شبیه سازی عددی موتورهای احتراق تراکمی سوخت همگن )HCCI( پاشش مستقیم با سوخت گاز طبیعی و دیزل

Transcript

1 علیرضا ساعتچی نوبری 1 دانشجوی کارشناسی ارشد 2 کورش عطاریان دانشجوی کارشناسی ارشد مسعود یحیایی 3 دانشجوی کارشناسی ارشد امین میرزامحمد 4 دانشجوی کارشناسی ارشد حسین قماشی 5 استادیار شبیه سازی عددی موتورهای احتراق تراکمی سوخت همگن )HCCI( پاشش مستقیم با سوخت گاز طبیعی و دیزل موتورهای اشتعال تراکمی سوخت همگن )HCCI( ایدهای جدید برای کاهش آالیندهها و همچنین میزان مصرف سوخت در موتورهای احتراق داخلی میباشد. به خاطر وضع قوانین سختگیرانه در مورد آالیندههای تولیدی تحقیقات زیادی بر روی این موتورها به عنوان روش جایگزین موتورهای دیزل معمولی انجام شده است. در این تحقیق با استفاده از مدلسازی سهبعدی به روش CFD ابتدا احتراق مخلوط همگن سوخت دیزل سپس حالت دوسوخته مورد بررسی قرار می گیرد. همچنین سوخت دیزل بصورت پاشش مستقیم درون محفظه تزریق میشود. در حالت دو سوخته نیز گاز متان بصورت مخلوط همگن با هوا وارد سیلندر شده و سوخت دیزل به عنوان سوخت پاششی خواهد بود. نتایج نشان میدهد دمای ورودی نقش بسیار مهمی در تبخیر سوخت مایع و نتیجتا بهبود احتراق ایفا می کند. ضمن اینکه در حالت دو سوخته با کاهش دمای ورودی و افزایش سوخت گازی عالوه بر اینکه توان و بازده موتور افزایش مییابد مقدارآالینده های خروجی استانداردهای تعیین شده در حد قابل قبولی خواهند بود. با توجه به واژه های راهنما : موتور HCCI دو سوخته پاشش مستقیم دیزل گاز متان 1- مقدمه امروزه در اکثر موارد موتورهای بنزینی و دیزلی توان مورد نیاز برای حمل و نقل و ترابری را در سرتاسر جهان تامین میکنند. برای تولید این توان هر چند در هر دو نوع موتور از حرکات متناوب پیستون استفاده میشود دانشجوی کارشناسی ارشد گروه مهندسی مکانیک دانشگاه آزاد اسالمی واحد تهران جنوب 2 نویسنده مسئول دانشجوی کارشناسی ارشد گروه مهندسی مکانیک دانشگاه آزاد اسالمی واحد تهران جنوب korosh_attarian_ist@yahoo.com 3 دانشجوی کارشناسی ارشد دانشکده مهندسی مکانیک دانشگاه علم و صنعت ایران yahyaei@isme.ir دانشجوی کارشناسی ارشد گروه مهندسی مکانیک دانشگاه آزاد اسالمی واحد تهران جنوب استادیار عضو هیات علمی گروه مهندسی مکانیک دانشگاه آزاد اسالمی واحد تهران جنوب تاریخ دریافت: 02/40/44 تاریخ پذیرش: 03/40/45 hgh2020@gmail.com

2 و 3 و 0 نشریة پژوهشی مهندسی مکانیک ایران سال شانزدهم شماره دوم زمستان ولی اختالف اصلی بین آنها )همانطورکه درجدول 1 دیده میشود( از شکل بازده توان مصرف سوخت و تولید آالینده ها ناشی میشود. در موتورهای بنزینی سعی بر این است که شرایط استئوکیومتریک برای مخلوط سوخت و هوا فرآهم شود از اینرو دریچه گاز ابزار مهمی برای تنظیم مقدار هوای ورودی به درون سیلندر برای فرآیند احتراق میباشد. از طرفی نسبت تراکم در این موتورها به خاطر جلوگیری از فرآیند کوبش حداکثر تا مقدار 12:1 در نظر گرفته می شود [1]. همه این موارد و محدودیت ها سبب میشود تا موتورهای بنزینی بازده پایینتری نسبت به موتورهای دیزل داشته باشند. اما در مورد موتورهای دیزل از جمله عواملی که سبب میشود تا این موتورها در جایگاه بهتری نسبت به موتورهای احتراق جرقه های قرار بگیرند عبارتند از: نسبت تراکم باال عملکرد موتور در شرایط مخلوط سوخت و هوای فقیر و نبود تلفات مربوط به دریچه گاز [2]. علیرغم این مزایا موتورهای دیزل هر چند آالینده های مونواکسیدکربن )CO( و هیدروکربن نسوخته )HC( کمتری نسبت به موتورهای بنزینی تولید میکنند اما در مقابل آالینده اکسید نیتروژن میشود( ذرات ریز NOx )PM( )که شامل مونواکسید نیتروژن و دی و دوده )soot( از آالیندههای مهم این موتور به شمار میآید که در صورت عدم کنترل آنها صدمات جبران ناپذیری برای سالمتی بشر و محیط زیست وارد میشود ] راستا یکی از چالشهای پیش روی این موتورها کاهش همزمان آالیندههای NOx و soot soot 4]. در این میباشد زیرا که کاهش هر یک از آنها مستلزم افزایش دیگری است و این نیز به شرایط فیزیکی و شیمیایی احتراق بر میگردد. زمانیکه سوخت از انژکتور خارج شده و وارد محفظه احتراق میگردد قسمت کوچکی از سوخت با هوا تشکیل مخلوط همگن داده و سریع میسوزد ولی کسر بزرگی از سوخت به این علت که مقیاس زمانی مراحل اتمیزه شدن تبخیر و اختالط سوخت خیلی بزرگتر از مقیاس زمانی واکنش شیمیایی می باشد تا مدتی درون محفظه باقی میماند که در این حالت دو منطقه بوجود میآ د ی یک منطقه با سوخت با غلظت باال بوده و منطقه دیگر منطقه دما باالی شعله است. در منطقه با سوخت غلظت باال به علت کمبود اکسیژن مقدار زیادی آالینده تشکیل شده و در منطقه دیگر به علت باال بودن دما سبب تولید مقدار زیادی آالینده NOx میشود [5]. موتورهای احتراق تراکمی سوخت همگن )HCCI( یک ایده جدید بوده که در سالهای اخیر بررسی ها و آزمایشات زیادی بر روی آنها انجام شده است و این نوید را میدهد که با بکارگیری این شیوه جدید احتراق بتوان بر مشکالت رایج در موتورهای احتراق تراکمی فائق آمد. در این موتورها مخلوط همگن سوخت و هوا در اثر تراکم و افزایش دما از چند ناحیه مختلف درون محفظه به یکباره و در یک زمان خیلی کوتاه واکنش داده و میسوزد. مخلوط سوخت و هوا در این نوع احتراق خیلی فقیر بوده از اینرو بدون آنکه توان موتور نسبت به موتورهای دیزل معمولی تغییر چندانی کند مصرف سوخت و دمای درون محفظه کاهش یافته و به این علت که احتراق بصورت آنی رخ میدهد تلفات به حداقل خواهد رسید [5 و 7 ]. پایین بودن دمای محفظه از یک سو و عدم وجود فرآیند انتشار شعله از سوی دیگر سبب میشود که مقدار آالینده NOx کاهش یابد. عالوه بر آن به علت تشکیل مخلوط همگن و فقیر سوخت و هوا مقدار آالینده کاهش مییابد که تعیین مقدار دقیق آن حتی با دستگاههای پیشرفته مشکل میباشد ] تا حد چشمگیری تا حدی soot 0 و 14 ]. با این حال باید توجه داشت که موتورهای احتراق تراکمی سوخت همگن دارای معایبی نیز میباشند که از آن جمله میتوان به دشوار بودن کنترل زمانبندی احتراق عدم دستیابی به شرایط کاری مناسب در زمان شروع به کار موتور و باال بودن مقدار آالینده CO و هیدروکربن نسوخته اشاره کرد [11]. یکی از راههای غلبه بر این

3 57 شبیه سازی عددی موتورهای احتراق تراکمی سوخت همگن... مشکالت استفاده از سوختهای گازی نظیر سوخت گاز متان )CH4( میباشد. در حالت کلی سوختهای گازی شکل میتوانند به راحتی با هوا تشکیل مخلوط همگن دهند و در این میان سوخت متان با توجه به ساختار ساده مولکولی که دارد آالیندههای بسیار کمتری را نسبت به سوختهای سنگین در فرآیند احتراق تولید می کند [12]. سوخت متان عدد اکتان باالیی دارد از اینرو استفاده از آن برای موتورهای احتراق تراکمی مشکل میباشد در نتیجه استفاده از مخلوط دیزل- متان در موتورهای اشتعال تراکمی سوخت همگن سبب میشود تا از امتیازات هر دو سوخت بهره جست. جدول 1 - مقایسه موتورهای دیزلی و بنزینی دیزلی بنزینی احتراق مناسب زیاد مصرف سوخت 44% 34% حداکثر بازده حرارتی افت در اثر دریچه گاز آالینده آالینده NOx soot آالینده HC آالینده CO در این مقاله تاثیر پارامترهایی نظیر نسبت پیشآمیختگی سوخت گازی و دمای هوای ورودی بر روی موتور احتراق تراکمی سوخت همگن ابتدا با سوخت دیزل سپس با مخلوط دیزل متان بررسی میشود. در حالت دو سوخته مخلوط همگن هوا-گاز متان وارد سیلندر شده و دیزل به عنوان سوخت پاششی به مخلوط اضافه میگردد. 2- الگوهای محاسباتی در این کار از نرم افزار AVL FIRE که یک کد دینامیک سیاالت محاسباتی بر اساس دیدگاه حجم محدود میباشد استفاده شده است. با استفاده از این نرم افزار میتوان تمامی فرآیندهای داخل سیلندر را توسط یک مدل شبکه بندی شده متحرک از زمان بسته شدن سوپاپ ورودی تا زمان باز شدن سوپاپ خروجی شبیه سازی کرد. از جمله الگوهایی که برای این شبیه سازی مورد استفاده قرار گرفته است دراین قسمت بصورت مختصر معرفی میشود. 3- الگوی جریان آشفته در این کار از مدل k-zeta-f برای شبیه سازی جریان متالطم استفاده شده است. این مدل توسط هانجالک و همکارانش [13] بر پایه مدل دوربین[ 14 ] توسعه یافته است. در مدل دوربین به جای انرژی جنبشی توربوالنسی k از مقیاس سرعت ν 2 برای محاسبه لزجت ادی استفاده میشود [14] :

4 نشریة پژوهشی مهندسی مکانیک ایران سال شانزدهم شماره دوم زمستان ν t = C ν T 2 )1( مثال C k ε در معادله ν 2 1 برابر نوسانات سرعت به عنوان انحراف از مقدار متوسط آن و T مقیاس زمانی مناسب )بطور =T( و ثابت توربوالنسی میباشد. بنابراین در این مدل عالوه بر معادالت انرژی جنبشی توربوالنسی و نرخ افت انرژی توربوالنسی که در مدل k-ε ارائه شده است دو معادله دیگر یکی معادله انتقال برای نوسانات ) ν 2 و دیگری معادله تخفیف بیضی گون f که به منظور مدل کردن اثرات غیر ایزوتروپیک دیواره سرعت ( میباشد باید حل شود[ 14 ]: ν 2 t + U ν 2 j = kf ν2 x j k ε + x j [(ν + ν t σ ν 2 ) ν2 ] x j )2( L 2 2 f f = C 1 1 T ( ν2 k 2 3 ) C P k 2 ε )3( ζ = ν2 در محاسبه لزجت اما در مدل توسعه یافته k-ζ به جای نوسانات سرعت ν 2 از مقیاس نسبت سرعت k آشفتگی استفاده میشود. معادله ζ میتواند بصورت مستقیم از معادله ν 2 و k در روش دوربین بدست آید[ 13 ]: ν t = C ζ k T )4( ζ t + U ζ j = f ζ x j k P k + [(ν + ν t ) ζ ] x j σ ζ x j )5( در روابط 2 الی 5 و C 1 و C 2 σ ζ و σ ν 2 ثابتهای معادله و P k تولید انرژی جنبشی توربوالنسی میباشد. 4- الگوی احتراق مدلهای احتراقی موجود در نرمافزار امکان بررسی و شبیه سازی فرآیند احتراق را در موتورهای احتراق داخلی تحت شرایط احتراق پیشآمیخته پیشآمیخته جزئی و غیر پیشآمیخته فراهم میکند. در این کار از مدل ECFM3Z برای شبیه سازی احتراق استفاده شده است. با توجه به اینکه مدل ECFM مختص موتورهای بنزینی میباشد مدل ECFM-3Z توسط کنسرسیوم GSM )Gropement Scientifiqe Moters( به طور خاص برای احتراق دیزلی طراحی شده است. این مدل همچنین بر اساس مدل احتراقی ECFM بنیان نهاده شده و با یک توصیف شیمیایی گاز سوخته پیشرفته کوپل شده است. این مدل احتراقی بر اساس معادله انتقال چگالی سطح شعله و یک مدل ترکیبی که قادر است احتراق دیفیوژنی و پیشآمیخته متالطم ناهمگن را توصیف کند میباشد. با استفاده از این مدل میتوان سوختهایی که از چندین گونه شیمیایی تشکیل شدهاند را تعریف کرد. در این مدل اجزای مختلف سوخت با هم ترکیب شده و به عنوان یک مخلوط سوخت در نظر گرفته میشود و این بدان معنی است که اثرات نظیر خوداشتعالی و پیشروی شعله برای این سوخت ترکیبی پیشبینی شده و سرعت واکنش برای هر یک از اجزای سوخت بطور جداگانه محاسبه و محصوالت احتراق بر اساس احتراق تک تک اجزا تعیین میشود.

5 50 شبیه سازی عددی موتورهای احتراق تراکمی سوخت همگن... شکل 1 - نمای شماتیک از منطقهبندی سلول محاسباتی درمدل [15] ECFM3Z در این مدل به منظور تعریف فرآیند احتراق دیفیوژنی و پیشآمیخته هر سلول محاسباتی به 3 منطقه تقسیم میشود: 1- منطقه با سوخت خالص 2- منطقه با هوای خالص به عالوه گازهای پسماند در صورت وجود 3- منطقه با مخلوطی از سوخت و هوا و گازهای پسماند. در مقایسه با مدل ECFM مدل ECFM-3Z موارد زیر را در بر میگیرد: - سه ردیاب )Tracer( جدید برای CO NO و H2 جهت بدست آوردن کسر جرمی در گازهای نسوخته F ρ F - دو ذره توصیف کننده اختالط شود( و A ρ O 2. y - ذرات میانه برای خوداشتعالی 1 و بنابراین 5 اسکالر دیگر به حساب خواهد آمد. در مدل ECFM3Z معادله انتقال برای مقادیر متوسط گونههای شیمیایی )تنها جهت تولید مجدد مقادیر مختلط استفاده می- H2 HC CO CO2 N2 O2 NO و OH N H O H2O برای هر سلول محاسباتی که هر سلول نیز شامل 3 منطقه است حل میشود. بنابراین عبارت گازهای سوخته شده شامل گازهای واقعی سوخته شده به عالوه یک قسمت از سوخت مخلوط نشده و هوا میشود. این معادله به صورت کالسیک به شکل زیر مدلبندی میشود: ρ y x t + ρ iy x x i (( μ x i Sc + μ t ) y x ) = ω x Sc t x i )5( ω x در حالیکه ترم منبع احتراق و y x کسر جرمی میانگین ذرات α است. سوخت به دو بخش تقسیم میشود: سوختی که در گازهای تازه موجود است سوخته شده موجود است y F [23-12]. y F )7( که و سوختی که در گازهای y F = m F m = F V m m v = ρ F ρ and y F = m F m = F V m m v = ρ F ρ y F = y F + y F به عنوان کسر جرمی میانگین سوخت در سلول محاسباتی میباشد.

6 نشریة پژوهشی مهندسی مکانیک ایران سال شانزدهم شماره دوم زمستان m F جرم سوختی است که در گازهای تازه نگهداری شده است )به همین صورت است که در گازهای سوخته شده نگهداری شده است(. معادله انتقال برای محاسبه صورت زیر:[ ] m F y F جرم سوختی نوشته میشود به ρ y F t + ρ iy F x i x i (( μ Sc + μ t ) y F Sc t x i ) = ρ S F + ω F )0( S F ترم منبع است که تبخیر سوخت را در گازهای تازه کمی میکند. ω F ترمی است که خود اشتعالی شعله از پیش آمیخته و اختالط بین نواحی سوخته شده و نسوخته را به حساب میآورد. در طول تبخیر قطرات سوخت مایع سوخت گازی تولید شده نشده توزیع میشود. در این صورت اگر F و S F S F گازهای سوخته شده و سوخته نشده باشد با توجه به معادله پیوستگی: S بین منطقه سوخته شده و سوخته به ترتیب برابر عبارت چشمه سوخت مایع تبخیر شده در ρ y F t ρ y F t + ρ iy F X i + ρ iy F X i X i (( μ S C + μ t X i (( μ S C + μ t ) y F S Ct ) y F S Ct ) = ρ S X i ) = ρ S X i F F + ω F ω F + ω F + ω F )0( )14( در معادلههای 0 و 14 μ و μ t اشمیت برای المینار و توربوالنس و به ترتیب ویسکوزیته المینار و توربوالنس S C و S Ct و y F y F شده و سوخته نشده میباشد. مقدار سوختی که در منطقه تماما به منطقه میباشد. F F انتقال خواهد یافت از این رو عبارت چشمه به ترتیب برابر عدد به ترتیب برابرکسر جرمی سوخت موجود در گازهای سوخته قرار داشته و در حین احتراق اکسیده نمیشود ω F و ω F ω F سوخته نشده است[ 15 ]. نرخ واکنش و ω F ω F برابر جرم این سوخت انتقال یافته به ترتیب برابر نرخ واکنش اکسیداسیون سوخت موجود در منطقه سوخته شده و از روابط ذیل محاسبه می شود: بطور کلی نرخ واکنش سوخت از یک مکانیزم دو مرحله ای شیمیایی )روابط 11 و 12( استخراج می گردد که در این رابطه n تعداد اتم های m C تعداد اتم های H و k تعداد اتم های اکسیژن می باشد. C n H m O k + (n + m 4 k 2 ) O 2 n CO 2 + m 2 H 2O C n H m O k + ( n 2 k 2 ) O 2 n CO 2 + m 2 H 2 )11( )12( نرخ واکنش رابطه )11( از فرمول زیر محاسبه می شود: ω f,l = ω L γ )13( همچنین در رابطه )12( نرخ واکنش از فرمول γ) ω f,2 = ω L (1.0 محاسبه می شود.

7 51 شبیه سازی عددی موتورهای احتراق تراکمی سوخت همگن مدل جدایش در کار حاضر از مدل ترکیبی کلوین هلمهولتز-رایلی تیلور )KH-RT( شده است به منظور شرح جدایش و اتمیزاسیون قطرات استفاده می گردد. در مدل که از بروزترین و کاملترین مدلهای ارائه KH-RT امواج سطحی کلوین هلمهولتز و آشفتگی رایلی تیلور به منظور شرح جدایش قطرات با هم ترکیب می گردند. مدل کلوین )KH( هلمهولتز برای اسپری های با سرعت های نسبی باال در حال نفوذ در یک محیط با چگالی باال مناسب می باشد. این مدل بر اساس آنالیز خطی مرتبه اول رشد ناپایداری کلوین هلمهولتز بر روی سطح یک جت مایع سیلندری شکل با شعاع اولیه که با سرعت به داخل گاز غیرقابل تراکم ساکن نفوذ می کند پایه گذاری شده است. فرض می گردد که به علت آشفتگی ایجاد شده در سوراخ نازل سطح جت با یک طیف امواج سطحی سینوسی پوشیده شده است. همانطور که در شکل )2( دیده می شود این امواج سطحی به علت نیروهای آیرودینامیکی ناشی از سرعت نسبی بین گاز و مایع رشد می کنند. شکل 2 - نمایی از رشد ناپایداری در سطح جت مایع بر اساس مدل KH R در این مدل فرض میشود که یک parcel با قطرات با شعاع در اثر جدایش به قطرات جدید با شعاع R C تبدیل میگردد: R C = B 0 Λ KH )13( KH طول موج متناظر با موج با بیشتترین نرخ رشتد KH میباشد و B 0 بیشترین نرخ رشد و طول موج متناظر با آن با استفاده از روابط زیر بدست میآید:[ 20 ] ثابت مدل و برابر 4651 است. KH KH 1.5 G ) LR Z 1 0.4T We 0. 6 G We (1 Z)(1 1.4T 9.02R We G R G 2 rel )14( )15( )15( Z We L Re L )17( T We G )10(

8 نشریة پژوهشی مهندسی مکانیک ایران سال شانزدهم شماره دوم زمستان در معادالت فوق اینجا We G عدد وبر فاز گازی Z عدد آنسورگ و Re l T عدد تیلور تعریف میشود. در طی فرآیند جدایش نرخ تغییر شعاع قطرات یک ذیل محاسبه میگردد: عدد رینولدز قطره مایع است. همچنین در parcel dr dt = R R c τ KH )10( در این معادله KH مدت زمان جدایش میباشد که میشود: براساس رابطه τ kh = 3.726B 1R Ω (KH) Λ KH )24( B 1 ثابت بین 14 تا 54 نیافته( بکار میرود. متغیر است. مدل KH برای پیش بینی جدایش اولیه یک جت مایع کامل )جدایش 6- الگوی تشکیل NOx NO حرارتی: NO حرارتی در پشت جبهه شعله و در بین گازهای داغ حاصل از احتراق شکل میگیرد. اولین بار مکانیزم دو مرحلهای آن توسط زلدوویچ ارائه و سپس توسط آقای الوای توسعه یافت. این مکانیزم توسعه یافته شامل سه واکنش مقدماتی میباشد: ضرایب O + N 2 k 1 NO + N N + O 2 k2 NO + O N + OH k 3 NO + H k i برابر نرخ واکنش بوده که مقادیر این ضرایب از طریق روشهای آزمایشگاهی بدست میآید. 7- الگوی تبخیر در این کار از الگوی یافته الگوی Mlti-Component Aramzon-Sirignano باشد شار جرمی قطره از معادله 21 بدست میآید: )21( که برای شبیه سازی تبخیر سوخت استفاده شده است. این الگو تعمیم میباشد. بر طبق این الگو هنگامیکه ذرات در نقطه باالی دمای جوش dm p dt = Q C + Q R V V گرمای نهان تبخیر ذره و Q C و Q R به ترتیب انتقال حرارت جابجایی و تشعشعی میباشد. هنگامیکه ذرات در نقطه پایین دمای جوش باشند شار جرمی از رابطه 14 بدست میآید: dm p dt = πρ gβ g D d sh ln ( 1 Y v, 1 Y V ) )22( در رابطه 22 Y v, ( کسر جرمی بخار Y V قطره β g ضریب پخش و ρ g چگالی جزء ذره است. کسر جرمی جریان آزاد بخار به دور از سطح قطره( D d Sherwood عدد sh sh = 2 + (sh 0 2) F M ; sh 0 = Re 1 2Sc 1 3 )23( قطر بوده و از رابطه 23 محاسبه میشود:

9 53 شبیه سازی عددی موتورهای احتراق تراکمی سوخت همگن به منظور تعمیم این الگو برای حالت Mlti-Component باید فرضیات زیر در نظر گرفته شود: ذرات مایع در تمامی نسبتها کامال قابل اختالط باشند. در داخل ذرات نیروی وارده از طرف اجزاء مختلف ذرات با هم برابر باشند. در نتیجه در حالت Mlti-Component انتقال جرم هر جزء درون قطره بصورت جدا انجام میگیرد از اینرو میزان شار جرمی کلی برای هر قطره برابر خواهد بود با: n m = m i i=1 )24( در رابطه 24 n تعداد اجزاء موجود در قطره میباشد [17]. 8- معادالت و مدلهای حاکم بر مسأله معادالت اساسی مومنتوم پیوستگی و انرژی برای یک سیکل بسته محاسبه میشود. معادالت )25( مومنتوم و پیوستگی مربوط به محاسبه میدانهای سرعت و فشار و معادله انرژی مربوط به محاسبه آنتالپی میباشد. شکل کلی معادالت بقا جرم مومنتوم و انرژی را به ترتیب برای یک حجم کنترل میتوان به صورت زیر نوشت: ρ t = (ρu x i ) j DU i Dt = ρ U i t + ρu U i i = ρg x i + σ ij j x j = ρg i P + [μ ( U i x j ρ DH Dt x i = ρ ( H t + U H j ) x j x j + U j 2 U k δ x i 3 x ij )] k = ρg j + P t + x i (τ ij U j ) + x j (λ T x j ) )25( )27( که در اینجا ρ چگالی سیال U سرعت سیال g شتاب گرانشی σ تانسور تنش P فشار سیال μ لزجت سیال τ چشمه حرارتی q آنتالپی سکون سیال H تانسور واحد δ میباشد. 9- معادله ممنتوم اسپری معادله ممنتوم اسپری به صورت زیر می باشد: تنش برشی سیال و λ ضریب هدایت حرارتی m d d id dt )20( نیروی درگ Fidr( ) به صورت زیر محاسبه می گردد: = F idr + F ig + F ip + F ivm + F i F idr = D p. irel )20( تابع درگ )Dp( از رابطه زیر محاسبه می شود: D p = 1 2 ρ ga d C D rel )34(

10 نشریة پژوهشی مهندسی مکانیک ایران سال شانزدهم شماره دوم زمستان A d سطح مقطع ذره rel سرعت نسبی gρ به عدد رینولدز بستگی دارد و بصورت زیر محاسبه می گردد: )31( چگالی گاز و CD ضریب درگ می باشد که آخری )ضریب درگ( 24 ( Re C D = { Re d C d ) Re d < 10 3 p 0.44 Cp Re d 10 3 Re d = ρ g rel D d μ g )32( 11- الگوی برخورد قطرات سوخت با دیواره برای شبیه سازی اثرات متقابل قطرات سوخت اسپری شده و دیواره سیلندر از مدلWalljet1 استفاده شده است. در این الگو فرض بر این است که قطره هنگام برخورد با دیواره سیلندر یا بر روی میلغزد یا از روی آن برمیگردد. برای مشخص شدن هر یک از این دو حالت یک عدد وبر بحرانی برای قطرات برخوردکننده تعریف میشود که مقدار آن برابر با 04 است )80 = c.)we اگر عدد وبر قطره برخورد کنند کمتر از مقدار بحرانی باشد ( c )We < We مولفه مماسی سرعت قطره تغییر نکرده اما مولفه عمودی آن معکوس شده و اندازه آن تابعی از عدد وبر قبل و بعد از برخورد خواهد شد. اما اگر عدد وبر قطره بیشتر از مقدار بحرانی باشد ( c )We > We قطره بعد از برخورد به دیواره تغییر جهت داده ولی اندازه سرعت آن تغییر نخواهد کرد [17]. 11- روش حل عددی - روش گسسته سازی 6 معادالت نرم افزار AVL Fire برای حل معادالت حاکم بر جریان سیال روش گسسته سازی حجم محدود را به کار میبرد که بر پایه بیانهای بقایی انتگرالی برای یک حجم کنترل دلخواه بنا نهاده شده است. قواعدی را که در این روش توسط این نرم افزار به کار میرود میتوان به صورت زیر خالصه کرد: دستگاه مختصات مورد استفاده دستگاه مختصات کارتزین است و اجزاء برداری و تانسوری در قالب ترمهای کارتزین بیان میشوند. تمام متغیرهای وابسته در یک مرکز هندسی از حجم کنترل ذخیره میشوند. در مرزها این متغیرها در مرکز سطحهای مرزی حجم کنترل تعریف میشوند. برای مقداردهی به متغیرهای وابسته مشتقات آنها و خواص سیال در موقعیتهایی غیر از مرکز سلول از اختالف خطی استفاده میشود. به دلیل دقت مرتبه دوم اختالف خطی متغیرهای وابسته روش گسسته سازی به کار گرفته شده دارای دقت مرتبه دوم است. برای به دست آوردن معادالت گسسته شده اصول زیر که مربوط به روند گسسته سازی هستند باید مشخص شوند: خواص هندسی و موقعیتی شبکه عددی. 1 Discretization

11 55 شبیه سازی عددی موتورهای احتراق تراکمی سوخت همگن... روش درونیابی مورد استفاده در مقداردهی به کمیتهای متعددی که در مرکز سلول مورد نیاز هستند از قبیل محاسبه مشتقات در مرکز سلول و مرکز سطح. تخمین زدن گام زمانی انتگرالگیری. روش عددی حجم محدود به ما این اجازه را میدهد که تقریبا بتوانیم هر شکلی را برای شبکه محاسباتی اختیار کنیم ولی اشکالی از قبیل مکعب شش سطحی منشور چهار وجهی و هرم بیشتر مورد استفاده قرار میگیرند. در شکل )3( انواع مختلف حجم کنترل مورد استفاده توسط نرمافزار نشان داده شده است. Fire برای ایجاد شبکه عددی شکل 3 - انواع متعدد حجم کنترل مورد استفاده در نرمافزار Fire در ایجاد شبکه r مشخص میشود به طور فیزیکی شبکه n ( xk رئوس V n با توجه به موقیتشان که توسط بردار مکان (t, محاسباتی را تعریف میکنند. لبهها توسط خطوط مستقیم به هم متصل میشوند که در واقع سطوح حجم کنترل را میسازند. تمام معادالت حاکم بر جریان برای تک تک حجمهای کنترل به روش عددی حجم محدود حل میشوند تا مقادیر عددی مربوط به معادالت حاکم بر میدان جریان سیال به دست آید.

12 نشریة پژوهشی مهندسی مکانیک ایران سال شانزدهم شماره دوم زمستان شکل 4 - مدل شبکه بندی شده سه بعدی در زوایای 104 و 354 درجه میل لنگ یک چهارم فضای سیلندر 12- مشخصات موتور و شرایط اولیه موتور مورد بررسی در این کار موتور دیزل Detz بوده که مشخصات کامل آن در جدول )2( درج شده است. در این کار به دلیل کاهش زمان محاسبات تنها یک چهارم سیلندر )04 درجه( شبیه سازی شده است و این زاویه قطاع بر اساس تعداد سوراخ انژکتور تعیین میگردد. )n/354 که n تعداد سوراخ انژکتور میباشد(. در این بررسی همانطور که قبال نیز گفته شد سوخت دیزل برای تشکیل مخلوط همگن زودتر درون محفظه پاشیده میشود [12]. با توجه به نتایج بدست آمده بهینهترین حالت برای زمانبندی پاشش 04 درجه قبل از نقطه مرگ باال )زاویه 274 درجه میل لنگ( میباشد. F6L912Q چهار زمانه 5 سیلندر خطی تنفس طبیعی میلی متر 215 میلی متر 5/55lit 17 4 جدول 2 - مدل نوع موتور مشخصات موتور قطر سیلندر کورس طول شاتون حجم نسبت تراکم تعداد سوراخهای انژکتور

13 57 شبیه سازی عددی موتورهای احتراق تراکمی سوخت همگن... در حالت دو سوخته سوخت متان بصورت پیش آمیخته وارد محفظه شده و سوخت دیزل نیز بصورت پاششی تزریق میشود. برای نشان دادن اثرات سوخت گازی بر روی احتراق HCCI از نسبت پیش آمیختگی استفاده میشود. این نسبت برابر نسبت انرژی سوخت پیش آمیخته )Qp( به انرژی کل سوخت )Qt( است. r p r p = Q p m ph p = Q t m ph p + m dh d m d )33( در رابطه 33 m p دبی جرمی سوخت گازی پیشآمیخته دبی جرمی سوخت پاششی حرارتی سوخت پیشآمیخته گازی و h p ارزش حرارتی سوخت پاششی میباشد. زمانیکه دهنده حالت تک سوخته در موتور h d rp=1 HCCI بوده و rp=0 نشان دهنده حالت HCCI ارزش باشد نشان بصورت سوخت پاششی است. در این مقاله نسبت های پیش آمیخته 4/55 4/55 4/44 4/33 4 و 4/75 در دماهای ورودی 354K 344K 324K و 304K بررسی شده است /1 4-4/75 جدول 3 - شرایط اولیه سرعت موتور )rpm( زمانبندی پاشش سوخت مستقیم )BTDC( دمای اولیه سوخت پاشش شده )K( دمای هوای ورودی )K( فشار ورودی )ar( نسبت پیشآمیختگی 13- صحه گذاری به منظور صحه گذاری الگوهای استفاده شده در این شبیه سازی از نتایج تجربی این موتور که در مرجع[ 10 ] نشان داده شده است استفاده میشود. شکل 5 - مقایسه تغییرات فشار و نرخ گرمای آزاد شده حاصل از نتایج تجربی وشبیه سازی

14 نشریة پژوهشی مهندسی مکانیک ایران سال شانزدهم شماره دوم زمستان این نتایج تجربی برای حالت دوسوخته دیزل-گاز متان بوده بطوریکه مقدار سوخت متان برابر 27 میلیگرم و سوخت دیزل پاششی 5 میلیگرم میباشد. سوخت متان بصورت همگن و با دمای 355K وارد محفظه شده و سوخت دیزل در زاویه میل لنگ 14 درجه قبل از نقطه مرگ باال تزریق میشود. در شکل )5( نمودار فشار و نرخ حرارت آزاد شده برای داده های تجربی و شبیه سازی شده با هم مقایسه شده است. با توجه به شکل میتوان نتیجه گرفت که نتایج تئوری و تجربی از توافق خوبی برخوردار هستند. 14- بحث و بررسی نتایج مشخصه های احتراق: نکته: تمامی اعداد ذکر شده برای پارامترهای مختلف مورد بررسی مانند فشار دما نرخ حرارت آزاد شده و غیره حداکثر مقدار بدست آمده از هر نقطه داخل سیلندر می باشد. به این معنا که یک نقطه خاص در داخل سیلندر بررسی نشده است. در شکل )5( نمودار دمای درون سیلندر و نرخ حرارت آزاد شده در نسبت پیشآمیختگی 4/55= p r نشان داده شده است. با توجه به نمودار گرمای آزاد شده دو مرحله احتراق یکی مرحله احتراق دما پایین یا به LTR اختصار و دیگری مرحله احتراق دما باال ( احتراق اصلی( که به اختصار HTR نامیده شده است دیده میشود. در اینجا پدیده شعله سرد )واکنش دما پایین( در محدوده دمایی بین 044K~754 و مرحله احتراق دما باال )HTR( در فاصله دمایی 1454K~044 بالفاصله بعد از کاهش فرآیند LTR شروع میشود. به این محدوده دمایی که حرارت آزاد شده بصورت دو مرحلهای است منطقه ضریب دمایی منفی )NTC( گفته میشود زیرا در این منطقه با افزایش دما تاخیر در احتراق نیز افزایش خواهد یافت. مینتی [10] و پکالسکی [24] برای اولین بار به پدیده شعله سرد که میتواند در دمایی پایینتر از دمای خود احتراقی روی داده و منجلب به دو مرحله ای شدن احتراق شود پی بردند. نتایج عددی و آزمایشگاهی نشان میدهد که پدیده شعله سرد حدود 144 درجه پایینتر از دمای خود احتراقی مخلوط سوخت و هوا روی میدهد. شکل 6 - نمودار متوسط دمای درون سیلندر و نرخ حرارت آزاد شده برای نسبت پیشآمیختگی rp=4/55

15 50 شبیه سازی عددی موتورهای احتراق تراکمی سوخت همگن... θ PKL در این مقاله زمان شروع احتراق )SOC( برابر با 14 درصد ماکزیمم حرارت آزاد شده )HTR( در نظر گرفته میشود )شکل 7 (. در نتیجه اگر θ PKL زاویه میل لنگ مطابق با ماکزیمم حرارت آزاد شده دما پایین )LTR( باشد فاصله بین و SOC برابر با طول NTC بر حسب زاویه میل لنگ خواهد بود [21]. شکل 7 - تعریف شروع احتراق[ 22 ] در شکل )0( زمان شروع احتراق برای دماهای ورودی و نسبتهای پیشآمیختگی مختلف نشان داده شده است. با توجه به شکل میتوان دریافت که دمای هوای ورودی تاثیر زیادی در شروع احتراق خواهد داشت بطوریکه با افزایش دمای ورودی احتراق نسبت به نقطه مرگ باال زودتر شروع میشود. زیرا با افزایش دمای هوای ورودی متوسط دمای درون محفظه نیز افزایش یافته از اینرو غلظت رادیکال هیدروپراکسید والفین که مستقیما به دما وابسته هستند باال رفته و سبب تشکیل رادیکال H2O2 هیدرواکسیل )OH( باعث احتراق زودرس میشوند[ 23 ]. اما با افزایش r p در شروع احتراق مشاهده نمیشود بطور مثال در دمای ورودی 324K با افزایش خواهد شد که در ادامه رادیکالهای یا مقدار سوخت گازی روند خاصی r p از نسبت 4/33 تا 4/75 زمان شروع احتراق از A 352 به A 354 کاهش مییابد. در حالیکه در دمای هوای ورودی 304K شروع احتراق در نسبت 4= r p تا = 4/55 p r از زاویه A 351 تا زاویه A 340 کاهش یافته و بعد از آن تا نسبت 4/75= p r احتراق تا زاویه 351 درجه به تاخیر میافتد. شکل )0( نمودار طول مدت احتراق را نشان میدهد. همانطور که از شکل دیده میشود طول مدت احتراق بر عکس شروع احتراق وابستگی زیادی به نسبت پیش آمیختگی سوخت گازی دارد. با افزایش متان مدت زمان احتراق کاهش یافته و احتراق سریعتر انجام میگیرد. در این حالت مقدار بیشینه فشار نیز افزایش یافته و احتراق شدیدتر و احتمال کوبش افزایش مییابد. دلیل این احتراق شدید این است که سوختهای گازی شکل میتوانند به راحتی با هوا تشکیل مخلوط همگن داده و از این رو شروع احتراق تقریبا در سراسر محفظه و بصورت همزمان رخ میدهد. با توجه به شکل )0( طول مدت احتراق با افزایش دمای ورودی به مقدار بسیارکم کاهش مییابد زیرا احتراق بعد از نقطه مرگ باال خاتمه یافته که در این حالت با افزایش حجم سیلندر دمای آن رفته رفته کمتر میشود در نتیجه با افزایش دمای متوسط محفظه واکنش سوخت و هوا بعد از نقطه مرگ باال سریعتر شده و پایان میپذیرد.

16 نشریة پژوهشی مهندسی مکانیک ایران سال شانزدهم شماره دوم زمستان شکل 8 - زمان شروع احتراق در دماها و نسبتهای پیشآمیختگی مختلف شکل 9 - طول مدت احتراق در دماها و نسبته یا پیشآمیختگی مختلف همانطور که قبال گفته شد با افزایش سوخت متان احتراق شدیدتر بوده و احتمال فرآیند کوبش وجود خواهد داشت. در این مقاله برای پیشبینی فرآیند کوبش از نمودار نرخ تغییرات فشار نسبت به زاویه لنگ )dp/dθ( استفاده شده است. در این کار مقدار بحرانی شیب فشار برای کوبش برابر با 51ar/ A در نظر گرفته شده و چنانچه نمودار شیب فشار پایینتر از این مقدار قرار گیرد میتوان گفت که احتراق سالم است [21]. شکل )14( نمودار شیب فشار را در دو نسبت پیش آمیختگی 4/75= p r و 4/55= p r که احتمال کوبش در این دو نسبت بیشتر است را نشان میدهد. با توجه به شکل )14( مشاهده میشود که در نسبت 4/75= r p و دمای هوای ورودی 304K کوبش رخ داده است. شکل) 11 ( مقادیر فشار موثر متوسط )IMEP( را در دماها و نسبتهای پیشآمیختگی مختلف نشان میدهد. imep = W c,i η f,i = = m fq LHV η f,i V d V d W c,i m f Q LHV رابطه )34( رابطه )35( پارامترهای روابط باال به شرح زیر می باشد: مجموع کار اندیکاتوری در کورس تراکم و انبساط در یک سیکل = Wc,i QLHV = Vale of the Lower Heat Vale حجم جابجایی داخل سیلندر = Vd جرم سوخت = mf در دمای هوای ورودی 324K با افزایش r p تغییرات زیادی در مقدار IMEP دیده میشود و این در حالی است که با افزایش دمای هوای ورودی این تغییرات کمتر شده و شکل نمودار به صورت یک خط راست در میآید. دلیل این روند تغییرات این است که سوخت دیزل از جمله سوختهایی است که تبخیر آن به سختی صورت میگیرد از اینرو با کاهش دمای هوای ورودی مقدار سوخت مایع تبخیر شده تا رسیدن به مرحله احتراق کمتر و در نتیجه از توان تولید شده نیز کاسته میشود.

17 71 شبیه سازی عددی موتورهای احتراق تراکمی سوخت همگن... شکل 11 - نمودار شیب فشار نسبت به زاویه لنگ در نسبت پیشآمیختگی الف( rp=4/55 ب( rp=4/75 از روی شکل نیز دیده میشود که در دماهای پایینتر با افزایش مقدار سوخت دیزل توان خروجی و فشار موثر متوسط شدیدا کاهش مییابد بطوریکه در دمای هوای ورودی 324K از نسبت 4/33= مقدار r p IMEP IMEP تا =4/75 p r از 4/477Mpa تا 4/557Mpa افزایش یافته است. اما در دمای هوای ورودی 304K ماکزیمم در نسبت 4/55= r p بوده که مقدار آن برابر با 4/405Mpa میباشد. شکل 11 - تغییرات فشار موثر متوسط درنسبته یا پیشآمیختگی ودمای هوای ورودی مختلف در شکل )12( نمودارهای فشار بر حسب زاویه لنگ در هر چهار دمای ورودی رسم شده است از روی نمودارها میتوان نتیجه گرفت که با افزایش دمای ورودی شکل منحنی فشار برای نسبتهای مختلف هم نزدیکتر میشود. rp به

18 نشریة پژوهشی مهندسی مکانیک ایران سال شانزدهم شماره دوم زمستان نکته دیگری که میتوان از روی نمودارهای فشار دریافت این است که دردماهای ورودی پایینتر به علت تاخیر در شروع احتراق بیشینه فشار در نقطهای دورتر نسبت به نقطه مرگ باال قرار میگیرد و همین امر سبب میشود که کار منفی در طول مرحله تراکم کمتر شده و توان خروجی افزایش یابد. همانطور که در شکل rp )11( دیده میشود بیشینه فشار موثر متوسط در نسبت پیشآمیختگی 4/75= میباشد. و دمای هوای ورودی 324K شکل 12 -تغییرات فشار درون سیلندر در نسبتهای پیشآمیختگی و دمای هوای ورودی مختلف آالیندهها از جمله نقاط قوت موتورهای HCCI کاهش چشمگیر آالینده NOx بوده که دلیل آن پایین بودن دمای محفظه در این نوع احتراق میباشد. اما از آنجاییکه ترکیب سوخت متان و دیزل باعث شدیدتر شدن احتراق و باال رفتن دمای متوسط درون سیلندر میشود و از طرفی تشکیل بخش مهمی از آالینده NOx روی میدهد در نتیجه مقدار این آالیندهها در حالت دو سوخته افزایش خواهد یافت [24]. شکل) 13 ( مقدار آالینده NOx را برحسب در دمای باالی 1044 (mass) ppm نسبت به دمای هوای ورودی و نسبت پیشآمیختگی نشان میدهد. بطور مشخص با افزایش دمای هوای ورودی میزان آالینده NOx به جز در یک مورد rp=4/33( و )Tin=304K در تمامی نسبت های r p افزایش مییابد. زیرا در دماهای باال انرژی الزم برای واکنش اکسیژن و نیتروژن فراهم شده و در نتیجه میزان تولید اکسید ازت حرارتی افزایش خواهد یافت. بیشترین مقدار این آالینده در نسبت rp=4/44 بوده که از این نقطه به بعد در اکثر موارد با افزایش نسبت پیشآمیختگی NOx کاهش یافته است. دلیل این کاهش نیز این است که با افزایش r p مقدار اکسیژن موجود درون محفظه به دلیل جایگزین شدن سوخت گازی کاهش یافته و این کمبود اکسیژن سبب کاهش میزان تشکیل اکسید ازت خواهد شد. در دمای هوای ورودی 324K مقادیر NOx بسیار اندک میباشد بطوریکه بیشترین مقدار آن در

19 73 شبیه سازی عددی موتورهای احتراق تراکمی سوخت همگن... NOx است که اگر بخواهیم با استانداردهای آالیندگی مقایسه کنیم 15ppm برابر با rp=4/55 در این نقطه برابر با 4/1 g/kwh خواهد شد که این مقدار پایینتر از استاندارد سال 2413 تصویب شده است میباشد [25]. )4/4 g/kwh( Ero VI ویژه اندیکاتوری که برای شکل 13 - تغییرات آالینده NO x در نسبتهای پیشآمیختگی و دمای هوای ورودی مختلف یکی از چالشهای مهم موتورهای HCCI تولید مقدار زیاد آالینده های منواکسیدکربن )CO( و هیدروکربن نسوخته )HC( میباشد. در نسبتهای اکیوواالنسی باال منبع اصلی تولید CO و HC در موتورهای HCCI درزها و شکاف های درون سیلندر و الیه های مرزی بین دیواره سیلندر و پیستون بوده و در نسبتهای اکیوواالنسی پایین علت اصلی تولید این آالیندهها اکسیداسیون ناقص گازهای درون سیلندر میباشد. در شکلهای ( 14 و 15( همانطور که مشاهده میشود با ترکیب سوخت متان کاهش بسیار چشمگیری در مقدار آالیندههای تولیدی بوجود میآید. با توجه به شکل )15( با افزایش rp مقدار آالینده CO تا حد زیادی کاهش مییابد بطوریکه در دمای ورودی 304K مقدار این آالینده از حدود 4/00 درصد به مقدار 4/35 و 4/41 درصد به ترتیب برای 4/55= p r و 4/75= p r کاهش پیدا میکند. علت این کاهش این است که با توجه به شکل )15( با افزایش سوخت گازی طول مدت احتراق کاهش یافته و عمل سوختن سریع و در نتیجه اکسیداسیون سوخت کاملتر میشود. از سوی دیگر با افزایش دمای هوای ورودی و افزایش دمای متوسط درون محفظه زمان کافی برای کامل شدن مرحله آخر و نسبتا ارام تبدیل CO به حالت برای کاهش آالینده HC هوای ورودی 304K میباشد. CO2 و CO وجود خواهد داشت. با توجه به شکل بهینه ترین به ترتیب در نسبتهای پیشآمیختگی 4/55= p r و 4/55= p r و دمای

20 نشریة پژوهشی مهندسی مکانیک ایران سال شانزدهم شماره دوم زمستان شکل 15- شکل 14 - تغییرات آالینده HC در دماهای ورودی و نسبتهای پیشآمیختگی مختلف تغییرات آالینده CO در دماهای ورودی و نسبتهای پیشآمیختگی مختلف 15- نتیجه گیری در این مقاله با توجه به نتایج به دست آمده مشاهده شد که در احتراق همگن ترکیب سوخت متان با دیزل تاثیر بسیار زیادی بر توان موتور و آالیندههای خروجی دارد بطوریکه با استفاده از دماه یا مختلف هوای ورودی میتوان عملکرد موتور را بهبود و آالیندههای خروجی را کاهش داد. این نتایج را میتوان به صورت زیر خالصه و بیان نمود: دمای ورودی نقش تعیین کنندهای در شروع احتراق دارد بطوریکه افزایش دمای ورودی سبب احتراق زودرس میشود. از اینرو بیشینه فشار در نقطهای نزدیک به نقطه مرگ باال روی داده و در نتیجه کار منفی افزایش و توان کاهش مییابد. NOx بیشینه دمای متوسط درون سیلندر و میزان آالینده آالیندههای CO و HC HC کاهش خواهند یافت. با افزایش دمای ورودی افزایش یافته اما طول مدت احتراق تا حد زیادی به نسبت پیشآمیختگی سوخت متان بستگی دارد. افزایش سوخت متان سبب کاهش طول مدت احتراق شده و احتراق شدیدتر خواهد شد. سوختهای گازی شکل میتوانند به راحتی با هوا تشکیل مخلوط همگن دهند از اینرو با افزایش سوخت متان عمل سوختن سریعتر و اکسیداسیون کاملتر شده و در نتیجه مقدار آالیندههای CO و بصورت چشمگیری کاهش مییابد. ترکیب سوخت متان با دیزل سبب افزایش متوسط دمای درون سیلندر شده که این امر منجر به افزایش آالینده NOx نسبت به بعد آالینده نسبت به حالت تک سوخته میشود اما با افزایش نسبت پیشآمیختگی از یک NOx کاهش مییابد.

21 75 شبیه سازی عددی موتورهای احتراق تراکمی سوخت همگن... مراجع [1] Heywood, J.B., "Internal Comstion Engine Fndamentals", McGraw Hill, New York, (1988). [2] Eichlseder, H., and Wimmer, A., Potential of IC-engines as Minimm Emission Proplsion System, Atmos. Environ. Vol. 37, pp , (2003). [3] Kiely, G., "Environmental Engineering", McGraw-Hill, New York, (1998). [4] [5] Yao, M., Zheng, Z.h., and Li, H., "Progress and Recent Trends in Homogeneos Charge Compression Ignition (HCCI) Engines", Progress in Energy and Comstion Science, Vol. 35, No. 5, pp , (2009). [6] Stanglmaier, R.H., and Roerts, C.E., "Homogeneos Charge Compression Ignition (HCCI): Benefits", Compromises and Ftre Engine Applications, SAE Technical Paper, , (1999). [7] Gan, S., Ng, H.K., and Pang, K.M., "Homogeneos Charge Compression Ignition (HCCI) Comstion", Implementation and Effects on Polltants in Direct Injection Diesel Engines Applied Energy, Vol. 88, No. 3, pp , (2011). [8] Kimra, S., Aoki, O., Ogawa, H., Mranaka, Sh., and Enomoto, Y., "New Comstion Concept for Ultra-clean and High-efficiency Small DI Diesel Engines", SAE Technical Paper, , (1999). [9] Ogink, R., and Golovitchev, V., "Gasoline HCCI Modeling: Compter Program Comining Detailed Chemistry and Gas Exchange Process", SAE, Vol. 3614, pp , (2001). [10] Zhao, H., Peng, Z., and Ladommatos, N., "Understanding of Controlled Ato Ignition Comstion in For-stroke Gasoline Engine. Proc. Inst. Mech. Eng. Vol. 215, Part D, pp , (2001). [11] Stanglmaier, R. H., and Roerts, C. E., "Homogenos Charge Compression Ignition (HCCI): Benefits", Compromises and Ftre Engine Applications. SAE Technical Paper, No [12] Fiveland, S. B., Agma, R., Christensen, M., Johansson, B., Hilters, J., Mas, F., and Assanis, D.N., "Experimental and Simlated Reslts Detailing the Sensitivity of Natral Gas HCCI Engines to Fel Composition", SAE Technical Paper, No , (2001). [13] Hanjalic, K., Popovac, M., and Hadziadic, M., A Rost Near-wall Elliptic Relaxation Eddy-viscosity Trlence Model for CFD, International Jornal of Heat and Flid Flow, Vol. 25, pp , (2004).

22 نشریة پژوهشی مهندسی مکانیک ایران سال شانزدهم شماره دوم زمستان [14] Drin, P., Near-wall Trlence Closre Modeling withot Damping Fnctions, Theoretical and Comptational Flid Dynamics, Vol. 3, pp. 1 13, (1991). [15] Colin, O., and Benkenida, A., The 3-Zones Extended Coherent Flame Model (ECFM3Z) for Compting Premixed/Diffsion Comstion, Oil & Gas Science and Technology Rev. IFP, Vol. 59, No. 6, pp , (2004). [16] Merker, G. P., Schwarz, C., Stiesch, G., and Otto, F., "Simlating Comstion: Simlation of Comstion and Polltant Formation for Engine-development", Springer, Heidelerg, Germany, (2006). [17] Help Docment of CFD AVL FIRE Software, Part: "Evaporation". [18] Zhang, Y., Kong, S., and Reitz, R., "Modeling and Simlation of a Dal Fel (Diesel/Natral Gas) Engine with Mltidimensional CFD", SAE Technical Paper , 2003, doi: / [19] Minetti, R., Carliner, M., Therssen, E., and Sochet, L.R., "A Rapid Compression Machine Investigation of Oxidation and Ato-ignition of n-heptane", Measrements and Modeling, Comst Flame, Vol. 102, No. 3, pp , (1995). [20] Pekalski, A.A., Zerenerg, J.F., Pasman H.J., Lemkowitz, M., Dahoe, A.E., and Scarlett, B., "The Relation of Cool Flames and Ato-ignition Phenomena to Process Safety at Elevated Pressre and Temperatre", J. Hazard Mater, Vol. 93, pp , (2002). [21] Xingcai, L., Ychn, H., Liin, J., and Zhen, H., "Heat Release Analysis on Comstion and Parametric Stdy on Emissions of HCCI Engines Felled with 2-Propanol/n-heptanes Blend Fels", Energy Fels, Vol. 20, pp , (2006). [22] Hernandez, J.J., Sanz-argent, J., Benajes, J., and Molina, S., "Selection of a Diesel Fel Srrogate for the Prediction of Ato-ignition nder HCCI Engine Conditions", International Jornal of Fel, Vol. 87, pp , (2008). [23] Yoshiaki, N., Yaso, A., and Aoyagi, Y., "Premixed Lean Diesel Comstion (PREDIC) sing Impingement Spray System", SAE Paper, No , New ACE Institte Co, Ltd. [24] Papagiannakis, R. G., and Hontalas, D.T., Comstion and Exhast Emission Characteristics of a Dal Fel Compression Ignition Engine Operated with Pilot Diesel Fel and Natral Gas, Energy Conversion and Management. Vol. 45. pp , (2004). [25]

23 77 شبیه سازی عددی موتورهای احتراق تراکمی سوخت همگن... فهرست نمادهای انگلیسی ثابت توربوالنسی گاز متان کربن مونواکسید )Gropement Scientifiqe Moters( هیدروکربن نسوخته موتورهای احتراق تراکمی سوخت همگن انرژی جنبشی توربوالنسی تعداد اتم های اکسیژن تولید انرژی جنبشی توربوالنسی ذرات ریز مونواکسید نیتروژن و یا دی اکسید نیتروژن عدد اشمیت برای المینار عدد اشمیت توربوالن تعداد اتم های H تعداد اتم های C زمان سرعت ثابت برابر 4651 عدد وبر فاز گازی عدد آنسورگ عدد رینولدز قطره مایع گرمای نهان تبخیر ذره کسر جرمی بخار انتقال حرارت جابجایی انتقال حرارت تشعشعی کسر جرمی جریان آزاد بخار به دور از سطح قطره قطر قطره عدد Sherwood سرعت سیال شتاب گرانشی فشار سیال آنتالپی سکون سیال C CH4 CO GSM HC HCCI K K P k PM NOx S C S Ct m n T ν B0 We G Z Re l V Y V Q C Q R Y v, D d sh U g P H

24 نشریة پژوهشی مهندسی مکانیک ایران سال شانزدهم شماره دوم زمستان چشمه حرارتی نیروی درگ تابع درگ عدد وبر عدد وبر بحرانی نسبت پیش آمیختگی انرژی سوخت پیش آمیخته انرژی کل سوخت دبی جرمی سوخت گازی پیشآمیخته دبی جرمی سوخت پاششی ارزش حرارتی سوخت پیشآمیخته گازی ارزش حرارتی سوخت پاششی مرحله احتراق دما باال )احتراق اصلی( مرحله احتراق دما پایین منطقه ضریب دمایی منفی زمان شروع احتراق هیدرواکسیل فشار موثر متوسط اندیکاتوری مجموع کار اندیکاتوری در کورس تراکم و انبساط در یک سیکل Vale of the Lower Heat Vale حجم جابجایی داخل سیلندر جرم سوخت q Fidr Dp We We c r p Qp Qt m p m d h d h p HTR LTR NTC SOC OH IMEP Wc,i QLHV Vd mf نمادهای یونانی y x ω x y F y F m F m F S F ω F کسر جرمی میانگین ذرات منبع احتراق کسر جرمی سوختی در گازهای تازه کسر جرمی سوختی در گازهای سوخته شده جرم سوخت در گازهای تازه نگهداری شده جرم سوخت در گازهای سوخته شده نگهداری شده کمی شده تبخیر سوخت در گازهای تازه ترمی که خود اشتعالی شعله از پیش آمیخته و اختالط بین نواحی سوخته شده و نسوخته را به حساب میآورد.

25 70 شبیه سازی عددی موتورهای احتراق تراکمی سوخت همگن... چشمه سوخت مایع تبخیر شده در گازهای سوخته نشده چشمه سوخت مایع تبخیر شده در گازهای سوخته شده ویسکوزیته المینار ویسکوزیته توربوالن کسر جرمی سوخت موجود در گازهای سوخته نشده کسر جرمی سوخت موجود در گازهای سوخته شده نرخ واکنش اکسیداسیون سوخت موجود در منطقه سوخته نشده نرخ واکنش اکسیداسیون سوخت موجود در منطقه سوخته شده طول موج متناظر با موج با بیشترین نرخ رشد تنش برشی سیال ضریب هدایت حرارتی لزجت سیال تانسور واحد مدت زمان جدایش چگالی سیال تانسور تنش ضریب پخش چگالی S F S F μ μ t y F y F ω F ω F KH τ λ μ δ KH ρ σ β g ρ g

26 نشریة پژوهشی مهندسی مکانیک ایران سال شانزدهم شماره دوم زمستان Astract Homogenos Charge Compression Ignition (HCCI) engines are new ideas for decreasing the fel consmption in Compression Ignition engines. De to reglations imposed on prodcts regarding polltants, nmeros researches have een done on aforementioned engines as alternative engines to the rotine diesel engines. Having tilized 3D CFD modeling, we have considered primarily comstion of homogenos diesel charge and then dal fel comstion has een taken into accont, noting that Diesel fel is directly injected. In dal fel, Methane is scked in the cylinder as a mixed charge with air while diesel fel is injected as said efore. Reslts sggest that inlet temperatre has a crcial role in vaporizing the liqid fel and improvements in comstion. Meanwhile, in dal fel comstion y redcing the inlet temperatre and charging more Gas fel inside the cylinder, not only the efficiency and the power increases t also polltants stay at an acceptale level concerning the reglations and standards.