شبيه سازي و تاييد مدل ترموديناميكي چندمنطقه اي موتور اشتعال جرقه اي تركيب سوز بنزين- گازطبيعي با پيش بيني آلاينده اكسيدنيتروژن

Simulating and Validating a multi-zone thermodynamic model for gasoline-NG dual-fuel SI engines and predicting NO emission

بهاي بالاي سوخت هاي فسيلي در جهان، مشكلات آلايندگي اين نوع سوخت ها و محدوديت هاي آزمايشگاهي، ضرورت بررسي راهكارهاي مختلف بهبود عملكرد و آلايندگي موتورهاي اشتعال جرقه اي را دوچندان مي كند. امروزه مي توان به كمك مدل هاي شبيه سازي، عملكرد موتور را با دقت بسيار مطلوبي مدل ريزي نموده و راهكارهايي را در راستاي عملكرد موتور از جمله تركيب سوز كردن آنها بررسي كرد. در پژوهش حاضر يك كد شبيه‌ساز ورودي ترموديناميكي چندمنطقه‌اي تركيب‌سوز بنزين-گازطبيعي با زير مدل نشتي و مكانيزم پيش بيني آلاينده NO توسعه داده شد. سپس از يك موتور تك سيلندر پژوهشي، داده هاي تجربي سيكل‌هايي با تكنيك پرش جرقه در نسبت تراكم 10 و سرعت rpm1500 براي تركيب‌هاي100%، 90%، 75% و 60% بنزين و مابقي گازطبيعي در نسبت هم‌ارزي استوكيومتري استخراج گرديد. از نتايج تجربي بدست آمده با تكنيك پرش جرقه، دو مجموعه 200 سيكلي موتورگرداني و احتراقي بدون گازهاي باقيمانده از سيكل قبلي براي اهداف تاييد كد شبيه ساز فراهم گرديد. در حالت موتورگرداني نتايج كد شبيه‌ساز مجهز به زيرمدل نشتي با نتايج تجربي فشار-زاويه ميل‌لنگ موتورگرداني مقايسه گرديد. سپس در حالت احتراقي نتايج كد شبيه‌ساز با ميانگين داده‌هاي تجربي فشار-زاويه ميل‌لنگ مجموعه احتراقي در هر تركيب بررسي و مقايسه شد و با خطاي كمتر از 4% عملكرد كد شبيه ساز تاييد گرديد. همچنين هردو نتايج مدل شبيه سازي و تجربي نشان دادند كه با افزايش گازطبيعي در تركيب، imep كاهش يافته است. در نهايت زير مدل پيش بيني NO نشان داد كه با افزايش كسر گازطبيعي در سوخت تركيبي، كسر NO توليدي كاهش يافته است.

The high price of fossil fuels all around the world, the pollution problems caused by their use, and the related laboratory limitations have pointed out the importance of looking for alternative strategies to improve the performance of SI engines and reduce their emission. Today, with the help of simulation models, engine performance can be modelled with a high level of precision, and thereby various strategies for the improvement of engine performance including the use of dual fuel mixtures can be investigated. In the present study, a multi-zone thermodynamic simulation code in Gasoline-Natural Gas (NG) mode with a Blow-by sub-model and a predicting mechanism for NO emission was developed. Then using a single-cylinder research engine, experimental data were collected from various cycles via the use of skip fire technique at the compression ratio of 10, engine speed of 1500rpm, and stoichiometric equivalence ratio for the dual fuel mixtures of G100, G90, G75 and G60 (100%, 90%, 75% and 60% Gasoline and the rest NG). From the obtained experimental data, two 200-cycle series of motoring and combustion without residual gases from the previous cycle were provided to verify the simulation code. In the motoring mode, the results of the simulating code equipped with Blow-by sub-model were compared with the experimental results of pressure-crank angle. Then in the combustion mode, the results of the simulation code were compared with the average of pressure-crank angle experimental data in each dual fuel mode. Based on the results, the performance of the simulation code was confirmed with an error of less than 4%. Moreover, both experimental and simulated data indicated that with the increase of NG fraction in the mixture, imep decreased. Finally, the sub-model for the prediction of NO emission revealed that NO emission decreased with the increase of NG fraction in the mixture.