فصلنامة علمي - پژوهشي تحقيقات موتور

فصلنامة علمي - پژوهشي تحقيقات موتور شمارة ( 23 پاييز )9213 صفحه 93-32 فصلنامة علمي - پژوهشي تحقيقات موتور تارنماي فصلنامه www.engineresearch.ir : رعنا خدائي 9 رحيم خوشبختي سراي *3 الهه نشاط اسفهالني 9 دانشكده مهندسي مكانيك دانشگاه صنعتي 3 دانشكده مهندسي مكانيك دانشگاه صنعتي سهند تبريز ايران khoshbakhti@sut.ac.ir دانشكده مهندسي مكانيك دانشگاه صنعتي سهند تبريز ايران elaheh.neshat@gmail.com *نويسندة مسئول شماره تماس 3599-2541543 : سهند تبريز ايران rana_kh665@yahoo.com چکيده اطالعات مقاله يكي از روش هاي پيشنهادي براي غلبه بر مشكالت موتورهاي اشتعال تراکمي مخلوط همگن ( ) HCCI استفاده از سامانة زمانبندي متغير دريچهها (سامانة ) VVT است. با توجه به اينكه مقدار دود بازگشتي ( )EGR عامل تعيينکننده اي در پايش موتورهاي HCCI است سامانة VVT با تأثير بر EGR بر بسياري از خصوصيات موتور HCCI تأثيرگذار است. با تنظيم زمان بسته شدن دريچة خروجي و هم چنين باز شدن دريچة ورودي به دليل تغيير مقدار گازهاي داغ درون محفظة احتراق در مرحلة تبادل گاز مي توان موقعيت مناسب شروع احتراق را در موتور HCCI تعيين نمود. در اين تحقيق سعي بر اين خواهد بود تا با شبيهسازي چندمنطقهاي و جفت کردن آن به شبيه سازي تبادل گاز تأثير زمانبندي متغير دريچه ها بر خصوصيات احتراقي عملكردي و آاليندگي موتورهاي HCCI بررسي شود. با اعمال راهكار انتخابي براي VVT نهايتا مشاهده ميگردد که با ثابت فرض نمودن زمان باز شدگي دريچه هاي ورودي و خروجي همپوشاني مثبت دريچه ها راهكار مناسبي براي احتراق HCCI است بهگونه اي که ضمن بهبود خصوصيات عملكردي موتور شامل فشار متوسط مؤثر داخلي ( )IMEP و کار و بازدههاي موتور آاليندهها را نيز کاهش ميدهد. تاريخچة مقاله : تمامي حقوق براي انجمن علمي موتور ايران محفوظ است. دريافت 31 : بهمن 9213 پذيرش 34 : اسفند 9213 کليدواژهها : موتور اشتعال تراکمي مخلوط همگن سامانة زمانبندي متغير دريچهها دود بازگشتي شبيهسازي چندمنطقهاي بازده بررسي مقايسهاي تأثير همپوشاني دريچهها بر موتورهاي اشتعال تراكمي مخلوط همگن

Compression ignition direct injected engines Particular matter )2 تشريح شبيه سازي چون سازوکارهاي سينتيك شيميايي بر احتراق HCCI حاکم است از شبيه سازي چند منطقه اي همراه با سازوکار سينتيك شيميايي مفصل براي بررسي احتراق استفاده شده است [.]4 فرضيات در نظر گرفته شده در شبيه سازي چند منطقه اي بدين قرار است : مخلوط سوخت هيدروکربني و هوا به صورت همگن وارد محفظة احتراق مي شود. در شبيه سازي چرخة احتراق جرم کل داخل محفظه ثابت فرض مي شود. انتقال حرارت از نوع همرفت مابين سيال داخل محفظة احتراق در منطقة الية مرزي و ديوارة آن و انتقال حرارت از نوع هدايتي بين مناطق در نظر گرفته مي شود. در هريك از مناطق خواص ترموديناميكي غلظت گونه ها دما و ديگر مشخصات مخلوط يكنواخت است. بين مناطق مختلف انتقال حرارت و جرم اتفاق مي افتد. در هر لحظه فشار در داخل محفظة احتراق يكنواخت است و اختالف فشار بين مناطق به وسيلة انتقال جرم بين مناطق جبران و در هر لحظه شرائط يكسان بودن فشار در درون محفظة احتراق ارضا مي شود. مخلوط درون محفظة احتراق گاز کامل و معادلة حالت گاز کامل بده عنوان يكي از معادالت اصلي استفاده مي شود [.]4 زمان بازماندن دريچه هاي ورودي و خروجي ثابدت در نظدر گرفتده مي شود. )3 پيکربندي مناطق شكل 9 نشان دهندة نحوة پيكربندي استفاده شده در کار حاضر است. همان گونه که از شكل پيداست محفظة احتراق به چهار نوع منطقه طبقه بندي مي شود : منطقة هسته (منطقة )9 مناطق خارجي (مناطق 3 تا )1 الية مرزي (منطقة )93 شكاف ها (منطقة.)99 شكل :9 پيكربندي مناطق )1 مقدمه فرآيند HCCI فرآيندي احتراقي در موتور سمبهاي است که مي تواندد بازده هاي بزرگي درحد موتورهاي اشدتعال تراکمدي پاشدش مسدتقيم 9CIDI ايجاد کند در حالي که بر خالف اين موتورها توليد آالينددگي هاي NOx و ذرات معلق ( 3)PM آن ها بسديار کدم اسدت. موتورهداي HCCI بر اساس تأمين مخلوط رقيق پيش آميخته کار مدي کندد کده تودة حجمي درون استوانه با تراکم به وسيلة سمبه محترق مي شدود. موتددور HCCI بهتددرين خصوصدديات موتورهدداي اشددتعال جرقدده اي و اشتعال تراکمي را ترکيب مي کند [.]9 خصوصيت HCCI اين است که هوا و سوخت قبدل از شدروع احتدراق ترکيب مي شوند و مخلوط در نتيجه تراکم به خود اشتعالي مي رسدد. بنابراين HCCI از اين نظر شبيه SI است کده در هدر دو ندوع موتدور مخلوط اوليه قبال ترکيب شده است [ ]3 که اين موجب کاهش آالينده ذرات معلق مي شود [ ]2 و از اين نظر شبيه CIDI است که در هدر دو نوع موتور احتراق در نتيجة خوداشتعالي صورت مي گيرد [ ]3 مخلوط در نتيجة تراکم مشتعل مي گدردد و تلفدات خفانشدي نددارد کده ايدن موجب افزايش بازده خواهد شد. به هر حال عليدرغم هدردوي اينهدا احتراق به طور همزمان در تمام حجم محفظه اتفاق مي افتد [ ]9 و در آن پيشروي شعله وجود ندارد [.]3 عليرغم کارکرد متعادل HCCI و فوايد چشمگير آن در شدرائط کداري پايا موانع بسياري بايد پشت سر گذاشته شوند تا موتور HCCI به طور گسترده بتواند براي استفاده در خودروها استفاده شود. به همين دليدل تحقيقات بسيار گسترده اي در زمينه هاي مختلف الزم است که اهدم آن ها شامل : گسترش محددودة کداري تدا بارهداي نزديدك بيشدينه محدود نمودن سرعت آزادسازي حرارت احتراقدي در بارهداي بدزر تأمين کارکرد آرام در حالت گذراي سريع دست يدابي بده احتدراق در حالت سرد کسب استانداردهاي آاليندگي مخصوصا براي هيدروکربن ها و مونوکسيد کربن [.]5 يكي از روش هاي پيشنهادي براي غلبه بر چدالش هداي ايدن نسدل جديد موتورها استفاده از سامانة زمان بندي متغير دريچه هدا (سدامانة )VVT است. با توجه به اينكه مقدار گازهاي داغ باقي مانده از چرخدة قبل عامل تعيين کنندده در پدايش موتورهداي HCCI اسدت سدامانة VVT با تأثيرگذاري بر EGR بر بسياري از خصوصيات موتدور HCCI تأثيرگذار است. در اين تحقيق سعي بر اين خواهد بود تا ضمن معرفي کامل روش HCCI با بسط دادن شبيه سازي چندمنطقه اي ( multi )zone و اتصال آن به شبيه سازي تبادل گاز تأثير سدامانة VVT بدر خصوصيات احتراقي عملكردي و آاليندگي موتورهاي HCCI بررسدي شود. 5

)4 انتقال حرارت و جرم انتقال حرارت به دو بخش اصلي تقسيم مي گردد. بخشي از انتقال حرارت بين مخلوط سوخت و هوا و ديوارة استوانه اتفاق مي افتد. اين بخش از انتقال حرارت از نوع جابه جايي است. بخش ديگر انتقال حرارت بين مناطق موجود در داخل استوانه اتفاق مي افتد. اين بخش از نوع انتقال حرارت همرفتي است. انتقال حرارت بين مناطق طبق سازوکار هدايتي صورت مي گيرد. بنابراين شار حرارتي طبق معادلة فوريه بدين شرح است : dt ( ) 9 q k tot dy در اين معادله q شار حرارتي y فاصلة بين دو منطقة مجاور و ضريب هدايت حرارتي کل دو منطقة مجاور است. براي محاسبة ضريب هدايتي کل از روش يانگ 3 و مارتين 2 استفاده شده که اين روش را کومنينوس 5 و همكاران در شبيه سازي موتور HCCI در [ ]3 استفاده کردهاند. در اين روش ضريب هدايت حرارتي کل به صورت مجموع دو ضريب هدايتي آرام و آشفته بيان مي شود. در شبيه سازي در چرخة بستة موتور قانون بقاي جدرم بدراي محفظدة احتراق قابل اعمال اسدت. بدراي اينكده فشدار درون محفظدة احتدراق يكنواخت بماند انتقال جرم بين مناطق در نظر گرفته مي شدود. فشدار ktot درون استوانه در هر درجة ميل لنگ با اسدتفاده از معادلدة حالدت گداز کامل قابل محاسبه خواهد بود [ :]4 m Ru T MW ( ) 3 PV با توجه به اين که درهنگام انتقال جرم هدي ندوع واکنشدي صدورت نمي گيرد تعداد مول هدا قبدل و بعدد از انتقدال جدرم درکدل اسدتوانه مقداري ثابت است پس تغييرات مولي هر منطقه بدين شرح محاسدبه مي شود : ( )2 molei molei,new molei,old )5 تبادل گاز پس از اين که چرخة بستة موتور با بازشدن دريچة خروجي بده اتمدام مي رسد مرحلة تبادل گاز استوانه آغاز مي شود. در اين مرحلده ديگدر چرخة کاري بسته نيست و تبادل جرم با بيرون محفظة احتراق وجدود خواهد داشت. معادالت مرحلة تبادل گاز بدراي محاسدبة خصوصديات درون محفظه مشابه معادالت استفاده شده در چرخة بسته (بدين IVC و )EVO است ولي با توجه به وجود جريان جرمدي بده درون محفظدة احتراق و خارج از آن معادالتي براي نشدان دادن ايدن تبدادل جدرم و محاسبة غلظت گونه ها نياز است. معادلة بقاي انرژي براي مرحلة تبادل گاز بدين شرح است : dv dm dm dm in hin out hout CviTg i dt dt dt dt dq mrtg dt dt V dtg vi m C i ( )5 جريان جرمي درون دريچه ها با استفاده از معادالت جريان تك بعدي هم آنتروپي درون يك شيپوره و با درنظر گدرفتن مالحظدات احتمدال وقوع خفگي در جريان ( ) Pu 2 1 قابل محاسبه است [ :]4 Pd 1 Pu 2 1 Pd 1 if ) ( 1 2 Pd 1 1 Pu Pd Pu dm C D AR Pu dt R T 12 u u ( )4 Pu 2 1 Pd 1 2 1 if 1 dm CD AR Pu 2 dt RuTu 2 1 ( )3 که در آن u نماد باالدست جريان و d نماد پايين دست جريان است و CD ضريب تخليه است که به صورت نسبت سطح جريدان مدؤثر ( )AE به سطح جريان مرجع ( )AR تعريف مي شود [.]8 متغير آخر معادلة بقاي انرژي مشابه معادلة ( )9 قابل بيان است. Clearance Volume Yang 3 Martin 4 Komninos هسته به شكل يك استوانه است کده ضدخامت ايدن اليده برابدر 53 درصد قطر استوانه درنظر گرفته شده است. مناطق خارجي بده شدكل استوانه هاي متحدالمرکز و با ارتفاع يكسان است و به صورت پوسدتة استوانه اي هستة مرکزي را احاطده کدرده اندد. ضدخامت کليدة ايدن استوانه ها با هم برابر است. پيرامون استوانه به صورت الية نازکي بده شكل استوانة توخالي به عنوان يك منطقه در نظر گرفته مي شود که در واقع همان الية مرزي خواهد بود. ضخامت افقي اين اليه 2 درصد قطر استوانه و ضخامت عمودي آن 2 درصدد ارتفداع اسدتوانه در هدر لحظه است. منطقة شكاف بخشي از فضاي مردة درون استوانه اسدت و شامل تمامي شكاف هايي است کده مسدتقيما بده محفظدة احتدراق متصل اند مانند مناطق باال و پشت اولين حلقة تراکم شدكاف هداي درزبند بااليي و غيره. ضخامت الية مرزي و حجدم Vcore بده عندوان نسبتي از حجم کل استوانه متغيرهاي قابل تنظيم شبيه سازي اند. بده دليل خنكتر بودن دما در درزهدا (منطقدة 99 در پيكربنددي) مخلدوط موجود در اين مناطق محترق نمي شود و به همين دليل درزهدا منشدا اصدلي آاليندده هداي مونوکسديدکربن و هيددروکربن هداي نسدوخته ميباشند. حجم درزها در شبيه سازي مقدار ثابت و 2 درصد حجم لقي 9 در نظر گرفته شده است. 4

)7 تجهيزات آزمايشگاهي ميز آزمونها موتوري تحقيقاتي CFR است (شكل )2 که مشخصات آن در جدول 9 نشان داده شده است. موتور طوري تنظيم شده اسدت کده در حالت دريچه باز 2 عمل مي کند. شكل 5 نشان دهندة نمودار زمدان بندي دريچه ها در اين موتور است. جدول :9 مشخصات فني موتور نوع موتور حجم جابهجايي سوخت شعاع استوانه (سانتي متر) طول پيمايش سمبه (سانتي متر) طول دسته سمبه (سانتي متر) زاوية باز شدن دريچة ورودي (درجه) زاوية بسته شدن دريچة ورودي (درجه) (درجه)باز شدن دريچه تخليه (درجه) زاوية زاوية بسته شدن دريچه تخليه (درجه) نسبت تراکم هندسي 5 واکوشا 393 گاز طبيعي 8033 9905 35 93 395 433 94 94034 شكل :2 ميز آزمون شكل :3 تفكيك مراحل در شبيهسازي چندمنطقهاي شكل :5 زمان بندي دريچه ها در موتور CFR Stiff Double precision variable coefficient ordinary differential equation Wide open throttle 4 Waukesha 3 )6 الگوي استفاده شده همان گونه که قبال اشاره گرديد براي شبيه سازي با استفاده از شبيه سازي چندمنطقه اي تعداد 99 منطقه (شامل شكاف ها) درنظر گرفته شده است. در هر بازة زماني نرمافزار توسعه يافته متغيرهاي دلخواه را محاسبه مي کند. گام زماني در شبيه سازي براي تمام مراحل يكدهم زاوية ميل لنگ تنظيم شده است. براي حل معادالت سينتيك شيميايي که از نوع معادالت ديفرانسيل سخت 9 اند از برنامه DVODE3 استفاده شده است [.]4 الگوي شبيه سازي در شكل 3 نشان داده شده است. با توجه به روند شبيه سازي روية حل تا همگرا شدن شبيه سدازي از طريق کاهش اختالف چرخدة دمدا فشدار جريدان سدوخت و جريدان جرمي مخلوط ورودي به کمتر از 303339 ادامه مي يابد. اين انتخدا براي مرتفع نمودن فرض حداقل بودن اختالفات چرخدهاي در موتدور HCCI انتخا شده است. 3

)8 شرائط عملکردي در اين کار تحقيقاتي دو حالت مختلف از شرائط عملكردي که شرائط آزمايشگاهي آن ها در دسترس بوده است بررسي شدند که مشخصات آن ها به شرح جدول 3 است. NVO معموال به وسيلة زودتر بسته شدن نسدبي دريچدة خروجدي در مرحله تخليه و ديرتر بازشدن نسبي دريچة ورودي در مرحلده مكدش ايجاد مي شود [.]1 نمودار زمان بندي دريچه ها براي سه حالت انتخدا شده در شكل 4 چشمگير است. همان گونه که در شكل پيداست در اين کار تحقيقاتي زمان بازماندن دريچه هاي ورودي و خروجدي ثابدت در نظرگرفته شده است. )11 ارزيابي صحت شبيه سازي شكل 3 نشان دهندة مقايسة تغييرات فشار داخل استوانه بر حسب زاوية ميل لنگ حاصل از نتايج آزمايشگاهي با نتايج حاصل از شبيه سازي انجام شده براي دو حالت عملكردي انتخابي است. شكل :4 نمودار زمان بندي دريچه ها براي راهكار VVT انتخا شده (الف) جدول :3 شرائط عملكردي انتخا شده Test condition II Test condition I Parameters 85.70 82.32 3.96 4.45 ) m fuel (mgr/s ) air (gr/s m 9.67 0.00 ) EGR (% 2.80 2.63 ) IMEP (bar 1.57 1.56 ) Pivc (bar 444.05 444.20 ) Tivc (K 100.27 100.31 ) Tcoolant ( C 3.34 2.85 λ ( ) جدول :2 مشخصات سامانة VVT اعمال شده به شبيه سازي فعلي حاالت IVC EVO IVO EVC حالت مرجع 214 500 730 735 حالت اول 189 500 705 735 حالت دوم 204 485 720 720 حالت سوم 219 470 735 705 PVO: Positive Valve Overlap NVO: Negative Valve Overlap شكل :3 نمودار زمان بندي دريچه ها براي راهكار VVT انتخا شده ( : الف) حالت عملكردي I و ( ) حالت عملكردي II )9 راهکار VVT انتخاب شده باتوجه به اينكه EGR داخلي تأثير تعيين کننده اي بر پايش احتراق HCCI دارد سامانة VVT با تأثير بر اين متغير روش مفيدي در پايش احتراق HCCI است. در کار حاضر سه حالت مختلف از زمان بندي دريچه ها به گونه اي در نظرگرفته شده است که در حالت اول هم پوشاني مثبت 9 متقارن در حالت دوم هم پوشاني صفر و در حالت سوم روي هم افتادي منفي 3 متقارن حول نقطة مكث باال ايجاد ميگردد. مشخصات راهكار انتخا شده به همراه حالت مرجع در جدول 2 گردآوري شده است. در حالت پايه زمان بندي دريچه ها به گونه ايست کده هدم پوشداني مثبت دريچه ها به مقدار 4 درجه و در سمت راست نقطه مكدث بداال واقع شده است. در حالت 9 اين هم پوشاني تا 23 درجه پهن شدده و به صورت متقارن نسبت به نقطة مكث باال درنظر گرفته شدده اسدت. در حالت 3 اين هم پوشاني صفر شده است و در حالت 2 هم پوشاني منفي به مقدار 23 درجه و متقارن نسبت به نقطدة مكدث بداال فدرض شده است. 4

)11 نتايج و بحث شكل ( 4 الف) و ) ( 4 بترتيدب نشدان دهنددة تغييدرات فشدار درون استوانه در هنگام تغيير زمان بندي دريچه ها با راهكار انتخابي اسدت. در حالت نخست در بازشدن دريچة ورودي قبدل از نقطدة مكدث بداال تعجيل مي شود اين کار فشار بيشينة درون استوانه را کاهش ميدهد. (الف) ( ) در چنين حالتي گازهاي تازه که از دريچدة ورودي وارد مديشدوند بدا راندن گازهاي خروجي به سمت دريچة خروجي به خروج ايدن گازهدا کمك مي کنند. لذا فشار و دماي درون اسدتوانه کداهش مدييابدد. از طرف ديگر وقتي هم پوشاني کال قبل از نقطة مكث بداال اتفداق مدي افتد حرکت سمبه نيز به خروج گازهاي داغ و پرفشار کمك مي کندد و خود سبب کاهش فشار درون استوانه مدي شدود. بده دليدل کداهش دماي درون استوانه در اين دو حالت به تعويدق افتدادن زمدان شدروع احتراق نيز دور از انتظار نخواهد بود. مشاهده مي گردد کده بيشدترين فشار بيشينه در حالت دوم که IVO و EVC بر نقطة مكث باال منطبق اند حادث مي گردد. علت اين امر را مي توان بدين گونه توجيه نمدود که با بسته شدن دريچة خروجي در نقطة مكث بداال وقتدي بده طدور همزمان دريچة ورودي نيز باز مي گردد موجب ورود حجدم بيشدتري گاز به درون استوانه مي شود و نهايتا سبب افزايش فشار درون استوانه مي گردد. از طرفي بسته شدن دريچة خروجي زودتدر اتفداق افتداده و سبب افزايش مقدار IEGR داغ گشته است و از طرف ديگر با بازشدن دريچة ورودي در همان نقطه (نقطة مكدث بداال) حرکدت سدمبه بده سمت پايين ورود مخلوط تازه به درون استوانه را تسدريع مدي کندد و هي گونه جريان برگشتي وجود نخواهد داشدت و نهايتدا فشدار درون استوانه افزايش مي يابد. شكل 8 تغيير IMEP را با تغيير زمان بنددي دريچه ها نشان مي دهد. با توجه به اينكه در کلية حالت ها و در هدر دو حالت عملكردي انتخابي حجم جابده جدا شدده مقددار ثدابتي دارد IMEP مي تواند به عنوان معياري از توان خروجي موتور بررسي شود. مادامي که نرخ افزايش فشار به اندازه اي نيست که حالت انفجاري در موتور پديد آيد بزر بودن IMEP مطلو خواهد بود کده در موتدور حالت انفجاري وجود ندارد. همان گونه که مشاهده مي شود کمتدرين مقدار IMEP متعلق به حالت NVO متقارن است که به علت افزايش کار منفي در نتيجة احتراق سريعتر است. با به تأخير افتدادن EVC بدا توجه به کاهش مقدار گازهاي برگشتي مقدار مخلدوط تدازة بيشدتري وارد محفظة احتراق مي گردد و IMEP افزايش مييابد [ IMEP.]93 بزرگتر سبب توليد کار بيشتر مدي شدود. مقايسدة جددول هداي 5 و 4 نشان مي دهد که افزايش هم پوشاني دريچده هدا از ديددگاه مصدرف سوخت ويژه نتايج بهتري را به دست مي دهد. الف : حالت عملكردي II شكل :4 تغييرات فشار درون استوانه در دو حالت عملكردي انتخابي ( : الف) حالت عملكردي I و ( ) حالت عملكردي II شكل :8 تغييرات IMEP در دو حالت عملكردي انتخابي مطابق شكل 3 در هر دو شرائط عملكردي منتخب نتايج حاصل از شبيه سازي بخوبي با نتايج آزمايشگاهي هم خواني داشته و مقادير فشار در مراحل تراکم احتراق و انبساط نزديك به مقدار واقعي پيشبيني گرديده است. بنابراين با توجه به اين نمودارها ميتوان صحت شبيهسازي احتراقي چندمنطقهاي توسعه يافته را تأييد کرد. 8

جدول :4 نتايج سامانة VVT اعمال شده به شبيهسازي : حالت عملكردي II جدول :5 نتايج سامانة VVT اعمال شده به شبيهسازي : حالت عملكردي I φ 0.3 358.8 1.433 6.461 326.1 87.5 96.0 22.9 6.00E-02 1.84E+00 1.22E+03 1.5372 448.4 0.305 359.6 1.456 4.451 279.8 92.8 96.2 26.7 6.06E-02 2.00E+00 1.18E+03 1.4652 434.9 0.307 363.2 2.334 4.429 248.4 91.1 96.5 30.0 5.67E-02 6.26E-01 1.10E+03 1.3660 424.6 0.303 358.8 90244 4.423 294.8 90.6 96.1 25.4 5.96E-02 2.23E+00 1.20E+03 1.5111 444.2 TIVC PIVC UHC ) (ppm NOx ) (ppm CO ) (% ηtth ηcomb ηv SOC DOC IEGR ISFC ) (CA) (CA) (%) (kwh 1.415 3 6.424 306.2 87.2 96.2 24.4 6.02E-02 3.06E+00 1.20E+03 1.5392 448.2 0.321 359.4 0.326 360.3 1.387 4.43 265.9 92.4 96.5 28.1 5.89E-02 3.17E+00 1.15E+03 1.4672 434.9 0.328 364.6 2.491 4.412 235.8 90.8 96.8 31.5 5.46E-02 7.30E-01 1.04E+03 1.3681 424.5 0.324 359.7 1.334 4.356 278.9 90.3 96.3 26.8 6.39E-02 3.77E+00 1.18E+03 1.5131 444.0 TIVC PIVC UHC ) (ppm NOx ) (ppm CO ) (% ηtth ηcomb ηv SOC DOC IEGR ISFC ) (CA) (CA) (%) (kwh φ 3.26 2.70 199.60 165.26 حالت اول حالت مرجع 146.79 حالت سوم 2.13 2.63 2.93 2.42 130.52 160.85 179.17 148.13 حالت سوم حالت دوم حالت اول حالت مرجع Case NO. IMEP ) (bar W ) (j Parameter 2.40 3.26 178.69 حالت دوم Case NO. IMEP ) (bar Parameter W ) (j

شكل :1 مقايسة بازده تنفسي درحاالت مختلف راهكار VVT انتخابي شكل :93 مقايسة بازده احتراقي درحاالت مختلف راهكار VVT انتخابي شكل :99 مقايسة بازده حرارتي درحاالت مختلف راهكار VVT انتخابي همان گونه که از شكل 1 مشخص است بازده تنفسي با از بين رفتن هم پوشاني دريچه ها کاهش مييابد. اين به علت فشار بزر درون استوانه در مرحلة مكش است که در برابر ورود هواي تازه به درون استوانه مقاومت به وجود ميآورد [.]99 از طرف ديگر افزايش گازهاي باقي مانده از چرخة قبلي به کاهش بازده تنفسي مي انجامد. توجه به شكل 93 و مقادير ثبت شده در جداول 5 و 4 نشان مي دهدد که در کلية حالت ها بازده احتراقدي در حددود 13 درصدد و بيشدترين اختالف در بازده توليددي حددود 305 درصدد اسدت کده مقددار بسديار ناچيزي بوده و مصداقي بر اين موضوع اسدت کده بدازده احتراقدي بدا اعمال راهكار VVT انتخا شده تغيير چنداني از خود نشان نمي دهد. بازده حرارتي مقياسي از خروجي مفيدي است که موتور در مقايسه بدا مقدار سوخت ورودي به دست مي دهد. اين خروجي مفيدد اغلدب بده عنوان کار توليدي به ازاي انرژي حاصل از سوختن سدوخت شدناخته مي شود. باتوجه به شكل 99 مشاهده مي گردد که بازده حرارتي با به تعجيل افتادن EVC و به تأخير افتادن IVO کاهش مي يابد که علدت آن کاهش کار توليدي موتور است. با بررسي داده هاي جداول 5 و 4 مشاهده مي گردد که با از بين رفتن هم پوشاني دريچه ها و به دنبال آن ايجاد هم پوشداني منفدي مقددار CO و UHC توليدي افزايش مي يابد. اين موضوع متأثر از فشار درون استوانه در مرحلة انبساط است. هرچه ايدن فشدار کمتدر باشدد مقددار هيدروکربن هاي نسوخته بيشتري در اين مرحله به داخل محفظه بداز مي گردند و در واکنش ها شرکت مي کنند. لذا مقدار CO افزايش مي يابد. با رجوع به شكل 4 و بررسي مقدار فشار در مرحلة انبساط مقدار افزايش و کاهش CO در مقايسه حالت هاي مختلف توجيه پذير است. روند تغييرات UHC نيز مشابه CO است. شكل هاي 93 1 و 99 بترتيب نشان دهندة بازده تنفسي احتراقدي و حرارتي موتور در حالت هاي مختلف راهكدار VVT اندد. مقدادير ثبدت شده در جدول هاي 5 و 4 نشان مي دهند که فشدار و دمدا در لحظدة بسته شدن دريچة ورودي با از بين رفتن هم پوشاني مثبت دريچه هدا در حالت نخست و در پي آن ايجاد هم پوشاني منفي روندد افزايشدي دارند که اين به علت افزايش مقدار EGR داخلي است که دماي درون محفظة احتراق را گرمتر ميکند. اين موضوع سدبب کوتداه تدر شددن مدت احتراق مي گردد. توضيح اين که افزايش مدت احتراق در حالدت عملكردي I به علت حضور EGR خنك شدة خارجي اسدت. افدزايش دماي درون استوانه تأثير مستقيم برروي مقدار NOx توليددي دارد بده طوري که مشاهده مي گردد با افزايش دما مقدار NOx افزايش يافتده است. 93

Downloaded from engineresearch.ir at 1:53 +0430 on Thursday September 13th 2018 99 93-32 صفحه )9213 (پاييز 23 شمارة پژوهشي تحقيقات موتور - فصلنامة علمي رعنا خدائي و همكاران [3] S.M. Aceves, D.L. Flowers, J. Martinez-Frias, J.R. Smith, HCCI combustion: Analysis and experiments, SAE International, Paper No. 2001-01-2077, 2001 [4] P.M. Diaz, D. Prasad, T. Nibin, S. Muthuraman, HCCI engines - A preliminary analysis, Journal of Kones Internal Combustion Engines, Vol. 4, pp. 1-9, 2008 [5] A. Rahimi Mamghani, Presenting optimized synthetic simulation for combined normal heptane and natural gas HCCI combustion to predict combustion and pollution, MSc Thesis, Sahand University of Technology, Iran, 2010 [6] N.P. Komninos, D.T. Hountalas, D.A. Kouremenos, Description of in-cylinder combustion processes in HCCI engines using a multi-zone model, SAE International, Paper No. 2005-01-0171, 2005 [7] J.B. Heywood, Internal combustion engine fundamentals, McGraw-Hill Book Company, 1988 [8] P. Kongsereeparp, Chemical kinetic based simulation for an HCCI engine and its combustion, PhD Thesis, University of Alberta, Canada, 2008 [9] A.F.M. Mahrous, A. Potrzebowski, M.L. Wyszynski, H.M. Xu, A. Tsolakis, P. Luszcz, A modelling study into the effects of variable valve timing on the gas exchange process and performance of a 4-valve DI homogeneous charge compression ignition (HCCI) engine, Energy Conversion and Management, Vol. 50, pp. 393-398, 2009 [10] N. Milovanovic, R. Chen, Influence of the variable valve timing strategy on the control of a homogeneous charge compression (HCCI) Engine, SAE International, Paper No. 2004-01-1899, 2004 [11] J. Jang, C. Bae, Effects of valve events on the engine efficiency in a homogeneous charge compression ignition engine fueled by dimethyl ether, Fuel, Vol. 88, pp. 1228-1234, 2009 ) نتيجهگيري 12 صفر و منفدي از مقايسة هم پوشاني مثبت نتايج عمدة به دست آمده نشان مي دهدد کده چنانچده مددت زمدان بازمانددن HCCI در موتور ايجاد هم پوشاني دريچه هاي ورودي و خروجي ثابت نگه داشته شود مثبت در اطراف نقطة مكدث بداال مدي تواندد راهكدار مناسدبي بدراي IMEP با اين کار خصوصديات احتراقدي اعدم از. باشد HCCI احتراق احتراقي و حرارتي بيشتر و مصدرف سدوخت کار و بازده هاي تنفسي نيز کمتر UHC و CO NOx مقدار آالينده هاي. ويژه کمتر خواهد بود. خواهد بود P T V q K Ru γ g tot u d فهرست عالئم Pa فشار K دما m3 حجم شار حرارتي ضريب هدايت حرارتي ثابت جهاني گازها نسبت گرماهاي ويژه زيرنويسها گاز کلي باالدست جريان پايين دست جريان References [1] Homogeneous charge compression ignition (HCCI) technology, A Report to U.S. Congress, 2001 [2] M. Yao, Z. Zheng, H. Liu, Progress and recent trends in homogeneous charge compression ignition (HCCI) engines, Elsevier, 2009

R. Khodaei et al., The Journal of Engine Research, Vol. 32 (autumn 2013), pp. 03-12 12 The Journal of Engine Research Downloaded from engineresearch.ir at 1:53 +0430 on Thursday September 13th 2018 Journal Homepage: www.engineresearch.ir A comparative study of effect of valve overlap on HCCI engines R. Khodaei1, R. Khoshbakhti Saray2*, E. Neshat Esfahlani3 1Mechanical Engineering Department, Sahand University of Technology, Tabriz, Iran, rana_kh665@yahoo.com Engineering Department, Sahand University of Technology, Tabriz, Iran, khoshbakhti@sut.ac.ir 3Mechanical Engineering Department, Sahand University of Technology, Tabriz, Iran, elaheh.neshat@gmail.com *Corresponding Author, Phone Number: +98-411-3459476 2Mechanical ARTICLE INFO ABSTRACT Article history: Received: 18 February 2014 Accepted: 16 March 2014 Keywords: HCCI engine VVT EGR Multi-zone model Efficiency One of the suggested methods, to overcome drawbacks of HCCI engines, is using of the variable valve timing technology (the VVT system). The VVT system can affect HCCI engines characteristics due to the EGR's main role in controlling the HCCI combustion. The auto-ignition in HCCI engines can be facilitated by adjusting the timing system of exhaust-valve-closing and, to some extent, the timing system of intake-valve-opening in order to capture a proportion of hot exhaust gases in the engine cylinder during the gas exchange process. In the present paper, a comparative analysis is performed to investigate the effect of the VVT system on the combustion, the performance and the emission characteristic of HCCI engines. For this purpose, a multi-zone model was developed and coupled with a gas exchange model. Results were compared to experimental results, obtained from a single-cylinder engine. Finally, it can be concluded that if the duration of opening of the intake and exhaust valves were kept constant, positive-valve-overlapping was an reliable strategy for the HCCI combustion as it could improve combustion characteristics such as the IMEP, the work and engines efficiencies and reduce exhaust emissions. Iranian Society of Engine (ISE), all rights reserved. A Special Issue for Selected Articles in 8th International Conference on Internal Combustion Engines and Oil