مجموعه مقالات ۲۷ ۲۹ ا بان ۳۸۸ ايران تهران هتل المپيك ICICE-6-1222
بررسي آزمايشگاهي اثر بازخوراني اگزوز بر كارآيي موتورهاي ديزل سبك محسن قاضيخاني دانشيار- دانشگاه فردوسي مشهد m_ghazikhani@yahoo.com محمدابراهيم فيض امير جوهرچي دانشجوي كارشناسي- دانشگاه فردوسي مشهد دانشجوي كارشناسي ارشد- دانشگاه فردوسي مشهد ebi_12704@yahoo.com ajoharchi@gmail.com چكيده بازده حرارتي بالاي موتورهاي ديزل از ديرباز مورد توجه خودروسازان بوده است. به همين دليل امروزه براي كاهش ا لاينده اكسيدهاي نيتروژن كه يكي از مهمترين ا لاينده هاي موتور ديزل مي باشد و بدليل دماي بالاي احتراق ديزل توليد مي شود از روش بازخوراني گازهاي اگزوز بطور گسترده استفاده مي شود. علاوه براين ثابت شده است كه استفاده از ابزار قانون دوم ترموديناميك در بررسي فرا يندهاي ترموديناميكي ديد بهتر و دقيق تري نسبت به شناسايي و بررسي عوامل بازگشت ناپذيري و تلفات انرژي به ما مي دهد. در اين پژوهش يك موتور ديزل سبك تزريق مستقيم و تنفس طبيعي به همراه يك مدار بازخوراني اگزوز به داخل مجراي تنفس از لحاظ قانون دوم ترموديناميك بوسيله يك كار ا زمايشگاهي مورد بررسي قرار گرفته است. هدف اين پژوهش بررسي تاثير اعمال EGR بر كارا يي موتور و بررسي علل ا ن مي باشد. پس از ا ماده سازي بستر ا زمون با انجام ۲۷ مرحله ا زمايش به اين نتيجه ميرسيم كه با افزايش درصد جرمي گازهاي بازخوراني شده در حالت كلي كارا يي موتور رفتار كاهشي از خود نشان ميدهد و منشا اين كاهش افزايش بازگشت ناپذيري داخل سيلندر به دليل تاثير منفي EGR بر احتراق مي باشد. مقدمه از ا نجايي که موتورهاي ديزل به دليل داشتن حجم جابجايي بالاتر نسبت به موتورهاي بنزيني هم تراز خود داراي راندمان حرارتي بيشتري هستند ١ همواره در جهت بهبود کارا يي اين موتورها تلاش هاي زيادي صورت گرفته است[ ١ ]. ٢ از جمله اين تلاش ها استفاده از روش بازگشت دود به موتور جهت کاهش ا لاينده NO x در موتور ديزل مي باشد. روش بازگشت دود با کاهش تمرکز اکسيژن در محفظه احتراق موجب کاهش دماي شعله شده و ترکيبات نيتروژن در خروجي کاهش ميابد[ ١ ].براي بررسي سيستمها و فرا يندها بوسيله قانون دوم ترموديناميك نياز به مفهمومي به نام اگزرژي ميباشد. محتواي اگزرژي يك ماده عبارت است از مقدار پتانسيل ا ن براي توليد كار مفيد و قابل استفاده. اگزرژي بر خلاف انرژي به دلايلي چون احتراق اصطكاك اختلاط و خفقان ميتواند از بين برود. روابط توليد انتقال و تخريب اگرزژي را ميتوان بطور مفصل درمباحث مربوط به ا ن در ترموديناميك جستجو نمود [٢]. ا ناليز قانون دوم در موتورهاي احتراق داخلي عمدتا براي رسيدن به اهداف زير صورت ميگيرد [٣]: ارزيابي فرا يندهاي قسمتهاي مختلف موتور و بررسي ميزان پتانسيل هر قسمت براي توليد كار مفيد. شناسايي فرا يندهايي كه در ا نها تخريب اگزرژي صورت ميگيرد و تلاش براي شناسايي منابع ا ن. ارزيابي كمي تلفات و بازگشت ناپذيريها بررسي تاثير پارامترهاي طراحي و ترموديناميكي در ايجاد تلفات اگزرژي پيشنهاد روشهايي براي به حداقل رساندن تلفات براي افزايش راندمان پيشنهاد روشهايي براي بهره برداري مجدد از تلفات مانند اگزوز گرماهاي دفع شده و غيره. تعيين راندمان قسمتهاي مختلف موتور كه به با اين وسيله ميتوان عملكرد ا نها را مورد بررسي و مقايسه قرار داد. پژوهشهاي بسياري در مورد قانون دوم ترموديناميك براي موتورهاي احتراق داخلي در دهههاي گذشته صورت گرفته است كه بيشترين ا نها طي بيست سال اخير بوده است كه يكي از كلي ترين ا نها پژوهش ا قاي كتون [٤] بوده است. اولين كساني كه به مفهوم قابليت كاردهي انرژي براي تبديل شدن به كار پرداختند كلازيوس تايت توماسون ماكسول و گيبس بودندكه از سال ١٨٦٨ به اين مفهوم توجه نمودند. ولي با توجه به مقالهاي كه توسط گوي در سال ١٨٨٩ منتشر گرديد ترموديناميكدانان اين مقاله را به عنوان سندي براي تولد مفهوم قابليت كاردهي انرژي اعلام مينمايند [٥]. پيشرفتهاي بعدي تا سال ١٩٣٠ كند بود تا اينكه علاقه به كاربرد عملي اگزرژي با رشد تكنولوژي بيشتر مورد توجه واقع شد. مقالههاي منتشر شده توسط بوشجاكويچ ١٩٣٩١٩٣٨ دهه جديدي را در رشد ا ناليز قانون دوم ترموديناميك نشان ميدهد. اين مقالهها به فرمولاسيون كارا يي و تكنيكهاي تعيين كارا يي فرا يندها كمك شاياني كردند[ ٥ ]. رشد در اين زمينه به دليل جنگ جهاني دوم قطع شد. اما در سال ١٩٥٠ با توان بيشتري در اين زمينه شروع به كار شد و ا ناليز اگزرژي جايي براي خود در مهندسي ترموديناميك باز كرد [٥]. در دهه اخير ساستارنويس در زمينه تحليل اقتصادي اگزرژي سيستمها (١٩٩٠) موريس (١٩٩٢) لي (١٩٩٤) موران (١٩٩٩٤) در زمينه تحليل اگزرژي و كاربردهاي عملي ا ن والر وكيم در زمينه ا ناليز اگزرژي سيكل تركيبي تحقيق كردهاند [٥]. هيدروكربنهاي منتشره از خودروها در شكلها و تركيبات متنوعي مي باشند و انتشار ا نها ناشي از شركت نكردن درصدي از سوخت مصرفي در واكنشهاي احتراق مي باشد. احتراق ناقص و جذب درصدي از سوخت بر روي ديواره محفظه احتراق و شكافهاي ريز ا ن از مهمترين عوامل دور ماندن سوخت از احتراق مي باشند. مهمترين نقش هيدروكربنها در ا لودگي هوا شركت فعال ا نها در پديده مه دود است [٦]. ٧٠ درصد ا لاينده منواكسيد كربن ٣٦ درصد ا لاينده هيدروكربنهاي نسوخته ٤٣ درصد ا لاينده اكسيدهاي نيتروژن موجود در اتمسفر از خودروها ميباشد [٧]. اگرچه ميزان نشر ا لاينده اكسيدهاي نيتروژن كمتر از منواكسيد كربن ميباشد ولي ميزان سمي بودن ا لاينده دياكسيد نيتروژن براي انسان ده برابر منواكسيد كربن ميباشد [٨]. از بين روشهاي مختلف جهت كاهش ا لاينده NO x روش بازخوراني گازهاي اگزوز از سال ١٩٦٠ جهت كنترل ا لايندة منواكسيد نيتروژن پيشنهاد شده است [٩]. در اين روش مقداري از گازهاي اگزور خروجي از مانيفولد دود جدا شده و وارد مانيفولد هوا و سپس وارد موتور ميشود. شكل ١ نماي سادهاي از اين سيستم را نشان ميدهد [١]. 1 Eectiveness 2 EGR (Exhaust Gas Recirculation)
شكل ١: نماي شماتيك سيستم بازخوراني گازهاي اگزوز از دهة ١٩٥٠ ابتدا در ايالات متحده و سپس در اروپا و ژاپن و اخير ا در ايران استانداردهايي در جهت كنترل ميزان NO x و ساير ا لايندهها در موتورهای احتراق داخلی بوجود ا مده است. در اين راستا محققين و دانشمندان زيادي در جهت كاهش ا لاينده هاي خروجي از خودروهها اعم از ديزلي يا بنزيني كار كردهاند كه از اين روشها مي توان استفاده از مبدلهاي كاتاليستي بازخوراني گازهاي خرروجي اگزوز و تزريق ا ب به محفظة احتراق را نام برد[ ١۰ ]. تا كنون كارهاي بسياري در زمينه بازخوراني گارهاي اگزوز انجام شده است. هونتالاس و همكاران [١١] تاثير دماي سيال EGR را روي عملكرد و ا لايندگي موتور ديزل سنگين مورد بررسي قرار دادهاند. ميبوم و همكاران [١٢] تاثير EGR را روي ا لايندگي و احتراق موتور ديزل تزريق مستقيم مورد بررسي قرار دادهاند. الداجا و همكاران [١٣] تاثير EGR را روي كيفيت روغن موتور و سايش موتور مورد بررسي قرار دادهاند. سليم [١٤] تاثير EGR را روي عملكرد موتور ديزل دوسوخته از جمله راندمان حرارتي و افزايش فشار احتراق مورد بررسي قرار داده است. انگريل و همكاران [١٥] تاثير EGR را روي تشكيل دوده در شعلههاي پخشي بررسي كردهاند. داس و همكاران [١٦] تاثير EGR را روي كنترا ا لايندگي اكسيدهاي نيتروژن در يك موتور پايه هيدروژني چند سيلندره اشتعال جرقهاي مورد بررسي قرار دادهاند. با توجه به مطالب بالا اهميت تحليل فرا يندها بوسيله قانون دوم ترموديناميك بر كسي پوشيده نيست. همچنين بدليل گسترش و اهميت استفاده از روش بازخوراني گازهاي اگزوز در خودروهاي امروزي و ا ينده و با توجه به اينكه پژوهشهاي بسياري در تاثير بازخواني گازهاي اگزوز بر عملكرد و پارامترهاي موتورهاي احتراق داخلي و بخصوص موتور ديزل صورت گرفته است نويسندگان اين مقاله را بر ا ن داشت تا تاثير ميزان بازخوراني گازهاي اگزوز در شرايط مختلف عملکرد موتور ديزل سبک بر راندمان قانون دوم ترموديناميك را مورد بررسي قرار دهند. اين بررسی باهدف نحوه تاثير بازخورانی برتخريب اگزرژی در موتورهای ديزل صورت گرفته است. بستر ا زمايش بستر ا زمايش اين پژوهش از يك موتور ديزل پركينز دينامومتر مخزن هوا مجهز به اريفيس يونيت كامپيوتري براي اندازهگيري دقيق دماها يك سرعت سنج ديجيتالي ثابت و مخزن سوخت ديزل مجهز به يك پيپت مدرج جهت اندازهگيري يرعت مصرف سوخت تشكيل شده است. ديزل مورد ا زمايش بدين شرح ميباشد: مشخصات موتور دينامومتر مورد اسفاده از نوع هيدروليکي هنن و فرود DDX با ظرفيت ١١٢ کيلووات و با ماکزيمم سرعت rpm ٧٥٠٠ مي باشد. ا ب مورد نياز دينامومتر از يك مخزن اصلي ٥٠٠٠ ليتري و مخرن كمكي ٥٠٠ ليتري تامين ميشود. ا ب خروجي به دينامومتر ابتدا در مخرن كوچكتر جمعا وري ميشود و سپس بوسيله يك پمپ هر ١٥ دقيقه يك بار به مخزن بزرگ منتقل ميشود. همچنين براي خنک کاري روغن موتور از يک مبدل حرارتي از نوع پوسته لوله با دبي قابل تنظيم استفاده شده است. در اين بستر ا زمون از يك مخزن هوا براي اندازهگيري دبي هواي ورودي به مانيفولد تنفس و همچنين از يك اريفيس كه روي اين مخزن نصب شده است براي اندازهگيري فشار هواي ورودي استفاده شده است. سيستم رايانهاي به يك برد اينترفيس و سپس به ٣ ترموكوپل براي اندازهگيري دقيق دماي هواي ورودي به مخزن هوا هواي ورودي به موتور (پس از اختلاط با گازهاي بازخوراني شدة اگزوز) و گازهاي خروجي از اگزوز متصل شده است. از يك سرعت سنج ديجيتالي ثابت براي اندازهگيري سرعت دوراني موتور استفاده شده است. حسگر اين سرعتسنج در محل محور خروجي از موتور و متصل به دينامومتر قرار گرفته است. مخزن سوخت ديزل موتور شامل لولههاي رفت و برگشت سوخت به موتور و يك پيپت مدرج ميباشد. اين پيپت در فواصل ٥٠ سيسي مدرج شده است. بوسيله يك كرنومتر زمان پايين ا مدن سوخت از يك خط تا خط ديگر اندازه گيري شده و با دانستن دانسيته سوخت ميتوان دبي سوخت مصرفي را اندازهگيري نمود. براي بازگرداندن گازهاي اگزوز از يك لوله بازگشت دود از نوع پرفشار و ١ بدون ميان سردكن و با يك شير تنظيم از نوع كشويي تشكيل شده است. شكل ٥ نمايي كلي از بستر ا زمون را نشان ميدهد. جدول ١ ميزان خطاي وسايل اندازهگيري را نشان ميدهد. جدول : خطاهاي وسايل اندازهگيري مورد استفاده نوع وسيله اندازهگيري دبيسنج (روتامتر) فشارسنج اگزوز (عقربهاي) اريفيس ترموكوپل كرنومتر رطوبتسنج فشار سنج محيط (بارومتر) دينامومتر دورسنج موتور دماسنج خنككن روغن دماسنج خنككن رادياتور دماسنج ا ب ورودي به موتور نحوه انجام ا زمايش ميزان خطا واحد Lit/min mmhg mm C ثانيه % mmhg N/m rpm C C C ۵ ۰/۰ ۰/ ۰/ ۲ ۵ ۵ مدل: پركينز 4/108 ديزل سرعت ماكزيمم rpm 4500 قطر سيلندر: 79/8 ميلي متر ماكزيمم قدرت: 28 كيلووات كورس پيستون: 88/9 ميلي متر نسبت تراكم 1:22 حجم جاروب شده: 1760 سي سي براي انجام ا زمايشات ابتدا ا زمايش عملکرد موتوربا بدست ا وردن منحني گشتاور ماکزيمم بر حسب دور ا ن (شكل ٢) انجام شده است. 1 Gate Valve
لازم به ذکر است در هر مرحله از انتخاب گشتاور و سرعت موتور دبي جرمي پاشش سوخت به موتور توسط شانه گاز درحالت بدون گازهای بازخورانی ثابت شده است (تا با ميزان ثابت اگزرژی سوخت ورودی تاثير بازخورانی بررسی شود) و تا رسيدن به مراحل بعد ثابت ميماند. شروع محاسبه جرم و حجم هواي ورودي به مخزن با استفاده از رابطه (5) حدس مقداري براي جرم EGR شكل 2: نمودارتجربي مشخصه موتور ديزل سپس ا زمايشي ديگر براي رسم نمودار ميزان اختلاف ارتفاع ا ب در دو لوله اريفيس بر حسب سرعت دوراني موتور انجام ميشود. از اين نمودار يك رابطه تجربي بين سرعت دوراني موتور و h اريفيس بدست ميا يد كه از اين رابطه در محاسبه ميزان درصد جرمي گازهاي بازخوراني شده بوسيله شير تنظيم استفاده ميشود. بدين منظور يك كد كامپيوتري توسط نرمافزار MTLB نوشته شده است كه بوسيله ا ن ميتوان با مشاهده ميزان h اريفيس به درصد جرمي گازهاي بازخوراني شده پي برد. الگوريتم اين كد كامپيوتري و همچنين نمودار h بر حسب N در شكلهاي ٢ و ٣ نشان داده شده است. محاسبه h از روي منحني تجربي h بر حسب N محاسبه حجم EGR بر مبناي جرم حدس زده شده و فشار ودماي اگزوز محاسبه حجم هواي وارد شده در صورت عدم استفاده از EGR محاسبه حجم و جرم هواي خالص وارد شده به موتور در صورت استفاده از EGR محاسبه جرم جديد EGR بر مبناي درصد مورد نظر EGR گذاشتن مقدار جرم جديد EGR در جرم حدس زده شدة EGR خير اختلاف جرم محاسبه شده و جرم حدس زده شدة EGR كمتر از ε است بلي محاسبه h و اعمال آن بر روي موتور پايان شكل ٣: نمودار تجربي ارتفاع ا ب در اريفيس بر حسب دور موتور با توجه به نمودار بالا به رابطة تجربه زير ميرسيم: h = 5.56 10 9 N + 0.0004N 4.02 10 3 + 4.208 10 6 5 N 2 (1) ا زمايش اصلي در ٢٧ مرحله در ٣ دور ٢٠٠٠ ١٥٠٠ و ٣٠٠٠ دور در دقيقه انجام ميشود. در هر سرعت مشخص ا زمايش با سه گشتاور مختلف %٢٥ %٥٠ و %٧٥ از حداكثر گشتاور موتور در منحني عملكرد و در هر گشتاور اعمالي با سه ميزان بازخوراني بترتيب صفر ١٠ و ٢٠ درصد ا زمايشات انجام شده است. سپس در هر مرحله پارامترهاي مورد نياز از روي وسايل اندازهگيري موجود خوانده و ثبت ميشود. همچنين شرايط ا زمايشگاه بوسيلة يك دماسنج يك فشار سنج و يك رطوبت سنج نصب شده در ا زمايشگاه اندازهگيري و ثبت شده است. شكل 4: الگوريتم محاسبه درصد جرمي گازهاي بازخوراني شده روابط مورد استفاده مطابق تعريف راندمان قانون دوم ترموديناميك عبارت است از نرخ اگزرژي خروجي به نرخ اگزرژي ورودي. تعبير راندمان قانون دوم براي يك موتور احتراق داخلي بدين صورت نوشته ميشود [۳]: br ε = (٢) uel + W + air
H P 2 0 a & a = 0.00001232D (۶) Ta m براي محاسبه اگزرژي جرياني گازهاي خروجي اگزوز داريم [۸]: T T P ( ) 0 b = h h T s so RLn (۷) 0 0 P در رابطه بالا مقادير ا نتالپي و انتروپي از جداول ترموديناميكي هوا با فرض گرماي ويژه متغير استخراج ميشوند. اگزرژي هواي ورودي به موتور نيز از رابطة زير محاسبه ميشود [۸]: air = m& air bair (۸) bair = ( hair h0 ) T0 ( sair s0 ) (۹) در محاسبه اگزرژي هواي ورودي و گازهاي اگزوز خروجي از محاسبه اگزرژي شيميايي ا ن بدليل ناچيز بودن بودن در مقايسه با اگزرژی ترمومکانيکی صرفنظر شده است [۸]. ولي در محاسبة اگزرژي سوخت اگزرژي غالب از نوع شيميايي ميباشد و عمدتا از اگزرژي ترمومكانيكي سوخت صرفنظر ميشود [۹] ولي در اين پژوهش اگزرژي ترمومكانيكي سوخت نيز طبق روابط زير محاسبه شده است. = m& ( b + ach ) (۰) كه در ا ن [۸]: T ( ) F b = C T T 0 C Ln (١) T0 زارگوت و استريليسكا [۲۰] رودريگز [۲] و استپانو [۲۲] روابط متعددي براي محاسبه كار ترمزي از رابطه زير استفاده ميشود: W br = T ( N. m) ω( rad / s) اگزرژي گازهاي خروجي اگزوز از رابطة زير محاسبه ميشود: = m& b (٤) (٣) كه در ا ن با استفاده از قانون بقاي جرم داريم: m & = m& + m& air (۵) كه در رابطه بالا دبي سوخت بوسيله پيپت مدرج مخزن سوخت اندازهگيري ميشود. مشخصات سوخت مصرفي در پيوست مقاله ا ورده شده است. براي محاسبه دبي هواي ورودي به موتور ۲ حالت داريم. حالت اول حالتي است كه شير بازگشت دود به مانيفولد ورودي باز باشد. در اين حالت دبي هواي ورودي به موتور كه قسمتي از ا ن هواي محيط و قسمتي از ا ن گازهاي اگزوز است بوسيله كد كامپيوتري مذكور محاسبه ميشود. در حالت دوم كه اين شير بسته است دبي هواي ورودي از رابطه زير محاسبه براي اگزرژي شيميايي انواع سوختهاي مايع فسيلي و گازي شكل ا وردهاند. بر اين اساس براي سوختهاي مايع با ساختار شيميايي C z H y O p S q كه در موتورهاي احتراق داخلي استفاده ميشود [۲۲] بر اساس پژوهش Szargut و Styrylska بدين صورت بيان شده است: y p a ch = LHV[1.0401+ 0.01728 + 0.0432 z z (٢) q y + 0.2196 1 2.0628 ] z z رابطهاي كه براي سوختهاي مايع بدون گوگرد (بر مبناي كيلوگرم) پيشنهاد شده است بدين صورت است [۲۳]: y 0. 042 a ch = LHV 1.04224 + 0.011925 (٣) z z مشخصات سوخت مورد استفاده بدين شرح است: نوع سوخت: وزن ملوكولي: فرمول شيميايي : ديزل سبك 170 C n H 1.8n (l) چگالي: 0.84 gr/cm 3 گرماي ويژه : K 2/2 KJ/ Kg. ارزش حرارتي پايين: ارزش حرارتي بالا: 43/2 MJ/Kg 46/1 MJ/Kg فشار رطوبت و دماي هواي محيط ا زمايشگاه بر دبي هواي ورودي و قدرت موتور تاثير ميگذارد. برای استاندارد نمودن نتايج از ضرايب تصحيح براي تطبيق دادن شرايط ا زمايشگاه با شرايط استاندارد استفاده ميشود. طبق تعريف براي ضريب تصحيح قدرت داريم [۲۴]: 1 P 2 s, d Tm C = (۴) Pm Pv, m Ts كه در روابطه بالا شرايط استاندارد طبق جدول زير مشخص ميشود [۲۴]: 21 24 1 22 20 8 3 19 23 18 15 9 16 Diesel Engine 5 4 13 18 6 7 17 14 11 2 12 10 16- شير بازخوراني گازهاي اگزوز 17- دماسنج آب ورودي به رادياتور 18- دبي سنج 19- دماسنج آب خروجي از رادياتور 20- مخزن هوا ميشود [۷]: 1- مانيفولد هوا 2- مانيفولد دود 3- لولههاي رفت و برگشتي سوخت 4- سنسور دورسنج 5- دينامومتر 6- محور بارگذاري دينامومتر 7- نشاندهنده گشتاور دينامومتر 8- لولههاي ورود و خروج آب به دينامومتر 9- گاردان 10- بورد اينترفيس 11- كامپيوتر 21- اريفيس 22- هواي محيط وردي به مخزن هوا 23- ترموكوپل اندازهگيري دماي هواي ورودي به مخزن هوا 24- ترموكوپل اندازه گيري دماي هواي ورودي به موتور (پس از اختلاط با گازهاي اگزوز بازخوراني شده) شكل : 5 بستر آزمون 12- فشارسنج گازهاي اگزوز 13- منبع اگزوز (صدا خفهكن) 14- خروجي اگزوز به محيط 15- لوله بازخوراني گازهاي اگزوز
جدول ۲ شرايط استاندارد ا زمايشگاهي بررسي و تحليل نتايج پس از انجام ا زمايشات و جمعا وري اطلاعات ا زمايش و پردازش ا نها بوسيله روابط موجود نتايج ا زمايش در قالب نمودارهاي زير بدست ميا يد. 0.33 0.31 N =1500 rpm % 25 ماكزيمم گشتاور % 50 ماكزيمم گشتاور % 75 ماكزيمم گشتاور 0.29 0.27 0.25 0.23 كارا يي شكل ٩: نمودار تغييرات بازگشت ناپذيري سيلندر با افزايش EGR در دور rpm ۵۰۰ در بارهاي مختلف موتور پركينز ۴/۰۸ 0.21 0.19 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 درصد جرمي گازهاي بازخوراني شده شكل 6: كارآيي بر حسب درصد جرم EGR در دور rpm 1500 در بارهاي مختلف موتور پركينز 4/108 0.33 0.31 0.29 0.27 N =2000 rpm % 25 ماكزيمم گشتاور % 50 ماكزيمم گشتاور % 75 ماكزيمم گشتاور كارا يي 0.25 0.23 0.21 0.19 0.17 0 5 10 15 20 درصد جرمي گازهاي بازخوراني شده شكل 7: كارآيي بر حسب درصد جرم EGR در دور rpm 2000 در بارهاي مختلف موتور پركينز 4/108 شكل ١٠: نمودار تغييرات بازگشت ناپذيري سيلندر با افزايش EGR در دور rpm ۲۰۰۰ در بارهاي مختلف موتور پركينز ۴/۰۸ 0.4 0.35 N =3000 rpm % 25 ماكزيمم گشتاور % 75 ماكزيمم گشتاور % 100 ماكزيمم گشتاور 0.3 كارا يي 0.25 0.2 0.15 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 درصد جرمي گازهاي بازخوراني شده شكل 8: كارآيي بر حسب درصد جرم EGR در دور rpm 3000 در بارهاي مختلف موتور پركينز 4/108 شكل ١١ : نمودار تغييرات بازگشت ناپذيري سيلندر با افزايش EGR در دور rpm ۳۰۰۰ در بارهاي مختلف موتور پركينز ۴/۰۸
Irreversibility, 68% N=1500 rpm Exhaust, 1% Heat, 8% Work, 23% شكل ۲1: نمودار قطاعي سهم هر پارامتر از اگزرژي سوخت در دور ۵۰۰ rpm Irreversibility, 72% N=2000 rpm Exhaust, 2% Heat, 5% Work, 21% شكل ۳ : نمودار قطاعي سهم هر پارامتر از اگزرژي سوخت در دور ۵۰۰ rpm Irreversibility, 74% N=3000 rpm Exhaust, 2% Heat, 5% Work, 19% شكل ۴ : نمودار قطاعي سهم هر پارامتر از اگزرژي سوخت در دور ۵۰۰ rpm كاهش دماي احتراق و در نتيجه اين امر منجر به كاهش محتواي اگزرژي گازهاي حاصل از احتراق شده و در نتيجه باعث كاهش راندمان قانون دوم موتور ميشود. كاهش گشتاور خروجي از موتور كه باعث كمتر شدن عبارت اگزرژي مربوط به اين پارامتر ميشود. با فرض موتور به عنوان يك ماشين حرارتي با منبع سرد با دماي ثابت با اعمال EGR بر موتور ماكزيمم دماي احتراق و در نتيجه دماي منبع گرم ماشين حرارتي مفروض كاهش مييابد كه طبق تعريف راندمان قانون دوم اين امر باعث كاهش راندمان ميشود. سوخته شدن هيدروکربن هاي نسوخته موجود در اگزوز در اثر بازگشت مجدد به محفظه احتراق. با توجه به شكل ٩ همانطور كه مشاهده مي شود در سرعت پاي ين (١٥٠٠ (rpm و بار كم بازگشت ناپذيري با افزايش EGR كاهش پيدا مي كند. زيرا با توجه به اينكه در سرعت پاي ين زمان بيشتر است اعمال EGR باعث به لحاظ حرارتي و واكنشي باعث كم شدن افت زماني احتراق مي شود و باعث مي شود كه احتراق در زاويه كمتري بعد از TDC كامل شود. در نتيجه كار حاصل از احتراق افزايش پيدا كرده و با توجه به رابطه بالانس اگزرژي بازگشت ناپذيري كاهش پيدا مي كند. نتيجه اين كاهش بازگشت ناپذيري در شكل ٦ مشخص است كه در بار كم بر خلاف روند ساير نمودارهاي كارا يي با افزايش EGR كارا يي افزايش پيدا مي كند. همانطور كه در شكل هاي ١٠ ٩ و ١١ مشاهده مي شود با افزايش EGR بازگشت ناپذيري افزايش پيدا مي كند. زيرا ميزان بازگشت ناپذيري داخل سيلندر رابطه مستقيم با ميزان سوختي كه در ناحيه پيش ا ميخته محترق مي شود دارد و به دليلي اينكه EGR باعث افزايش ناحيه پيش ا ميخته مي شود در نتيجه شاهد افزايش بازگشت ناپذيري در اين نمودارها هستيم. گسترش ناحيه پيش ا ميخته منحني گرماي ا زادشده را مسطح تر مي كند. كه اين امر باعث كاهش ماكزيمم دماي سيكل مي شود. احتراقي كه در دماي پاي ين تر و گراديان دماي بيشتر بيشتر به دليل اعمال EGR رخ مي دهدكارا يي كمتري داردو بازگشت ناپذيري بيشتري توليد مي كند. جمعبندي و نتيجهگيري همانطور كه در نمودارهاي فوق مشاهده ميشود با افزايش درصد جرمي دود بازخوراني شده به داخل مانيفولد هواي ورودي از كارا يي موتور كاسته ميشود. همچنين با افزايش بار روي موتور بر راندمان قانون دوم افزوده ميشود. با بررسي دقيقتر نمودارهاي مشاهده ميشود كه با افزايش سرعت موتور رفتار كاهشي راندمان قانون دوم سرعت بيشتري به خود گرفته و شيب نمودارها بيشتر ميشود همچنين از نمودارهاي شكل ١٢ ١٣ و ١٤ مشخص مي شود كه قسمت اعظم اگزرژي سوخت تبديل به بازگشت ناپذيري و كمترين ا ن از طريق اگزوز از موتور خارج مي شود.. اين كاهش كارا يي از نظر نويسنده به دلايل زير رخ ميدهد: گرم شدن هواي ورودي به موتور در اثر مخلوط شدن با گازهاي اگزوز كه اين امر منجر به افزايش محتواي اگزرژي هواي ورودي و كاهش راندمان قانون دوم ميشود. با توجه به تحقيق صورت گرفته مشاهده ميشود با اينكه بازخوراني گازهاي اگزوز داراي مزاياي بسياري بخصوص از لحاظ زيست محيطي است داراي معايبي نيز ميباشد كه يكي از ا نها تاثير منفي اين سيستم در كارا يي ميباشد. فهرست علاي م W نرخ كار اگزرژي b اگزرژي جرياني h آنتالپي s انتروپي m& دبي جرمي P فشار
[11] D.T. Hountalas, G.C. Mavropoulos, K.B. Binder. Eect o aust gas recirculation (EGR) temperature or various EGR rates on heavy duty DI diesel engine perormance and emissions Energy, Vol. 33, pp. 272-283, 2008. [12] lain Maiboom, Xavier Tauzia, Jean-François Hétet, Experimental study o various eects o aust gas recirculation (EGR) on combustion and emissions o an automotive direct injection diesel engine Energy, Vol. 13, pp. 22-34, 2008. [13] S. ldajah, O.O. jayi, G.R. Fenske, I.L. Goldblatt, Eect o aust gas recirculation (EGR) contamination o diesel engine oil on wear 16th International Conerence on Wear o Materials, 2007. [14] Selim, M. Y. E., Eect o aust gas recirculation on some combustion haracteristics o dual uel engine Energy Conversion and Management, Vol. 44, pp. 709-723, 2003. [15] O. ngrill, H. Geitlinger, T. Streibel, R. Suntz, H. Bockhorn, Inluence o aust gas recirculation on soot ormation in diusion lames ; Symposium (International) on Combustion, Vol. 28, pp. 2643-2649, 2000. [16] L.M. Das, R. Mathur, Exhaust gas recirculation or No x control in a multicylinder hydrogen-supplemented S.I. engine International Journal o Hydrogen Energy, Vol. 18, pp. 1013-1018, 1993. [17] PLINT ir Consumption measurement Model TE40 User Manual [18] K. Wark dvanced thermodynamics or Engineers, McGraw Hill Inc, 1995. [19] Flynn PF, Hoag KL, Kamel MM, Primus RJ., new perspective on diesel engine evaluation based on second law analysis SE paper no. 840032. Warrendale, P: Society o utomotive Engineers Inc; 1984. [20] Szargut J, Styrylska T. ngena rhte bestimmung der exergie von brennstoen Brennst-Wa rme-krat 1964;16:589 96. [21] Rodriguez L. Calculation o available-energy quantities. In: Gaggioli R, editor. Thermodynamics: second law analysis. Washington, DC: merican Chemical Society Symposium; p. 39 59, 1980. [22] Stepanov Vs. Chemical energies and exergies o uels Energy, Vol. 20:235 42, 1995. [23] Moran MJ. vailability analysis: a guide to eicient energy use New Jersey: Prentice-Hall; 1982. [24] Heywood JB. Internal combustion engine undamentals. New York: McGraw-Hill; 1988 T ε C H ω br out in ch 0 S D m v T دما راندمان قانون دوم گرماي ويژه ارتفاع آب در اريفيس سرعت دوراني زير نويس ها ترمزي خروجي ورودي سوخت شيميايي اگزوز محيط هوا استاندارد هواي خشك شرايط محيطي بخار آب بالانويسها مولفه گرمايي مراجع: [1]- Ming Zheng, Graham T. Reader, J. Gary Hawley, "Diesel engine aust gas recirculation- a review on advanced and novel concepts", Energy conversion & Management, 45 (2004) 883 900 [2] Moran MJ, Shapiro HN. Fundamentals o engineering thermodynamics. New York: Wiley; 2000. [3] C.D. Rakopoulos, E.G. Giakoumis, Second-law analyses applied to internal combustion engines operation Progress in Energy and Combustion Science, Vol. 32, pp. 2-47, 2006. [4] Caton J. review o investigations using the second law o thermodynamics to study internalcombustion engines SE paper no. 2000-01-1081. Warrendale, P: Society o utomotiveengineers Inc; 2000. [5] Kotas, T.J. The exergy analysis o thermal plants Kreiger publishing company Florida, 1995. [6] rthur C.Stern, ir pollution Vol. 5, ir quality management, Third edited, cademic Press inc. [7] Degobert, utomobiles and pollution Edition Technip paris, France. 1995. [8] Stoker, H.S., Seoger, S.L. Environment chemistry: air and water pollution Scott, oresman and company Glenview, Illinois. 1972. [9] Ladomatos, N., bdelhalim, S.M. and Zhao, H. Eect o aust gas recirculation temperature on diesel engine combustion and emissions Journal o utomobile Engineering. Vol. 212, 1998. [10] Rosen M.. Clariying thermodynamics eiciencies and losses via exergy Exergy an international journal, Vol. 2, 3-5, 2002