Fuel and Combustion

Fuel and Combustion

Numerical investigation of adding hydrogen to natural gas in a gas engine on the performance characteristics of the engine

Document Type : Original Article

Authors
Setayesh Javadirad 1
Nima Ajami 2
Ali Etelaat 2
Mohsen Mohsenirad 2
1 Sharif university of technology
2 IPCO
10.22034/jfnc.2024.436561.1372
Abstract
To improve the performance of gas-burning engines, hydrogen fuel was added to the engine intake mixture as a supplement, along with natural gas, due to its higher calorific value, wider ignition range, higher flame speed, faster combustion, and lower combustion temperature. A gas-burning engine from the light-duty category was chosen as the base engine. The engine simulation process was done in GT-Power software and validation was done using the performance test results of the base engine with gas fuel. Different percentages of the combination of natural gas and hydrogen fuels were applied to the simulation model by applying different combustion monitoring conditions and while checking engine performance indicators such as torque, BSFC, volumetric efficiency, BMEP, in-cylinder pressure, and NOx emission, the best percentages for the fuel mixture is designated. The results show that adding hydrogen fuel to natural gas improves the performance characteristics of the engine. Based on the obtained results, with hydrogen percentages equal to 10% to 20% in combination with gas, the performance indicators are improved, and for hydrogen amounts greater than 30% in the fuel composition, there will be no significant effect on improving engine behavior.

Highlights

  • سوخت هیدروژن به‌ دلیل داشتن ویژگی­های مناسب اشتعال ‌پذیری، شرایط خوبی به عنوان سوخت مکمل برای تقویت مخلوط ورودی موتور، به جهت بهبود عملکرد آن دارد.
  • استفاده از ترکیب سوخت هیدروژن و گاز طبیعی در مخلوط ورودی موتور گازسوز، باعث بهبود عملکرد موتور می­شود.
  • با توجه به مقادیر مختلف درصد هیدروژن و اثرگذاری متفاوت بر روی شاخص­های عملکردی، این طور به نظر می­رسد که مقادیر درصد هیدروژن در محدوده­ی 10% الی 20% نقطه­ی بهینه­ی بهبود رفتار موتور خواهد بود.
  • هرچند که افزایش درصد هیدروژن باعث بهبود شاخص­های عملکردی موتور می­شود، اما به دلیل اثر معکوس به روی شاخص­هایی مانند محدودیت­هایی که در حوزه طراحی و ساخت مطرح است (عبور فشار بیشینه احتراق از محدوده مجاز طراحی و عمر موتور)، محدود 30% هیدروژن در ترکیب ورودی، مرز نهایی بوده و در صورت افزایش مقدار درصد هیدروژن بیش از 30%، تقریباً همه شاخص­های عملکردی موتور نسبت به حالت موتور پایه ضعیفتر خواهد شد.
  • تحلیل­های صورت گرفته در این پژوهش از هرگونه تغییر در متغیرهایی همچون زمانبندی جرقه، نسبت سوخت به هوا و نسبت فشار توربوشارژر که اثر چشمگیری بر عملکرد یک موتور SI دارند، صرف نظر کرده است. لذا می­توان با در نظر گرفتن تغییرات این متغیرها امکان یافتن نقاط کارکردی بهینه­تری را در پژوهش­های آتی بررسی نمود.
  • یکی از عوامل مهم و تاثیر گذاری به روی میزان اثربخشی حضور سوخت هیدروژن به عنوان سوخت مکمل مخلوط ورودی، نحوه تهیه مخلوط سوخت هیدروژن با سوخت گازطبیعی و با هوا است. بدیهی است با استفاده از فناوری­های جدید مانند پاشش سوخت در سیلندر و یا تهیه مخلوط سوخت هیدروژن به صورت مجزا و سپس مخلوط نمودن آنها با هوا، اثربخشی بیشتری از سوخت هیدروژن را مشاهده کرد.
  • روند تغییرات نرخ NOx نشان می­دهد که با افزایش درصد هیدروژن در مخلوط ورودی، مقادیر NOx افزایش می­یابد.
  • برای بررسی دقیق­تر موضوع و دست­یابی به پاسخ­های بهتر، پیشنهاد می‌شود، ضمن شبیه­سازی موتور با نرم افزار GT-Power، فرایند احتراق دو سوخت هیدروژن و گازطبیعی با سینتیک دقیق مخلوط دو سوخت شبیه­سازی شود.

 

Keywords
Natural Gas engine
hydrogen fuel
Fuel mixture
engine performance improvement

Subjects

علی­رغم استفاده روز افزون از موتور‌های گازسوز در صنایع گوناگون برای کاربردهای ایستگاهی و حمل و نقل، این موتور‌ها به واسطه نوع و خواص سوخت گاز، همچنان دارای کاستی‌هایی می­باشند. بهبود نقاط ضعف سوخت گاز طبیعی، در ضمن احتراق و عملکرد آن در موتور، می­تواند این سوخت پاک را به جایگزین مناسبی برای سایر سوخت­های مورد استفاده در موتور‌های احتراق داخلی، مانند بنزین و دیزل تبد­یل کند [1]. مهمترین حوزه توسعه موتورهای گازسوز، پایش و مهار احتراق آن­ها است. برای دست­یابی به احتراق بهینه، نیاز است تا در همه قسمت­های چرخه کامل تولید توان، اقدام­های بهینه­سازی و توسعه انجام شود. یکی از مهمترین حوزه­ها، حوزه ترکیب و تهیه مخلوط اولیه است. در این حوزه، تمرکز اقدام، بر روی تهیه مخلوط با ترکیب دو یا چند سوخت به جهت افزایش قابلیت­های احتراقی مخلوط با بهره­گیری از مشخصات بهینه هر سوخت، نحوه تهیه مخلوط و همگن­ نمودن مخلوط است. باراتو و همکاران [2] در این تحقیق به روی 3 سوخت Natural Gas، Biofuel و Hydrogen کار کرده­اند. با این توضیحات، یکی از راه­های ممکن برای بهبود عملکرد موتورهای گازسوز، استفاده از یک افزودنی به عنوان مکمل به گاز طبیعی است که منجر به بهبود عملکرد موتور ­شود. افزودنی بهبود دهنده عملکرد گاز در موتور گازسوز، می­تواند سوخت دومی باشد که نقاط ضعف گاز را تا حد قابل توجهی رفع نماید. با این حال، یافتن سوخت دوم و درصدهای مناسب اختلاط آن با سوخت گاز، نیازمند بررسی­های بیشتری است.

یکی از گزینه­های مناسب برای ترکیب با گاز، سوخت هیدروژن است که توجهات زیادی را به علت خواص منحصربفرد آن، به سوی خود جلب کرده است. یکی از ویژگی­های خوب گاز هیدروژن، ساختار تأمین و تهیه آن است که با استفاده از انرژی­های تجدیدپذیر، آن را تبدیل به یک سوخت پایدار نمود [3،4]. از طرفی، هیدروژن محدوده اشتعال وسیع­تر، سرعت شعله بیشتر و احتراق سریع‌تری نسبت به سوخت گاز دارد و همین ویژگی­ها باعث می­شود موتور بتواند با مخلوطی رقیق­تر و در نتیجه مصرف سوخت کم­تر، کار کند. همچنین هیدروژن به دلیل اینکه سوختی بدون کربن است، به عنوان یک مکمل، ضمن کاهش آلاینده­های هیدروکربنی، در راستای کاهش انتشار کربن نیز موثر است. هیدروژن دارای خاصیت انتشار قوی است. این خاصیت باعث تشکیل مخلوط همگن سوخت و هوا می­شود. ضمناً برخلاف دیگر افزودنی­ها، هیدروژن یک سوخت تجدیدپذیر، با آلایندگی خیلی کم، غیر سمی و احتراق کامل است. لذا، در میان افزودنی­های مختلف، هیدروژن یکی از بهترین افزودنی­هایی است که می­تواند عملکرد موتور گازسوز را بهبود ببخشد.

از جمله اقدام­های انجام شده در این حوزه، می­توان به مراجع [5-7] اشاره نمود که اقدام تحلیلی احتراقی توأم با اقدام تجربی دقیق هستند. در این پژوهش­ها، اقدام­هایی انجام شد که رفتار احتراق متمایز هیدروژن را در موتورهای احتراق داخلی، برجسته می‌کند در همین راستا، توجه ویژه­ای به استفاده از سوخت هیدروژن در بخش موتورهای خودرویی گازسوز نیز شده است. اقدام­های زیادی در این زمینه توسط محققین انجام شده است که از آن جمله می­توان به مراجع [8،9] اشاره نمود که مهمترین نتایج این تحقیقات افزایش بازدهی موتور و کاهش سطح آلاینده­هاست. مهمترین چالش در حوزه استفاده از سوخت­های ترکیبی، دست­یابی به درصد ترکیب مناسب دو سوخت مذکور در موتور گازسوز است [10]. در مرجع مذکور، میزان حساسیت شاخص­های عملکردی موتور به درصدهای مختلف سوخت هیدروژن نشان داده شده است.

در این مقاله یک موتور SI گازسوز با رده کاربری سبک به عنوان موتور پایه انتخاب شده است تا اثر افزودن سوخت هیدروژن با درصدهای مختلف به گاز طبیعی، بر روی مشخصه­های عملکردی موتور، مورد بررسی قرار گیرد. مدل‌سازی و شبیه‌سازی موتور مذکور با استفاده از نرم­افزار GT-Power انجام شده و نتایج با استفاده از داده­های آزمون­های تجربی موتور اعتبارسنجی شد. پس از انجام شبیه­سازی اولیه بر روی موتور پایه و صحه­گذاری آن، سوخت هیدروژن گازی با درصدهای مختلف به گاز طبیعی اضافه شده و مشخصه­های عملکردی موتور مانند گشتاور، مصرف سوخت ویژه ترمزی، بازده حجمی، فشار متوسط موثر ترمزی، فشار داخل سیلندر (ناشی ازاحتراق) و نرخ و روند تغییرات آلاینده NOx مورد ارزیابی قرار گرفته است. این بررسی­ها در مقایسه با موتور با سوخت گاز طبیعی خالص (صفر درصد هیدروژن) انجام شده است. بر اساس نتایج شبیه­سازی­ها و تحلیل آن­ها، بهترین درصدهای ترکیب هیدروژن و گاز طبیعی ارائه شده­اند.

تمرکز اصلی در این پژوهش، بررسی رفتار شاخص­های عملکردی یک موتور مشخص در ازاء بکارگیری هیدروژن در آن، به عنوان سوخت مکمل، است. این پژوهش به عنوان بخشی از اقدام تحقیق و توسعه (R&D) به جهت بومی‌سازی یکی از فناوری‌های نوین در حوزه ارتقاء شاخص­های عملکردی یک موتور خودرویی مشخص و تطبیق آن با الزامات آتی، صورت گرفته و از نتایج آن برای تدوین راهبرد توسعه و همچنین هدف‌گذاری طراحی مفهومی ارتقاء موتور استفاده شده است.

معرفی موتور پایه

موتور پایه انتخاب شده، از خانواده موتور EF7، به صورت پایه گازسوز، پرخوران شده و با رده کاربری وظیفه سبک است. برخی از مشخصات فنی موتور پایه در جدول 1 آمده است. در شکل­های (1) و (2)، به ترتیب نمودار گشتاور و توان موتور پایه بر حسب دور موتور و در شکل (3)، زمان‌بندی سوپاپ­های دود و هوای موتور پایه (منحنی سمت چپ برای دود و منحنی سمت راست برای هوا) مشاهده می­شود. چون طراحی و ساخت موتور مذکور، تحت مالکیت شرکت IPCO بوده و مشخصات عملکردی آن، از طرف طراح موتور، منتشر شده است، لذا، مرجع صدور مشخصات فنی جدول 1 و منحنی­های شکل­های (1)، (2) و (3)، اطلاعات و داده­های شرکت IPCO است.

جدول 1- مشخصات فنی موتور پایه

Table 1- Base Engine specifications

Row

Description

Base Engine

1

No. Cylinder

6

2

Displacement (Lit)

1.7

3

Bore (mm)

78.6

4

Strok (mm)

85

5

Compration Ratio

12.5

6

BSFC ( g/kW.hr)

230

 

 

Figure 1- Base Engine Torque - Speed curve

شکل 1- منحنی گشتاور- دور موتور پایه

 

 

Figure 2- Base Engine Brake Power – Speed curve

شکل 2- منحنی توان ترمزی-دور موتور پایه

 

Figure 3- Base Engine Valves Timing Diagram

شکل 3- زمان‌بندی باز و بسته شدن سوپاپ دود و هوای موتور پایه

سوخت هیدروژن و مقایسه آن با سوخت گازطبیعی

برای مقایسه بهتر خواص فیزیکی و شیمیایی سوخت هیدروژن، نسبت به سوخت گاز طبیعی (سوخت متان به‌عنوان نماینده سوخت گاز طبیعی در نظر گرفته شد)، برخی از خواص مهم آن‌ها در جدول 2 آمده است.

 

جدول 2- مقایسه خواص سوخت هیدروژن و گاز متان

Table 2- Comparison of Hydrogen and Methane

Row

Description

hydrogen

methane

1

Flammability limit (%volumetric(

4-75

5.3-15

2

Stoichiometric Mixture (%volumetric(

29.53

9.48

3

Minimum Energy for Combustion (Mj)

0.02

0.29

4

Auto -Ignition Temperature (Ko)

858

813

5

Combustion Temperature (Ko)

943

1493

6

Burning Velocity (m/s)

265-325

37-45

 

براساس داده­های جدول 2، سوخت هیدروژن دارای محدوده اشتعال پذیری وسیع­تر، درصد مخلوط هم­ارزی (استوکیومتریک) بالاتر (امکان رقیق‌سوزی بیشتر)، نیازمند انرژی کم­تر برای شروع احتراق، دمای خود اشتعالی بالاتر (امکان افزایش نسبت تراکم موتور)، دمای احتراق کمتر (شرایط بهتر برای کاهش آلاینده NOx) و سرعت سوختن بیشتر (امکان احتراق کامل­تر و دوری بیشتر از وقوع کوبش در موتور) است.

همه خواص مذکور عوامل بهبود احتراق در موتور بوده و باعث می­شود به‌کارگیری از این سوخت به عنوان ترکیب مخلوط ورودی، شرایط عملکردی موتور را بهبود دهد [11]. البته به غیر از مرجع [11] نتایج تحلیلی فوق در مراجع دیگر مانند [5] الی [10] نیز مشهود است.

 

 

شبیه­سازی عددی موتور پایه

شبیه­سازی عددی عملکرد موتور در نرم­افزار GT SUITE انجام شد. نرم‌افزار GT SUITE متشکل از چندین زیربخش بوده که می­تواند مسایل موتور را بطور همزمان از منظر مکانیکی و حرکتی، تبدیل انرژی و احتراق، انتقال حرارت، ترمودینامیک سیکل و جریان سیال و حتی تعامل موتور با سیستم­های کنترل، حل نموده و عملکرد موتور را در همه شرایط تحقق‌پذیر بلحاظ فیزیکی، ارائه نماید. ابزار نرم افزاری GT-Power زیرمجموعه­ GT SUITE است که محیط یکپارچه برای شبیه‌سازی موضوعات مرتبط با قوای محرکه را فراهم می­کند. نرم‌افزار GT-Power همه اجزای موتور، شامل لوله­ها و مجراهای عبور جریان و مقسم‌های جریان را مدل می­کند. قطعات تخصصی­تر مانند سیلندرها، توربوشارژر و غیره، از طریق مدل­سازی اختصاصی تعبیه شده در نرم افزار، شبیه سازی می­شوند. نرم افزار GT-Power در هسته خود یک حل­گر دارد که معادلات ناویر-استوکس را یک بعدی و کاملاً غیریکنواخت و غیرخطی، حل می­کند. افزون بر حل معادلات جریان سیال، این نرم افزار حلگرهای مربوط به روابط ترمودینامیکی برای لحاظ کردن پدیده­هایی همچون احتراق، انتقال حرارت و تبخیر را نیز دارد [12].

گام نخست شبیه سازی موتور، ساخت و مدل­سازی موتور پایه در محیط نرم­افزار است. برای این کار، باید تمامی اجزا و اندازه­های هندسی قطعات و زیر مجموعه­های موتور، در نرم­افزار ایجاد و اعمال شوند. تشکیل المان­ها و ابعاد آن­ها مبتنی بر واقعیت موتور است. برای هر کدام از اجزاء، اطلاعات دقیق موتور پایه شامل شاخص­های هندسی مانند قطر سیلندر، کورس سیلندر، حجم سیلندر، نسبت تراکم، سطح مقطع منیفولدها و مجراها و غیره، شاخص­های عملکردی مانند فشار، دما، نسبت سوخت و هوا، زاویه تأخیر در احتراق و غیره، شاخص­های جریانی مانند شارژ هوا، شارژ سوخت و غیره و نهایتاً خروجی­های موتور مانند توان، گشتاور، مصرف سوخت، میزان نشر آلاینده­ها و غیره در دسترس قرار داشت. البته لازم به ذکر است که بین شاخص­های عملکردی موتور، دقت و صحت نتایج نرم‌افزار GT-Power برای آلایندگی کم است و نمی­تواند به عنوان یک شاخص قطعی در تصمیم گیری­های آتی توسعه و ارتقاء موتور مورد استفاده قرار گیرد. اما نکته مهم در این حوزه این است که روند و نرخ تغییرات آلاینده­ها بیشتر مورد توجه بوده و از استناد به مقادیر مطلق آن اجتناب می­شود.

فرایند احتراق که اساساً به آزادسازی نرخ حرارت تعبیر می­شود در چارچوب مدل­سازی یک بعدی از طریق رابطه شناخته شده ویبه (Wiebe) انجام می­گیرد. معادله ریاضی آن مطابق زیر است که در آن qign و Dq به ترتیب زاویه شروع احتراق و طول مدت احتراق برحسب درجه هستند و Yb بیانگر کسر جرم سوخته از مخلوط سوخت و هوا در هر زاویه لنگ است. برای تعریف احتراق در هر موتور نیاز به دانستن دو ضریب a و m است.

(1)

        

برای ساخت هندسه­ مدل­ موتور و هر کدام از زیرمجموعه­های آن، از نرم‌افزار GEM-3D (زیرمجموعه­ای از نرم­افزار GT-SUITE) استفاده شد. با استفاده از این ابزار، می­توان مدل سه­بعدی اجزای مختلف را به مدل یک بعدی، تبدیل نموده و دیاگرام یک بعدی آن را شبیه­سازی کرد. از این دیاگرام یک بعدی، به عنوان جزئی از مدل GT-Power استفاده می­شود [13]. در شکل (4) نمونه­ای از خروجی نرم­افزار GEM-3D برای منیفولد دود موتور پایه نشان داده شده است.

 

 

Figure 4- Exhuast Manifold Model (One-dimensional) in GT-Power with GEM-3D

شکل 4- مدل 1D منیفلد دود در GT-Power با کمک ابزار GEM-3D

ساخت مدل شبیه‌سازی موتور پایه

هر جزء از موتور به صورت یک واحد مستقل مدل­سازی شده و در نهایت، همه اجزا به یکدیگر متصل می­شوند. مدل ساخته شده شامل مدل­های ورودی فیلتر، فیلتر هوا، اتصالات پایین دست کمپرسور، کمپرسور، اینترکولر، دریچه گاز، منیفولد هوا، مجرای ورودی سرسیلندر، سوپاپ­های ورودی و خروجی، سیلندر، خروجی سیلندر به سیستم خروجی، منیفولد دود، توربین، کاتالیست و لوله خروج دود به محیط است که با اتصال آن­ها به یکدیگر، مدل کامل موتور شبیه­سازی می­شود. در شکل (5) مدل کامل شبیه­سازی موتور پایه، نشان داده شده است.

 

 

Figure 5- Complete simulation model of the base engine in GT-Power

شکل 5- مدل شبیه سازی کامل موتور پایه در نرم افزار GT-Power

شرط تطبیق خروجی فرایند شبیه سازی

در فرایند شبیه­سازی، قید نهایی برای کنترل تعداد دفعات اجرای مدل و نزدیکی به خواسته نهایی، مقادیر گشتاور موتور است بطوریکه با رسیدن به گشتاور هدف گذاری شده، شبیه­سازی خاتمه می­یابد. شکل (6) نمونه­ای از آن فرایند را نشان می­دهد.

 

Figure 6- Adapting the Performance of the Simulation Model Based on the Set Target (Torque)

شکل 6- تطبیق عملکرد مدل شبیه‌سازی بر اساس هدف تعیین شده (گشتاور)

داده­های عملکردی کمپرسور و توربین توربوشارژر، به دلیل مشخص بودن نوع آن، در دسترس است. با اعمال داده­های عملکردی به نرم­افزار GT-Power، منحنی­های عملکردی کمپرسور و توربین استخراج شد. به عنوان نمونه، شکل (7) منحنی عملکردی کمپرسور را نشان می­دهد.

 

 

Figure 7- Base engine turbocharger compressor performance curve

شکل 7- منحنی­های عملکردی کمپرسور توربوشارژر موتور گازسوز

آزمون موتور پایه

آزمون­های موتور پایه، در شرکت IPCO و در شرایط پایدار و با استفاده از دینامومتر ویژه (ساخت شرکت AVL) انجام شد. اندازه­گیری دبی سوخت با استفاده از دبی­سنج از نوع Coriolis mass flow meter صورت گرفت. خوانش فشار درون سیلندر برحسب درجه زاویه میل­لنگ، با استفاده از سنسور فشار (مبدل فشار) پیزوالکتریک و ساخت شرکت KISTLER انجام گرفت. البته هر سیکل فشار به عنوان مقدار متوسط 100 سیکل متوالی ثبت شد. جمع‌آوری داده­ها ازجمله فشار سیلندر، زاویه میل‌لنگ، دما در نقاط مختلف، سرعت جریان هوا، فشار تقویت توربوشارژر، فشار در نقاط مختلف (خنک‌کاری و روغنکاری)، فشار تزریق سوخت، زمانبندی جرقه و دیگر شاخص­های عملکردی با استفاده از ترکیبی از حسگرهای مختلف و از طریق AVL Indicom software ثبت شد. ضمناً به دلیل دسترسی به یک ECU قابل برنامه­ریزی، امکان اعمال تغییرات و همچنین ثبت و ذخیره دیگر داده­های مورد نیاز برای تحلیل نیز در دسترس بود. آزمون­ها برای جمع‌آوری یک پایگاه داده بزرگ، طراحی شدند، تمام آنها در شرایط دریچه گاز باز، برای 15 سرعت دورانی موتور، از 1000 تا 5500 دور بر دقیقه انجام شد. جدول 3 برخی از نتایج آزمون موتور پایه را برای 6 سرعت دورانی مختلف موتور، نشان می­دهد.

 

جدول 3- برخی از نتایج آزمون موتور پایه

Table 3- Some of the Base Engine Test Results

ENSP (rpm)

Torque (Nm)

Power (kW)

BMEP (bar)

BSFC (g/kW.h)

1000

118.2

12.4

9

247.9

2000

235.24

49.2

17.91

226.5

3000

256.69

80.6

19.55

217.9

4000

252.56

105.7

19.24

221

5000

229.84

120.3

17.5

232.9

5500

209.25

120.5

15.94

240.7

 

کالیبراسیون مدل شبیه‌سازی

بعد از ساخت مدل شبیه­سازی، براساس نتایج آزمون موتور پایه، فرایند کالیبراسیون انجام شد. معیارهای تصحیح برای کالیبراسیون مدل شبیه­سازی شامل "ضریب تصحیح" (آ): نرخ آزادسازی حرارت، (ب): بازده کمپرسور، (ج): بازده توربین، (د): افت فشار اینترکولر، (ه): دمای قبل و بعد از اینترکولر، (و): افت فشار فیلتر هوا، (ز): افت فشار کاتالیست و (ح): دمای قبل و بعد از کاتالیست است [14]. با لحاظ نمودن موارد مذکور، فرایند کالیبراسیون به شرح زیر انجام شد:

  • ابتدا "ضریب تصحیح نرخ آزادسازی حرارت"، به روی مدل وارد می­شود. این ضریب تصحیح تا تطبیق کامل منحنی فشار سیلندر - درجه میل­لنگِ منتج از آزمون عملکردی و منتج از خروجی محاسبات مدل شبیه­سازی، ادامه می­یابد. این تطبیق به عنوان معیار اصلی تصمیم­گیری، خواهد بود.
  • بعد از صحه­گذاری بند فوق، بررسی تطبیق مقادیر مدل شبیه­سازی با مقادیر نتایج آزمون دیگر شاخص­ها انجام می‌گیرد. شاخص­های اصلی عبارتند از (آ) توان، (ب): گشتاور، (ج): فشار موثر متوسط ترمزی، (د): مصرف ویژه سوخت ترمزی، (ه): فشار قبل و بعد از کمپرسور، (و): فشار قبل و بعد از اینترکولر، (ز): دمای قبل و بعد از اینترکولر و (ح): دمای ورودی به کاتالیست موتور.
  • اگر در همین مرحله، برای همه شاخص­های اشاره شده در بند 2، بین نتایج محاسبات مدل با نتایج آزمون تطبیق وجود داشته باشد، فرایند کالیبراسیون خاتمه خواهد یافت.
  • اگر بعد از بررسی بند 3، مشخص شود که در آن شاخص­ها، بین نتایج آزمون و شبیه­سازی، اختلاف وجود دارد، ضریب تصحیح هر کدام از شاخص­ها، برحسب میزان اختلاف، به روی آن شاخص اعمال تا تصحیح آن انجام شود.
  • اگر بعد از اقدام بند 4، تطبیق ردیف 1، از دست نرود، تطبیق­های اعمال شده در بند 3 به روی شاخص­های بند 2، ذخیره شده و مدل کالیبره می­شود.
  • اگر بعد از اقدام بند 4، تطبیق مقادیر فشار سیلندر، بر هم بریزد، مجدداً فرایند از بند 1 آغاز و ضریب تصحیح مجدد به روی نرخ آزادسازی حرارت اعمال خواهد شد. این اقدام آنقدر ادامه خواهد یافت تا نتیجه بند 5 به‌دست آید.

فرایند کالیبراسیون مدل شبیه­سازی موتور پایه، براساس نتایج آزمون، در همه دورهای موتور پایه انجام شد. در شکل­های (8) و (9)، نتیجه کالیبراسیون، در دو دور 2000 RPM و 5500 RPM به صورت نمونه، نشان داده شده است:

 

 

Figure 8- Cylinder Pressure - Crank Angle Degree Curve of Cylinder 1 at 2000 RPM

شکل 8-  منحنی فشار سیلندر-درجه لنگ سیلندر 1 در 2000 RPM

 

Figure 9- Cylinder Pressure - Crank Angle Degree Curve of Cylinder 1 at 5500 RPM

شکل 9-  منحنی فشار سیلندر-درجه لنگ سیلندر 1 در 5500 RPM

همان‌طور که در شکل­های فوق (به صورت نمونه)، ملاحظه می­شود، تطبیق دقیقی بین منحنی­های فشار سیلندر – درجه میل­لنگ منتج از نتایج آزمون و منتج از محاسبات مدل شبیه­سازی وجود دارد. براساس آنچه که در فرایند کالیبراسیون ذکر شد، به غیر از تطبیق نرخ آزادسازی حرارت (منحنی فشار سیلندر – درجه میل­لنگ)، می­بایست در دیگر شاخص­ها نیز تطبیق دقیق حاصل شود که این اقدام نیز در حین تحقیق حاضر به صورت کامل انجام شد. در ادامه، در شکل­های (10) الی (13)، منحنی­های تطبیق یافته برخی از شاخص­های دیگر (فهرست شده در بند 2 فرایند کالیبراسیون)، نشان داده شد. همانطور که در شکل­های (10) الی (13)، ملاحظه می­شود، برای شاخص­های اصلی عملکرد موتور مانند توان خروجی، گشتاور، BMEP و BSFC، در همه دوره­ها، تطبیق بسیار خوبی بین نتایج آزمون و نتایج شبیه­سازی، وجود دارد. در برخی از موارد، فقط در دورهای پایین، مقدار جزئی انحراف وجود دارد.

 

 

Figure 10- Matching Engine Power Between Test and Simulation Model Results

شکل 10- تطبیق توان موتور بین نتایج آزمون و نتایج مدل شبیه­سازی

 

Figure 11- Matching Engine Torque Between Test and Simulation Model Results

شکل 11- تطبیق گشتاور موتور بین نتایج آزمون و نتایج مدل شبیه­سازی

 

Figure 12- Matching Engine BMEP Between Test and Simulation Model Results

شکل 12- تطبیق BMEP موتور بین نتایج آزمون و نتایج مدل شبیه­سازی

 

Figure 13- Matching Engine BSFC Between Test and Simulation Model Results

شکل 13 -تطبیق BSFC موتور بین نتایج آزمون و نتایج مدل شبیه­سازی

 

بکارگیری سوخت هیدروژن در موتور پایه

درصدهای مختلف ترکیب سوخت هیدروژن با سوخت گاز طبیعی به عنوان مخلوط ورودی، به روی مدل شبیه­سازی اعمال شده و شاخص­های عملکردی موتور بررسی شد. درصدهای هیدروژن در مخلوط از مقادیر صفر که همان موتور پایه است، شروع شده و تا 30% هیدروژن در مخلوط تغییر کرده است. با افزایش مقدار هیدروژن در ترکیب سوخت ورودی (گاز طبیعی و هیدروژن)، تقریباً تا لحظات قبل از جرقه، تفاوت خاصی در رفتار فشار و دمای درون سیلندر دیده نمی­شود. اما بعد از جرقه و شروع فرایند احتراق، به دلیل افزایش میزان سرعت شعله، نرخ آزاد سازی حرارت افزایش یافته و به تبع آن نیز مقدار فشار بیشینه و دمای بیشینه احتراق نیز افزایش خواهد یافت. این روند با افزایش میزان درصد هیدروژن، شدیدتر خواهد شد. به طوریکه از مقادیر بیشتر از 30%، سرعت شعله بسیار زیاد، باعث افزایش بیش از حد فشار و دمای بیشینه احتراق خواهد شد، بطوریکه از حالت 30% به بیشتر، هم به دلیل مسائل و قیدهای طراحی و ساخت (چون هر موتور برای یک مقدار مشخص فشار بیشینه طراحی و ساخته می­شود)، هم به دلیل مباحث بازده احتراقی (نرخ سوختن و آزادسازی حرارت) و هم به دلیل مقادیر آلایندگی (NOx)، اثر مطلوب حضور هیدروژن در مخلوط ورودی، به روی موتور، از دست خواهد رفت.

در بخش تحلیل نتایج، همه حالت­های بررسی شده­، مربوط به میزان هیدروژن کمتر از 30% است. برای دست­یابی به یک روند قابل قبول، تلاش شد تا میزان تغییرات هیدروژن با ضریب 5 مطالعه شوند به طوری‌که برای هر موضوع، 7 حالت برای مقادیر هیدروژن (0، 5%، 10%، 15%، 20%، 25% و 30%) در نظر گرفته شد. از طرفی، چون رفتار احتراقی موتور در دورهای مختلف، متفاوت است، بررسی موارد فوق برای 6 دور موتور مختلف موتور (1000، 2000، 3000، 4000، 5000 و 5500 دور در دقیقه) انجام شد.  

 

  • Semin, R.A. Bakar, "A Technical Review of Compressed Natural Gas as an Alternative Fuel for Internal Combustion Engines", American J. of Engineering and Applied Sciences., vol. 4, pp. 302-311, 2008.
  • Baratta, S.d'Ambrosio, D.Iemmolo, D.Misul, "Method for the recognition of the fuel composition in CNG engines fed with natural gas/biofuel/hydrogen blends", J. of Natural Gas Science and Engineering, Vol. 40, pp. 312-326, April 2017.
  • Widera, "Renewable hydrogen implementations for combined energy storage, transportation, and stationary applications", Thermal Sci Eng Prog, vol.16, 2020.
  • Rohendi, D.R.Rahmah, D.H.Yulianti, I.Amelia, N.F.Sya'baniah, N.Syarif, A. Rachmat, A Review on Production of Hydrogen from Renewable Sources and Applications for Fuel Cell Vehicles, International J. of Sustainable Transportation Technology, vol.2, pp.63-68, 2018.
  • Wang, Z.Huang, Y.Fang, B.Liu, K.Zeng, H.Miao, D.Jiang. "Combustion behaviors of a direct-injection engine operating on various fractions of natural gas–hydrogen blends". International J. of Hydrogen Energy vol.32, pp.3555 – 3564, 2007.
  • Hu, Z.Huang, B.Liu, J.Zheng, X.Gu, B.Huang. "Experimental investigation on performance and emissions of a spark-ignition engine fuelled with natural gas–hydrogen blends combined with". International J. of hydrogen energy; vol.34, pp.528–539, 2009.
  • Luo, J.Hu, B.Sun, F.Liu, X.Wang, C.Li, L.Bao, "Experimental investigation of combustion characteristics and NOx emission of a turbocharged hydrogen internal combustion engine", International J. of Hydrogen Energy, 2019; 44(11):5573-5584.
  • Eichlseder, T.Wallner, R.Freymann, J.Ringler, "The potential of hydrogen internal combustion engines in a future mobility scenario" SAE Technical Paper; 2003 (No. 2003-01-2267)
  • Braess, W.Strobl, "Hydrogen as a fuel for road transport of the future: possibilities and prerequisites", Heydrogen Energy Progress, 1996.
  • ciniviz, H.kose, "Hydrogen use in internal combustion engine: A Review", International J. of Automotive Engineering and Technologies, vol. 1, pp. 1 – 15, 2012.
  • Shivaprasad, R.Rajesh, W.AntenehWogasso, B.Nigatu, F.Addisu, "Usage of Hydrogen as a Fuel in Spark Ignition Engine", IConMMEE, Materials Science and Engineering, 2018.
  • Andrist, "GT-Power simulation of a hydrogen-fueled spark-ignited engine with a hybrid combustion system", International J. of Hydrogen Energy, vol.33, pp.17505-17519, 2019.
  • Zhang, Z.Yang, S.Zhong, J.Feng, K.Zhang, & F.Zhu, "Investigation of the flow field in a centrifugal pump with curved blades using GEM-3D". J. of Mechanical Science and Technology, vol.5, pp.2059-2069.
  • B.Heywood, "Internal combustion engine fundamentals", McGraw Hill Book Company,1989.
  • Costa1, D.Piazzullo, and A.Dolce, "Hydrogen addition to natural gas in cogeneration engines: Optimization of performances through numerical modeling", Frontiers in Mechanical Engineering., Vol. 7, August 2021. Article 680193.

 

  • Pandey, K.H.Shahapurkar, S.Guluwadi, G.A.Mengesha, B.Gadissa, N.R.Banapurmath, C.Vadlamudi, S.Krishnappa, and T.M.Yunus Khan, "Studies on the performance of engines powered with hydrogen-enriched Biogas", Energies., vol.16, pp.43-49. 2023.