فصلنامة علمي - پژوهشي تحقيقات موتور

فصلنامة علمي - پژوهشي تحقيقات موتور شمارة ( 33 زمستان )9312 صفحه 29-93 فصلنامة علمي - پژوهشي تحقيقات موتور تارنماي فصلنامه www.engineresearch.ir : *2 الهه نشاط اسفهالني 9 رحيم خوشبختي سراي 9 2 دانشكده مهندسي مكانيك دانشگاه صنعتي سهند تبريز ايران e_neshat@sut.ac.ir دانشكده مهندسي مكانيك دانشگاه صنعتي سهند تبريز ايران koshbakhti@sut.ac.ir * نويسندة مسئول شماره تماس 1599-3541543 : چکيده اطالعات مقاله هدف از مطالعة حاضر توسعة شبيه سازي چندمنطقه اي براي عملكرد و آاليندههاي موتورهاي HCCI است. شبيه سازي شامل منطقة هسته منطقة اليه مرزي مناطق مياني (مناطقي بين دو منطقة هسته و اليه مرزي) و منطقة درزها است. حجم منطقة هسته مناطق مياني و اليههاي مرزي با زمان تغيير مي يابد ولي حجم منطقة درزها همواره ثابت و برابر 3 درصد حجم فضاي مرده است. براي افزايش دقت شبيهسازي در پيشبيني عملكرد موتور انتقال حرارت هدايتي بين مناطق مجاور درنظر گرفته شده است. تبادل انرژي بين اليه مرزي و ديواره هاي محفظة احتراق نيز از طريق انتقال حرارت جابهجايي صورت مي گيرد. عالوه بر انتقال حرارت هدايتي انتقال انرژي بين مناطق مجاور با انتقال جرم بين آنها صورت مي گيرد. در حالت توسعه يافته براي شبيه سازي فرايند احتراق از سازوکارهاي سينتيك شيميايي مناسب سوخت استفاده شده است. براي محاسبة دقيق دما فشار و ترکيب گازهاي داخل استوانه در لحظة بسته شدن دريچة ورودي از فرض تكمنطقهاي براي شبيه سازي عملكرد موتور در حين فراين دهاي تبادل گاز استفاده شده است. شبيه سازي با داده هاي تجربي احتراق HCCI هپتان نرمال و متان صحت سنجي شد. نتايج نشان ميدهند که شبيه سازي داراي دقت مناسبي در پيشبيني آالينده ها و فشار داخل محفظة احتراق است. بيشينة خطاي شبيهسازي در پيش بيني CO برابر با 9741 درصد و در پيش بيني UHC برابر با 92713 درصد است. تاريخچة مقاله : تمامي حقوق براي انجمن علمي موتور ايران محفوظ است. دريافت 21 : بهمن 9312 پذيرش 24 : اسفند 9312 کليدواژهها : موتور HCCI شبيهسازي چندمنطقهاي سازوکار سينتيك شيميايي انتقال جرم انتقال حرارت شبيهسازي احتراق HCCI و آاليندههاي آن با استفاده از شبيهسازي چندمنطقهاي

سازي پيشين بهينه سازي و شبيه سازي جامع تري اراصاه شاد. شابيه سازي مذکور شامل سه منطقة هسته اليه مرزي و درزها است. انتقال حرارتي بين هسته و ساير مناطق وجود ندارد. شبيه سازي ماي تواناد فشار داخل استوانه و UHC توليدي را با دقت نسبتا قابل قبولي پايش بيني کند اما نتايج براي CO چندان رضايت بخش نيست [ 92 و.]99 شبيه سازي چند منطقهاي ديگار را در ساال 2114 کومنيناوس اراصاه کرد. نسخة کاملتر اين شبيه سازي در ساال 2111 منتشار گردياد. در اين شبيه سازي فضاي داخل اساتوانه باه چنادين اساتوانة تاو در تاو تقسيم شده است و انتقال جرم و انرژي در بين مناطق در نظر گرفتاه شده است. نتايج در مقايسه با داده هاي به دست آمده از آزماايش هاا دقت قابل قبولي داشتند [ 95 و.]93 کانگسريپارپ در سال 2111 شبيه سازيي چند منطقه اي باراي پايش بيني عملكرد موتورهاي HCCI اراصه نمود. در اين شبيه ساازي تباادل جرم بين مناطق وجود نداشت و انتقال انرژي بين آنها از طريق انتقال حرارت و انتقال کار صورت مي گرفت. نتايج داراي دقت قابال قباولي در پيشبيني فشار داخل محفظة احتراق بودند [.]94 با اين بيان هدف مطالعة حاضر اراصة شبيه سازي چند منطقهاي باراي شبيهسازي عملكرد موتورهاي HCCI است. شبيه ساازيي کاه بتواناد فشار داخل استوانه و آالينده هاي خروجي از موتور را با دقت مطلوبي پيش بيني کند. اين شبيه سازي در صورت تحقق اين امر مي تواند در مطالعات توسعه اي بر روي موتورهاي HCCI جايگزين مناسبي باراي روش هاي تجربي باشد. )2 شبيه سازي چند منطقهاي شبيه سازي طراحي شده شامل شبيه سازي چند منطقه اي براي شبيه سازي چرخة بستة موتور و شبيه سازي تاك منطقاه اي باراي شابيه سازي مرحله تبادل گاز در موتور است. در شبيه سازي چند منطقه اي فضاي داخل استوانه به چند منطقه تقسيم شده اسات. باراي افازايش دقت شبيه سازي انتقال جرم و انرژي باين منااطق مختلار در نظار گرفته شده است. )1-2 هندسة مناطق مختلف شبيه سازي مورد نظر از چهار نوع منطقة مختلر تشكيل شاده اسات که عبارتند از : منطقة هسته منطقة اليه مرزي مناطق مياني و درزها. منطقة هسته شامل منطقة مرکزي استوانه اسات. ايان ناحياه منطقاة استوانه اي است که با دو منطقة اليه مرزي و يكي از منااطق ميااني در تماس است. مناطق مياني مناطقي بين هسته و الياه مارزي اناد. ضخامت و طول آنها با يكديگر برابر است ولي به دليل قرار داشتن در شعاع هاي متفاوت حجم هاي متفاوتي دارند. اين مناطق باه صاورت استوانه هاي توخالي اند. منطقة اليه مرزي منطقه اي است که دور تا دور محفظة احتراق را در نزديكي ديوار شاامل اسات. ضاخامت ايان )1 مقدمه موتورهاي بار همگن اشتعال تراکمي ( )HCCI دسته اي از موتورهااي احتراق داخلي اند که در آنها ترکيب سوخت و هوا به صاورت همگان فرايند تراکم را طي ميکند و بدون هيچ عامل خاارجي و تنهاا در اثار افزايش دما و فشار مشاتعل ماي شاود. ايان موتورهاا در مقايساه باا موتورهاي ديزلي و بنزيني بازده حرارتاي بزرگتاري دارناد و آاليناده هاي NOx و PM کمتري توليد مي کنند. البته اين موتورهاا نقاصصاي نيز دارند که از مهمترين آنها مي توان به عدم پايشپذيري احتاراق و عدم عملكرد مطلوب در بارهااي بازرو و تولياد مقاادير زيااد CO و UHC اشاره نمود [.]9-4 در سال هاي اخيار مطالعاات زياادي باراي غلبه بر مشكالت موجود صورت پذيرفته است کاه در ايان مياان باه دليل هزينة سنگين آزمايش هاا و نياز صارفه جاويي در تجهيازات و انرژي بخش چشمگيري از آنها باا اساتفاده از روش هااي نظاري و عددي انجام شده اند. در يك نگاه کلاي روش هااي عاددي باراي شابيه ساازي عملكارد موتورهاي HCCI به سه دستة اصلي چند بعدي چند منطقه اي و تك منطقه اي تقسيم مي شوند. به دليل نبود هيچ عامل خاارجي پايشاگر احتراق نظير شمع و يا افشانة سوخت در شبيه ساازي دقياق احتاراق HCCI بايد از سازوکار هاي سينتيك شيميايي دقيق در کنار هر ياك از شبيه سازي ها استفاده نمود. در شبيه سازيهاي چندبعادي فضااي داخل استوانه به صورت سه بعدي شبيهسازي و شبكهبندي مايشاود سپس تمام معادالت حاکم شاامل معادلاة انارژي پيوساتگي انادازه حرکت در سه بعد معادالت اغتشاش و معادالت ساينتيك باراي هار يك از شبكه ها حل مي شود. اگر چه اين شبيه سازي ها در صاورت استفاده از سازوکار سينتيك شيميايي مناسب مي توانند دماا فشاار و ترکيب داخل محفظة احتراق را در هر لحظه با دقات مطلاوبي پايش بيني کنند اما استفاده از آنها مستلزم صرف وقت و هزينة گزافي اسات [.]1-3 شبيه سازيهاي تك منطقه اي نيز باه دليال صارف نظار از تغييرات دما و ترکيب در داخل اساتوانه حتاي در صاورت اساتفاده از سازوکارهاي سينتيك شيميايي مناسب نميتوانند فشار مخلوط داخل استوانه و آاليندههاي خروجي از موتور را با دقت مطلاوب پايشبيناي کنند [.]91-1 در شبيه ساازيهااي چناد منطقاهاي محفظاة داخال استوانه به مناطق محدودي تقسيم ميشود. هر ياك از منااطق داراي دما و ترکيبي متفاوت از ساير منااطق اسات. معاادالت حااکم شاامل معادلة پيوستگي انرژي معادالت سينتيك شايميايي و معادلاة حالات براي هر يك از مناطق است. شبيه سازيهاي چند منطقهاي اگار باه صورت دقيق و مناسب طراحي و پيادهسازي شوند مي توانند فشار دما و ترکيبات داخل استوانه را با وقت بسيار کمتار و هزيناة ارزانتار و باا دقت مطلوبي پيش بيني کنند [.]3-91 در اين راستا در سال 2119 اسانيس و همكااران شابيه ساازي چناد منطقه اي براي موتورهاي HCCI اراصه دادناد. در ساال 2112 شابيه 95

94 ( ) 2 ( )3 )2-2 معادالت حاکم در هر گام زماني معادلة انرژي که برگرفته از قانون اول ترموديناميك است براي هر منطقه حل ميشود. معادالت 4-3 جزصيات معادلة مورد نظر را نشان مي دهند. معادلة ( )3 معادلة کلي به کار رفته را براي حل مسأله نشان مي دهد که در واقع قانون اول ترموديناميك است. معادلة ( )5 دربرگيرنده جزصيات تغييرات انرژي داخلي است. مشخص است که تغييرات انرژي داخلي ناشي از تغييرات دماي هار منطقاه کال جارم داخل هر منطقه و يا تغييرات ترکيب داخل هر منطقه باشد. معاادالت ( )4 و ( )3 بخش هاي کار و حرارت به کار رفته را در معادلة ( )3 نشاان مي دهند. بديهي است که براي محاسبة کار فقط تغييرات حجمي هر منطقه در نظر گرفته شده اسات و ناه تغييارات حجام کال محفظاة احتراق. ( )5 ( ) 9 ( )4 ( )3 ( )4 ( )1 ( )1 ( )91 در حل معادالت ( )91-3 براي منطقة درزها با توجه باه اينكاه دماا و حجم اين منطقه در هنگام تمامي فرايندها ثابت در نظار گرفتاه ماي شود نرخ تغييرات دما و حجم براي اين منطقاه صافر قارار داده ماي شود. پس از حل معادالت حاکم براي هر يك از مناطق در هار گاام زماني فشار داخل استوانه با استفاده از معادلة ( )99 محاسبه مي شود. ( )99 معادلة ( )99 با استفاده از معادله هاي ( )95-92 به دسات آماده اسات. شايان ذکر است که فشار محاسبه شده براي تماامي منااطق يكساان است. شكل :9 هندسة مناطق مختلر ( )92 ( )93 منطقه در مجاورت بستار و تاج سمبه برابر با درصدي از طول محفظة احتراق است و ضخامت آن در نزديكي ديواره هاي استوانه نياز برابار با درصدي از شعاع استوانه است. ضخامت الياه مارزي و هساته باه صورت دلخواه تعيين شد و ضخامت ساير مناطق با استفاده از معادلاة ( )9 محاسبه مي گردد. طول هسته و مناطق مياني نياز باا اساتفاده از معادلة ( )2 تعيين مي گردند. حجم منطقة درزهاا نياز هماواره ثابات و برابر با %3 از حجم کلي محفظة احتراق در TDC اسات. دمااي ايان منطقه نيز ثابت و بنابراين با تغييرات فشار داخل اساتوانه مقادار جارم موجود در اين منطقه دستخوش تغييرات مي گردد. شكل 9 پيكربندي مناطق موجود در داخل استوانه را نشان مي دهد. همان گونه که در معادلة ( )3 نشان داده شده اسات حارارت کال هار منطقه داراي سه بخش اصلي است که عبارتند از : حرارت مبادله شاده بين منطقة مزبور و ساير مناطق با استفاده از سازوکار انتقاال حارارت هدايت حرارتي که بين منطقة مورد نظر و ساير مناطق در اثر انتقاال جرم مبادله شده است و حرارتاي کاه باا اساتفاده از ساازوکار انتقاال حرارت جابه جايي بين هر يك از مناطق و ديواره صاورت ماي گيارد. بديهي است که چنين انتقال حرارتي فقط باراي منطقاة الياه مارزي موجود است و مقدار آن براي ساير مناطق برابر با صفر در نظر گرفتاه مي شود. معادالت ( )1-4 جزصيات محاسبة بخش هاي مختلر انتقاال حرارت را نشان مي دهد که در بخش هاي بعادي توضايب بيشاتري دربارة آنها اراصه خواهد شد. نرخ تغييرات نسبت جرمي هر گونه نيز باا استفاده از معادلة ( )91 محاسبه مي شود.

( )95 ( )94 ( ) داخل منطقه مورد نظر است. اين محاسبات در هر گام زماني و باراي هر يك از مناطق انجام مي شود. بررسي نتايج نشان مي دهد که به دليل ثابت بودن دما و جرم منطقاة درزها در حين فرايند تراکم و احتراق جرم به ايان منطقاه وارد شاده است و در حين فرايند انبساط از آن خارج مي شود. جرم هااي خاارج شده از اين منطقه به دليل خنك شدن دما يا ناقص سوخته اناد و ياا محترق نشدهاند. اين امر باعث پديدار شدن مقاادير زيااد CO و UHC در آالينده هاي خروجي از موتور اند. با توجه به اينكاه ايان ساازوکار مشابه فرايند واقعي در موتورهاي HCCI است شبيه سازي داراي دقت مطلوبي در پيش بيني آالينده هاي خروجي از موتور خواهد بود. )5-2 تبادل گاز براي محاسبة دما فشار و ترکيب گازهاي داخال محفظاة احتاراق در لحظة بسته شدن دريچة ورودي از شبيه سازي تك منطقه اي باراي تبادل گاز استفاده شده است. معادالت در اين مرحله مشاابه معاادالت چند منطقه اي اند. با اين تفاوت که در اين مرحله تغيير مقدار هر گونه در داخل محفظة احتراق ناشاي از واکانش هااي شايميايي نيسات و بواسطة ورود و خروج جرم صورت مي پذيرد. نرخ ورود و خروج جارم با استفاده از معادالت ( )93 و ( )94 محاسابه ماي گاردد [.]94 در ايان معادالت CD ضريب تخلية دريچه هاي ورودي و خروجاي اسات کاه براي موتور مورد استفاده در مطالعة حاضر کانگسريپارپ [ ]94 محاسبه کرده است. ( )93 ] ) [ ( )94 )4-2 انتقال جرم در شبيه سازي مورد نظر انتقال جرم بين مناطق مختلر در نظر گرفته شده است. زيرا پس از حل معادلة قانون اول ترموديناميك و محاسابة دماي جديد هرمنطقه و فشار جديد داخل استوانه دو طرف موجاود در معادلة حالت مساوي نيست و درواقع معادلة حالت ارضا نخواهاد شاد. براي حل اين مشكل بايد جرم جديد هر منطقه طوري محاسبه گردد که عالوه بر ارضاي معادلة حالت براي تمامي مناطق بقاء کال جارم داخل استوانه نيز ارضاء گردد. کوچك باودن جارم جدياد داخال هار منطقه از جرم قبلي آن نشان دهندة خارج شدن جارم از آن منطقاه و ورود آن به مناطق همسايه است. در حالي که بزرگتر بودن جارم هار منطقه به معناي خارج شدن جارم از منااطق همساايه و ورود آن باه ) ( )3 بحث بر روي نتايج براي صحت سنجي شبيه سازي از داده هاي تجربي که با اساتفاده از موتور CFR در آزمايشگاه موتور دانشگاه آلبرتاي کانادا به دست آماده است استفاده مي شود. ويژگي هاي اين موتور در جدول 9 نشان داده شده است. براي صحه گذاري بر نتايج شبيه سازي احتراق دو سوخت گاز طبيعي و هپتان نرمال در موتور HCCI مطالعه شد. براي شبيه سازي احتاراق گاز طبيعي از سازوکار سينتيك شيميايي GRI.Mech 3 و براي شابيه سازي احتراق هپتان نرماال از ساازوکار ساينتيك شايميايي دانشاگاه چالمرز استفاده شده است [ 91 و.]91 جدول 2 ويژگي هاي نمونه هااي )3-2 انتقال حرارت انتقال حرارت در نظر گرفتاه شاده شاامل دو بخاش انتقاال حارارت هدايتي و انتقال حرارت جابه جايي است. انتقال حرارت هادايتي باين هر منطقه و مناطق همساية آن صورت ماي گيارد. باه عناوان م اال منطقة ( )9 که همان منطقة هسته است با منطقاة ( )2 و منطقاة الياه مرزي در حال تبادل حرارت است. منطقة الياه مارزي نياز باه دليال همسايه بودن با تمامي مناطق با همة آنها حارارت تباادل ماي کناد. براي محاسبة انتقاال حارارت هادايتي از قاانون فورياه معادلاة ( )4 استفاده شده است. به دليل وجود جريان مغشوش در داخل اساتوانه از ضريب حرارتي هدايت اغتشاشي براي محاسابة نارخ انتقاال حارارت هدايتي استفاده شده است. روش باه کاار بارده شاده باراي محاسابة ضريب حرارتي هدايت اغتشاشي روش اراصاه شادة يانا و ماارتين [ ]94 است که پيش از اين کومنينوس براي محاسابة ضاريب انتقاال حرارت هدايتي مغشوش استفاده کرد [ 95 و.]93 بخش ديگر انتقال حرارت انتقال حرارت جابه جاايي اسات کاه باين منطقة اليه مرزي و ديوارة استوانه بستار و تااج سامبه صاورت ماي گيرد. معادلة ( )94 معادلة استفاده شده براي محاسبة نرخ انتقال حرارت جابه جايي بين دو ناحية مورد نظر را نشاان ماي دهاد. معادلاة ماورد استفاده در واقع با استفاده از خطي سازي معادلة ( )1 باه دسات آماده است. ضريب هدايت حرارتي مورد اساتفاده در ايان معادلاه باه دليال اينكه جريان در نواحي نزديك به ديواره معموال آرام است و اغتشاشي در آن ديده نمي شود ضريب هدايت حرارتي آرام است [.]93 93

94 مورد استفاده را براي صحت سنجي شبيه سازي نشان مي دهد. همان طور که از داده هاي جدول نيز مشخص است نمونه ها از بازة وسيعي از غنا (نسابت هام ارزي) درصاد EGR دور موتاور و نسابت تاراکم انتخاب شده اند. Waukesha شبيه سازي موتور 392 حجم جابهجايي ) (cm3 1724 قطر استوانه ) (cm 9975 طول پيمايش سمبه ) (cm 25 طول دسته سمبه ) (cm 91 ) IVO (atdc 295 ) IVC (atdc 411 ) EVO (atdc 94 ) EVC (atdc جدول :2 ويژگي نمونه ها براي صحت سنجي شبيه سازي سوخت نمونه CR λ %EGR rpm هپتان نرمال 9274 3714 1 411 9 هپتان نرمال 9274 2753 51 411 2 گاز طبيعي 2974 2714 51 111 3 گاز طبيعي 2974 3733 1 111 5 شكل :3 منحني فشار نمونة 2 شكل :5 منحني فشار نمونة 3 شكل هاي 2-4 فشار نمونه هاي 9 تا 5 را نشان مي دهد. شكل :4 منحني فشار نمونة 5 شكل :2 منحني فشار نمونة 9 با دقت در شكل هاي 4-2 مشخص مي گردد که شبيه ساازي داراي دقت قابل قبولي در پيش بيني فشار داخل استوانه است. مرحلة تراکم زمان شروع احتراق مدت زمان احتراق و بيشينة فشار با دقت مطلوبي پيش بيني شده اند. جدول 3 مقادير به دست آمده براي آالينده هاا را با استفاده از روش تجربي و جدول 5 با استفاده از شبيه ساازي باراي نمونه هاي مورد نظر نشان مي دهند. جدول :9 ويژگي هاي موتور مورد استفاده در آزمايش ها

شكلهاي 1 و 1 منحنيهاي فشار را تا رسايدن باه همگراياي باراي نمونههاي 2 و 5 نشان ميدهد. نمونة 9 بعد از 4 بار تكارار نموناه 2 بعد از 3 بار تكرار و نمونههاي 3 و 5 بعد از 5 بار تكرار همگرا شدهاند. قابل توجه است که فشار و دماي ترکيبات داخال اساتوانه ساريعتر از جرم گونههاي مختلر به همگرايي رسيدهاند. جدول :5 آالينده هاي خروجي از موتور به دست آمده از روش عددي نمونه ) NOx(ppm ) UHC(ppm ) CO2(% ) CO(% 1795 134 3749 17143 9 1742 9443 3732 17951 2 1739 5513 379 17144 3 173 3111 3753 171421 5 با مقايسة داده هاي جداول 3 و 5 مشخص مي گردد که شبيه ساازي دقت مطلوبي در پيش بيني مقادير CO و CO2 خروجي از موتاور دارد. اما مقادير پيش بيني شده براي NOx و UHC در مقايساه باا مقاادير تجربي اندکي خطا دارد. البته با توجه به اينكه مقاادير محاسابه شاده براي دو آاليندة قبل در مقياس ppm بيان شده است مي تاوان ادعاا نمود که خطاهاي موجود قابل صرفنظر اند. دليل پيش بيناي مطلاوب آالينده ها استفاده از شبيه سازي مطلوب و مناسب براي انتقال جارم است. در انتقال جرم به کار رفته در حين فرايندهاي تراکم و احتاراق ترکيب سوخت و هوا از تمامي مناطق به منطقة اليه مرزي و از آنجاا به درزها وارد مي شود. با توجه به خنك بودن دما در درزهاا ترکياب سوخت و هواي موجود در آن فرايند احتراق را طي نمي کناد. هماين جرم نسوخته در حين فرايند انبساط از درزها خاارج شاده اسات و باه مناطق ديگر وارد مي شود که با توجه باه خناك باودن دماا و فشاار ترکيبات داخل استوانه يا دچار احتراق ناقص مي گردد و يا اصال نمي سوزد. بنابراين باعث مي شود که مقادير قابل توجهي CO و UHC در خروجي موتور وجود داشته باشد. با توجه به اينكه اتفاق مشاابهي نياز در موتورهاي واقعي صورت مي گيرد شبيه سازي ميتواند مقادير اين آاليندهها را با دقت مطلوبي پيش بيني نماياد. بيشاينة خطااي شابيه سازي در پيش بيني CO برابر با %9741 و در پيش بيني UHC برابر با %92713 است. شكل هاي 3 و 4 تغييرات جرماي منااطق مختلار را نشان مي دهد. ورود و خروج جرم از منطقاة درزهاا کاامال مشاخص است. در داده هاي اراصه شده تعداد مناطق شبيه سازي 99 عدد اسات که در اين شكل ها به دليل افزايش وضوح از قرار دادن جرم سه عدد از نواحي مياني صرفنظر شده است. مشخص است که تغييرات جرمي در نواحي مذکور مشابه با تغييارات جرماي ناحياه هااي 2-5 و 1 و 1 است. شكل :3 توزيع جرم در مناطق مختلر براي نمونة 9 شكل :4 توزيع جرم در مناطق مختلر براي نمونة 3 شكل :1 منحني فشار در تكرارهاي مختلر براي نمونة 2 جدول :3 آالينده هاي خروجي از موتور به دست آمده از روش تجربي نمونه ) Nox(ppm) UHC(ppm ) CO2(% ) CO(% 1799 114 3749 17143 9 1744 9414 3733 17951 2 1713 5444 379 17143 3 175 3191 3754 171434 5 91

ثابت جهاني گازها J/molK دما K زمان s t انرژي داخلي J انرژي داخلي واحد جرم J/kg u حجم m3 V فهرست عالئم مساحت m2 A گرماي ويژه در فشار ثابت J/kgK Cv ضريب تخليه CD قطر سمبه m D آنتالپي J/kg h ضريب هدايت حرارتي J/msK k طول هر استوانه m l جرم kg جرم مولكولي هر گونه تعداد مناطق فشار داخل استوانه Pa حرارت J m MW nz P Q W فاصلة خطي m x نسبت جرمي هر گونه عالئم يوناني ضريب اتميسيتة گاز چگالي kg/m3 سرعت توليد هر گونه در هر واکنش mol/m3s زيرنويسها در راستاي محور کمينه منطقه گونه در راستاي شعاع بيشينه Y γ ρ ω a d i k r u References [1] F. Zhao, T.N. Asmus, D.N. Assanis, J.E. Dec, J.A. Eng, P.M. Najt, Homogeneous charge compression ignition (HCCI) engines, SAE International, 2003 [2] W.A. Abdelghaffar, NOx formation inside HCCI engines, American Journal of Scientific and Industrial Research, Vol. 1, pp. 293-302, 2010 [3] M.Y. Au, J.W. Girard, R. Dibble, D. Flowers, S.M. Aceves, J.M. Frias, R. Smith, C. Seibel, U. Maas, 1.9 liter four-cylinder HCCI engine operation with exhaust gas recirculation, SAE International, Paper No. 2001-01-1894, 2001 [4] M.H. Askari, S.M. Hoseinalipour, S.A. Jazayeri, Effect of hydrogen addition to natural gas on homogeneous charge compression ignition combustion engines performance and emissions using a thermodynamic simulation, International Journal of Automotive Engineering, Vol. 1, pp. 105 114, 2011 [5] G. Kontarakis, N. Collings, T. Ma, Demonstration of HCCI using a single cylinder four-stroke SI engine with modified valve timing, SAE International, Paper No. 2000-01-2870,2000 [6] J. Kusaka, T. Yamamoto, Y. Daisho. Simulating the homogeneous charge compression ignition process using a detailed kinetics model for n-heptane mixture, International Journal of Engine Researches, Vol. 1, pp. 281-289, 2000 )4 نتيجه گيري در مطالعة حاضر تالش شده است تا شبيه سازيي چند منطقه اي براي شبيه سازي عملكرد موتورهاي HCCI اراصه شود. شابيه ساازي اراصاه شده داراي چهار نوع منطقه شامل هسته مناطق مياني اليه مرزي و درزها است. انتقال جرم و حرارت بين منااطق مختلار در نظار شاده است. انتقال حرارت جابه جايي باين منطقاة الياه مارزي حرارتاي و ديواره هاي محفظة احتراق نيز منظور شده است. نتايج نشان مي دهد که شبيه سازي دقت مطلوبي را در پيش بيني فشاار داخال اساتوانه و مقادير آالينده هاي خروجي از موتور داراسات. بيشاينة خطااي شابيه سازي در پيش بيني CO برابر با %9741 و در پيش بيني UHC برابر با %92713 است. thick U کار J با توجه به حالتهاي مطرح شده در اين مقاله و ساير نمونهها ميتوان چنين بيان نمود که به طور کلي نمونههاي متان سريعتر از نمونههاي هپتان همگرا شدهاند. Ru T ضخامت m شكل :1 منحني فشار در تكرارهاي مختلر براي نمونة 5 91

Downloaded from engineresearch.ir at 16:36 +0330 on Tuesday October 23rd 2018 21 29-93 صفحه )9312 (زمستان 33 شمارة پژوهشي تحقيقات موتور - فصلنامة علمي الهه نشاط اسفهالني و رحيم خوشبختي سراي [14] N.P. Komninos, Assessing the effect of mass transfer on the formation of HC and CO emissions in HCCI engines, using a multi-zone model, Energy Conversion and Management, Vol. 50, pp. 11921201, 2009 [15] P. Kongsereeparp, M.D. Checkel, Novel method of setting initial conditions for multi-zone HCCI combustion modeling, SAE International, Paper No. 2007-01-0674, 2007 [16] A.V. Boiko, G.R. Grek, A.V. Dovgal, V.V. Kozlov, The origin of turbulence in near-wall flows, Springer, 2002 [17] J.B. Heywood, Internal combustion engine fundamentals, McGraw Hill Inc., 1998 [18] V. I. Golovitchev, K. Atarashiya, K. Tanaka, S. Yamada, Towards universal EDC-based combustion model for compression ignited engine simulation, SAE International, Paper No. 2003-01-1849, 2003 [19] M. Frenklach, H. Wang, M. Goldenberg, G.P. Smith, D.M. Golden, C.T. Bowman, R.K. Hanson, W.C. Gardiner, V. Lissianski, GRI-Mech - An optimized detailed chemical reaction mechanism for methane combustion, GRI Topical Report, 1995 [7] D. Jun, K. Ishii, N. Iida, Combustion analysis of natural gas in four stroke HCCI engine using experiment and elementary reactions calculation, SAE International, Paper No. 2003-01-1089, 2003 [8] Y. Yamasaki, N. Iida, Numerical analysis of auto ignition and combustion of n-butane and air mixture in the homogeneous charge compression ignition engine by using elementary reactions, SAE International, Paper No. 2003-01-1090, 2003 [9] J. Zheng, D.L. Miller, N.P. Cernansky, A global reaction model for the HCCI combustion process, SAE International, Paper No. 2004-01-2950, 2004 [10] J.E. Dec, M. Sjoberg, A parametric study of HCCI combustion - the sources of emissions at low loads and the effects of GDI fuel injection, SAE International, Paper No. 2003-01-0752, 2003 [11] S.B. Fiveland, D.N. Assanis, Development of a two-zone HCCI combustion model accounting for boundary layer effects, SAE International, Paper No. 2001-01-1028, 2001 [12] S.B. Fiveland, D.N. Assanis, Development and validation of a quasi-dimensional model for HCCI engine performance and emissions studies under turbocharged conditions, SAE International, Paper No. 2002-01-1757, 2002 [13] 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

E. Neshat Esfahlani & R. Khoshbakhti Saray, The Journal of Engine Research, Vol. 33 (winter 2014), pp. 13-21 21 The Journal of Engine Research Downloaded from engineresearch.ir at 16:36 +0330 on Tuesday October 23rd 2018 Journal Homepage: www.engineresearch.ir Modeling of HCCI combustion and emissions using a multi-zone model E. Neshat Esfahlani1, R. Khoshbakhti Saray2* 1Mechanical Engineering Department, Sahand University of Technology, Tabriz, Iran, e_neshat@sut.ac.ir Engineering Department, Sahand University of Technology, Tabriz, Iran, khoshbakhti@sut.ac.ir *Corresponding Author, Phone Number: +98-411-3459476 2Mechanical ARTICLE INFO ABSTRACT Article history: Received: 18 February 2014 Accepted: 16 March 2014 Keywords: HCCI engine Multi-zone model Chemical kinetics mechanism Mass transfer Heat transfer The main purpose of this paper is the development of a multi-zone model for the prediction of combustion, performance and emissions characteristics of HCCI engines. The developed model contained four various zones that included the core zone, the boundary layer zone, outer zones, which were between the core and the boundary layer, and the crevice zone. The core zone was the innermost zone and the boundary layer was the nearest zone to the wall. The volume of the crevice zone was constant and equaled to 3% of the volume of TDC, but the volume of other zones changed by the time. There was the conductive heat transfer between neighborhood zones. The mass transfer was considered between zones, too. There was the convective heat transfer between boundary layer gases and combustion chamber walls. Suitable chemical kinetics mechanisms were used for the accurate combustion simulation. To calculate the in-cylinder temperature, the pressure and the composition at intake valve closing, a single-zone model was used for the simulation of the gas exchange process. The model was validated using experimental data of the HCCI combustion of n-heptane and methane fuels. Results showed that the model can predict HCCI combustion, performance and emissions characteristics, accurately. The maximum error of model results for the CO prediction was equal to 1.7% and for the UHC prediction was equal to 12.86%. Iranian Society of Engine (ISE), all rights reserved. A Special Issue for Selected Articles in 8th International Conference on Internal Combustion Engines and Oil