گازوئيل در موتور احتراق تراکمي

Transcript

1 شبيه سازي عددي فرآيند احتراق مخلوط هاي بيوديزل و گازوئيل در موتور احتراق تراکمي بهمن نجفي* استاديار گروه مهندسي مکانيک ماشينهاي کشاورزي دانشگاه محقق اردبيلي محمد خاني دانش آموخته کارشناسي ارشد مهندسي مکانيک ماشينهاي کشاورزي دانشگاه محقق اردبيلي * نويسنده مسئول / تاريخ دريافت 88/10/08 : پذيرش نهايي مقاله 89/06/01 : چكيده در اين تحقيق فرآيند احتراق سوخت بيوديزل و مخلوط هاي آن با گازوئيل با استفاده از الگوي ترموديناميکي در موتور ديزل پاشش مستقيم در محيط نرم افزاري Visual C شبيه سازي گرديد. براي اعتبار سنجي الگو مخلوط هاي مختلف بيوديزل و گازوئيل ( B60 B40 B20 B00 B80 و )B100 در سرعت دوراني كاري موتور 1400rpm و در شرايط بار کامل( )Full Load به صورت تجربي بر روي موتور 244-MT4 آزمايش شد. نرخ رهايي گرما توسط تابع وايب دوتايي و نرخ انتقال حرارت با الگوي تجربي وشني ( )Woschni پيش بيني گرديد. گرماهاي ويژة ترکيب هاي موجود در سوخت بيوديزل (اتيل استئارات اتيل پالميتات اتيل اولئات و اتيل لينولئات) از طريق محاسبات شيمي کوانتومي و با استفاده از نرم افزار Gaussian98 و Gaussian03 در محدودة دمايي محفظة احتراق موتور تخمين زده شد. نتايج نظري و تجربي نرخ رهايي گرما و همچنين فشار داخل استوانه با يکديگر مقايسه شد و توافق خوبي بين آنها مشاهده گرديد. كليد واژه ها : بيوديزل شبيه سازي عددي الگوي تک منطقه اي تابع وايب دوتايي رهايي گرما -1 مقدمه براي درک فرآيند احتراق هر سوختي بايد تأثير آن بر متغيرهاي مختلف عملکرد موتور به صورت تجربي آزمون شود ولي چنين آزمونهاي بسيار هزينه بر و وقت گير مي باشد. شبيه سازي عددي فرآيند احتراق با استفاده از الگو هاي نظري مي تواند راه حل مناسبي باشد. با تأييد اعتبار چنين الگو هايي با داده هاي تجربي حاصل از آزمون موتور مي توان داده هاي حاصل از الگو را به شرايط مختلف سوخت تعميم داد. الگو هايي که بدين منظور استفاده مي شوند عموم ا به دو دسته الگو هاي ديناميک سياالت (ابعادي) و الگو هاي ترموديناميکي (شبه بعدي) تقسيم مي شوند. الگو هاي ابعادي بر اساس حل معادالت بقاي جرم اندازة حركت و انرژی و معادالت اجزاي تشکيل دهنده بنا شده اند و حل تمام اين معادالت با فنآوري رايانه اي حاضر مستلزم صرف زمان طوالني مي باشد [.]3 در الگو هاي ترموديناميكي فضاي داخل محفظة احتراق را مي توان به چند قسمت تقسيم كرد كه در اين صورت فرض مي شود محتويات داخل هر ناحيه همگن است و با نواحي ديگر در مرزها تبادل جرم و حرارت دارند. هر چند الگو هاي چند منطقه اي در تشريح فرآيند احتراق سوخت توانا هستند ولي نسبت ا پيچيده و زمان برند [.]4 اگر فرض شود كه دما فشار و ترکيبات داخل محفظة احتراق همگن است الگوي تك منطقه اي ناميده مي شود كه توانايي پيش بيني نرخ رهايي گرما را دارد ولي قادر به تحليل ابعادي منطقة احتراق نمي باشند [.]3-1 الگوي تك منطقه اي 19

2 شبيه سازي عددي فرآيند احتراق مخلوط هاي بيوديزل و گازوئيل در موتور احتراق تراکمي -2 مواد و روش ها سوخت بيوديزل موردنياز اين تحقيق به روش ترانس استريفيکاسيون از روغن آفتابگردان (اتيل استر روغن آفتابگردان) توليد گرديد. براي مقايسة خروجي الگو با داده هاي عملي نمونه هاي سوخت حاوي %0 تا %100 حجمي بيوديزل و مابقي گازوئيل در بار کامل و در سرعت دوراني گشتاور بيشينه بر روي موتور ديزل پاشش مستقيم MT4-244 مجهز به پرخوران ساخت شرکت موتورسازان تبريز و در واحد تحقيقات مهندسي کارخانه سازنده آزمايش شد. مشخصات فني اين موتور در جدول ( )1 آورده شده است. جدول 1 مشخصات فني موتور ديزل MT4-244 مشخصات موتور مقدار واحد قطر سمبه 100 mm طول مسير سمبه 127 mm طول دسته سمبه 219 mm حجم جابجايي 3.99 Lit نسبت تراکم 17.5 : 1 - زاوية شروع پاشش در سرعت دوراني 1400 rpm 1 ATDC CAD فشار پاشش سوخت در سرعت دوراني 1400 rpm 250 bar زاوية بسته شدن دريچة ورودي 145 BTDC CAD تعداد استوانه معادلة انرژي و نرخ رهايي گرما براي موتور ديزل محتويات داخل استوانه سامانة باز مي باشد. تنها جرمي که از مرز سامانه (در هنگام بسته بودن دريچه هاي ورودي هوا و خروجي گاز) عبور مي کند سوخت و جريان نشتي مي باشد که با صرف نظر کردن از جريان نشتي خواهيم داشت : dq dv du ( )1 m f hf P که dq نرخ انتقال حرارت از مرز سامانه P dv کار انجام شده در اثر dt جابجايي مرز سامانه m f نرخ جريان جرمي سوخت عبوري از مرز سامانه hf آنتالپي سوخت ورودي به سامانه و U انرژي مواد موجود در مرز سامانه مي باشد. اگر U و hf بترتيب انرژي داخلي محتويات استوانه و آنتالپي سوخت پاشيده شده باشند بنابراين dq اختالف بين انرژي شيميايي يا حرارت رها شدة احتراق و انتقال حرارت از مرز سامانه خواهد بود. چرا که h f مي باشد : ( )2 dv des P dqch dqw كه dt نرخ رهايي گرما خالص که اختالف بين نرخ رهايي گرما ناخالص dqch و نرخ انتقال حرارت به ديواره هاي استوانه dqw است و برابر با کار انجام شده روي سمبه بعالوه نرخ تغييرات انرژي داخلي محتويات استوانه des م ي باشد. اگر محتويات درون استوانه را به عنوان گاز كامل در نظر بگيريم معادلة ( )2 را چنين مي توان نوشت : ( )3 dv mcv P از قانون گاز كامل مي دانيم mrt مي شود. بنابراين : PV که R ثابت فرض ( )4 با جايگذاري معادلة ( )4 در معادلة ( )3 داريم : dp dv dt dt به لحاظ سادگي و زمان پاسخگويي کوتاه كاربرد فراواني يافته است. در تحقيقي رامداز و همکاران الگويي تک منطقه اي را براي تحليل خصوصيات عملکردي موتورهاي اشتعال تراکمي ارائه کردند. در اين الگو از تابع وايب براي پيش بيني نرخ رهايي گرما مخلوط بيوديزل و گازوئيل استفاده گرديد. آن ها الگو را براي مطالعه تأثير تغييراتي که اعمال آنها در شرايط آزمون موتور غير ممکن يا بسيار مشکل مي باشد(مانند تأثير نسبت تراكم) بکار بردند[.]1 در تحقيقي ديگري نجفي الگوي تک منطقه اي Whitehouse براي پيشگويي فرآيند احتراق مخلوط سوخت بيوديزل حاصل از روغن پسماند با گازوئيل ارائه کرد. مقادير پيشگويي شده فشار داخل استوانه و آهنگ گرماي رها شده براي موتور ديزل با اين الگو با مقادير تجربي مقايسه شد و توافق خوبي را نشان داد[.]12 در اين تحقيق با توجه به سادگي از الگوي ترموديناميکي تک منطقه اي براي پيش بيني نرخ رهايي گرما سوخت بيوديزل و ترکيبات مختلف آن با گازوئيل در موتور استفاده گرديد. آزمون موتور بر مبناي استاندارد 8 مد ECER-96 با استفاده از لگام ترمز مغناطيسي E400 ساخت شرکت PMID CO زاويه سنج AVL333 حسگر فشار برقي Indi modul 621 حسگر فشار خط پاشش SL31D-3000 آال سنج AVL Dicom4000 نوع A-8020 انجام گرفت.

3 بهمن نجفي / محمد خاني ( )5 يا c dv cv dp V 1 v P R ¹ dt R dt داخل استوانه معلوم باشد با تبديل گام زماني dt به گام زاويه اي برحسب درجة ميل لنگ dθ مي توان از معادلة ( )6 براي تحليل رهايي گرما در موتور ديزل استفاده نمود : ( )7 ( )8 J dv 1 dp P V J 1 ¹ dt J 1 ¹ dt 360 u N rps dt که Nrps سرعت دوراني ميل لنگ موتور بر حسب دور بر ثانيه مي باشد [.]5-2-2 محاسبة انرژي داخلي و گرماي ويژة ترکيبات بيوديزل در اين تحقيق ابتدا درصد هر يك از اسيدهاي چرب موجود در سوخت بيوديزل (اتيل استئارات %12.4 اتيل پالميتات %5.1 اتيل اولئات %25.9 و اتيل لينولئات )%54.6 با استفاده از آزمون رنگ نگاري (كروماتوگرافي ( ) )GC-mass تعيين گرديد و سپس ضرايب معادلة چند جمله اي براي تعيين گرماي ويژه (در فشار ثابت) هر يك از اين اسيدهاي چرب برحسب دما با استفاده از داده هاي حاصل از نرم افزار تخصصي Gaussian 98 و ]6[ Gaussian 03 استخراج شد گرماي ويژه در فشار ثابت براي اتيل استر ام بدين صورت بدست مي آيد : ( )9 c pj (T ) u j 1 u j 2t u j 3t 2 u j 4t 3 u j 5t 4 ضرايب u j 1 الي u j 5 ثابت هاي معادلة چند جمله اي متعلق به اتيل استر j ام مي باشند و با انتگرال گيري از آن آنتالپي مخصوص اتيل استر j ام به دست مي آيد : مي باشد. قب ال درصد جرمي و درصد مولي هريك از اسيدهاي چرب موجود در بيوديزل اندازه گيري شده است لذا براي محاسبة گرما و آنتالپي مخصوص بيوديزل كافي است که نسبت مولي هرکدام از اتيل استرهاي موجود در بيوديزل nj در مقدار گرما و آنتالپي مخصوص متناظر با آن اتيل استر ضرب مي شود و مجموع كل ) c pb (T محاسبه مي گردد : ( )11 ) (T n c j pj j ) c pb (T ( )12 Vd (S / 4) B 2 S و براي محاسبة گرماهاي ويژه و انرژي داخلي مخلوط سوخت بيوديزل و گازوئيل نسبت مولي گازوئيل ad و بيوديزل ab در مقادير متناظر آن ضرب شد و مجموع كل ) c p (T محاسبه گرديد : ( )13 ) ad.c pd (T ) ab.c pb (T ) c p (T -3-2 محاسبة حجم استوانه در هر گام در موتوري با قطر سمبة B طول مسير سمبة S و طول دسته سمبة L برحسب متر نسبت تراکم CR و زاوية ميل لنگ ( θ از نقطة مكث باال برحسب درجه) داريم : ( )14 ( )15 ( )16 Vd ) CR 1 ( Vc 1 1 S cos T L S 2 sin 2 T 1 S ) V (T ) Vc ( SB 2 ) L s (T ¹ ) s (T طول که Vd حجم جابجايي سمبه Vc حجم فضاي مرده s (T ) جابجايي سمبه به ازاي هر درجه از ميل لنگ برحسب متر و ) V (T حجم استوانه به ازاي هر درجه از ميل لنگ برحسب m2 مي باشد. 21 J dv 1 dp P V ( )6 J 1 ¹ dt J 1 ¹ dt cp مي باشد. محدودة مناسب براي که γ نسبت گرماهاي ويژه cv تحليل رهايي گرما در موتور ديزل 1.3 تا 1.35 مي باشد. اگر نمودار فشار ) c pj (T t2 t3 u j1t u j 2 u j 3 h j (T ) ³ 3 ( )10 5 t t u u h ( ) j5 j s j که ) h j (Ts آنتالپي تشكيل اتيل استر j ام بر حسب cal / mol.k

4 شبيه سازي عددي فرآيند احتراق مخلوط هاي بيوديزل و گازوئيل در موتور احتراق تراکمي -5-2 محاسبة انتقال حرارت در هر گام براي محاسبة انتقال حرارت بين گازهاي داخل استوانه و ديواره ها از الگوي وشني استفاده گرديد. در اين الگو فرض بر اينست که انتقال حرارت تنها از طريق ديواره هاي محفظة احتراق صورت مي گيرد و به شکل جابجايي و تشعشعي منتقل مي گردد : ( )18 ( )19 ) ha(tg Tw (vmot vcomb ) 0.8 B 0.2T 0.58 dqw P 0.8 ( )25 PinjV f PV f 1 mf vf که mf و Vf بترتيب جرم و حجم سوخت پاششي Pinj فشار سوخت vmot پاششي برحسب ) P (Pa فشار متوسط داخل استوانه برحسب ) (Pa مي باشد بنابراين : ( )20 ( )21 2S.N rps v pis c2 u vcomb ( ) محاسبة نرخ جرمي سوخت پاشيده شده با معلوم بودن فشار پاشش سوخت مي توان مقدار جرم سوخت پاشيده به داخل استوانه در هر گام را محاسبه نمود براي اين کار بايد ابتدا سرعت سوخت خروجي از افشانه را محاسبه نمود : h c1 u v pis vd T2 ) ( P2V2 )( P Pmot ( )24 4Vc )SB SB 2 ) (S (T SB 2 ) A(T ( )26 Pinj P Uf cd 2 vf که vf سرعت سوخت پاشيده شده برحسب) cd (m / s ضريب که dqw نرخ انتقال حرارت لحظه اي از طريق ديواره ها برحسب ) (J تخليه و pf چگالي سوخت برحسب) ( kg / m م ي باشد. اگر dn قطر h ضريب انتقال حرارت از طريق جايجايي گازهاي مجاور ديواره هاي سوراخهاي افشانه بر حسب متر و Nn تعداد سوراخهاي افشانه باشد استوانه A مساحت سطحي که حرارت از طريق آن منتقل مي شود و شار جرمي سوخت پاششي بر حسب ) (kg / deg ب ه صورت ( )27 تعيين تابعي از موقعيت سمبه مي باشد بر حسب ) Tw ( m 2 دماي ديواره هاي مي گردد : استوانه Tg دماي گازهاي داخل استوانه در هر گام زماني برحسب درجه S 2 ( dm f ( )d n v f U f N n u ) ( )27 کلوين فشار داخل محفظة احتراق در هر گام زماني Vr Tr و Pr به 360 u N rps ترتيب دماي گازهاي داخل استوانه حجم استوانه و فشار داخل استوانه در -7-2 محاسبة مهلت اشتعال زمان بسته شدن دريچة هوا زمان شروع پاشش و در زمان شروع احتراق معادالت زيادي براي تخمين مهلت اشتعال وجود دارد که از اين vpis سرعت متوسط سمبه برحسب ) Pmot (m / s فشار موتورگرداني در هر گام زماني و c1 و c2 ضرايب ثابت الگوي انتقال حرارت وشني ميان معادله اي را بدين صورت واتسون پيشنهاد كرده است : 22 مي باشند كه در حالت بهينه با تطبيق مقادير محاسباتي فشار محاسبه -4-2 محاسبة کار انجام شده در هر گام يکي از متغيرهاي عملکردي موتور کاري است که موتور توليد مي كند شده از الگويي با مقادير تجربي آن در مرحلة تراکم به ترتيب برابر و فشار گازهاي درون محفظة احتراق توليد مي كند براي محاسبة مقدار و محاسبه گرديد. با تبديل گام زماني به گام زاويه اي نرخ انتقال کار داخلي (انديکاتوري) انجام شده در هر گام dw مي توان از معادلة حرارت براي يک گام برابر است با : ) dqw A(T )[h(t )(Tg (T ) Tw ( )17 استفاده كرد[ :]7 ( )23 c ( ( ) ]) u ( ) 1 g w dw ) ( P1 P2 )(V2 V1 360u N rps ( )17 براي محاسبة A در هر گام محاسباتي از معادلة ( )24 استفاده که P1 و P2 فشار داخل استوانه در ابتدا و انتهاي گام و V1 و V2 مي گردد : حجم درون استوانه در ابتدا و انتهاي گام مي باشد.

5 بهمن نجفي / محمد خاني ( ) u I 0.2 P 1.02 exp T ¹ W id -8-2 تابع وايب دوتايي براي تشريح احتراق پيش آميخته و آرام در موتورهاي ديزل از تابع وايب دوتايي بدين صورت استفاده مي گردد : dq Qp T M ( M p 1)( ) exp 6.9( ) p Tp Tp Tp dt ¹ ( )30 Qd T M d 1 ) 6.9 T ( M d 1)(T ) exp 6.9(T ¹ ( )31 M f LHV ( )32 q pqt Qp ( )33 Qt Q p Qd Qt شکل 1 نمايش نرخ رهايي گرما در يک موتور ديزل پاشش مستقيم به كمك تابع وايب دوتايي -9-2 شبيه سازي محصوالت احتراق در اين تحقيق براي پيشگويي محصوالت احتراق از الگوي تعادل ( )34 T d 0.93Qd 24.5 شيميايي بر اساس ثابت تعادل که قابليت تخمين تعداد 10 گونه از محصوالت احتراق ( H OH NO CO H2 H2O O2 CO2 که dq/dθ رهايي گرما در هر گام زاويه اي بر حسب ) (J / deg زيرنويس هاي p و d بترتيب به احتراق پيش آميخته و آرام برمي گردد N و )O را دارد استفاده گرديد. اين روش را اوليکارا و بورمان براي θ و θ به ترتيب مدت رهايي انرژي در احتراق پيش آميخته و آرام گونه هاي فاز گازي احتراق سوخت هيدروکربني در سال 1975 ميالدي p برحسب زاوية ميل لنگ و M و M به ترتيب متغيرهاي شکل وابسته به ارائه كردند. اين روش برمبناي استفاده از ثابت هاي تعادل بر اساس به p احتراق پيش آميخته و آرام مي باشند Q انرژي شيميايي کل سوختي است حداقل رساندن انرژي رها گيبس استوار مي باشد. با در نظر گرفتن 10 گونه که در فرآيند احتراق رها مي گردد و Q و Q نيز بترتيب رهايي انرژي براي محصوالت احتراق مخلوط سوخت بيوديزل و گازوئيل( )CD H E OJ p در احتراق پيش آميخته و آرام مي باشند Q. کسري از انرژي سوختي واکنش شيميايي احتراق به اين صورت نوشته مي شود : p W مي باشد که در طول مهلت اشتعال در محفظة احتراق جمع مي گردد و در ( ) u P 1.02 exp id ¹ هنگام احتراق پيش آميخته رها مي شود و Qd مابقي انرژي سوخت است که در اين معادله τ مدت مهلت اشتعال برحسب ميلي ثانيه P که در هنگام احتراق آرام رها مي گردد (شکل Mf.)1 کل سوختي است id و که در هر چرخة موتور محترق مي شود برحسب ) LHV (kg ارزش فشار داخل محفظة احتراق در مدت مهلت اشتعال برحسب ) (bar حرارتي پايين سوخت برحسب ) ( J / kg و qp نيز ضريب احتراق پيش T دماي داخل محفظة احتراق در مدت مهلت اشتعال برحسب) (K مي باشد. معادلة ( )29 را اسانيز و همکاران و با اضافه کردن نسبت هم ارزي آميخته مي باشد. مقادير متغيرهاي Mp θd θp qp و Md براي Ø به آن توسعه داده اند. مهلت اشتعال براي محدودة وسيعي از شرايط سوخت ها و موتورهاي مختلف متفاوت مي باشند [ 9 و.]10 بنابراين براي عملکردي از بار 5 تا %100 و از سرعت دوراني 900 الي 2100 دور بر مخلوط هاي مختلف بيوديزل و گازوئيل هر کدام از اين ضرايب بسته به شرايط عملکردي موتور داراي مقدار مشخصي مي باشند. دقيقه تاييد گرديده است [ :]8

6 شبيه سازي عددي فرآيند احتراق مخلوط هاي بيوديزل و گازوئيل در موتور احتراق تراکمي ( )35 با توجه درصد مولي سوخت بيوديزل DB و گازوئيل DD فرمول كلي مخلوط سوخت بيوديزل CzoH39Oz با گازوئيل C16H30 به صورت C20D 16D H 39D 30D O2 D بدست مي آيد يادآوري : در اين تحقيق سوخت بيوديزل و گازوئيل به صورت حجمي %VB و %VD با هم تركيب شده اند لذا با توجه به چگالي و جرم مولي سوخت بيوديزل خالص و گازوئيل خالص درصد مولي هر يك بدين صورت بدست مي آيد : D D T Bp ( C p D pt E p T 2 )44 Ap Ln 1000 ¹ ) LogK p (T توضيحات بيشتر در اين زمينه در مرجع [ ]11 ذکر شده است. با حل دستگاه معادالت شامل 10 معادله و 10 مجهول به كمك روش تکرار نيوتن - رافسون کسر مولي هر کدام از محصوالت احتراق محاسبه گرديد. -3 نتايج و بحث -1-3 محاسبة ضرايب تابع وايب همان طور که از معادلة تابع وايب ( )43 مشخص است اين تابع داراي %VB u U B u WM B DB %V u U u WM %V u U u WM شش متغير قابل تنظيم مي باشد که عبارتند از qp θd θp Md Mp: و ( )36 D D D Qd با توجه به معادالت ( )31 تا ( )33 تنها چهار متغير θp Mp Mp %VD u U D u WM D DD و qp مستقل از هم هستند. بنابراين براي شبيه سازي نرخ رهايي گرما به ( )37 %VB u U B u WM B %VD u U D u WM D كمك تابع وايب و تطابق نتايج آن با داده هاي تجربي مقادير اين چهار ( F / A) act I متغير با سعي و خطا به ازاي هر مخلوط سوخت بيوديزل و گازوئيل تعيين ( )38 ( F / A) st گردد. عالوه بر نرخ رهايي گرما فشار داخل استوانه نيز با مقادير تجربي اندازه گيري شده در معادالت Ø غناي مخلوط λi كه i=1,2,3,...10 است تعداد قياس مي گرديد. يادآوري : كه با توجه به مقادير) ( P T مول هـاي محصـوالت احتـراق به ازاي واکنش يک مـول سـوخـت با منحني نرخ رهايي گرما نيز محاسبه گرديد. در نهايت براي هر نمونه as / Ø مول هوا ( F / A) act نسبت سوخت به هواي واقعي و ( F / A) st مخلوط سوخت بيوديزل و گازوئيل مقادير بهينه چهار متغير θp Md Mp نسبت سوخت به هواي استوکيومتريک مي باشد. براي تعيين λi هاي معادلة و qp تعيين گرديد و براي سهولت استفاده در الگو معادله اي بين مقادير واکنش شيميايي ( )35 به 10 معادله نياز است تا با حل همزمان آنها اين بهينه و درصد حجمي بيوديزل بدست آمد (شکل هاي و.)5 ضرايب را بدست آورد. با موازنه اتم ها اين معادالت حاصل مي شود : ( )39 ( y1 y s )Y D ( )40 (2 y1 6 y6 y7 y9 )Y E ( )41 ( 2 y1 y 2 2 y4 y5 y8 y 9 y10 )Y J 2a s ( )42 ( 2 y1 y100 )Y 3.75a s I I که Y تعداد کل مول ها و yi درصد مولي گاز i در برابر کل مول ها 10 مي باشد. بنابراين مي توان نوشت : yi 1 0 ( )43 i 0 24 as CD H E OJ I (O N 2 ) o O1CO2 O2 H 2 O O3 N 2 O4 O2 O5CO O H O H O O O OH O NO براي تعيين 6 مجهول ديگر از معادلة تعادل ( )42 استفاده گرديد.

7 بهمن نجفي / محمد خاني شکل 2 تأثير افزايش بيوديزل بر متغير شکل شکل 3 تأثير افزايش بيوديزل بر متغير شکل شکل 6 پيش بيني فشار داخل محفظة احتراق براي گازوئيل خالص شکل 4 تأثير افزايش بيوديزل بر ضريب احتراق پيش آميخته شکل 5 تأثير افزايش بيوديزل بر مدت زمان احتراق پيش آميخته شکل 7 پيش بيني فشار داخل محفظة احتراق براي B قابليت پيش بيني فشار محفظة احتراق نمودارهاي حاصل از شبيه سازي و آزمون هاي تجربي براي مخلوط هاي مختلف بيوديزل و گازوئيل نشان مي دهد که انطباق خوبي بين مقادير محاسباتي و تجربي فشار داخل استوانه وجود دارد (شکل 6 تا.)11

8 شبيه سازي عددي فرآيند احتراق مخلوط هاي بيوديزل و گازوئيل در موتور احتراق تراکمي -3-3 پيش بيني نرخ رهايي گرما مالحظه مي گردد كه انطباق خوبي بين مقادير واقعي و محاسبه شده نرخ رهايي گرما وجود دارد. البته مقداري اختالفاتي نيز بين اين منحني ها ديده مي شود که مي تواند به دليل وجود نوسان در مقادير تجربي و در نظر گرفتن فرضيات ساده کننده باشد. شکل 9 پيش بيني فشار داخل محفظة احتراق براي B60 شکل 12 پيش بيني نرخ رهايي گرما براي گازوئيل خالص شکل 10 پيش بيني فشار داخل محفظة احتراق براي B80 26 شکل 13 پيش بيني نرخ رهايي گرما براي گازوئيل خالص شکل 8 پيش بيني فشار داخل محفظة احتراق براي B40 شکل 11 پيش بيني فشار داخل محفظة احتراق بيوديزل خالص

9 بهمن نجفي / محمد خاني شکل 14 پيش بيني نرخ رهايي گرما براي B40 شکل 18 پيش بيني دماي داخل محفظة احتراق شکل 15 پيش بيني نرخ رهايي گرما براي B60 همان طوري كه انتظار مي رود مقادير پيش بيني شده دماي بيشينة داخل محفظة احتراق را براي مخلوط B20 بيشتر است كه اين امر با افزايش ناگهاني NOx اندازه گيري شده در اين مخلوط سوخت مطابقت دارد. ياد آوري : ساز و كار توليد در موتور احتراق داخلي عالوه بر دماي داخل محفظة احتراق به مقدار اكسيژن نيز بستگي دارد. با افزايش سهم بيوديزل از صفر درصد تا 20 درصد دماي محفظة احتراق افزايش مي يابد و مقدار NOx به صورت جهشي افزايش مي يابد ولي بعد از آن وجود اكسيژن بيوديزل بيشتر مؤثر است و موجب تجزية نيتروژن دو اتمي و توليد بيشتر مي شود(شكل.)19 شکل 16 پيش بيني نرخ رهايي گرما براي B80 شکل 19 انتشار آالينده NOx اندازه گيري شده شکل 17 پيش بيني نرخ رهايي گرما گازوئيل خالص -5-3 پيش بيني مخلوط بهينة بيوديزل و گازوئيل آزمونهاي تجربي موتور فقط با استفاده از شش نوع مخلوط سوخت بيوديزل انجام گرفت و اگر مقدار کار داخلي (انديكاتوري) به عنوان تابع 27 ي محفظة احتراق -4-3 پيش بيني دما شکل 18 مقادير پيش بيني شده دماي داخل محفظة احتراق را در هر درجه از زاوية ميل لنگ براي مخلوط هاي مختلف بيوديزل و گازوئيل نشان مي دهد.

10 شبيه سازي عددي فرآيند احتراق مخلوط هاي بيوديزل و گازوئيل در موتور احتراق تراکمي Downloaded from engineresearch.ir at 17: on Tuesday October 30th 2018 Refrences 1- Ramadhas, A.S., Jayaraj, S., Muraleedharan, C. Theoretical modeling and experimental studies on biodieselfueled engine, Renewable Energy, 31, pp , Huang, C., Yao, M., Lu, C., Huang, Z. Study of dimethyl ether homogeneous charge compression ignition combustion process using a multi-dimensional computational fluid dynamics model, International Journal of Thermal Sciences, 48, pp , Khadem, J. Comparison of Combustion Models of Zero-Dimensional and Quasi- Dimensional in Simulation of Spark Ignition Engines, Sixth International Conference on Internal Combustion Engines, Nov , 2009: Tehran-Iran. 4- Lamaris, V.T., Hountalas, D.T. A general purpose diagnostic technique for marine diesel engines Application on the main propulsion and auxiliary diesel units of a marine vessel. Energy Conversion and Management, 51, pp , Heywood, J. B. Internal Combustion Engine Fundamentals, International Edition, Printed in Singapore, McGraw-Hill, USA, Osmont, A., Catoire, L., Gokalp, I. Thermochemistry of Methyl and Ethyl Esters from Vegetable Oils, ICARECNRS and University of Orleans, France, Woschni, G. A Universally Applicable Equation for the Instantaneous Heat Transfer Coefficient in the Internal Combustion Engine. SAE Paper , Zheng, M., Mulenga, M.C., Reader, G.T., Reader, M., Ting, D., Tjong, J. Biodiesel engine performance and emissions in low temperature combustion, Fuels, 87, pp , Ghojel, J. I. A Study of Combustion Chamber Arrangements and Heat Release in D.I Diesel Engine, SAE Paper , Miyamoto, N., Chikhahisa, T., Murayama, T., Sawyer, R. Description and analysis of diesel engine rater of Combustion and Performance using Wieb s functions. SAE paper , Ferguson, C. R. Internal Combustion Engine. Printed in USA, John Wiley & Sons, USA Najafi B., Piroozpanah V. and Ghobadian B., 2007, Experimental Investigation of Diesel Engine Performance Parameters and Pollution Using Biodiesel, Modares Thechnical And Engineering, Special Issue on Mechanical Engineering, 28, pp ,2007. هدف براي تعيين مخلوط بهينه سوخت بيوديزل با گازوئيل در نظر گرفته درصورتيكه مقدار بهينه مي تواند انتخاب خواهد شد B20 سوخت شود براي اين. نيز باشد B40 تا B20 يا مابين B20 تا B00 اعداد ديگري مابين قابليت الگو در پيش بيني کار داخلي (انديكاتوري) از لحظة منظور ابتدا ) شروع احتراق تا زمان باز شدن دريچة خروجي (شروع مرحلة تخليه براي شش نوع مخلوط سوخت بيوديزل محاسبه شد و با نتايج تجربي نتايج نشان داد كه خروجي الگو معتبر است و روند تغييرات. مقايسه شدند.)21 را درست پيش بيني مي كند(شکل تأثير بيوديزل بر ميزان کار انديکاتوري 20 شکل نرخ پس از آنكه خروجي الگو براي پيش بيني منحني فشار در نهايت دماي محفظة احتراق و توان داخلي (انديكاتوري) تأييد شد رهايي گرما تا 0 طوري برنامه ريزي شد كه سهم بيوديزل را از نرم افزار شبيه سازي به عنوان ورودي در نظر گيرد و توان داخلي %1 درصد با گامهاي 100 نتايج حاصل نشان داد که. را محاسبه كند و در خروجي نمايش مي دهد بيشترين مقدار کار داخلي را گازوئيل %78 بيوديزل و %22 مخلوط حاوي. توليد مي كند و بهينه است نتيجه گيري -4 توافق خوبي را براي نتايج شبيه سازي عددي و آزمون هاي تجربي نتايج حاصل. فشار داخل محفظة احتراق و نرخ رهايي گرما نشان مي دهند بيوديزل و %22 مخلوط سوخت حاوي از شبيه سازي عددي نشان داد. مابقي گازوئيل حالت بهينه اي براي استفاده در موتور ديزل مي باشد 1389 تابستان / شمارة نوزدهم / سال ششم / پژوهشي تحقيقات موتور - فصلنامة علمي 28

11 Downloaded from engineresearch.ir at 17: on Tuesday October 30th 2018 M. KHANI / B. NAJAFI Numerical Simulation of Combustion Process of Biodiesel and Diesel Blending in a Compression Ignition Engine B. Najafi* Assistant Prof. Mechanical Eng. Dept. University of Mohaghegh Ardabili Najafib@uma.ac.ir M. Khani Msc. Student. Mechanical Eng. Dept. University of Mohaghegh Ardabili Mohammadkhani62@yahoo.com *Corresponding Authors Received: Dec. 29, 2009 Accepted in Revised Form: Apr. 21, 2010 Abstract At this study combustion process of biodiesel and diesel blending was simulated with a thermodynamic model in a direct injection diesel engine. Different mixtures of biodiesel and diesel (B00, B20, B40, B60, B80 and B100) examined at maximum torque revolution and at full load on engine. Heat release rate simulated via double wieb s function and heat transfer rate via experimental woschni model. Specific heats of biodiesel compounds (ethyl stearate, ethyl palmitate, ethyl oleate and ethyl linoleate) are determined at confine of temperature of combustion chamber by means of quantum chemistry calculations and using the Gaussian 98 and Gaussian 03 softwares. Theoretical and experimental results for heat release rate and heat transfer rate was compared and was observed a good agreement between its. Keywords: Biodiesel, Numerical Simulation, Single-Zone Model, Double Wieb s Function, Heat Release Rate The Journal of Engine Research/Vol. 19 / Summer 2010