سوخت و احتراق

سوخت و احتراق

شبیه­ سازی احتراق در موتور تزریق مستقیم با استفاده از محیط متخلخل

نویسندگان
آرش محمدی
علی جزایری
مسعود ضیا بشرحق
دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی،تهران،ایران
چکیده
محیط ­های متخلخل در مشعل­ها به منظور پایداری احتراق با مخلوط ­های رقیق، افزایش توان خروجی، گسترش محدوده اشتعال­ پذیری و کاهش آلاینده­ های حاصل از احتراق کاربرد زیادی دارند. مشخصه موتورهای احتراق داخلی آینده میزان آلایندگی بسیار کم به همراه کمترین مقدار مصرف سوخت تحت تمام شرایط کارکرد موتور است و این متغیرها وابسته به فرایند تشکیل مخلوط و احتراق است. این هدف با همگن­ کردن فرایند احتراق امکان­پذیر است که کنترل آن­ها در موتورهای احتراق داخلی بسیار مشکل است. در این مقاله، شبیه ­سازی یک موتور تزریق مستقیم انجام گرفته که در سر سیلندر آن فضایی نیمکره ­ای برای محیط متخلخل ایجاد شده که تنها نقش بازیاب را دارد و از لحاظ شیمیایی بی ­اثر است. مطالعه سه­ بعدی جریان و احتراق داخل سیلندر و محیط متخلخل همزمان با یکدیگر با استفاده از کد تصحیح ­شده کیوا انجام شده است. به دلیل نبود نتایج آزمایشگاهی منتشر شده برای موتورهای محیط متخلخل، برای اعتبار نتایج، پخش موج احتراقی گذرا با نتایج آزمایشگاهی مخلوط هوا و متان رقیق در بستر متخلخل مقایسه شده است. سوخت متان داخل موتور محیط متخلخل پاشیده می­ شود و مخلوط رقیقی تشکیل شده و احتراق به طور حجمی اتفاق می­ افتد. تشکیل مخلوط، تغییرات فشار و دما در هر دو فاز جامد و سیال محیط متخلخل و سیال داخل سیلندر به همراه تولید آلاینده­ های مونوکسید کربن و مونوکسید نیتروژن بررسی شده است. همچنین، اثر زمان پاشش روی توزیع فشار و دمای محیط متخلخل و سیال داخل سیلندر در یک سیکل بسته بررسی شده است.

تازه های تحقیق

شبیه­سازی سه­بعدی دینامیک سیالات محاسباتی محیط متخلخل در موتور احتراق داخلی، با پاشش سوخت متان در محیط متخلخل داغ، با استفاده از کد تصحیح­شده KIVA-3V انجام شده است. کانتورهای کسر جرمی متان، اکسیژن، دی اکسیدکربن و توزیع دما در هر دو فاز جامد و سیال محیط متخلخل و داخل سیلندر نشان داده شده است. همچنین، اثر زمان پاشش روی فشار و دمای میانگین هر دو فاز محیط متخلخل و داخل سیلندر و کسر جرمی CO و NO در مقابل زاویه لنگ آورده شده است. نتایج زیر در انتها به­دست آمده است:

1) احتراق با مخلوط بسیار رقیق (نسبت هم­ارزی  17/0) در موتورهای محیط متخلخل ممکن است، این در حالی است که در کارکرد موتور معمولی با چنین نسبت تعادلی احتراق امکان­پذیر نیست.

2) قسمتی از سوخت متان تزریق­شده، به علت نبود اکسیژن کافی در دسترس متان، در احتراق شرکت نمی­کند، ولی زمان پاشش بین 300 تا 330 درجه کمترین مقدار متان نسوخته را دارد و از این رو این محدوده پاشش مناسب است.

3) توزیع فشار و دما داخل سیلندر به زمان پاشش بین 300 تا 340 درجه وابسته نیست، ولی تزریق دیرهنگام متان باعث افزایش CO وNO  و یا احتراق ناقص می­شود.

4) بعد از زاویه لنگ 400 درجه، مقداری از سوخت داخل سیلندر باقی می­ماند که اشاره به مقدار متان نسوخته دارد.

5) بعد از 370 درجه زاویه لنگ، که در آن بیشینه دمای سیال در محیط متخلخل اتفاق می­افتد، فاز جامد محیط متخلخل، با جذب حرارت آزادشده، از افزایش دمای سیال و از این رو از تولید مونوکسید نیتروژن جلوگیری می­کند.

6) در محیط متخلخل با هندسه نیمکره­ای، هوای داخل سیلندر آسان­تر می­تواند وارد فضای محیط متخلخل شود و با متان واکنش دهد و از این رو مقدار متان در پایان احتراق کمتر می­شود

کلیدواژه‌ها
موتور تزریق مستقیم
محـیط متخلخل
احتراق همگن

عنوان مقاله English

Simulation of Combustion in a Direct Injection Engine with Porous Media

نویسندگان English

Arash Mohammadi
Ali Jazayeri
Masud Ziabasharhagh
Faculty of Mechanical Engineering, K. N. Toosi University of Technology, Tehran, Iran
چکیده English

burning rates, increased power ranges, extended lean flammability limits, and reduced pollutant emissions. In future internal combustion engines pollutant emissions and fuel consumption should be minimized under a wide range of speed and loads. These parameters strongly depend on mixture formation and combustion processes which are difficult to control in a conventional engine. This may be achieved by realization of a homogeneous combustion process in engine. This paper deals with the simulation of a direct injection internal combustion engine equipped with a chemically inert PM of hemispherical geometry used to homogenize and stabilize the combustion. A 3D numerical model for PM engine is presented in this study based on a modified version of the KIVA-3V code. Due to lack of any published data about the PM engine, numerical combustion wave propagation in the porous medium were compared with experimental data of methane-air mixture under filtration in a packed bed which showed very good agreement. Methane was injected directly inside the hot PM which was assumed to be mounted on the cylinder head. A lean mixture was formed and volumetric combustion occurred in the PM. The mixture formation, pressure and temperature distribution in both phases of PM and in-cylinder fluid, the production rates of CO and NO, and effect of injection time in the closed part of the cycle were studied.

کلیدواژه‌ها English

Direct injection engine
Porous media
Combustion
1.     M. Polasek and J. Macek, “Homogenization of Combustion in Cylinder of CI Engine using Porous Medium”, SAE Paper, 2003-01-1085, 2003.
2.     R. H. Stanglmaier and C. E. Roberts, “Homogeneous Charge Compression Ignition: Benefits, Compromises and Future Engine Applications”, SAE Ppare, 1999-01-3682, 1999. 
3.     M. Weclas, “Potential of Porous Medium Combustion Technology as Applied to Internal Combustion Engine “, MECA/AECC Meeting, Nurnberg, 2001.
4.     F. Durst and M. Weclas, “Strategy for Intelligent Internal Combustion Engine with Homogeneous Combustion in Cylinder”,  MECA/AECC Meeting, Nurnberg, 2003.
5.     D. Trim and F. Durst, “Combustion in Porous Medium – Advances and Application”, Combust Sci. and Tech., 121, 1996, pp. 153-168.
6.     A. A. Kamal and A. A. Mohammad, “Combustion in Porous Media”, Proc. IMeche, 220, 2006, pp. 478-509.
7.     F. Durst and M. Weclas, “A New Type of Internal Combustion Engine Based on the Porous Medium Technology”, Proc Inst Mech Eng, 215, 2001, pp. 63-81.
8.     F. Durst and M. Weclas, “A New Concept of I.C Engine with Homogeneous Combustion in a Porous Medium”, Fifth International Symposium on Diagnostic and Modeling of Combustion in Internal Combustion Engines, Nagoya, 2001.
9.     C. W. Park and M. Kaviany, “Evaporating Combustion Affected by in Cylinder, Reciprocating Porous Regenerator”, ASME J. Heat Transfer, 124, 2002, pp. 184-194.
10.  D. C. Le, C. J. Chein and Y. H. Kwak, “Improving Surface Characteristic of Porous Media Reactor in Diesel Engine by Plasma Technology”,  FISTA, F2006C27, 2006.
11.  M. Weclas and R. Faltermeier, “Diesel Jet Impingement on Small Cylindrical Obstacles for Mixture Homogenization by Late Injection Strategy”, Int. J. Engine Res, 8, 2007, pp. 399-413.
12.  Z. Zhigou and X. Mahozhao, “Numerical Study on the Compression Ignition of a Porous Medium Engine”, Springer, 51, No.3, 2008, pp. 277-287.
13.  Z. Zhigou and X. Mahozhao, “Numerical Simulation about Interaction between Pressure Swirl Spray and Hot Porous Medium”, Energy Conversion & Management, 49, 2008, pp. 1047-1055.
14.  L. Hongsheng, X. Maozaho, C. Shi and L. Hong, “Simulation of Porous Media Engine using a Two-Zone Combustion Model”, SAE Paper, 2008-01-1516, 2008.
15.  L. Hongsheng, X. Maozaho, C. Shi and L. Hong, “Regenerative Cycle in Porous Medium Engine”, J. Energy Conversion and Management, 59, 2009, pp. 273-303.
16.  A. A. Amsden, P. J. O’Rourke, and T. D. Butler, “KIVA-II: A Computer Program for Chemically Reactive Flows with Sprays”, Los Alamos National Laboratory Report LA-11560-MS, Los Alamos, 1989.
17.  A. Mohammadi,  Numerical Simulation of Spark Ignition Engines, Numerical Simulations–Examples and Applications in Computational Fluid Dynamics, InTech, Austria, 2010.

18.  N. Wakao, and S. Kaguei, Heat and Mass Transfer in Packed Beds, Gordon and Breach Science Publications, New Yourk, 1982.

19.  M. F.  Modest, Radiative Heat Transfer, Academic Press, California, USA, 2003.
20.  Y. Ra, S. C. Kong, R. D. Reitz, C. J. Rutland and Z. Han, “Multi Dimebsional Modeling of Transient Gas Jet Injection using Coarse Computational Grids”, SAE Papre, 2005-01-0208.
21.  A. Ferrenberg and B. E. Williams, “Progress in the Development of Regenerated Diesel Engine”, SAE, 961677.
22.  S. Zhdanok, “Super Adiabatic Combustion of Methane Air Mixture under Filtration in a Packed Bed”, Combustion and Flame, 100, 1995, pp. 221-231.
23.  A. Mohammadi, A. Jazayeri and M. Ziabasharhagh, “Simulation of Combustion with Lean Mixture in a Packed Bed”, Proceedings of the ASME 2012 Summer Heat Transfer Conference, Puerto Rico, USA, 2012.