نشریه تحقیقات موتور
پیاپی 12 (پاییز 1387)

نخستین بار در سال 1979 پیشنهاد جدیدی برای نحوه احتراق، علاوه بر موتورهای بنزینی و دیزلی ارائه شده است. هر دوی این موتورها مزایا و معایبی دارند و برای فراهم کردن بازده بیشتری از این موتورها، پیشنهاد موتورهای احتراق تراکمی همگن مطرح شد که آزمایش های انجام شده، نشان دهنده این مطلب است که این موتورها میزان NOx تولیدی کمتری در مقایسه با موتورهای بنزینی و دیزلی دارند و در مقابل بازده حرارتی بزرگ و نزدیک به موتورهای دیزلی دارند. عوامل متعدد بسیاری در زمان احتراق HCCI دخیل است که همه این عوامل را می توان به سه دسته عوامل موثر بر شیمی احتراق، عوامل مؤثر بر دمای قبل از احتراق و عوامل مؤثر بر شیمی احتراق و دمای احتراق تواما تقسیم بندی کرد.
در این پژوهش از الگویی ریاضی بر اساس الگوی ترمودینامیکی تک بعدی برای الگوسازی این موتورها استفاده شده است. سوخت استفاده شده در این پژوهش، سوخت اتانول است که میزان آلایندگی این سوخت در مقایسه با سوخت های هیدروکربنی کمتر است. برای الگوسازی مرحله احتراق از سینتیک شیمیایی، سوخت اتانول و برای حل دستگاه معادلات از نرم افزارکمکین استفاده شده است. به این ترتیب که ابتدا معادلات اجزای واکنش و خواص ترمودینامیکی لازم برای حل معادلات به نرم افزار یادشده اعمال شده و در پایان با استفاده از معادله انتقال حرارت از دبواره ها به سطوح اطراف، دستگاه معادلات به طور همزمان حل شده است. در این الگوسازی اثر نسبت تعادل های مختلف بر احتراق سوخت اتانول ارائه و نتایج حاصل از الگوی پیشنهادی مثل فشار، دما و اجزای اصلی واکنش با نتایج آزمایشی و تئوری موجود مقایسه شده و بدین ترتیب صحت نتایج تایید شده است.

گازهای نشتی و جریان از میان شکاف های محفظه استوانه موتور از پدیده ها یی هستند که روی کارکرد موتور و میزان آلاینده های خروجی آن اثرمی گذارند. همچنین این پدیده ها روی فشار، دما و مقدار بار درون استوانه در طول چرخه مؤثرند. مطالعه و تایید زیر الگوی این پدیده ها در غیاب احتراق می تواند از اثرات پدیده های توام با احتراق روی آن جلوگیری کند. در این بررسی، به زیر الگوی نشتی و جریان از میان شکاف ها در حالت موتورگردانی با استفاده از نظریه حجم - روزنه در یک موتور تحقیقاتی دو زمانه توجه شده است. دمای دیواره استوانه، دمای ورودی، فشار داخل استوانه و ابعاد هندسی درزها و شکاف های بین استوانه- سمبه - حلقه اندازه گیری شده است. فشار داخل استوانه در طول چرخه به وسیله حسگر فشار پیزوالکتریک و بخش فشار ضعیف چرخه به کمک حسگر فشار پیزورزستیو برای انتقال صحیح ثبت فشار حسگر پیزوالکتریک در نمودارP-θ است. نتایج به دست آمده، انطباق بسیار خوبی را بین فشار داده های تجربی و الگو در سه نسبت تراکم مورد آزمایش 7.6، 10.2 و 12.4 نشان می دهد، به طوری که بیشینه انحراف موردتایید حدود 3% است. همچنین بیشینه افت جرم استوانه در حدود 4°aTDC اتفاق می افتد و با افزایش نسبت تراکم این افت بیشتر می شود. پس از وقوع بیشینه افت، جریان معکوس از شکاف بالا به داخل استوانه صورت می گیرد.

ضریب انبساط حرارتی کم، سیال بودن بالا، مقاومت به پارگی گرم و خواص تریبولوژیکی مطلوب همبسته LM13 سبب شده که این همبسته به طور وسیعی برای تولید سمبه به کار رود. تغییر فرایند تولید و انجام عملیات حرارتی بهینه از عوامل مؤثر در بهبود خواص سمبه های تولیدی است. در این پژوهش سعی شده که اثر تغییر فرایند تولید قطعه از ریخته گری ثقلی به ریخته گری کوبشی و انجام عملیات حرارتی مناسب بر ریزساختار، خواص و رفتار تریبولوژیکی همبسته LM13 بررسی و مقایسه شود. پس از تهیه نمونه ها که از لحاظ شکل و ابعاد، نزدیک به سمبه خودرو پژو 206 طراحی شدند و اندازه گیری چگالی نمونه ها و بررسی خواص ریختگی، عملیات حرارتی بهینه، تعیین و بر روی نمونه ها اعمال گردید و رفتار سایشی این همبسته، در دو حالت کوبشی و ثقلی در شرایط لغزشی خشک، بررسی و مقایسه شد.
نتایج ارزیابی سختی وکشش نشان داد که خواص مکانیکی نمونه های کوبشی به مراتب بهتر از نمونه های ثقلی است. نمونه کوبشی دارای چگالی بیشتری بوده، در زمان ها و دماهای پیرسازی کمتری به زیادترین خود می رسند. در نمونه های کوبشی میزان SDAS کمتر بوده، ذرات فاز دوم در این نمونه ها شکل و توزیع بهتری دارند. نتایج آزمایش های سایش نشان داد که در کلیه نمونه ها، با افزایش مسافت لغزش، میزان کاهش وزن، افزایش؛ ولی سرعت سایش و ضریب اصطکاک کاهش می یابد که نمونه کوبشی، رفتار تریبولوژیکی بهتری دارد. خواص مکانیکی مطلوب تر و رفتار تریبولوژیکی بهتر سمبه های کوبشی، ضریب اطمینان کاری این نوع را نسبت به سمبه های ثقلی که هم اکنون در کشور تولید می شوند، بالاتر می برد و از طرف دیگر با توجه به ضریب اصطکاک کمتر و کیفیت سطحی بیشتر نمونه های کوبشی، تلفات مکانیکی (اصطکاک مضر) در این نمونه، نسبت به نمونه های ثقلی بسیار کمتر است و سبب کاهش میزان مصرف سوخت خودرو می گردد.

انتخاب پرخوران برای پرخوران کردن موتور احتراق داخلی، فرآیند پیچیده ای است که باید در آن متغیرهای متعددی بررسی شود. انطباق پرخوران باید به گونه ای انجام شود تا بازده بزرگی در محدوده وسیعی از نقاط کاری موتور فراهم شود. در تطابق پرخوران با موتور، علاوه بر تنجار، توربین نیز باید از کارکرد مناسبی در دامنه کاری موتور برخوردار باشد. از این رو پیش از انجام تطابق باید منحنی های مشخصات رفتاری توربین و تنجار در اختیار باشد. بنابراین ضرورت دارد که با روش های تجربی و الگوسازی این امکان فراهم گردد. در این مقاله، کارکرد توربین های جریان شعاعی دو ورودی پرخوران ها بررسی می شود. این تحلیل بر اساس الگوسازی توربین با استفاده از معادلات حاکم بر جریان و ضرایب افت اجزای مختلفی است که به وسیله آن، منحنی های مشخصات رفتاری توربین در شرایط دایمی به دست می آید. از طرفی، در آزمایشگاه پرخوران با انجام آزمایش بر روی توربین در شرایط گوناگون و اندازه گیری کمیت های اصلی جریان، منحنی های کارکردی توربین به دست می آید. مقایسه نتایج الگوسازی با نتایج آزمایشگاهی نشان می دهد که الگوسازی از دقت مناسبی برخوردار است. در انتها، کارکرد موتور احتراق داخلی گازسوز شبیه سازی شده، با نتایج تجربی مقایسه می گردد. با انجام این دو شبیه سازی، امکان بررسی تطابق توربین و موتور فراهم می گردد. نتایج تطابق دو توربین دو ورودی با هندسه های مختلف نشان می دهد که یکی از توربین ها با موتور تطابق خوبی دارد و در دامنه کارکرد موتور بهترین بازده را از خود نشان می دهد.

در این تحقیق، موتور اشتعال جرقه ای با سوخت متان، به صورت ترمودینامیکی الگوسازی شده است. الگوسازی به شیوه دوناحیه ای (ناحیه های سوخته و نسوخته) و با درنظرگرفتن سینتیک شیمیایی سوختن متان انجام شده است. سازوکار احتراق متان، شامل 20 واکنش به همراه 15 گونه شیمیایی است. دمای شعله بی دررو و غلظت گونه های شیمیایی در آن، تعادلی فرض شده و تمرکز بر روی ناحیه نسوخته بوده تا شرایط ایجاد کوبش و عوامل مؤثر بر آن، بررسی شود. برای پیش بینی کوبش از معیار «متغیر مشخصه کوبش» استفاده شده است. تاثیر متغیرهای پیشرسی جرقه، نسبت تراکم و درصد رطوبت هوای ورودی بر روی احتمال بروز کوبش نیز تحقیق شده و نتایج حاصل از این تحقیق با نتایج موجود در مراجع، صحه گذاری شده است. نتایج، نشان می دهد که افزایش پیشرسی جرقه، کاهش درصد رطوبت هوای ورودی و افزایش نسبت تراکم، احتمال بروز پدیده کوبش را در موتور افزایش می دهد.

کاربرد سوخت گاز طبیعی به عنوان سوخت جایگزین، در دهه های اخیر بیشتر مطرح شده است. به علت خواص احتراقی مناسب و آلودگی کم، گاز طبیعی می تواند انتخاب مناسبی برای نسل آینده باشد. در این مقاله الگوسازی موتور گازسوز تنفس طبیعی M355G انجام شده و با استفاده از آن تطابق موتور و پرخوران صورت گرفته و منحنی های آن به دست آمده است. در بخش دیگر این پژوهش، تحقیقات تجربی روی موتور در دو حالت تنفس طبیعی و پرخورانی انجام شده و نتایج به دست آمده برای ارزیابی نتایج الگوسازی به کار رفته که رضایت بخش است.

یکی از روش های کاهش آلودگی دود سیاه در موتورهای دیزل تنفس طبیعی تبدیل موتور تنفس طبیعی به موتور پرخوران محدود است. طوری که مقدار نفوذ سوخت در این موتور به علت افزایش فشار استوانه در مقایسه با تنفس طبیعی کاهش می یابد. هدف از این پژوهش، یافتن مقدار کاهش نفوذ سوخت در استوانه در اثر پرخوران فشار محدود در شرایط واقعی عملکرد موتور OM314 و نیز بررسی اثر افزایش فشار تزریق سوخت بر مقدار آلاینده دود سیاه در موتور پرخوران OM314است. بنابراین ابتدا شرایط واقعی استفاده از موتور تنفس طبیعی OM314 با استفاده از نتایج حاصل از آزمون جاده کامیونت خاور به دست آمد. پس از آزمون جاده، موتور تنفس طبیعی و پرخوران محدود OM314 در گشتاور و سرعت موتور در جاده - بر روی بستر آزمون، آزمایش شدند. سپس با استفاده از رابطه دنت متغیر جدیدی به نام نسبت نفوذ سوخت تعریف شد و با استفاده از این متغیر، تغییر مقدار نفوذ سوخت در استوانه در موتور تنفس طبیعی و پرخوران محدود در شرایط بار جاده محاسبه و با یکدیگر مقایسه شد. نتایج حاصل از تحلیل نشان می دهند که با افزایش دمای چندراهه ورودی، نسبت نفوذ سوخت تغییر نمی کند؛ اما با افزایش فشار چندراهه ورودی، نسبت نفوذ سوخت کاهش یافته است. نتایج نظری نشان می دهند که با افزایش فشار نسبی چندراهه ورودی استوانه به میزان2 /. بار در حالت پرخوران محدود، فشار تزریق سوخت به میزان 50 بار جهت جبران کاهش نفوذ سوخت در موتور پرخوران محدود باید افزایش یابد. نتایج حاصل از آزمون سیزده حالت ECE-R49 نشان می دهند که با افزایش 50 بار در فشار تزریق موتور پرخوران محدود، آلاینده دود سیاه 16% کاهش یافته است.