه سازي ميشود. در کارکرد واقعي موتور پيستون حرکت ميکند بنابراين براي شبيهسازي تغييرات موقعيت پيستون نسبت به زاويه لنگ شبکه نيز بايد با اين حرکت منطبق شود. براي اين منظور جهت حفظ کيفيت شبکه در زواياي خاصي دو شبکه با تعداد سلول متفاوتي ايجاد ميشود. در اين زوايا اطالعات متغيرهاي جريان که در شبکه اوليه محاسبه شده است به شبکه دوم براي محاسبات بعدي منتقل ميشود. شرايط مرزي اعمال شده در جدول )2( آورده شده است. شکل) 1 ( سطوح و حجمه يا انتخاب شده به همراه شرايط مرزي. جدول )2( شرايط اوليه و شرايط مرزي اعمال شده. به اين عمل اصطالحا بروزرساني )Rezonng( ميگويند. بروزرساني شبکه به دليل اينکه در شکل سلولها در حين حرکت شبکه اعوجاج ايجاد ميشود و استفاده از شبکه با کفيت بهتر باعث باال بردن سرعت محاسبات ميشود امري اجتناب ناپذير است. بنابراين فواصلي که شبکه بايستي Rezone شود نيز مشخص ميشود. در فواصل هر 20 درجه ميللنگ شبکه Rezone ميشود و در ادامه شبکه به صورت خودکار توليد ميشود. در نهايت شبکه ايجاد شده براي حل مساله در FIRE فراخواني ميشود. 3- معادالت حاكم 1-3- معادالت اساسي معادالت اساسي که بقاي جرم مومنتوم و انرژي را بيان ميکنند به صورت زير بيان ميشوند: معادله متوسط زماني پايستاري جرم u t x spray )9( معادله متوسط زماني مومنتوم j j u uu p j u u j f j,spray t x x j x u j u u 2 u u j 2 u j j j uu j x j x 3 x x j x 3 x u u j 1 t juu j x j x 3 )2( )3( عبارت چشمه در معادله )9( برابر دبي جرم سوخت ديزل پاشيده شده به درون محفظه احتراق ميباشد. همچنين عبارت چشمه در معادله )2( مومنتومي است که به وسيله افشانه سوخت به سيستم اضافه است. معادله متوسط زماني انرژي P ميشود. )4( فشار سيال T Tu c p q cpt u q comb t x x T T q x x )5( عبارت چشمه در معادله )4( مربوط به گرماي آزادشده از احتراق است ]5[ مدل انتقال گونهها Name of B.C. bnd_head bnd_lner bnd_pston Type of B.C. Wall T=500[K] Wall T=450[K] Wall Mesh Movement T=450[K] 24

4 اين مدل معادالت انتقال الزم براي گونهه يا حالت فاز گازي شيميايي و مخلوطه يا و همچنين ميکند. معادله انتقال گونه را ميتوان شده زير نوشت خواص فيزيکي شيميايي در گونهه يا گازي را در ناحيه محاسباتي فراهم به شکل شناخته ρy ρu Uδ y t x y Γy S y 1 gas x x )0( که در آن y تعداد گونهه يا کسر جرمي به صورت زير تعريف ميشود: گونه شيميايي gas و شيميايي است. در مدل انتقال گونهها مجموع Γ y μ Γ ρd t y,m Sc t )7( که در معادله فوق Sc t D,m 0/7 و /s] [m 2 عدد اشميت آشفته با پيش فرض ضريب نفوذ گونه منبع جرمي نيز به صورت زير تعريف ميشود: )4( در اين معادله در مخلوط است. S y = r M.V cell r [mol/m 3 s] ام M [mol/g] جرم مولکولي گونه برابر با آهنگ واکنش گونه ام و V cell [m 3 ] حجم سلول محاسباتي است. براي کاهش تعداد معادالت مقادير بدون بعد براي بيان سيستم واکنشي يا به عبارتي کسر جرمي تعريف ميشوند.[0] mfu,u mfu,u mfu,b y fu, f mtot mtot mrg g, moxd mar mrg moxd )1( y fu برابر است با نسبت جرم سوخت نسوخته به ( fu,u )m جرم کل مخلوط ( tot m( است. همچنين کسر مخلوط )f( برابر با مجموع جرم سوخت سوختهشده نسوخته بر جرم کل مخلوط تعريف محاسبات گونهه يا کسر جرمي گازهاي تعريف ميشود. حل معادلهه يا بيانگر )m fu,b ( ميشود و سوخت و براي فعال گازهاي باقي مانده از سيکل قبلي گاز باقيمانده )g( باقيمانده ( rg )m سيستم سيستم شامل سوخت با در نظر گرفتن اينکه هيدروژن به صورت نسبت جرم به جرم اکسيدکننده ( oxd m( انتقال براي مقادير متوسط وزني واکنشگر شيميايي f y fu و g H 2 O CO 2 O 2 C n H m ميباشند. در اينجا N 2 و m و n بيانگر تعداد اتمه يا در مولکول سوخت ميباشند گونههاي شيميايي توسط M fu M O2 M CO2 و جرمي M H2O و است. کربن و مولي بيان ميشوند مشخص کردن نرخ متوسط واکنش نخستين هدف مدلسازي احتراق ميباشد 3-3- مدل احتراقي كنترلي آشفته يکي کنترلي از مدله يا ρ r fu.[7] احتراق موجود در FIRE مدل احتراقي اختالط آشفته است که توسط مگنسن توصيف شده است. در اين آشفته پيشآميخته مدل فرض ميشود که در شعلهه يا واکنشگرها )سوخت و اکسيژن( اديهاي مشابهي داشته و مجزا از اديهايي که محصوالت داغ را در بر ميگيرند هستند. واکنشه ي شا يميايي معموال مقياسي زماني دارند که در مقايسه با مشخصات فرايندهاي انتقال آشفته خيلي کوتاه هستند. بنابراين نمود که نرخ احتراق توسط نرخ آميختگي مولکولي اديهايي فرض ميتوان در مقياس که شامل واکنشگرها و محصوالت داغ هستند به عبارت ديگر توسط نرخ اضمحالل اين اديها ميشود. بنابراين تعيين نرخ ميانگين مطابق مدل مگنسن به صورت زير نوشت واکنش را م :[4] )90( دو عبارت اول عملگر که آيا ميکند يتوان Cfu yox CPryPr rfu ρmn y fu,, τr S 1+S سوخت "mn( )" اکسيژن يا به سهولت مشخص در محدوده مقدار آن وجود دارد و عبارت سوم احتمال وجود واکنش است بهطوريکه اطمينان ميدهد محصوالت داغ گسترش نمييابد. هستند و که شعله در عدم حضور C fu τ R محدوده ثابت دادهه يا مقياس بين C fu زماني تا 3 و C Pr ضرايب تجربي اختالط آشفته واکنش است. ميباشد 25 و مطابق با تجربي موتور بايد تنظيم شود. افزايش در اين ثابت باعث تقويت شدت آهنگ واکنش آشفته ميشود. ثابت C Pr نبايد به طور دلخواه تغيير داده شود. مقدار پيشنهاد شده آن براي موتورهاي اشتعال تراکمي برابر 9 است 4-3- مدل اشتعال خودبخودي.[1] در کار حاضر از مدل هاست د و همکارانش جهت خوداشتعالي سوخت استفاده شده است. اين مدل شيمي دما پايين سوخت ه يا هيدروکربني را تشريح ميکند تا بتواند زمان تاخير در اشتعال در موتورهاي ديزلي را به دقت مکانيزم يک مدل کند. اين بيني پيش سينتيکي کاهش يافته شامل 5 گونه و 4 واکنش عمومي را به کار ميگيرد 25

5 تا پديده خوداشتعالي سوخته يا سازي کند که به صورت زير است: واکنش آغازي) Intaton (: را شبيه هيدروکربني ω Fu Ox 2R )99( واکنش انتشار) Propagaton (: ω R p R P ω R 1 R B ω R 4 R Q ω R+Q p R B )92( )93( )94( )95( واکنش شاخهداري) Branchng (: ω b B 2R )90( واکنش خاتمه مرحله اول) Termnaton :)Lnear ω 3 R I )97( واکنش خاتمه مرحله دوم) Termnaton )Quadratc ω t 2R I )94( در معادالت فوق R سوخت نشاندهنده راديکال Fu Q دهنده گونهه يا را نشان م يک عامل مياني يدهد. B مياني غير فعال و عامل شاخه داري نشاندهنده I P ωها j نشان محصوالت اکسيد شده نرخ واکنشها است. ضرايب نرخ منحصر به فرد ظاهر شده در ωها j شکل آرنيوسي رايج را به خود ميگيرد. A e E a, (RT) )91( به عنوان نمونه در واکنش معادله )92( تشکيل آهنگ مجزا ترکيب شده است: )20( از سه p [Ox] [Fu] p1 p2 p3 که ][ نشان دهنده غلظت مولکولي p2 و p1 ]mol/m3[ و p3 ضرايب آهنگ مرحله انتشار است[ 90 ] مدل اتميزاسيون افشانه سوخت براي مدلسازي توزيع و پخش قطرات جت سوخت از مدل Wave استفاده شده است. در اين مدل فرض بر اين است که به دليل آشفتگي جرياني که درون سوراخ نازل انژکتور وجود دارد طيفي از موجه يا سينوسي با نوسانات محوري بينهايت کوچک در سطح جت سوخت بهوجود ميآيند. به دليل نيروهاي جت سوختي آيروديناميکي که بر اثر سرعت نسبي بين مايع و گاز اطراف درون سيلندر بهوجود موجه يا ميآيد همانگونه که در شکل سطحي )2( بوجود آمده رشد ميکنند. مشاهده ميشود شعاع قطره جديد جدا شده از جت سوختي متناسب با طول موجه يا سطحي درسطح جت سوخت است. )29( زمان متالشي شکل )2( شماتيک مدل.Wave rstable C1 )22( شدن جت سوختي نيز به صورت زير است: 3.726C2r. در حالت کلي آهنگ کاهش شعاع قطره به صورت زير ميباشد: dr dt (r r stable) )23( در نرم افزار FIRE به جز ثابته يا دو معادله باال ( 1 C و ثابت C 3 )C 2 صورت تنظيم شدهاند: نيز وجود دارد که در کار حاضر ثابتها بدين مقدار در نظر گرفته شده براي همکاران برابر 0/09 است [99]. ثابت C 1 C 2 بر طبق توصيه ريتز و تاثير جريان داخل سوراخ نازل مانند آشفتگي و طراحي نازل را بهحساب ميآورد و از يک انژکتور به انژکتور ديگر تجزيه تغيير مايع ميکند و به سطح آشفتگي وابسته است. اين ثابت برابر اوليه 92 در فرايند فرض شده است که محدوده آن بين 5 تا 00 مي باشد. هر چه قدر اين ثابت کمتر باشد زمان اتميزاسيون تزريق کوتاهتر ميشود. ثابت را در نظر C 3 جت سوخت و طول نيز تاثيرات لزجت سوخت ميگيرد. اگر يک انتخاب شود تاثير لزجت سوخت در محاسبات وارد ميشود و اگر صفر انتخاب شود تاثير لزجت سوخت به حساب نميآيد. از اين جهت اين ثابت برابر 9 در نظر گرفته شده است [92] مدل انتقال گرما و تبخير قطرات سوخت براي گرمايش قطرات و تبخير آنها از مدل دوکوييز استفاده شدهاست. اين مدل بيان ميدارد که با در نظر 20

6 ) 27( گرفتن وجود دماي يکنواخت به ازاي تغيير قطر قطره تغييرات دمايي توسط معادله تعادل گرمايي بهدست ميآيد. به عبارت ديگر بيانگر اين مطلب است که انرژي گرمايي انتقال يافته به قطره موجب افزايش دماي قطره و در نهايت تبخير آن ميشود. We 50, d1 d0 50 We 300, d1 d 0.f Wenorm,n We 300, d 0.2d 1 0 dtd dm m d dcpd L Q dt dt )23( شار گرمايي جابجايي Q از گاز و محيط اطراف قطره بدين صورت است: Q AsT Ts ضريب انتقال حرارت جابجايي از فيلم دربرگيرنده )24( α که قطره در غياب انتقال جرم و A s سطح قطره م 7-3- مدل برخورد جت سوخت به ديواره يباشد [93]. براي پيشگويي برخورد قطرات جت سوخت به ديواره مدل Walljet درنظر گرفته شده است. بر طبق اين مدل فرض ميشود در شرايط کاري موتور يک اليه بخار بين قطرات و ديواره تشکيل شده و بسته به عدد وبر قطره باعث برگشتن يا لغزيدن قطرات روي ديواره ميشود. معيار انتقال بين اين دو رژيم عدد وبر بحراني 40 است. در کمتر از اين حد پديده برگشت قطرات از ديواره را داريم که مولفه مماسي سرعت ثابت مانده ولي مولفه عمودي سرعت در جهت عکس قبلي و به صورت تابعي از عدد وبر قطره تغيير ميکند. باالتر از عدد وبر بحراني رژيم تشکيل جت ديواره را خواهيم داشت که سرعت بازتاب جت با فرض ثابت بودن مقدار آن و فقط تغيير زاويه انعکاس به دست ميآيد. با توجه به شکل) 3 ( زاويه انعکاس در محدوده β = ( - β ) 0>β>5 منعکس شده بر روي تغيير ميکند. جهت مماسي سطح با زاويه ψ -180>ψ>+180 تعيين ميکند تغيير قطرات که در محدوده ميشود. اين نيز توسط يک تابع توزيع احتمال تعيين ميشود: π ψ ln[1 p 1 e ] )25( در اين رابطه عدد تصادفي پارامتر p )20( از رابطه زير محاسبه ميشود: زاويه بين 0 و 9 تغيير ميکند و e 1 1 sn α ( ) e 1 π 1 ( ) 2 اندازه قطرات پس از برخورد نيز در عدد وبرهاي مختلف به صورت زير تغيير ميکند: که در آن است [94]. Wenorm,n عدد وبر قطره قبل از برخورد شکل) 3 ( شماتيک برخورد قطرات جت سوخت به ديواره مدل آالينده براي ارزيابي تشکيل اکسيد نيتروژن حرارتي در FIRE از مکانيزم زلدوويچ توسعه يافته استفاده ميشود. اين مکانيزم يک کاهش سيستماتيک شيميايي چند مرحلهاي بر اساس فرضيات تعادل جزئي واکنشه يا )24( مقدماتي ميباشند. N2 O NO N N O2 NO O N OH NO H )21( )30( از ضرب کردن طرفه يا ک يل )39( زير بهدست ميآيد: راست و چپ معادالت باال واکنش N2 O2 2NO بنابراين آهنگ تشکيل NO طبق رابطه زير بهدست ميآيد: d[no] 2 f [N 2][O 2] dt )32( آهنگ واکنش نيز از رابطه زير به دست م يآيد: f A E.exp a T RT )33( که در آن است [95]. فاکتور پيشنمايي A انرژي E a و 9-3- مدل تشکيل و اكسيداسيون دوده مدل تشکيل دوده که در FIRE اکتيواسيون استفاده شده است مدل هيروياسو ]90[ ميباشد. اين مدل بر اساس ترکيب مناسب آهنگ فيزيکي-شيميايي که نشان دهنده به هم متصل شدن ذرات رشد صفحهاي و اکسيداسيون است م يباشد. 27

7 9315 تابستان و بهار - سوم سال آهنگ تشکيل بين اختالف صورت به کل دوده م مدل شده اکسيد دوده و شده تشکيل يشود: دوده دريافنون پژوهشي - علمي فصلنامه دو dm dm dm dt dt dt soot form oxde )34( از: است عبارت دوده تشکيل بهطوريکه dmform 0.5 Ef Af MfvP exp dt RT )35( آن در که و فشار A f پيشنمايي فاکتور M fv سوخت بخار جرم P E f انرژي اکتيواسيون است. آهنگ ميآيد: بدست زير معادله طبق بر نيز دوده )30( آن در که ميانگين قطر اکسيداسيون dmoxde 6MW c MR s tot dt sds D s دوده چگالي ρ s کربن MW c دوده مولکولي وزن M s و دوده جرم R tot واکنش آهنگ با متناسب احتراق قابل مخلوط کاهش آهنگ است. خالص محلي مقدار آهنگ براساس و است واکنش زماني مقياس انرژي سينتيک تعيين آن اضمحالل آهنگ و آشفته توان حداکثر دور و کامل بار در محاسبات ]90[. ميشود خروجي يعني rpm در بعدي سه شبيهسازي 9200 براي FIRE SIMPLE کدهاي افزار نرم شد[ 97 ]. انجام است. شده انجام موتور الگوريتم از استفاده با FIRE ديگر مانند به اقدام محدود حجم روش به کننده عمل به انرژي و جرم مومنتوم پيوستگي معادالت گسستهسازي تکراري الگوريتم با بعد و نموده آشفتگي براي مدلي همراه مينمايد. حاصل جبري معادالت حل به اقدام نتايج 4- شبکه از استقالل بررسي 1-4- براي اطمينان نتايج دقت از شبيهسازي کيفيت و شبکه مورد حل از استقالل نظر از توليدي محاسباتي شبکه بايد براي گيرد. قرار ارزيابي يا سلوله تعداد اين با شبکههايي توليد با منظور مقايسه و متفاوت نتايج با تجربي است. شده انتخاب سلول تعداد لحاظ از شبکه مناسبترين مبناي سيلندر نتايج شبکه از استقالل همين به است. دليل حاصل داخل فشار از محاسباتي شبکه سه از دومين اولين براي سلول بعد بيشينه شد. استفاده مختلف ميليمتر 2 و 9/1 9/4 ترتيب به محاسباتي شبکه سومين و است. آورده )3( جدول در حالت سه براي TDC در سلولها تعداد است. شده کافي از اطمينان براي که روشهايي از يکي مقايسه است مرسوم محاسباتي شبکه سلولهاي بودن به تطابق اين وقتي است. عددي و تجربي فشار منحنيهاي تعداد از بودن مستقل بايستي بعد مرحله در آمد وجود کنيم. بررسي را شبکه. محاسباتي شبکههاي سلولهاي تعداد )3( جدول شبکه شماره 9 TDC در سلول تعداد با بعد به آن از که رسيد حالتي به بايستي که صورت بدين شکل در نشود. مشاهده نتايج اختالف شبکه تعداد افزايش منحني )4( 9 شبکه سه براي لنگ زاويه به نسبت فشار است. شده آورده شده ايجاد محاسباتي حالت دو فشار منحني در ميشود مشاهده که همانطور اختالف و دارند تجربي مقادير به نزديکتري رفتار )2( و )9( فشار پيک )3( حالت در است. ناچيز بسيار حالت دو اين از ميتوان لذا دارد. تجربي مقدار با زيادي اختالف )2( و )9( حالت دو بين آنها سلول تعداد که شبکههايي بسيار اختالف به توجه با همچنين نمود. استفاده باشد و 0/5 و 0/25 زماني گامهاي در آمده بهدست نتايج جزيي گام محاسبات زمان کردن کم براي ميللنگ درجه تعداد با محاسباتي شبکه با همراه ميللنگ درجه 9 زماني مدل عنوان به )TDC( باال مرگ نقطه در سلول همگرايي معيار شدهاست. انتخاب اصلي 0/009 حداقل و گرفته نظر در زماني گام هر براي تکرار 900 حداکثر و 90 شدهاست. شده شبيهسازي نتايج به دهي اعتبار 2-4- با که ميکند پيدا ارزش وقتي سازي شبيه از حاصل نتايج سازي شبيه در باشد. شده مقايسه آزمايشگاهي نتايج يا آاليندهه و سيلندر داخل فشار که است الزم احتراق مقايسه تجربي نتايج با ويژه سوخت مصرف و خروجي شوند. شکل در منحني )5( عددي و تجربي نتايج براي فشار ميشود مشاهده که همانطور است. شده آورده پايه( )حالت شبيه از حاصل نتيجه و تجربي دادههاي بين خوبي تطابق شروع که است ذکر به الزم است. شده حاصل عددي سازي 24

8 In-Cylnder Pressure(MPa) In-Cylnder Pressure(MPa) پاشش سوخت در حالت پايه براي موتور در 90 درجه قبل از نقطه مرگ باال اتفاق ميافتد و مدت زمان تزريق سوخت هم 94 درجه ميل لنگ ميباشد. در جدول )4( مقادير تجربي آاليندهها مصرف سوخت ويژه ترمزي و توان ترمزي با مقادير بهدست آمده از شبيهسازي عددي مقايسه شده است. همان طور که مالحظه ميشود بين مقادير تجربي و عددي دزصد خطاي ناچيزي وجود دارد (1) cell (2) cell (3) cell شکل )4( منحني فشار بر حسب زاويه لنگ براي شبکهه يا محاسباتي مختلف Numercal Expermental Speed=1200 [rpm] SOI=16 btdc Injecton Duraton=18 CA شکل )5( مقايسه منحني فشار تجربي و عددي بر حسب زاويه لنگ براي ديزل خالص. جدول )4( مقايسه دادهه يا پارامترهاي عملکردي و آاليندهها (gr/w-hr) تجربي و نتايج عددي. مقادير تجربي 0/90 نتايج عددي تاثير بررسي براي زمان تزريق سوخت بر پارامترهاي عملکردي موتور در شکل )0( اثر زمانه يا مختلف تزريق سوخت بر تغييرات فشار داخل سيلندر آورده شده است. اين براي منظور زمانه يا تزريق و 90 درجه قبل از نقطه مرگ باال شبيهسازي شد. در تمام حالتها طول مدت تزريق بدون تغيير و برابر درجه زاويه لنگ 94 ميباشد. الزم به يادآوريست که تزريق 0/34 0/ / / / Soot (gr/w-hr) BSFC (gr/w-hr) Brae Power (W) 21

9 In-Cylnder Pressure (MPa) سوخت در موتور ديزلي درجه زاويه 90 از مورد بررسي لنگ قبل از نقطه مرگ باال شروع و تا 2 درجه زاويه لنگ بعد از نقطه مرگ باال ادامه مييابد. همانطورکه مشاهده ميشود با افزايش آوانس تزريق سوخت ميزان فشار بيشينه داخل سيلندر افزايش مييابد. افزايش فشار بيشينه داخل سيلندر به نوبه خود باعث افزايش دماي بيشينه احتراق خواهد شد. از آنجايي که فرآيند شکل گيري آاليندهها به خصوص آاليندهها به شدت تحت تاثير دماي احتراق قرار دارد تغيير در زمانبندي تزريق سوخت و به تبع آن تغيير در فشار و دماي احتراق شکل گيري آاليندهها را نيز تحت تاثير قرار خواهد داد. شکله يا آاليندهه يا )7( و )4( تغييرات و soot را براي زمانه يا تزريق مختلف نشان ميدهد. با توجه به شکل با افزايش آوانس تزريق و درنتيجه افزايش دماي احتراق ميزان توليد شده افزايش مييابد. اين رفتار را ميتوان با استفاده از مکانيزم زلدوويچ توجيه نمود. بدين صورت که با افزايش دما واکنشه يا مکانيزم زلدوويچ در جهت رفت پيشرفت ميکنند. دليل اين امر وابستگي شديد آهنگ پيشرفت واکنشه يا مکانيزم زلدوويچ به دما است. همانطور که ميدانيم اين دو آالينده اثر متقابل روي همديگر دارند يعني با افزايش يکي ديگري کاهش مييابد. همانطور که مالحظه ميشود با ريتارد کردن تزريق سوخت مقدار آالينده به طور قابل توجهي کاهش مييابد. از طرف ديگر مقدار soot FIRE در اثر کاهش دما افزايش مييابد. چون در نرمافزار ميزان آاليندهها به صورت کسر جرمي آالينده در کل محصوالت ميدهد با استفاده از رابطه زير ميتوان آن را به واحد گرم بر کيلووات ساعت تبديل نمود بهطوري که قابل مقايسه با مقادير تجربي با همين واحد باشد. m tot gr y NO - x rev NO x gr / W - hr 30n P b W mn )37( btdc 12 btdc 14 btdc 16 btdc (Base) 18 btdc 20 btdc 22 btdc شکل )6( تغييرات فشار داخل سيلندر بر حسب زاويه ميللنگ در زمانه يا مختلف تزريق

10 NOx (Mass Fracton) 9.00E E E E E E E E E E btdc 12 btdc 14 btdc 16 btdc (Base) 18 btdc 20 btdc 22 btdc شکل )7( تغييرات آالينده براي زمانه يا مختلف تزريق. 8.00E E-04 Soot (Mass Fracton) 6.00E E E E E btdc 22 btdc 16 btdc (Base) 20 btdc 14 btdc 1.00E btdc 10 btdc 0.00E شکل )8( تغييرات آالينده براي زمانه يا مختلف تزريق. شکل) 1 ( تغييرات توان را در زمانه يا مختلف تزريق سوخت نشان ميدهد. همانطور که انتظار ميرود توان موتور با افزايش آوانس تزريق سوخت افزايش مييابد. زيرا با آوانس کردن سوخت بيشتري قبل از شروع احتراق تبخير ميشود. درنتيجه آهنگ آزادشدن انرژي در فاز احتراق پيش مخلوط افزايش يافته و درنهايت فشار افزايش مييابد و همين عامل باعث افزايش گشتاور ترمزي و توان ترمزي ميشود. همانطور که در شکل ديده ميشود آوانس بيش از 22 درجه قبل از نقطه مرگ باال باعث افت توان و افزايش مصرف سوخت ميشود. علت آن است که مقدار زيادي از انرژي در حين مرحله تراکم آزاد شده و درنتيجه مقاومت گازهاي سوخته شده در مقابل حرکت پيستون افزايش مييابد و همين عامل باعث کاهش کار انجام شده توسط گازهاي سوخته شده بر روي پيستون ميشود. همانطور که بيان شد زمان تزريق در حالت پايه براي موتور ديزلي مورد بررسي در 90 است در حاليکه با توجه به شکل )90( مصرف سوخت موتور در اين حالت نسبت به حداقل مقدار خود که در افزايش مييابد. بنابراين عملکرد فعلي نقطه کار سوخت در ميافتد اتفاق 94 موتور که در اين ميکند مناسب نيست. در صورتيکه اگر پاشش 94 اتفاق بيفتد آالينده افزايش و آالينده کاهش مييابد و در اين حالت مصرف سوخت نيز کمتر ميشود. جدول )5( مقادير بيشينه فشار حاصل از احتراق توان ترمزي مصرف سوخت ويژه آاليندهه يا و را براي زمانه يا با حالت استاندارد موتور بررسي مينمايد. مختلف تزريق سوخت نشان داده و

11 BSFC (gr/w.hr) Brae Power (W) Injecton Tmng btdc (CA) Injecton Tmng btdc ( CA ) شکل )9( تغييرات توان در زمانه يا مختلف تزريق. شکل )11( ميزان مصرف سوخت در زمانه يا مختلف تزريق. زمان تزريق پارامترهاي عملکردي جدول )5( مقادير پارامترهاي عملکردي و آاليندهه يا بيشينه فشار سيلندر براي زمانه يا مختلف تزريق سوخت. )MPa( توان ترمزي مصرف سوخت )g/w-hr( اكسيدهاي نيتروژن دوده )g/w-hr( 0/040 0/050 0/044 0/020 0/090 0/099 0/005 )g/w-hr( 0/901 0/937 0/225 0/340 0/340 7/344 7/ / / / /05 404/ / /731 )W( /14 95/04 90/53 97/90 97/40 94/95 94/10 90bTDC 92bTDC 94bTDC 90bTDC )پايه( 94bTDC 20bTDC 22bTDC الزم به يادآوري ميباشد که منظور از عبارت 90 btdc اين است که شروع پاشش سوخت در نقطه 90 درجه قبل از نقطه مرگ باال اتفاق ميافتد. در شکل )99( نيز تغييرات آالينده در مقابل soot براي نازله يا مختلف آورده شده است. همانطور که مالحظه ميشود با نازل )0 تعداد سوراخه يا نازل و 200 قطر سوراخ نازل بر حسب )um نسبت به ديگر نازلها آالينده کمتري ايجاد ميشود و اين امر نشان ميدهد که اين نازل با شکل محفظه احتراق مطابقت دارد. الزم به ذکر است که پنج نازل با پيکربندي و انتخاب شده است که در آن نازل بر روي موتور نصب شده است. انتخابه يا بعدي بر اساس نازله يا موجود است. بايد توجه داشت چون سطح مقطع نازله يا انتخاب شده با هم برابر نيستند. فرض ميشود که ضريب تخليه نازله يا مذکور يکسان باشند. بنابر اين براي اينکه نرخ تخليه سوخت در شرايط عملکرد براي نازله يا تغيير کند. مختلف يکسان باشد بايد طول تزريق سوخت شکل) 11 ( تغييرات آاليندهها براي نازلهاي مختلف. Soot (gr/w.hr) *4 260*8 225*8 300*4 (Base) 260*6 \ NOx (gr/w.hr) شکل) 92 ( اثر فشارهاي مختلف پاشش سوخت بر تغييرات فشار داخل سيلندر را نشان ميدهد. همانطور که مشاهده ميشود با افزايش فشار پاشش سوخت ميزان فشار بيشينه داخل سيلندر افزايش مييابد. در موتورهاي ديزلي تزريق 4

12 Temperature (K) NOx (Mass Fracton) In-Cylnder Pressure (MPa) مستقيم سرعت هوا در محفظه احتراق نسبتا پايين است و مخلوط شدن سوخت و هوا معمولي است. بنابراين اگر سوخت با فشار زياد به درون محفظه احتراق تزريق شود مخلوط شدن به صورت قابل توجهي افزايش مييابد. شکل )93( تغييرات آالينده ميللنگ براي فشاره يا را بر حسب زاويه مختلف تزريق نشان همانطور که مالحظه ميشود با افزايش فشار تزريق افزايش ميدهد مييابد و اين بدان علت است که کسر احتراق پيش مخلوط با افزايش فشار تزريق زياد ميشود. پاشش روي اثر زاويه بررسي براي موتور پنج نوع نازل با زاويه پاشش آاليندهه يا خروجي 945 )حالت پايه( 940 و 930 درجه در فشار تزريق 915 بار در نظر گرفته شده است. شکل) 12 ( تغييرات فشار داخل سيلندر براي فشارهاي مختلف شکل) 13 ( پاشش. تغييرات آالينده پاشش سوخت. براي فشارهاي مختلف شکل )94( تغييرات دماي داخل سيلندر بر حسب زاويه ميل لنگ را براي همانطور که مشاهده زواياي مختلف پاشش نشان ميشود دماي ميدهد. داخل سيلندر براي نازله يا نازله يا آالينده شکله يا 955 و 950 پاشش با زوايه درجه بيش از ديگر است و همين عامل باعث افزايش و کاهش soot شده است. )95( و )90( تغييرات آاليندهه يا را بر حسب زاويه ميللنگ براي زواياي و ناچيز soot مختلف پاشش نشان ميدهد. همانطور که مالحظه ميشود مقدار آالينده 950 با نازل soot درجه نسبت به نازله يا است و هم چنين مقدار آالينده ديگر کمتر کمي افزايش يافته است. شکل )97( کانتورهاي رنگي نسبت هم ارزي دماي داخل سيلندر soot و اکسيژن در لحظه 50 درجه ميل لنگ پس از نقطه مرگ باال را براي پيشنهادي فشار پاشش )پاشش سوخت btdc حالت بهينه 94 نازل زاويه پاشش 950 درجه ) نشان bar ميدهد. بررسي کانتورهاي دما نسبت هم ارزي و آالينده بدست آمده از نتايج شبيه سازي نشان ميدهند که در مناطق با نسبت هم ارزي استوکيومتريک ) و دماي اکسيد نيتروژن بيشترين مقدار کانتورهاي برابر با يک ( مخلوط مناطق باالي دوده و اکسيژن مشاهده ميباشد. کلوين 2000 با دقت در ميشود که در محلهايي که توليد دوده بيشينه است اکسيژن موجود به اندازه کافي نمي باشد تا احتراق کامل صورت گيرد. با دقت در کانتورهاي فوق به نتيجه مهم ديگر پي ميبريم رفتار و آن متضاد بين محله يا و soot تشکيل است. اين دو آالينده در طرفين نقاط دما باال داخل سيلندر تشکيل ميشوند. در منطقه فقيرتر ناحيه دما باال و دوده در منطقه غني ناحيه دما باال تشکيل ميشود angle=130 angle=140 angle=145 (Base) angle=150 angle شکل) 14 ( تغييرات دماي سيلندر براي زواياي پاشش مختلف bar 460 bar 585 bar E E E E E E E bar 4.00E bar 2.00E bar ( Base ) 0.00E

13 Soot (Mass Fracton) NOx (Mass Fracton) 9.00E E E E E E E E ( Base ) E E شکل) 15 ( تغييرات آالينده براي زواياي پاشش مختلف. 9.00E E E E E E-04 شکل) 16 ( تغييرات آالينده soot براي زواياي پاشش مختلف. با توجه به کانتورهاي دما و نسبت هم ارزي حاصل از نتايج شبيهسازي مشاهده ميشود که توليد دوده بيشتر در مناطق با نسبت همارزي 9/5 تا 2/5 و بازه دمايي 9000 تا 2900 کلوين تشکيل ميشود. دوده در منطقه نوک اسپري جت تشکيل و انباشته ميشود. سوخت تزريقي با مومنتوم باال به داخل منطقه غني و دماي نسبتا پايين در نوک جت نفوذ و به طور پيوسته منطقه غني را شارژ و توليد دوده ميکند. شکل) 17 ( كانتورهاي به ترتيب از باال به پايين نسبت هم ارزي دماي داخل سيلندر soot و اكسيژن براي حالت بهينه پيشنهادي در 21. atdc 4- نتيجهگيري همانطور که مشاهده شد موتور ديزلي زمان تزريق btdc درست است که مقدار آالينده کمتر است ولي ميزان مورد بررسي با 90 و طول تزريق 94 کار CA ميکند. با اين زمان تزريق مصرف سوخت موتور نسبت به مصرف سوخت حداقل در نقطه ماکزيمم گشتاور) btdc 94 و طول تزريق 94( CA افزايش يافته است. بنابراين اگر زمان تزريق سوخت آوانس شود مصرف سوخت موتور بهبود با مييابد. البته مقدار آالينده کمي افزايش مييابد که اين مقدار افزايش را ميتوان با استفاده از مبدلهاي کاتاليزوري کاهش داد. افزايش آوانس تزريق سوخت افزايش فشار بيشينه احتراق رخ ميدهد به طوري که آوانس تزريق سوخت به ميزان 0 درجه زاويه لنگ نسبت به حالت استاندارد موتور افزايش فشار بيشينه درحدود 1/3 درصد را درپي دارد. نازل نصب شده بر روي اين موتور داراي زاويه افشانه 945 درجه است. در اين مطالعه مشخص شد که با استفاده از نازل با زاويه پاشش 950 soot بيش از درصد افزايش نازل بهينه ميباشد. درجه درصد کاهش آالينده است. لذا استفاده از اين 3.00E E ( Base ) 1.00E E

14 Mathematcal Model, Combuston and Flame, Vol. 30, pp.45-60, [10] CFD AVL FIRE Software, part:combuston, [11] Patterson. M. A, and Retz. R. D., Modelng the Effect of Fuel Spray Characterstc on Desel Engne Combuston and Emsson, Advances n Mult-Dmensonal Modelng, SAE Transactons - Journal of Engnes, Vol.107, No.3, pp.1-19, [12] CFD AVL FIRE Software, part:spray, [13] Duowcz. J. K., Quas-Steady Droplet Change n the Presence of Convecton, Los Alamos, New. Mexco, USA: Los Alamos Scentfc Laboratory, Informal report, [14] Naber. J. D., and Retz. R. D., Modelng Engne Spray/Wall Impngement, SAE Transactons Journal of Engnes, Vol.97, No.6, [15] Lavoe. G. A., Heywood. J. B., and Kec. J. C., Expermental and Theoretcal Study of Ntrc Oxde Formaton n Internal Combuston Engnes, Combust Scence Technology, Vol.1, pp , [16] Hroyasu. H., and Nshda. K., Smplfed Three-Dmensonal Modelng of Mxture Formaton and Combuston n a DI Desel Engne, SAE Transactons Journal of Engnes, Vol.98, No.3, pp.1-21, [17] Patanar. S. V., and Spaldng. D. B., A Calculaton Procedure for Heat, Mass and Momentum Transfer n Three-Dmensonal Parabolc Flows, Internatonal Journal of. Heat Mass Transfer, Vol.15, pp , DI = drect njecton; = ntrogen oxdes; CO = carbon monoxde; HC = hydro carbon; BSFC = brae specfc fuel consumpton; IVC = nlet valve closng; EVO = exhaust valve openng; CA = cran angle; TDC = top dead center; BDC = bottom dead center; abdc = after bottom dead center; atdc = after top dead center; btdc = before top dead center; CFD = computatonal flud dynamcs 5- فهرست عالئم 6- مراجع [1] Shmada, T., Shoj, T., and Taada, Y., The Effect of Fuel Injecton Pressure on Desel Engne Performance, SAE Transactons Journal of Engnes, Vol.98, No.3, pp.1-12, [2] Perpont, D. A., and Retz, R. D., Effect of Injecton Pressure and Nozzle Geometry on D.I. Desel Emsson and Performance, Desel Engne Combuston Processes, SAE Transactons: Journal of Engnes, Vol.104, No.3, pp.1-12, [3] Shundoh, S., Kaegawa, T., and Tsujmura, K., The Effect of Injecton Parameters and Swrl on Desel Combuston wth Hgh Pressure Fuel Injecton, SAE Transactons Engnes, Vol.100, No.3, pp.1-16, [4] Peng, Z., and Mobasher, R., CFD Modelng of the Effects of Injecton Tmng on the Combuston Process and Emssons n an HSDI Desel Engne, Internal Combuston Engne Dvson Sprng Techncal Conference, pp , May [5] CFD AVL FIRE Software, Help of CFD AVL FIRE Software, Part:CFD Solver, [6] Spaldng, D. B. Combuston and Mass Transfer. Oxford: Pergamon Press, Cheme Ingeneur Techn, Vol.52, No.1, p.87, [7] CFD AVL FIRE Software, Part: Speces Transport, [8] Magnussen. B. F., and Hjertager. B. H., On Mathematcal Modelng of Turbulent Combuston wth Specal Emphass on Soot Formaton and Combuston, 16th Internatonal Symposum on Combuston. Pttsburgh: The Combuston Insttute, Vol. 16, No.1, pp , [9] Halstead. M., Krsch. L., and Qunn. C., The Auto Ignton of Hydrocarbon Fueled at Hgh Temperatures and Pressures fttng of a 35