مقایسه دو پیکرهبندی مختلف در مدل احتراق چند منطقهای مخلوط گاز طبیعی و هپتان نرمال در موتورهای احتراقی مخلوط همگن اشتعال تراکمی

رحیمی, آرش; خوشبختی سرای, رحیم; فاتحی فر, اسماعیل

مقایسه دو پیکرهبندی مختلف در مدل احتراق چند منطقهای مخلوط گاز طبیعی و هپتان نرمال در موتورهای احتراقی مخلوط همگن اشتعال تراکمی

نویسندگان

آرش رحیمی ¹

رحیم خوشبختی سرای ²

اسماعیل فاتحی فر ³

¹ دانشکده مهندسی شیمی،دانشگاه صنعتی سهند تبریز،تبریز،تهران

² دانشکده مهندسی مکانیک،دانشگاه صنعتی سهند تبریز، تبریز،ایران

³ دانشکده مهندسی شیمی،دانشگاه صنعتی سهند تبریز،تبریز،ایران

چکیده

در این مقاله سازوکار سینتیک شیمیایی تفصیلی (76 گونه شیمیایی، 464 واکنش) برای مخلوط گاز طبیعی و هپتان نرمال، با جزء جرمی دلخواه بین 34 و 85 درصد گاز طبیعی، با استفاده از ترکیب واکنشهای تفصیلی گاز طبیعی و هپتان نرمال توسعه یافت. سپس با انجام تحلیل حساسیت سازوکار ترکیبی، واکنشهای مهم مشخص شدند. همچنین از الگوریتم ژنتیک، برای بهینهسازی ضرایب آرنیوس واکنش های مشخص شده توسط آزمون حساسیت، استفاده شد. سرانجام با استفاده از دو پیکره بندی مختلف (شش منطقهای و یازده منطقهای) برای مدل چند منطقهای احتراق و نتایج آزمایشگاهی موجود، دقت سازوکار ارائه شده بررسی شد. همچنین نتایج دو پیکره بندی مختلف برای مدل چند منطقهای احتراق با هم مقایسه شدند. نتایج به دست آمده نشان داد که دو پیکره بندی مختلف، متغیرهای احتراقی، عملکردی یعنی شروع احتراق، تداوم احتراق، فشار متوسط، بازده گرمایی و انتشار آلاینده های موتور مخلوط همگن اشتعال تراکمی یعنی هیدروکربنهای نسوخته و مونواکسیدکربن را به صورت مناسبی پیش بینی کرده است، به طوری که توافق خوبی با نتایج آزمایشگاهی دارند. همچنین نتایج مدل احتراقی با شش منطقه، نزدیک به مدل احتراقی با یازده منطقه بود. اما زمان محاسبات لازم برای مدل احتراقی با یازده منطقه تقریباً دو برابر مدل احتراقی با شش منطقه بود.

تازه های تحقیق

در کار حاضر سازوکار سینتیک شیمیایی ترکیبی جدیدی شامل 76 گونه شیمیایی و 464 واکنش برای احتراق مخلوط گاز طبیعی و هپتان ‌نرمال در موتورهای مخلوط همگن اشتعال تراکمی با بهینه‌سازی ضرایب سینتیکی ارائه شده است. در این راستا، برای ارزیابی سازوکار ارائه شده از مدل احتراق چند منطقه‌ای با در نظر گرفتن دو پیکره‌بندی مختلف شامل شش و یازده منطقه استفاده شده است. پس از بررسی و مقایسۀ نتایج نمودارهای فشار و متغیرهای عملکردی و همچنین نتایج آلاینده‌های خروجی با نتایج آزمایشگاهی مشخص شد که نتایج مدل شش منطقه‌ای نزدیک به نتایج مدل یازده منطقه‌ای است. بنابراین در این مورد افزایش تعداد مناطق نه‌ تنها باعث بهبود پیش‌بینی نتایج نشده، بلکه باعث افزایش زمان محاسباتی لازم و پیچیدگی مسئله شده است.

کلیدواژه‌ها

احتراق مخلوط همگن اشتعال تراکمی

تحلیل حساسیت

سازوکار سینتیک شیمیایی

مدل احتراق چند منطقه ای

الگوریتم ژنتیک

عنوان مقاله English

A Comparison of two Different Configurations of Multi-Zone Combustion Model for Natural Gas/n-Heptane Blend in HCCI Combustion Engines

نویسندگان English

Arash Rahimi ¹

Rahim Khoshbakhti Saray ²

Esmaeil Fatehi far ³

¹ Faculty of Chemical Engineering, Sahand University of Technology, Tabriz،Iran

² Faculty of Chemical Engineering, Sahand University of Technology, Tabriz

³ Faculty of Chemical Engineering, Sahand University of Technology, Tabriz،Iran

چکیده English

In this work, a detailed combined chemical kinetics mechanism (76 chemical species, 464 reactions) for a mixture of natural gas and n-heptane with arbitrary mass fractions of natural gas between 36 and 85 percent was developed from the combination of the detailed reaction schemes for natural gas and n-heptane fuels. Then, essential reactions were determined through performing a sensitivity analysis on the combined mechanism. In addition, genetic algorithm was applied to optimize the Arrhenius rate coefficients of the specified reactions by means of sensitivity analysis. Finally, accuracy of the presented mechanism was investigated through two different zone configurations (6 zones and 11 ones) of a multi-zone combustion model as well as available laboratory results. Also, the results of the two considered zone configurations from the multi-zone combustion model were compared, whereby it was found that the two zone configurations considered could properly predict combustion, performance parameters (i.e. start of combustion), burn duration, indicated mean effective pressure, indicated thermal efficiency as well as important HCCI engine emissions (i.e. unburned HC and CO emissions) in good accord with the experimental data. Also, it was discovered that the results of the 6 zone combustion model were closer to the results of the 11 zone combustion model. But the required computational time for the 11 zone combustion model was approximately twice that of the 6 zone combustion model.

کلیدواژه‌ها English

HCCI Combustion

Sensitivity Analysis

Chemical Kinetics Mechanism

Multi-Zone Combustion Model

Genetic Algorithm

1. Thring, R. H., “Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) Engines,” SAE paper 892068, 1989.

2. Fiveland, S. B., and Assanis, D. N., “A Four-Stroke Homogeneous Charge Compression Ignition Engine Simulation for Combustion and Performance Studies,” SAE 2000-01-0332, 2000.

3. Noda, T., and Foster, D. E., “A Numerical Study to Control Combustion Duration of Hydrogen-Fueled HCCI by Using Multi-Zone Chemical Kinetics Simulation,” SAE Paper 2001-01-0250, 2001.

4. Onishi, S., Jo, S. H., Shoda, K., Jo, P. D., and Kato, S., “Active Thermo-Atmosphere Combustion (ATAC)- A New Combustion Process for Internal Combustion Engines,” SAE 7 501, 1979.

5. Najt, P. M., and Foster, D. E., “Compression-Ignited Homogeneous Charge Combustion,” SAE paper 830264, 1983.

6. Atkins, M. J., and Koch, C. R., “The Effect of Fuel Octane and Diluent on Homogeneous Charge Compression Ignition Combustion,” Proc. IMechE. Part D: J. Automobile Engineering, 219, pp. 665-675, 2005.

7. Olsson, J. O., Tunestal, P., and Johansson, B., “Boosting for High Load HCCI,” SAE Paper, 2004-01-0940, 2004.

8. Strandh, P., Bengtsson, J., Johansson, R., Tunestal, P., and Johansson, B., “Cycle-to-Cycle Control of a Dual-Fuel HCCI Engine,” SAE Paper, 2004-01-0941, 2004.

9. Tominaga, R., Morimoto, S., Kawabata, Y., Matsuo, S., and Amano, T., “Effects of Heterogeneous EGR on the Natural Gas-Fueled HCCI Engine using Experiments, CFD and Detailed Kinetics,” SAE Paper, 2004-01-0945, 2004.

10. Fiveland, S. B., and Assanis, D. N., “Development of a Two-Zone HCCI Combustion Model counting for Boundary Layer Effects,” SAE Paper 2001-01-1028, 2001.

11. Komninos, N. P., Hountalas, D. T., and Kouremenos, D. A., “Description of in-Cylinder Combustion Processes in HCCI Engines using a Multi-Zone Model,” SAE paper 2005-01-0171, 2005.

12. Kongsereeparp, P., and Checkel, M. D., “Novel Method of Setting Initial Conditions for Multi-Zone HCCI Combustion Modeling,” SAE07PFL-640, 2007.

13. Aceves, S. M., Flowers, D. L., Westbrook, C. K., Smith, J. R., Pitz, W., Dibble, R., Christensen, M., and Johansson, B., “A Multi-Zone Model for Prediction of HCCI Combustion and Emissions,” SAE paper 2000-01-0327, 2000.

14. Amano, T., Morimoto, S. S., and Kawabata, Y., “Modeling of the Effect of Air/Fuel Ratio and Temperature Distribution on HCCI Engines,” SAE Paper 2001-01-1024, 2001.

15. Easley, W. L., Agarwal, A., and Lavoie, G. A., “Modeling of HCCI Combustion and Emissions Using Detailed Chemistry,” SAE paper 2001-01-1029, 2001.

16. Harris, S. D., Elliott, L., Ingham, D. B., Mera, N. S., Pourkashanian, M., and Wilson, C. W., “The Optimisation of Reaction Rate Parameters for Chemical Kinetic Modelling of Combustion using Genetic Algorithms,” Comput. Meth. Appl. Mech. Eng., 190, pp. 1065-1090, 2000.

17. Kongsereeparp, P., and Checkel, M. D., “Study of Reformer Gas Effects on n-Heptane HCCI Combustion using a Chemical Kinetic Mechanism Optimized by Genetic Algorithm,” SAE Paper 2008-01-0039, 2008.

18. Smith, G. P., Golden, D. M., Frenklach, M., Moriarty, N. W., Eiteneer, B., Goldenberg, M., Bowman, C. T., Hanson, R. K., Song, S., Gardiner, W. C., Lissianski, V. V., and Qin, Z., GRI-mech3.0 data, http://www.me.berkeley.edu/gri_mech/, 2006.

19. Golovitchev, V. I., N-Heptane Mechanism, http://www.tfd.chalmers.se/~valeri/MECH.html, 2006.

20. Baumgarten, C., Mixture Formation in Internal Combustion Engines, Springer-Verlag, 2005.

21. Heywood, J. B., Internal Combustion Engine Fundamentals, McGraw Hill, New York, 1988.

22. Chang, J., Guralp, O., Filipi, Z., and Assanis, D. N., “New Heat Transfer Correlation for an HCCI Engine Derived from Measurements of Instantaneous Surface Heat Flux,” SAE Paper 2004-01-2996, 2004.

23. Stone, R., Introduction to Internal Combustion Engines, Warrendale PA, USA: SAE International, 1999.

24. Yang, J., and Martin, J. K., “Approximate Solution-One-Dimensional Energy Equation for Transient, Compressible, Low Mach Number Turbulent Boundary Layer Flows,” Journal of Heat Transfer, 111, pp. 619-624, 1989.

25. Huang, Z., Shiga, S., Ueda, T., Jingu, N., Nakamura, H., Ishima, T., Obokata, T., Tsue, M., and Kono, M., “Feasibility of CNG DI Stratified Combustion Using a Spark-Ignited Rapid Compression Machine,” The Fifth International Symposium on Diagnostics and Modeling of Combustion in Internal Combustion Engines (COMODIA 2001), Nagoya, 2001.

26. Goldberg, D. E., Genetic Algorithms in Search, Optimization and machine Learning, Addison-Wesley Longman, 1989.