بررسي رفتار شعله گاز طبيعي در محفظه احتراق يك موتور اشتعال جرقه اي

Investigating the Behavior of Natural Gas Flame in a Spark Ignition Engine

فرايند آزادسازي انرژي در موتورهاي اشتعال جرقه اي رابطه مستقيمي با روند گسترش شعله در محفظه احتراق دارد. در اين تحقيق، با شبيه سازي فرايند احتراق گاز طبيعي در يك موتور اشتعال جرقه اي، با استفاده از ديناميك سيالات محاسباتي، رفتار شعله در نزديك ديواره ها و دور از آن بررسي شده است. آزمون هاي تجربي در دورهاي مختلف و با تغيير زاويه جرقه زني انجام شده است. شبيه سازي به صورت چرخه بسته بوده و نتايج مدل با داده هاي تجربي اعتباردهي شده، كه از دقت مناسبي برخوردار است. نتايج نشان مي دهد، با قرارگرفتن جرقه شمع در خارج از مركز هندسي سرسيلندر، فرض گسترش شعله به صورت كره هاي هم مركز صحيح نيست و ديواره نزديك شعله، جلوي پيشروي آن را گرفته و سطح شعله از حالت كروي خارج مي شود. پيشروي شعله متلاطم گاز طبيعي در سه مرحله انجام مي گيرد: 1- گسترش اوليه سطح شعله با شتاب زياد كه 15درصد جرم سوخت، با شيب آهنگ آزادسازي انرژي بالا، در اين مرحله مي سوزد. 2- بعد از برخورد سطح شعله با كف پيستون، آهنگ سوختن با نرخ تقريبا ثابت ادامه مي يابد. 30 درصد جرم سوخت در حالت شمع خارج از مركز و 50 درصد سوخت در حالت شمع مركز، در اين مرحله مي سوزد. 3- كاهش شتاب گسترش شعله بعد از برخورد سطح شعله با ديواره هاي جانبي كه 55 درصد جرم سوخت در حالت شمع خارج از مركز و 35 درصد در حالت شمع در مركز، در اين مرحله مي سوزد.

Heat release rate process in SI Engines is directly related to the flame propagation in the combustion chamber. In this study، by simulating natural gas combustion in SI Engines using CFD software، flame behavior is investigated near the wall. Experimental tests were performed for various engine speeds and spark timings. The engine simulation was done and the results were validated with experimental data at various engine operating conditions. The results were in good agreement with the corresponding experimental data. Results show that by keeping the spark plug out of the geometric center of the cylinder، the concentric spherical propagation assumption of flame is not true. The walls near the flame prevent its propagation and its shape deviates from the spherical shape. Finally، it can be concluded that،‌ natural gas turbulent flame propagation occurred in three stages: 1- The initial propagation of flame with high acceleration، in which 15% of the fuel is burned with a high rate of H.R.R. 2- Colliding of the flame with the floor of the piston، H.R.R continues with almost constant rate، in which 30% and 50% of the fuel is burned for the off-centered and centered spark plug location، respectively. 3- Deceleration of flame propagation after colliding with the side walls، in which 55% and 35% of the fuel is burned for off-centered and centered spark plug location، respectively.