سوخت و احتراق

سوخت و احتراق

مقایسه عملکرد موتور EF7.TC در حالت سوخت گاز و بنزین با استفاده ازشبیه سازی گرمایی پیستون و محفظه احتراق

نویسندگان
جواد قارلقی 1
امیرحسن کاکایی 2
علی اصغر فروغی فر 1
1 شرکت ایران خودرو،تهران،ایران
2 دانشکده مهندسی خودرو، دانشگاه علم و صنعت ایران، تهران،ایران
چکیده
در این تحقیق ابتدا انتقال گرما در پیستون موتور اشتعال جرقه­ ای محاسبه شده، سپس با تعیین شرایط مرزی گرمایی به بررسی عملکرد موتور در دو حالت سوخت گاز و بنزین پرداخته شده است. سه روش متفاوت برای مدل کردن انتقال گرما به کار رفته است. در روش اول برای پیستون، سیلندر و سرسیلندر، یک دمای ثابت و تقریبی در نظر گرفته شده و توسط مدل دو ناحیه­ ای احتراق شرایط میدان گاز درون سیلندر (دما، فشار و ضرایب انتقال گرمای جابه ­جایی) محاسبه می­ شوند. در روش دوم برای هر سه قسمت پیستون، سیلندر و سرسیلندر، سه دمای مجهول در نظر گرفته شده و معادلات انتقال گرما با مدل دو ناحیه­ ای به صورت همزمان حل می ­شوند. در روش سوم که دقیق ­ترین روش است، به صورت همزمان بر اساس مدل شبکه گرمایی مقاومت-خازن، 24 معادله انتقال گرما با کد دو ناحیه ­ای، حل می­ شود. نتایج به دست آمده از سه روش به منظور بررسی اثر آ­­ن­ها بر رفتار گرمایی پیستون با هم مقایسه می ­شوند. نشان داده شده است که استفاده از مدل مقاومت-خازن با تعداد معادلات کمتر و در نتیجه زمان حل کمتر، روشی مناسب برای حل مسائل گرمایی موتور است. مجموعه این عملیات توسط کدی که در نرم افزار متلب (MATLAB) نوشته شده انجام شده است و نتایج با داده­ های تجربی موتور EF7.TC صحه­ گذاری شده است.

تازه های تحقیق

نتایج به دست آمده از این تحقیق را می­توان به صورت زیر خلاصه کرد:

1-   روش تحلیل گرمایی شبکه مقاومتی، روشی ساده و مناسب برای تحلیل گرمایی اجزای مختلف موتور است.

2-   روش احتراق دو ناحیه­ای روشی مناسب برای تعیین دما، فشار و ضریب انتقال گرمای گاز و شرایط مرزی درون محفظه احتراق است.

3-   خنک­کاری پیستون از طریق برخورد فواره روغن به زیر پیستون، مقدار زیادی از گرمای پیستون را انتقال می­دهد. در موتور EF7.TC ضریب انتقال گرمای جابه­جایی روغن با دور موتور به صورت  مرتبط است.

4-   با دانستن دمای متوسط و تقریبی پیستون، سیلندر و سرسیلندر و استفاده از مدل انتقال گرمای وشنی در شبیه­سازی احتراقی دو ناحیه­ای، می­توان نتایج قابل قبولی برای شرایط میدان گاز درون سیلندر، بدون نیاز به تحلیل گرمایی محفظه احتراق، به دست آورد.

5-   در موتور EF7.TC (موتور پایه گازسوز ملی) با توجه به نگاشت خاص موتور برای سوخت گاز (زمانبندی جرقه، نسبت       هم­ارزی و ...)، در دو حالت سوخت گاز و بنزین موتور دارای عملکرد مناسبی است.

6-   در حالت سوخت گاز با توجه به ضریب انتقال گرمای بالاتر، ماندگاری بیشتر شعله و نفوذ بیشتر گرما در محفظه احتراق، دمای قطعات موتور نسبت به حالت سوخت بنزین بیشتر است.

7-   با توجه به طراحی ویژه پیستون به منظور کاهش میزان انتقال گرما از ناحیه تاج پیستون به ناحیه زیرین پیستون (تا حد مقاومت گرمایی پیستون)، تغیرات ناحیه دامن پیستون، بسیار کمتر از ناحیه تاج پیستون است.

میزان تاخیر در تشکیل هسته اولیه شعله در حالت سوخت گاز بیشتر از سوخت بنزین بوده و سرعت شعله گاز نسبت به سوخت بنزین پایین­تر است

کلیدواژه‌ها
موتور دوگانه سوز
شبکه گرمایی مقاومت-خازن
پیستون
مدل دو ناحیه ­ای احتراق

عنوان مقاله English

Comparison of EF7.TC Engine Performance in Two Modes of CNG Fuel and Petrol using Piston and Combustion Chamber Thermal Simulation

نویسندگان English

Javad Gharloghy 1
Amir Hasan Kakaee 2
Aliasghar Forooghifar 1
1 Iran Khodro Company, Tehran, Iran
2 School of Automotive Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran
چکیده English

In this study, the heat transfer of SI engine piston is calculated. Engine performance in two modes of CNG fuel and petrol has been studied. For thermal simulation, three different models have been used. In the first model, three approximate and constant temperatures are selected for piston, cylinder and cylinder head, and subsequently the temperature, pressure and convection coefficients of the in-cylinder gas are determined using two-zone combustion model. In the second model, for each of the walls (piston, cylinder and cylinder head), the relevant heat transfer equations with two-zone model are solved considering three unknown temperature. In the third model, which is the most accurate method, 24 heat transfer equations coupled with the two-zone model are solved simultaneously based on resistor-capacitor thermal network model. Eventually, results of the three models are compared to study their effect on the piston thermal behavior. It has been shown that use of resistor-capacitor model with lower number of equations and consequently less solution time is an appropriate method for solving problems of engine heat transfer. The simulations were carried out by a MATLAB code and the results were validated with the experimental data of the EF7.TC engine.

کلیدواژه‌ها English

Bi-fuel engine
Resistor-capacitor thermal network
Piston
Two-zone combustion model
1.     Shamekhi. A., Khatibzadeh. N., and Shamekhi. A. H., “Performance and Emissions Characteristics of a Bi-Fuel SI Engine Fueled By CNG and Gasoline,” ASME Paper, ICES 20061387, 2006.
2.     Silva, F. S., “Fatigue on Engine Pistons-A Compendium of Case Studies,” Journal of Engineering Failure Analysis, 13, pp. 480-492, 2006.
3.     Esfahanian, V., Javaheri, A., and Ghaffarpour, M., “Thermal Analysis of an SI Engine Piston Using Different Combustion Boundary Condition Treatments,” Applied Thermal Engineering, 26, pp. 277-287, 2006.
4.     Mohammadi, A., Yaghoubi, M. and Rashidi, M., “Analysis of Local Convective Heat Transfer in a Spark Ignition Engine,” Journal of Engineering Failure Analysis, 13, pp. 480-492, 2006.
5.     Hywood, J. B., Internal Combustion Engine Fundamentals, Mc Grow-Hill, New York, 1988.
6.     Bohac, S. V., Baker, D. M. and Assanis, D. N., “A Global Model for Steady State and Transient S.I. Engine Heat Transfer Studies,” SAE Paper, No. 960073, 1996.
7.     Kreith, F., Principle of Heat Transfer, International Text Book Co., 2nd Printing, 1959.
8.     Wanli, Y., Guohua, CH., Chunfa, W. and Xiaoming, Y., “Simulation of Transient Heat Transfer for Coupling 3-D Moving Component System Within Internal Combustion Chamber,” SAE Paper, No. 01-0617, 2003.
9.     Harigaya, Y., Toda, F., and Suzuki, M., “Local Heat Transfer on a Combustion Chamber Wall of a Spark-Ignition Engine,” SAE Paper, No. 931130, 1993.
10.  Annand, W. J. D., “Geometry of Spherical Flame Propagation in a Disc-Shaped Combustion Chamber”, Journal of Mechanical Engineering Science, 12, No. 2, pp. 146-149, 1970.
11.  Catania, A. E., Misul, D., Mittica, A., and Spessa, E., “A Refined Two-Zone Heat Release Model for Combustion Analysis in SI Engines,” The Fifth International Symposium on Diagnostics and Modeling of Combustion in Internal Combustion Engines, Nagoya, July, 2001.
12.  Benson, R. S., Annand, W. J. D., and Baruah, P. C., “A Simulation Model Including Intake and Exhaust Systems for a Single Cylinder Four-Stroke Cycle Spark Ignition Engine,” Int. J. mech. Sci., 17, pp. 97-124, 1975.
13.  Erduranli, P., Koca, A., and Sekmen, Y., “Performance Calculation of a Spark Ignition Engine According To the Ideal Air-Fuel Cycle Analysis,” G.U. Journal of Science, 18, No. 1, pp. 103-114, 2005.
14.  Stone, R., Introduction to Internal Combustion Engines, Third Edition, Mc Millan, 1999.
15.  Maher, A. R. Al-Baghdadi, “A Simulation Model for a Single Cylinder Four-Stroke Spark Ignition Engine Fueled with Alternative Fuels,” Turkish J. Eng. Env. Sci, 30, pp. 331-350, 2006.
16.  Ferguson, C. R., and Kirkparrick, A. T., Internal Combustion Engine, Applied Thermosciences, Second Edition, John Wiley & Sons, New York, 1986.
17.  Torregrosa, A., Olmeda, P., Degraeuwe, B., and Reyes, M., “A Concise Wall Temperature Model for DI Diesel Engines,” Journal of Applied Thermal Engineering, 26, pp. 1320-1327, 2006.
18.  Buyukkaya, E., “Thermal Analysis of Functionally Graded Coating AlSi Alloy and Steel Pistons,” Journal of Surface & Coatings Technology, 202, pp. 3856-3865, 2008.
19.  Li, C. H., “Piston Thermal Deformation and Friction Consideration,” SAE Paper, No. 820086, 1982.
20.  Wu, H. W., and Chiu, C. P., “A Study on the Characteristics of Heat Transfer in an Engine Piston,” KSME Journal, 2, No. 1, pp. 19-27, 1994.
21.  Lowe, A. S. H., and Morel, T., “A New Generation of Tools for Accurate Thermo-Mechanical Finite Element Analyses of Engine Components,” SAE Paper, No. 920681, 1992.
22.  Choi, Y. D., Jeong, P. S., Kim, D. S., and Hong, J. K., “Analysis of Thermal Conduction in Piston of Gasoline Engine by Boundary Element Method,” SAE Paper, No. 931907, 1993.