توسعه یک زیرمدل خوداشتعالی برای پیش­ بینی کوبش در موتور اشتعال جرقه ­ای

کاکایی, امیرحسن; نصرآبادی, مسعود

توسعه یک زیرمدل خوداشتعالی برای پیش بینی کوبش در موتور اشتعال جرقه ای

نویسندگان

امیرحسن کاکایی

مسعود نصرآبادی

دانشکده مهندسی خودرو،دانشگاه علم و صنعت ایران،تهران،ایران

چکیده

در مقاله حاضر یک مدل نیمه تجربی به منظور کنترل فاز احتراق برای جلوگیری از وقوع کوبش در موتور پرخوران اشتعال جرقه ای با سوخت ایزواکتان بهینه شده و ارائه شده است. مدل کوبش ارائه شده بر مبنای مدل انتگرالی کوبش بوده و با یک مدل شبه ابعادی برای شبیه سازی و پیش بینی چرخه قدرت در موتور اشتعال جرقه ای ترکیب شده است. مدل نیمه تجربی کوبش با استفاده از نتایج آزمایشگاهی بهینه و صحه گذاری شده است. با استفاده از این مدل می توان راهبرد کنترل زمان شروع احتراق در موتور اشتعال جرقه ای را برای دستیابی به بیشینه گشتاور خروجی بهبود بخشید. نتایج نشان می دهند که مدل کوبش مذکور قادر است زاویه لنگ وقوع کوبش (خود اشتعالی) را با اختلاف حداکثر oCA 2 پیش بینی کند. با استفاده از این مدل نه تنها با تغییر متغیرهای عملکردی و طراحی امکان پیش بینی زاویه وقوع کوبش و شرایط مرزی آن میسر است بلکه میزان تأثیر هر متغیر بر شدت کوبش نیز قابل مشاهده است.

تازه های تحقیق

از آنجایی که لازم است متغیرهای طراحی و عملکردی موتور اشتعال جرقهای برای جلوگیری از وقوع کوبش بهینه شوند، میبایست مدل کوبش با مدل شبه ابعادی ترکیب شود. مدل کوبش استفاده شده در این پژوهش تابع دما و فشار سیلندر است، بنابراین اثر هر تغییر در متغیرهای طراحی و عملکردی که فشار و دمای سیلندر و نهایتاً تمایل به کوبش را تحت تأثیر قرار دهند، قابل پیشبینی خواهد بود.

در پژوهش حاضر با بهینهسازی مدل انتگرالی کوبش خطای پیشبینی کوبش نسبت به مدلهای پیشنهادی قبل کاهش داده شده است. ضرایب ثابت در مدل انتگرالی کوبش که با کمترین داده آزمایشگاهی (دادههای فشار در 8 چرخه همراه با کوبش) بهینه شدهاند، برای استفاده در موتور اشتعال جرقهای با سوخت ایزواکتان به صورت زیر است:

X₁= 0065/0, X₂ = 6/1, X₃ = 3800

خطای حاصل از مدل کوبش با ضرایب بالا در مقایسه با خطای مدل کوبش با ضرایب پیشنهادی دواد و آیزات به طور متوسط 5/3 درجه لنگ کاهش یافته است. با ارائه این مدل نیمه تجربی نشان داده شد که زاویه لنگ وقوع اولین کوبش با اختلاف حداکثر 2 درجه برای موتور اشتعال جرقهای با سوخت ایزواکتان قابل پیشبینی است. با توجه به این قابلیت و به خاطر مشکلات مربوط به کارهای آزمایشگاهی، مدل ارائه شده برای بهبود بخشیدن به مفاهیم مربوط به موتور اشتعال جرقهای با سوخت ایزواکتان بسیار مناسب خواهد بود. با ترکیب مدل بهینه شده مذکور با یک مدل شبهابعادی شرایط عملکردی مرز کوبش بدون نیاز به هرگونه کار آزمایشگاهی به خوبی میتواند تعیین شود. به علاوه میتوان متغیرهایی از قبیل زمانبندی جرقه، نسبت همارزی، نسبت تراکم، فشار و دمای ورودی را تحت شرایط مرزی کوبش برای به دست آوردن بهترین عملکرد بهینه کرد. با استفاده از مدلهایی که برای KOCA و شدت کوبش ارائه شده است علاوه بر اینکه میتوان با تغییر هر یک از متغیرهای طراحی یا عملکردی زمان کوبش را تعیین کرد، میتوان اثر هر متغیر بر شدت کوبش را نیز مشخص کرد. همچنین با استفاده از این مدلسازی میتوان دریافت که چه میزان تغییر در یک متغیر میتواند تمایل به کوبش را کاهش دهد.

از آنجایی که به خاطر وقوع کوبش زمان جرقه را تا میزان به خصوصی میتوان پیش انداخت، مقدار پیش انداختگی جرقه آستانه کوبش همیشه مورد توجه محققان بوده است. لذا در این مقاله با استفاده از مدل معرفی شده، نحوه اثر چهار متغیر عملکردی مهم بر پیش انداختگی جرقه آستانه کوبش بررسی شده و با نتایج آزمایشگاهی گذشته نیز مقایسه شدهاند. نتایج نشان میدهند که در هر شرایط عملکردی با استفاده از مدل مذکور و بدون نیاز به کار آزمایشگاهی، KLSA با کمترین خطای ممکن قابل بررسی و تحلیل است.

کلیدواژه‌ها

خوداشتعالی

مدل انتگرالی کوبش

مدل شبه ابعادی

بهینه سازی

گاز انتهایی

عنوان مقاله English

Development of an Autoignition Submodel for Knock Prediction in Turbocharged SI Engine

نویسندگان English

Amir Hasan Kakaee

Masoud Nasrabadi

School of Automotive Engineering, Iran University of Science and Technology, Tehran, Iran

چکیده English

The objective of this paper is to present a simulation model for controlling combustion phasing in order to avoid knock in turbocharged SI engines. An empirically based knock integral model was integrated in a quasi -dimensional simulation tool. The empirical knock model was optimized and validated against engine tests. This model can be used to optimize control strategy of combustion initiation in SI engine to reach the maximum berak turque. The model is able to predict knock onset with an accuracy of 2 crank angle degrees. With the established knock model, it is possible not only to investigate whether knock is observed by changing operating and design parameters, but also to evaluate their effects on knock intensity.

کلیدواژه‌ها English

Autoignition

Knock integral model

Quasi-dimensional model

Optimization

End gas

1. By, A., Kempinski, B., and Rife, J. M., “Knock in Spark Ignition Engines,” SAE 810147, 1981.

2. Douaud, A. M., and Eyzat, P., “Four-Octane-Number Method for Predicting the Anti-Knock Behavior of Fuels and Engines,” SAE 780080, 1978.

3. Livengood, J. C., and Wu, P. C., “Correlation of Auto Ignition Phenomena in Internal Combustion Engines and Rapid Compression Machines,” Fifth Symposium on Combustion, pp. 347-356, 1955.

4. Soylu, S., and Van Gerpen, J., “Development of an Autoignition Submodel for Natural Gas Engines,” Fuel, 82, pp. 1699-1707, 2003.

5. Russ, S., “A Review of the Effect of Engine Operating Conditions on Borderline Knock,” SAE Paper 960497, 1996.

6. Gerty, M. D., and Heywood, J. B., “An Investigation of Gasoline Engine Knock Limited Performance and the Effects of Hydrogen Enhancement,” SAE paper 2006-0228, 2006.

7. مؤمنی موحد، م؛ "ارائه راهکار تجربی بهینه برای تشخیص کوبش در یک موتور احتراق داخلی،" پایاننامه کارشناسی ارشد، دانشکده مهندسی خودرو، دانشگاه علم و صنعت، تهران، ایران، 1388.

8. Draper, C. S., “Pressure Waves Accompanying Detonation in the Internal Combustion Engine,” J. Aeronautical Sciences, 5, No. 6, 1938.

9. Towers, J. M., and Hoekstra, R. L., “Engine Knock, a Renewed Concern in Motorsports -A Literature Review,” SAE Paper 983026, 1998.

10. Pan, J., and Sheppard, C. G. W., “A Theoretical and Experimental Study of the Modes of End Gas Autoignition Leading to Knock in S.I. Engines,” SAE 942060, 1994.

11. Annand W. J. D., “Geometry of Spherical Flame Propagation in a Disc-Shaped Combustion Chamber,” Journal of Mechanical Engineering Science, 47, pp.146-149, 1970.

12. Woschni, G., “A Universally Applicable Equation for the Instantaneous Heat Transfer Coefficient in the Internal Combustion Engine,” SAE Paper 670931, 1967.

13. Verhelst, S., and Sheppard, C. G. W., “Multi-Zone Thermodynamic Modeling of Spark-Ignition Engine Combustion- An Overview,” Energy Conversion and Management, 50, pp. 1326-1335, 2009.

14. 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.

15. Heywood, J. B., Internal Combustion Engine Fundamentals, McGraw- Hill, 1988.

16. Elmqvist, C., and Kalghatgi, G., “Optimizing Engine Concepts by Using a Simple Model for Knock Prediction,” SAE paper 2003-01-3123, 2003.

17. ابراهیمی، ر؛ "پیشبینی تأخیر خود اشتعالی در موتور اشتعال تراکمی مخلوط همگن"، نشریه علمی- پژوهشی سوخت و احتراق، سال اول، شماره اول، ص29-40، شهریور 1378.

18. Chun, M., and Heywood, J. B., “Characterization of Knock in a Spark Ignition Engine”, SAE Paper 890156, 1989.

19. Cowart, J. S., Haghgooie, M., Newman, C. E., and Davis, G. C., “The Intensity of Knock in an Internal Combustion Engine: an Experimental and Modeling Study,” SAE Paper 922327, 1992.