سیستم های احتراق

هانو جاسکلاینن، مجدی ک. خیر

نسبت فشرده سازی متغیر
خنک کننده پیستونی

چکیده : سیستم‌های احتراق دارای پارامترهای متعددی هستند که بر فرآیند احتراق تأثیر می‌گذارند. این مقاله برخی از جنبه های مربوط به هندسه محفظه احتراق، جریان درون سیلندر و نسبت تراکم را مورد بحث قرار می دهد.

مقدمه
هندسه محفظه احتراق
جریان درون سیلندر
نسبت تراکم

مقدمه

سیستم های احتراق عوامل متعددی را در بر می گیرند که بر فرآیند احتراق تأثیر می گذارد. این شامل:

انژکتور سوخت نازل ،
تزریق سوخت ویژگی های ،
گاز درون سیلندر ترکیب ،
مشخصات جریان درون سیلندر،
هندسه محفظه احتراق،
نسبت تراکم و
ابعاد سیلندر

در تمام سیستم های احتراق، این عوامل باید با هم کار کنند تا اطمینان حاصل شود که فرآیند احتراق، چه معمولی و چه پیشرفته ، به اهداف مورد نیاز و عملکرد مورد نیاز دست می یابد.

این مقاله برخی از جنبه های مربوط به هندسه محفظه احتراق، جریان درون سیلندر و نسبت تراکم را مورد بحث قرار می دهد.

هندسه محفظه احتراق

ملاحظات طراحی

احتراق دیزل با نسبت A/F 25:1 در حداکثر گشتاور، 30:1 در شرایط سرعت نامی/حداکثر توان و بیش از 150:1 در حالت دور آرام برای موتورهای توربوشارژ بسیار ناچیز شناخته شده است. با این حال، این هوای اضافی وارد فرآیند احتراق نمی شود. در هنگام احتراق نسبتاً گرم می شود و تخلیه می شود و باعث می شود اگزوز دیزل باریک شود. با وجود اینکه میانگین نسبت هوا به سوخت ناچیز است، اگر در فرآیند طراحی دقت لازم صورت نگیرد، مناطقی از محفظه احتراق می توانند غنی از سوخت باشند و منجر به انتشار دود بیش از حد شوند. پس یک هدف کلیدی در طراحی کاسه احتراق این است که اطمینان حاصل شود که اختلاط سوخت و هوا برای کاهش تأثیر مناطق غنی از سوخت کافی است و به موتور اجازه می دهد تا اهداف عملکرد و آلایندگی خود را برآورده کند. آشفتگی در حرکت هوا در کاسه احتراق برای فرآیند اختلاط مفید است و می توان برای رسیدن به این هدف از آن استفاده کرد. چرخش ایجاد شده توسط درگاه ورودی را می توان افزایش داد و یا با نزدیک شدن پیستون به سر سیلندر، تلاطم بیشتری را از طریق طراحی مناسب کاسه در تاج پیستون ایجاد کرد.

طراحی محفظه احتراق بیشترین تأثیر را بر انتشار ذرات دارد. همچنین می‌تواند بر هیدروکربن‌های نسوخته و CO تأثیر بگذارد. در حالی که انتشار NOx را می‌توان تحت تأثیر طراحی کاسه قرار داد [De Risi 1999] ، خواص گاز حجیم نقش بسیار مهمی در سطوح اگزوز آن‌ها بازی می‌کند. با این حال، به دلیل معاوضه NOx/PM، طراحی محفظه احتراق باید با کاهش محدودیت های انتشار NOx تکامل یابد – در درجه اول برای جلوگیری از افزایش انتشار PM که در غیر این صورت منجر می شود.

بررسی ملاحظات طراحی برای سیستم های احتراق را می توان در ادبیات [Miles 2015][Andersson 2014] یافت .

K-Factor. یک پارامتر مهم برای بهینه سازی یک سیستم احتراق دیزل DI، نسبت هوای موجود شرکت کننده در فرآیند احتراق است [Hermann 1996][Miles 2015] . ضریب K که به عنوان نسبت حجم کاسه پیستون به حجم خلاصی محاسبه می شود، اندازه گیری تقریبی از نسبت هوای موجود برای احتراق است. کاهش جابجایی موتور منجر به کاهش ضریب K نسبی و در نتیجه تمایل به بدتر شدن رفتار احتراق می شود. برای یک جابجایی معین و در نسبت تراکم ثابت، ضریب K را می توان با انتخاب یک ضربه طولانی تر بهبود بخشید. انتخاب سوراخ به حرکت برای یک موتور می‌تواند تحت تأثیر فاکتور K و چندین عامل دیگر از جمله: بسته‌بندی موتور، پورت‌ها و سوپاپ‌ها و غیره باشد. یک مسئله کلیدی در تنظیم حداکثر نسبت سوراخ به ضربه بسته بندی بسیار چالش برانگیز سرسیلندر مورد نیاز برای قرار دادن طرح چهار سوپاپ در هر سیلندر و سیستم تزریق سوخت مشترک ریلی با یک انژکتور در مرکز قرار دارد. طراحی سرسیلندرها به دلیل وجود راه های بسیار پیچیده از جمله خنک کننده آب، پیچ های نگهدارنده سر سیلندر، درگاه های ورودی و خروجی، انژکتورها، شمع های تابش، سوپاپ ها، میل سوپاپ ها، فرورفتگی سوپاپ ها و نشیمنگاه سوپاپ ها و همچنین راه های دیگر مانند آن ها پیچیده است. در برخی از طرح ها برای گردش مجدد گازهای خروجی استفاده می شود [Boggs 1997] .

اتاق‌های احتراق باز در مقابل ورود مجدد. محفظه های احتراق در موتورهای دیزلی مدرن تزریق مستقیم می توانند به عنوان باز یا ورودی مجدد تعیین شوند. اگر قطر دهانه بالای کاسه در پیستون از حداکثر قطر کاسه کمتر باشد، کاسه ورودی مجدد است. این کاسه ها “لب” دارند. اگر لبه نباشد محفظه احتراق باز است [Andersson 2014] .

انواع کاسه احتراق

کاسه کلاه مکزیکی

محفظه های احتراق موتور دیزل با کاسه “کلاه مکزیکی” که به عنوان محفظه “Hesselman” نیز شناخته می شود حداقل از دهه 1920 شناخته شده است [Hesselman 1925] . این محفظه‌های احتراق باز معمولاً تا سال 1990 در موتورهای سنگین استفاده می‌شدند، قبل از اینکه کاسه ورودی مجدد اهمیت بیشتری پیدا کند. شکل 1 شکل کلی این نوع کاسه را نشان می دهد. به اضلاع مستقیم در حاشیه بیرونی توجه کنید [Reiners 1963] . این شکل محفظه احتراق برای مقادیر نسبتاً پیشرفته زمان بندی تزریق در نظر گرفته شده است، در صورتی که کاسه حاوی بخش عمده ای از گازهای سوزان باشد. برای استراتژی‌های زمان‌بندی تزریق عقب‌افتاده مناسب نیست.

[شماتیک] — **شکل 1** . کاسه احتراق کلاه مکزیکی

شکل 2 انتشار دوده از تعدادی کاسه از جمله کاسه کلاه مکزیکی را مقایسه می کند. توجه داشته باشید که برخی از محفظه های هندسی جایگزین (کاسه های ورودی مجدد) اکسیداسیون دوده بهتری را در شرایط موتور نشان داده شده ارائه می دهند. شکل کاسه در این مطالعه تأثیر کمتری بر دوده در دورهای موتور بالاتر داشت [De Risi 1999] .

سیستم های احتراق