بررسی سازوکار کاهش آلاینده ­های دوده و NO در موتورهای دیزل پاشش مستقیم با استفاده از راهکار پاشش دومرحله­ ای سوخت

پورقاسمی, کامران; امی, فتح اله; اصفهانیان, وحید; طنابی, حامد

بررسی سازوکار کاهش آلاینده های دوده و NO در موتورهای دیزل پاشش مستقیم با استفاده از راهکار پاشش دومرحله ای سوخت

نویسندگان

کامران پورقاسمی ¹

فتح اله امی ²

وحید اصفهانیان ³

حامد طنابی ¹

¹ گروه مهندسی مکانیک ،دانشگاه آزاد اسلامی واحد شبستر،تبریز،ایران

² دانشکده فنی و مهندسی، بخش مهندسی مکانیک،دانشگاه تربیت مدرس،تهران،ایران

³ دانشکده مهندسی مکانیک،دانشگاه تهران، تهران،ایران

چکیده

هدف مقاله بررسی نحوة کاهش آلاینده‌های دوده و NO در پاشش دومرحله ای سوخت در موتورهای دیزل پاشش مستقیم است. در این پژوهش پاشش دومرحله ای بهینه سوخت به عنوان یک روش مفید و مؤثر برای کاهش همزمان آلاینده های دوده و NO معرفی شده است. تحقیقات بر روی یک موتور دیزل پاشش مستقیم ساخت شرکت موتورسازان تبریز انجام گرفت. برای ارزیابی مزایای به کارگیری راهکار پاشش دومرحله ای و بررسی سازوکار احتراق، از کد سه بعدی KIVA-3V استفاده شد. نتایج به دست آمده از تحقیق نشان داد که راهکار پاشش دومرحله ای با فاصله زمانی مناسب بین مراحل پاشش می تواند در کاهش همزمان آلاینده های مذکور مؤثر باشد. همچنین بر پایه نتایج حاصل از شبیه سازی، سازوکار کاهش آلاینده NO همانند پاشش یک مرحله ای با به تأخیر انداختن زمان پاشش است. کاهش دوده نیز به این علت است که در پاشش دومرحله ای به دلیل توقف بین دو مرحله پاشش، ناحیه غنی از سوخت در نوک اسپری که عامل تولید دوده است، حذف می شود. نتایج به دست آمده از تحقیق برای موتور مورد نظر نشان داد که با استفاده از راهکار پاشش دو مرحله ای مقدار دوده و NO در گازهای خروجی به ترتیب 33 و 11درصد کاهش می یابد.

تازه های تحقیق

در مقاله حاضر با استفاده از شبیه‌سازی سهبعدی به کمک کد KIVA-3V و صحه‌گذاری آن با نتایج تجربی حاصل از آزمون حالت پایه موتور، سازوکار کاهش آلاینده های دوده و NO در پاشش دو مرحلهای سوخت مطالعه شد و در نهایت راهکار پاشش دو مرحلهای سوخت برای کاهش همزمان این آلایندهها برای موتورهای دیزل پاشش مستقیم MT-4.244 ارائه شد. خلاصه نتایج به صورت زیر است:

1- در پاشش دومرحلهای به دلیل افت بیشینه نرخ آزادسازی گرما و تاخیر در پاشش دوم مقدار آلاینده NO کاهش می‌یابد. سازوکار کاهش NO در راهکار پاشش چندمرحلهای همانند پاشش یک مرحلهای یا تاخیر در زمان پاشش سوخت است.

2- فاصله بین دو پاشش سوخت باید به حد کافی کوتاه باشد تا دمای مورد نیاز برای اکسید شدن دوده حاصل از پالس اول فراهم شود. همچنین فاصله زمانی بین دو پاشش باید به حد کافی زیاد باشد تا مقدار زیادی از دوده قبل از آغاز پاشش ثانویه اکسید شود. بنابراین لازم است که یک حالت بهینه انتخاب شود.

3- حالت بهینه پاشش چندمرحلهای برای موتور MT-4.244، حالت2-25(35)75 است که با این راهبرد NO، 11درصد و دوده 33 درصد کاهش مییابد.

4-با توجه به کانتورهای ارائه شده، در پاشش دو مرحلهای سوخت پاششی در پالس دوم پاشش وارد یک منطقه دما بالا و رقیق از سوخت میشود، در نتیجه از انباشتگی سوخت در نوک اسپری و ایجاد منطقه غنی از سوخت جلوگیری میشود، بنابراین مقدار دوده تولیدی کاهش چشمگیری پیدا میکند.

کلیدواژه‌ها

موتور دیزل پاشش مستقیم

پاشش دومرحله ای سوخت

KIVA-3V

دوده

NOx

عنوان مقاله English

Investigation of the Soot and NO Emission Reduction Mechanism in DI Diesel Engines by Means of Split Injection Strategy

نویسندگان English

Kamran Poorghasemi ¹

Fatollah Ommi ²

Vahid Esfahanian ³

Hamed Tanabi ¹

¹ Department of Mechanical Engineering, Islamic Azad University, Shabestar Branch, Tabriz, Iran

² Faculty of Engineering, Department of Mechanical Engineering, Tarbiat Modares University, Tehran, Iran

³ School of Mechanical Engineering, University of Tehran, Tehran, Iran

چکیده English

The aim of this paper is to investigate the mechanism of soot and NO emission reduction using split injection in a DI Diesel engine. In this research, split injection strategy was introduced as a useful way to reduce both emissions simultaneously. Investigations have been conducted on a DI Diesel engine manufactured by Motorsazan Tabriz Company. To evaluate the benefits of split injection strategy and to reveal the combustion mechanism, modified three-dimensional CFD code KIVA-3V was used. Results showed that use of split injection with appropriate dwell between injection pulses can be effective in simultaneous emissions reduction. Based on computation results, NO reduction mechanism is as single injection with retarded injection timing. Also it is shown that reduced soot formation is because of the fact that the soot-producing rich regions at the fuel spray head are not replenished by new fuel when the injection is stopped and then restarted. The results showed that by using split injection strategy the amount of soot and NO can be reduced by 33% and 11%, respectively

کلیدواژه‌ها English

DI Diesel engine

Split injection

KIVA-3V

Soot

NO_x

1. Heywood, J. B., Internal Combustion Engine Fundamentals, McGraw-Hill, Inc., New York, 1998.

2. Pierpont, D. A., and Reitz, R. D., “Effect of Injection Pressure and Nozzle Geometry on Emissions and Performance in a DI Diesel,” SAE Paper 950604, 1995.

3. Nehmer, D. A., and Reitz, R. D., “Measurement of the Effect of Injection Rrate and Split Injections on Diesel Engine Soot and NOx Emissions,” SAE Paper 940668, 1994.

4. Lee, T., “An Experimental Study of Emission Reduction Mechanisms in a High Speed Direct Injection Diesel Engine With Multiple Injection and EGR,” Ph.D. Thesis, University of Wisconsin-Madison, 2002.

5. Ricaud, J. C., and Lavoisier, F., “Optimizing the Multiple Injection Settings on an HSDI Diesel Engine,” THESEL 2002 Conference, 2002.

6. Liu, Y., Tao, F., Foster, D., and Reitz, R. D., “Application of a Multiple- Step Phenomenological Soot Model to HSDI Diesel Multiple Injection Modeling,” SAE Technical Paper 2005-01-0924, 2005.

7. Ghafarpour, M. R., and Noorpoor, A. R., “A Numerical Study of Pilot or Split Rate Injection to Reduce Diesel Engine Noise,” Proc. IMechE, 221, pp. 457-464, 2007.

8. Liu, Y., “Diesel Engine Modeling and Optimization for Emission Reduction,” Ph.D. Thesis, University of Wisconsin- Madison, 2005.

9. Mendez, S., and Thirouard, B., "Using Multiple Injection Strategies in Diesel Combustion: Potential to Improve Emissions, Noise and Fuel Economy Trade-Off in Low CR Engines,” SAE Technical Paper 2008-8-01- 1329, 2008.

10. Amsden, A. A., “KIVA-II: A Computer Program for Chemically Reactive Flows with Sprays,” Los Alamos National Laboratory Report, LA-11560-MS, 1989.

11. امی، ف؛ پورقاسمی، ک؛ اصفهانیان، و؛ و میرمحمدی، ع؛ "بررسی تاثیر پاشش چند مرحلهای سوخت و مشخصههای افشانه بر کاهش آلایندههای موتور دیزل پاشش مستقیم،" دوازدهمین کنفرانس دینامیک شارهها، دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل، 1388.

12. Bowman, C. T., “Kinetics of Pollutant Formation and Destruction in Combustion,” Prog. Energy Combustion Sci., 33, 1975.

13. Nagle, J., and Strickland-Constable, R. F., “Oxidation of Carbon between 1000-2000C,” Proceedings of the Fifth Conference on Carbon, New York, Pergamon, 1962.

14. Han, Z., Uludogan, A., Hampson, G. J., and Reitz, R. D., “Mechanism of Soot and NOx Emission Reduction Using Multiple-injection in a Diesel Engine,” SAE Paper 960633, 1996.