16270

16270

بررسي عددي تاثير سوخت گاز طبيعي بر احتراق و آلايندگي موتور اشتعال تراكمي كنترل واكنشي (RCCI)

دكتري

خودرو

خرداد 1395

دكتر اميرحسن كاكايي

خودرو

چكيده احتراق دماي پايين يك فناوري نوظهور در موتورهاي احتراق داخلي است كه توانايي كاهش همزمان آلاينده¬هاي اكسيدهاي نيتروژن (NOx) و دوده (Soot) را داراست، در حاليكه بازده حرارتي بالا را حفظ مي¬كند. استراتژي¬هاي احتراق دما پايين شامل اشتعال تراكمي مخلوط همگن ، اشتعال تراكمي پيش¬آميخته و اشتعال تراكمي كنترل واكنش¬پذيري مي¬باشند. استراتژي¬هاي احتراق دما پايين از تزريق زودهنگام سوخت استفاده مي¬كنند تا زمان كافي براي تركيب سوخت و هوا قبل از احتراق فراهم كنند. برخي از اين استراتژي¬ها به دليل مشكلاتي كه در كنترل نرخ آزادسازي گرما و فقدان مكانيزم كنترل فاز احتراق دارند، براي كاربرد در موتور خودروهاي آينده اميد بخش نيستند. براي حل اين مشكلات، اشتعال تراكمي كنترل واكنش¬پذيري (RCCI) معرفي شده است كه در واقع همان اشتعال تراكمي پيش¬آميخته (PCI) دوسوخته است كه از پاشش سوخت با واكنش¬پذيري پايين (مانند بنزين، گاز طبيعي و سوخت¬هاي الكلي) در چندراهه ورودي و پاشش مستقيم سوخت با واكنش پذيري بالا (مانند ديزل، بيوديزل و دي¬متيل¬اتر) در داخل محفظه احتراق استفاده مي¬كند. در اين استراتژي احتراقي، دو سوخت با خصوصيات خوداشتعالي مختلف (معمولاً بنزين و ديزل) در محفظه احتراق مخلوط مي¬شوند تا مدت زمان احتراق را افزايش دهند و امكان كنترل فاز احتراق را مهيا كنند. مدت زمان احتراق با مطبق¬سازي (ناهمگني) فضايي بين دو سوخت و فاز احتراق با ميزان نسبي دو سوخت كنترل مي شوند. اين رساله به بررسي تاثير استفاده از سوخت گاز طبيعي بجاي بنزين بر احتراق و آلايندگي موتور RCCI مي¬پردازد. در همين راستا سه هدف اصلي مورد توجه قرار گرفته است. در اين رساله با استفاده از دو كد كيوا و كمكين و نرم¬افزار كانورج ، به بررسي احتراق و آلايندگي يك موتور RCCI با استفاده از سوخت گاز طبيعي و ديزل پرداخته شده است. نتايج شبيه سازي با استفاده از نتايج موجود در ادبيات فن صحه¬گذاري شده است. به دليل اينكه مدل¬هاي اسپري، آشفتگي، آلاينده¬ها و ... در كد كيوا قديمي هستند، نتايج بدست آمده از كيوا و كمكين قادر به پيش¬بيني دقيق فشار داخل سيلندر نبود. لذا در ادامه از نرم¬افزار جديد و تخصصي كانورج استفاده شد. نتايج بدست آمده از كانورج دقت بسيار خوبي در پيش¬بيني فشار داخل سيلندر و نرخ آزادسازي گرما و مقادير آلاينده¬هاي خروجي موتور داشت. سپس اثرات نسبت جرمي دو سوخت، استراتژي پاشش سوخت ديزل، دماي اوليه، سرعت موتور، تركيب سوخت گاز طبيعي و هندسه كاسه پيستون بر روي عملكرد و آلايندگي موتور RCCI در حالت استفاده از گاز طبيعي و ديزل بررسي شد. با تغيير استراتژي پاشش، بازده و آلاينده¬هاي اكسيدهاي نيتروژن و دوده بهبود يافتند، ولي آلاينده¬هاي هيدروكربن¬هاي نسوخته (UHC) و مونواكسيدكربن (CO) افزايش يافتند. نتايج بدست آمده نشان داد كه براي كاهش آلاينده¬هاي اكسيدهاي نيتروژن و دوده، افزايش كسر جرمي گاز طبيعي، به جلو انداختن زمان¬هاي پاشش اول و دوم سوخت ديزل و افزايش كسر جرمي ديزل در زمان پاشش اول توصيه مي¬شود. در بحث تركيب سوخت گاز طبيعي، گاز با عدد وب پايين¬تر شدت صدا و آلاينده¬ اكسيدهاي نيتروژن كمتري توليد مي¬كند. بررسي اثر هندسه كاسه پيستون نشان داد كه بهترين هندسه از نظر عملكرد و آلايندگي براي موتور RCCI مورد مطالعه، هندسه وان¬حمامي (bathtub) مي¬باشد. همچنين نشان داده شد كه عمق كاسه پيستون و اندازه پخ (chamfer) در ميزان توليد آلاينده هيدروكربن¬هاي نسوخته تاثيرگذار هستند. كلمات كليدي: موتور اشتعال تراكمي كنترل واكنش¬پذيري، احتراق، آلايندگي، بازده، گاز طبيعي، هندسه كاسه پيستون

1395/10/22

1/1/1900 12:00:00 AM

Abstract: Low temperature combustion (LTC) is an emerging engine technology that has ability to yield low NOx an​d soot emissions while maintaining high fuel efficiency. LTC strategy includes homogeneous charge compression ignition (HCCI), premixed charge compression ignition (PCCI), reactivity controlled compression ignition (RCCI) an​d partially premixed combustion (PPC). These LTC strategies use early fuel injections to allow sufficient time for air/fuel mixing before combustion. According to the literature, some LTC strategies are not promising strategies for future automotive an​d power generation applications due to difficulties in controlling the heat release rate (HRR) an​d the lack of a combustion phasing control mechanism. To mitigate these problems, the RCCI combustion concept was introduced. RCCI is a dual-fuel PPC concept which uses port fuel injection (PFI) of a low reactivity fuel (e.g., gasoline, natural gas an​d alcohol fuels) an​d direct injection (DI) of a high reactivity fuel (e.g., diesel an​d biodiesel) blending inside the combustion chamber to increase the combustion duration an​d to provide phasing control. Combustion phasing is controlled by the relative ratios of the two fuels an​d the combustion duration is controlled by spatial stratification between the two fuels. In the first part of the present dissertation, the effects of diesel injection strategies, engine initial temperature an​d engine speed on the combustion an​d pollutant emissions characteristics of a modified heavy-duty reactivity controlled compression ignition engine fueled with natural gas/diesel are studied. Natural gas with low reactivity is assumed to be inducted into the engine through the intake port, while diesel fuel with high reactivity is directly injected into the engine using a double injection strategy. Several parameters were studied including the premixed natural gas amount, the first an​d second injection timings an​d the injected diesel mass split between the two injections. The results showed improved engine efficiency with reductions in soot an​d oxides of nitrogen emissions could be achieved with the injection strategies studied, but hydrocarbons an​d carbon monoxide emissions were deteriorated. Three factors, namely first start of injection timing, second start of injection timing an​d the diesel injection fuel fractions, had pronounced effects on reactivity controlled compression ignition engine combustion performance an​d emissions. To reduce soot an​d oxides of nitrogen emissions, increasing the natural gas percentage, advancing first an​d second starts of injection timing beyond a certain point an​d increasing fuel fraction in first start of injection timing are preferred, but they had an adverse effect on hydrocarbons an​d carbon monoxide emissions. Then, the effects of natural gas composition an​d engine speed on combustion an​d emissions characteristics of an RCCI engine are studied. It is shown that Wobbe number (WN) of gases an​d engine speed significantly affects RCCI engine combustion an​d emissions. The gas with higher WN displayed higher peak pressure, temperature an​d NOx emissions, an​d lower unburned hydrocarbon (UHC) an​d carbon monoxide (CO) emissions. Finally, the effects of piston bowl geometry showed that the optimum piston bowl design from peroformance an​d emissions point is the bathtub design. In addition, it was reported that the piston bowl depth an​d chamfer size can influence engine out UHC emissions. Keywords: Reactivity controlled compression ignition (RCCI); combustion; efficiency; emissions; natural gas; piston bowl geometry