23146

بررسي كارايي موتور استرلينگ در بازيابي حرارت گازهاي خروجي موتورهاي احتراق داخلي در شرايط مختلف كاري

كارشناسي ارشد

قواي محركه خودرو

1399/8/28

دكتر علي قاسميان مقدم

خودرو

از مجموع انرژي توليد شده در موتورهاي احتراق داخلي در بهترين حالت حدود 30 تا 40 درصد به كار مكانيكي مفيد تبديل مي¬شود و مابقي از طريق گازهاي خروجي و سيستم¬هاي خنك¬كاري موتور به محيط اطراف منتقل مي¬شود. يكي از راه¬هاي موثر براي غلبه بر اين مشكل، بازيابي حرارت خروجي از اگزوز موتورهاي احتراق داخلي مي¬باشد. در پژوهش پيش¬رو استفاده از يك موتور استرلينگ در مسير گازهاي خروجي براي اين منظور مورد بررسي قرار مي‌گيرد. در اين راستا مدلسازي يك موتور استرلينگ به عنوان بازياب حرارتي موتور احتراق داخلي با استفاده از روش مرتبه دوم انجام مي¬شود. در روش مذكور مدلسازي با فرض انجام فرايندها به صورت آدياباتيك و دخيل كردن عملكرد واقعي مبدل¬هاي حرارتي، مقاومت جريان عبوري، انتقال حرارت ديواره ها، اثر شاتل، هيسترزي و نشت سيال عامل شرايط عملكرد واقعي موتور استرلينگ GPU-3 شبيه ساز مي¬گردد. براي اين كار از يك الگوريتم حل اختصاصي كه در خلال اين تحقيق توسعه داده شده است استفاده مي¬شود. به منظور استفاده از موتور استرلينگ براي بازيابي حرارتي موتور احتراق داخلي، فرض استفاده از كولر موتور استرينگ در مسير سيال خنك كننده موتور احتراق داخلي و هيتر موتور استرلينگ در مسير دودهاي خروجي ناشي از احتراق موتور احتراق داخلي درنظر گرفته مي¬شود. تغييرات دما و دبي جرمي دود خروجي از موتور احتراق داخلي در سرعت-هاي مختلف، تغييرات عملكرد موتور استرلينگ را موجب مي¬شود. موتور استرلينگ در حالت بيشينه، قابليت افزودن توان 10 تا 5/8 اسب بخار و گشتاور 20 تا 22 نيوتن متر در دروهاي 1000 تا 6000 دور بر دقيقه موتور احتراق داخلي را دارا مي¬باشد. اين افزايش توان در شرايطي كه هيچ سوخت اضافه¬اي سوزانده نشده است، باعث كاهش شاخص BSFC از 46% تا 17% مي¬شود. همچنين به منظور بهبود منحني گشتاور موتور احتراق داخلي، بكارگيري موتور استرلينگ در شرايط كاري مختلف، منجر به يك گشتاور ثابت در يك بازه وسيع از دور موتور احتراق داخلي مي‌گردد.

1399/11/22

Study on Stirling engine performance in heat recovery of internal combustion engines exhaust gases in different working conditions

11/19/2021 12:00:00 AM

Restrictions on the use of fossil fuels and environmental regulations have cause to extensive research into energy efficiency. Internal combustion engines are one of the largest consumers of fossil fuels in the world. About 30 to 40 percent of the total energy produced in internal combustion engines is converted into useful mechanical work at best, and the rest is transferred to the environment through exhaust gases and engine cooling systems. One effective way to overcome mentioned issue is to recover the exhaust gas heat of internal combustion engines. In the present study, in order to recover the wasted energy from the exhaust gases of internal combustion engine, use of Stirling engine has been suggested. For this purpose, modeling of the Stirling engine was started with using the second-order method, assuming adiabatic processes. To aproch operating conditions of the stirling engine to actual state, the real performance of the heat exchangers was added to the model. Also, heat and working losses including flow resistance when passing through the heat exchangers, engine walls heat transfer, shuttle effect, hystersis and seal leakage for each moment of the Stirling engine movement were calculated separately and added to the modeling. The sum of the mentioned cases led to the creation of Modified model. In order to validate the Modified model, modeling of "GPU-3" stirling engine was done with the mentioned method and the efficiency and production work of the engine were equal to 56/36% and 4009 watts, respectively. These values in comparison with the experimental result (efficiency of 35% and the production work of 3889 watts) show the appropriate convergence of the Modified model. The modeling of the Stirling engine was performed for three operating pressures (76/2, 13/4 and 52/5 MPa) and seven engine speed (1000 to 3500 rpm), depending on the thermal energy of the internal combustion engine. The results show that, at best condition, Stirling engine produce 5/8 to 10 horsepower and 20 to 22 N.m of torque. By adding these values to the internal combustion engine, we will see a significant increase in power and torque of the hybrid system. It is also possible to achieve a constant torque over a wide range of engine speeds in hybrid engines by using different operating conditions of stirling engine.