سوخت و احتراق

سوخت و احتراق

تأثیر ترکیب گاز طبیعی بر عملکرد یک موتور اشتعال تراکمی سوخت همگن

نویسندگان
امید جهانیان
سید علی جزایری
دانشکده مهندسی مکانیک،دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی،تهران،ایران
چکیده
موتورهای اشتعال تراکمی سوخت همگن، ایده‌ای نوین برای کاهش مصرف سوخت و آلاینده‌های حاصل از موتور به شمار می‌روند. گاز طبیعی که از آن به عنوان سوخت پاک یاد می‌شود، به دلیل قابلیت مناسب برای ایجاد مخلوط همگن با هوا، یکی از سوخت‌های پرکاربرد برای این‌گونه موتورهاست. با این حال، ترکیب گاز طبیعی تأثیر زیادی بر فرایند خوداشتعالی مخلوط هوا و سوخت و در نتیجه عملکرد موتور دارد. این مقاله به بررسی تأثیر ترکیبات مختلف گاز طبیعی بر عملکرد یک موتور اشتعال تراکمی سوخت همگن می‌پردازد. برای انجام این کار از یک مدل ترمودینامیکی تک‌ناحیه‌ای با شش ترکیب مختلف گاز طبیعی استفاده شده است. مدل ترمودینامیکی حاضر، شامل سینتیک مفصل احتراق گاز طبیعی به همراه سازوکار زلدویچ توسعه­ یافته برای تعیین آلاینده اکسیدهای نیتروژن است. برای صحه‌گذاری مدل از نتایج تجربی موجود در مراجع استفاده شده است تا دقت مورد نظر برای انجام مطالعات مقایسه‌ای حاصل شود. نتایج نشان داده است که متغیرهای عملکردی موتور مانند کار ناخالص، فشار مؤثر متوسط، آلاینده اکسیدهای نیتروژن و ... به ترکیب گاز طبیعی بستگی دارند. زمان شروع احتراق در این موتورها به شدت به مقدار هیدروکربن‌های سنگین‌تر موجود در ترکیب گاز طبیعی وابسته است که این امر به نوبه خود سبب تغییر مقدار و محل وقوع بیشینه دما و فشار داخل سیلندر می‌شود.

تازه های تحقیق

این مقاله به بررسی اثر ترکیب گاز طبیعی بر عملکرد یک موتور اشتعال تراکمی سوخت همگن پرداخته است. نتایج اصلی این تحقیق را می‌توان به صورت زیر خلاصه کرد:

-       موتور اشتعال تراکمی سوخت همگن گاز طبیعی‌سوز به ترکیب سوخت حساس است. تغییر ترکیب گاز طبیعی سبب تغییر خواص خوداشتعالی آن و در نتیجه عملکرد موتور می‌شود.

-       زمان شروع احتراق به میزان هیدروکربن‌های سنگین‌تر موجود در ترکیب گاز طبیعی بستگی دارد. از آنجا که اتان و پروپان دمای خوداشتعالی پایین‌تری دارند، سوخت‌های با محتوای اتان و پروپان بیشتر زودتر محترق می‌شوند.

-       ترکیب گاز طبیعی بر روی روند دما و فشار درون سیلندر تأثیر دارد. در شرایط خاص ذکر شده، مقدار بیشینه فشار موتور در حالتی که از سوختی با بیشترین عدد وب (گاز F) استفاده می‌کند در حدود 6/12 بار بیشتر از حالتی است که از سوخت با کمترین عدد وب (متان خالص) بهره می‌گیرد.

-       به نظر می‌رسد ترکیب‌های گاز طبیعی با عدد وب بالاتر دارای بیشینه دما و فشار بالاتری هستند.

-       برای سوخت‌های گاز A و B در شرایط ذکر شده، افزایش دمای ورودی سبب افزایش توان ناخالص موتور می‌شود، زیرا زمان شروع احتراق این سوخت‌ها را به طور مطلوبی به نقطه مرگ بالا نزدیک می‌کند. اما، در مورد سایر سوخت‌ها، به علت کاهش مقدار سوخت وارد شده در هر سیکل بازده و توان موتور کاهش می‌یابد.

-       می‌توان در محدوده‌ سرعتی مشخص که زمان شروع احتراق در نزدیکی نقطه مرگ بالا قرار دارد و کاهش توان ناشی از احتراق نامطلوب در موتور رخ نمی‌دهد رابطه‌ای خطی میان عدد وب سوخت و توان ناخالص خروجی موتور به دست آورد که ضرایب آن به سرعت موتور بستگی دارد.

-       مقدار آلاینده اکسیدهای نیتروژن در موتور به مقدار بیشینه دما و مدت زمان بالابودن دما در سیلندر بستگی دارد. با افزایش عدد وب سوخت و کاهش سرعت موتور مقدار آلاینده‌های اکسیدهای نیتروژن افزایش می‌یابد.

کلیدواژه‌ها
موتور اشتعال تراکمی سوخت همگن
مدلسازی ترمودینامیکی
ترکیب گاز طبیعی

عنوان مقاله English

Effects of Natural Gas Composition on the Performance of a Homogenous Charge Compression Ignition (HCCI) Engine

نویسندگان English

Omid Jahanian
Seyed Ali Jazayeri
Faculty of Mechanical Engineering, K. N. Toosi University of Technology, Tehran, Iran
چکیده English

Homogenous Charge Compression Ignition (HCCI) engine is a promising idea to reduce fuel consumption and engine emissions. Natural gas, usually referred as clean fuel, is an appropriate choice for HCCI engines due to its suitable capability of making homogenous mixture with air. However, composition of natural gas strongly affects the auto-ignition characteristics of in-cylinder mixture and the performance of the HCCI engine. This paper has focused on the influence of natural gas composition on engine operation in HCCI mode. To this end, six different compositions of natural gas (including pure methane) have been considered to study the engine performance via a thermo-kinetic zero-dimensional model. The simulation code covers the detailed chemical kinetics of natural gas combustion and includes Zeldovich extended mechanism to evaluate NOx emission. Validations have been made using experimental data from other works to ensure the accuracy needed for comparison study. The equivalence ratio and the compression ratio were held constant but the engine speed and mixture initial temperature were changed for comparison study. The results show that the operational parameters of the engine such as gross indicated work, gross mean effective pressure, and NOx are dependent to natural gas composition. SOC is highly dependent to the amount of heavier hydrocarbons existing in the fuel composition, which leads to noticeable changes in the time and value of in-cylinder pressure/temperature peak.

کلیدواژه‌ها English

HCCI engine
Thermodynamic modeling
Natural gas composition
1.     O. Jahanian and S. A. Jazayeri, “The Effect of Using Formaldehyde on the Performance of an HCCI Engine Fueled with Natural Gas,” Fuel and Combustion, 2, No. 2, pp. 85-101, 2010, (In Farsi).
2.     O. Jahanian and S. A. Jazayeri, “An Investigation on the Performance of an HCCI Engine Fueled with Methane via a Single-Zone Thermodynamic Model Including Detailed Chemical Kinetics,” 12th Conference on Fluid Dynamics (FD2009), Babol Noshirvani University of Technology, Babol, Iran, 2009, (In Farsi).
3.     O. Jahanian and S. A. Jazayeri, “A Comprehensive Study on Natural Gas HCCI Engine Response to Different Initial Conditions via a Thermo-Kinetic Engine Model,” ASME Internal Combustion Engine Division Fall Technical Conference (ICEF2009), Lucerne, Switzerland, September, 2009.
4.     S. Onishi, S. Hong Jo, K. Shoda and S. Kato, “Active Thermo-Atmosphere Combustion (ATAC)-A New Combustion Process for Internal Combustion Engines,” SAE 790501, 1979.
5.     M. Noguchi, T. Tanaka and Y. Takeuchi, “A Study on Gasoline Engine Combustion by Observation of Intermediate Reactive Products during Combustion,” SAE 790840, 1979.
6.     P. M. Najt and D. E. Foster, “Compression-Ignited Homogenous Charge Combustion,” SAE 830264, 1983.
7.     R. H. Thring, “Homogenous Charge Compression-Ignition (HCCI) Engines,” SAE 892068, 1989.
8.     T. W. Ryan and T. Callahan, “Homogenous Charge Compression Ignition of Diesel Fuel,” SAE 961160, 1996.
9.     S. B. Fiveland, M. Christensen, B. Johansson, J. Hiltner, F. Mauss and D. N. Assanis, “Experimental and Simulated Results Detailing the Sensitivity of Natural Gas HCCI Engines to Fuel Composition,” SAE 2001-01-3609, 2001.
10.  R. H. Stanglmaier and C. E. Roberts, “Homogenous Charge Compression Ignition (HCCI): Benefits, Compromises, and Future Engine Applications,” SAE 1999-01-3682, 1999.
11.  A. Alizadeh Attar, “Optimization and Knock Modeling of a Gas Fueled Spark Ignition Engine,” PhD Thesis, the University of Calgary Alberta, 1997.
12.  N. N. Clark, G. E. Mott, C. M. Atkinson, R. J. deJong, R. J. Atkinson, T. Latvakosky and M. L. Traver, “Effect of Fuel Composition on the Operation of a lean-Burn Natural Gas Engine,” SAE 952560, 1995.
13.  S. King, “The Impact of Natural Gas Composition on Fuel Metering and Engine Operational Characteristics,” SAE 920593, 1992.
14.  J. Kubesh, S. R. King and W. E. Liss, “Effect of Gas Composition on Octane Number of Natural Gas Fuels,” SAE 922359, 1992.
15.  C. F. Blazek, P. Freeman, B. K. Bailey and C. Colucci, “Fuel Composition Effects on Natural Gas Vehicle Emissions,” 207th ACS National Meeting-Division of Fuel Chemistry, San Diego, March 1994.
16.  T. Sakai, “Effect of Natural Gas Composition on Engine Performance and Exhaust Emissions,” Jidosya Kennkyu, 18, No. 1, pp. 23-26, 1996.
17.  R. Matthews, J. Chiu and D. Hilden “CNG Composition in Texas and the Effects of Composition on Emissions, Fuel Economy, and Driver-Ability of NGV’s,” SAE 962097, 1996.
18.  Y. Lee and G. Kim, “Effect of Gas Compositions on Fuel Economy and Exhaust Emissions of Natural Gas Vehicles,” KSAE, 7, No. 8, pp. 123-131, 1999.
19.  B. H. Min, J. T. Chung, H. Y. Kim and S. S. Park, “Effects of Gas Composition on the Performance and Emissions of Compressed Natural Gas Engines,” KSME, 16, No. 2, pp. 219-226, 2002.
20.  K. Kim, H. Kim, B. Kim, K. Lee, K. Lee, “Effect of Natural gas Composition on the Performance of a CNG Engine,” Oil & Gas Science and Technology, 64, No. 2, pp. 199-206, 2009.
21.  M. Landau, “Paper Study on the Effect of Varying Fuel Composition on Fuel Supplied to Detroit Diesel Gas Engines,” Southern California Gas Company Technical Report, 2005.
22.  M. Salaun, A. Kouakou, S. Da Costa and P. Da Costa, “Synthetic Gas Bench Study of a Natural Gas Vehicle Commercial Catalyst in Monolithic Form: On the Effect of Gas Composition,” Applied Catalysis B: Environmental, 88, pp. 386-397, 2009.
23.  http://www.me.berkeley.edu/gri_mech
24.  M. D. Checkel and J. D. Dale, “Computerized Knock Detection From Engine Pressure Records,” SAE 860028, 1986.
25.  W. E. Liss, “Fuel Issues for Gas Engine and NGVs, Windsor Workshop on Alternative Fuels,” Gas Research Institute Publication, pp. 441-461, 1993.
26.  D. Flowers, S. Aceves, C. K.Westbrook, J. R. Smith and R. Dibble, “Detailed Chemical Kinetic Simulation of Natural Gas HCCI Combustion: Gas Composition Effects and Investigation of Control Strategies,” Engineering for Gas Turbine and Power, 123, pp. 433-439, 2001.
27.  R. Noori Kazaj and A. A. Mohsenianrad, “Studying the Effects of Using Compressed Natural Gas on the Efficiency of Internal Combustion Engines,” The 2nd International Conference and Exhibition on CNG, Tehran, Iran, 2009, (In Farsi).
28.  M. Christensen and B. Johansson, “Homogeneous Charge Compression Ignition with Water Injection,” SAE 1999-01-0182, 1999.
29.  S. B. Fiveland and D. N. Assanis, “Development and Validation of a Quasi-Dimensional Model for HCCI Engine Performance and Emissions Studies under Turbocharged Conditions,” SAE 2002-01-1757, 2002.
30.  Z. Wang, S. J. Shuai, J. X. Wang, G. H. Tian and X. L. An, “Modeling of HCCI Combustion: From 0D to 3D,” SAE 2006-01-1364, 2006.
31.  M. Shahbakhti and C. R. Koch, “Thermo-Kinetic Combustion Modeling of an HCCI Engine to Analyze Ignition Timing for Control Applications,” Spring Technical Meeting Combustion Institute/Canadian Section, 2008.
32.  M. H. Morsy, “Ignition Control of methane Fueled Homogenous Charge Compression Ignition Engines Using Additives,” Fuel, 86, pp. 533-540, 2007.
33.  G. E. Quelch, M. M. Gallo and H. F. Schaefer III, “Aspects of the Reaction Mechanism of Ethane Combustion. Conformations of Ethylperoxy Radical,” American Chemical Society, 114, pp. 8239-8247, 1992.
34.  R. T. Sanderson, Chemical Bonds and Bond Energy, Academic Press, USA, 1971.