در این پروژه بررسی ترمومکانیکی پیستون خودرو roa مد نظر بود. لذا می بایست تمام نیروها و به تبع آن تنش¬های موثر بر پیستون تعیین و اثر آنها از نظر جا به جایی بر پیستون محاسبه می شد. به طور کلی دو دسته نیروی مکانیکی و حرارتی به پیستون وارد می شود. نیروهای مکانیکی شامل فشار گاز و اینرسی است و تنش حرارتی، تنش ناشی از گرادیان دما در پیستون است. شرایط مرزی مکانیکی شامل فشار ماکزیمم محفظه احتراق و شتاب پیستون از مقادیر تجربی بدست آمدند و شرایط مرزی حرارتی با استفاده از نتایج تحقیقات گذشته لحاظ گردیدند. برای تحلیل تنش از روش اجزا محدود استفاده شد. برای حل معادلات اجزا محدود از نرم افزار ansys استفاده گردید. تنش های حرارتی تنها در زاویه ای از میل لنگ که در آن دمای ماکزیمم اتفاق می افتد، بررسی شد و دلیل آن برهمنهی با تنش های مکانیکی است. سپس روابط ریاضی حاکم بر سینماتیک پیستون بررسی شدند. پس از تعیین شرایط مرزی مکانیکی و حرارتی، مدل سه بعدی پیستون با استفاده از نقشه آن تهیه شد. پس از مش بندی و اعمال شرایط مرزی روی مدل سه بعدی حل المان محدود انجام شد. نتایج حاصله از این تحقیق با داده های موجود در ادبیات فن تطابق خوبی داشت. با استفاده از این نتایج امکان کاهش وزن پیستون در نواحی کم تنش وجود دارد.

در طی دو دهه اخیر، احتراق از نوع اشتعال تراکمی مخلوط همگن،hcci ، خود را به عنوان یک روش شناخته شده و کاربردی برای انواع مختلف موتورهای احتراق داخلی، چه از نوع ساکن و چه از نوع متحرک نشان داده است. نتایج حاصل از این نوع احتراق در موتورها نشان می دهند که آنها با استفاده از این نوع احتراق دارای پتانسیل بزرگی برای کاهش آلاینده ها هستند و همچنین می توانند مصرف سوخت را به میزان 10 الی 20 درصد نسبت به موتورهای اشتعال جرقه ای کاهش دهند. hcciبه صورت فرآیندی تعریف می شود که در آن مخلوط همگن سوخت و هوا، رقیق شده با هوا و محصولات احتراق، تحت شرایط مذکور متراکم شده و خود اشتعالی در انتهای کورس تراکم صورت می گیرد و به دنبال آن فرآیند احتراق بوقوع می پیوندد. این کار در راستای بررسی عددی این فرآیند تعریف شده است که هدف اصلی آن توسعه یک مدل ریاضی می باشد که بتواند الگوهای مناسب فرآیند انتقال حرارت را بکار گیرد. در کار حاضر به منظور در نظر گرفتن ناهمگنی بار درون سیلندر در موتورهای احتراق داخلی، از مدل چند منطقه ای (multi zone) استفاده شده است. پیکربندی مورد استفاده، یک پیکربندی 6 منطقه ای از نوع تو در تو می باشد. از آن جا که مدل احتراق مورد بررسی، مدل چند منطقه ای است لذا انتقال حرارت به صورت های: هدایت مابین مناطق، تشعشع از مناطق مختلف به دیواره ها و جابجایی از ناحیه مرزی نزدیک دیواره به دیواره وجود دارد. سوخت مورد بررسی در این مطالعه متان بوده است. در این کار از روابط مناسب مربوط به ضرایب تشعشع و جذب گونه های گازی حاضر درمحفظه احتراق استفاده شده و به معادلات انتقال حرارت تشعشعی ما بین مناطق اعمال گردیده و نهایتا به زبان برنامه نویسی فرترن تبدیل شده است. کد حاصل، سپس به یک کد جامع احتراق hcci، اعمال شده و نتایج حاصل از آن در سه حالت متفاوت از شرایط عملکردی موتور حاصل شده اند. برای صحه گذاری بر این الگوی انتقال حرارت از معیار تطابق فشار پیش بینی شده توسط مدل با داده های فشار اندازه گیری شده از طریق آزمایش استفاده شده است که تطابق بسیار خوبی را با یکدیگر نشان می دهند; علاوه براین نتایج بدست آمده از مدلی که انتقال حرارت تشعشعی را در نظرگرفته بود و مدلی که تاثیر آن را لحاظ ننموده بود با یکدیگر مقایسه شده اند. از این نتایج روشن است که انتقال حرارت تشعشعی در مرحله اصلی احتراق به دلیل افزایش قابل ملاحظه دما به میزان زیادی افزایش می یابد در حالی که در خارج از این محدوده به شدت دچار کاهش می شود و در نتیجه در کل چرخه کاری موتور تاثیر اندکی دارد. همچنین در مورد تاثیرات هر یک از گونه های گازی موجود در محفظه احتراق در انتقال حرارت تشعشعی بحث شده است.

در طی دهه های اخیر، احتراق از نوع اشتعال تراکمی مخلوط همگن (hcci)، خود را به عنوان یک روش و تکنیک شناخته شده و کاربردی برای انواع مختلف موتورهای احتراق داخلی چه از نوع ساکن و چه از نوع متحرک نشان داده است. نتایج حاصل از این نوع احتراق در موتور نشان می دهند که آنها دارای پتانسیل بزرگی برای کاهش آلاینده ها و مصرف سوخت هستند، hcci به صورت فرآیندی تعریف می شود که در آن مخلوط همگن سوخت و هوا، رقیق شده با هوا و محصولات احتراق، تحت شرایط مذکور متراکم شده و خود اشتعالی در انتهای کورس تراکم صورت می گیرد و به دنبال آن فرآیند احتراق به وقوع می پیوندد که خیلی سریعتر از فرآیند احتراق موتورهای اتو و یا دیزلی مرسوم می باشد از طرف دیگر آنالیز اگزرژی بعنوان یک ابزار موثر در شناخت ناکارآمدیهای سیستم های تبدیل انرژی بکار گرفته می شود. از اینرو، هدف اصلی از انجام این تحقیق، بررسی احتراق hcci در موتور های گازسوز با استفاده از آنالیز اگزرژی می باشد. در این کار برای مدلسازی احتراق hcci از مدلهای ترمودینامیکی استفاده شده و بسته به سوخت مورد بررسی، مکانیزم سینتیک شیمیایی مفصل مرتبط، به مدل اعمال می شود. در ادامه، معادلات حاکم بر آنالیز قانون دوم ترمودینامیک به مدل اضافه شده و این آنالیز بر روی احتراق سوختهایی نظیر گاز طبیعی و گاز طبیعی در حضور هپتان نرمال مورد بررسی قرار گرفته است. همچنین تاثیر egr (عامل موثر در کنترل احتراق hcci) مورد بررسی قرار گرفته است. از نتایج مشاهده می شود که با افزایش درصد جرمی گاز طبیعی تلفات اگزرژی افزایش، نابودی اگزرژی کاهش و بازده قانون دوم افزایش می یابد. همچنین با اعمال درصدهای مختلف egr به همه شرایط عملکردی مشاهده می شود که با افزایش درصد egr بازده قانون دوم ترمودینامیک افزایش می یابد.

موتورهای دوگانه سوز در بارهای جزئی دارای مخلوط سوخت و هوای خیلی فقیر می باشند و از این رو مقادیر آلاینده های خروجی این موتور ها (co,uhc) در شرایط فوق الذکر بالا می باشد.همچنین بازده حرارتی موتورهای دوگانه سوزدر بارهای جزئی پایین می باشد.اعمال egrبه بار ورودی موتور می تواند مخلوط سوخت و هوای ورودی به موتور را غنی نموده و به تبع آن پارامترهای عملکردی و آلایندگی اصلاح می‏گردند. از سوی دیگر اعمال egrبا درصدهای بالا می تواند بازده حجمی موتور را تحت تاثیر قراردهد و در نتیجه آن پارامترهای عملکردی و آلایندگی موتور های دوگانه سوز بدتر شوند. در نتیجه egrدر موتورهای دوگانه سوز باید به میزان بهینه مورد استفاده قرار گیرد. در این راستا،آنالیز قانون دوم ترمودینامیک می تواند در تعیین مقدار egr بهینه در موتور های دوگانه سوز مورد استفاده قرار گیرد،تا هم بتوان به پارامترهای عملکردی و هم به پارامترهای آلایندگی مناسب در شرایط بارهای جزئی دست یافت. به همین منظور در این کار ابتدا یک مدل چند منطقه ای برای مدل سازی فرآیند احتراق موتورهای دوگانه سوز توسعه یافت و به دنبال آن روابط حاکم بر قانون دوم ترمودینامیک بر این مدل اعمال گردید. همچنین فرآیند مکش و تخلیه نیز مدل سازی شد و در نهایت مقادیر مختلف egrبه این مدل در شرایط بار های جزئی اعمال شد و تأثیر اعمال egr بر پارامترهای عملکردی و آلایندگی مورد بررسی قرار گرفت.و در نهایت برای صحه گذاری بر نتایج مدل از کارهای تجربی موجود در آزمایشگاه ماشین های حرارتی استفاده گردید

در دو دهه اخیر احتراق از نوع اشتعال تراکمی مخلوط همگن (hcci) خود را به عنوان تکنیک شناخته شده و کاربردی برای انواع مختلف موتورهای احتراق داخلی چه از نوع ساکن و چه از نوع متحرک نشان داده است. در نتیجه موتورهای hcci به دلیل داشتن مزیت هایی همچون هزینه کم، بازده تبدیل انرژی بالا، میزان پایین نشر آلاینده ها، انعطاف پذیری دمای کارکرد و انعطاف پذیری در انتخاب نوع سوخت گزینه ای جدید برای سیکل های تولید همزمان محسوب می شوند. با توجه به اینکه موتور اشتعال تراکمی مخلوط همگن به دلیل مزایای ذکر شده، اخیرا مورد توجه محققین قرار گرفته است، استفاده از حرارت اتلافی گازهای خروجی موتور به عنوان منبع حرارتی سیکل آب و آمونیاک تک اثره، چرخه تولید همزمان توان- تبرید جذبی و نیز استفاده از حرارت اتلافی آب خنک کاری موتور جهت تولید بخار می تواند سیستمی کارا جهت تولید همزمان توان، برودت و گرمایش ایجاد کند. در کار حاضر جهت مدلسازی ترمودینامیکی موتور hcci از مدل احتراقی تک منطقه ای با سینتیک شیمیایی مفصل استفاده شده است که مدل آن به زبان فرترن توسعه یافته است همچنین جهت مدلسازی ترمودینامیکی اجزا مختلف چرخه پایین دستی از نرم افزار ees استفاده شده است به طوریکه با استفاده از کوپل کردن این دو برنامه کامپیوتری امکان بررسی تاثیر پارامترهای مهم از قبیل نسبت فشار پمپ، غلظت پایه مخلوط آب و آمونباک، دمای مولد و دمای ورودی توربین بر عملکرد چرخه تولید همزمان توان- تبرید جذبی مورد مطالعه قرار گرفته است. نتایج حاصل از بررسی پارامتریک نشان می دهد که با افزایش نسبت فشار پمپ و یا کاهش دمای مولد، توان خالص خروجی و بازده اگزرژی افزایش می یابد و همچنین با افزایش نسبت فشار پمپ و یا افزایش دمای مولد بازده حرارتی و ظرفیت تبرید ابتدا تا یک مقدار بیشینه افزایش یافته وسپس کاهش می یابد. با محاسبه نسبت نابودی اگزرژی اجزای مختلف مشخص گردید که موتور بخش اعظم اتلاف اگزرژی را به خود اختصاص می دهد.

در سال های اخیر از موتورهای گازسوز در زمینه تولید همزمان قدرت و حرارت استفاده های مختلفی شده است. با توجه به اینکه چرخه های ترکیبی نسبت به چرخه های دیگر دارای بازده بیشتری هستند، جهت افزایش قدرت خروجی، در کار حاضر یک چرخه ترکیبی تولید همزمان در مقیاس کوچک مورد مطالعه قرار گرفته است. این سیستم از دو تولید کننده ی همزمان با مولدهای قدرت متفاوت تشکیل شده است: سیستم تولید همزمان با موتور رفت و برگشتی گازسوز به عنوان چرخه بالادستی و سیستم تولید همزمان با چرخه رانکین که از گازهای حاصل از احتراق بهره می برد به عنوان چرخه پایین دستی. در بررسی دیگر جهت استفاده از انرژی سیال خروجی از چرخه و ایجاد برودت، از یک چرخه تبرید جذبی لیتیم بروماید-آب بهره گرفته شده است. در نمونه ای دیگر، یک چرخه تبرید جذبی آب-آمونیاک جایگزین چرخه رانکین شده است و یک چرخه تولید همزمان سه گانه را تشکیل می دهد. در این مطالعه ابتدا به بررسی عملکرد euf و دوم ترمودینامیک چرخه پایه، چرخه ترکیبی تولید همزمان دوگانه و سه گانه پرداخته می شود و با بهره گیری از نتایج به دست آمده از تحلیل ها، مقایسه ای بین چرخه ها صورت گرفته است. در مرحله بعدی، با توجه به مطالعات صورت گرفته و انتخاب عوامل موثر بر عملکرد چرخه ، بررسی پارامتریک بر روی چرخه ها انجام می شود. با محاسبه نسبت نابودی اگزرژی مشخص گردید که موتور بخش اعظم اتلاف اگزرژی را به خود اختصاص می دهد و چرخه های تبرید و سایر اجزا نقش بسیار کمی در اتلافات دارند. از این رو بهینه-سازی موتور و بهبود عملکرد موتور می تواند در عملکرد کلی چرخه نقش به سزایی داشته باشد.

در این پایان نامه یک مدل ترمودینامیکی دو ناحیه ای برای بررسی فرآیند احتراق در یک موتور احتراق داخلی مجهز به محیط متخلخل استفاده شده است. یک برنامه کامپیوتری در محیط فرترن نوشته شده و با سابروتین های chemkin ii کوپل شده است. در این راستا یک مکانیزم سینتیک شیمیایی برای برای شبیه سازی شیمیایی به کار برده شده است که می تواند زمان بندی اشتعال، نرخ احتراق و مقدار آلاینده های co , hc و nox را به صورت مطلوبی پیش بینی کند. نتایج بدست آمده از این مدلسازی نشان می دهد که با استفاده از محیط متخلخل دمای بیشینه سیکل کاری موتور کاهش می یابد که باعث کاهش انتشار آلاینده ها می شود. به علاوه به دلیل بازیابی انرژی در محیط متخلخل مخلوط سوخت و هوای فقیر به راحتی مشتعل می شود که همین امر باعث کاهش مصرف سوخت می شود. عملکرد محیط متخلخل از دیدگاه قانون دوم ترمودینامیک نیز مورد بررسی قرار گرفته است. مقدار انتقال اگزرژی در اثر انتقال حرارت به دیواره و همچنین برگشت ناپذیری با استفاده از بالانس اگزرژی درون محفظه احتراق به دست آماده است. نتیجه حاصل شده نشان میدهد که اگزرژی منتقل شده به محیط متخلخل در حدود2.31% مقدار اگزژی منتقل شده در اثر گرمای تلف شده از دیواره و 0.4% مقدار برگشت ناپذیری می باشد.

در کار حاضر، تحلیل اگزرژی – اقتصادی و بهینه سازی دو هدفه چرخه ترکیبی موتور hcci و سیکل تبرید اجکتوری، انجام گرفته شده است.برای بررسی ترمودینامیکی چرخه تبرید اجکتوری یک مدل دو بعدی برای پیش بینی عملکرد اجکتور توسعه داده شده است. نتایج مدل با نتایج آزمایشگاهی موجود در ادبیات فن مقایسه شده و تا حدود زیادی پیش بینی عملکرد اجکتور بهبود داده شده است.این مدل قادر است در شرایط مختلف نسبت مکش و مساحت اجکتور را ، که نمایانگر هندسه اجکتور است، محاسبه کند. شبیه سازی اجکتور بر اساس مدل گاز ایده آل و روش اختلاط در فشار ثابت انجام گرفته است. در این مدل بازده بخش های مختلف اجکتور ، تلفات ناشی از اختلاط دو جریان به واسطه ویسکوزبودن سیال و اصطکاک دیواره در بخش سطح مقطع ثابت در نظر گرفته شده است. ازطرفی در طی دو دهه اخیر احتراق از نوع اشتعال تراکمی مخلوط همگن (hcci)، خود را به عنوان تکنیک شناخته شده و کاربردی برای انواع مختلف موتور های احتراق داخلی چه از نوع ساکن و چه از نوع متحرک نشان داده است. این نوع موتورها به دلیل داشتن مزیت هایی همچون هزینه کم، بازده تبدیل انرژی بالا، میزان پایین نشر آلاینده ها ، انعطاف پذیری دمای کارکرد و انعطاف پذیری در انتخاب نوع سوخت گزینه ای جدید برای سیکل های تولید توان ویا تبرید هستند. hcci به صورت فرایندی تعریف می شود که در آن مخلوط همگن سوخت و هوا، رقیق شده با هوا و محصولات احتراق، تحت شرایط مذکور متراکم شده و خود اشتعالی در انتهای کورس تراکم صورت می گیرد و به دنبال آن فرایند احتراق به وقوع می پیوندد. با توجه به اینکه موتور اشتعال تراکمی مخلوط همگن به دلیل مزایای ذکر شده، اخیرا مورد توجه محققین قرار گرفته است، استفاده از حرارت اتلافی گازهای خروجی موتور به عنوان منبع حرارتی چرخه تولید تبرید ، می تواند سیستمی کارا جهت تولید برودت ایجاد کند. و جهت انجام این کار، موتور اشتعال تراکمی مخلوط همگن که نوع جدیدی از موتورهای احتراق داخلی می باشد با سیکل تبرید اجکتوری ترکیب شده است. در کار حاضر جهت مدل سازی ترمودینامیکی موتور hcci از مدل احتراقی تک منطقه ای با سنتیک شیمیایی مفصل استفاده شده است که مدل آن به زبان فرترن توسعه یافته است و همچنین جهت مدل سازی ترمودینامیکی اجزای مختلف چرخه پایین دستی از نرم افزار matlab استفاده شده است. در نهایت بهینه سازی دو هدفه چرخه تبرید اجکتوری بر اساس بازده اگزرژی و هزینه نهایی تولید محصول به عنوان توابع هدف ، با استفاده از الگوریتم ژنتیک صورت گرفته است. نتایج حاصل از بررسی ترمو دینامیکی و اگزرژی اقتصادی چرخه تبرید اجکتوری، نشان می دهد که عملکرد چرخه به شدت متاثر از دمای کارکردی ژنراتور، اواپرراتور و کندانسور می باشد. به طوریکه با افزایش دمای اواپراتور هزینه واحد تولید محصول پیوسته افزایش می یابد و افزایش ظرفیت تبرید را نیز به دنبال دارد . همچنین از دیدگاه قانون دوم ترمودینامیک دما های بالای ژنراتور تاثیر مثبتی برعملکرد چرخه دارد. همچنین دمای کاری چگالنده (پس فشار اجکتور)خود را به عنوان پارامتر بسیار حساس در روند عملکرد اجکتور و چرخه تبرید اجکتوری معرفی می کند، به طوریکه با افزایش آن عملکرد چرخه از دیدگاه قانون اول و همچنین بازده اگزرژی چرخه بسیار افت پیدا می کند، البته کاهش هزینه نهایی تولید محصول (تبرید) را نیز به دنبال دارد. شایان ذکر است که هر چقدر چگالنده در دما های پایین تری کار کند، اجکتور کارایی بهتری از خود نشان می دهد و باعث بهبود عملکرد سیستم می گردد. در پایان نتایج حاصل از بهینه سازی نشان می دهند که در دمای ژنراتور5/94 درجه سلسیوس ،دمای کندانسور 4/33 درجه سلسیوس و دمای اواپراتور03/0 درجه سلسیوس چرخه تبرید اجکتوری از نظر بازده اگزرژی و هزینه نهایی تولید محصول(تبرید) در حالت بهینه قرار دارد.

انژکتور هم محور برشی به همراه بخشی از مسیر تغذبه سوخت به صورت حجم محدود مدل شده است. ناپایداری های ناشی از نوسان ابر کاویتاسیونی در خروجی انژکتور،پیدایش و نابودی ورتکس ها،پدیده کلیوین-هلمهولتز و همچنین پدیده خودنوسانی برای انژکتور بررسی گردیده اند.

افزایش استفاده از سوخت فسیلی در زندگی روزمره انسان و تولیدات صنعتی سبب تاثیرات منفی بر روی محیط زیست و کاهش منابع انرژی شده است. به همین علت اخیرا محققین توجه خود را بر روی طراحی و ساخت سیستم های تولید توان با بازده های بالاتر مانند سیستم های دوگانه و سه گانه تولید همزمان بر پایه موتور های احتراق داخلی مبذول داشته اند. این نوع از سیستم ها توانایی تولید انواع مختلف انرژی مانند توان، گرمایش و سرمایش را به طور همزمان دارا می باشند. در زمینه موتورهای احتراق داخلی، یک تکنولوژی جدید به نام احتراق از نوع اشتعال تراکمی مخلوط همگن (hcci)، به منظور بالا بردن عملکرد موتور از طریق افزایش بازده مصرف سوخت، توسعه یافته است. به منظور استفاده بهتر از انرژی، محققین سیکل های مختلفی برای سیستم های تبرید جذبی ارائه داده اند که یکی از آنها سیکل گکس می باشد. ایده ارائه این سیکل، استفاده از حرارت اتلافی در ابزوربر به منظور تامین بخشی از حرارت مورد نیاز ژنراتور بوده است. به هنگام استفاده از کمپرسور در ورودی ابزوربر، این سیکل گکس هیبریدی نامیده می شود. در این پایان نامه، مدل ترمودینامیکی موتور hcci به عنوان مدل تک منطقه ای با مکانیزم سینتیک شیمیایی در نرم افزار فرترن ارائه شده است. همچنین سیکل پایین دستی که همان سیکل گکس هیبریدی می باشد، در نرم افزار ees مدل ترمودینامیکی شده است. با لینک کردن این دو نرم افزار یک تحلیل پارامتری برای ارزیابی اثر هرکدام از پارامترهای اساسی مانند دمای ژنراتور، دمای کندانسور، دمای اواپراتورو فشار ابزوربر، دمای گازهای احتراقی خروجی از موتور، دمای آب خنک کاری موتور، دمای آب گرم خروجی جهت گرمایش و دمای محیط بر عملکرد سیکل تولید سه گانه بدست میاید. نتایج بدست آمده از سیکل ترکیبی تولید همزمان، نشان می دهد که تخریب اگزرژی در موتور نسبت به تخریب اگزرژی در سایر اجزاء سیکل بیشترین مقدار را داراست. همچنین این نتایج حاکی از آن می باشند که با افزایش دمای محیط و دمای آب خنک کاری موتور و همچنین دمای گازهای احتراقی خروجی از موتور، بازده اگزرژی و حرارتی سیکل ترکیبی کاهش می یابد و بالعکس با بالارفتن دمای آب گرم خروجی بازده اگزرژی و حرارتی سیکل ترکیبی افزایش می یابد. نتایج بدست آمده از تحلیل پارامتری سیکل های گکس و گکس هیبریدی نشان می دهد که بیشترین مقادیر cop و بازده اگزرژی، در یک دمای مشخص ژنراتور اتفاق می افتد. دمای ژنراتور در حالتی که سیکل گکس هیبریدی بالاترین مقدار بازده اگزرژی را داراست، به نسبت حالتی که سیکل گکس بالاترین مقدار بازده اگزرژی را داراست، بیشتر است. همچنین مشاهده می کنیم که دمای ژنراتور بیشترین تاثیر را بر روی بازده اگزرژی دارد درحالیکه cop تاثیر کمتری از دمای ژنراتور می پذیرد. در سیکل گکس با افزایش دمای ژنراتور از k400 بهk440، بازده اگزرژی 75% افزایش میابد. درحالیکه افزایش مقدار cop در همین شرایط برابر با 5% می باشد.

چکیده ندارد.