توسعه مدل ترموديناميكي تك ناحيه اي موتور اشتعال تراكمي سوخت همگن براي كاربردهاي كنترلي

Thermo-kinetic model development of HCCI engine for control applications

امروزه موتورهاي اشتعال تراكمي سوخت همگن، انديشه اي نوين براي كاهش مصرف سوخت و آلاينده هاي توليدي موتور محسوب مي شوند. به همين علت بررسي هاي گوناگوني در اين زمينه انجام شده است. مهم ترين مشكل براي انبوه سازي اين موتورها در صنعت، دشواري كنترل احتراق آن ها است. شماري از متغيرهاي موتور بر احتراق آن تأثير بسزايي داشته كه بررسي آن ها در يك الگوي تك ناحيه اي، شدت تأثير هر يك از آن ها را مشخص مي كند. در اين مقاله پس از توسعه و واسنجي يك مدل تك ناحيه اي با در نظر گرفتن سينتيك مفصل شيميايي، تأثير متغيرهايي نظير فشار و دماي مخلوط ورودي، نسبت هم ارزي، مقدار گازهاي برگشتي، رطوبت نسبي و دور موتور بر زمان شروع و طول دوره احتراق به دقت بررسي شد. سوخت موتور در اين بررسي متان بوده و زمان شروع احتراق، لحظه اي در نظر گرفته شده كه 5 درصد سوخت موجود مصرف شده است. در نهايت از برازش نتايج حاصل از شبيه سازي، رابطه اي براي زمان شروع و طول دوره احتراق به منظور استفاده در مدل هاي كنترل گرا ارائه شده است. همچنين مقدار ميانگين مشتق سوم فشار بر حسب درجه لنگ در لحظه شروع احتراق براي موتور مورد نظر گزارش شده كه يكي از مهمترين معيارهاي تعيين زمان شروع احتراق در كاربردهاي كنترلي است. تاثير رطوبت نسبي بر زمان شروع احتراق ناچيز بيان شده است.

In recent years, Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) 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 HCCI commercialization. There are some key parameters effecting on HCCI 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, EGR rate, inlet air humidity and engine speed on start of combustion (SOC) and its duration. The fuel was pure methane and start of combustion is defined at crank angle where 5% of 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 SOC indicator in control utilization. The results show the proper accuracy of the model and the introduced relations. The effect of inlet air humidity on SOC is negligible.