پايش زمان‌بندي احتراق گاز طبيعي در موتور تراكمي همگن با افزودن گاز سنتزي با شبيه‌سازي سينتيك شيميايي

Controlling natural gas combustion timing in HCCI engine with synthetic gas enrichment using a chemical kinetic model

موتورهاي اشتعالي تراكمي همگن به علت قابليت بازدهي حرارتي بزرگ، كاهش شديد آلاينده‌هايي نظير اكسيدهاي نيتروژن (NOx) و كاهش مصرف سوخت در سال‌هاي اخير مورد توجه قرار گرفته‌اند. بزرگ‌ترين معضل اين موتورها، پايش احتراق است كه در محدوده عملكردي باريكي ميان ضربه و بدسوزي اتفاق مي‌افتد. گاز طبيعي از سوخت‌هاي پركاربرد در موتورهاي احتراق داخلي است. استفاده از گاز طبيعي در موتورهاي تراكمي همگن، به علت تمايل ضعيف آن به خود اشتعالي، دشوار است و درنتيجه در بررسي پايش احتراق بايد از روش‌هايي نظير افزودن گاز سنتزي استفاده كرد. در اين مقاله، شبيه‌سازي صفربعدي تك‌ناحيه‌اي به‌طور مستقل براي پيش‌بيني زمان‌بندي احتراق و اثر اضافه كردن گاز سنتزي استفاده شد. اين گاز داراي تركيب متغيري از كربن مونوكسيد و هيدروژن است كه به عنوان عامل پايش احتراق است. براي صحت‌سنجي از نتايج تجربي حاصل از موتور تك استوانه CFR استفاده شده است. نتايج نشان مي‌دهند كه افزودن گاز سنتزي و در كنار آن تغيير درصد هيدروژن در تركيب گاز سنتزي، با تغيير خواص ترموديناميكي و خواص شيميايي احتراق، باعث تغيير زمان شروع احتراق مي‌گردد و مي‌تواند روش مناسبي براي پايش احتراق در موتور HCCI به دست دهد كه باعث گسترده شدن محدوده كاري موتور، افزايش بازده و كاهش مصرف سوخت خصوصاً در مخلوط‌هاي فقيرتر و دماي ورودي خنك‌تر، مي‌شود.

In recent years, HCCI engines have been in the center of attentions due to their high thermal efficiency, low emission rate (e.g. NOx) and low fuel consumption. The main drawback in these engines is the combustion control, which happens in a limited operation range between the knock and misfiring. The natural gas is a commonly used fuel in internal combustion engines (ICE). However, using the natural gas in HCCI engines is challenging due to its low tendency to the self-ignition. Hence, approaches like the reformer gas enrichment should be employed. In this paper, a zero-dimensional model was introduced in order to predict combustion timing and investigate effects of the variable composition reformer gas with different contents of H2 and CO. Experimental results from a single-cylinder CFR engine was used to validate the proposed model. Results showed that the addition of synthetic gas (RG) and changes in the H2 content of RG could affect ignition timing and could be used in the combustion control in HCCI engines, which expanded the limit of the operation, increased the engine efficiency and reduced the fuel consumption especially in lower air/fuel ratio and the inlet temperature.