موتورهای درونسوز

معرفی

امروزه موتورهای احتراق داخلی درزمینه‌ی توان، پیش‌رانش و تبدیل انرژی نقش بارزی ایفا می‌کنند؛ اهمیت فزاینده‌ی موتورهای درون‌سوز در چند دهه‌ی اخیر باعث رشد سریع در تحقیق و توسعه‌ی آن‌ها شده است.

موتورهای احتراق داخلی به دودسته‌ی عمده‌ی موتورهای اشتعال جرقه‌ای و اشتعال تراکمی تقسیم می­ شوند. در موتورهای اشتعال جرقه‌ای سیال عامل حاصل اختلاط سوخت با عدد اکتان بالا با هوا است با این تفاوت که در موتورهای اشتعال تراکمی سیال عامل سوخت ستان­ بالا است که پس از ورود هوا و کاهش تدریجی حجم سیلندر، به‌صورت پاشش مستقیم کنترل‌شده به داخل سیلندر اضافه می­ شود. علت کاربرد زیاد موتورهای احتراق داخلی در صنعت حمل‌ونقل زمینی، هوایی و دریایی و نیروگاه­ های برق، سادگی، توان زیاد و نسبت توان به وزن بالای آن‌ها است.

یکی دیگر از عوامل تأثیرگذار در فرایند توسعه موتورهای درون‌سوز، سوخت مصرفی آن­ها است. بنزین و سوخت­ های سبک­تر  مانند مشتقات نفت خام در انواع کاربراتور برای تبخیر سوخت و تهیه مخلوط هوا و سوخت همگن­ تر به وجود آمد.

در طی سه دهه­ی اخیر عوامل تعیین‌کننده جدیدی همچون :   

·کنترل میزان آلایندگی موتور
·میزان مصرف سوخت 
·افزایش توان موتور 
در نظر گرفته شد که مراحل طراحی و تولید موتور را تحت تأثیر قرار داده است . 
 
 

مجموعه فعالیت­های پژوهشی انجام‌شده درزمینه‌ی موتورهای احتراق داخلی 

این مجموعه فعالیت­ ها شامل مطالعات آزمایشگاهی و عددی می­باشد که در ادامه به‌صورت خلاصه به آن­ها اشاره‌شده است.

  تبدیل انژکتور مکانیکی به انژکتور الکترونیکی و سیستم ریل مشترک سوخت: 

انژکتور مکانیکی (چهار روزنه) در یک موتور تک سیلندر احتراق تراکمی  (Daedong با حداکثر قدرت ۱۱ اسب بخار) در آزمایشگاه موتور درون‌سوز دانشگاه صنعتی نوشیروانی با یک سیستم تزریق سوخت ریل مشترک با یک انژکتور برقی (هشت روزنه) جایگزین شد و عملکرد موتور با هردوی این انژکتورها به‌صورت تجربی مورد بررسی و مقایسه قرار گرفت است. برای انجام این کار ، عملکرد انژکتور برقی در دو زمان مختلف شروع تزریق مورد تجزیه ‌و تحلیل قرار گرفت. در ابتدا ، سیستم کنترل تزریق برای سیستم انژکتور برقی سلونوئید ریل و توانایی کنترل مستقیم طراحی شد.
 

 شکل ۱: نمایی از ریل مشترک و فشارسنج جهت سنجش فشار داخل ریل

 
 تزریق سوخت به محفظه احتراق ازنظر فشار تزریق ، مدت‌زمان تزریق و شروع زمان تزریق موردبررسی قرارگرفته است. پس‌ازآن ، عملکرد موتور در ویژگی‌های احتراق و جنبه‌های انتشار بررسی شد. این آزمایش‌ها در سرعت ثابت ۱۱۵۰ دور در دقیقه ، در حالت بیکار و در عملیات کم‌بار باقدرت ترمز ۱.۲۲ کیلووات بر روی موتور انجام‌گرفته است. با استفاده از داده‌های فشار حاصل از آزمایش‌ها ، میزان آزادسازی حرارت ، کل انرژی آزادشده ، شروع احتراق ، تأخیر احتراق ، مدت‌زمان احتراق ، بازده احتراق و بازده تبدیل سوخت موردمطالعه قرارگرفته است. 
 
  شکل ۲: انژکتور سلونوئیدی 
شکل ۳انژکتور مکانیکی 
 

بررسی عملکرد مدار سوخت‌رسانی:

بررسی عملکرد مدار سوخت‌رسانی موتور دیزل و بررسی تأثیر مدت‌زمان پاشش سوخت و مقدار فشار پاشش سوخت در داخل محفظه احتراق جهت کاهش آلایندگی و سروصدای موتور و همچنین بهبود هر چه بیشتر توان و راندمان کلی موتور قرار گرفت به همین منظور در این پژوهشکده از روش‌های فیزیکی آزمایشگاهی و روش‌های شبیه‌سازی عددی با نرم‌افزارهای تخصصی سه‌بعدی و تک‌بعدی به‌صورت سیالاتی و ترمودینامیکی موردبررسی و مطالعه قرار می‌گیرد.

بدست ­گرفتن کامل کنترل فرآیند پاشش سوخت:
 
 
  شکل۴: مدار و سیستم کنترلی موتور 

 

بررسی استفاده از منابع تجدید پذیر انرژی در موتورهای احتراق داخلی:

در این آزمایشگاه، بررسی گسترده­ای درزمینه‌ی استفاده از انواع سوخت­های بیودیزل در نسبت­های جرمی مختلف ترکیب با سوخت گازوئیل صورت پذیرفته است.

انواع روغن­های پسماند به‌صورت addetive  با درصدهای حجمی مختلف شامل ، B۱۰، B۲۰ با سوخت گازوئیل ترکیب‌شده و اثر آن بر عملکرد و آلایندگی موتور احتراق تراکمی بررسی گردید. 
 
 
 شکل ۵: سوخت‌های ترکیبی دیزل و بیودیزل تهیه ‌شده با درصدهای متفاوت 
 
اضافه کردن نازل سوخت واکنش­پذیری پایین:
 
   
 شکل۶: اضافه شدن انژکتور سوخت LRF
 
مشخصات موتور در جدول ۱ نشان داده‌ شده است. در این موتور برای پاشش سوخت به داخل محفظه احتراق از سیستم ریل مشترک و ابزار پاشش از پورت (به‌صورت نقطه‌ای) استفاده ‌شده است. سوخت بنزین پس از پاشش در پورت، به ‌صورت مخلوط با هوا وارد سیلندر می‌شود و سوخت دیزل به‌صورت مستقیم در محفظه احتراق تزریق می‌شود. همچنین مشخصات سوخت پاش در جدول ۲ نشان داده‌ شده است .جرم سوخت دیزل تزریق‌ شده در هر سیکل برابر با ۱۰.۵ میلی‌گرم و جرم سوخت بنزین تزریق ‌شده در هر سیکل برابر ۵ میلی‌گرم است.  
 
 جدول شماره۱: مشخصات موتور

پارامتر

 

مشخصات

موتور

 

دایدونگ ۱۱ اسب بخار، تک سیلندر

قطر سیلندر (mm)

 

۹۲

طول کورس (mm)

 

۹۵

حجم جابه‌جایی  (cc)

 

۶۳۰

نسبت تراکم

 

۱۷

IVO (CAD bTDC)

    ۲۰

IVC (CAD bTDC)

    ۴۷

EVO (CAD bTDC)

    ۳۵

EVC  (CAD bTDC)

    ۱۴

 

 

 
جدول شماره۲: مشخصات سوخت پاش 

پارامتر

سیستم ریل مشترک

سیستم تزریق پورت

تعداد حفره

۸

۵

قطر حفره (μm)

۱۲۰

-

 

بررسی آزمایشگاهی اثر مشخصه­های مختلف پاشش سوخت

اتمیزه کردن سوخت، همگن ‌سازی مخلوط سوخت و هوا، نفوذ سوخت در هوای متراکم در داخل سیلندر عواملی هستند که باعث  ایجاد یک احتراق بی ‌نقص در موتور می‌شوند که در این آزمایشگاه با تغییر انژکتور مکانیکی به انژکتور الکترونیکی و تولید فشار بالا جهت اتمیزه کردن بیشتر سوخت و نفوذ بیشتر سوخت در هوای متراکم شد سیلندر، و درنتیجه همگن شدن بیشتر مخلوط سوخت و هوای داخل موتور انجام گرفت که این‌که اثرات این مشخصه‌های سوخت نتایجی همچون افزایش توان بیشتر، آلودگی کمتر و همچنین کاهش ضربات در داخل سیلندر در پی داشت که مورد مطالعه و توسعه قرار گرفت. 
 

فشار پاشش (کنترل فشار ریل)

روش‌های مختلفی برای کنترل فشار پاشش سوخت وجود دارد. سیستم های مشترک ریل سوخت به یک سیستم کنترل فشار بالا با حلقه بسته مجهز شده‌اند که فشار ریل را در یک حاشیه نسبتاً کوچک تا مقدار اسمی تعیین‌شده توسط واحد کنترل الکترونیکی برای شرایط کارکرد مشخص موتور ، تثبیت می‌کند.

یک‌راه تأمین سوخت بیش از میزان موردنیاز ریل است که با استفاده از تنظیم‌کننده فشار زیاد که معمولاً به آن شیر کنترل فشار گفته می‌شود. در این روش ، موقعیت شیر کنترل فشار در ورودی سیستم کنترل است.. روش دیگر ، اندازه‌گیری سوخت در پمپ فشارقوی است، تا اطمینان حاصل شود که فقط مقدار سوخت موردنیاز انژکتورها به ریل مشترک تأمین می‌شود.

 
                                                          شکل ۷پمپ فشارقوی و شیر کنترل فشار در مسیر ورودی 

لحظه­ ی پاشش سوخت

مربوط به رسیدن به حالت دماپایین موتور (PCCI , RCCI) و افزایش سطح همگن­سازی مخلوط سوخت و هوا

بازه‌ی پاشش سوخت

کنترل جرم ورودی سوخت و همچنین تنظیم میزان نفوذ سوخت در فشار ریل مشخص، جهت جلوگیری از تجمع نقطه­ای سوخت و افزایش سطح همگن‌سازی

تبدل موتور دیزل ساده به موتور RCCI

استراتژی پاشش هم‌زمان سوخت اوکتان بالا و ستان بالا بنزین و دیزل و پاشش زودهنگام سوخت جهت رسیدن به حالت احتراق دماپایین

بررسی حالت­های مختلف احتراق دمای پایین (PCCI & RCCI)

تغییر لحظه ­ی پاشش سوخت و پاشش زودهنگام سوخت در حالت وجود و یا عدم وجود هوای ورودی حاوی سوخت اوکتان بالا

اضافه کردن additive

پس از پیاده ­سازی شرایط دماپایین در حالت RCCI، با استفاده از دو سوخت دیزل (سوخت پاشش مستقیم) و بنزین (سوخت مخلوط با هوای ورودی) جهت بهبود هرچه بیشتر شرایط احتراق، کاهش آلایندگی و افزایش توان، از سوخت اتانول ۹۶% به‌عنوان سوخت مخلوط با هوا به همراه سوخت بنزین در حالت RCCI استفاده شد و نسبت­ های مختلف بنزین و اتانول در نسبت هم ­ارزی ثابت مورد بررسی قرار گرفت.

شبیه‌سازی تک ‌بعدی:

(سیستم خنک کاری و سیستم heat recovery) و سیستم سوخت ‌رسانی فشار بالا ریل مشترک درجات افزایش مقدار بازدهی خروجی موتور:

جهت پیش‌بینی و امکان‌سنجی تبدیل موتور موجود در آزمایشگاه به یک نمونه موتور دریایی با سیستم خنک کاری مرسوم و مورداستفاده در مجموعه وسایل حمل‌ونقل دریایی تلاش بر این شد تا مدل یک‌بعدی از موتور در نرم‌افزار GT SUIT شبیه‌سازی گردد. طی این فرآیند مدار سوخت‌رسانی به‌صورت کامل و دقیق شبیه‌سازی گردید تا در صورت نیاز برای اتخاذ مشخصه‌های کنترلی و سهولت در انجام محاسبات جهت تعیین فشار و بازه پاشش موردنیاز برای رسیدن به جرم سوخت مناسب در هر سیکل، از این مدل استفاده شود.

همچنین جهت پیش‌بینی سازگاری موتورها سیستم خنک کاری موتور دریایی مدل مدار خنک کاری با سیستم after cooler توسعه داده شد. در ادامه جهت امکان‌سنجی افزایش هرچه بیشتر بازدهی موتور، متحده‌ای مختلف heat recovery در مدل یک‌بعدی اضافه شد و نتایج به تفضیل ارائه و جمع‌بندی گردید. 
 
 
                                       شکل ۸: انژکتور و مدار سوخت‌رسانی ریل مشترک مدل شده در نرم‌افزار GT-SUITE 
 
  
                   شکل ۹:مدار خنک کاری موتور مدل شده در نرم‌افزارGT-SUITE
 
 شبیه ‌سازی سه‌بعدی:

در این شبیه ­سازی از نرم­ افزار AVL fire ۲۰۱۴ به‌صورت کوپل با سینتیک مفصل شیمیایی مربوط به سوخت ترکیبی ایزواکتان-ان­هپتان، شامل ۷۷ گونه و ۴۷۳ واکنش استفاده‌شده است. نمای شماتیک عملکرد هم­زمان نرم ­افزار با کد سینتیک مفصل در شکل۱۰ قابل‌مشاهده است.

 
                                                                      شکل۱۰: فلوچارت کوپل Chemkin  و AVL Fire 
 
برای انجام این پژوهش هندسه ­ی حجم خالی محفظه ­ی احتراق موتور در حالتی که پیستون در نقطه­ ی مرگ بالا مدل‌سازی ترسیم شد و جهت آماده­ سازی محاسبات CFD، شبکه­ بندی منظمی بر روی هندسه تشکیل شد. 
                                              شکل۱۱:  شبکه بندی در نقطه مرگ بالا

شایان توجه است که، هندسه ­ی موتور بر اساس تعداد حفره­ های نازل به قسمت­ های کاملاً مشابه به‌صورت قرینه تقسیم ­بندی شده است تا درنهایت تعداد سلول­ه ای شبکه محاسباتی کاهش ‌یافته و به طبع سرعت محاسبات افزایش یابد؛ لذا با توجه به اینکه نازل موتور موردنظر ۸ حفره دارد،یک ‌هشتم از هندسه ­ی موتور مدل­ سازی شده است.

بررسی اثر زمان و بازه­ی پاشش سوخت

بررسی دقیق دینامیک سیالات محاسباتی جهت تحلیل پدیده ­های داخل محفظه­ ی احتراق و همچنین مقدار نفوذ سوخت، بررسی اثر فشار و بازده­ی پاشش سوخت و یافتن محدوده­ای برای جلوگیری از تجمع سوخت در کاسه پیستون، همچنین یافتن محدودیت‌های تغییر لحظه­ ی شروع پاشش سوخت و جلوگیری از برخورد سوخت به لبه­ ی کاسه پیستون.

additive:

بررسی امکان کنترل دمای هوای خروجی و امکان‌سنجی کاهش مصرف سوخت به کمک مطالعات دینامیک سیالات محاسباتی و عددی اثر پاشش آب در محفظه­ی احتراق موتور در حالت RCCI به دو صورت پاشش مستقیم آب و اضافه کردن آب به مخلوط سوخت و هوای ورودی و یافتن محدودیت­ های موجود جهت عملی سازی ایده­ ی پیشنهادی.