بررسي تاثير تركيب سوخت بر زمانبندي احتراق تراكمي همگن با استفاده از شبيهسازي ديناميك سيالات محاسباتي كوپل شده با سينتيك شيميايي

An investigation on the effects of fuel composition on combustion timing of HCCI engine by CFD modeling coupled with chemical kinetics

يكي از مهمترين مشكلات احتراق تراكمي همگن، نبود ابزاري مشخص در پيش بيني و كنترل احتراق مي باشد. علت آن وابستگي احتراق به واكنش پذيري مخلوط و اثر سينتيك شيميايي است. محدوده باريك احتراق بين ضربه و بدسوزي معضل ديگري در اين نوع موتورها است. در مقاله حاضر احتراق تراكمي همگن در يك موتور تك سيلندر با استفاده از ديناميك سيالات محاسباتي كوپل شده با سينتيك شيميايي شبيه سازي شده است. شبيهسازي فوق از زمان بسته شدن سوپاپ خروج دود در مرحله مكش تا زمان باز شدن مجدد آن براي تخليه انجام شده است. از مكانيزم تركيبي نرمال هپتان و ايزو اكتان براي شبيهسازي احتراق بنزين استفاده شده است. مقايسه نتايج حاصل از شبيهسازي با نتايج آزمايشگاهي در دو حالت )داراي گازهاي بازخوران و بدون آن( حاكي از آن است كه مدلسازي انجام شده با دقت مناسبي پارامترهاي احتراقي شامل زمانبندي احتراق و بيشينه فشار داخل محفظه را پيشبيني ميكند. با اطمينان از دقت مناسب شبيهسازي انجام شده، تاثير تغيير تركيب سوخت به عنوان يكي از روش-هاي كنترل زمانبندي احتراق بررسي شده است. نتايج حاكي از آن است كه با افزايش ميزان نرمال هپتان، احتراق زودتر اتفاق ميافتد و طول دوره احتراق كاهش مييابد. دليل اين امر مقاومت كمتر نرمال هپتان در برابر خود اشتعالي در مقايسه با ايزو اكتان است. همچنين با افزايش ميزان نرمال هپتان، بيشينه فشار درون محفظه به دليل سريعتر بودن فرآيندهاي احتراقي بيشتر است.

Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) engines are the new generation of internal combustion engines which have diesel-like thermal efficiency, while they have low nitrogen oxide and soot emission. One of the major problems of these engines is combustion timing control due to its dependence on reactivity of the charge and chemical kinetics. Limited operation range between knock and misfiring is another drawback of using these engines. In the present work, HCCI in a single cylinder engine is modeled using computational fluid dynamics coupled with chemical kinetics. Simulation includes the engine cycle from exhaust valve closure of intake stroke to exhaust valve opening of exhaust stroke. Chemical kinetic mechanism of the blend of n-heptane and iso-octane was used for simulating the combustion of gasoline fuel. The results of two different cases (with and without exhaust gas recirculation) show that combustion parameters like combustion timing and the maximum in-cylinder pressure have good agreement with experimental results. Finally, the effects of fuel composition as one of the methods of combustion timing control is studied. The results show that by increasing the fraction of n-heptane in the fuel, combustion starts earlier, combustion duration decreases and the maximum in-cylinder pressure increases due to lower combustion resistance of n-heptane.