شبيه سازي احتراق در موتور تزريق مستقيم با استفاده از محيط متخلخل

Simulation of Combustion in a Direct Injection Engine with Porous Media

محيط هاي متخلخل در مشعل ها به منظور پايداري احتراق با مخلوط هاي رقيق، افزايش توان خروجي، گسترش محدوده اشتعال پذيري و كاهش آلاينده هاي حاصل از احتراق كاربرد زيادي دارند. مشخصه موتورهاي احتراق داخلي آينده ميزان آلايندگي بسيار كم به همراه كمترين مقدار مصرف سوخت تحت تمام شرايط كاركرد موتور است و اين متغيرها وابسته به فرايند تشكيل مخلوط و احتراق است. اين هدف با همگن كردن فرايند احتراق امكان-پذير است كه كنترل آن ها در موتورهاي احتراق داخلي بسيار مشكل است. در اين مقاله، شبيه سازي يك موتور تزريق مستقيم انجام گرفته كه در سر سيلندر آن فضايي نيمكره اي براي محيط متخلخل ايجاد شده كه تنها نقش بازياب را دارد و از لحاظ شيميايي بي اثر است. مطالعه سه بعدي جريان و احتراق داخل سيلندر و محيط متخلخل همزمان با يكديگر با استفاده از كد تصحيح شده كيوا انجام شده است. به دليل نبود نتايج آزمايشگاهي منتشر شده براي موتورهاي محيط متخلخل، براي اعتبار نتايج، پخش موج احتراقي گذرا با نتايج آزمايشگاهي مخلوط هوا و متان رقيق در بستر متخلخل مقايسه شده است. سوخت متان داخل موتور محيط متخلخل پاشيده مي شود مي شود و مخلوط رقيقي تشكيل شده و احتراق به طور حجمي اتفاق مي افتد. تشكيل مخلوط، تغييرات فشار و دما در هر دو فاز جامد و سيال محيط متخلخل و سيال داخل سيلندر به همراه توليد آلاينده هاي مونوكسيد كربن و مونوكسيد نيتروژن بررسي شده است. همچنين، اثر زمان پاشش روي توزيع فشار و دماي محيط متخلخل و سيال داخل سيلندر در يك سيكل بسته بررسي شده است.

Porous media (PM) combustion has interesting advantages compared with free flame burners due to raised burning rates, increased power ranges, extended lean flammability limits, and reduced pollutant emissions. In future internal combustion engines pollutant emissions and fuel consumption should be minimized under a wide range of speed and loads. These parameters strongly depend on mixture formation and combustion processes which are difficult to control in a conventional engine. This may be achieved by realization of a homogeneous combustion process in engine. This paper deals with the simulation of a direct injection internal combustion engine equipped with a chemically inert PM of hemispherical geometry used to homogenize and stabilize the combustion. A 3D numerical model for PM engine is presented in this study based on a modified version of the KIVA-3V code. Due to lack of any published data about the PM engine, numerical combustion wave propagation in the porous medium were compared with experimental data of methane-air mixture under filtration in a packed bed which showed very good agreement. Methane was injected directly inside the hot PM which was assumed to be mounted on the cylinder head. A lean mixture was formed and volumetric combustion occurred in the PM. The mixture formation, pressure and temperature distribution in both phases of PM and in-cylinder fluid, the production rates of CO and NO, and effect of injection time in the closed part of the cycle were studied.