یکی از قسمت هایی که در طراحی موتور دیزل سنگین پرخوران شده باید بدان دقت و توجه خاصی نمود، سیستم خروج دود از درگاه خروجی استوانه تا توربین است. طراحی خوب و بهینه این قسمت باعث افزایش کارایی توربین می شود و در نهایت افزایش بازده موتور را به دنبال خواهد داشت. شرایط آرمانی آن است که تمام انرژی ضربه ای گاز خروجی با کمترین افت به توربین منتقل شود. اما مقداری از این انرژی در مسیر به علت انتقال حرارت با محیط تلف می‏شود. از طرف دیگر آرایش و نوع اتصال چندراهه بین درگاه خروجی استوانه و توربین، باعث ایجاد افت فشار و در نتیجه کاهش مقدار انرژی قابل بازیافت در توربین می شود. از آنجاییکه جریان در اتصال چندراهه و سامانه های نظیر آن سه بعدی و آشفته است در تحقیق حاضر ابتدا به منظور اعتبارسنجی حل، یک اتصال چندراهه پودمانی سه بعدی با ابعاد مشخص توسط نرم افزار fluent شبیه سازی شده است. پس از بررسی اثر رینولدز جریان و مقایسه نتایج با نتایج تجربی‏، شبیه‏سازی برای چندین اتصال چندراهه پودمانی انجام گرفته است. برای حذف افت فشار ایجاد شده در اثر اصطکاک دیواره، در هر مرحله با برون یابی خواص ترمودینامیکی، ضریب افت اصطکاکی به کمک یک مدل ریاضی یک بعدی برای جریان تراکم‏پذیر و پایا بدست آمده و از افت فشار کل کسر گردیده است. مدل سازی برای چندین نسبت جریان جرمی ورودی انجام شده است. همچنین تأثیر نسبت مساحت مقطع و زاویه‏ی بین شاخه‏های اتصال چندراهه مورد تحلیل قرار گرفته است. در نهایت برای انتخاب پارامترهای هندسی بهینه، با استفاده از روش طراحی آزمایش ها بیست اتصال چندراهه با ابعاد متفاوت مورد تحلیل قرار گرفته است.

امروزه تولید همزمان و بازیافت انرژی از منابع قابل بازیافت در صنعت، بسیار مورد توجه قرار گرفته است. گازهای داغ خروجی از اگزوز موتورهای احتراق داخلی، درصد زیادی از گرمای اتلافی موتور را به خود اختصاص می دهد. در این پژوهش، دود خروجی از اگزوز یک موتور احتراق داخلی و قابلیت های آن به عنوان یک منبع انرژی، مورد مطالعه قرار گرفته است. از آنجا که جریان دود دارای انرژی حرارتی بالایی ست، می توان در مورد قابلیت کاردهی آن به عنوان یک خاصیت ترمودینامیکی بحث کرد. علاوه بر تحلیل ترمودینامیکی و اگزرژی گازهای داغ اگزوز، دود خروجی از یک موتور دیزل 4 سیلندر 87/3 لیتری با حداکثر توان 20 کیلووات مورد مطالعه آزمایشگاهی قرار گرفته است. از گازهای داغ خروجی از اگزوز موتورهای احتراق داخلی می توان به عنوان یک منبع انرژی در سامانه سرمایش جذبی استفاده کرد. سیکل های جذبی برخلاف سیکل های تراکمی به کار ورودی مکانیکی جهت راه-اندازی کمپرسور نداشته و آلودگی زیست محیطی بسیار کمتری دارند. در پژوهش حاضر، یک سیستم جذبی آب- آمونیاک با اتصال خروجی اگزوز موتور فوق الذکر به ژنراتور آن، راه اندازی گردیده و دمای داخل یخچال، ضریب عملکرد و ظرفیت سرمایش قابل حصول در بارهای مختلف موتور مورد ارزیابی قرار گرفته است. همچنین میزان دبی دود ورودی به یخچال به عنوان عاملی موثر در کمیت های فوق بررسی شده است. طی آزمایشات مختلف، افزایش بار موتور باعث افزایش دما، اگزرژی و دبی دود خروجی شده و ظرفیت سرمایش و ضریب عملکرد یخچال جذبی بهبود یافته است. دمای داخل یخچال مزبور بسته به بار موتور، پس از 15 تا 35 دقیقه شروع به کاهش کرده و پس از حدود 5/2 ساعت از شروع آزمایش، به دمای حالت پایدار بین 6/9- تا 12- درجه سانتیگراد رسیده است.

موتورهای احتراق داخلی گاز سوز، مدتهاست که به عنوان موتورهای ثابت در کارخانجات و نیروگاه ها استفاده می شوند. در سال های اخیر تقاضا برای حفظ محیط زیست و بکار گیری سوخت های جایگزین، بازار تولید را به سمت سامانه های تولید قدرت با استفاده از موتور های گاز سوز بزرگ سوق داده است. یکی از مشکلات اصلی کاربرد گاز طبیعی فشرده به جای بنزین و دیزل، افت توان در موتور است که علت اصلی آن کاهش بازده حجمی و افزایش تاخیر در اشتعال می باشد. یکی از راه های کم کردن افت توان، بهینه سازی محفظه احتراق به منظور افزایش سرعت احتراق است. در تحقیق حاضر که در جهت توسعه موتور ملی گازسوز د87 می باشد به بررسی اثر شکل کاسه ی پیستون و موقعیت قرارگیری شمع در سر سیلندر بر روی عملکرد و میزان آلایندگی موتورهای گاز سوز پرداخته شده است. برای این منظور از دینامیک سیالات محاسباتی سه بعدی avl fire برای شبیه سازی سیکل باز موتور که شامل سه مرحله مکش، تراکم و احتراق می باشد استفاده شده است. ابتدا نتایج حاصل از شبیه سازی با داده های تجربی صحه گذاری شده تا قابلیت اعتماد سایر نتایج برای بحث و مقایسه فراهم گردد. سپس با شبیه سازی سه شکل مختلف برای پیستون و چهار موقعیت متفاوت قرارگیری شمع در سر سیلندر برای هر کدام از شکل های پیستون، میزان فشار و دمای حاصل شده در داخل سیلندر و مقدار آلایندگی آن ها با هم مقایسه گردیده است. نتایج نشان داده است که محفظه احتراقی که بهترین اختلاط و مناسب ترین آشفتگی را ایجاد کند عملکرد بهتری داشته و میزان آلایندگی کمتری نیز حاصل می دهد.

استفاده از سوخت گاز طبیعی به عنوان یکی از راه حل های کاهش مصرف سوخت های فسیلی با آلایندگی بیشتر، مانند گازوئیل و بنزین است. بر این اساس، امروزه توجه خاصی به این سوخت با توجه به ارزش حرارتی زیاد و آلودگی کم، شده است. با توجه به نو بودن کاربری این سوخت در ایران وجهان، استفاده از آن به منظور بهره گیری بیشتر، مستلزم آن است که موانع و مشکلات موجود بر سر راه بکارگیری این نوع سوخت در قوای محرکه، توسط روش های تجربی و شبیه-سازی های عددی، برطرف گردد. در این پایان نامه، موتور د87 تمام گازسوز از خانواده موتورهای ملی د87، مورد ارزیابی قرار گرفته و اثر انحنای بادامک های مختلف با تغییر در زمان بسته شدن دریچه ورودی (با نام علمی چرخه میلر) و بازخورانی گازهای بازگشتی از دریچه خروجی، در هر دو حالت سرد و گرم، بررسی شده است. برای این منظور، با شبیه سازی یک بعدی در نرم افزار gt power، اثر سامانه پرخورانی ملاحظه گردیده و شرایط اولیه به نرم افزار avl fire ارائه شده است. نتایج نشان می دهند که با زودبسته شدن دریچه ورودی می توان با کاهش اندکی در توان خروجی موتور به یک محدوده عملکردی مطلوب از فشار و دما دست یافت. صرف نظر از پارامترهای احتراقی مانند دما و فشار، زمان بسته شدن دریچه ورودی با تأخیر 30 درجه ای، پس از نقطه مکث پایین، بیشینه توان خروجی را در اختیار قرار خواهد داد. فناوری بازگردانی گازهای خروجی در درصدهای پایین سبب افزایش سرعت احتراق موتور و در نتیجه آن افزایش بیشینه دمای داخل محفظه می گردد. همچنین نتایج نشان می دهد که در هر دو نوع بازخورانی سرد و گرم، با افزایش گازهای خروجی به بیش از 6 درصد، کاهش بیشینه دما و آلایندگی اکسیدهای ازت خواهیم داشت.

اصلی ترین اشکال موتورهای اشتعال تراکمی مخلوط همگن (hcci)، عدم کنترل فازهای مختلف احتراق است که منجر به کوچک شدن محدوده عملکردی آن می شود. یکی از روش های مهار بهتر احتراق در این موتورها، استفاده از ناهمگنی منطقه ای هم در تهیه مخلوط و هم در درجه حرارت مخلوط داخل سیلندر است. در این رساله با استفاده از نقطه ملتهب که به طور مستقیم در درون محفظه احتراق نصب شده است، مخلوط داخل را از نظر توزیع دما، به چند ناحیه تقسیم بندی نموده به طوری که بتوان با مهار یکی از ناحیه ها، لحظه شروع اشتعال و به تبع آن فاز های احتراق را بهتر کنترل نمود. اساس کار انجام شده در این رساله، اقدام های تجربی (آزمون ها) است. به طوری که پس از شبیه سازی اولیه ترمودینامیکی که بر اساس متغیرهای مورد مطالعه در آزمون انجام می گیرد، اتاق آزمونی با استفاده از یک موتور تک سیلندر با قابلیت تغییر در نسبت تراکم آماده شد. شرایط لازم برای اعمال تغییرات متغییرهای مورد لزوم اعم از درجه حرارت مخلوط ورودی به موتور، نسبت هوا به سوخت و درجه حرارت نقطه ملتهب در اتاق آزمون ایجاد شده است. از طرفی تجهیزات اندازه گیری، نیز اعم از اندازه گیری درجه حرارت، فشار، شار جرمی و غیره نیز در آن نصب گردیدند. بعد از انجام آزمون های مقدماتی، جهت کاهش تعداد دفعات آزمون، شبیه سازی cfd بااستفاده از نرم افزار avl fire انجام گرفته و محدوده هایی که از ابتداء برای انجام مطالعه در نظر گرفته شده بودند مورد بحث و بررسی قرار گرفتند. نهایتاً مشخص شد در نسبت تراکم های 14، 16 و 18 نتایج قابل قبول وجود دارد. البته محدوده دمایی در گستره نسبت تراکم های بیان شده از 80 درجه سانتی گراد تا 220 درجه سانتی گراد مطالعه و بررسی شدند. در ادامه، آزمون های اصلی بر اساس نتایج شبیه سازی انجام شده و با استفاده از لایه ای نمودن مخلوط داخل سیلندر، ضمن دسترسی به تداوم و پیوستگی در احتراق، عملکرد بهتری نیز مشاهده گردید. در هنگام لایه ای نمودن مخلوط داخل سیلندر، نیاز به دمای مخلوط ورودی کمتری است. این امر باعث افزایش بازده تنفسی و در نتیجه باعث افزایش توان تولیدی موتور و متعاقب آن نیز باعث افزایش بازده موتور خواهد شد. از طرفی لایه ای نمودن مخلوط داخل سیلندر باعث پیش افتادن واکنش های زنجیری احتراق و همچنین باعث افزایش طول مدت احتراق می گردد. که به تبع آن کاهش آرام نرخ افزایش در احتراق مشاهده می گردد و موتور قادر خواهد بود تا چگالی توان بیشتری بدهد. نتایج همچنان نشان می دهد که لایه ای نمودن مخلوط داخل باعث افزایش محدوده عملکرد موتور شده و از طرفی، باعث کاهش توان مصرفی مورد نیاز برای گرم کردن مخلوط ورودی موتور می گردد.