21754

21754

طراحي مجدد ترموديناميكي عملكرد و آلايندگي موتور EF7 براي استفاده بهينه از هيدروژن و گاز طبيعي

كارشناسي ارشد

سيستم محركه خودرو

1395

1398/08/28

دكتر اميرحسن كاكائي

خودرو

موتورهاي اشتعال جرقه‌اي كه در آن‌ها از سوخت گاز طبيعي غني شده توسط هيدروژن استفاده مي‌شود در مقايسه با موتورهايي با سوخت‌هاي متداول از مزيت‌هايي برخوردارند. درسال‌هاي گذشته تحقيقات زيادي به‌صورت روش‌هاي تجربي و عددي بر روي استراتژي‌هاي عملكردي، تركيب‌بندي و كنترل اين گونه موتورها در جهت استفاده به بهترين نحو از اين سوخت صورت گرفته است. در بين روش‌هاي عددي روش شبيه‌سازي كامپيوتري يك‌بعدي با شبيه‌سازي كل موتور در يك مدل يكپارچه همواره يكي از گام‌هاي مهم در توسعه‌ي موتورهاي احتراق داخلي محسوب شده است. از اين‌رو در تحقيق حاضر مدل‌سازي موتور EF7 در نرم‌افزار تحليل يك‌بعدي GT-POWER صورت گرفته است. اين نرم‌افزار كارآمدترين ابزار در تحليل يك‌بعدي موتورهاي احتراق داخلي محسوب شده و توسط بسياري از شركت‌هاي خودروسازي جهان مورد استفاده قرار گرفته است. به‌منظور پيش‌بيني فرآيند احتراق سوخت جديد يك مدل احتراقي پيشگو درنظر گرفته شده است. براي تنظيم اين مدل جهت استفاده در موتور EF7، ضرايب كاليبراسيون تعريف شده، و بهترين مقادير آن‌ها جهت انطباق بر داده‌هاي فشار تجربي با بهره‌گيري از روش طراحي آزمايشات و الگوريتم‌هاي بهينه‌سازي محاسبه شده‌اند. شبيه‌سازي‌ها براي سرعت‌هاي مختلف و بارهاي كامل و جزئي موتور انجام شده‌اند؛ در تمام حالت‌ها عدم وقوع ضربه در موتور با استفاده از يك زيرمدل پيشگوي ضربه بررسي گشته‌اند. اعتبارسنجي نتايج شبيه‌سازي با نتايج آزمون تجربي براي تعدادي از پارامترهاي موتور انجام شده‌ است. اين نتايج نشان مي‌دهند افزودن هيدروژن به CNG باعث كاهش قابل توجه آلاينده‌هاي هوا مانند HC، CO، انتشار CO2 و مصرف سوخت در موتور EF7 نسبت به مدل CNG‌سوز مي‌شود. امكان وضع استراتژي‌هايي جهت كاهش NOx و كنترل دما مانند به‌تعويق انداختن زمان جرقه و رقيق‌تر كردن مخلوط سوخت-هوا نيز مورد مطالعه قرار گرفته است. عملكرد موتور به‌علت كاهش ارزش حرارتي حجمي مقداري كاهش پيدا مي‌كند. هم‌چنين بازده موتور در مخلوط‌هاي رقيق سوخت تركيبي بيشتر مي‌شود. با افزودن هيدروژن حد رقيق‌سوزي بيشتر شده و در مقايسه با سوخت CNG در بارهاي جزئي افت توان كمتري مشاهده مي‌گردد.

1398/12/02

Thermodynamic Redesign of the EF7 Spark-Ignition Engine for Optimum Performance and Emission Characteristics Fueled with Hydrogen-Enriched Natural Gas

2/21/2020 12:00:00 AM

Spark-ignition engines fueled with hydrogen-enriched compressed natural gas have many advantages over conventional fuel engines. In recent years, a number of empirical and numerical investigations have been carried out on the performance strategies, configuration and control of such engines aimed at making full use of this fuel. Among the numerical methods, the one-dimensional computer simulation method with the simulation of the whole engine in an integrated model has always been one of the important steps in the development of internal combustion engines. Therefore, in the present study, the modeling of the EF7 engine was performed in GT-POWER one-dimensional analysis software. This software is the most efficient tool in the one-dimensional analysis of internal combustion engines and has been used by many automakers around the globe. A predictive combustion model has been applied to predict the new fuel combustion process. To adjust this model for use in the EF7 engine, four calibration coefficients have been defined. By making use of a cylinder pressure analysis the best calibration values have been derived to fit the predicted pressure to the experimental data by applying the design of experiments method and optimization algorithms. Simulations have been carried out for different engine speeds and loads in which all cases the knock occurrence in the chamber has been investigated using the predictive sub-model. The simulation results are validated with the experimental ones for a number of engine parameters. These results indicate that adding hydrogen to CNG fuel significantly reduces air pollutants such as HC, CO and CO2 emissions and fuel consumption in the EF7 engine that has undergone the thermodynamic redesign compared to its base CNG model. Moreover some strategies for reducing NOx emissions and controlling temperature such as retarding the spark timing and running a leaner operation, etc. are also explored. Engine performance decreases slightly due to the reduction in volumetric heating value. In addition, engine efficiency is increased in leaner blends. With the addition of hydrogen, the lean operation limit is extended and less output power loss is observed at part loads compared to CNG fuel.