شبيه‌سازي سه بعدي عملكرد و آلايندگي احتراق هيدروژن-ديزل در موتور ديزل سنگين در حالت بار كامل

3D Simulation of Performance and Pollution of Hydrogen-Diesel Combustion in Heavy Duty Engine

با توجه به اثرات مخرب محيط‌ زيستي مصرف سوخت‌هاي فسيلي، تحقيقات بسياري براي انتخاب سوخت جايگزين با آلايندگي كمتر و منابع پايدار انجام شده است. در اين بين هيدروژن يكي از برجسته‌ترين سوخت‌هاي جايگزين به شمار مي‌رود زيرا مشخصه‌هاي احتراقي آن شبيه سوخت‌هاي فسيلي است و از طرف ديگر در دسته‌ي سوخت‌هاي پاك و تجديدپذير قرار گرفته است. در اين مقاله به شبيه‌سازي احتراق ديزل – هيدروژن در موتور ديزل سنگين در حالت بار كامل و در سرعت rpm1600 پرداخته شده است. تمام مشخصه‌هاي موتور نظير سرعت، زاويه پاشش، مدت پاشش و انرژي ورودي در شبيه‌سازي ثابت در نظر گرفته شده است. پارامتر متغير، نسبت جرم يا انرژي هيدروژن به ديزل مي‌باشد. هيدروژن به نسبت انرژي ورودي ديزل از 0% (ديزل خالص) تا 70% (70% انرژي ورودي هيدروژن و 30% انرژي از سوخت ديزل تامين مي‌شود) تغيير داده شده است. نتايج شبيه‌سازي نشان دهنده آن است كه در بهترين حالت جايگزيني هيدروژن به جاي ديزل، آلايندههاي اكسيدهاي نيتروژن، دي‌اكسيدكربن، هيدروكربن نسوخته، دوده و مونواكسيدكربن به ترتيب به ميزان 8%، 14%. 54%، 14%، 70% كاهش خواهند يافت. تاثير اين جايگزيني بر عملكرد موتور نيز كاهش 2.8% راندمان انديكاتوري است. جايگزيني هيدروژن به جاي ديزل منجر به تاخير در شروع احتراق و رشد نرخ افزايش فشار و افزايش حرارت آزاد شده خواهد شد، ولي اين افزايش فشار منجر به پديده كوبش نخواهد گرديد.

Concerning the adverse environmental impacts of fossil fuel consumption, many investigations have been performed on choosing more environmentally friendly fuel alternatives and sustainable resources. In this regard, hydrogen is considered to be one of the promising alternative fuels as its combustion features are the most similar to fossil fuels and it also falls into the category of renewable and clean fuels. This article studies the simulation of hydrogen-diesel combustion in heavy duty engine at full load and speed of 1600 rpm. All engine features including speed, spray angle, spray duration and input power are held fixed in the simulation. Variable parameter is the ratio of mass or hydrogen energy to diesel. Depending on input power of diesel, hydrogen is changed from 0% (pure diesel) to 70% (i.e. 70% is supplied from the input power of hydrogen and the remaining 30% from diesel fuel). The results of simulation show that hydrogen substitution with diesel at the best state leads to reduction of pollutants such as nitric oxides, carbon dioxide, unburned hydrocarbon, soot and carbon monoxide to 8%, 14%, 54%, 14% and 70%, respectively. This substitution, however, causes the reduction of indicated efficiency to 2.8%. Hydrogen substitution with diesel can also postpone the combustion, and results in an increase in PRR and HRR; but, this pressure enhancement does not lead to knocking.