فهرست مطالب

سوخت و احتراق - سال پانزدهم شماره 3 (پیاپی 40، پاییز 1401)

نشریه سوخت و احتراق
سال پانزدهم شماره 3 (پیاپی 40، پاییز 1401)

  • تاریخ انتشار: 1401/08/01
  • تعداد عناوین: 7
|
  • سید حسن حسینی، مرتضی آغباشلو*، میثم طباطبایی، علی حاجی احمد، علیرضا ختائی، محمدحسین نادیان صفحات 1-19

    تحقیق حاضر، به منظور مدل سازی و بهینه سازی عملکرد و ویژگی های انتشار آلایندگی یک موتور دیزل سوخت رسانی شده با امولسیون آب-دیزل حاوی نانوذرات چارچوب فلزی-آلی با استفاده از ترکیب سامانه استنتاج عصبی-فازی تطبیقی با الگوریتم بهینه سازی ازدحام ذرات (PSO-ANFIS) انجام شده است. به منظور بهینه سازی پارامترهای عملکرد موتور و ترکیب سوخت از الگوریتم ازدحام ذرات چند منظوره (MOPSO) استفاده شده است. مقدار آب اضافه شده به امولسیون، بار موتور و غلظت افزودنی نانوذرات چارچوب فلزی-آلی به عنوان پارامترهای ورودی مدل در نظر گرفته شدند. مصرف سوخت ویژه ترمزی، بازده حرارتی ترمزی، CO، CO2، UHC، NOx و دوده به عنوان خروجی مدل در نظر گرفته شده اند. از 16 داده تجربی در فرآیند مدل سازی و بهینه سازی استفاده شده است. نتایج نشان داد مدل های توسعه یافته PSO-ANFIS با دقت کافی توابع هدف را پیش بینی می کند. بین تمامی داده های هدف و خروجی مدل های توسعه یافته تطابق خوبی وجود داشت. با توجه به نتایج بهینه سازی مشاهده شد که سوخت امولسیون آب-دیزل حاوی 27/26 ppm نانوذره چارچوب فلزی-آلی و 14/4 درصد وزنی آب تحت بار موتور 15/60 درصد از بار کامل دارای شرایط بهینه می باشد.

    کلیدواژگان: امولسیون آب-دیزل، نانوذرات چارچوب فلزی-آلی، سامانه استنتاج عصبی-فازی تطبیقی، الگوریتم بهینه سازی ازدحام ذرات
  • سید ایمان پورموسوی کانی، جواد خادم*، کامیار نیکزادفر، آنتونیو پائولو کارلوچی صفحات 20-49
    در دهه های اخیر، موتورهای احتراق دماپایین به عنوان راهبردی موثر برای رسیدن به مدل احتراقی بهینه مورد توجه محققین قرار گرفته اند. در این نوع مدل احتراقی، ابتدا سوخت با عدد اکتان بالا در راهگاه ورودی پاشیده شده و سپس در محفظه ی احتراق یک سوخت دیگر با عدد ستان بالا، در زمان های مختلف تزریق می شود. احتراق در موتورهای اشتعال تراکمی واکنش کنترلی، از هیچ ابزار کنترلی مستقیمی استفاده نمی کند و به شرایط اولیه و سینتیک شیمیایی واکنش ها وابسته است. با توجه به اهمیت زمان بندی احتراق و کنترل آن در عملکرد موتور احتراقی دما پایین، در این مطالعه با استفاده از متغیرهای کنترلی تاخیر در اشتعال، زمان پاشش سوخت و فشار بیشینه داخل سیلندر در کنار سیستم پاشش سوخت به عنوان عملگر کنترل احتراق، به بررسی تجربی عملکرد یک موتور احتراقی دماپایین پاشش مستقیم پرداخته شده است. نتایج نشان می دهد که زمان پاشش سوخت دیزل در داخل سیلندر، از مهم ترین فاکتورهای تاثیرگذار در عملکرد و کارایی موتور است. برای نرخ پاشش متان slm15، با افزایش تاخیر در زمان پاشش سوخت پایلوت (دیزل)، مقدار حداکثر نرخ آزادسازی حرارت و مصرف ویژه سوخت کاهش یافته در حالی که فشار موثر متوسط اندیکاتوری و بازده اندیکاتوری ناخالص افزایش می یابد. همچنین با کنترل واکنش پذیری مخلوط و زمان پاشش سوخت با واکنش پذیری بالا، می توان به زمان احتراق مناسب دست یافت که نشان دهنده اهمیت زمان پاشش سوخت به عنوان یک پارامتر کنترلی مهم در کنترل احتراق یک موتور دما پایین است. بطور کلی، نرخ پاشش متان تاثیر ثانویه ای در مقایسه با زمان شروع پاشش بر تاخیر در اشتعال دارد.
    کلیدواژگان: اشتعال تراکمی واکنش کنترلی، پارامترهای کنترل احتراق، زمان پاشش سوخت، موتور AVL 5402
  • محسن کشاورزی، مرتضی آغباشلو*، میثم طباطبایی، علی حاجی احمد، هاجر رستگاری، پویا محمدی صفحات 50-72
    نیروی محرکه خودروهای شهری رایج معمولا توسط موتورهای اشتعال جرقه ای که با سوخت بنزین کار می کنند، تولید می شوند. احتراق سوخت بنزین در موتورهای اشتعال جرقه ای منجر به آلودگی هوای مناطق شهری و همچنین کاهش ذخایر سوخت های فسیلی می شود. افزودن اتانول به دلیل ساختار زیستی آن، یکی از گزینه های کاهش میزان آلایندگی سوخت بنزین توام با جایگزین منابع فسیلی است. اگرچه وجود اتانول سبب احتراق بهتر سوخت و کاهش آلاینده های حاصل از احتراق می شود، افزایش میزان اکسیدهای نیتروژن یکی از مشکلات زیست محیطی استفاده از درصد ترکیب بالای اتانول در سوخت است. از طرف دیگر، گلیسیرین به عنوان محصول جانبی فرایند تولید بیودیزل یک عامل محدودکننده در تولید انبوه بیودیزل است. در این مطالعه با تبدیل گلیسیرین به سولکتال و اختلاط آن با سوخت بنزین حاوی اتانول، ترکیب افزودنی منحصربه فرد از سوخت های زیستی برای سوخت بنزین با بهینه ترین عملکرد و کمترین میزان آلایندگی معرفی می شود. نتایج این مطالعه نشان داد که افزودن 5% حجمی سولکتال به سوخت بنزین حاوی 20% حجمی اتانول دارای بهترین عملکرد موتور است به طوری که میزان توان ترمزی بهبود قابل ملاحظه ای مخصوصا در دور موتورهای بالا در مقایسه با سوخت بنزین حاوی 20% اتانول است. علاوه بر آن مصرف سوخت ویژه ترمزی با سوخت حاوی 5% سولکتال در گشتاورهای 25، 50 و 75% به ترتیب در حدود پنج، دو و هفت دهم درصد کاهش داشته است. همچنین افزودن 5% سولکتال علاوه بر حفظ تاثیرات مثبت افزودن اتانول در کاهش آلاینده های خروجی موتور، سبب کاهش معنی دار انتشار اکسیدهای نیتروژن تا حدود 90% که از معایب افزودن اتانول به سوخت است، می شود.
    کلیدواژگان: اتانول، سولکتال، بنزین، گازهای خروجی اگزوز، عملکرد موتور
  • سروش صرافان صادقی، صادق تابع جماعت*، امیررضا قهرمانی، سینا نریمانی اصل صفحات 73-99
    در پژوهش حاضر، به بررسی تجربی احتراق، اکسیژن- متان با بررسی اثر رقیق سازی نیتروژن درون محفظه های کانالی تخت همراه با بازیابی انرژی حرارتی ناشی از دمای گازهای حاصل از احتراق پرداخته شده است و احتراق غیر پیش آمیخته متان- اکسیژن با نسبت هم ارزی ثابت 69/1 با درصدهای رقیق سازی نیتروژن 0%، 5%، 10% و 18% به کمک روش طیف سنجی مورد بررسی قرار گرفته است، برای این تحقیق از یک محفظه جدید طراحی و ساخته شده از جنس آلومینیوم استفاده شده است، این محفظه بر اساس طراحی مارپیچی-کانالی جهت کمک به بازیابی حرارتی طراحی شده است. در این محفظه جهت پیش گرم کردن گازهای ورودی، گازهای حاصل از احتراق پس از طی یک مسیر موازی با جریان ورودی باعث پیش گرم شدن گازهای ورودی می شوند. همچنین اکسیژن قبل از قسمت ورودی به محفظه توسط نیتروژن رقیق و مخلوط شده و سپس وارد محفظه می شود. بر اساس نتایج حاصل از این تحقیق با افزایش نسبت رقیق ساز، کاهش طیف تابشی رادیکال  که نمایانگر کامل تر بودن احتراق است مشاهده شده است. به طورکلی با افزایش نسبت رقیق سازی افزایش طول شعله مشاهده می شود و در حالت رقیق سازی 5 و 10 درصد بهترین حالت یکنواختی توزیع دمایی و طول مناسب شعله مشاهده می شود.
    کلیدواژگان: احتراق متان- اکسیژن، رقیق سازی نیتروژن، محفظه های احتراق مارپیچ-کانالی، احتراق غیر پیش آمیخته، طیف سنجی شعله
  • امین علمداری* صفحات 100-119

    اصلاح گاز طبیعی با بخار، پرکاربردترین روش برای تولید هیدروژن موردنیاز صنایع شیمیایی است. افزایش تقاضا برای مصرف هیدروژن باعث توسعه فناوری های جدید برای تولید هیدروژن شده است. یکی از فناوری های پیشنهادی، استفاده از راکتور غشایی-کاتالیزوری به دلیل حذف هیدروژن از سمت واکنش و جلوگیری از دستیابی به شرایط تعادل است. این پژوهش به بررسی مدل سینتیکی با استفاده از کاتالیزورهای مبتنی بر Ru با MgO و Nb2O5 به عنوان پایه می پردازد که فعالیت و گزینش پذیری فرایند را در محدوده دمایی Cº750-350 و محدوده فشاری bar 30-2 بهبود می دهند. اثر پارامترهای عملیاتی مختلف مانند دمای واکنش، فشار واکنش، نسبت متان به بخار آب، ضخامت غشاء و فاکتور گاز حامل بر درصد تبدیل متان و میزان تولید هیدروژن بررسی می شود. بر اساس شاخص Δ، شرایط بهینه راکتور غشایی-کاتالیزوری در محدوده شرایط عملیاتی دمای Cº 475-410، فشار >=bar 20، ضخامت< μm 10، نسبت بخار به متان 2>m>3 و فاکتور گاز حامل =< 10 حاصل شد.

    کلیدواژگان: اصلاح بخار، تولید هیدروژن، راکتور غشایی-کاتالیزوری، کاتالیست های مبتنی بر Ru
  • میلاد باستانی، صادق تابع جماعت، حسین عشینی* صفحات 120-138
    برای رسیدن به هدف انتشار کربن صفر، جایگزین کردن سوخت های هیدروکربنی معمول با سوخت های بدون کربن، از اهمیت بالایی برخوردار است. از نظر سوخت بدون کربن، آمونیاک در کنار مشکلاتی چون سرعت شعله پایین و انتشار آلایندگی NOx بالا، مزایای متعددی نسبت به هیدروژن دارد. از این رو، مطالعه تجربی حاضر به بررسی اثر افزودن آمونیاک به متان و نسبت آن بر روی عملکرد احتراقی یک محفظه احتراق میکروتوربینی از نوع قوطی در شرایط اتمسفریک در دو توان حرارتی مختلف می پردازد. نتایج نشان می دهد که با افزایش درصد آمونیاک در سوخت، بیشینه دمای شعله کاهش پیدا کرده و احتراق تا ناحیه ی انتهایی محفظه به تاخیر افتاده است. همچنین، افزودن آمونیاک، علی رغم عدم کاهش CO، افزایش شدید مقدار NOx تولیدی محفظه را به همراه دارد. بعلاوه، اگرچه دمای خروجی محفظه بجز یک حالت، تغییر چندانی نداشته ولی بازده احتراقی محفظه با افزایش نسبت آمونیاک، افت کرده و متغیر یکپارچگی در صورت استفاده از آمونیاک، بیشتر از حالت 100% گاز طبیعی است. بنابراین، اگرچه استفاده از مخلوط سوخت آمونیاک/ متان با شرایط احتراق پایدار در محفظه ی موجود، ممکن است ولی برای رسیدن به عملکرد مطلوب احتراقی، اصلاحات جدی نیاز دارد.
    کلیدواژگان: محفظه احتراق میکروتوربین، آمونیاک، متان، درصد اختلاط، پارامتر عملکردی
  • سینا فیض الله زاده اردبیلی، بهمن نجفی*، امیر هاشمی نژاد صفحات 139-164
    بررسی اثرات سوخت پایلوت حاوی درصدهای پایین اتانول و آب در مخلوط سوخت دیزل-بیودیزل در یک فرایند احتراق دوگانه سوز با گاز طبیعی می تواند نتایج مطلوبی بر عملکرد و آلایندگی یک موتور دیزل داشته باشد. در پژوهش حاضر، سه سطح اتانول (0، 2 و 4 درصد)، دو سطح بیودیزل (0 و 5 درصد) و چهار سطح آب (0، 3/0، 6/0و 9/0 درصد) با سوخت دیزل مخلوط شدند. تمام نمونه سوخت ها به عنوان سوخت پایلوت در فرایند احتراق دوسوخته با درصد جایگزینی گاز طبیعی 80 درصد در نظر گرفته شدند. بر اساس نتایج، حضور آب، اتانول و تلفیق آب-اتانول در کنار گاز طبیعی می تواند علاوه بر کاهش آلاینده ها، با افزایش فشار درون محفظه احتراق، عملکرد موتور دیزل را به طور نسبی بهبود بخشد. حضور محتوای اکسیژن در اتانول می تواند موجب بهبود روند احتراق با سوق دادن احتراق به سمت احتراق کامل انجام گیرد. نتایج بهینه سازی با روش سطح پاسخ نشان داد، نقطه بهینه عملکرد موتور در بار کامل با نمونه سوخت حاوی بیودیزل به مقدار 5/2 میلی لیتر، اتانول به مقدار 5/11 میلی لیتر، آب به میزان 3/9 میلی لیتر و سوخت گازی به میزان 65 درصد رخ می دهد. در این شرایط، در مقایسه با نمونه شاهد، توان ترمزی در حدود 79 درصد افزایش یافت، و مصرف سوخت ویژه در حدود 58 درصد کاهش یافت. این نمونه سوخت مقادیر مونوکسیدکربن، دی اکسیدکربن، اکسیدهای نیتروژن و هزینه تولید انرژی را به ترتیب حدود 54، 33، 29، و 39 درصد کاهش و اکسیدهای گوگرد را حدود 11 درصد افزایش داد.
    کلیدواژگان: موتور دیزل دوگانه سوز، سوخت دیزل، آب، اتانول، گاز طبیعی
|
  • Seyyed Hassan Hosseini, Mortaza Aghbashlo *, Meisam Tabatabaei, Ali Hajiahmad, Alireza Khataee, MohammadHossein Nadian Pages 1-19

    The present study aimed to model and optimize the performance and emission characteristics of a diesel engine fueled with water-diesel emulsions containing metal-organic framework nanoparticles using a combination of adaptive neural-fuzzy inference system with optimal algorithm particle swarm generation (PSO-ANFIS). The multi-purpose particle swarm algorithm (MOPSO) was used to optimize engine performance and fuel composition. Water inclusion rate, engine load, and metal-organic framework nanoparticle concentration were considered as input parameters of the model. Brake specific fuel consumption, brake thermal efficiency, CO, CO2, UHC, NOx, and smoke were considered as model outputs. Sixteen experimental data were used in modeling and optimization processes. The results showed that the developed PSO-ANFIS models could accurately predict the objective functions. There was a good agreement between all the target data and the output of the developed models. According to the optimization results, water-diesel emulsion fuel containing 26.27 ppm metal-organic framework nanoparticles and 4.14 wt% water under engine load 60.15% of the full-load operating level was found to be optimal conditions.
    .

    Keywords: Water, diesel emulsion, Metal-organic framework nanoparticles, adaptive neuro-fuzzy inference system, Particle Swarm Optimization Algorithm
  • Seyyed Iman Pourmousavi Kani, Javad Khadem *, Kamyar Nikzadfar, Antonio Paolo Carlucci Pages 20-49
    In recent decades, low temperature combustion engines have been the focus of researchers as an effective strategy to achieve the optimal combustion model. In this method of combustion, initially, the fuel with high octane is sprayed in the inlet manifold and then another fuel with a high cetane number is injected into the combustion chamber at a different time. Combustion in reaction-controlled compression ignition engines does not use direct control tools and depends on the reactions' initial conditions and chemical kinetics. Considering the importance of ignition timing and its control in low-temperature combustion engine performance, in this study, using the control variables of ignition delay, fuel injection time and maximum pressure inside the cylinder, along with the fuel injection system as the ignition control operator, to the experimental investigation of the performance of a direct injection low temperature combustion engine has been discussed. The results show that the injection time of diesel fuel inside the cylinder is one of the most important factors influencing the performance and efficiency of the engine. For low methane injection rate (15 slm), with increasing delay in pilot fuel (diesel) injection time, the value of the maximum heat release rate and specific fuel consumption decreased, while the mean effective pressure and gross indicator efficiency increased. By controlling the reactivity of the mixture and the fuel injection time with more reactivity, it is possible to achieve the appropriate ignition time, which indicates the importance of the fuel injection time as an essential control parameter in the ignition control of a low-temperature engine. In general, the methane rate has a secondary effect on ID compared to SOI.
    Keywords: Reactivity controlled compression ignition, Combustion Control Parameters, Start of Injection, AVL 5402 Engine
  • Mohsen Keshavarzi, Mortaza Aghbashlo *, Meisam Tabatabaei, Ali Hajiahmad, Hajar Rastegari, Pouya Mohammadi Pages 50-72
    The driving force of typical urban vehicles is usually produced by spark-ignited internal combustion engines operating with gasoline as fuel. The combustion of gasoline fuel in spark ignition engines leads to air pollution in urban areas and also to the reduction of fossil fuel reserves. Due to the biological structure of the fuel, using ethanol as a blend with gasoline, along with other alternatives to fossil sources, is one of the solutions to decrease gasoline-based air pollution. Even though adding ethanol compounds allows better fuel combustion and reduces pollutants, these compounds lead to an elevated emission of nitrogen oxides into the air when used at higher percentages in blended with fuel. On the contrary, glycerin, a byproduct of the biodiesel production process, acts as a restricting factor in the mass production of biodiesel. Taking these into account, this study proposes a novel blend of biofuels for gasoline fuel by converting glycerin into solketal and then injecting it into ethanol-containing gasoline fuel. The proposed fuel blend provides optimal performance and comes with the least emission of pollutants. The results showed that adding 5%  by volume of solketal to gasoline fuel containing 20% ​​ by volume of ethanol resulted in the best engine performance and lower air pollution compared with the combustion of pure gasoline alone and gasoline fuel containing 20% ​​ethanol. In addition, brake specific fuel consumption with fuel containing 5% solketal at 25, 50 and 75% torques has decreased by five, two and seven tenths of percent, respectively. Also, the addition of 5% solketal, in addition to maintaining the positive effects of adding ethanol in reducing engine exhaust emissions, causes a significant reduction in the emission of nitrogen oxides by about 90%, which is one of the disadvantages of adding ethanol to fuel
    Keywords: Ethanol, Solketal, Gasoline, Exhaust Emissions, Engine Performance
  • Soroush Sarrafan Sadeghi, Sadegh Tabejamaat *, Amirreza Ghahremani, Sina Narimani Asl Pages 73-99
    In this study, the experimental investigation of oxygen-methane combustion has been done by investigating the effect of nitrogen dilution in a novel spiral-channel combustion chamber along with the recovery of thermal energy of the products.  The methane-oxygen non-premixed flame by a fixed equivalence ratio of 1.69, with nitrogen dilution percentages of 0%, 5%, 10%, and 18%, has been investigated with the spectroscopy method. The chamber is made of aluminum and created as a spiral-form channel to aid heat recovery. In this chamber, the combustion gases then pass a path parallel to the inlet flow, causing the inlet gases to be preheated. Also, oxygen is diluted and mixed with nitrogen before entering the chamber. Based on the results, by increasing of the diluent ratio the reduction of the H2O* radical radiation spectrum has been observed, where indicates complete combustion. In general, with the increase of the dilution ratio, the flame length increases, and in 5% and 10% dilution states, the best temperature distribution uniformity, and the completion of the combustion reaction chain are observed.
    Keywords: Methane-Oxygen Flame, Nitrogen dilution, Meso-scale helical-channel combustion chambers, Non-premixed combustion, Flame Spectroscopy Method
  • Amin Alamdari * Pages 100-119

    Steam reforming of natural gas is the most used method to produce the hydrogen required for chemical industries. The increased demand for hydrogen consumption makes development of new technologies for hydrogen production. One of the proposed technologies is a catalytic membrane reactor due to removal of hydrogen from the reaction side and prevents the achievement of equilibrium conditions. This research investigates kinetic reaction model with utilization of Ru-based catalysts with MgO and Nb2O5 as the supports that develop the activity and selectivity of this reaction in the temperature range of 350ºC-750ºC and pressure range of 2-30 bar. The effects of different operational parameters such as temperature, pressure of the reaction, methane to steam ratio, membrane thickness, and sweep gas on total methane conversion and hydrogen production were studied. Based on the Δ-index, the optimum condition of catalytic membrane reactor was obtained within the operating condition ranges of temperature 410–475 0C, pressure ≥ 20 bar, thickness <10 μm, steam-to methane ratio 2< m < 3 and sweep factor s ≥ 10.

    Keywords: Steam Reforming, Hydrogen production, Catalytic membrane reactor, Ru-based catalysts
  • Milad Bastani, Sadegh Tabejamaat, Hossein Ashini * Pages 120-138
    To achieve the zero carbon emissions goal, it is of great importance to replace conventional hydrocarbon fuels with carbon-free fuels. In terms of carbon-free fuel, ammonia has several advantages over hydrogen, despite of problems such as low flame speed and high NOx emission. The present experimental study investigates the effect of adding ammonia to methane and its ratio on the combustion performance of a can-type micro-turbine combustion chamber under atmospheric condition at two different heat powers. The results show that with an increase in the percentage of ammonia in the fuel mixture, maximum flame temperature has decreased and combustion has delayed until the end of chamber. Also, the addition of ammonia, despite not reducing CO, results in a sharp increase in the NOx production. In addition, although the outlet temperature of the chamber has not changed much except for one condition, combustion efficiency of the chamber has decreased with the increase of ammonia ratio, and pattern factor is more than the case of pure natural gas. Therefore, although the use of methane/ammonia fuel mixture with stable combustion conditions in the existing chamber is possible, it requires modifications to achieve optimal combustion performance.a
     
    .
    Keywords: Microturbine combustion chamber, Ammonia, Methane, Mixing percentage, performance parameter
  • Sina Faizollahzadeh Ardabili, بهمن نجفی *, Amir Hasheminejhad Pages 139-164
    Investigating the effects of pilot fuel containing low percentages of ethanol and water in the diesel-biodiesel fuel mixture in a dual-fuel combustion process with natural gas can have favorable results on the performance and emissions of a diesel engine. In the present study, three levels of ethanol (0, 2, and 4%), two levels of biodiesel (0 and 5%), and four levels of water (0, 0.3, 0.6, and 0.9%) were mixed with diesel fuel. All these fuel samples were considered as pilot fuel in the dual fuel combustion process with an 80% natural gas replacement percentage. Based on the obtained results, the presence of water, ethanol, and the combination of water-ethanol and natural gas can improve the diesel engine's performance by increasing the combustion chamber pressure and reducing the pollutants. The presence of oxygen content in ethanol can improve the combustion process by pushing the combustion toward complete combustion. The results of the optimization using the response surface method showed that the optimal point of engine performance at full load with a fuel sample containing biodiesel in the amount of 2.5 ml, ethanol in the amount of 11.5 ml, water in the amount of 9.3 ml and gas fuel occurs in 65%. Under this condition, compared to the control sample, the braking power increased by about 79%, and the specific fuel consumption decreased by about 58%. This fuel sample reduced the amounts of carbon monoxide, carbon dioxide, nitrogen oxides, and energy production costs by 54, 33, 29, and 39%, respectively, and increased sulfur oxides by 11%.
    Keywords: Dual fuel diesel engine, Diesel fuel, Water, Ethanol, Natural gas