فرايند كاهش مكانيزم خودكار به منظور مدلسازي احتراق در يك موتور HCCI با سوخت گاز طبيعي و هپتان نرمال

An Automatic Mechanism Reduction Process in Order to Model the Combustion in an HCCI Engine Fueled with Natural Gas and N-heptane

موتورهاي احتراقي HCCI، به دليل مصرف سوخت و آلايندگي پايين، در سال هاي اخير مورد توجه بسياري از پژوهشگران قرار گرفته‌اند. همزمان با پژوهش هاي آزمايشگاهي متعددي كه در مورد اين موتورها صورت گرفته است، مدلسازي رياضي نيز همواره به عنوان ابزاري براي پيش‌بيني رفتار احتراقي، عملكردي و آلايندگي آن ها به كار رفته است. هرچند استفاده از سازوكارهاي سينتيك شيميايي مفصل در مدل هاي احتراقي به پيش‌بيني مناسبي از رفتارهاي يادشده خواهد انجاميد، اما از سوي ديگر اين امر به افزايش قابل توجه زمان محاسبات خصوصاً در مدل-هاي احتراقي دقيق تر نيز منجر خواهد شد. در پژوهش حاضر، با هدف رفع اين مشكل، فرايند كاهش مكانيزم در شرايط موتور احتراقي HCCI مدنظر قرار گرفت. در اين راستا، از يك مدل تك‌منطقه‌اي بهينه‌سازي شده به عنوان ابزار لازم براي شبيه‌سازي احتراق استفاده شد. براساس مطالعات انجام شده در اين پژوهش، روش گراف روابط جهت دار به همراه انتشار خطا (DRGEP)، به دليل زمان محاسباتي پايين در عين دقت بالا، به عنوان روش مناسب براي فرايند كاهش مكانيزم انتخاب شد. علاوه بر اين، به جاي رويكرد سنتي كاهش تك‌مرحله‌اي، از يك رويكرد نوين مبتني بر كاهش تدريجي مجهز به كنترل خطا بهره گرفته شد. با اين رويكرد، فرايند كاهش مكانيزم به صورت كاملاً خودكار در بازه وسيعي از شرايط كاركردي موتور HCCI بر روي مكانيزم GRI-Mech3.0 براي شبيه‌سازي احتراق سوخت گاز طبيعي، و مكانيزم گالوويچف براي شبيه‌سازي احتراق هپتان نرمال اجرا شد. در انتهاي اين فرايند، اندازه اين دو مكانيزم به ترتيب از 53 گونه و 325 واكنش، و 57 گونه و 290 واكنش، به مقادير 24 گونه و 95 واكنش، و 42 گونه و 146 واكنش كاهش يافت. با اين وجود خطاي كاهش در همه حالت ها كمتر از 1 درصد باقي ماند.

HCCI combustion engines due to their low fuel consumption and pollution have been studied by many researchers in recent years. Along with several experimental researches performed on these engines, mathematical modeling has also been utilized as a tool for prediction of their combustion, performance and pollution behaviours. Although use of detailed chemical kinetic mechanisms in the combustion models will result in a proper prediction of the above-mentioned behaviours, a significant increase in the computational time particularly for the more accurate combustion models will also occur. In order to overcome this challenge, mechanism reduction process in HCCI combustion engine conditions has been considered in the current study. In this direction, an optimized single-zone combustion model has been used as a necessary tool for simulation of combustion. Based on the studies performed in the current work, the Directed Relation Graph with Error Propagation (DRGEP) method, thanks to its low computational time while having high accuracy, has been selected as a proper method for the mechanism reduction process. Additionaly, instead of the traditional single-stage reduction approach, a novel approach based on gradual reduction with error propagation has been used. Therefore, the mechanism reduction process has been executed fully automatically in a wide interval of operating conditions of HCCI engine on GRI-Mech3.0 mechanism for simulation of combustion of natural gas, and on the Golovichev’s mechanism for simulation of combustion of n-heptane. At the end of this process, the sizes of these two mechanisms were reduced from 53 species and 325 reactions, and 57 species and 290 reactions to 24 species and 95 reactions, and 42 species and 146 reactions, respectively. The errors caused by reduction, however, were remained less than 1 percent at all conditions.