مطالعه عددی تاثیر ایجاد سلول هوا و عایقکاری پیستون بر روی فرایند احتراق و تولید آلاینده­ ها در موتورهای دیزلی پاشش مستقیم

جعفرمدار, صمد; برزگر, رامین; حسین زاده, مستانه; خلیل آریا, شهرام

مطالعه عددی تاثیر ایجاد سلول هوا و عایقکاری پیستون بر روی فرایند احتراق و تولید آلاینده ها در موتورهای دیزلی پاشش مستقیم

نویسندگان

صمد جعفرمدار ¹

رامین برزگر ²

مستانه حسین زاده ¹

شهرام خلیل آریا ¹

¹ دانشکده فنی و مهندسی، گروه مکانیک، دانشگاه ارومیه،ارومیه،ایران

² گروه مکانیک ،دانشگاه آزاد اسلامی واحد پارس آباد مغان،ایران

چکیده

در کار حاضر به منظور بررسی تاثیرات تزریق فواره (Jet) هوا به داخل محفظه احتراق و همچنین استفاده از پیستون عایق بر روی فرایند احتراق، تولید آلاینده ها و متغیرهای عملکردی در یک موتور دیزلی پاشش مستقیم، طرحی ارائه شده است که در آن در داخل یک پیستون عایق محفظه ای فرعی ایجاد شده که از طریق گلوگاه هایی به محفظه احتراق اصلی متصل می شود. نتایج به دست آمده نشان میدهد که استفاده از سلول هوا می تواند روش موثری برای کاهش ذرات دوده خروجی از یک موتور دیزلی پاشش مستقیم بوده و همچنین باعث کاهش در مقدار آلاینده NOx خروجی شود. استفاده از پیستون عایق سبب کاهش قابل ملاحظه ای در مصرف سوخت ویژه و افزایش قابل توجهی در فشار موثر متوسط داخل سیلندر می شود، در حالی که تاثیر قابل توجهی بر روی ذرات دوده خروجی ندارد. همچنین نتایج به دست آمده نشان می دهد که استفاده از پیستون عایق به دلیل کاهش انتقال گرما و بالا رفتن دمای داخل سیلندر منجر به افزایش NOx به میزان قابل توجهی نسبت به موتور پایه می شود. نتایج به دست آمده در این تحقیق با نتایج موجود در ادبیات فن مقایسه شده و رفتار قابل قبولی را نشان می دهد.

تازه های تحقیق

با بررسی نتایج به دست آمده از مدل ملاحظه میشود:

1- استفاده از سلول هوا میتواند روش موثری برای کاهش آلاینده دوده خروجی از یک موتور دیزلی پاشش مستقیم از طریق افزایش اختلاط و همچنین در دسترس بودن هوای کافی در دوره احتراق نفوذی از طریق تزریق فواره هوا در داخل محفظه احتراق باشد. با استفاده از این روش دیده میشود که مقدار دوده خروجی در حدود دو برابر نسبت به حالت پایه کمتر شده است. همچنین نتایج نشان میدهد که استفاده از سلول هوا باعث کاهش اندکی در مقدار آلاینده NO_x خروجی نیز میشود. استفاده از سلول هوا تاثیر قابل توجهی در میزان مصرف سوخت ویژه و توان موتور ندارد.

2- عایق کردن پیستون، گلوگاههای رابط و سلول هوا با افزایش دمای داخل سیلندر به دلیل کاهش انتقال گرما، باعث افزایش میزان NO_x خروجی نسبت به موتور پایه میشود اما تاثیر چندانی در میزان دوده خروجی نسبت به موتور اصلاح شده ندارد. در حالت عایق به دلیل افزایش فشار ناشی از افزایش دمای داخل سیلندر، میزان مصرف سوخت ویژه کاهش یافته و توان خروجی نیز افزایش خوبی خواهد داشت.

کلیدواژه‌ها

موتورهای دیزلی

کاهش آلاینده ها

سلول هوا

فواره هوا

پیستون عایق

عنوان مقاله English

A Numerical Investigation of the Effects of Creating an Air-Cell and Insulating the Piston on Combustion Process and Emission Formation in DI Diesel Engines

نویسندگان English

Samad Jafarmadar ¹

Ramin Barzegar ²

Mastaneh Hoseinzadeh ¹

Shahram Khalilarya ¹

¹ Faculty of Technical and Engineering, Department of Mechanical Engineering, Urmia University, Urmia, Iran

² Department of Mechanical Engineering, Islamic Azad University, Parsabad-e Moghan Branch, Iran

چکیده English

In the present article, the effects of air injection into the combustion chamber and utilization of an insulated piston have been investigated on combustion process, emission formation and performance characteristics in a direct injection diesel engine. In the proposed method, the secondary chamber is created inside the piston which is connected to the main combustion chamber via throats. The obtained results indicate that fabrication of the air-cell inside the piston could be very effective on reduction of the exhaust soot emission and has a slight effect on NO_x reduction in a diesel engine. Utilizing an insulated piston causes a sizeable decrease in specific fuel consumption and increases mean effective pressure. Also, the results show that use of an insulated piston increases NO_x due to causing high temperature inside the combustion chamber as a result of reducing the heat loss from the piston walls. The obtained results are compared with the corresponding results in the literature and show a good agreement.

کلیدواژه‌ها English

Diesel engines

Emission reduction

Air-cell

Air jet

Insulated piston

1. Heywood, J. B., Internal Combustion Engine Fundamental, McGraw Hill, New York, 1988.

2. Wook, Ch., Choi, B. C., Park, H. K., Joo, K. J., and Lee, J. H., “In-Cylinder Flow Field Analysis of a Single Cylinder DI Diesel Engine, using PIV and CFD,” SAE Paper 2003-01-1846, 2003.

3. Hou, Z. X., and Abraham, J., “Three-Dimensional Modeling of Soot and NO in a Direct-injection Diesel Engine,” SAE paper 950608, 1995.

4. Kamo, R., and Bryzik, W., “Cummins-Taradcom Adiabatic Turbocompound Engine Program,” SAE Paper 810070, 1981.

5. Kamo, R., and Bryzik, W., “Cummins/Tacom Advanced Adiabatic Engine,” SAE Paper 840428, 1984.

6. Bryzik, W., Bryzik, W., and Kamo, R., “Tacom/Cummins Adiabatic Engine Program,” SAE Paper 830314, 1983.

7. Kamo, R., and Bryzik, W., “Ceramics in Heat Engines,” SAE Paper 790645, 1979.

8. Sekar, R. R., Kamo, R., and Wood, J. C., “Advanced Adiabatic Diesel Engine for Passenger Cars,” SAE Paper 840434, 1984.

9. Kawamura, H., Higashino, A., and Sekiyama, Sh., “Combustion and Combustion Chamber for a Low Heat Rejection Engine,” SAE Paper 960506, 1996.

10. Cheng, W. K., Wong, V. W., Gao, F., “Heat Transfer Measurement Comparisons in Insulated and Non- Insulated Diesel Engines,” SAE paper 890570, 1989.

11. Kawazoe, H., Nagano, S., and Ohsawa, K., “Reduction of Soot Emission by Air-Jet turbulence Generator with Cam in a Diesel Engine,” JSAE Review, 12, No. 3, 1991.

12. Nagano, S., Kawazoe, H., and Ohsawa, K., “Reduction of Soot Emission by Air-Jet Turbulence in a DI Diesel Engine,” SAE Paper 912353, 1991.

13. Choi, C. Y., and Foster, D. E., “In Cylinder Augmented Mixing through Controlled Gaseous Jet Injection,” SAE Paper 952358, 1995.

14. Uludogan, A., Xin, J., and Reitz, R. D., “Exploring the use of Multiple Injectors and Split Injection to Reduce DI Diesel Engine Emissions,” SAE Paper 962058, 1996.

15. Reitz, R. D., and Montgomery, D. T., “Six-Mode Cycle Evaluation of the Effect of EGR and Multiple Injections on Particulate and NOx Emissions from a D.I. Diesel Engine,” SAE Paper 960316, 1996.

16. Mather, D. K., and Reitz, R. D., “Modeling the Use of Air-Injection for Emissions Reduction in a Direct-Injected Diesel Engine,” SAE Paper 952359, 1995.

17. Wakisaka, T., and Ibaraki, K., “An Improvement Droplet Breakup Model for Three Dimensional Diesel Spray Simulation,” 3^rd KSME, JSME, Thermal Engineering Conference, 11-167-162, 1996.

18. Taymaz, I., “An Experimental Study of Energy Balance in Low Heat Rejection Diesel Engine,” Energy, 31, pp. 364-371, 2006.

19. Jaichandar, S., and Tamilporai, P., “Low Heat Rejection Engines-An Overview,” SAE Paper 2003-01-0405, 2003.

20. Parlak, A., Yasar, H., Hasimoglu, C., and Kolip, A., “The Effects of Injection Timing on NOx Emissions of a Low Heat Rejection Indirect Diesel Injection Engine,” Applied Thermal Engineering, 25, pp. 3042-3052, 2005.

21. Liu, Z., and Gui, X., “Investigation of Effects of Piston Bowl and Fuel Injector Offsets on Combustion and Emissions in D.I. Diesel Engines,” SAE paper 2002-01-1748, 2002.

22. AVL FIRE user Manual, V. 8.3, 2004.

23. Halstead, M., Krisch, L., and Quinn, C., “The Auto Ignition of Hydrocarbon Fueled at High Temperature and Pressure-Fitting of a Mathematical Model,” Combustion Flame, 30, pp. 45-60, 1997.

24. Malalasekera, V., An Introduction to Computational Fluid Dynamics, Mc Grow-Hill, 1995.

25. Liu, A. B., and Reitz, R. D., “Modeling the Effects of Drop Drag and Break-up on Fuel Sprays,” SAE Paper, No 030072, 1993.

26. Dukowicz, J. K., “Quasi-Steady Droplet Change in the Presence of Convection,” Informal Report Los Alamos Scientific Laboratory, LA7997-MS.

27. Zeldowich, Y. B., Sadovnikov, P. Y., and Frank-Kamenetskii, D. A., “Oxidation of Nitrogen in Combustion,” Translation by M. Shelef, Academy of Science of USSR, Institute of Chemical Physics, Moscow-Leningerad, 1947.

28. Heywood, J. B., “Pollutant Formation and Control in Spark-Ignition Engines,” Progress in Energy and Combustion Science, 1, pp. 135-164, 1976.

29. Binesh, A. R., and Hossainpour, S., “Three Dimensional Modeling of Mixture Formation and Combustion in a Direct Injection Heavy-Duty Diesel Engine,” International Journal of Mechanical, Industrial and Aerospace Engineering, 2, No. 4, pp. 207-212, 2008