سوخت‌های بدون کربن و کربن خنثی

نکات برجسته

•یک میز تست کامل سیستم LRE نوع دو سیلندر ایجاد شد.
•یک روش ترکیبی تحلیلی و عددی اتخاذ شد.
•سازگاری سوخت‌های مختلف کربن خنثی و سوخت‌های کربن صفر مورد مطالعه قرار گرفت.
•ویژگی های دینامیکی و عملکرد تحت سوخت های مختلف مقایسه شد.

چکیده

این مطالعه از یک رویکرد تحلیلی و عددی ترکیبی برای بررسی سازگاری چند سوختی سیستم توسعه‌دهنده برد خطی (LRE) استفاده می‌کند. عملکرد و ویژگی‌های عملکرد سیستم LRE هنگام اتخاذ سوخت‌های فسیلی، سوخت‌های کربن خنثی و سوخت‌های کربن صفر مورد مطالعه قرار گرفت. نتایج نشان داد که حداکثر سرعت پیستون با سوخت بنزین به حداکثر می رسد و به سرعت 6.26 متر بر ثانیه می رسد، در حالی که حداکثر سرعت متوسط عملکرد با سوخت گاز طبیعی 5.31 متر بر ثانیه ثبت شده است. از نظر قدرت خروجی، سوخت بنزین نیز عملکرد برتر را نشان می دهد و به حداکثر 2.83 کیلو وات می رسد. برای سوخت‌های کربن خنثی، موقعیت‌های مرکز مرده نزدیکی نزدیک را نشان می‌دهند، با روابط سرعت-جابجایی تا حد زیادی در انواع مختلف سوخت کربن خنثی ثابت باقی می‌ماند. به طور قابل توجهی، هنگام استفاده از دی متیل اتر به عنوان سوخت، هر دو سرعت پیستون (6.48 متر بر ثانیه) و میانگین سرعت عملیاتی (5.33 متر بر ثانیه) به سطوح بهینه می رسند. علاوه بر این، در شرایط سوخت دی متیل اتر، فرکانس کاری، توان خروجی و توان تلفات اصطکاک به ترتیب در 51.36 هرتز، 3.14 کیلو وات و 0.160 کیلووات به حداکثر می رسد. محدوده عملیاتی پایدار سیستم برای یک پروفیل 126-492 N/(m/s) و برای دیگری 36-122 N/(m/s) است. در مرحله طراحی نمونه اولیه سیستم LRE، دستیابی به سازگاری چند سوختی نه تنها نیازمند بررسی دقیق پارامترهای طراحی است که با ویژگی‌های احتراق سوخت‌های مربوطه همراستا هستند، بلکه محدوده بار عملیاتی پایدار سیستم را نیز نیاز دارد، که به همان اندازه برای عملکرد بهینه حیاتی است.

مقدمه

نیاز فوری به بهبود محیط زیست، همراه با پیشرفت های سریع در فناوری جهانی، بر روند غیرقابل برگشت به سمت الکتریکی سازی وسایل نقلیه تاکید می کند [1،2]. با این وجود، باتری‌های قدرت معاصر با چالش‌های متعددی از جمله هزینه‌های بالا، چگالی انرژی کم و زمان شارژ طولانی مواجه هستند که مانع از پذیرش و اجرای گسترده وسایل نقلیه الکتریکی می‌شود [3]. با توجه به اینکه بهبود قابل توجهی در عملکرد باتری قدرت در کوتاه مدت پیش بینی نمی شود، ظهور اشکال مختلف خودروهای هیبریدی مشاهده شده است [4]. در این میان، وسایل نقلیه الکتریکی با برد گسترده (EREVs) به عنوان یک مدل انتقالی موثر به وسایل نقلیه تمام الکتریکی توجه قابل توجهی را به خود جلب کرده‌اند. EREV ها به دلیل کارایی، ظرفیت نسبتاً کم باتری و طراحی آنها که از خرابی ناشی از کاهش توان جلوگیری می کند، ستایش می شود [5،6]. سیستم قدرت EREV ها شامل چهار جزء ضروری است: سیستم باتری قدرت، سیستم درایو نیرو، افزایش دهنده برد و سیستم کنترل خودرو. توسعه دهنده برد شامل یک موتور با جابجایی کوچک همراه با یک ژنراتور است که با تبدیل جریان متناوب تولید شده به جریان مستقیم سازگار با ولتاژ باتری، انرژی الکتریکی را برای شارژ باتری نیرو ارائه می کند. با این وجود، پرداختن به چالش فراگیر دستیابی به انتشار کربن صفر در کل چرخه عمر وسایل نقلیه الکتریکی حیاتی است [7]. در این راستا، توسعه فن‌آوری‌های احتراق پاک و موتورهای بدون انتشار کربن، رویکردی مناسب برای دستیابی به آلایندگی‌های صفر در زمینه EREVs ارائه می‌کند [8]. در مطالعه حاضر، سیستم قدرت EREV ها همچنان به موتورهای احتراق داخلی دوار متقابل متعارف، که دارای سطح بالایی از بلوغ تکنولوژیکی هستند، به عنوان افزایش دهنده برد، تکیه می کند. با این حال، در مقایسه با موتورهای احتراق داخلی سنتی، سیستم گسترش برد خطی (LRE) که موتورهای احتراق داخلی پیستون آزاد را با موتورهای خطی ادغام می‌کند، مزایای قابل‌توجهی را به عنوان افزایش‌دهنده برد بالقوه برای EREV‌های آینده نشان می‌دهد [9]. در مرحله اول، سیستم LRE دارای یک جفت مستقیم بین موتور احتراق داخلی پیستون آزاد و موتور خطی است که منجر به طراحی فشرده و کاهش تعداد قطعات می شود. این پیکربندی نه تنها هزینه های ساخت را کاهش می دهد، بلکه احتمال خرابی مکانیکی را در کنار موتورهای احتراق داخلی سنتی کاهش می دهد [10]. علاوه بر این، سیستم LRE قادر به تولید مستقیم انرژی الکتریکی است و ساختاری ساده و مدولار را نشان می دهد که تطبیق پذیری آن را در کاربرد افزایش می دهد. مزیت حیاتی سیستم LRE در توانایی آن برای تسهیل نسبت تراکم متغیر در طول چرخه احتراق سوخت است که به حرکت آزاد پیستون نسبت داده می شود. این ویژگی احتراق کارآمد طیف متنوعی از سوخت ها را امکان پذیر می کند.در نتیجه از تقاضاهای در حال تحول برای مدولار بودن سیستم قدرت و کاهش انتشار گازهای گلخانه ای در EREV های آینده پشتیبانی می کند [11]. در نتیجه، سیستم LRE یک راه حل قانع کننده برای پرداختن به چالش های معاصری که EREV ها در زمینه پایداری و عملکرد با آن مواجه هستند ارائه می دهد. هنگامی که یک وسیله نقلیه از سیستم توسعه دهنده برد خطی تطبیقی چند سوختی استفاده می کند، استفاده از سوخت های پاک را می توان افزایش داد و انتشار کربن در بخش حمل و نقل خودرو را به میزان قابل توجهی کاهش داد.

در حال حاضر، بنزین سوخت غالب مورد استفاده برای افزایش دهنده برد خطی باقی مانده است. در یک مطالعه تطبیقی، جیان لی و همکاران. تلفات اصطکاک و ویژگی های روانکاری اجزای مختلف را در موتورهای پیستون آزاد در مقابل موتورهای احتراقی سنتی تجزیه و تحلیل کرد. یافته‌های آنها نشان داد که قدرت اصطکاک مرتبط با مجموعه پیستون در موتورهای پیستون آزاد (118.3 وات) کمتر از آن است که در موتورهای احتراقی سنتی (142.1 وات) مشاهده می‌شود. علاوه بر این، میانگین قدرت اصطکاک کلی به طور قابل توجهی در موتورهای پیستون آزاد کاهش می یابد [12]. متعاقباً، محققان خواص الکترومغناطیسی را تحت شرایط با و بدون بار بررسی کردند. آنها بررسی کردند که چگونه عواملی مانند موقعیت مرکز نوسان، پروفیل حرکت، فرکانس کاری، طول ضربه، سرعت و مقاومت بار بر عملکرد خروجی و راندمان تبدیل انرژی یک ژنراتور خطی آهنربای دائم لوله‌ای تأثیر می‌گذارند. نتایج آنها نشان داد که زاویه فاز و نرخ اعوجاج ولتاژ و جریان خروجی در پاسخ به پروفیل‌های حرکتی متفاوت در نوسان است. علاوه بر این، با افزایش فرکانس کاری، سرعت و طول ضربه، ولتاژ خروجی، جریان، توان و تلفات به صورت تدریجی افزایش می‌یابد، در حالی که بازده تولید در ابتدا قبل از تثبیت بعدی افزایش می‌یابد [13]. Xiaodong Yan و همکاران. تاثیر موقعیت احتراق و زمان احتراق بر روی احتراق یک موتور پیستونی آزاد دو سیلندر با استفاده از تزریق مستقیم را بررسی کرد. تحقیقات آنها نشان داد که فرآیند احتراق در موتورهای پیستونی بدون تزریق مستقیم در مقایسه با موقعیت زاویه احتراق به تغییرات زمان‌بندی احتراق واکنش بیشتری نشان می‌دهد. شایان ذکر است، احتراق دوگانه جرقه‌ای فشار سیلندر را تا 30 درصد افزایش می‌دهد و بازده حرارتی را تا 2 درصد در مقایسه با احتراق تک جرقه نشان می‌دهد [14]. Jiayu Wang چگونگی تاثیر پارامترهای طراحی و شرایط عملیاتی بر عملکرد موتور را بررسی کرد. این مطالعه افزایش قابل توجهی در راندمان حرارتی ترمز نشان داد که با بهینه سازی رابطه بین جرم مونتاژ پیستون و طول کورس از 31.95 درصد به 36.06 درصد افزایش یافت [15].

گازوئیل همچنین یک سوخت رایج برای افزایش دهنده برد خطی است. سوخت دیزل اغلب در توسعه دهنده های محدوده خطی استفاده می شود. در مطالعه ای که توسط Chenheng Yuan و همکاران انجام شد، یک تجزیه و تحلیل تجربی برای بررسی ویژگی های احتراق و انتشار حرارت یک ژنراتور موتور دیزلی با پیستون آزاد انجام شد. یافته‌ها نشان داد که، تحت شرایط تزریق بهینه، تأخیر احتراق نمونه اولیه 0.86 میلی‌ثانیه اندازه‌گیری شد که به طور قابل‌توجهی کوتاه‌تر از آنچه در موتورهای میل لنگ معمولی مشاهده می‌شود. علاوه بر این، فرآیند انتشار گرما در این نمونه اولیه یک فاز احتراق پیش مخلوط مشخص را نشان داد [16].

در سال‌های اخیر، استفاده از سوخت‌های کربن خنثی و کربن صفر در سیستم‌های LRE به عنوان یک تمرکز قابل توجه در تحقیقات پدیدار شده است. هوانگ و همکاران مطالعه ای را انجام داد که کاربرد یک سیستم دوگانه سوز متان-آمونیاک را در ژنراتور موتور پیستون آزاد با اشتعال درخشندگی بررسی کرد. یافته‌های آن‌ها نشان داد که هم فشار اوج و هم سرعت انتشار گرما به طور قابل‌توجهی کاهش یافته است که به نقش آمونیاک به عنوان یک افزودنی نسبت داده می‌شود که فعالیت احتراق را کاهش می‌دهد و سرعت احتراق مخلوط سوخت را کاهش می‌دهد. علاوه بر این، تصویربرداری شعله با سرعت بالا نشان داد که با افزایش نرخ جایگزینی انرژی، ساختار شعله به تدریج کمتر چروک می‌شود [17]. در مطالعه دیگری، افزودن هیدروژن به سوخت برای تسریع واکنش‌های اولیه و در نتیجه افزایش فرآیند احتراق و احتراق یافت شد. به طور خاص، حداکثر نرخ آزادسازی گرما به ترتیب 9.4٪، 49.4٪، 75.6٪، 124.7٪ و 241.4٪ افزایش یافت که مربوط به بخش های هیدروژن 1.0٪، 3.0٪، 5.0٪، 7.0٪ و 9.0 [8.0٪] بود. چن ژانگ و همکاران یک مدل عددی مبتنی بر فیزیک را برای بررسی احتراق آمونیاک HCCI در یک موتور پیستون آزاد ایجاد کرد. نتایج آنها نشان داد که نسبت تراکم (CR) 25 برای احتراق آمونیاک بهینه بود، و یک مسیر پیستون متقارن (با Ω = 0.5) برای افزایش کارایی حرارتی و در عین حال کاهش انتشار NOx به طور همزمان مفید بود [19]. ازران زی و همکاران. یک بررسی تجربی در مورد اینکه چگونه نسبت تصویر بر ویژگی‌های عملکرد یک موتور پیستون آزاد با سوخت هیدروژن تأثیر می‌گذارد، انجام داد. نتایج آنها نشان داد که نسبت ابعاد 2.0 منجر به بالاترین سطوح فشار، انتشار گرما، همراه با کوتاه‌ترین مدت زمان احتراق می‌شود. در مقابل، نسبت ابعاد 1.0 راندمان احتراق و فرکانس عملیاتی بیشتری را به همراه داشت [20]. Chengqian Li عملکرد موتور و انتشار گازهای گلخانه‌ای را تحت سرعت‌های مختلف موتور (5 تا 11 هرتز) و نسبت‌های معادل مختلف در موتورهای بنزینی با پیستون آزاد و موتورهای هیدروژنی بررسی کرد. نتایج نشان داد که موتورهای پیستون آزاد پتانسیل قابل توجهی برای کاهش NOx دارند که بیشترین کاهش در فرکانس 6 هرتز مشاهده شد و در مقایسه با موتورهای بنزینی معمولی به کاهش 57.37 درصدی دست یافت [21]. Zhaoju Qin و همکاران از یک روش تکراری جفت شده جدید برای مطالعه موقعیت تزریق و مدت زمان سوخت هیدروژن در یک موتور پیستون آزاد استفاده کرد. نتایج آنها نشان داد که تزریق بهینه هیدروژن در فاصله 55 میلی‌متری از TDC رخ می‌دهد و کسر جرمی نسبتاً یکنواختی از H2 در سیلندر، آزادسازی حرارت تجمعی تقریباً 620 ژول و فشار و دمای پایین‌تر به ترتیب 7.2 مگاپاسکال و 1529 K را ایجاد می‌کند [22]. Ugochukwu و همکاران. نتایج تجربی از یک نمونه اولیه ژنراتور موتور پیستون آزاد دو پیستون با سوخت هیدروژن و جرقه اشتعال که در هر دو حالت دو زمانه و چهار زمانه کار می کرد ارائه کرد. یافته های آنها ویژگی های احتراق متمایز مرتبط با دو چرخه ترمودینامیکی را نشان می دهد.نشان می دهد که حالت چرخه چهار زمانه در مقایسه با چرخه دو زمانه می تواند به افزایش بازده حرارتی تا 13.2 درصد برسد [23].

Formosa [24] یک مدل ترمودینامیکی تحلیلی را توسعه داد که به مزایا و محدودیت‌های مبدل‌های حرارتی، در کنار یک مدل دینامیکی نیمه تحلیلی برای موتورهای جرقه‌زننده با پیستون آزاد (FPSE) می‌پردازد. مقایسه نتایج مدل با داده‌های تجربی موجود از RE-1000 یک همبستگی قوی را نشان داد، که نشان می‌دهد این مدل می‌تواند به عنوان یک ابزار اولیه برای طراحی موتورهای پیستون آزاد و راهنمایی برای بهینه‌سازی نمونه‌های اولیه موجود در حال حاضر باشد. به طور مشابه، وی وو [25] یک رویکرد نیمه تحلیلی برای طراحی پارامترها در موتورهای پیستون آزاد هیدرولیک معرفی کرد. یافته‌ها نشان می‌دهند که سیستم موتور پیستون آزاد تک پیستون، خود نوسانی سختی را نشان می‌دهد که با میرایی و سفتی متغیر مشخص می‌شود. نکته قابل توجه، انرژی خارجی برای شروع نوسان پیستون ضروری است، که با رفتار نوسانی نامتقارن مشخص می شود. مراکز مرده حرکت پیستون از طریق یک چارچوب تعادل انرژی تعریف می‌شوند که دینامیک عرضه و مصرف انرژی توسط میرایی عمومی در تابع نوسان پیستون کنترل می‌شود.

در حال حاضر، تحقیقات در مورد سیستم احتراق LRE، هر دو محاسبه مستقل صفر بعدی و محاسبه سه بعدی بسیار بالغ هستند و تعداد زیادی مقاله در مورد نتایج تحقیقات مربوطه منتشر شده است. با این حال، هنگام انجام تحقیقات سازگاری چند سوختی LRE، لازم است احتراق سوخت مربوطه مدل شود. علاوه بر سوخت‌های رایج بنزین و دیزل، تقریباً هیچ نوشته‌ای وجود ندارد که مدل‌های احتراق سایر سوخت‌های سازگار با LRE را ذکر کند. بنابراین، مطالعه انطباق‌پذیری یک سیستم LRE واحد در میان سوخت‌های مختلف، چالش‌های مهمی را به دلیل پیچیدگی‌های ذاتی در مدل‌سازی ارائه می‌کند. این فرآیند مستلزم ادغام سینتیک و ترمودینامیک صفر بعدی و همچنین جفت شدن هر دو مدل صفر بعدی و سه بعدی است. در مرحله طراحی مفهومی نمونه‌های اولیه LRE، تأثیر پارامترهای طراحی حیاتی بر دینامیک سیستم و ویژگی‌های خروجی توان اغلب تأکید می‌شود. در نتیجه، در حالی که اختصاص زمان و منابع گسترده به توسعه مدل‌های پیچیده با هدف پیش‌بینی ویژگی‌های پویا و عملکرد می‌تواند سودمند باشد، ممکن است همیشه مقرون‌به‌صرفه‌ترین رویکرد نباشد. در عوض، یک استراتژی تحقیقاتی مؤثرتر شامل ترکیب مدل‌های تحلیلی با محاسبات عددی ساده و بهینه‌سازی کارایی و دقت در فرآیند طراحی است.

این مقاله توسعه یک مدل پیش‌بینی را برای ویژگی‌های دینامیکی و عملکرد سیستم LRE معرفی می‌کند، مدل‌های تحلیلی را با محاسبات عددی ساده ادغام می‌کند. صحت این مدل از طریق مقایسه با داده های تجربی تجربی تایید شد. این مطالعه با ساخت مدل‌های احتراق برای سوخت‌های فسیلی مختلف، سوخت‌های کربن خنثی و سوخت‌های کربن صفر، سازگاری چند سوختی سیستم LRE را بررسی می‌کند. علاوه بر این، ویژگی های دینامیکی و عملکرد سیستم LRE را در انواع مختلف سوخت مقایسه می کند. هدف از یافته‌های این تحقیق این است که به عنوان یک مرجع ارزشمند برای طراحی نمونه‌های اولیه سیستم‌های LRE چند سوختی و کاربردهای مهندسی آنها عمل کند.

قطعات بخش

پیکربندی سیستم LRE دو سیلندر

شکل 1 معماری پیشرانه یک EREV خطی را نشان می دهد. این سیستم قدرت شامل چهار جزء حیاتی است: سیستم باتری قدرت، سیستم درایو قدرت، توسعه دهنده برد خطی و سیستم کنترل خودرو. سیستم باتری قدرت نقش دوگانه ای دارد. این نه تنها انرژی سیستم محرک موتور را تامین می کند، بلکه جریان ضد درگ لازم برای شروع کار موتور افزایش دهنده برد را نیز ارائه می دهد. سیستم درایو قدرت وظیفه تولید خروجی را بر عهده دارد

ساده سازی ایده آل سیستم LRE

فرآیندهای حرارتی که در هر دو سیلندر چپ و راست اتفاق می‌افتند یکسان هستند. گاز موجود در داخل سیلندرها به عنوان یک گاز ایده آل شناخته می شود و فرآیندهای ورودی و خروجی برای اهداف این تجزیه و تحلیل نادیده گرفته می شود. مکانیسم عملیاتی سیستم LRE را می توان به عنوان حرکت نوسانی یک بلوک جرمی تک درجه آزادی که در داخل دو سیلندر بسته قرار دارد تصور کرد. یک نمایش ایده آل از سیستم LRE، از جمله نیروهای فعال

ویژگی های احتراق سوخت و مدل سازی نیروی تحریک احتراق

اکثریت قریب به اتفاق سوخت های فعلی وسایل نقلیه هنوز از سوخت های فسیلی تولید شده با فن آوری های بالغ تهیه می شود. انرژی فسیلی سهم نسبتا بالایی از مصرف انرژی اولیه را به خود اختصاص می دهد. سوخت کربن خنثی از منابع انرژی تجدیدپذیر مانند انرژی خورشیدی و انرژی باد، از جمله انواع مختلف الکل ها، اترها، بیودیزل و سایر سوخت های مصنوعی تولید می شود. سوخت‌های بدون کربن را می‌توان مستقیماً از طریق الکترولیز از منابع انرژی تجدیدپذیر تولید کرد. تولید و ترویج

نتیجه گیری

در این مطالعه، یک رویکرد تحلیلی و عددی ترکیبی برای بررسی سازگاری چند سوختی سیستم LRE مورد استفاده قرار گرفت. این تحقیق بر ارزیابی سازگاری سوخت‌های فسیلی مختلف، سوخت‌های کربن خنثی و سوخت‌های کربن صفر متمرکز بود. علاوه بر این، شامل تجزیه و تحلیل مقایسه ای از ویژگی های دینامیکی و عملکرد سیستم LRE در هنگام استفاده از انواع مختلف سوخت است. یافته های اولیه این تحقیق به شرح زیر خلاصه می شود.

توسعه مواد جایگزین پایدار برای...

سپتامبر 14, 2026