دانشكده مهندسي خودرو

EF7موتور در ای اليه شارژ احتراق بعدی سه سازی شبیه

و مطالعه و بهینه سازی پارامترهای موثر بر آن( ملی)

نامه براي دريافت درجه كارشناسي ارشدپايان

سیستم محركه خودرودر رشته مهندسي خودرو گرايش

میثم صالحي

استاد راهنما

دكتر امیرحسن كاكائي

استاد مشاور

دكتر ايمان چیت ساز

4931 دي

أ

نامهي دفاع از پاياناوران جلسهي هيأت دتأييديه

مهندسي خودرو نام دانشكده:

ميثم صالحي نام دانشجو:

و مطالعه و( ملي) EF7 موتور در ای اليه شارژ احتراق بعدی سه سازی شبيه :نامه عنوان پايان

آن بر موثر پارامترهای سازی بهينه

4931دی ماه تاريخ دفاع:

مهندسي خودرو رشته:

خودرو محركهسيستم گرايش:

امضا دانشگاه يا مؤسسه مرتبه دانشگاهي نام و نام خانوادگي سمت رديف

استاديار اميرحسن كاكائيدكتر استاد راهنما 4 دانشگاه

علم و صنعت ايران

ايمان چيت سازدكتر استاد مشاور 2

طراحي و ، شركت تحقيق

توليد موتور ايران خودرو

)ايپكو(

9 استاد مدعو

خارجي دانشيار ابراهيميرضا دكتر

صنعتي دانشگاه

خواجه نصيرالدين طوسي

1 استاد مدعو

داخلي

نصيریعلي دكتر

طوسي استاديار

دانشگاه

علم و صنعت ايران

ب

ي صحت و اصالت نتايجتأييديه

باسمه تعالي

مهندسي خودرو دانشجوی رشته 32024623 به شماره دانشجويي ميثم صالحي اينجانب

ار حاصييك ك نامهی نتايج اين پايانكه كليه نمايمتأييد مي كارشييناسييي ارشييد مقطع تحصيييلي

شده از آثار ديگران را با ذكر كامك برداریاينجانب و بدون هرگونه دخك و تصرف است و موارد نسخه

شگاه مطابق با ام. درصورت اثبات خل مشخصات منبع ذكر كرده شخي دان ف مندرجات فوق، به ت

ضييوابو و مقررات حاكم )نانون حمايت از حقوق مفلنان و مصييننان و نانون ترجمه و تكثير كتب و

ضباطي ...( با اينجانب رفتار خواهد شي و ان شي، پژوه ضوابو و مقررات آموز صوتي، شريات و آثار ن

شخي و تعيين تخلف و مجازات شد و حق هرگونه اعتراض درخصوص احقاق حقوق م سب و ت كت

سلب مي شخاص اعم از حقيقي و را از خويش سخگويي به ا سفوليت هرگونه پا ضمن، م نمايم. در

ی اينجانب خواهد بود و دانشيييگاه صيييلا )اعم از اداری و نضيييايي( به عهده حقوني و مراجع ذی

گونه مسفوليتي در اين خصوص نخواهد داشت.هيچ

خانوادگي: نام و نام

امضا و تاريخ:

ج

نامهبرداري از پايانمجوز بهره

نامه در چهارچوب مقررات كتابخانه و با توجه به محدوديتي كه توسو استاد برداری از اين پايانبهره

شود، بلمانع است:راهنما به شرا زير تعيين مي

برای همگان بلمانع است.نامه برداری از اين پايانبهره

با اخذ مجوز از استاد راهنما، بلمانع است.نامه برداری از اين پايانبهره

تا تاريخ .................................... ممنوع است.نامه برداری از اين پايانبهره

راهنما:نام استاد

تاريخ:

امضا:

د

ه

: تشكر و ندرداني

ار خداوند متعال باشم كه تقدير بنده را در راستای تحصيك علم و بر من وظينه است كه سپاسگز

رسالت خود را در پيشرفت و انتدار ميهن ، او محبتبا خواست و طريقدانش نرار داد تا بتوانم بدين

و در درجه بعد سپاسگزار و ندردان زحماترساني به هموطنانم انجام رسانم. اسلمي و خدمت

فداكاری ها و تحمك مشقت در همه برهه های زندگي با كه هستمعزيزم زی های پدر و مادر دلسو

بوده و هستند.حامي مادی و معنوی بنده های بسيار

اساتيد محترم و گرانقدرم كه در طول دوره تحصيك خود افتخار تمام ند در مقابك مي بايست اينجانب

در ه البت آنان باشم. اندشكر و ندرتم بايستم و داشته ام را نااز آنو دانش و تحصيك علمشاگردی

به طور خاص جايگاه استاد محترم و بزرگوارم جناب آنای دكتر كاكائي كه در طول دوره مياناين

و اندوخته تجربه ها ، از راهنمايي هابنده را همواره تحقيق حاضرانجام حين كارشناسي ارشد و در

مايم.مي ن و ندرداني تشكر صميمانه از ايشانمحنوظ است و ، نگذاشتندبهره خود بي گرانقدر های

كمک شاياني را به كه راهگشايشانحمايت ها و مشاوره های بدليكجناب آنای دكتر چيت ساز از

ر نهايت د. صميمانه تشكر و ندرداني مي كنم، بنده برای به سرانجام رساندن اين پايان نامه نموده اند

تحقيق و پژوهش در زمينه برای يو مناسب و بي مانندی شرا از مجموعه مديريتي شركت ايپكو كه

و مهندسين و محقيق آن مجموعه از جمله آنای دكتر بالو فراهم كرده اند موتورهای احتراق داخلي

.آنان كمال تشكر و سپاس گذاری را اعلم ميدارم های بدليك راهنمايي ها و همراهي

و

: چكيده

، منجرشي از احتراق سوخت های مرسوم است كه نا امروز دنيای در زيست محيو نامناسب شرايو

زاينا. كنند اعمالآلودگي كنترل برای را ای گيرانه سخت الزامات صنعتي كشورهای كه است شده

سيلي گازطبيعي رو سوخت های ف ساير سه با س گرفته نرار توجه مورد پيش از بيش در مقاي . تا

با وركش انرژی سبد در پاک سوخت اين از موثرتر و بيشتر مندی بهره راستای در پژوهش و تحقيق

شد مي دارا را گازطبيعي از عظيمي ذخاير ايران اينكه به توجه كلن آلودگي از حال عين در و با

احتراق موتورهای از استناده اخير های سال در. است روشن و ضروری بسيار برد، مي رنج شهرها

.است شده وانع توجه مورد دنيا بزرگ های خودروسازی توسو نقليه وسايك در گازطبيعي داخلي

وتورم تحقيقات نطب عنوان به ايپكو شركت درهای گازطبيعي سوز موتوربر روی پژوهش و تحقيق

مطرا های ايده جمله از احتراق محنظه داخك به سوخت مستقيم تزريق. است انجام حال در كشور

تقيمتزريق مس . است گرفته انجام پروژه اين مبنا بر حاضر تحقيق كه باشد مي شركت اين در شده

زا استوكيومتری ارزی هم نسبت به سيلندر داخك مخلوط رسيدن برای الزم سوخت از درصد پنج

در تحقيق حاضر مورد بررسي نرار گرفته موتور ملي سرسيلندر روی بر شده جانمايي انژكتور طريق

ست. شكيك ا ضعي ای اليه مخلوط ت ستيابي به مو شينه با هدف د حينوا در آرام شعله سرعت بي

ویپيشر سرعت به منظور افزايش شعله، جبهه آشنتگي افزايش همچنين و، شعله يا شمع اطراف

يپ در را موتور عملكردی بهبود تواند مي احتراق دوره طول كاهش با ايده اين. شعله مطالعه گرديد

ال وی ای محاسباتي سياالت ديناميک افزار نرم در بعدی سه سازی شبيه ، كه از طريقباشد داشته

ست سي نرار گرفته ا شان نتايج. فاير، مورد برر سيدن كه دهد مي ن ضعي ای اليه مخلوط به ر مو

ترسدس غيرنابك ،استناده شده سوراخه تک انژكتور نوع و شده جانمايي شرايو به توجه با ايده آل

ست شنتگي افزايش. ا سازی نرخ افزايش با شعله جبهه در آ شروی سرعت افزايش و انرژی آزاد پي

يموضع ای اليه مخلوط تشكيك عدم سبب به احتراق بازده كاهش منني اثر ولي است همراه شعله

.بگذارد پيستون روی بر شده انجام كار روی بر توجهي نابك اثر تواند نمي درنهايت

سپری ا ،مخلوط اليه ای موضعي ، پاشش مستقيم گازطبيعي، موتور گازسوز، موتور :کلمات کليدي

گازی، ای وی ال فاير

ز

مطالب فهرست 1 ......................................................................................................................... يك فصل .1

1 .......................................................................................................................... مقدمه .1

2 ................................................ داخلي احتراق موتور در گازطبيعي از استفاده اهميت .1 ،1

3 .............................................................................................گازسوز موتورهاي فناوري .2 ، 1

5 .......................................................................................... حاضر تحقيق مساله تعريف .3 ، 1

9 ....................................................................................................................... دوم فصل .2

9 .................................................................................................. موضوع ادبيات بر مرور .2

11 .............................................. اوتو سيکل با مستقيم تزريق موتور تاريخچه و معرفي .1 ، 2

11 ............................................................................................................... کارکرد شرايط .1 ، 1 ، 2

12 .............................................................................................................. اليهاي احتراق .2 ، 1 ، 2

13 ................................................................................................... هدايتي -ديوار شيوه .1 ، 2 ، 1، 2

11...................................................................................................... هدايتي -هوا شيوه .2 ، 2 ، 1، 2

11 ................................................................................................. هدايتي -پاشش شيوه .3 ، 2 ، 1، 2

11 ......................................................................... گازطبيعي مستقيم تزريق هاي موتور .2 ، 2

11 .............................................................................................. گازسوز موتورهاي انواع .1 ، 2 ، 2

11 .......................................................................... گازطبيعي موتور براي جديد طراحي .1 ، 1 ، 2، 2

11 ................................................................... گازطبيعي موتور به بنزيني موتور تبديل .2 ، 1 ، 2، 2

19 ....................................................................... گازطبيعي موتور به ديزل موتور تبديل .3 ، 1 ، 2، 2

21 ......................................................................... گازطبيعي موتورهاي در تراکم نسبت .2 ، 2 ، 2

21 ..................................................................... گازطبيعي موتورهاي در سوخت پاشش .3 ، 2 ، 2

21................................................................................................................. پاشش فشار .1 ، 3 ، 2، 2

31 ............................................................................. انژکتور هاي سوراخ اندازه و تعداد .2 ، 3 ، 2، 2

32........................................................................................................ يعيگازطب احتراق .1 ، 2 ، 2

33 ............................................................................ گازطبيعي موتور بالقوه کاربردهاي .5 ، 2 ، 2

33 ................................................................................................... سنگين هاي کاميون .1 ، 5 ، 2، 2

ا

31 ....................................................................................................................... اتوبوس .2 ، 5 ، 2، 2

31 ...................................................................................... سواري و سبك هاي کاميون .3 ، 5 ، 2، 2

35 ................................................................................................................ ادبيات مرور .3 ، 2

35 ............................................................................................. ناپذير تراکم گازي فواره .1 ، 3 ، 2

31 ............................................................................................... پذير تراکم گازي فواره .2 ، 3 ، 2

11 .......................................... سيلندر درون گازي سوخت مستقيم پاشش سازي مدل .1 ، 2

11 .................................................................... موضعي اي اليه هواي و سوخت مخلوط .5 ، 2

19 ...........................................................استوکيومتري اي اليه هواي و سوخت مخلوط .1 ، 2

51 ......................... درگاهي و مستقيم پاشش انژکتورهاي با داخلي احتراق موتورهاي .1 ، 2

52 ....................................................................................... يعدد حل بر حاکم معادالت .1 ، 2

55 .................................................................................................. يتوربوالنس معادالت .1 ، 1 ، 2

51 .......................................................................................................... احتراق معادالت .2 ، 1 ، 2

56F........................................................................................... 51کوهرينت احتراقي مدل .1 ، 2 ، 1، 2

CFM-2A ....................................................................................................... 51 مدل .2 ، 2 ، 8، 2

MCFM............................................................................................................ 59 مدل .3 ، 2 ، 1، 2

ECFM ............................................................................................................. 59 مدل .1 ، 2 ، 1، 2

ECFM-3Z ........................................................................................................... 11 مدل .5 ، 2 ، 1، 2

11 .......................................................................................................... گانه چند سوخت .3 ، 1 ، 2

13.................................................................................................................... سوم فصل .3

13.................................................................... گازي اسپري گذاري صحه و سازي مدل .3

11 ............................................................................................ گازي اسپري سازي شبيه .1 ، 3

11 ........................................................................آن بندي شبکه و عددي حل محدوده .1 ، 1 ، 3

11 ................................................... عددي حل نتايج در حايل ناحيه قطر تاثير بررسي .2 ، 1 ، 3

11 ................................................. نتايج بر نازل عرض در ها سلول تعداد تاثير بررسي .3 ، 1 ، 3

13 ...................................................... عددي حل نتايج بر زماني گام اثرگذاري بررسي .1 ، 1 ، 3

15 ................................................... آن گذاري صحه و گازي پاشش سازي شبيه نتايج .2 ، 3

ط

11 ................................................ ماخ شوک پديده بر آن تاثير و پاشش فشار افزايش .3 ، 3

11 ................................................................................................................ چهارم فصل .1

EF7 ....................................................................... 11 موتور گذاري صحه و سازي مدل .1

19.................................................................................................... سطحي بندي شبکه .1 ، 1

91 .................................................................................................... متحرک بندي شبکه .2 ، 1

91 .......................................................................................... اوليه شرايط و مرزي شرط .3 ، 1

91 .................................................................................................... کننده حل تنظيمات .1 ، 1

99 ..................................................................................... بندي شبکه از استقالل نتايج .5 ، 1

112 ................................................................... تراکم و مکش مرحله سازي شبيه نتايج .1 ، 1

EF7 ..................................................... 111 موتور در احتراق عددي سازي شبيه نتايج .1 ، 1

27F .................................113بزرگ هاي گردابه توربوالنسي مدل با مکش فاز سازي مدل .1 ،1

111 ................................................................................................................. پنجم فصل .5

PSC .................................................................. 111 پاشش و EF7DI موتور سازي مدل .5

EF7DI ....................................................... 119 موتور احتراق محفظه مدل سازي آماده .1 ، 5

121 .................................................................................... تراکم و مکش فاز سازي مدل .2 ، 5

122 .......................................... جرقه از قبل گازي سوخت مستقيم پاشش سازي مدل .3 ، 5

135 .......................................... زدن جرقه از قبل ثانويه پاشش با PSC مخلوط احتراق .1 ، 5

131 ............................................. زدن جرقه از بعد سوخت ميمستق پاشش سازي مدل .5 ، 5

111 ................................... اي مرحله دو صورت به سوخت مستقيم پاشش سازي مدل .1 ، 5

119 .................................................................................................................... آاليندگي .1 ، 5

151 .................................................................................................................. ششم فصل .1

151 .......................................................................................... يريگ جهينت و يبند جمع .1

151 .............................................................................. آن گيري نتيجه و تحقيق خالصه .1 ، 1

151 ................................................................................................................. پيشنهادها .2 ،1

ی

و نمودارها فهرست شکل ها

7 ........................................................... ( ايپكو از دريافتي) شيليرن برداری عكس روش طريق از شعله پيشروی نمايش 4-4 شكك

46 ................ [41]وانعي اندازه -ب بزرگنمايي -الف مستقيم پاشش موتور بار نيمه حالت در ای تلمبه اتلف كاهش 4-2 شكك

44 ........................................... [42( ]زودهنگام پاشش)يكنواخت مخلوط -ب( ديرهنگام پاشش)اليهای مخلوط - الف 2-2 شكك

42 ...................................................................................................... [1]مستقيم پاشش موتور مختلف كاركرد های محدوده 9-2 شكك

49 [1]هدايتي ديوار -ج هدايتي هوا -ب هدايتي پاشش -الف مستقيم پاشش موتورهای در پاشش های شيوه انواع 1-2 شكك

گردبادی حركت -ب افقي، گردبادی حركت -الف: دلخواه هوای جريان ايجاد جهت احتراق محنظه هندسه انواع 2-2 شكك

42 ...................................................................................................................................................................................................... [41]عمودی

42 ............................................................................................... واگن فولكس توسو استناده مورد هدايتي هوا -ديوار شيوه 0-2 شكك

29 ... [2] 9666 دور و ليتر 1.7 حجم طبيعي، تننس با سيلندر 0 خطي موتور تراكم، نسبت به نسبت ترمزی بازده 7-2 شكك

21 ....................................................................................................... [2] موتور تراكم نسبت به نسبت سيلندر فشار حداكثر 8-2 شكك

21 .......................................................................................................... [2] سيلندر داخك فشار به نسبت موتور تراكم نسبت 3-2 شكك

2] ........................................................................ 23( ]𝑷𝒎𝒂𝒙) سيلندر فشار حداكثر و( 𝑷𝒊𝒏𝒋) انژكتور پاشش فشار 46-2 شكك

90 .................................................................................................................................. [29] ترنر مطالعه در شده ارايه الگوی 44-2 شكك

97 ............................................................................................................................................................ گازی فروانبساطي فواره 42-2 شكك

98 ............................................................................................................................... فرونبساطي فواره برای معادل نطر ايده 49-2 شكك

14 .............................................................................................................. [92] را توسو شده استناده الگوی نمادين شكك 41-2 شكك

12 ............................................... [98-90] آندرسي توسو جرمي دبي كنترل برای شده استناده الگوی نمادين شكك 42-2 شكك

11 ........................................................[13-10] باراتا توسو مطالعه مورد بيرون از شونده باز سوپاپي انژكتور از نمايي 40-2 شكك

11 ................................................................. [13-10] مجازی نازل عنوان تحت نازل از جريان خروجي سطح از نمايي 47-2 شكك

12 .................................................... [13-10] سيلندر فشار حسب بر مجازی نازل مرزی شرط در فشار افزايش شيب 48-2 شكك

12 ................................................................... [26] سيزی توسو مطالعه مورد بيرون از شونده باز سوپاپي های انژكتور 43-2 شكك

17 ................................................................................ [53] ريكاردو مطالعه در مثلثي بندی شبكه و محاسباتي محدوده 26-2 شكك

[21( ] بار درصد 09 و 4266 دور) سوزی فقير و موضعي ای اليه احتراق تكنولوژی از استناده با ناكس كاهش 24-2 شكك

............................................................................................................................................................................................................................. 18

18 .......................................................................... [23-21] موضعي ای اليه مخلوط تهيه منظور به شده طراحي شمع 22-2 شكك

26 ........................................................................................ [04. 06] استوكيومتری ای اليه مخلوط الگوی نمادين شكك 29-2 شكك

. 06] استوكيومتری ای اليه مخلوط و 65Fاستوكيومتری مخلوط شيپ مخلوط با ضربه ميزان از آزمايشگاهي نتايج 21-2 شكك

04] ...................................................................................................................................................................................................................... 26

22 ............................................. 0 يورو آاليندگي سطح با انژكتوری دو سيستم با آئودی شركت آی اس اف تي موتور 22-2 شكك

02 .................................................................................................................................. عددی حك محاسباتي محدوده از نمايي 4-9 شكك

07 .......................................... حايك ناحيه نمايش و مركزی محور از گذرنده صنحه در محاسباتي محدوده بندی شبكه 2-9 شكك

08 ........................................................................................................................... ثانيه ميلي 6.4 در متان جرمي كسر كانتور 9-9 شكك

03 ...................................................................................................................... بندی شبكه همراه به متان جرمي كسر كانتور 1-9 شكك

78 ........................................................................................................ پاشش از بعد متناوت زمان چهار در متان جرمي كسر 2-9 شكك

ک

73 ................................................................................................................................ ثانيه ميلي 6.8 تا 6.2 از ماخ عدد كانتور 0-9 شكك

86 .............. حاضر تحقيق عددی حك از شده حاصك ماخ عدد كانتور: چپ -[27] ماخ شوک پديده الگوی: راست 7-9 شكك

84 ............................................................ پاشش از بعد ثانيه ميلي 6.8 در بار برحسب فشار و كلوين برحسب دما كانتور 8-9 شكك

84 ............................ پاشش از بعد ثانيه ميلي 6.8 در بار برحسب فشار و برمترمكعب كيلوگرم برحسب چگالي كانتور 3-9 شكك

82 .............................................................. ازپاشش بعد ثانيه ميلي 6.8 در عددماخ و متربرثانيه برحسب سرعت كانتور 46-9 شكك

89 ................................................................ متربرثانيه حسب بر اغتشاشي سرعت و ثانيه بر متر برحسب سرعت كانتور 44-9 شكك

82 ......................................................................... ننوذ عمق طول در ماخ عدد نمودار: پايين - ماخ عدد كانتور: باال 42-9 شكك

80 ....................... ننوذ عمق درطول بار برحسب مطلق فشار نمودار: پايين - بار برحسب مطلق فشار كانتور: باال 49-9 شكك

80 ..................................... ننوذ عمق طول در كلوين برحسب دما نمودار: پايين - كلوين برحسب دما كانتور: باال 41-9 شكك

83 ................................................................ هوا ورودی راهگاه همراه به EF7 موتور احتراق محنظه سطحي بندی شبكه 4-1 شكك

36 ............................................................................................................................................. سطحي بندی شبكه بررسي نتايج 2-1 شكك

34 ................................................. سوپاپ مركزی محور از گذرنده صنحه در سوپاپ مجاور نواحي در بندی شبكه نحوه 9-1 شكك

32 ................................................................. هوا ورودی راهگاه همراه به EF7 موتور احتراق محنظه حجمي بندی شبكه 1-1 شكك

39 ............................................................... آن جزئيات نمايش همراه به EF7 موتور احتراق محنظه حجمي بندی شبكه 2-1 شكك

37 ...................................................................................................................................................... عددی حك در فعال معادالت 0-1 شكك

38 .............................................................................................................. عددی حك در شده تعيين سازی گسسته معادالت 7-1 شكك

33 ................................................................................................................................. عددی حك در شده تعيين همگرايي حد 8-1 شكك

ج متر، ميلي 4.2: ب متر، ميلي 4.1: الف ؛ های بندی شبكه برای لنگ ميك درجه 141 در سيال سرعت كانتور 3-1 شكك

462 ............................................................................................................................. متر ميلي 6.0: ه و متر ميلي 6.8: د متر، ميلي 4:

461 ........................................................... سوپاپ مركزی محور از گذرنده صنحه در مكش فاز در سيال سرعت كانتور 46-1 شكك

462 ........................................................... سوپاپ مركزی محور از گذرنده صنحه در مكش فاز در سيال سرعت كانتور 44-1 شكك

462 ............................................................ سوپاپ مركزی محور از گذرنده صنحه در تراكم فاز در سيال سرعت كانتور 42-1 شكك

460 ............................................................ ( زني جرنه شروع لحظه) لنگ ميك درجه 032 در سيال سرعت بردارهای 49-1 شكك

460 .............................................................................................................................. مكش فاز در متان جرمي درصد كانتور 41-1 شكك

احتراني مدل با احتراق محنظه مركزی محور از گذرنده صنحه در احتراق فاز در متان جرمي درصد كانتور 42-1 شكك

ECFM-3Z 463 ..................................................................................................................................................... لنگ ميك درجه حسب بر

در رنس مدل براساس: ب بزرگ های گردابه مدل براساس: الف سيلندر داخك به ورودی جريان سرعت كانتور 40-1 شكك

447 ......................................................... (هوا ورودی سوپاپ شدن بسته لحظه) 219: 9 266: 2 درجه 126: 4 لنگ ميك درجه

443 ............................................................................................ سرسيلندر روی بر آن جاگذاری وضعيت و انژكتور از نمايي 4-2 شكك

443 ....... (است شده بزرگنمايي آن دروني نازل و انژكتور جانمايي) بعدی سه حك برای شده گرفته نظر در محدوده 2-2 شكك

426 ............................................ سيلندر داخك به سوخت مستقيم تزريق لحظات در سيلندر درون بندی شبكه شرايو 9-2 شكك

420 ................................................................. "2 ه" حالت ": چپ "2 د": حالت: راست ؛ سوخت جرمي درصد كانتور 1-2 شكك

427 ....................................................................... "ب" حالت ": چپ "ج": حالت: راست ؛ سوخت جرمي درصد كانتور 2-2 شكك

428 ...................................................................................................................... "الف" حالت در سوخت جرمي درصد كانتور 0-2 شكك

423 ...................................................................... (لنگ ميك درجه032) زني جرنه لحظه در سوخت جرمي درصد كانتور 7-2 شكك

ل

496 ........................................................................................................... پاشش مختلف حالت چهار در اليس سرعت كانتور 8-2 شكك

490 ................................................................. ( لنگ ميك درجه 766) زدن جرنه از بعد درجه 2 در متان جرمي درصد 3-2 شكك

493 . "1 ه" پاشش حالت: چپ ،"9 ه" پاشش حالت: راست ؛ شعله سطحي چگالي و سوخت جرمي درصد كانتور 46-2 شكك

412 ..................................... "1 ه" حالت: چپ ،"9 ه" حالت: راست ؛ ارزی هم نسبت و شعله سطحي چگالي كانتور 44-2 شكك

411 ............................... "9 ج": چپ و "1 ج": وسو ،"2 ج": راست ؛ شعله سطحي چگالي و سوخت جرمي درصد 42-2 شكك

417 ............................................................................ "2-2 ه" حالت برای شعله سطحي چگالي و سوخت جرمي درصد 49-2 شكك

17 ..........................................................................[92] ريكاردو مطالعه در جريان ورودی برای جرمي دبي مرزی شرط 4-2 نمودار

07 .......................................................................................................................................................... نازل ورودی مرزی شرط 4-9 نمودار

76 ............................................................................................................................................................نازل ورودی مرزی شرط 2-9 نمودار

در سلول 44 با بندی شبكه به نسبت ننوذ عمق اختلف درصد همراه به ثانيه ميلي 6.4 در جريان ننوذ عمق 9-9 نمودار

74 .......................................................................................................................................................................................................... نازل عرض

در سلولي 44 بندی شبكه با ننوذ عمق اختلف درصد همراه به پاشش از بعد ثانيه ميلي 6.9 تا جريان ننوذ عمق 1-9 نمودار

72 .......................................................................................................................................................................................................... نازل عرض

ننوذ عمق تغيير درصد همراه به متناوت زماني های گام در پاشش از بعد ثانيه ميلي 6.9 تا جريان ننوذ عمق 2-9 نمودار

71 ........................................................................................................................................................................... منتخب زماني گام به نسبت

70 .......................................................................................................................................................... نازل ورودی مرزی شرط 0-9 نمودار

77 ........................................................................ آزمايشگاهي نتايج و عددی حك نتايج از آمده بدست جريان ننوذ عمق 7-9 نمودار

31 ......................................................................................................... 2266 دور در مبنا موتور در هوا ورودی سوپاپ خيز 4-1 نمودار

32 .............................................................................. جرمي دبي برحسب هوا راهگاه داخك به جريان ورودی مرزی شرط 2-1 نمودار

466 ..................... شده مشخ خو در متر ميلي 4.1 و 4.2 ،4 سلول با های بندی شبكه در سيال سرعت منحني 9-1 نمودار

464 ..................... شده مشخ خو در متر ميلي 6.0 و 6.8 ،4 سلول با های بندی شبكه در سيال سرعت منحني 1-1 نمودار

444 .................................................................................... عددی حك و تجربي نتايج براساس سيلندر داخك فشار پروفيك 2-1 نمودار

442 ................................................................................................................... احتراق فرآيند شروع از ها گونه جرمي درصد 0-1 نمودار

442 ................................................................................................................. كلوين حسب بر احتراق محنظه متوسو دمای 7-1 نمودار

449 ................................................. ژول حسب بر پيستون روی بر گرفته انجام كار و سوخت از شده آزاد انرژی مقدار 8-1 نمودار

266: وسو. لنگ ميك درجه 126: باال سرعت كانتورهای در شده داده نشان خو سيلندر داخك جريان سرعت 3-1 نمودار

440 .............................................................................. هوا سوپاپ شدن بسته لحظه) لنگ ميك درجه 219: پايين. لنگ ميك درجه

421 .....................................سوخت مستقيم پاشش مختلف شرايو برای شده نظرگرفته در جرمي دبي های منحني 4-2 نمودار

492 ............ پاشش مختلف های حالت برای متر ميلي 9.2 شعاع ای دايره در شمع اطراف مخلوط ارزی هم نسبت 2-2 نمودار

416 ............................................... مخلوط شيپ مخلوط و "1 ه" ،"9 ه" پاشش درحالت سيلندر داخك فشار منحني 9-2 نمودار

414 ................. "1 ه" و 9 ه" حالت برای احتراق از بعد سوخت از شده آزاد انرژی مجموع و انرژی سازی آزاد نرخ 1-2 نمودار

411 ...................................................................... "2 ج" و "1 ج" ،"9 ج" پاشش های حالت برای سيلندر داخك فشار 2-2 نمودار

412 ..................................................................... "2 ج" و "1 ج" ،"9 ج" پاشش های حالت در انرژی سازی آزاد نرخ 0-2 نمودار

418 مخلوط شيپ مخلوط حالت و "9 ه" حالت ،"2-2 ه" حالت برای انرژی سازی آزاد نرخ و سيلندر داخك فشار 7-2 نمودار

م

ها جدولفهرست

79 ............................................................. متناوت زماني های گام در پاشش از بعد ثانيه ميلي 6.9 تا جريان ننوذ عمق 4-9 جدول

5.00E-08 ................................ 71 زماني گام به نسبت پاشش از بعد ثانيه ميلي 6.9 زمان تا ننوذ عمق تغيير درصد2-9 جدول

39 ................................................................................................................................................................. مبنا موتور مشخصات 4-1 جدول

32 ................................................................................................................................ عددی سازی مدل در دما مرزی شرايو 2-1 جدول

30 ............................................................................................................................................. گازطبيعي دهنده تشكيك اجزای 9-1 جدول

33 .................................................................................. شبكه از مستقك نتايج برای شده توليد ها بندی شبكه مشخصات 1-1 جدول

467 ..................................... جزئي چند سوخت با هوا سوپاپ شدن بسته از بعد سيلندر داخك مخلوط تشكيك اجزای 2-1 جدول

468 ...................................... جزئي تک سوخت با هوا سوپاپ شدن بسته از بعد سيلندر داخك مخلوط تشكيك اجزای 0-1 جدول

424 ..................................................... چندجزئي سوخت حالت در سيلندر داخك در شده محبوس مخلوط مشخصات 4-2 جدول

422 ..................................................... جزئي يک سوخت حالت در سيلندر داخك در شده محبوس مخلوط مشخصات 2-2 جدول

421 ................................................. سوخت مستقيم پاشش مختلف شرايو برای شده نظرگرفته در پاشش مشخصات 9-2 جدول

499 .............................................................. متر ميلي 9.2 شعاع به ای دايره در شمع اطراف مخلوط شرايو مشخصات 1-2 جدول

498 ....................................................................................."1 ه" و "9 ه" حالت برای سوخت مستقيم پاشش مشخصات 2-2 جدول

419 ................................................................. "2 ج" و "1 ج" ،"9 ج" حالت برای سوخت مستقيم پاشش مشخصات 0-2 جدول

410 ............................................................................................. "2-2 ه" حالت برای سوخت مرحله دو پاشش مشخصات 7-2 جدول

413 ..................... 6.6664 از كمتر سوخت جرمي كسر كاهش لحظه در سيلندر داخك مخلوط اجزای جرمي كسر 8-2 جدول

4

يك فصل .1

مقدمه .1

صك پيش رو ابتدا ضوع مورد تياهمدر ف س مو شر يبرر شناي به منظور و مي گردد حيت و ليهاو يآ

در توضييييح در ادامه بيان مي گردد و فناوری موتورهای گازطبيعي توضييييحاتي پيرامون ، مبنايي

محدوديت ها و راه های ، ويژگي های منحصر بنرد آن ، صلي مورد مطالعه در تحقيق حاضر موضوع ا

بيان مي گردد. برون رفت از آنها و ساده سازی های صورت گرفته در مسئله

2

اهميت استفاده از گازطبيعي در موتور احتراق داخلي .1 ، 1

ريذخا. اسييت گرفته نرار اسييتناده مورد نرن کي از شيب یانرژ منبع کي عنوان به 0F4يعيطب گاز

ش يم سه يمقا نابك تنن با سه يمقا در جهان یانرژ سبد در يعيطب گاز از شده اثبات يجهان . دبا

، را بدنبال خود دارد يمخرب گوناگون یامد هاكه پي یشييهر مناطق در هوا یها يآلودگ یعمده

. نندك يم استناده ديزل و نيبنز مانند يليفس یها سوخت از كهاست یه ايك نقليوسا از يناش

سوخت ها ياحتراق داخل یموتورها ستناده كننده از س یا سترده در حمك و نقك و يليف به طور گ

ش روز افزون يك افزاي نگونه موتورها بدل يا. شيييوند يبه كار گرفته م توان یدي ولت یواحدها گريد

سييال گذشييته بر اثر مقررات نيچنددر طول آنها به شييدت مورد توجه نرار گرفته اند. یكاربردها

طوا نه، سين زمياد در ايز يقيت تحقيجه فعاليمختلف و در نت یشورهاكها در ندهيننده آالكمحدود

1Fهيدروكربن ) ياحتراق داخل یموتورها يآلودگ

7Fكربن مونواكسيد ، 2

3Fو ناكس 9

ملحظه طور نابك( به 1

در را یشييترياصييلحات ب، سييت با مطالعات گسييترده تر يبا يهمچنان م يولافته اسييت. ياهش ك

ستناده از سوخت ها یآورفن ن را در آن فراهم آورد تا بتوان شتاب بهبود يگزيجا یموتور و امكان ا

ش كاربرد آنها رساند. يش از شتاب افزايرا ب ياحتراق داخل یدر عملكرد موتورها

احتراق یدر موتورها ييجز نيگزيجا اي و مناسييب نيگزيجا سييوخت کي تواند يم يعيطب گاز

ديتول رد يعيطب گاز كمتر كيپتانس امر نيا علت. رديبگ نرار نقك و حمك يسوخت سبد درو يداخل

سبت به يطيمح ست يز یها ندهيآال شد يم كيگازوئ و نيبنز سوخت ن یاه سوخت ينيگزيجا .با

يم، نهانسييبت به آ یشييتريدروژن به كربن بياز نسييبت ه یك بهره منديبدل يعيطب گاز با يليفسيي

م يبه طور مستق یگلخانه ا یگازها .شود 5F2یا گلخانه یگازها ینده هايآال انتشار كاهش سبب تواند

ضر ن یبرا شر م صل یاز گازها يكي يست ول يسلمت ب ست. یم در اثر گلخانه ايسه يا یهاگاز ا

آن عوانب یها ينگران به روز روزبه كه دارد نيزم كره یدما بردن باال در را يمهم نقش یا گلخانه

نهيزه توجه نابك كاهش سبب مي تواند كشورها از يبرخ در يعيطب گاز از استناده. شود يم افزوده

4 Natural Gas (CNG)

2 HC

9 CO

1 NOx

2 Greenhouse gas (GHG) emissions

9

سا سوخت ض رايز شود هينقل كيو شورها از يبع و نيبنز یها سوخت از يعيگازطب رانيا مانند ك

تسوخ كه يعموم نقك و حمك از ييها بخش در يعيگازطب یريبكارگ. باشد يم تر ارزان كيگازوئ

كيبدل يسييوخت تيامن باالرفتن سييبب تواند يم كنند يم اسييتناده غالبا مرسييوم يليفسيي یها

.گردد بزرگ یها اسيمق در یگريد یانرژ منبع یريبكارگ

ور ننت يجهان داتيتول ، سوخت مصرف شيافزا و يننت ريذخا ديجد اكتشافات كاهش با همزمان

حال در هرساله يجهان یانرژ مصرف .[4] باشد يم خود کيپ به دنيرس درحال و است شيافزا به

ن امر ضيرورت يا. شيود ينم دهيد ندهيآ یسيالها در آن یبرا يكاهشي روند چيه و سيت ا شيافزا

ه استناد یژه موتورهايشتر مصرف سوخت و يكاهش هر چه ب یقات را برايگسترش مطالعات و تحق

دهد. اصلا ين را نشان م يگزيجا یسوخت ها یريا امكان بكارگيو يليفس یكننده از سوخت ها

هكارها ن راياز موفق تر يكي ينيبنز یم سوخت در موتورها يق مستق يو تزر يستم سوخت رسان يس

ست. همچن ين زميدر ا سوز يفق ین موتورهاينه بوده ا 6Fر

شدت مورد توجه یو موتورها 4 سوز به گاز

ست. يقاتيمراكز تحق شان دروژنيه و زليوديب، اتانول ؛ مانند گريد نيگزيجا یها سوخت ا ادهد ن

ستناده مورد ها كياتومب سوخت عنوان به مي توانند كه اند مكانا نكهيا كيبدل يول رنديبگ نرار ا

یها سوخت با رنابت نابك شده تمام متين نظر از نيهمچن و ندارند را باال یها اسيمق در ديتول

س س یها سوخت با ينيگزيجا یبرا را يتوجه نابك و مهم نقش توانند ينم، ستند ين يليف را يليف

شته شند دا ست ييبجا انتظار. با دمحدو و ندهيآال یگازها كنترل در يعيطب گاز مهم نقش كه ا

صله بتواند تا ابدي شيافزا روز به روز آن كردن وختس ديتول كاهش و یانرژ مصرف شيافزا نيب فا

.دهد پوشش را نقك و حمك بخش در بخصوص يننت یها

گازسوز يموتورها يفناور .2 ، 1

مورد 9پيش مخلوط احتراق حالت در 5F2يداخل احتراق یموتورها در سييوخت عنوان به يعيطب گاز

یبرا يمعمول زليد یموتورها اي يمعمول ينيبنز یها موتور معموال. اسييت گرفته نرار اسييتناده

4 Lean-burn engine

2 Internal combustion (IC) engine

9 Premixed combustion

1

8Fاحتراق به كننده كمک ستم يس کي همراه به هوا و يعيگازطب پيش مخلوط احتراق

شمع مانند 4

يم يعيگازطب یموتورها معموال. رنديگ يم نرار اسييتناده مورد و یسيياز نهيبه، 9F2يكيالكتر یها

10Fييگرما بازده توانند

سبت را یباالتر 9 شته يمعمول ينيبنز یموتورها به ن شند دا امر نيا علت. با

11Fاكتان عدد باالبودن

هب نسيبت یباالتر یها تراكم نسيبت در تواند يم كه باشيد يم يعيطب گاز 1

زليد یارنب با توانند ينم هنوز يعيگازطب یها موتور ييگرما بازده. شود بكارگرفته ينيبنز موتور

ضوع نيا علت. كنند رنابت خود سبت در شدن محدود مو يپيش مخلوط احتراق كيبدل تراكم ن

17Fضربه ديتول به منجر كه است

نسبت كنترل یبرا هوا چهيدر به ازين نيهمچن و شود يم موتور در 2

.باشد يم هوا به سوخت

سوز یموتور ها شش گاز ستق پا یموتور ها نهيزم در زيبرانگ چالش و نو یها یآور فن از يكي ميم

ست نيا بر يعموم باور محققان، انيم در. هستند یا گلخانه یگازها كاهش و يداخل احتراق كه ا

س ها موتور نيا صرف كاهش جهت را يخوب كيپتان شت خواهند بهتر احتراق و سوخت م در. دا

،یورود راهگاه درون پاشش اي و كننده مخلوط کي قيطر از يعيطب گاز، متداول گازسوز یموتورها

سبت ها موتور نيا یترمز توان و كرده جاديا را هوا و سوخت مخلوط كمتر ينيبنز یاموتور ه به ن

درون به یاديز فشار با راهه چند کي توسو سوخت گاز، ميمستق پاشش یها موتور در. بود خواهد

خواهد را یشتر يب یترمز توان ديتول ييتوانا ،يتننس بازده شيافزا با و شده دهيپاش احتراق محنظه

.داشت

ستق قيتزر یاموتور ه س 13F0يعيطب گاز ميم س كيپتان در را يزليد یاموتور ه ييگرما بازده به دنير

15Fمعلق ذرات وناكس مانند یكمتر یها يندگيآال كه يحال

سبت 7 دارا ، دارند را زليد موتور به ن

شند يم ص تناوت امر نيا علت كه با صو سبت يعيطب گاز ييايميش اتيخ يم زليد سوخت به ن

شد ش تحقق یبرا. با س نيا به دنيبخ سعه یبرا یاديز یكارها رياخ دهه دو در موجود كيپتان تو

4 Ignition device

2 Electric spark

9 Thermal efficiency

1 Octane number

2 Knock

0 Direct injection (DI) natural gas engine

7 Particular matter (PM)

2

ستق قيتزر سوز گاز یاموتور ه ست گرفته صورت ميم قيتزر یساز یتجار یها برنامه راياخ. ا

[2]. شود يم دهيد يونيكام نيسنگ یاموتور ه در يعيطب گاز ميمستق

شيپ احتراق سيياز نهيزم تواند يم يعيطب گاز ميمسييتق قيتزر، يداخل احتراق یاموتور ه در.

سمت يعني دو نيا بيترك اي و 16F4يوژنينيد احتراق، ختهيآم سمت و ختهيآم شيپ صورت به ين هب ن

احتراق رد؛يبگ نرار یشتريب یها یبند دسته در تواند يم يوژنينيد احتراق. بشود يوژنينيد صورت

. هياول محنظه در احتراق و باز محنظه در

س صورت گرفته يبرر ستق يتزر یها موتور یبر رو [8-9] مطالعات شان م يق م دهد كه يم گاز ن

سعه موتور تزر يمختلن یهاسامانه ستق يبه منظور تو شده يسال پ 46م گاز از حدود يق م ش ارائه

ست. ا سعه یها در ابتدا بر رون تلشيا ستناده از گاز طب يزل و تطبيموتور د یتو يعيق آن جهت ا

15Fسوزو يت ابه طور جداگانه توسو شرك يقاتيتحق یهاتيد. فعاليآغاز گرد

12Fو وستپورت 2

ه انجام گرفت 9

قيتوسييو گاز موتور تزر ينيبنزسييوخت ن كردنيگزيها و به منظور جان تلشيا . در ادامهاسييت

نرار گرفت. يمورد بررس [46. 3]مراجع م گاز توسو يمستق

تعريف مساله تحقيق حاضر .3 ، 1

در ابتدای فصييك به طور مختصيير به ويژگي های منحصيير به فرد گازطبيعي به عنوان سييوخت در

مطالعه و اسيييتناده از موتورهای احتراق ، موتورهای احتراق داخلي و همچنين ضيييروريت تحقيق

شركت تحقيق طراحي و توليد موتور ايران خودرو )ايپكو( داخلي گ شد. ازطبيعي در ايران پرداخته

تحقيقات گسترده ای را پيرامون ، با درک اهميت استراتژيک اين سوخت پاک برای كشورمان ايران

سوز ملي با نام صك آن توليد موتور پايه گاز ست كه ماح ضوع از مدت ها پيش آغاز كرده ا اين مو

18Fای اف سون تجاری

شده است. موتور مزبور به در شركت ايران خودرو به توليد تجاری با تيراژ باال 1

ستناده مي گيردد. مطالعات پيرامون سمند و همچنين دنا ا ست و در خودورهای خانواده سيده ا ر

4 Diffusion combustion

2 ISUZU

9 Westport

1 EF7

0

شركت سون در سوز و به طور خاص بر روی موتور ای اف صطلا گاز موتورهای گازطبيعي يا به ا

تحقيقاتي ايپكو همچنان در حال انجام اسييت و اميد آن مي رود كه با تلش محققين اين مركز كه

شور دارند شگاهي ك شجويان مراكز دان ساتيد و دان ش ، ارتباط تنگاتنگي با ا تن ايران را با توجه به دا

ر د به عنوان يک كشييور پيشييرو در زمينه موتورهای گازطبيعي، ذخاير عظيم اين سييوخت گران بها

سطح دنيا مطرا سازد.

بخشي از يكي از پروژه های مطرا شده در شركت ايپكو مي تحقيق حاضر موضوع مورد بررسي در

باشييد. اين پروژه با تركيب سييه ايده مختلف كه به منظور بهينه سييازی موتورهای احتراق داخلي

19Fشكك گرفته است. شارژ اليه ای موضعي ، مطرا شده است

برای احتراق فقير سوزی در موتورهای 4

ضمين كند. ست مي تواند احتراق بهينه و پايداری را ت شان داده ا ست كه ن شده ا گازطبيعي مطرا

70Fمخلوط اليه ای اسيييتوكيومتری

در موتورهای بنزيني نيز ايده ديگری اسيييت كه علوه بر كاهش 2

نيز مي شييود. موتورهايي با بكارگيری دو منجر به بهبود پارامترهای عملكردی موتور ، پديده ضييربه

سوخت شش 71Fانژكتور پا

شش درگاهي 9 صورت پا 77Fكه يكي به

ستقيم 1 شش م 73Fو ديگری پا

عمك مي 2

ستناده شاهده نمود. ا شده م ست كه مي توان آن را در موتورهای بنزيني تجاری كند ايده ديگری ا

تناوتي براسيياس دور و بار را به طراا م سييوخت و هوای از دو انژكتور امكان تشييكيك مخلوط های

موتور مي دهد كه مي توان انتظار بهبود در عملكرد موتور را از آن داشييت. در فصييك آتي سييه ايده

.تشريح داده مي شودمطرا شده در اين نسمت

سوخت و برخورد شش ثانويه شان مي دهد كه پا شركت ايپكو ن صورت گرفته در مطالعات تجربي

جه منجر به افزايش نابك تو، جبهه شعله مي تواند با افزايش اغتشاشات سطح شعله اسپری گازی به

تاثير مزبور را در از شييركت ايپكو گرفته شييده اسييت و 4-4شييكك سييرعت پيشييروی شييعله گردد.

تصاوير فوناني شكك مزبور پيشروی شعله را يک مخلوط آرام نشان نشان مي دهد. پيشروی شعله

، احتراق و پيشييروی شييعله را درحالتي كه بعد از جرنه زدن 4-4شييكك مي دهد. تصيياوير تحتاني

يه سوخت صورت گرفته است را نشان مي دهد. تزريق سوخت از طريق انژكتوری كه در تزريق ثانو

4 Partially stratified charge ( PSC )

2 Stoichiometry stratified charge ( SSC )

9 Dual injection engine

1 Port injection

2 Direct injection

7

باالی نقطه جرنه زني نرار گرفته است انجام گرفته است. افزايش سرعت پيشروی شعله در راستای

ست. سوس ا شخ و مح سبت به حالت احتراق مخلوط آرام كامل م سوخت گازی ن از اين فواره

ن پايين بودن سييرعت آرام شييعله در سييوخت گازطبيعي را نسييبت به سيياير طريق نه تنها مي توا

جبران نمود بلكه مي توان سرعتهای باالتری برای پيشروی شعله ، سوخت های فسيلي مانند بنزين

گاز طبيعي را بدست آورد.

عکس برداري شيليرن ) دريافتي از ايپکو (شعله از طريق روش پيشروينمايش 1-1شکل

75Fشبيه سازی سه بعدی ، مساله مورد بررسي در تحقيق حاضر

تزريق مستقيم سوخت گازطبيعي به 4

با اندكي 9موتور ای اف سييون مي باشييد. جانمايي انژكتور تزريق مسييتقيم 2درون محنظه احتراق

تغيير در محنظه احتراق در شركت ايپكو صورت گرفته است كه در فصك مربوطه جزييات آن ارايه

75Fانژكتورهای درگاهي، مي گردد. در موتور مورد بررسييي

سييوخت الزم برای مخلوط پيش آميخته با 1

سبت هم ارزی سوخت و هوا 6.32ن سازی ها با فرض اينكه شبيه در اين را تامين مي كنند. در

انژكتور درگاهي از محاسييبات حذف شييده و مرز ، ناحيه به طور كامك با يكديگر تركيب مي شييوند

در 6.32ورودی جريان در راهگاه به صيييورت مخلوط همگن سيييوخت و هوا با نسيييبت هم ارزی

ه ك با توجه به فيزيک پاشش انتظار مي رود .مونعيت مكاني بعد از انژكتور درگاهي لحاظ شده است

4 Computation fluid dynamic

2 Combustion chamber

9 Direct injection

1 Port injection

8

شكيك مخلوط اليه ای موضعي به همراه افزايش اغشاشات جريان درون سيلندر و همچنين به طور ت

شعله ضعي جبهه شات مو شا شد. ، خاص افزايش اغ سازی بتواند عملكرد موتور را بهبود بخ شبيه

،است در كنار آماده سازی نمونه اوليه موتور مزبور آغاز شد پايان نامهعددی كه موضوع اصلي اين

شركت ايپكو متونف گرديد كه محدوديت هايي را نيز برای ول ي توليد موتور نمونه بنا به داليلي در

زی پاشش گاز و صحه گذاری آن ندم اول در تحقيق شبيه سا نحوه مدل سازی عددی بوجود آورد.

ضر شد كه نقش مهم و حا سي مي با سا ست آمده در ا صحت نتايج بد شي و را برای اطمينان بخ

ارايه شده است.بعدی را خواهد داشت. جزييات اين بخش از تحقيق در فصك سوم بخش های

ست شركت ايپكو گرديد كه مي باي تونف توليد موتور نمونه منجر به عدم ارايه داده های تجربي از

صحه گذاری 72Fاز آن ها برای

ستناده گردد. با اين محدوديت 4 سه بعدی ا سازی شبيه احتراق در

پيش صيييحه گذاری احتراق برای مخلوط ، ايجاد شيييده و با توجه به مطالعات نبلي صيييورت گرفته

شگاهي آن مخلوط سون كه داده های آزماي صلي محنظه احتراق ای اف سوخت و هوا برای مدل ا

بيشتر در فصك چهارم ارايه شده است. پس از فصك در دسترس مي بود صورت گرفت كه توضيحات

فصك پنجم به پاشش ، سوم و چهارم كه به صحه گذاری و آماده سازی های اوليه مدل ارتباط دارد

ص ستقيم اخت سون تزريق م ستقيم گازطبيعي درون محنظه احتراق موتور ای اف شده م اص داده

با دو رويكرد متناوت در نبك موضعي با هدف تشكيك مخلوط اليه ای است. پاشش مستقيم سوخت

مقدار سوختي برای تشكيك مخلوط اليه ای موضعي . و بعد از زمان جرنه زني صورت گرفته است

به ميزاني در نظر گرفته شده است كه نسبت سوخت و هوای داخك سيلندر در حالت كلي به نسبت

سيلند ستوكيومتری برای مخلوط داخك سبت ا سد. ن ستوكيومتری بر سائك مربوط ب ا ه ر به منظور م

شد. صك از احتراق مي با صك پس پااليش گازهای حا ضيحات تكميلي آن در ف ي مبيان مربوطتو

در فصك ششم كه فصك انتهايي تحقيق حاضر مي باشد جمع بندی و نتيجه گيری نهايي از .گردد

.ينده مطرا مي گرددنتايج بدست آمده ارايه مي شود با توجه به آن پيشنهاداتي برای تحقيقات آ

4 Validation

420

مراجع

1. Heinberg, R., et al., The view from oil’s peak. The Energy Reader:

Overdevelopment and the Delusion of Endless Growth, 2012: p. 55-61.

2. Zhao, H., Advanced Direct Injection Combustion Engine Technologies and

Development: Diesel Engines. Vol. 2. 2009 :Elsevier.

3. Hill, P.G. and B. Douville, Analysis of Combustion in Diesel Engines Fueled

by Directly Injected Natural Gas. Journal of Engineering for Gas Turbines

and Power, 2000. 122(1): p. 141-149.

4. Kamel, M., et al., An Emission and Performance Comparison of the Natural

Gas Cummins Westport Inc. C-Gas Plus Versus Diesel in Heavy-Duty

Trucks, in SAE Technical Paper 2002-01-2737. 2002, SAE: San Diego, CA,

USA, Session: Alternative Fuels (Part C.)

5. Harrington, J., et al., Direct Injection of Natural Gas in a Heavy-Duty Diesel

Engine, in SAE Technical Paper 2002-01-1630. 2002, SAE: Reno, NV,

USA.,

6. Goudie, D., et al., Development of a Compression Ignition Heavy Duty Pilot-

Ignited Natural Gas Fuelled Engine for Low NOx Emissions, in SAE

Technical Paper 2004-01-2954. 2004, SAE: Tampa, FL, USA, Session:

Alternative Fuels (Part A&B.)

7. Hodings, et al., Directly injected natural gas fueling of diesel engines, in SAE

Technical Paper 961671. 1996, SAE: Vancouver, BC, CANADA, Session:

Future Transportation Technology.

8. Mtui, P.L. and P.G. Hill, Ignition Delay and Combustion Duration with

Natural Gas Fueling of Diesel Engines, in SAE Technical Paper 961933.

1996 SAE.

9. Hassan, M.H., et al., Experimental Test of a New Compressed Natural Gas

Direct Injection Engine. Energy & Fuels, 2009. 23(10): p. 4981-4987.

11. Kalam, M.A., et al., Experimental Test of a New Compressed Natural Gas

Engine with Direct Injection, in SAE Technical Paper 2009-01-1967. 2009,

SAE.

11. Iwamoto, Y., et al., Development of gasoline direct injection engine. 1997,

SAE technical paper.

12. Zhao, F.-Q., M.-C. Lai, and D.L. Harrington, A REVIEW OF MIXTURE

PREPARATION AND COMBUSTION CONTROL STRATEGIES FOR

SPARK-IGNITED DIRECT-INJECTION GASOLINE ENGINES, in SAE

Technical Paper 970627. 199 7 , SAE: Detroit, MI, USA, Session: Direct

Injection Si Engine Technology.

13. Abdullah, S., W.H. Kurniawan, and A. Shamsudeen, Numerical analysis of

the combustion process in a compressed natural gas direct injection engine.

Journal of Applied Fluid Mechanics, 2008. 1(2): p. 65-86.

14. Lenz, H.P., Mixture formation in spark-ignition engines. 1992, United States:

Warrendale, PA (United States); Slurry Transport Association. Medium: X;

Size: Pages: (400 p.)

427

15. Eichlseder, H., et al., Potential and risks of gasoline direct injection engine

for future passenger car drivelines; Chancen und Risiken von Ottomotoren

mit Direkteinspritzung. Motortechnische Zeitschrift, 2000. 61(3): p. 144-152.

16. WIRTH, M., et al., Die naechste Generation der Benzin-Direkteinspritzung -

gesteigertes Verbrauchspotenzial bei optimierten Systemkosten / The next

generation of gasoline direct injection: improved fuel economy and optimized

system cost, in 12th Aachener Kolloquium Fahrzeug- und Motorentechnik.

2003, Forschungsgesellschaft Kraftfahrwesen Mbh Aachen (Fka.)

17. Zhao, H., Advanced Direct Injection Combustion Engine Technologies and

Development: Gasoline and Gas Engines. Vol. 1. 2014: Elsevier.

18. Hill, P.G., R.J. Pierik, and K.B. Hodgins, Intensifier-injector for gaseous fuel

for positive displacement engines. 1991, Google Patents.

19. Ricou, F.P. and D. Spalding, Measurements of entrainment by axisymmetrical

turbulent jets. Journal of fluid mechanics, 1961. 11(01): p. 21-32.

21. Abramovich, G., The Theory of Turbulent Jets. MIT Press. Cambridge,

Massachusetts, 1963.

21. Witze, P.O., Impulsively started incompressible turbulent jet. 1980, Sandia

Labs., Livermore, CA (USA.)

22. Rajaratnam, N., Turbulent JetsElsevier Scientific Publishing Company. 1976,

Amsterdam.

23. Turner, J., The ‘starting plume’in neutral surroundings. Journal of Fluid

Mechanics, 1962. 13(03): p. 356-368.

24. Kuo, T.-W. and F. Bracco, On the scaling of transient laminar, turbulent, and

spray jets. 1982, SAE Technical Paper.

25. Van Dyke, M. and M. Van Dyke, An album of fluid motion. 1982.

26. Batchelor, G.K., An introduction to fluid dynamics. 2000: Cambridge

university press.

27. Ewan, B. and K. Moodie, Structure and velocity measurements in

underexpanded jets. Combustion Science and Technology, 1986 .45(5-6 :) p.

275-288.

28. Birch, A., et al., The structure and concentration decay of high pressure jets

of natural gas. Combustion Science and technology, 1984. 36(5-6): p. 249-

261.

29. Ouellette, P., Direct injection of natural gas for diesel engine fueling. 1996,

UNIVERSITY OF^ BRITISH COLUMBIA.

31. Abraham, J., et al., Gas versus spray injection: which mixes faster? 1994,

SAE Technical Paper.

31. Li, G., et al., Optimization study of pilot-ignited natural gas direct-injection

in diesel engines. 1999 ,SAE Technical Paper.

32. Ouellette, P. and P. Hill, Turbulent transient gas injections. Journal of fluids

engineering, 2000. 122(4): p. 743-752.

33. Kawanabe, H., et al., CFD analysis of a high‐speed unsteady jet. Heat

Transfer—Asian Research, 2007. 36(1 :)p. 1-12.

34. Sukumaran, S. and S.-C. Kong, Numerical study on mixture formation

characteristics in a direct-injection hydrogen engine. International Journal of

Hydrogen Energy, 2010. 35(15): p. 7991-8007.

35. Ra, Y., et al., Multidimensional modeling of transient gas jet injection using

coarse computational grids. 2005, SAE Technical Paper.

428

36. Andreassi, L., A.L. Facci, and S. Ubertini, Multidimensional Modelling of

Gaseous Injection in Modern Direct Injection Internal Combustion Engines:

Analisys of Different Fuel Injection Strategies. 2009, SAE Technical Paper.

37. Andreassi, L., et al., Multidimensional modelling of gaseous injection:

Analysis of an impinging jet. International Journal of Heat and Fluid Flow,

2010. 31(5): p. 909-915.

38. Andreassi ,L., A. Facci, and S. Ubertini. A Multidimensional Model to

Simulate Direct Gaseous Fuel Injection in Internal Combustion Engines. in

ASME 2009 Internal Combustion Engine Division Spring Technical

Conference. 2009. American Society of Mechanical Engineers.

39. Yadollahi, B. and M. Boroomand, The Effect of Piston Head Geometry on

Natural Gas Direct Injection and Mixture Formation in a SI Engine With

Centrally Mounted Single-Hole Injector. 2011, SAE Technical Paper.

41. Yadollahi, B. and M. Boroomand. A Numerical Investigation of Combustion

Chamber Geometry Effects on Natural Gas Direct Injection Properties in a

SI Engine With Centrally Mounted Multi-Hole Injector. in Proceedings of the

Internal Combustion Engine Division Technical Conference, ICES2012.

2012.

41. Yadollahi, B. and M. Boroomand, The effect of combustion chamber

geometry on injection and mixture preparation in a CNG direct injection SI

engine. Fuel, 2013. 107: p. 52-62.

42. Yadollahi, B. and M. Boroomand, Numerical investigation of natural gas

direct injection properties and mixture formation in a spark ignition engine.

Thermal Science, 2014. 18(1): p. 39-52.

43. Kapusta, Ł.J. and A. Teodorczyk, NUMERICAL SIMULATIONS OF A

SIMULTANEOUS DIRECT INJECTION OF A LIQUID AND GASEOUS

FUEL INTO CONSTANT VOLUME CHAMBER. Journal of Power

Technologies, 2012. 92(1): p. 12-19.

44. Messner, D., et al., Application and validation of the 3D CFD method for a

hydrogen fueled IC engine with internal mixture formation. 2006, SAE

Technical Paper.

45. Li, Y., et al ,.Characteristic and computational fluid dynamics modeling of

high-pressure gas jet injection. Journal of engineering for gas turbines and

power, 2004. 126(1): p. 192-197.

46. Baratta, M., et al., Multi-dimensional modeling of direct natural-gas

injection and mixture formation in a stratified-charge SI engine with

centrally mounted injector. SAE International Journal of Engines, 2008.

1(2008-01-0975): p. 607-626.

47. Baratta, M., A.E. Catania, and F.C. Pesce. Multidimensional Modeling of

Natural Gas Jet and Mixture Formation in DI SI Engines: Development and

Validation of a Virtual Injector Model. in ASME 2009 Internal Combustion

Engine Division Spring Technical Conference. 2009. American Society of

Mechanical Engineers.

48. Baratta, M., A.E. Catania, and F.C. Pesce, Multidimensional Modeling of

Natural Gas Jet and Mixture Formation in Direct Injection Spark Ignition

Engines—Development and Validation of a Virtual Injector Model. Journal of

Fluids Engineering, 2011. 133(4): p. 041304.

423

49. Baratta, M. and N .Rapetto, Fluid-dynamic and numerical aspects in the

simulation of direct CNG injection in spark-ignition engines. Computers &

Fluids, 2014. 103: p. 215-233.

51. Czyż, Z. and K. Pietrykowski, CFD Model of the CNG direct injection

engine. Advances in Science and Technology Research Journal, 2014. 8(23):

p. 45-52.

51. Kim, G.-H., A. Kirkpatrick, and C. Mitchell, Computational modeling of

natural gas injection in a large bore engine. Journal of engineering for gas

turbines and power, 2004. 126(3): p. 656-66 4.

52. Chiodi, M., H.-J. Berner, and M. Bargende, Investigation on different

injection strategies in a direct-injected turbocharged CNG-engine. 2006,

SAE Technical Paper.

53. Scarcelli, R., et al. High-pressure gaseous injection: a comprehensive

analysis of gas dynamics and mixing effects. in ASME 2012 Internal

Combustion Engine Division Fall Technical Conference. 2012. American

Society of Mechanical Engineers.

54. Reynolds, C., Performance of a partially stratified-charge natural gas

engine. 2001, University of British Columbia.

55. Gorby, D., An evaluation of partially stratified charge ignition in a direct

injection natural gas engine. 2007, University of British Columbia.

56. Mezo, A., An image-based analysis of stratified natural gas combustion in a

constant volume bomb. 2008.

57. Chan, E., et al., Numerical and experimental characterization of a natural

gas engine with partially stratified charge spark ignition. Journal of

Engineering for Gas Turbines and Power, 2011. 133(2): p. 022801.

58. Logan, J .- M., EVALUATION OF A PARTIALLY STRATIFIED-CHARGE

INSERT IN A NATURAL-GAS ENGINE. 2011, UNIVERSITY OF BRITISH

COLUMBIA (Vancouver.

59. Chicka, A.S., Performance of a lean-burn natural gas engine using a double-

pulse partially-stratified charge ignition system. 2012.

61. Bai, Y., Z. Wang, and J. Wang, Knocking suppression using stratified

stoichiometric mixture in a DISI engine. 2010, SAE Technical Paper.

61. Bai, Y.-l., et al., Knocking suppression by stratified stoichiometric mixture

with two-zone homogeneity in a DISI engine. Journal of Engineering for Gas

Turbines and Power, 2013. 135(1): p. 012803.

62. Yamaguchi, J., Lexus gives V6 dual injection. 2006 Engine Special Report.

Automotive Engineering International, 2006: p. 17-20.

63. Sendyka, B. and M .Noga, Simulation of the work of a spark-ignition engine

with a dual-injector fuel system. Journal of KONES, 2010. 17: p. 399-410.

64. Sendyka, B. and M. Noga, Combustion process in the spark-ignition engine

with dual-injection system. 2013: INTECH Open Access Publisher.

65. Heiduk, I.T., D.-I.F.M. Stichlmeir, and D.-I.F. Unselt, The new 1.8 l TFSI

Engine from Audi part 2: Mixture Formation, Combustion Method and

Turbocharging. MTZ worldwide eMagazine, 2011. 72(7-8): p. 58-64.

66. Colin, O., A. Benkenida ,and C. Angelberger, 3D modeling of mixing,

ignition and combustion phenomena in highly stratified gasoline engines. Oil

& gas science and technology, 2003. 58(1): p. 47-62.

406

67. Colin, O. and A. Benkenida, The 3-zones extended coherent flame model

(ECFM3Z )for computing premixed/diffusion combustion. Oil & Gas Science

and Technology, 2004. 59(6): p. 593-609.

68. Manual, A.F., AVL List GmbH, Graz, Austria. CFD Solver Version, 2013.

69. Vuorinen, V., et al., Large-eddy simulation on the effect of injection pressure

and density on fuel jet mixing in gas engines. Fuel, 2014. 130: p. 241-250.

71. Rogers, T., et al., Structural characteristics of hydrogen and compressed

natural gas fuel jets. International Journal of Hydrogen Energy, 2015. 40(3):

p. 1584-1597.

71. Fluent, F., 6.3 User Guide. Fluent Inc., Centerra Resource Park, 2010. 10.

72. Hanjalić, K., M. Popovac, and M. Hadžiabdić, A robust near-wall elliptic-

relaxation eddy-viscosity turbulence model for CFD. International Journal of

Heat and Fluid Flow, 20 14 .25(6 :) p. 1047-1051.

73. AVLFireUserManual:, Fire CFD Solver. 2013.

74. Durbin, P.A., Near-wall turbulence closure modeling without “damping

functions”. Theoretical and Computational Fluid Dynamics, 1991. 3(1): p. 1-

13.

75. Gaskell, P. and A. Lau, Curvature‐compensated convective transport:

SMART, A new boundedness‐preserving transport algorithm. International

Journal for Numerical Methods in Fluids, 1988. 8(6): p. 617-641.

76. Goryntsev, D., et al., Large eddy simulation based analysis of the effects of

cycle-to-cycle variations on air–fuel mixing in realistic DISI IC-engines.

Proceedings of the Combustion Institute, 2009. 32(2): p. 2759-2766.

77. Enaux, B., et al., LES study of cycle-to-cycle variations in a spark ignition

engine. Proceedings of the combustion Institute, 2011. 33(2): p. 3115-3122.

78. Zecchin, A.C., et al., Steady-state behavior of large water distribution

systems: algebraic multigrid method for the fast solution of the linear step.

Journal of Water Resources Planning and Management ,2112.

79. andناصر, م. ه اي براي حل دستگاه معادالت خطي در کاربرد روش چند شبکج. محمدرضا,

تحليل هيدروليکي شبکه لوله ها.

Abstract:

Inappropriate conditions of environmental in the today’s word, due to the combustion

of conventional fuels, is the leading industrial countries to impose stringent

requirements for pollution control. For this reason, the natural gas compared with other

fossil fuels is increasingly considered. Research to benefit more from this clean fuel in

our country's energy basket, for this reason that Iran has huge reserves of natural gas,

and also suffers from pollution in large cities, is vital and clear. In recent years, the use

of natural gas in vehicles with internal combustion engines by the large car companies

have been considered. Research on CNG powered engines in the IPCO as the hub of

the Iranian engine research is being done. Direct injection of the fuel into the

combustion chamber was one of the ideas that expressed in this company, and it has

been studied in this research. Direct injection of five percent of the fuel required to

achieve stoichiometric equivalence ratio, through the injector layout on cylinder head

of EF7 engine, has been investigated in this study. Partial stratified charge with the

aim of achieving maximum laminar flame speed in the area around spark or flames, as

well as increasing turbulence intensity at flame front, in order to speed up the flame

was studied. This idea can be improved engine performance by reduce the time of

combustion. This study has been done by AVL Fire computational fluid dynamic

software. The results show that the ideal partial stratified mixture, according to

location and type of single-hole injector, is inaccessible. Increasing turbulence

intensity in the flame front is accompanied by increasing the energy release rate and

increasing the flame speed, but the negative effect of reducing the combustion

efficiency due to non-ideal partial scarified mixture, eventually cannot have a

significant effect on the work done on the piston.

Keywords: Natural gas, CNG engine, Direct-injection engine, Partially stratified

charge (PSC), Gas spray, AVL Fire

Iran University of Science and Technology

Automotive Engineering Department

3D simulation of Partially Stratified Charge

Combustion in EF7 Engine and Study and

Optimization of the Influence Parameters

A Thesis Submitted in Partial Fulfillment of the Requirement for the

Degree of Master of Science in Automotive Engineering

By:

Meysam Salehi

Supervisor: Dr. Amir Hasan Kakaee

January 2016