سوخت و احتراق

سوخت و احتراق

مطالعه عددی نقش شکل تاج سمبه و محل شمع در عملکرد موتور اشتعال جرقه ای با پاشش مستقیم گاز طبیعی فشرده

نویسندگان
بیژن یداللهی
مسعود برومند
دانشکده مهندسی هوافضا، دانشگاه صنعتی امیرکبیر، تهران، ایران
چکیده
در این تحقیق، یک مدل عددی در نرم افزار فایر (Fire) برای مطالعه احتراق و پاشش سوخت در استوانه (Cylinder) یک نمونه موتور اشتعال جرقه ای با پاشش مستقیم گاز طبیعی فشرده استفاده شده است. تحقیق به دو بخش مختلف تقسیم شده است. در بخش اول، پاشش سوخت گازی از طریق یک افشانه تک سوراخه در پنج نوع هندسه مختلف برای محفظه احتراق مطالعه شده و خواص پاشش سوخت در این حالت ها به دست آمده است. با استفاده از تحلیل های کمی و کیفی در مورد شکل مناسب محفظه احتراق برای کارکرد موتور در حالت پاشش مستقیم بحث شده و در انتها بهترین شکل هندسه انتخاب شده است. در بخش دوم، با استفاده از هندسه انتخاب شده بر روی زمان بندی جرقه و محل شمع، به عنوان دو متغیر بسیار مهم، مطالعات احتراقی صورت گرفته است. پنج حالت مختلف برای قرارگیری شمع درنظر گرفته شده و ایده استفاده از دو شمع نیز بررسی شده است. بهترین نتایج احتراقی مربوط به حالتی بوده که در آن از دو شمع استفاده شده است. در پایان، با درنظر گرفتن بهترین محل برای شمع، اثر زمان بندی جرقه نیز مطالعه شده است. نتایج حل احتراق نشان می دهد، برای بهترین خواص احتراقی، جرقه می بایست در50 درجه قبل از نقطه مرگ بالا صورت گیرد.

تازه های تحقیق

براساس نتایج ارائه­شده در قسمت‌های قبلی نتایج کلی به­شرح زیر به­دست آمده ‌است:

·         نتایج حل عددی حساسیت بالایی به تعداد گره‌های محاسباتی در عرض نازل نشان می‌دهند.

·         حداقل 10 لایه سلول محاسباتی در عرض نازل برای دست‌یابی به استقلال از شبکه مورد نیاز است.

·         نتایج مدل‌سازی تطابق بسیار خوبی با نتایج تجربی و عددی موجود در مراجع داشتند.

·         با هدف دست‌یابی به بار چینه‌ای در داخل استوانه، هندسه کاسه‌ای باریک بهترین خواص را بین هندسه‌های مورد مطالعه نشان می‌دهد.

·         مشاهده شد که عموماً هندسه‌های با کاسه‌ عریض مخلوط را به­سمت دیواره‌های استوانه پخش می‌کنند؛‌ در حالی که کاسه‌های باریک فواره‌ سوخت را در یک ناحیه‌ تقریباً‌ بسته محصور می‌کنند.

·         برای دست‌یابی به بار چینه‌ای باید به­نحوی مخلوط قابل‌اشتعال در یک ناحیه‌ بسته محصور شود. بنابراین هندسه‌هایی که مخلوط سوخت و هوا را در داخل استوانه پخش می‌کنند برای کارکرد در حالت بار چینه‌ای مناسب به­نظر نمی‌رسند.

·         هندسه‌ کاسه‌ای باریک به­دلیل خواص چینه‌سازی بیشتر، در تغییرات نسبت جرمی قابل اشتعال و غنی داخل استوانه روند کاملاً‌ متفاوتی را نسبت به بقیه‌ حالت­های مورد بررسی نشان می‌دهد.

·         اثر محل شمع با درنظر گرفتن چهار مکان بالقوه بررسی شده ‌است. ایده‌ استفاده از دو شمع نیز بررسی شده و نشان داده شده‌ که این حالت بهترین خواص احتراقی را نسبت به سایر حالت­ها به­دست می‌دهد.

·         با استفاده از دو شمع با جاگیری متقارن، اثر زمان جرقه مطالعه شده و نشان داده شد که زمان 50 درجه قبل از نقطه‌ مرگ بالا بهترین خواص را از نظر بیشینه‌ فشار داخل استوانه و نرخ آزادسازی حرارت نشان می‌دهد. هرچند میزان بالاتر دمای درون استوانه،‌ می‌تواند باعث افزایش میزان آلاینده‌های اکسید نیتروژن شود.

 

کلیدواژه‌ها
پاشش مستقیم
گاز طبیعی فشرده
اشتعال جرقه
هندسه محفظه احتراق
مدل سازی عددی

عنوان مقاله English

A Numerical Investigation of Combustion and Injection in a DISI CNG Engine

نویسندگان English

Bizhan Yadollahi
Masud Boroomand
Faculty of Aerospace Engineering, Amirkabir University of Technology, Tehran, Iran
چکیده English

In this study, a numerical model has been developed in AVL FIRE software to investigate combustion and injection inside the cylinder of a direct injection spark ignition CNG engine. In this regard two parts have been taken into consideration. In the first part of the study, gas injection via a single-hole injector into the cylinder with five different piston head geometries has been investigated. Using quantitative and qualitative representations of the results, the suitable combustion chamber geometry for DI application has been discussed. In the second part, combustion studies have been performed based on the selected geometry from the first part. Spark plug location and ignition timing have been investigated as two of the most important combustion variables. Five different configurations for the spark plug have been taken into consideration and the idea of using two spark plugs has been also tested, where it showed the best combustion characteristics. The spark timing has also been studied based on the selected configuration. The results show that ignition timing should be at 50 degrees before top dead center in order to have the best combustion characteristics.

کلیدواژه‌ها English

Direct injection
CNG
Spark ignition
Combustion chamber geometry
Numerical modeling
 
1.     M. Chiodi, H. J. Berner and M. Bargende, “Investigation on Different Injection Strategies in a Direct-Injected Turbocharged CNG-Engine,” SAE Technical Paper 2006-01-3000.
2.     Y. Li, A. Kirkpatrick, C. Mitchell and et al., “Characteristic and Computational Fluid Dynamics Modeling of High-Pressure Gas Jet Injection,” ASME Trans. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 126, 2004, pp. 192-197.
3.     Z. Huang, S. Shiga, T. Ueda and et al., “Visualization Study of Natural Gas Direct Injection Combustion,” Proc. Inst. Mech. Eng. Part D: J. Automobile Engineering, 217, 2003, pp. 667-673.
4.     Z. Huang, S. Shiga, T. Ueda and et al., “Basic Characteristics of Direct Injection Combustion Fuelled with Compressed Natural Gas and Gasoline using a Rapid Compression Machine,” Proc. Inst. Mech. Eng. Part D: J. Automobile Engineering, 217, 2003, pp. 1031-1038.
5.     Z. Huang, S. Shiga, T. Ueda and et al., “Correlation of Ignitability with Injection Timing for Direct Injection Combustion Fuelled with Compressed Natural Gas and Gasoline,” Proc. Inst. Mech. Eng. Part D: J. Automobile Engineering, 217, 2003, pp. 499-506.
6.     Z. Huang, K. Zeng, B. Liu and et al., “Combustion Characteristics of a Direct-Injection Natural Gas Engine under Various Fuel Injection Timings,” J. applied Thermal Engineering, 26, 2006, pp. 806-813.
7.     G. Papageorgakis and D. N. Assanis, “Optimizing Gaseous Fuel-Air Mixing in Direct Injection engines using an RNG Based k-e Model,” SAE 1998 Trans., Journal of Engines, 107, 1999, pp. 82-107.
8.     Z. Han and R. D. Reitz, “Turbulence Modeling of Internal Combustion Engines using RNG k-e Models,” Comb. Sci. & Tech., 106, 1995, pp. 267-295.
9.     G. Li, P. Ouelette, S. Dumitrescu and P. G. Hill, “Optimization Study of Pilot-Ignited Natural Gas Direct-Injection in Diesel Engines,” SAE Technical Paper 1999-01-3556.
10.  J. Abraham and V. Magi, “Computation of Transient Jets: RNG k-e Model Versus Standard k-e Model,” SAE Technical Paper 970885.
11.  P. Ouellette and P. G. Hill, “Turbulent Transient Gas Injections,” ASME Trans, Journal of Fluids Engineering, 122, 2000, pp. 743-753.
12.  J. Abraham, “What is Adequate Resolution in the Numerical Computations of Transient Jets?,” SAE Technical Paper 970051.
13.  D. K. Mather and R. D. Reitz, “Modeling the Effects of Auxiliary Gas Injection on Diesel Engine Combustion and Emissions,” SAE 2001 Trans., Journal of Engines, 109, 2002, pp. 443-458.
14.  M. Baratta, E. Catania, F. C. Pesce, “Multidimensional Modeling of Natural Gas Jet and Mixture Formation in DI SI Engines- Development and Validation of a Virtual Nozzle Model,” ASME Proc. of the Internal Combustion Engine Division Technical Conference, ICES 2009, Mulwaukee, WI,2009, pp. 583-596.
15.  L. Andreassi, A. I. Facci, V. K. Krastev and et al., “Multidimensional Modeling of Gaseous Injection: Analysis of an Impinging jet,” Int. J. Heat Fluid Flow, 31, 2010, 5, pp. 909-915.
16.  M. Baratta, E. Catania, E. Spessa and et al., “Multi-Dimensional Modeling of Direct Natural-Gas Injection and Mixture Formation in a Stratified-Charge SI Engine with Centrally Mounted Injector,” SAE Technical paper 2008-01-0975.
17.  G. H. Kim, A. Kirkpatrick and C. Mitchell, “Computational Modeling of Natural Gas Injection in a large Bore Engine,” ASME Trans., Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 126, 2004, pp. 656-664.
18.  B. Yadollahi and M. Boroomand, “The Effect of Piston Head Geometry on Natural Gas Direct Injection and Mixture Formation in a SI Engine with Centrally Mounted Single-Hole Injector,” SAE Technical paper 2011-01-2448.
19.  B. Yadollahi and M. Boroomand, “A Numerical Investigation of Combustion Chamber Geometry Effects on Natural Gas Direct Injection Properties in a SI Engine with Centrally Mounted Multi-Hole Injector,” ASME Proc. of the Internal Combustion Engine Division Technical Conference, ICES 2012, Torino, Piemonte, Italy, 2012.
20.  S.N.D.H. Patel, M. Bogensperger, R. Tatschl and et al., “Coherent Flame Modeling of Turbulent Combustion - A Validation Study,” Proceedings of 2dn M.I.T. Conference on Computational Fluid and Solid Mechanics, Boston MA, June 17-20, 2003.
21.  M. Bogensperger, M. Ban, P. Priesching and et al., “Modeling of Premixed SI-Engine Combustion using AVL FIRE - A Validation Study,” International Multidimesional Engine Modeling User’s Group Meeting at the SAE Congress, April 13, Detroit, MI, 2008.