مدلسازی ترمودینامیکی موتورهای اشتعال تراکمی سوخت همگن با در نظر گرفتن سینتیک مفصل شیمیایی و کنترل فرایند احتراق با سوختهای ترکیبی

موتورهای اشتعال تراکمی سوخت همگن (hcci) ایده ای نوین در موتورهای احتراق داخلی برای کاهش مصرف سوخت و آلاینده های خروجی به شمار می روند. هرچند مزیت های اصلی این گونه موتورها در آزمایش ها و تحقیقات متعدد ثابت شده است اما وجود مشکلاتی نظیر نرخ بالای آزادسازی انرژی، کنترل زمان شروع احتراق و بازه محدود عملکردی این موتورها سبب شده است تا همچنان موانعی در راه تجاری سازی آن وجود داشته باشد. روش های متعددی نظیر استفاده از گازهای برگشتی، سوخت های ترکیبی، لایه بندی سوخت و ... برای رفع این مشکلات پیشنهاد شده است. هدف اصلی این رساله مدلسازی ترمودینامیکی موتورهای اشتعال تراکمی سوخت همگن به منظور بررسی عملکرد موتور در شرایط مختلف و همچنین کنترل فاز احتراق با استفاده از سوخت های ترکیبی است. برای این منظورابتدا روش های مختلف مدلسازی موتورهای اشتعال تراکمی سوخت همگن مرور شده و سپس با توجه به اهداف رساله، دو شیوه مدلسازی صفربعدی تک و چند ناحیه ای انتخاب شده است. روش دقیق مدلسازی و معادلات حاکم بر این مدل ها با ذکر جزئیات ارائه شده است. برای انجام مطالعات، سوخت های متان خالص، گاز طبیعی، دی متیل اتر و هیدروژن انتخاب شده است. برای شبیه سازی دقیق فرایند احتراق، سینتیک مفصل شیمیایی احتراق این سوخت ها در مدل گنجانده شده است. در مرحله صحه گذاری به صورت بسیار مفصل، سوخت های انتخاب شده در موتورها با شرایط مختلف کاری بررسی شده است تا ضمن اطمینان از دقت مدل های ایجاد شده بتوان به مقایسه مدل های تک و چند ناحیه ای پرداخت. در انجام فرایندهای شبیه سازی، ابتدا به ارائه یک شیوه تعیین زمان شروع احتراق برای سوخت گاز طبیعی به کمک سینتیک مفصل و رادیکال های موثر پرداخته شده است و سپس تأثیر پارامترهایی نظیر دمای ورودی، فشار ورودی و دور موتور بر عملکرد یک موتور اشتعال تراکمی سوخت همگن مورد بررسی قرار گرفته است. برای بررسی اثر ترکیب سوخت بر عملکرد موتور، ابتدا ترکیب های مختلف گاز طبیعی انتخاب شده و عملکرد موتور با استفاده از این سوخت های متنوع به طور مفصل مقایسه شده است. سپس استفاده از فرمالدهید به عنوان افزودنی سوخت گاز طبیعی مطالعه شده و در مرحله بعد، با انتخاب سوخت دی متیل اتر، ابتدا روند احتراق این سوخت و آزادسازی انرژی دو مرحله ای آن مورد بررسی قرار گرفته و سپس نتایج حاصل از ترکیب های مختلف این سوخت با متان ارائه شده است. در مرحله انتهایی نیز به بررسی اثر ترکیب متان و هیدروژن پرداخته شده و عملکرد موتور به همراه میزان تولید آلاینده های خروجی مورد مطالعه قرار گرفته است. برای توسعه مدل از جدیدترین شیوه های پیکره بندی و فرضیات حاکم برای مدل های صفر بعدی استفاده شده است. مقایسه روش های مختلف مدلسازی انتقال حرارت و انتخاب مدل مناسب تا کنون بدین صورت انجام نشده است. همچنین معرفی روشی نوین برای تعیین کمی زمان شروع احتراق سوخت گاز طبیعی و توسعه ایده بررسی اثر سوخت های ترکیبی بر عملکرد موتورهای اشتعال تراکمی سوخت همگن به وسیله مدلسازی عددی تأثیر ترکیب های مختلف گاز طبیعی بر عملکرد موتور، ارائه رابطه ای بین توان موتور و عدد وب سوخت و همچنین اضافه کردن فرمالدهید به عنوان افزودنی به گاز طبیعی از دیگر نوآوری های این تحقیق به شمار می رود. نتایج نشان می دهد مدل تک ناحیه ای تا حد مناسبی قابلیت پیش بینی روند عملکرد موتور اشتعال تراکمی سوخت همگن را دارد. این مدل قادر است با دقت مناسبی زمان شروع احتراق را پیش بینی کند. مدل چند ناحیه ای با دقت بسیار مناسبی می تواند روند تغییرات فشار در موتور اشتعال تراکمی سوخت همگن را تعیین کند. برای مدلسازی انتقال حرارت در این موتورها باید از روش های هوهنبرگ یا آسانیس استفاده نمود. می توان از تغییرات غلظت رادیکال هیدروکسیل به عنوان ابزاری برای تعیین کمی زمان شروع احتراق استفاده کرد. ترکیب گاز طبیعی بر روی عملکرد موتور تأثیر می گذارد. از آنجا که ترکیب های گاز طبیعی با محتوای اتان و پروپان بیشتر، زودتر محترق می شوند، مقدار بیشینه فشار برای آنها بیشتر خواهد بود. افزودن فرمالدهید به سوخت گاز طبیعی با تغییر زمان شروع احتراق سبب تغییر محدوده عملکردی آن می شود به گونه ای که می توان در دماهای ورودی پایین تر نیز به عملکرد مطلوبی رسید. در شرایطی که برای احتراق متان خالص مهیا نیست و سوخت متان خالص محترق نمی شود، با اضافه نمودن مقداری دی متیل اتر به ترکیب سوخت، می توان احتراق را تشکیل داد. با بیشتر نمودن کسر حجمی دی متیل اتر، هر چند تغییر چندانی در زمان شروع احتراق روی نمی دهد اما بیشینه فشار درون سیلندر افزایش چشمگیری می یابد. افزایش فشار ناشی از افزایش کسر حجمی دی متیل اتر به طور مستقیم منجر به افزایش کار و توان موتور می شود. نرخ بالای احتراق هیدروژن سبب می شود تا علاوه بر احتراق بسیار سریع و نرخ بالای افزایش فشار، دمای بسیار زیادی نیز در داخل سیلندر بوجود آید اما برای کنترل فاز احتراق و رسیدن به روند مطلوب تغییرات فشار می توان از هیدروژن استفاده نمود.