تعیین شروع و طول احتراق موتور اشتعال‌تراکمی مخلوط‌همگن به روش مقدار متوسط برای کاربردهای کنترلی

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی نوشیروانی بابل، بابل، ایران

چکیده

امروزه موتورهای اشتعال تراکمی مخلوط همگن، اندیشه‌ای نوین برای کاهش مصرف سوخت و آلاینده‌های تولیدی موتور محسوب می‌شوند. به همین علت بررسی‌های گوناگونی در این زمینه انجام شده است. مهم‌ترین مشکل برای انبوه‌سازی این موتورها در صنعت، دشواری کنترل احتراق در آنها است. برخی از متغیرهای موتور بر احتراق و عملکرد آن تأثیر بسزایی دارند. بررسی این متغیرها در یک الگوی تک ناحیه‌ای، شدت تأثیر هر یک از آنها بر عملکرد موتور را به طور کیفی مشخص می‌کند. در این مقاله یک مدل تک ناحیه‌ای با در نظر گرفتن سینتیک مفصل شیمیایی در محیط برنامه نویسی نرم‌افزار متلب ایجاد و پس از واسنجی، تأثیر متغیرهایی نظیر فشار و دمای مخلوط ورودی، نسبت هم‌ارزی، مقدار گازهای برگشتی، رطوبت نسبی و دور موتور بر زمان شروع و طول دوره احتراق به دقت بررسی شد. سوخت موتور در این بررسی متان بوده و زمان شروع احتراق، لحظه‌ای در نظر گرفته شده که 5درصد سوخت موجود مصرف شده است. در نهایت از برازش نتایج حاصل از شبیه‌سازی، رابطه‌ای برای زمان شروع و طول دوره احتراق با تکیه بر اصول مدل‌سازی روش مقدار متوسط به منظور استفاده در مدل‌های کنترل‌گرا ارائه شده است. همچنین مقدار میانگین مشتق سوم فشار بر حسب درجه لنگ در لحظه شروع احتراق برای موتور مورد نظر گزارش شده که یکی از مهمترین معیارهای تعیین زمان شروع احتراق در کاربردهای کنترلی است.

کلیدواژه‌ها

موضوعات


عنوان مقاله [English]

Defining Start and Duration of Combustion in HCCI Engines using Mean-Value Method for Control Applications

نویسندگان [English]

  • M.M. Namar
  • O. Jahanian
Babol Noshirvani University of Technology, Babol, Iran
چکیده [English]

In recent years, homogeneous charge compression ignition engines are a promising idea to reduce emissions and fuel consumption of internal combustion engines. Thus many researchers and industries have focused on this topic. Combustion phasing control is the main problem in the mentioned engines’ commercialization. There are some key parameters affecting the combustion characteristics. A single zone thermodynamic model can investigate these effects numerically. In this paper, a single zone thermodynamic model is developed and validated with experimental data. The developed model includes detailed chemical kinetics. This model is used to study the effects of inlet temperature and pressure, equivalence ratio, exhaust gas recirculation rate, inlet air humidity and engine speed on the start of combustion and its duration. The fuel was pure methane and the start of combustion is defined at a crank angle where 5% of the fuel is consumed. As a result, an interpolated relation was introduced to be used in control-oriented models. The third derivation of pressure due to crank angle is either calculated as the most important start of the combustion indicator in control utilization. The results show the proper accuracy of the model and the introduced relations. The effect of inlet air humidity on the start of combustion is negligible.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Homogeneous charge compression ignition engine
  • Single-Zone Modeling
  • Detailed Chemical Kinetics
  • Start of Combustion
  • Exhaust gas recirculation
[1] S. Onishi, S.H. Jo, K. Shoda, P.D. Jo, S. Kato, Active thermo-atmosphere combustion (ATAC)—a new combustion process for internal combustion engines, SAE Transactions, (1979) 1851-1860.
[2] M. Noguchi, Y. Tanaka, T. Tanaka, Y. Takeuchi, A study on gasoline engine combustion by observation of intermediate reactive products during combustion, 0148-7191, SAE Technical Paper, 1979.
[3] P.M. Najt, D.E. Foster, Compression-ignited homogeneous charge combustion, SAE Transactions, (1983) 964-979.
[4] R.H. Thring, Homogeneous-charge compression-ignition (HCCI) engines, 0148-7191, SAE Technical paper, 1989.
[5] J.-O. Olsson, P. Tunestål, B. Johansson, Boosting for high load HCCI, SAE transactions, (2004) 579-588.
[6] M. Stockinger, Investigations of a Gasoline Engine Using Self-Ignition by Compression, MTZ Motortechnische Zeitschrift, 53 (1992).
[7] N. Sarabchi, S. Mahmoudi, R.K. Saray, Thermodynamic Analysis of a Tri-generation Cycle with HCCI Engine as Prime Mover, Modares Mechanical Engineering, 13(2) (2013) 56-69. (In Persian)
[8] J. Zheng, W. Yang, D.L. Miller, N.P. Cernansky, Prediction of pre-ignition reactivity and ignition delay for HCCI using a reduced chemical kinetic model, SAE Transactions, (2001) 999-1006.
[9] W.L. Easley, A. Agarwal, G.A. Lavoie, Modeling of HCCI combustion and emissions using detailed chemistry, Sae Transactions, (2001) 1045-1061.
[10] M. Shahbakhti, R. Lupul, C.R. Koch, Predicting HCCI auto-ignition timing by extending a modified knock-integral method, 0148-7191, SAE Technical Paper, 2007.
[11] O. Jahanian, S. A. Jazayeri, A comprehensive study on natural gas HCCI engine via a single zone thermo-kinetic engine model, in: 12th Conference of Fluid Dynamics (FD2009), Babol, Iran, 2009. (in Persian)
[12] O. Jahanian, S.A. Jazayeri, The Effects of Using Formaldehyde as an Additive on the Performance of an HCCI Engine Fueled with Natural Gas, Proceeding of American Society of Mechanical Engineers, (2010) 601-609.
[13] S. Jazayeri, J. Omid, A thermo-kinetic model base study on natural gas HCCI engine response to different initial conditions, Silniki Spalinowe, 48 (2009) 89-99.
[14] O. Jahanian, S. Jazayeri, A comprehensive numerical study on effects of natural gas composition on the operation of an HCCI engine, Oil & Gas Science and Technology–Revue d’IFP Energies nouvelles, 67(3) (2012) 503-515.
[15] O. Jahanian, S.A. Jazayeri, The Effects of Using Formaldehyde as an Additive on the Performance of an HCCI Engine Fueled with Natural Gas, in: ASME 2010 International Mechanical Engineering Congress and Exposition, American Society of Mechanical Engineers, 2010, pp. 601-609.
[16] X.-c. Lü, W. Chen, Y.-c. Hou, Z. Huang, Study on the ignition, combustion and emissions of HCCI combustion engines fueled with primary reference fuels, 0148-7191, SAE Technical Paper, 2005.
[17] M. Shahbakhti, C.R. Koch, Control oriented modeling of combustion phasing for an HCCI engine, in: 2007 American Control Conference, IEEE, 2007, pp. 3694-3699.
[18] M. Shahbakhti, R. Lupul, C.R. Koch, Predicting HCCI auto-ignition timing by extending a modified knock-integral method, 0148-7191, SAE Technical Paper, 2007.
[19] G. P. Smith, D. M. Golden, M. Frenklach, N. W. Moriarty, B. Eiteneer, M. Goldenberg, C. T. Bowman, R. K. Hanson, S. Song, , Jr. W. C. Gardiner, V. V. Lissianski, Z. Qin, GRI 3.0 Mechanism, Gas Research Institute, Accessed on February 2000. http://www.me.berkeley.edu/gri_mech
[20] J. Chang, O. Güralp, Z. Filipi, D. Assanis, T.-W. Kuo, P. Najt, R. Rask, New heat transfer correlation for an HCCI engine derived from measurements of instantaneous surface heat flux, SAE transactions, (2004) 1576-1593.
[21] K. K. Kuo, Principles of combustion, 1986.
[22] M. Nazoktabar, S. A. Jazayeri, O. Jahanian, M. Shahbakhti, Numerically comparing of performance of an HCCI engine fueled with PRFs, in: 1st National Conference on Combustion Engine (NCICE-1), Iran. 2012. (In Persian)
[23] 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 Transactions, (2002) 842-860.