چکیده 

پایان نامه حاضر یک مطالعه همه جانبه و کلی  درباره کاربرد مخلوط های گاز طبیعی و هیـدروژن  در موتورهای احتراق داخلی می باشد. در این پروژه سعی شده که با بیان تاریخچه تحقیقـات صـورتگرفته در این زمینه و با ارزیابی جامع سوخت های هیدروژن و گاز طبیعی بصورت جداگانه و مقایسـهای، دید صحیحی از این دو سوخت در اختیار قرار داده شود.محاسـبات بـر اسـاس مـدل شـبه بعـدی(quasi-dimensional) و بــا ترکیبــات حجمــی 10%، 20% و 30% هیــدروژن توســط نــرم افــزار MATLAB صورت گرفته است. از آنجا که درصد بالایی از سوخت گاز طبیعـی را متـان تشـکیل دادهاست، در این پروژه از خواص سوخت متان در محاسبات استفاده شده اسـت . مـدل احتراقـی اسـتفاده شده مدل توربولنت entrainment می باشد. مدل احتراقی بکار گرفته شده مـدل وشـنی (Woschni) می باشد.

به طور کلی با افزودن 2H ، آلودگی های CO2 ،HC و CO کاهش، ولی آلودگی NOX افزایش مـی  یابد.که در این پژوهش نیز اینگونه نتیجه گرفته شده است. راندمان، به درصد 2H ، زمان جرقه، نسبت تراکم، نسبت هم ارزی و غیره وابسته است. مصرف سوخت با افزودن هیدروژن بـه متـان کـاهش مـییابد و بازده حرارتی افزایش می یابد. 

واژه های کلیدی: گاز طبیعی، متان، هیدروژن، مخلوط متان و هیدروژن، موتـور احتراق داخلی 

پارامترهای عملکردی موتور احتراق داخلی

پارامترهای عملکردی موتور احتراق داخلی

مطالب

فصل اول: مقدمه                                                                        1

بیشتر انرژی های مورد استفاده در دنیا، سوخت هـای  فسـیلی  هسـتند . سـوختن  ایـن  سـوخت  هـا  ضایعات مضری بر جای میگذارند که این ضایعات اثرات خطرناکی بر محیط زیست خواهند داشت.نه تنها استفاده پیوسته از مقادیر زیاد سوخت های فسیلی، یک خطر جدی برای محیط زیست به حساب می آید بلکه مقادیر این سوختها نیزمحدوداست. مساله دیگر در رابطه با نفت، آلودگی های به جا مانده  نظیر 2CO ،NOX ،CO و هیدروکربنها HC است[2]. در این ارتباط، به کارگیری  روش هایی جهت استفاده از سوخت های تجدید پذیر به عنوان افزودنی یا مخلوط با سوخت های فسیلی می تواند  زمینه لازم را جهت کاهش مصرف سوخت های فسیلی و کنار گذاشتن تدریجی آنها تا پیشرفت و کسب دانش لازم جهت استفاده کامل از منابع تجدید پذیر مهیا کند.از دیدگاه قابلیت تطبیق پذیری موتورهای احتراق داخلی، هیدروژن به دفعـات  بـه  عنـوان  سـوخت  جایگزین استفاده شده است و به این علت کاندید اصـلی  بـه  کـارگیری  بـه  عنـوان  سـوخت  جـایگزین  سوخت های فسیلی است. هیدروژن مشکلات عملی سوخت هـای  مـایع  نظیـر  محبـوس  شـدن  بخـار ، سخت شدن دیواره سرد، تبخیر ناکافی، مخلوط رقیق و غیـره  را نـدارد . هیـدروژن  مشخصـات  سـوخت  تمیز را دارد. وقتی هیدروژن سوخته می شود محصولات سـمی  نظیـر  هیـدروکربنها ، مونواکسـیدکربن ، اکسیدسولفور، اسیدهای ارگانیک و دی اکسید کربن تولید نمی شوند و بـه  عـوض  آن محصـول  اصـلی  آب است. در دنیای امروزی جایی که تأثیرات گرم شدن کره زمین یک مساله جدی است فایده اصـلی  سوخت هیدروژن این است که گاز گلخانه ای دی اکسید کربن را اصلا تولید نمی کند.سوخت های جایگزین فعلی (NG و هیدروژن ) مورد مطالعه قرار گرفته اند و طبق تحقیقات ثابـت  شده اند که ایمن، اقتصادی و دارای مزایای علمی و مفید در چرخه حیات هستند.

1-  مقدمه                                                                                                                     2

1- 1 گاز طبیعی                                                                                                              3

1- 1-1 اثر استفاده از گاز طبیعی بر راندمان موتورهای اشتعال جرقه ای                                         3

بررسی رفتار یک موتور اشتعال جرقه ای تحت تأثیر پارامترهای مختلف اولین و مـوثرترین  گـام  در طراحی و بهینه سازی یک موتـور  مـی  باشـد . در صـورت  اسـتفاده  از گـاز  طبیعـی  بـه  عنـوان  سـوخت  جایگزین با توجه به تفاوت خواص شیمیایی و کیفیت احتراق بررسی پارامترهای مهم و مـوثر  در رونـد  احتراق و متعاقب آن عملکرد و آلایندگی موتور اهمیت بیشتری پیدا می کند.

1- 1-1- 1پارامترهای موثر بر توان، گشتاور و راندمان حجمی                                                      3

1- 1-2 تاریخچه استفاده از گاز طبیعی                                                                                  9

1- 2 هیدروژن                                                                                                              10

1- 2-1 ساختار اتمی                                                                                                     10

1- 2-2 خواص فیزیکی                                                                                                   11

1- 2-3 انرژی                                                                                                               12

1- 2-4 روش های تولید هیدروژن                                                                                     14

1- 2-5 ذخیره سازی هیدروژن                                                                                          19

1- 2-6 ایمنی هیدروژن                                                                                                  20

دراین قسمت خطرات سیلندرهای حاوی هیدروژن بررسی میشود:

سیلندرهای گاز فشرده دارای خطرات مکانیکی وشیمیایی هستند.انرژی زیادی که ناشی از فشرده سازی گاز در سیلندر است،داخل سیلندرها متراکم میشود.این سیلندرها قابلیت انفجار دارند و همچون یک بمب عمل میکنند،که میتواند دلایل مختلفی داشته باشد.برای مثال یک سیلندر که دارای فشار200psi است حاوی انرژی معادل با یک ونیم پاوندTNT است.نارسایی و خرابی سیلندر ویا شیرآن به شدت خطر آفرین بوده واحتمال بروز انفجار رابه شدت افزایش میدهد.گاز فشرده یکی از گزینه های مطرح شده برای ذخیره سازی هیدروژن مورد استفاده در وسائل نقلیه است،مخزن های سوخت هیدروژن فشرده تحت فشار زیاد(10000-5000psi) موقعیت خطرناکی را ایجاد میکنند که باعث خسارت شدید مالی و جانی خواهد شد.

عومل به وجود آمدن فجایع و حوادث را میتوان به صورت زیر طبقه بندی کرد:

  • نقص در مواد وماشین آلات
  • به وجود آمدن خوردگی
  • بالا رفتن میزان شکنندگی مخزن های ذخیره سازی دردمای پایین
  • انفجار بخار درحال انبساط حاصل از مایع درحال جوشیدن
  • تخریب ناشی از برخورد موج انفجار وقطعات به خاطر مجاور با انفجار
  • اشتباهات فردی

1- 2-7 اقتصاد هیدروژن                                                                                                  21

1- 2-8 تحقیق و توسعه                                                                                                  22

1- 2-9 تاریخچه استفاده از هیدروژن به عنوان سوخت                                                            22

1- 3 مخلوط گاز طبیعی و هیدروژن در موتورهای احتراق داخلی                                                23

1- 3-1 تاریخچه به کارگیری HCNG در موتورهای احتراق داخلی                                            26

سرعت احتراق لمینار مخلوط متان و هیدروژن و هوا

سرعت احتراق لمینار مخلوط متان و هیدروژن و هوا

فصل دوم: فرمول بندی مسئله                                             31 

ترکیب شیمیایی مخلوط نسوخته به صورت ترکیب ساده شده ای از هوا(21% اکسیژن و79% نیتروژن) و ترکیب سوخت که توسط کسر مولی هیدروژنfH2 مشخص میشود،است.براساس این فرضیه واکنش ترکیب مخلوط که در احتراق یک مرحله ای شرکت میکند بدین صورت است

2- 1 فرآیند احتراق سوخت HCNG                                           ا                                      32

2- 2 محاسبات خواص ترمودینامیکی مخلوط                                                                        32

2- 3 انتخاب نوع مدل                                                                                                     33

مدل های استفاه شده برای شبیه سازی عملکرد موتوراحتراق داخلی،سه نوع هستند:صفر بعدی،شبه بعدی و چندبعدی.مدل اول کاملا براساس مدل ترمودینامیکی است که از بقاء جرم وا نرژی استوار است،تشکیل شده که کلا توزیع فضایی پارامترهای جریان و با احتراق بصوتر یک روند افزایش حرارت برخورد میشود.نرخ افزایش حرارت هم معمولا بافرمول های تجربی،مانند معادله وایب(Wiebi function) بسدت می آید.این مدل اصولا برای بررسی پارامتری عملکرد کلی موتور استفاده میشود.

مهمترین اشکال این مدل اینست که کل سیلندر را یکنواخت درنظر میگیرد در حالی که بدون توزیع فضایی نمی تواند روند گسترش شعله را شبیه سازی کند ودر نتیجه نمیتواند سرعت سوختن را پیش بینی کند.

مدل چند بعدی برخلاف مدل قبلی،اطلاعات جزئی ازجریان داخل سیلندر در اختیار قرار میدهد.این مدل معادلات شیمیایی احتراق وجابجایی جزئیات را بامدل سه بعدی دینامیک سیالات محاسباتی ترکیب کرده که خود به تنهایی بسیارکامل است.

دراین کار از مدل شبه بعدی که در مقایسه بامدل صفر بعدی قابلیت محاسبه سرعت سوختن (توسط مدل احتراق توربولنت) را دارد و درمقایسه با مدل چند بعدی تقریبا کارآمد است،استفاده شده است.

2- 3-1 تاریخچه                                                                                                           33

2- 3-2 مدل احتراق توربولنت entrainment                      ا                                              34

2- 3-2- 1 فرضیات و معادلات کلی حاکم                                                                           34

2- 3-2- 2 سرعت لمینار احتراق HCNG                                      ا                                     35

2- 3-3 مدل انتقال حرارت                                                                                              38

2- 3-4 زمان جرقه زنی بهینه (MBT)                             ا                                                  39

مقایسه ارزش حرارتی گاز طبیعی و بنزین

مقایسه ارزش حرارتی گاز طبیعی و بنزین

فصل سوم: راه حل مسئله                                                 41 

3- 1 مدل ریاضی                                                                                                          42

3- 2 استفاده از برنامه متلب                                                                                             57

طرح بندی سیستم تجربی برای اندازه گیری سرعت شعله لمینار

طرح بندی سیستم تجربی برای اندازه گیری سرعت شعله لمینار

فصل چهارم: نتایج و جمع بندی                                            58 

محاسبات این پروژه در دور موتو ثابتrpm2000 صورت گرفته ومدل موتور بکا رفته مطابق جدول4-1 می باشد.درصد مقادیرH2نامبرده در متن و نمودارها تماما درصدهای حجمی می باشد.

4- 1 آلایندگی                                                                                                              59

یک از مهم ترین منابع انرژی درجهان سوخت های فسیلی هستند.سوخت های فسیلی آلاینده های مضری تولید میکنندکه بسیاری از جوانب حیات را تحدید میکنند.در نتیجه نیازبه یک سوخت سالم و پاک وجود دارد.گاز طبیعی پتانسیل مناسبی برای استفاده به عنوان سوخت کمکی در کنار بنزین در موتورهای احتراق داخلی است.

یکی از مشکلات بنزین تولید آلاینده هایی چونCO2,NOXOCO و هیدروکربنها(HC) است.انواع بسیار زیادی از زغال سنگ ها وجود دارند ولی تکنولوژی احتراق زغال سنگ بسیار آلاینده تراز بقیه سوخت ها به خصوص در زمینه تولید گازهای گلخانه ای برواحد انرژی مفیدآزادشده است؛درجهت کاهش این آلاینده ها،سوخت های جایگزین مانند متان،هیدروژن ویاترکیب متان وهیدروژن می توانند مورد استفاده قرار بگیرند.

4- 1-1 آلایندگی کربن مونو اکسید(CO)                                           ا                                 59

4- 1-2 رادیکال های آزاد                                                                                                 62

4- 1-3 تاثیر افزودن هیدروژن به تشکیل NO                                 ا                                      62

4- 1-4 آلایندگی کربن دی اکسید                                                                                     64

4- 2 مصرف سوخت                                                                                                       65

4- 3 بازده حرارتی                                                                                                          66

4- 4 مقایسه فشار سیلندر                                                                                                67

4- 5 مقایسه بر اساس نمودار انتقال حرارت                                                                          68

4- 6 مقایسه کسر جرم سوخته (MFB)                            ا                                                 69

منابع                                                                                                                          70  

Abstract

Present project is a comprehensive study about the use of mixtures of natural gas and hydrogen combustion engines. The test use quasi-dimension model and calculate the vaolume compounds of 10, 20 and 30% hydrogen by MATLAB softwar. Model of turbulent combustion is used Because a high percentage of natural gas is methane formed in the project properties of methane fuel is used in the calculations. In general, the addition of 112, decrease the emission of HC, CO2 and CO, but increases NOx pollution. As a result, vehicles with zero pollution EZEV (equivalence zero emission vehicles) standards may be obtained. Efficiency, is dependent on the percentage of 112, ignition timing, compression ratio, equivalence ratio and more. Under certain conditions, output efficiency can be increased.To improving BSFC (brake specific fuel consumption), pollution and BTE (brake thermal efficiency) using a mixture of lower hydrogen is better.

  Keywords: CNG; Methane; Hydrogen; Spark Ignition Engines;


برای نگارش این فایل 37 مقاله انگلیسی استفاده شده است



مقطع : کارشناسی ارشد

خردید فایل word و pdf

قبل از خرید فایل می توانید با پشتبانی سایت مشورت کنید