واژههای کلیدی: شرایط اولیه، موتور دیزل پاشش مستقیم، دینامیک سیالات محاسباتی، آلایندهها، پارامترهای عملکردی فهرست مطالبعنوان صفحهچکیده.. أعلائم اختصاری و نشانهها.. جفهرست جدولها.. خفهرست شکلها.. دفصل اول (مقدمه و ساختار پایاننامه).. 11-1- مقدمه.. 21-2- هدف مطالعهی حاضر.. 31-3- ساختار کلّی پایان نامه.. 4فصل دوم (معرفی موتورهای احتراق داخلی و مروری بر کارهای گذشته) 52-1- مقدمه.. 62-2- تاریخچهی موتورهای احتراق داخلی.. 62-2-1- چرا موتورهای احتراق اشتعال تراکمی را موتورهای دیزلی می نامند؟.. 72-3- مقایسهی موتورهای احتراق اشتعال تراکمی (CI) و جرقهای(SI) 72-3-2- کاربرد موتورهای دیزل.. 102-4- مزایای موتورهای دیزل.. 112-5- موتورهای دیزل با پاشش مستقیم (DI) و پاشش غیرمستقیم (IDI) 122-6- مراحل کار موتورهای دیزل.. 132-7- مروری بر منابع.. 152-8- جمعبندی.. 19فصل سوم (مواد و روشها: مدلسازی و روشهای حل مسئله).. 213-1- مقدمه.. 223-2- مش بندی.. 223-2-1- استقلال از شبکه.. 273-3- جریان های چند فازی.. 273-4- شبیهسازی عددی اسپری.. 283-5- مشخصههای عملکردی موتور.. 363-5-1- گشتاور و توان.. 373-5-2- مصرف سوخت ویژه.. 393-6- تشکیل دوده(soot) در موتورهای دیزلی.. 403-7- بررسی پارامترهای مؤثر در ایجاد آلایندهها.. 413-7-1- اثر جنس سوخت.. 413-7-2- اثرات طراحی و پارامترهای عملکردی موتور.. 433-7-3- تأثیر دور موتور، دمای هوای ورودی و میزان پاشش سوخت 443-8- محاسبهی پارامترهای مورد نیاز برای آنالیز قانون اول.. 473-9- معرفی چند مدل احتراقی مهم.. 483-9-1- مدل EBU (Eddy Breakup)483-9-2- مدل ECFM-3Z (Extended Coherent Flame Model-3 Zones)483-9-3- مدل PDF (Probability Density Function)503-10- جمعبندی.. 51فصل چهارم (اعتبارسنجی و تحلیل نتایج).. 534-1- مقدمه.. 544-2- معرفی موتور مورد بررسی و اعتبارسنجی نتایج.. 544-3- شرایط اولیهی شبیهسازی.. 554-4- بررسی مشخصات عملکردی موتور.. 564-4-1- گشتاور اندیکه .. 564-4-2- توان مؤثر متوسط اندیکه.. 574-4-3- مصرف سوخت مخصوص اندیکه.. 584-5- بررسی آلایندگی موتور.. 584-5-1- آلایندهی NOx. 594-5-2- آلایندهی soot614-6- بررسی منحنیهای فشار و نرخ گرمای آزادشده.. 646-4-1- منحنیهای فشار.. 644-6-2- منحنیهای نرخ آزادسازی گرما.. 674-7- کانتورهای مرتبط.. 704-7-1- کانتورهای دمایی.. 714-7-2- کانتورهای مربوط به نسبت همارزی.. 724-7-3- کانتورهای مربوط به جزء جرمی C13H2373فصل پنجم (نتیجهگیری و پیشنهادات).. 745-1- مقدمه.. 755-2- نتیجهگیری.. 755-3- پیشنهاد برای کارهای آتی.. 77فهرست مراجع و مآخذ.. 78 علائم اختصاری و نشانههاعنوان نماددینامیک سیالات محاسباتیCFDموتورهای احتراق داخلیICEموتور اشتعال تراکمیCIموتور اشتعال جرقهایSIموتور دیزل پاششمستقیمDIموتور دیزل پاشش غیرمستقیمIDIموتور گرماییHEمرحلهی تأخیر در اشتعالIDنقطهی مکث بالاTDCنقطهی مکث پایینBDCپس از نقطهی مکث بالاATDCپیش از نقطهی مکث بالاBTDCآلایندههای نیتروژن اکسیدNOxآلایندهی دودهSootچگالی سیالویسکوزیتهی سیالشتاب گرانش زمینGقطر قطرات سوخت پاشششدهSMDمحفظهی احتراق چنبرهایTCCمحفظهی احتراق کرویHCCتغییرات زمانیتغییرات در زاویهی میللنگحجم سیالVOFمتد قطرات مجزاDDMنیروهای واردهFنیروی درگFdragسرعت سیالUجرم ذرهی سیالmdضریب درگCDعدد رینولدزReمساحت سطح مقطع ذرهAاختلاف فشارنیروهای ناشی از میدانFibگرمای ویژه در فشار ثابتcpگرمای نهان تبخیرLضریب انتقال حرارت جابجاییانتقال حرارتشار حرارتیشار جرمی بخارفروپاشی آئرودینامیکیRمقیاس طولی توربولانسمقیاس زمانی توربولانسانرژی سینماتیکی توربولانسKنرخ اتلاف توربولانسگشتاورگشتاور اندیکهITکار ترمزیWbحجم جابجاییVdفشار مؤثر متوسط ترمزیBmepسرعت گشتاور ترمزی حداکثرMBTمساحت سر پیستونApمتوسط سرعت پیستونUpمصرف سوخت ویژهSfcبازخورانی گازهای خروجیEGRفشار موثر متوسط اندیکهIMEPحجم جابجا شدهی سیلندر در یک کورسVdارزش گرمایی پایین سوختLHVفهرست جدولهاعنوان صفحهجدول 2- 1:مقایسهی موتورهای احتراق داخلی مختلف از منظر تولید آلایندههای منتشره و راندمان. 10جدول 3- 1: تقسیمات زاویهی میللنگ برای محاسبهی دادههای محاسباتی 24جدول 3- 2:..... مقادیر Under Relaxation Factorsبرای معادلات مختلف.. 26جدول 3- 3:تعداد و نوع مشهای مورد استفاده در پژوهش حاضر.. 27جدول 3- 4:تغییرات آلایندهها برحسب تغییرات پارامترهای مختلف موتور و سوخت آن [35]46جدول 3- 5: مدلهای بهکار رفته.. 52جدول 4- 1: مشخصات عملکردی موتور فورد 8/1 لیتر HSDI[36]54جدول 4- 2: شرایط اولیهی حاکم بر موتور مورد شبیهسازی.. 55 فهرست شکلهاعنوان صفحهشکل 2-1:آمادهسازی مخلوط هوا-سوخت در موتورهای مختلف.. 8شکل 2-2: تفاوت انجام احتراق در دو موتور احتراق تراکمی، و اشتعال جرقهای 9شکل 2- 3:تصویری از موتور دیزل پاشش مستقیم (سمت راست) و پاششغیرمستقیم (سمت چپ) [4]12شکل 2- 4:نمونه ای از تغییرات فشار برحسب زاویهی میل لنگ در موتور اشتعال تراکمی [5]14شکل 2- 5:توزیع مکانی دما و غلظت متان مصرفی در عرض برشی از مقطع سیلندر برای مقادیر مختلف متان پاششی [17]....................................................................................................................................................................................................... 17شکل 2- 6:تاثیر زمانبندی تزریق سوخت و جرم پاشششده بر روی آلایندههای NOxو soot[20]19شکل 3- 1: حالات نامطلوب برای سلولهای یک مش (از راست به چپ): حجم منفی، نرمال منفی و صفحهی پیچخورده …………………………………………………………………...……………..23شکل 3- 2:دامنهی مشزنی شده برای محفظهی احتراق.. 25شکل 3- 3:تغییرات گشتاور و توان ترمزی نمونه ای از موتور رفت و برگشتی خودرو سواری [5]38شکل 3- 4: هندسههای مختلف برای تاج پیستون [34]44شکل 3- 5:شماتیک کارکرد مدل ECFM-3Z در موتور دیزل.. 49شکل 4- 1:اعتبارسنجی نتایج عددی با استفاده از نمودار تجربی فشار موجود در منبع [36]55شکل 4- 2: نمودارهای گشتاور اندیکهی موتور مورد بررسی بر حسب دمای اولیهی محفظهی احتراق 56شکل 4- 3: نمودارهای فشار مؤثر متوسط اندیکه برای موتور مورد بررسی بر حسب دمای اولیهی محفظهی احتراق 57شکل 4- 4: نمودارهای مصرف سوخت مؤثر اندیکهی موتور مورد بررسی بر حسب دمای اولیهی محفظهی احتراق 58شکل 4- 5: نمودارهای NOxدر جرم سوخت پاشش شدهی m=31.3 mg/cycleبر حسب زاویهی میللنگ.. 59شکل 4- 6: نمودارهای NOxدر جرم سوخت پاشش شدهی m=40.0 mg/cycleبر حسب زاویهی میللنگ.. 59شکل 4- 7: نمودارهای NOxدر جرم سوخت پاشش شدهی m=50.0 mg/cycle بر حسب زاویهی میللنگ.. 60شکل 4- 8: نمودارهای NOxدر جرم سوخت پاشش شدهی m=60.0 mg/cycle بر حسب زاویهی میللنگ.. 60شکل 4- 9: نمودارهای NOxدر جرم سوخت پاشش شدهی m=70.0 mg/cycle بر حسب زاویهی میللنگ.. 61شکل 4- 10:نمودارهای sootدر جرم سوخت پاشش شدهی m=31.3 mg/cycle بر حسب زاویهی میللنگ.. 61شکل 4- 11: نمودارهای sootدر جرم سوخت پاشش شدهی m=40.0 mg/cycle بر حسب زاویهی میللنگ.. 62شکل 4- 12:نمودارهای sootدر جرم سوخت پاشش شدهی m=50.0 mg/cycle بر حسب زاویهی میللنگ.. 62شکل 4- 13: نمودارهای sootدر جرم سوخت پاشش شدهی m=60.0 mg/cycle بر حسب زاویهی میللنگ.. 63شکل 4- 14:نمودارهای sootدر جرم سوخت پاشش شدهی m=70.0 mg/cycle بر حسب زاویهی میللنگ.. 63شکل 4- 15: منحنیهای فشار در جرم سوخت پاشششدهی m=31.3 mg/cycle بر حسب زاویهی میللنگ 64شکل 4- 16: منحنیهای فشار در جرم سوخت پاشششدهی m=40.0 mg/cycle بر حسب زاویهی میللنگ 65شکل 4- 17: منحنیهای فشار در جرم سوخت پاشششدهی m=50.0 mg/cycle بر حسب زاویهی میللنگ 65شکل 4- 18: منحنیهای فشار در جرم سوخت پاشششدهی m=60.0 mg/cycle بر حسب زاویهی میللنگ 66شکل 4- 19: منحنیهای فشار در جرم سوخت پاشششدهی m=70.0 mg/cycle بر حسب زاویهی میللنگ 66شکل 4- 20: منحنیهای نرخ آزادسازی گرما در جرم سوخت پاشششدهی m=31.3 mg/cycleبر حسب زاویهی میللنگ ................................................................................................................................................................................................... 67شکل 4- 21: منحنیهای نرخ آزادسازی گرما در جرم سوخت پاشششدهی m=40.0 mg/cycleبر حسب زاویهی میللنگ................................................................................................................................................................................................... 68شکل 4- 22: منحنیهای نرخ آزادسازی گرما در جرم سوخت پاشششدهی m=50.0 mg/cycle بر حسب زاویهی میللنگ................................................................................................................................................................................................... 68شکل 4- 23: منحنیهای نرخ آزادسازی گرما در جرم سوخت پاشششدهی m=60.0 mg/cycle بر حسب زاویهی میللنگ................................................................................................................................................................................................... 69شکل 4- 24: منحنیهای نرخ آزادسازی گرما در جرم سوخت پاشششدهی m=70.0 mg/cycle بر حسب زاویهی میللنگ................................................................................................................................................................................................... 69شکل 4- 25: کانتورهای دمایی مرتبط در دمای اولیه محفظهی احتراق 600 کلوین 71شکل 4- 26: کانتورهای نسبت همارزی در دمای اولیه محفظهی احتراق 600 کلوین 72شکل 4- 27: کانتورهای جزء جرمی C13H23در دمای اولیه محفظهی احتراق 600 کلوین 73 1-1- مقدمهیکی از مشکلات جدی زیستمحیطی در جوامع امروزی، مشکل آلودگی هواست. از طرفی با گسترش شهرها حجم تولید آلایندههای هوا به میزان قابل توجهی در حال افزایش است. شکی نیست که این آلایندهها برای سلامتی انسان و محیط زیست مضر هستند. آلودگی ناشی از موتورهای حرارتی سهم زیادی در این مسئله دارند، اما استفاده از آنها بسیار رایج است و عملاً امکان کنار گذاشتن موتورهای حرارتی از لیست منابع تأمین نیروی لازم برای حرکت وسایل گوناگون، غیر ممکن است.موتورهای دیزل[1]، به عنوان شکلی از موتورهای حرارتی احتراق داخلی با تولید اکسید های نیتروژن NOx، دوده، ذرات ریز و ... از پرکاربردترین منابع آلودهکنندهی هوا محسوب میشوند. تحقیقات و مطالعات تجربی نشان میدهد که ایجاد تغییراتی در ساختار سیستم سوخترسانی موتورهای دیزل به میزان قابل توجهی در عملکرد موتور و حجم آلایندههای تولیدشده تاثیرگذار است. برای همین سیستم سوخترسانی، و تلاش برای بهبود عملکرد آن، در سالهای اخیر موضوع بسیاری از مطالعات در زمینهی موتورهای دیزل بوده است.زندگی بهتر بشر مستلزم بهبود تجهیزات و سیستمهایی است که از آنها استفاده میکند. با افزایش روزافزون کاربرد موتورها در زمینههای مختلف صنعتی از جمله خودرو، تحقیقات در این زمینه امری ضروری است. در این میان تحقیق در زمینهی موتورهای احتراق داخلی با توجه به خصوصیات و کاربردهایشان از جایگاه ویژهای برخوردار است.موتورهای احتراق داخلی به دلیل داشتن بازده و قدرت بالا نسبت به وزن و حجمشان، کاربردهای فراوانی در حملونقل و سایر صنایع دارند؛ که یکی از اصلیترین چالشهای پیشرو در استفاده از آنها، مسائل زیستمحیطی و خصوصاً آلودگی هوا میباشد. البته تحقیقات فراوانی نیز جهت کاهش آلایندههای منتشره از این موتورها صورت گرفته است.علاوه بر مطالعات تجربی صورتگرفته در این زمینه، یکی از ابزارهای مهم جهت پژوهش در این حوزه، مدلکردن کامپیوتری پدیدههای درونی موتورهاست. این مدلها در واقع رهیافتی برای رابطهمندکردن و تحلیل چرخههای درونی موتور است. اغلب مدلها نمیتوانند فرآیندها و خواص را با ریزترین جزئیات نشان دهند، با این حال، ابزار قدرتمند و قابلاعتمادی در فهم و توسعهی فرآیندهای درونی موتور میباشند. با استفاده از این مدلها در تحلیل و طراحی موتورهای جدید، صرفهجویی عمدهای در زمان و هزینهی مطالعات صورت میگیرد. در این راستا مدلهای کلاسیک ارائهشده را میتوان به دو گروه مدلهای ترمودینامیکی و مدلهای سیالاتی طبقهبندی کرد. ولی علاوه بر این دو گروه، شبکههای عصبی مصنوعی نیز یکی از قدرتمندترین ابزارها در تحلیل سیستمهای پیچیده و غیرخطی محسوب میشوند. این شبکهها توانایی تحلیل ارتباط موجود بین انواع پارامترهای ورودی و خروجی و ایجاد مدلی مناسب برای موتورهای احتراق داخلی را دارند.علاوه بر مشکل آلودگی محیط زیست، کاهش منابع طبیعی و در نتیجه افزایش هزینهی استفاده از سوختهای فسیلی نیز مانعی در زمینهی فعالیت موتور دیزل است. تکنیکهایی که برای غلبه بر مشکلات موتور دیزل ارائه میشود در حالت کلی دو جهتگیری دارند [1] و [2]:1- ایجاد تغییراتی در طراحی موتورهای دیزل برای افزایش عملکرد آن و کاهش آلودگی محصولات احتراق (نظیر استفاده از سیستم ریلمشترک، استراتژی های کنترل تزریق سوخت، کار بر روی گاز خروجی و ...).2- استفاده از سوخت جایگزین برای حل بحران انرژی، مسئلهی آلایندهها و حتی افزایش عملکرد موتور دیزل (به عنوان نمونه، سوختهای اکسیژندار که ذرات ریز کمتری تولید میکنند یا سوختهای تجدیدپذیر که با محیط زیست سازگاری دارند). 1-2- هدف مطالعهی حاضرپایاننامهی پیش رو مطالعهای عددی بر روی موتور دیزل 8/1 لیتر انجام میباشد. ابتدا شبیهسازی موتور انجام شده و تاثیر شرایط اولیهی حاکم مورد بررسی قرار میگیرد. بدین وسیله ابتدا مدل هندسی دامنهی محاسباتی سیلندر پیستون طراحی گردیده و سپس در نرم افزار Ansys ICEM مشزنی سطحی صورت گرفته است و در نرم افزار ESE Diesel مشزنی نهایی صورت گرفته و برای برقراری شرایط اولیه و مرزی و همچنین چگونگی حل معادلات بقا، گسستهسازی معادلات پیوستگی، مومنتوم، و انرژی تصمیمگیری میشود. مدل هندسی مشزنیشدهی سهبعدی وارد نرم افزار AVL-Fire شده و نتایج دو بعدی و سهبعدی با تغییر پارامترهای اولیهی مورد نظر مورد مطالعه قرار خواهند گرفت. هدف این پایاننامه تبیین راهکارهایی جهت افزایش عملکرد موتور و کاهش آلایندهها با استفاده از انتخاب بهترین نقاط کارکردی شرایط اولیه خواهد بود. 1-3- ساختار کلّی پایان نامهقسمتهای مختلف این پایاننامه شامل مقدمهای از موتورهای دیزل در فصل اول میباشد. فصل دوم به تعریف مسئله و مروری بر کارهای انجام شده میپردازد. نحوهی مشزنی و خصوصیات مش و نیز مدلهای احتراقی که در سالهای اخیر مورد توجه قرار گرفته و نحوهی گسستهسازی معادلات مطالب فصل سوم را شکل میدهند. همچنین نحوهی تزریق سوخت و معادلات مربوطه به همراه جداول استفاده شده برای شبیهسازی بحث خواهند شد. در فصل چهارم نتایج حاصل از شبیهسازی به همراه بحث بر روی نتایج جهت ایجاد بهترین عملکرد و کمترین آلایندگی ارائه خواهند شد. نتایج ارائه شده بهصورت کانتورهای سهبعدی از تغییرات زمانی و مکانی پارامترهای هدف خواهند بود. همچنین نمودارهای دوبعدی از تغییرات پارامترهای مربوطه در طول میللنگ و پیشرفت سیکل دیزل ارائه میشوند. در فصل پنجم راهکارها و پیشنهادهایی جهت انجام کارهای آتی مطرح خواهند شد. فصل دوم 2-1- مقدمهدر این فصل، ابتدا تاریخچهای از روند تکامل موتورهای احتراق داخلی و موتورهای دیزل به صورت کاملاً خلاصه و فشرده با تأکید بر کاربردها و مزایای آن آورده شده است. تمرکز مطالب بیشتر بر روی موتورهای دیزل و چند مورد از مشخصههای عملکردی آنها میباشد. در ادامه به پدیدهی احتراق در موتور پرداخته شده، و در نهایت آلایندههای منتشره از موتورهای دیزل و عوامل مؤثر در تولید این آلایندهها مورد بررسی قرار میگیرند. 2-2- تاریخچهی موتورهای احتراق داخلی[2]در گذشته، انسان برای تأمین نیرو در عملیات و کارهای مختلف از نیروی حیوانات استفاده مینمود، امّا با گذشت سالها و پیشرفتهای بشر، موتور گرمایی[3] اختراع و به عنوان منبع تولید توان در کارهای گوناگون به کار گرفته شد. تاریخچهی موتورهای احتراق داخلی به سال 1876 میلادی، زمانی که نیکولاس اتو[4] (1891- 1832) برای اولین بار موتور اشتعال جرقهای[5] و نیز سال 1892 زمانی که رادلف دیزل[6] (1913-1858) موتور اشتعال تراکمی[7] را اختراع کردند، برمیگردد. از آن زمان تاکنون، همراه با افزایش دانش ما از فرآیندهای موتور، فراهم شدن فنآوریهای جدید، افزایش تقاضا برای انواع موتورهای جدید و تغییر در محدودیتهای زیستمحیطی، تکنولوژی مربوط به موتورها همواره در حال پیشرفت بوده است. هماکنون، موتورهای احتراق داخلی و صنایعی که آنها را توسعه داده و از تولید و بهکارگیری آنها حمایت میکنند، نقش بارزی در زمینههای توان، پیشرانش و انرژی ایفا مینمایند. در سالهای گذشته با توجه به اهمیت فزایندهی مسائلی نظیر آلودگی هوا، قیمت سوخت و رقابت بازار، شاهد رشد انفجاری در تحقیق و توسعهی انواع این موتورها بودهایم [3]. در این میان، موتورهای دیزل در سالهای اخیر، به دلایل متعددی از جمله، بالا بودن راندمان حرارتی و ارزان بودن سوخت مصرفیشان، بیشتر مورد توجه قرار گرفتهاند. مطالعات در این پایاننامه نیز عمدتاً بر این نوع از موتورهای احتراق داخلی استوار است.رادلف دیزل در سال 1858 میلادی در فرانسه به دنیا آمد. او در سال 1875 موفق به اخذ بورس تحصیلی از دانشگاه سلطنتی پلی تکنیک مونیخ گردید. دیزل، پس از ورود به این دانشگاه با پروفسور کارل فن لینده[8] آشنا شد که در یک شرکت تحقیقاتی در زمینهی طراحی و ساخت یخچالهای مدرن فعالیت میکرد. او به کمک پروفسور لینده، در سال 1890 به فکر طراحی موتورهای بخار با سوخت آمونیاک افتاد، امّا در حین آزمایش، موتور او منفجر شده و دیزل به شدت آسیب دید. همین حادثه باعث شد که بینایی او با مشکل مواجه گردد. وی پس از آن، فعالیت پژوهشیِ خود را صرف نوع دیگری از موتورها کرد که از بازده بالاتری نسبت به موتورهای بنزینی برخوردار بودند. اشتعال در موتور جدید، که سوخت آن پودر زغال سنگ بود، در اثر درجهی حرارت بالای هوای متراکم شده انجام میگرفت (اشتعال تراکمی) و از این حیث تفاوتهای اساسی با موتورهای بنزینی، که در آن دوران مورد استفاده بودند، داشت. موتور مذکور در سال 1892 با موفقیت آزمایش شد و همین موفقیت باعث گردید تا نام دیزل، به عنوان یک مخترع بزرگ در تاریخ سیر تکاملی موتورهای احتراق داخلی[9] ثبت شود. رادلف دیزل برای آخرین بار در سال 1913 در یک کشتی بخار، حین عبور از یک کانال در انگلستان دیده شد [3].
مطالعهی عددی تأثیر پارامترهای مؤثر شرایط اولیهی حاکم بر محفظهی احتراق موتور پاششمستقیم دیزلی بر شاخصهای عملکردی موتور و آلایندههای منتشره
واژههای کلیدی: شرایط اولیه، موتور دیزل پاشش مستقیم، دینامیک سیالات محاسباتی، آلایندهها، پارامترهای عملکردی فهرست مطالبعنوان صفحهچکیده.. أعلائم اختصاری و نشانهها.. جفهرست جدولها.. خفهرست شکلها.. دفصل اول (مقدمه و ساختار پایاننامه).. 11-1- مقدمه.. 21-2- هدف مطالعهی حاضر.. 31-3- ساختار کلّی پایان نامه.. 4فصل دوم (معرفی موتورهای احتراق داخلی و مروری بر کارهای گذشته) 52-1- مقدمه.. 62-2- تاریخچهی موتورهای احتراق داخلی.. 62-2-1- چرا موتورهای احتراق اشتعال تراکمی را موتورهای دیزلی می نامند؟.. 72-3- مقایسهی موتورهای احتراق اشتعال تراکمی (CI) و جرقهای(SI) 72-3-2- کاربرد موتورهای دیزل.. 102-4- مزایای موتورهای دیزل.. 112-5- موتورهای دیزل با پاشش مستقیم (DI) و پاشش غیرمستقیم (IDI) 122-6- مراحل کار موتورهای دیزل.. 132-7- مروری بر منابع.. 152-8- جمعبندی.. 19فصل سوم (مواد و روشها: مدلسازی و روشهای حل مسئله).. 213-1- مقدمه.. 223-2- مش بندی.. 223-2-1- استقلال از شبکه.. 273-3- جریان های چند فازی.. 273-4- شبیهسازی عددی اسپری.. 283-5- مشخصههای عملکردی موتور.. 363-5-1- گشتاور و توان.. 373-5-2- مصرف سوخت ویژه.. 393-6- تشکیل دوده(soot) در موتورهای دیزلی.. 403-7- بررسی پارامترهای مؤثر در ایجاد آلایندهها.. 413-7-1- اثر جنس سوخت.. 413-7-2- اثرات طراحی و پارامترهای عملکردی موتور.. 433-7-3- تأثیر دور موتور، دمای هوای ورودی و میزان پاشش سوخت 443-8- محاسبهی پارامترهای مورد نیاز برای آنالیز قانون اول.. 473-9- معرفی چند مدل احتراقی مهم.. 483-9-1- مدل EBU (Eddy Breakup)483-9-2- مدل ECFM-3Z (Extended Coherent Flame Model-3 Zones)483-9-3- مدل PDF (Probability Density Function)503-10- جمعبندی.. 51فصل چهارم (اعتبارسنجی و تحلیل نتایج).. 534-1- مقدمه.. 544-2- معرفی موتور مورد بررسی و اعتبارسنجی نتایج.. 544-3- شرایط اولیهی شبیهسازی.. 554-4- بررسی مشخصات عملکردی موتور.. 564-4-1- گشتاور اندیکه .. 564-4-2- توان مؤثر متوسط اندیکه.. 574-4-3- مصرف سوخت مخصوص اندیکه.. 584-5- بررسی آلایندگی موتور.. 584-5-1- آلایندهی NOx. 594-5-2- آلایندهی soot614-6- بررسی منحنیهای فشار و نرخ گرمای آزادشده.. 646-4-1- منحنیهای فشار.. 644-6-2- منحنیهای نرخ آزادسازی گرما.. 674-7- کانتورهای مرتبط.. 704-7-1- کانتورهای دمایی.. 714-7-2- کانتورهای مربوط به نسبت همارزی.. 724-7-3- کانتورهای مربوط به جزء جرمی C13H2373فصل پنجم (نتیجهگیری و پیشنهادات).. 745-1- مقدمه.. 755-2- نتیجهگیری.. 755-3- پیشنهاد برای کارهای آتی.. 77فهرست مراجع و مآخذ.. 78 علائم اختصاری و نشانههاعنوان نماددینامیک سیالات محاسباتیCFDموتورهای احتراق داخلیICEموتور اشتعال تراکمیCIموتور اشتعال جرقهایSIموتور دیزل پاششمستقیمDIموتور دیزل پاشش غیرمستقیمIDIموتور گرماییHEمرحلهی تأخیر در اشتعالIDنقطهی مکث بالاTDCنقطهی مکث پایینBDCپس از نقطهی مکث بالاATDCپیش از نقطهی مکث بالاBTDCآلایندههای نیتروژن اکسیدNOxآلایندهی دودهSootچگالی سیالویسکوزیتهی سیالشتاب گرانش زمینGقطر قطرات سوخت پاشششدهSMDمحفظهی احتراق چنبرهایTCCمحفظهی احتراق کرویHCCتغییرات زمانیتغییرات در زاویهی میللنگحجم سیالVOFمتد قطرات مجزاDDMنیروهای واردهFنیروی درگFdragسرعت سیالUجرم ذرهی سیالmdضریب درگCDعدد رینولدزReمساحت سطح مقطع ذرهAاختلاف فشارنیروهای ناشی از میدانFibگرمای ویژه در فشار ثابتcpگرمای نهان تبخیرLضریب انتقال حرارت جابجاییانتقال حرارتشار حرارتیشار جرمی بخارفروپاشی آئرودینامیکیRمقیاس طولی توربولانسمقیاس زمانی توربولانسانرژی سینماتیکی توربولانسKنرخ اتلاف توربولانسگشتاورگشتاور اندیکهITکار ترمزیWbحجم جابجاییVdفشار مؤثر متوسط ترمزیBmepسرعت گشتاور ترمزی حداکثرMBTمساحت سر پیستونApمتوسط سرعت پیستونUpمصرف سوخت ویژهSfcبازخورانی گازهای خروجیEGRفشار موثر متوسط اندیکهIMEPحجم جابجا شدهی سیلندر در یک کورسVdارزش گرمایی پایین سوختLHVفهرست جدولهاعنوان صفحهجدول 2- 1:مقایسهی موتورهای احتراق داخلی مختلف از منظر تولید آلایندههای منتشره و راندمان. 10جدول 3- 1: تقسیمات زاویهی میللنگ برای محاسبهی دادههای محاسباتی 24جدول 3- 2:..... مقادیر Under Relaxation Factorsبرای معادلات مختلف.. 26جدول 3- 3:تعداد و نوع مشهای مورد استفاده در پژوهش حاضر.. 27جدول 3- 4:تغییرات آلایندهها برحسب تغییرات پارامترهای مختلف موتور و سوخت آن [35]46جدول 3- 5: مدلهای بهکار رفته.. 52جدول 4- 1: مشخصات عملکردی موتور فورد 8/1 لیتر HSDI[36]54جدول 4- 2: شرایط اولیهی حاکم بر موتور مورد شبیهسازی.. 55 فهرست شکلهاعنوان صفحهشکل 2-1:آمادهسازی مخلوط هوا-سوخت در موتورهای مختلف.. 8شکل 2-2: تفاوت انجام احتراق در دو موتور احتراق تراکمی، و اشتعال جرقهای 9شکل 2- 3:تصویری از موتور دیزل پاشش مستقیم (سمت راست) و پاششغیرمستقیم (سمت چپ) [4]12شکل 2- 4:نمونه ای از تغییرات فشار برحسب زاویهی میل لنگ در موتور اشتعال تراکمی [5]14شکل 2- 5:توزیع مکانی دما و غلظت متان مصرفی در عرض برشی از مقطع سیلندر برای مقادیر مختلف متان پاششی [17]....................................................................................................................................................................................................... 17شکل 2- 6:تاثیر زمانبندی تزریق سوخت و جرم پاشششده بر روی آلایندههای NOxو soot[20]19شکل 3- 1: حالات نامطلوب برای سلولهای یک مش (از راست به چپ): حجم منفی، نرمال منفی و صفحهی پیچخورده …………………………………………………………………...……………..23شکل 3- 2:دامنهی مشزنی شده برای محفظهی احتراق.. 25شکل 3- 3:تغییرات گشتاور و توان ترمزی نمونه ای از موتور رفت و برگشتی خودرو سواری [5]38شکل 3- 4: هندسههای مختلف برای تاج پیستون [34]44شکل 3- 5:شماتیک کارکرد مدل ECFM-3Z در موتور دیزل.. 49شکل 4- 1:اعتبارسنجی نتایج عددی با استفاده از نمودار تجربی فشار موجود در منبع [36]55شکل 4- 2: نمودارهای گشتاور اندیکهی موتور مورد بررسی بر حسب دمای اولیهی محفظهی احتراق 56شکل 4- 3: نمودارهای فشار مؤثر متوسط اندیکه برای موتور مورد بررسی بر حسب دمای اولیهی محفظهی احتراق 57شکل 4- 4: نمودارهای مصرف سوخت مؤثر اندیکهی موتور مورد بررسی بر حسب دمای اولیهی محفظهی احتراق 58شکل 4- 5: نمودارهای NOxدر جرم سوخت پاشش شدهی m=31.3 mg/cycleبر حسب زاویهی میللنگ.. 59شکل 4- 6: نمودارهای NOxدر جرم سوخت پاشش شدهی m=40.0 mg/cycleبر حسب زاویهی میللنگ.. 59شکل 4- 7: نمودارهای NOxدر جرم سوخت پاشش شدهی m=50.0 mg/cycle بر حسب زاویهی میللنگ.. 60شکل 4- 8: نمودارهای NOxدر جرم سوخت پاشش شدهی m=60.0 mg/cycle بر حسب زاویهی میللنگ.. 60شکل 4- 9: نمودارهای NOxدر جرم سوخت پاشش شدهی m=70.0 mg/cycle بر حسب زاویهی میللنگ.. 61شکل 4- 10:نمودارهای sootدر جرم سوخت پاشش شدهی m=31.3 mg/cycle بر حسب زاویهی میللنگ.. 61شکل 4- 11: نمودارهای sootدر جرم سوخت پاشش شدهی m=40.0 mg/cycle بر حسب زاویهی میللنگ.. 62شکل 4- 12:نمودارهای sootدر جرم سوخت پاشش شدهی m=50.0 mg/cycle بر حسب زاویهی میللنگ.. 62شکل 4- 13: نمودارهای sootدر جرم سوخت پاشش شدهی m=60.0 mg/cycle بر حسب زاویهی میللنگ.. 63شکل 4- 14:نمودارهای sootدر جرم سوخت پاشش شدهی m=70.0 mg/cycle بر حسب زاویهی میللنگ.. 63شکل 4- 15: منحنیهای فشار در جرم سوخت پاشششدهی m=31.3 mg/cycle بر حسب زاویهی میللنگ 64شکل 4- 16: منحنیهای فشار در جرم سوخت پاشششدهی m=40.0 mg/cycle بر حسب زاویهی میللنگ 65شکل 4- 17: منحنیهای فشار در جرم سوخت پاشششدهی m=50.0 mg/cycle بر حسب زاویهی میللنگ 65شکل 4- 18: منحنیهای فشار در جرم سوخت پاشششدهی m=60.0 mg/cycle بر حسب زاویهی میللنگ 66شکل 4- 19: منحنیهای فشار در جرم سوخت پاشششدهی m=70.0 mg/cycle بر حسب زاویهی میللنگ 66شکل 4- 20: منحنیهای نرخ آزادسازی گرما در جرم سوخت پاشششدهی m=31.3 mg/cycleبر حسب زاویهی میللنگ ................................................................................................................................................................................................... 67شکل 4- 21: منحنیهای نرخ آزادسازی گرما در جرم سوخت پاشششدهی m=40.0 mg/cycleبر حسب زاویهی میللنگ................................................................................................................................................................................................... 68شکل 4- 22: منحنیهای نرخ آزادسازی گرما در جرم سوخت پاشششدهی m=50.0 mg/cycle بر حسب زاویهی میللنگ................................................................................................................................................................................................... 68شکل 4- 23: منحنیهای نرخ آزادسازی گرما در جرم سوخت پاشششدهی m=60.0 mg/cycle بر حسب زاویهی میللنگ................................................................................................................................................................................................... 69شکل 4- 24: منحنیهای نرخ آزادسازی گرما در جرم سوخت پاشششدهی m=70.0 mg/cycle بر حسب زاویهی میللنگ................................................................................................................................................................................................... 69شکل 4- 25: کانتورهای دمایی مرتبط در دمای اولیه محفظهی احتراق 600 کلوین 71شکل 4- 26: کانتورهای نسبت همارزی در دمای اولیه محفظهی احتراق 600 کلوین 72شکل 4- 27: کانتورهای جزء جرمی C13H23در دمای اولیه محفظهی احتراق 600 کلوین 73 1-1- مقدمهیکی از مشکلات جدی زیستمحیطی در جوامع امروزی، مشکل آلودگی هواست. از طرفی با گسترش شهرها حجم تولید آلایندههای هوا به میزان قابل توجهی در حال افزایش است. شکی نیست که این آلایندهها برای سلامتی انسان و محیط زیست مضر هستند. آلودگی ناشی از موتورهای حرارتی سهم زیادی در این مسئله دارند، اما استفاده از آنها بسیار رایج است و عملاً امکان کنار گذاشتن موتورهای حرارتی از لیست منابع تأمین نیروی لازم برای حرکت وسایل گوناگون، غیر ممکن است.موتورهای دیزل[1]، به عنوان شکلی از موتورهای حرارتی احتراق داخلی با تولید اکسید های نیتروژن NOx، دوده، ذرات ریز و ... از پرکاربردترین منابع آلودهکنندهی هوا محسوب میشوند. تحقیقات و مطالعات تجربی نشان میدهد که ایجاد تغییراتی در ساختار سیستم سوخترسانی موتورهای دیزل به میزان قابل توجهی در عملکرد موتور و حجم آلایندههای تولیدشده تاثیرگذار است. برای همین سیستم سوخترسانی، و تلاش برای بهبود عملکرد آن، در سالهای اخیر موضوع بسیاری از مطالعات در زمینهی موتورهای دیزل بوده است.زندگی بهتر بشر مستلزم بهبود تجهیزات و سیستمهایی است که از آنها استفاده میکند. با افزایش روزافزون کاربرد موتورها در زمینههای مختلف صنعتی از جمله خودرو، تحقیقات در این زمینه امری ضروری است. در این میان تحقیق در زمینهی موتورهای احتراق داخلی با توجه به خصوصیات و کاربردهایشان از جایگاه ویژهای برخوردار است.موتورهای احتراق داخلی به دلیل داشتن بازده و قدرت بالا نسبت به وزن و حجمشان، کاربردهای فراوانی در حملونقل و سایر صنایع دارند؛ که یکی از اصلیترین چالشهای پیشرو در استفاده از آنها، مسائل زیستمحیطی و خصوصاً آلودگی هوا میباشد. البته تحقیقات فراوانی نیز جهت کاهش آلایندههای منتشره از این موتورها صورت گرفته است.علاوه بر مطالعات تجربی صورتگرفته در این زمینه، یکی از ابزارهای مهم جهت پژوهش در این حوزه، مدلکردن کامپیوتری پدیدههای درونی موتورهاست. این مدلها در واقع رهیافتی برای رابطهمندکردن و تحلیل چرخههای درونی موتور است. اغلب مدلها نمیتوانند فرآیندها و خواص را با ریزترین جزئیات نشان دهند، با این حال، ابزار قدرتمند و قابلاعتمادی در فهم و توسعهی فرآیندهای درونی موتور میباشند. با استفاده از این مدلها در تحلیل و طراحی موتورهای جدید، صرفهجویی عمدهای در زمان و هزینهی مطالعات صورت میگیرد. در این راستا مدلهای کلاسیک ارائهشده را میتوان به دو گروه مدلهای ترمودینامیکی و مدلهای سیالاتی طبقهبندی کرد. ولی علاوه بر این دو گروه، شبکههای عصبی مصنوعی نیز یکی از قدرتمندترین ابزارها در تحلیل سیستمهای پیچیده و غیرخطی محسوب میشوند. این شبکهها توانایی تحلیل ارتباط موجود بین انواع پارامترهای ورودی و خروجی و ایجاد مدلی مناسب برای موتورهای احتراق داخلی را دارند.علاوه بر مشکل آلودگی محیط زیست، کاهش منابع طبیعی و در نتیجه افزایش هزینهی استفاده از سوختهای فسیلی نیز مانعی در زمینهی فعالیت موتور دیزل است. تکنیکهایی که برای غلبه بر مشکلات موتور دیزل ارائه میشود در حالت کلی دو جهتگیری دارند [1] و [2]:1- ایجاد تغییراتی در طراحی موتورهای دیزل برای افزایش عملکرد آن و کاهش آلودگی محصولات احتراق (نظیر استفاده از سیستم ریلمشترک، استراتژی های کنترل تزریق سوخت، کار بر روی گاز خروجی و ...).2- استفاده از سوخت جایگزین برای حل بحران انرژی، مسئلهی آلایندهها و حتی افزایش عملکرد موتور دیزل (به عنوان نمونه، سوختهای اکسیژندار که ذرات ریز کمتری تولید میکنند یا سوختهای تجدیدپذیر که با محیط زیست سازگاری دارند). 1-2- هدف مطالعهی حاضرپایاننامهی پیش رو مطالعهای عددی بر روی موتور دیزل 8/1 لیتر انجام میباشد. ابتدا شبیهسازی موتور انجام شده و تاثیر شرایط اولیهی حاکم مورد بررسی قرار میگیرد. بدین وسیله ابتدا مدل هندسی دامنهی محاسباتی سیلندر پیستون طراحی گردیده و سپس در نرم افزار Ansys ICEM مشزنی سطحی صورت گرفته است و در نرم افزار ESE Diesel مشزنی نهایی صورت گرفته و برای برقراری شرایط اولیه و مرزی و همچنین چگونگی حل معادلات بقا، گسستهسازی معادلات پیوستگی، مومنتوم، و انرژی تصمیمگیری میشود. مدل هندسی مشزنیشدهی سهبعدی وارد نرم افزار AVL-Fire شده و نتایج دو بعدی و سهبعدی با تغییر پارامترهای اولیهی مورد نظر مورد مطالعه قرار خواهند گرفت. هدف این پایاننامه تبیین راهکارهایی جهت افزایش عملکرد موتور و کاهش آلایندهها با استفاده از انتخاب بهترین نقاط کارکردی شرایط اولیه خواهد بود. 1-3- ساختار کلّی پایان نامهقسمتهای مختلف این پایاننامه شامل مقدمهای از موتورهای دیزل در فصل اول میباشد. فصل دوم به تعریف مسئله و مروری بر کارهای انجام شده میپردازد. نحوهی مشزنی و خصوصیات مش و نیز مدلهای احتراقی که در سالهای اخیر مورد توجه قرار گرفته و نحوهی گسستهسازی معادلات مطالب فصل سوم را شکل میدهند. همچنین نحوهی تزریق سوخت و معادلات مربوطه به همراه جداول استفاده شده برای شبیهسازی بحث خواهند شد. در فصل چهارم نتایج حاصل از شبیهسازی به همراه بحث بر روی نتایج جهت ایجاد بهترین عملکرد و کمترین آلایندگی ارائه خواهند شد. نتایج ارائه شده بهصورت کانتورهای سهبعدی از تغییرات زمانی و مکانی پارامترهای هدف خواهند بود. همچنین نمودارهای دوبعدی از تغییرات پارامترهای مربوطه در طول میللنگ و پیشرفت سیکل دیزل ارائه میشوند. در فصل پنجم راهکارها و پیشنهادهایی جهت انجام کارهای آتی مطرح خواهند شد. فصل دوم 2-1- مقدمهدر این فصل، ابتدا تاریخچهای از روند تکامل موتورهای احتراق داخلی و موتورهای دیزل به صورت کاملاً خلاصه و فشرده با تأکید بر کاربردها و مزایای آن آورده شده است. تمرکز مطالب بیشتر بر روی موتورهای دیزل و چند مورد از مشخصههای عملکردی آنها میباشد. در ادامه به پدیدهی احتراق در موتور پرداخته شده، و در نهایت آلایندههای منتشره از موتورهای دیزل و عوامل مؤثر در تولید این آلایندهها مورد بررسی قرار میگیرند. 2-2- تاریخچهی موتورهای احتراق داخلی[2]در گذشته، انسان برای تأمین نیرو در عملیات و کارهای مختلف از نیروی حیوانات استفاده مینمود، امّا با گذشت سالها و پیشرفتهای بشر، موتور گرمایی[3] اختراع و به عنوان منبع تولید توان در کارهای گوناگون به کار گرفته شد. تاریخچهی موتورهای احتراق داخلی به سال 1876 میلادی، زمانی که نیکولاس اتو[4] (1891- 1832) برای اولین بار موتور اشتعال جرقهای[5] و نیز سال 1892 زمانی که رادلف دیزل[6] (1913-1858) موتور اشتعال تراکمی[7] را اختراع کردند، برمیگردد. از آن زمان تاکنون، همراه با افزایش دانش ما از فرآیندهای موتور، فراهم شدن فنآوریهای جدید، افزایش تقاضا برای انواع موتورهای جدید و تغییر در محدودیتهای زیستمحیطی، تکنولوژی مربوط به موتورها همواره در حال پیشرفت بوده است. هماکنون، موتورهای احتراق داخلی و صنایعی که آنها را توسعه داده و از تولید و بهکارگیری آنها حمایت میکنند، نقش بارزی در زمینههای توان، پیشرانش و انرژی ایفا مینمایند. در سالهای گذشته با توجه به اهمیت فزایندهی مسائلی نظیر آلودگی هوا، قیمت سوخت و رقابت بازار، شاهد رشد انفجاری در تحقیق و توسعهی انواع این موتورها بودهایم [3]. در این میان، موتورهای دیزل در سالهای اخیر، به دلایل متعددی از جمله، بالا بودن راندمان حرارتی و ارزان بودن سوخت مصرفیشان، بیشتر مورد توجه قرار گرفتهاند. مطالعات در این پایاننامه نیز عمدتاً بر این نوع از موتورهای احتراق داخلی استوار است.رادلف دیزل در سال 1858 میلادی در فرانسه به دنیا آمد. او در سال 1875 موفق به اخذ بورس تحصیلی از دانشگاه سلطنتی پلی تکنیک مونیخ گردید. دیزل، پس از ورود به این دانشگاه با پروفسور کارل فن لینده[8] آشنا شد که در یک شرکت تحقیقاتی در زمینهی طراحی و ساخت یخچالهای مدرن فعالیت میکرد. او به کمک پروفسور لینده، در سال 1890 به فکر طراحی موتورهای بخار با سوخت آمونیاک افتاد، امّا در حین آزمایش، موتور او منفجر شده و دیزل به شدت آسیب دید. همین حادثه باعث شد که بینایی او با مشکل مواجه گردد. وی پس از آن، فعالیت پژوهشیِ خود را صرف نوع دیگری از موتورها کرد که از بازده بالاتری نسبت به موتورهای بنزینی برخوردار بودند. اشتعال در موتور جدید، که سوخت آن پودر زغال سنگ بود، در اثر درجهی حرارت بالای هوای متراکم شده انجام میگرفت (اشتعال تراکمی) و از این حیث تفاوتهای اساسی با موتورهای بنزینی، که در آن دوران مورد استفاده بودند، داشت. موتور مذکور در سال 1892 با موفقیت آزمایش شد و همین موفقیت باعث گردید تا نام دیزل، به عنوان یک مخترع بزرگ در تاریخ سیر تکاملی موتورهای احتراق داخلی[9] ثبت شود. رادلف دیزل برای آخرین بار در سال 1913 در یک کشتی بخار، حین عبور از یک کانال در انگلستان دیده شد [3].