بررسی عددی اثرات ترکیب سوخت متان و هپتان نرمال بر عملکرد یک موتور اشتعال تراکمی با واکنش‌پذیری کنترل شده

نوع مقاله: مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل، بابل، ایران

2 دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل

چکیده

در این مقاله، یک موتور اشتعال تراکمی با واکنش‌پذیر کنترل شده با سوخت ترکیبی متان و هپتان نرمال به ­روش دینامیک سیالات محاسباتی به­صورت سه‌بعدی و با درنظرگرفتن سینتیک مفصل شیمیایی سوخت ترکیبی به ­وسیله نرمافزار AVL-FIRE  شبیه‌سازی شده است. به­ منظور اعتبارسنجی حل، نتایج تحلیل موتور با داده‌های تجربی مقایسه شده‌اند. تاثیر تغییر دمای ورودی و همین­طور تغییر ترکیب سوخت، بر پارامترهای عملکردی موتور نظیر فشار و دمای داخل سیلندر، نرخ آزادسازی انرژی و آلاینده‌ اکسیدهای نیتروژن، بررسی شده ‌است. نتایج این پژوهش نشان می­دهد با افزایش 30 درجه‌ای دمای اولیه نرخ واکنش‌های احتراقی افزایش یافته که منجربه افزایش تولید اکسیدهای نیتروژن می ­شود. این شرایط شدت صوت را به ­میزان 10 درصد افزایش داده و منجربه پیش‌انداختن فاز احتراقی به­ میزان 5 درجه لنگ خواهد شد. اما، از سوی دیگر به­ علت کاهش بازده حجمی ناشی از افزایش دما، بازده موثر موتور کاهش یافته و فشار موثر متوسط اندیکاتوری نیز  با کاهش 11 درصدی همراه می­شود. همچنین، کسر انرژی متان با فرض انرژی ورودی و نسبت هم‌ارزی کل ثابت، از 65 تا 85 درصد افزایش یافته، که منجربه تاخیر در اشتعال 5 درجه ای به­ علت افزایش عدد اکتان و کاهش واکنش‌پذیری کلی مخلوط شده و به افزایش فشار موثر متوسط اندیکاتوری و کاهش 5 درصدی مصرف ویژه‌ سوخت منتج می‌شود. از طرفی، به ­علت کاهش دمای احتراق، آلایندگی اکسیدهای نیتروژن نیز کاهش‌ می‌یابد. روند صعودی بهبود شرایط عملکردی موتور تا کسر انرژی 80 درصدی متان بوده است و در کسر انرژی­ های بیشتر عملکرد موتور با افت همراه می ­شود. در مجموع بررسی فاز احتراقی نشان می‌دهد که دمای ورودی و ترکیب مخلوط سوخت می‌تواند عامل موثری در کنترل فاز احتراق باشد.

کلیدواژه‌ها


عنوان مقاله [English]

Simulation Study on the Effects of Methane – Normal Heptane Blend Fraction on the Performance of a Reactivity Controlled Compression Ignition (RCCI) Engine

نویسندگان [English]

  • Atie Taqizadeh 1
  • Omid Jahanian 2
  • Iman Pourmousavi 1
1 Babol Noshirvani University of Technology, Babol, Iran
2 Babol Noshirvani University of Technology
چکیده [English]

In this paper, the effects of intake temperature and methane energy ratio on emission and combustion phasing in reactivity controlled compression ignition (RCCI) engine have been numerically investigated. In this study, the natural gas injected from inlet port and diesel fuel injected in cylinder directly. For validation, the results of RCCI engine have been compared to experimental data. For this purpose, different parameters such as temperature and pressure in cylinder, rate of heat release rate, soot and NOx compared. Afterwards, the effects of temperature variation from 350 K to 380 K and methane energy ratio variation from 0.65 to 0.85 were studied. The results show that by increasing intake temperature the maximum of pressure, rate of heat release and NOx emission would increase significantly while soot emission decreases. Also by increasing methane energy ratio from 65% up to 85% in the constant intake temperature and pressure, the mixture octane number will be rise, which would lead to an increases in ignition delay up to 5 crank angle so IMEP as an important factor will be enhanced and also NOx emission decreases because of lower combustion temperature .Consideration of intake temperature and methane energy ratio shows this parameter can play an important role on controlling on combustion phasing.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Reactivity Controlled Compression Ignition Engine
  • intake temperature
  • Methane Energy Ratio
  • Combustion Phasing
  1. S. Kimura, O. Aoki, Y. Kitahara and E. Aiyoshizawa, “Ultra-clean combustion technology combining a low-temperature and premixed combustion concept for meeting future emission standards,” SAE Technical Paper, 2001-01-0200.
  2. I. A. Resitoglu, K. Altinisik and A. Keskin, “The pollutant emissions from diesel-engine vehicles and exhaust aftertreatment systems,” Clean Technology Environment Policy, 17, 2015, pp. 15–27.
  3. G. K. Lilik and A. L. Boehman, “Advanced diesel combustion of a high cetane number fuel with low hydrocarbon and carbon monoxide emissions,” Energy & Fuels, 25, No. 4, 2011, pp. 1444–1456.
  4. K. Akihama, Y. Takatori, K. Inagaki and S. Sasaki, “Mechanism of the smokeless rich diesel combustion by reducing temperature,” SAE Technical Paper 2001-01-0655, 2001.
  5. D. Nieman, A. Dempsey and R. D. Reitz, “Heavy-duty RCCI operation using natural gas and diesel,” SAE International Journal of Engines, 5, 2012, pp. 270-285.
  6. R. D. Reitz and G. Duraisamy, “Review of high efficiency and clean reactivity controlled compression ignition (RCCI) combustion in internal combustion engines,” Progress Energy Combustion Science, 46, 2015, pp. 12–71.
  7. A. Yousefi, M. Birouk, B. Lawler and A. Gharehghani, “Performance and emissions of a dual-fuel pilot diesel ignition engine operating on various premixed fuels,” Energy Conversion Management, 106, 2015, pp. 322-336.
  8. X. Lu, D. Han and Z. Huang, “Fuel design and management for the control of advanced compression-ignition combustion modes,” Progress Energy Combustion Science, 37, 2011, pp. 741-83.
  9. S. L. Kokjohn and R. D. Reitz, “Reactivity controlled compression ignition and conventional diesel combustion: a comparison of methods to meet light-duty NOx and fuel economy targets,” International Journal of Engine Research, 14, pp. 452-68, 2013.
  10. J. U. Eichmeier, R. D. Reitz and C. Rutland, “A zero-dimensional phenomenological model for RCCI combustion using reaction kinetics,” SAE International Journal of Engine, 7, 2014, pp. 106-19.
  11. A. H. Kakaee and A. Paykani, “Research and development of natural-gas fueled engines in Iran,” Renewable and Sustainable Energy Reviews, 26, 2013, pp. 805-821.
  12. S. L. Kokjohn, R. M. Hanson, D. A. Splitter and R. D. Reitz, “Fuel reactivity controlled compression ignition (RCCI): a pathway to controlled high-efficiency clean combustion,” International Journal of Engine Research, 12, 2011, pp. 209–26.
  13. S. J. Curran, R. M. Hanson and R. M. Wagner, “Reactivity controlled compression ignition combustion on a multi-cylinder light-duty diesel engine,” International Journal of Engine Research, 13, 2012, pp. 216–25.
  14. R. Walker, M. L. Wissink, D. A. DelVescovo and R. D. Reitz, “Natural gas for high load dual-fuel reactivity controlled compression ignition in heavy-duty engines,” Journal of Energy Resource Technology, 137, 042202, 2015.
  15. D. E. Nieman, A. B. Dempsey and R. D. Reitz, “Heavy-duty RCCI operation using natural gas and diesel,” SAE International Journal of Engine, 5, 2012, 270–85.
  16. J. Li, W. M. Yang, H. An, D. Zhao, “Effect of Fuel ration and injection timming o gasoline/biodiesel Fueled RCCI engine: A modelling study,” Applied Energy, 155, 2015, pp. 59-67.
  17. A. paykani, Numerical Study of  the Effect of Natural Gas on Combustion and Emission Characteristics of Reactivity Controlled Compression Ignition, PhD Thesis, Department of Mechanical Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, 2016.
  18. A. Yousefzadeh and O. Jahanian, “3D Simulation Considering Detailed Chemical Kinetics for a Homogenous Charge Compression Ignition Engine Fueled with Methane and Dimethyl Ether,” Fuel and Combustion Scientific Research Journal, 8, Issue 1 - Serial Number 15, 2015, pp. 77-91.
  19. AVL FIRE User Manual CFD-Solver.
  20. J. A. ENG, “Characterization of pressure waves in HCCI combustion,” SAE Technical Paper, 2002-01-2859, 2002.
  21. A. Rahimi, E. Fatehifar and R. khoshbakhti Saray, “Development of an Optimized Chemical Kinetic Mechanism for Homogeneous Charge Compression Ignition Combustion of a Fuel Blend of N-heptane and Natural gas using a Genetic Algorithm,” journal of Automobile Engineering, 224, No. 9, pp. 1141–1159.
  22. A. Yousefi, M. Birouk and H. Guo, “An experimental and numerical study of the effect of diesel injection timing on natural gas/diesel dual-fuel combustion at low load,” Fuel, 203, 2017, pp. 642–657.