دانلود پایان نامه ارشد درمورد مشخصه‌های کارکردی و عوامل فیزیکی

مرحله‌ی تأخیر در اشتعال
مرحله‌ی احتراق سریع (کنترل نشده یا پیش‌آمیخته)
احتراق پخشی یا دیفیوژنی
دنباله‌ی احتراق
شکل 2- 4: نمونه ای از تغییرات فشار برحسب زاویه‌ی میل لنگ در موتور اشتعال تراکمی [5]
فرآیند احتراق موتورهای اشتعال جرقه‌ای با جرقه‌زنی شمع به سرعت شروع می‌شود و بلافاصله انتشار می‌یابد. در نتیجه این موتورها، چون نسبت تراکم کمتری نسبت به موتورهای دیزلی دارند، فشارهای احتراق پایین و در نتیجه گشتاور کم و متوسطی تولید می‌کنند. از طرفی موتورهای دیزل دارای محدوده‌ی کاری وسیعی هستند که از آن در خودروهای سواری تا لوکومتیو‌ها، کشتی‌ها، نیروگاه‌های حرارتی و کامیون‌ها می‌توان استفاده کرد. با توجه به اینکه ماهیت اشتعال و شروع احتراق در موتورهای دیزلی به صورت خوداشتعالی و انتشار شعله‌ی‌ تدریجی و آرام می‌باشد، این موتورها عموماً کم‌دور هستند؛ ولی چون فشارهای احتراق بالایی دارند، در همین سرعت‌های کم، گشتاور بالایی تولید می‌کنند. همچنین به علت وجود نسبت تراکم بالاتر، که منجر به بازده حرارتی بیشتر نیز می‌شود، مصرف سوخت موتورهای دیزلی در مقایسه با موتورهای بنزینی کمتر است.
مراحل مختلف مطالعه‌ی فرآیند موتور عبارتند از:
تزریق افشانه‌ی سوخت به داخل محفظه‌ی احتراق و بررسی خصوصیات افشانه‌ی پاشش شده تحت تأثیر عوامل فیزیکی و یا ساختاری انژکتور یا محفظه؛ مانند فشار و دمای انژکتور و محفظه، قطر سوراخ نازل، ابعاد محفظه‌ی احتراق و….
بررسی چگونگی اختلاط سوخت با هوا در داخل محفظه؛ که از شاخص‌هایی مانند نسبت هم‌ارزی برای ارزیابی کیفیت اختلاط استفاده می‌شود. چنانچه سوخت همگن‌تری داخل محفظه ایجاد شود -به‌ترتیبی که به‌ازای هر کسر جرمی از سوخت، هوای کافی موجود باشد- می توان انتظار داشت که احتراق استوکیومتریک، که بیشترین انرژی را آزاد می‌کند، در طی فرایند احتراق ایجاد شود.
شروع فرآیند احتراق، فاز بعدی مطالعه بوده و رکن اساسی در مطالعه‌ی موتور به شمار می‌رود؛ چراکه پدیده‌ی انتقال جرم، حرارت و انتقال گرما به‌صورت آنی با درجه‌ی آشفتگی بالا اتفاق می‌افتد که تاکنون مدل‌سازی و پیاده نمودن فرمول ریاضی و شیمیایی نیز در این زمینه تکمیل نشده است. از طرف دیگر تمامی اصلاحات موتور به امید ثمربخش بودن در این فاز طرح‌ریزی و عملیاتی می‌شود.
مرحله‌ی پسا احتراقی نیز از مهم‌ترین مراحل مطالعاتی موتور به شمار می‌رود که بیشتر برای بررسی آلاینده‌های منتشره در ضمن واکنش‌های شیمیایی مرحله‌ی قبل به‌کار می‌رود. همچنین با توجه به اینکه قسمت عمده‌ای از گازهای خروجی با دمای بالا بدون استفاده از سوپاپ خروجی خارج می‌شوند، یافتن راهکاری جهت استفاده از این پتانسیل، بخشی از کار محققان را برای افزایش راندمان موتور تشکیل می‌دهد.
2-7- مروری بر منابع
در مطالعات قبلی تاثیر پارامترهای ساختاری موتور و شرایط مرزی حاکم بر مسئله و نیز نوع سوخت استفاده‌شده مورد بررسی قرار گرفته است. با توجه به نتایج به‌دست آمده، مکان قرارگیری کاسه‌ی پیستون و شعاع آن می تواند به نحو چشم گیری باعث تغییر در اختلاط سوخت پاشش شده و هوای محفظه گردد که به نوبه‌ی خود می‌تواند احتراق و راندمان موتور را تحت تاثیر قرار دهد. می‌توان با تغییر شرایط مرزی حاکم بر مسئله و نیز در نظر گرفتن تاثیر هم‌زمان آن‌ها، شرایطی که می تواند منجر به افزایش هم‌زمان عملکرد و کاهش آلاینده‌ها گردد را به‌دست آورد. در همین راستا در موتورهای دیزل، مخلوط سوخت-هوای تزریقی به داخل محفظه‌ی احتراق، تاثیر به‌سزایی بر واکنش شیمیایی احتراق، تولید انرژی و گرما، و غلظت گونه‌های مولی گازهای خروجی خواهد داشت [12]. یکی از رهیافت‌های چشم‌گیر می‌تواند تغییر در هندسه‌ی محفظه باشد، زیرا می‌تواند میزان برخورد و رسوب قطرات سوخت بر دیواره و نسبت هم‌ارزی مخلوط سوخت، و نحوه‌ی اثرگذاری فشار ایجاد شده را در مرحله‌ی پسااحتراقی تحت تاثیر قرار دهد [13] و [14].
لی و همکاران [15] کاری عددی در رابطه با نقش مختصات محفظه‌ی احتراق بر احتراق و آلایندگی موتور دیزلی که با سوخت بیو‌دیزل کار می‌کند، انجام داده‌اند. بر مبنای این کار، محفظه‌ای که دارای مساحت سطح کمتری است، در دورهای پایین ارجح می‌باشد.
جایچاندر و همکاران [16] تاثیر زمان‌بندی تزریق سوخت و شکل هندسه‌ی کاسه با دو وضعیت متفاوت را مورد بررسی قرار دادند که بر مبنای آن راندمان حرارتی ترمزی بهبود یافت و مصرف سوخت ویژه با استفاده از نوعTCC در مقایسه با نوع HCC کاهش یافت. عمده‌ی کارهای انجام شده در این حیطه بر روی شکل‌های هندسی پیش ساخته با انواع مختلف نامی می‌باشد که نمی‌توانند با ثابت ماندن سایر مؤلفه‌های هندسی، توجیه مناسبی در اثر‌گذاری مکان قرارگیری کاسه‌ی پیستون و فاصله از محور مرکزی محفظه‌ی پیستون بر پارامترهای خروجی موتور، داشته باشند. در این کار با ثابت نگه‌داشتن تمامی مؤلفه‌های هندسی محفظه، تنها شعاع کاسه‌ی پیستون با گام‌های مساوی مشخص و نیز فاصله‌ی افقی دیواره‌ی خارجی کاسه تا محور مرکزی پیستون با گام‌های مساوی مدل‌سازی شده است.
از سایر عواملی که قابلیت مطالعه‌ی موردی دارد، می‌توان به کیفیت و نوع پاشش افشانه‌ی سوخت از انژکتور اشاره کرد. زاویه‌ی پاشش سوخت به داخل محفظه‌ی احتراق می‌تواند ساختار افشانه‌ی ایجاد شده را از لحاظ قطر قطرات (SMD) و طول نفوذ اسپری متأثر کرده و در نتیجه اثر کنترلی بر کیفیت مخلوط سوخت-هوا، نرخ احتراق، راندمان قانون اول و دوم، و آلاینده‌های منتشره داشته باشد. مقبولی و همکاران [17] با استفاده از مدل‌های سه‌بعدی دینامیک سیالات محاسباتی، مطالعه‌ای عددی بر روی مشخصات آلایندگی و احتراق موتور دوگانه‌سوز انجام داده‌اند که در آن سه حالت موردی مورد مقایسه قرار گرفته است. در مطالعه‌ی موردی اول فشار اولیه، دمای اولیه، دور موتور و نوع سوخت به ترتیب 1بار، 338 کلوین، 1400 دور بر دقیقه و سوخت دیزل می‌باشد. مقادیر ذکر شده برای مطالعه‌ی موردی دوم 19/1، 365، 2200 و سوخت دوگانه می‌باشد. مطالعه‌ی موردی سوم با مقادیر روبرو مطالعه شده‌اند: 21/1، 367، 1600 و سوخت دوگانه. شکل 2- 5 کانتورهای دما و غلظت متان را در مطالعه‌ی پارامتری تحت بررسی برای مقادیر مختلف متان، نشان می‌دهد. می‌توان به این نتیجه رسید که سوختن متان از نواحی دما بالا در مسیر افشانه شروع می‌شود. همین‌طور در زاویه‌ها‌ی مساوی میل‌لنگ، برای حالت‌های پاشش زیادتر متان، غلظت بیشتری از متان مصرف می‌شود.
شکل 2- 5: توزیع مکانی دما و غلظت متان مصرفی در عرض برشی از مقطع سیلندر برای مقادیر مختلف متان پاششی [17]
تقوی‌فر و همکاران [18] مطالعه‌ای بر روی موتور دیزل انجام دادند که در آن مشخصات هندسی و مختصات قرارگیری کاسه‌ی پیستون موتور و محفظه‌ی احتراق تحت بررسی قرار گرفته و تأثیر آن بر آلایندگی و مشخصه‌های کارکردی و راندمان موتور از طریق پارامتر بهبودیافته و پارامتر فاکتور همگنی آنالیز شده است. شبیه‌سازی بر روی یک موتور دیزل فورد 8/1 لیتر انجام گرفته و اصلاحات هندسی ساختار پیستون از نقطه‌نظر جابجایی کاسه‌ی پیستون و اندازه‌ی آن در 4 گام مساوی صورت پذیرفته است. دو پارامتر متناقض در احتراق و راندمان موتور شناسایی شده‌اند:
پروسه‌ی اختلاط سوخت-هوا که با دو فاکتور نسبت هم ارزی و فاکتور همگنی تبیین شده‌اند.
شروع احتراق و تحویل کار با شاخص‌هایی نظیر نرخ آزادسازی گرما، منحنی‌های فشار و بازده گرمایی اندیکه.
مدل ECFM-3Z برای شبیه‌سازی احتراق به‌کار گرفته شده است تا نرخ واکنش شیمیایی و احتراق صورت گرفته با جزئیات بهتری در اختیار قرار گیرد. طبق نتایج به‌دست آمده، جابجایی بیرونی کاسه‌ی پیستون باعث افزایش HF مخلوط سوخت-هوا شده و در نتیجه فشار بالاتر و پیک نرخ آزادسازی گرمایی بالاتری به‌دست می‌آید. از طرف دیگر، هزینه‌ی این کار تأخیر در احتراق می‌باشد که از فشار مؤثر ایجادشده در داخل سیلندر می‌کاهد.
کاهش زمان تأخیر در اشتعال، کلید حل مشکلاتِ مربوط به آلایندگی و سروصدا در موتورهای دیزل است. دمای بالا در ابتدای پاشش سوخت، که در نتیجه‌ی افزایش ضریب تراکم حجمی در موتور به‌وجود می‌آید، نقش اساسی در کاهش زمان تأخیر در اشتعال ایفا می‌کند [19]. از طرف دیگر اندازه‌ی کاسه‌ی کوچک‌تر باعث پدید آمدن افشردگی بهتر مخلوط و شکل‌گیری ورتکس در محفظه می‌شود، اگرچه در این حالت نیز امکان برخورد افشانه‌ی سوخت به جداره و سرد شدن شعله وجود دارد و تأخیر در اشتعال را کاهش می‌دهد.
کیم و همکاران [20] مطالعه‌ای را بر روی کاهش آلاینده‌های موتور DME سوز انجام دادند که از طریق احتراق HCCI انجام شده است. شکل 2- 6 تاثیر زمان‌بندی پاشش سوخت را بر روی آلاینده‌های soot و NOx برای دو جرم مختلف پاشش شده 8 و12 میلی‌گرمی نشان می‌دهد. به‌طور کلی مقدار آلاینده‌ی NOx 20 درجه قبل از نقطه‌ی مکث بالا به بیشترین حد خود می‌رسد، زیرا در این زمان بیشترین مقدار دما مشاهده می‌شود. اصولاً آلاینده‌ی NOx در دماهای بالای 2000 کلوین رخ می‌دهد. در زمان‌بندی تزریق 70 درجه قبل از نقطه‌ی مکث بالا میزان آلاینده‌ی NOx در حدود صفر می‌باشد، زیرا دمای پایین احتراق باعث متوقف شدن این آلاینده می‌شود و از سوی دیگر به‌علت انجام احتراق در منطقه‌ی افشردگی محفظه‌ی احتراق، تولید آلاینده‌ی soot افزایش می‌یابد. طبق این نمودار میزان تولید آلاینده‌ی NOx برای حالت تزریق 12 میلی‌گرم سوخت نسبت به تزریق 8 میلی‌گرم بیشتر بوده و از سوی دیگر میزان انتشار آلاینده‌ی soot برای تزریق 8 میلی‌گرم بیشتر از حالت تزریق 12 میلی‌گرم است.
شکل 2- 6: تاثیر زمان‌بندی تزریق سوخت و جرم پاشش‌شده بر روی آلاینده‌های NOx و soot [20]