ارزیابی راهبردهای مختلف مهار کوبش در یک موتور اشتعال جرقه‌ای گازسوز به کمک یک مدل احتراقی شبه ابعادی سه ناحیه‌ای

قنبری, محمد; ابراهیمی, رضا; جزایری, سید علی

ارزیابی راهبردهای مختلف مهار کوبش در یک موتور اشتعال جرقه‌ای گازسوز به کمک یک مدل احتراقی شبه ابعادی سه ناحیه‌ای

نویسندگان

محمد قنبری ¹

رضا ابراهیمی ²

سید علی جزایری ¹

¹ دانشکده مهندسی مکانیک،دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، تهران،ایران

² دانشکده مهندسی هوافضا،دانشگاه صنعتی خواجه نصیرالدین طوسی، تهران،ایران

چکیده

تشخیص وقوع کوبش به منظور جلوگیری از بروز احتراق غیر‌عادی، به عنوان یکی از مهمترین اهداف، در زمینه توسعه و مدلسازی موتورهای اشتعال جرقه‌ای محسوب می‌شود. پژوهش حاضر، به ارائه مدلی بهبود‌یافته برای شبیه‌سازی تحلیلی احتراق درون موتور اشتعال جرقه‌ای با سوخت گاز طبیعی و با هدف بررسی اثرات شرایط عملکردی مختلف به ویژه بر وقوع کوبش و شدت آن می‌پردازد. در رهیافت حاضر، با ارائه یک مدل ترمودینامیکی سیکل بسته از طریق یک مدل شبه‌ابعادی سه ناحیه‌ای بهبود‌یافته (سوخته، نسوخته و شعله) با درنظر گرفتن سینتیک شیمیایی در این نواحی، امکان پیش‌بینی وقوع کوبش در ناحیه گازهای نسوخته به صورت سینتیکی فراهم می‌شود. در این مدل، فرض می‌شود مخلوط داخل سیلندر همگن بوده و در مرحله احتراق به دو ناحیه سوخته و نسوخته به همراه شعله که به عنوان مرز این دو ناحیه است، تقسیم می‌شود. به منظور تخمین نرخ سوختن از یک مدل سرعت شعله آشفته متان استفاده شده است. مکانیزم شیمیایی به کار گرفته ‌شده شامل 32 واکنش و 14 گونه شیمیایی بوده که در هر دو ناحیه سوخته و نسوخته اعمال شده و بر اساس آن وقوع خوداشتعالی در ناحیه گازهای نسوخته پیش‌بینی می‌شود. در پایان، مطالعه جامعی درباره رفتار شاخص‌های مختلف عملکردی و اثر برخی از آنها بر وقوع کوبش انجام شده است. همچنین استفاده از روش بازخورانی مجدد گازهای خروجی به عنوان روشی موثر در مهار کوبش ارزیابی شده و در نهایت، راهکارهایی در این مورد ارائه شده است. نتایج به دست‌ آمده از مدل توسعه داده ‌شده با نتایج تجربی در یک موتور واقعی، مقایسه شده و نتایج، حاکی از سازگاری مناسب کد توسعه داده ‌شده است.

تازه های تحقیق

در پژوهش حاضر، با استفاده از یک مدل ترمودینامیکی شبه‌ابعادی سه ناحیه‌ای، سیکل بسته موتور شبیه‌سازی و وقوع کوبش در آن مدل شده است. مدل احتراقی توسعه داده ‌شده با توجه به اصلاحاتی که در آن انجام شده، قادر است پیش‌بینی دقیق‌تری نسبت به سایر مدل‌های هم‌رده خود از برخی شاخص‌های کلیدی، از جمله دمای ناحیه نسوخته که برای توصیف دقیق پدیده خوداشتعالی در این ناحیه ضروری است، ارائه دهد. با به کارگیری سینتیک شیمیایی شبه‌ منطقه‌ای برای احتراق متان در هر دو ناحیه سوخته و نسوخته، امکان تحلیل وقوع کوبش در ناحیه نسوخته به شکل سینتیکی فراهم شده است و نتایج به دست‌آمده، موید امکان به کارگیری شرایط کارکردی مختلف برای پیشگویی وقوع کوبش بوده است. همچنین به منظور تخمین نرخ سوختن جرم از روابط سرعت شعلهی مغشوش متان استفاده شده است. این شیوه باعث تخمین بهتر نرخ سوختن جرم و ارائه تصویری واقعی از پیشروی شعله و هندسه آن می‌شود. علاوه بر آن، وقوع کوبش از روش‌های مختلفی از جمله افزایش آنی دمای ناحیه نسوخته، مصرف آنی و یا افزایش تولید غلظت برخی اجزای شیمیایی، مورد بررسی و اثبات قرار گرفته است. اثر شاخص‌های مختلف عملکردی بر رخداد کوبش بحث شده و علاوه بر آن، راهبردهای مختلف مهار کوبش مقایسه و توانایی‌ها و نقاط ضعف هر‌یک در این زمینه، مشخص شد. صحه‌گذاری انجام ‌شده با نتایج تجربی، نشان ‌دهنده سازگاری مناسب داده‌های تجربی و محاسبه ‌شده است. با توجه به تحلیل فشار سیلندر برای پیشگویی کوبش، در دو حالت عملکردی مختلف، داده‌های فشار سیلندر با نتایج تجربی مقایسه شد.

کلیدواژه‌ها

کوبش

سرعت شعله مغشوش

مدل احتراقی سه ناحیه ای

بازخورانی گازهای خروجی

عنوان مقاله English

Evaluation of Various Knock Control Methods in a Spark Ignition Engine Fuelled with Natural Gas through a Three Zone Quasi-Dimensional

نویسندگان English

Mohammad Ghanbari ¹

Reza Ebrahimi ²

Seyed Ali Jazayeri ¹

¹ Faculty of Mechanical Engineering, K. N. Toosi University of Technology, Tehran, Iran

² Faculty of Aerospace Engineering, K. N. Toosi University of Technology, Tehran, Iran

چکیده English

Detection of knock onset to control abnormal combustion is one of the most important targets in SI engine modeling. The present contribution describes a refined analytical approach to knock occurrence simulation and its intensity. In the quasi-dimensional model used in this research, the homogeneous charge of the cylinder during the combustion period is assumed to be divided into three parts; These include: burned product, unburned reactant, which comprises the end gas region, and flame front. One of the advantages of this research is its application of turbulent flame propagation to mass burning rate estimation and its use of kinetic reactions mechanism in both burned and unburned zones. A 32 step- and 14 species- mechanism is applied to examine the behavior of the end gas region. Finally, operating parameters, factors affecting knock onset and its intensity (e.g. inlet pressure and temperature, equivalence ratio, spark timing, compression ratio, etc.) have been examined. Moreover, the effects of EGR on knock occurrence and engine output are evaluated as an effective method, and are compared against other factors. The predictive engine model has been validated through comparing the calculated results with the experimental data from an actual engine, and the results show a significant agreement between the two.

کلیدواژه‌ها English

Knock

Turbulent flame front

Three zones combustion model

Exhaust gas recirculation

1. Kowalewicz, A., and Wojtyniak, M., “A Comparison of Combustion Characteristics of Waste Cooking Oil with Diesel as Fuel in a Direct Injection Diesel Engine,” Proc. IMech. Engrs, Part D: J. Automobile Engineering, 219, pp. 103–125, 2004.

2. Natural Gas at a Glance, Secondary Energy Information Book, pp. 28-31, USA, 2007.

3. Stone, R., Introduction to Internal Combustion Engines, Society of Automotive Engineers, Second Edition, 1993.

4. Ramos, J. I., Internal Combustion Engine Modeling, Hemisphere Publishing Corporation, First Edition, 1989.

5. Hajireza, S., Sunden, B., and Mauss, F., “A Three Zone Model for Investigation of Gas Behavior in the Combustion chamber of SI Engines in Relation to Knock,” SAE Paper No. 1999-01-0219, 1999.

6. Konig, G., and Sheppard, C. G. W., “End-Gas Auto-Ignition and Knock in a Spark Ignition Engine,” SAE Paper No. 902135, 1990.

7. Ghanbari, M., Jazayeri, S. A., and Ebrahimi R., “A Refined Analytical Combustion Model for Evaluating the Effects of EGR Percentage on Improvement of Knock Characteristics of Natural Gas in Spark Ignition Engine,” ASME World Congress, IMECE2008-68607, Boston, USA, 2008.

8. Ibrahim, A., and Bari, S., “Optimization of Natural Gas SI Engine Employing EGR Strategy Using a Two Zone Combustion Model,” J. of Fuel, 87, Issues 10-11 , pp. 1824-1834, 2008.

9. Williams, F. A., “Turbulent Combustion,” SIAM, Philadelphia, 1985.

10. Shrestha, S. O., and Karim, G. A., “A Predictive Model for Gas Fueled Spark Ignition Engine Applications,” SAE Paper No. 1999-01-3482, 1999.

11. Tabaczynski, R. J., Trinker, F. H., and Shannon B. A. S., “Further Refinement and Validation of a Turbulent Flame Propagation Model for Spark-Ignition Engines,” Combustion and Flame, 39, pp. 111-121, 1980.

12. Blumberg, P. N., Lavoie, G. A., and Tabaczynski, R. J., “Phenomenological Models For Reciprocating Internal Combustion Engines,” Progress in Energy and Combustion Sciences, 5, pp. 123-167, 1979.

13. Blizard, N. C., and Keck J. C., “Experimental and Theoretical Investigation of Turbulent Burning Model for Internal Combustion Engines,” SAE Paper No. 740191, 1974.

14. Liao, S. Y., Jiang, D. M., Huang, Z. H., Cheng, Q., Gao, J., and Hu, Y., “Approximation of Flammability Region for Natural Gas-Air-Diluent Mixture,” Journal of Hazardous Materials, A125, pp. 23-28, 2005.

15. Chin, Y. W., Mattews, R. D., Nicholas, S. P., and Kiehne, T. M., “Use of Fractal Geometry to Model Turbulent Combustion in SI Engines,” Combustion Science and Technology, 86, pp. 1-30, 1992.

16. Abd-Alla, G. H., “Using Exhaust Recirculation in Internal Combustion Engines: a Review,” Energy Conversion and Management, 43, pp. 1027-1042, 2002.

17. Woschni, G., “A Universally Applicable Equation for the Instantaneous Heat Transfer Coefficient in the Internal Combustion Engine,” SAE Paper No. 670931, 1967.

18. Karim, G. A., and Zhaoda, Y., “An Analytical Model for Knock in Dual Fuel Engine of the Compression Ignition Type,” SAE Paper No. 880151, 1988.