تحقیقات موتور

تحقیقات موتور

توسعه یک الگوی آشفتگی صفربعدی در میدان جریان موتور‌های اشتعال جرقه‌ای با در نظر گرفتن حرکات گردابه‌ها بر اساس رویکرد جدید

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان
1 دانشکده مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی سهند، تبریز، ایران
2 پژوهشکده خودرو، دانشگاه صنعتی سهند، تبریز، ایران
چکیده
در این مقاله، یک الگوی نوآورانه صفربعدی برای در نظر گرفتن حرکات گردابی در موتور‌های اشتعال جرقه‌ای توسعه داده شده است. انرژی جنبشی میانگین جریان به دو مؤلفه متمایز جریان‌های جهت‌­­دار و بدون‌جهت تجزیه می‌شود. به منظور افزایش سازگاری فیزیکی الگو، عبارت تولید انرژی جنبشی جهت‌­دار جریان بر اساس مفاهیم انرژی چرخشی در داخل استوانه و گشتاور زاویه‌ای معرفی می‌شود. عبارت تولید مرسوم مرتبط با انرژی جریان گردابه عمودی بوسیله عبارت تولید انرژی جنبشی بدون ‌جهت جایگزین می‌شود. فرض می‌شود که تولید انرژی جنبشی آشفته می‌تواند به از بین رفتن انرژی چرخشی از طریق این عبارت تولید جهت­‌دار مرتبط شود که تغییرات انرژی در گردابه‌ها در زمان بسته بودن دریچه‏­‌ها و گشتاور زاویه‌ای جریان ورودی در زمان باز بودن دریچه­‌ها را در بر می‌گیرد. علاوه بر این، نرخ جریان جرمی در داخل استوانه از طریق تجزیه و تحلیل جریان یک بعدی بی‏‌درروی برگشت‏‌پذیر  بدست می‌آید. طرح با نتایج تحقیقات تجربی یک موتور اشتعال جرقه‌ای با سوخت گاز طبیعی اعتبارسنجی شد. الگوی توسعه‏‌یافته توانایی پیش‌بینی ویژگی‌های اصلی جریان آشفته را دارد. همچنین، این طرح با دقت بالایی توانایی بازتولید تغییرات متغیرها را نسبت به نتایج به دست آمده از شبیه‌سازی سه‌­بعدی دارد. شایان ذکر است که این الگو نیاز به تعداد کمی ثابت تنظیمی دارد که به شرایط کارکردی خاص موتور وابسته نیستند. علاوه بر این، نتایج نمایانگر درجه بالایی از دقت در زمان نقطه مکث بالا در طی تراکم در تمامی شرایط کارکردی موتور است.
کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله English

Development of a zero-dimensional turbulence model for the flow field of spark-ignition engines, considering vortex motions, based on a new approach

نویسندگان English

Amir Hosseini Ansaroudi 1
Rahim Khoshbakhti Saray 1 2
Jafar Pashaei 1
1 Faculty of Mechanical Engineering, Sahand University of Technology, Tabriz, Iran
2 Vehicle Research Institute, Sahand University of Technology, Tabriz, Iran
چکیده English

In this paper, a novel zero-dimensional (0-D) in-cylinder turbulence model has been developed to account for vortex motions in spark-ignition (SI) engines. The flow’s mean kinetic energy is decomposed into two distinct components: directional and non-directional flows. To enhance the physical integrity of the model, a directional production term is introduced based on the principles of in-cylinder rotational energy and angular momentum. The traditional production term associated with tumble kinetic energy is replaced by a non-directional production term. It is postulated that the production of turbulent kinetic energy can be linked to the loss of rotational energy through this directional production term, encompassing the energy changes in vortices when the valves are closed and the angular momentum of intake flow when the valves are open. Additionally, the mass flow rate within the cylinder is derived through a one-dimensional (1-D) isentropic flow analysis. To validate the model, experimental investigations are conducted on a natural gas-fueled SI engine, which serves as a reference for model development. The developed model demonstrates the ability to predict the key characteristics of turbulent flow and accurately reproduce the variation of related parameters when compared to the results obtained from three-dimensional (3-D) simulations. Notably, the model requires only a minimal number of tuning constants that are case-insensitive. Furthermore, the results exhibit a high degree of precision near top dead center (TDC) in the compression stroke across all operational cycles.

کلیدواژه‌ها English

Turbulence Model
Zero-Dimensional Model
Tumble Vortex
Turbulence Kinetic Energy
Spark Ignition Engine
[1] Kim N, Kim J, Ko I, Choi H, Min K. A study on the refinement of turbulence intensity prediction for the estimation of in-cylinder pressure in a spark-ignited engine. SAE Technical Paper; 2017 Mar 28. doi: 10.4271/2017-01-0525
[2] Scheidt M. Static and transient cylinder deactivation at 4-and 3-cylinder engines. InHyundai-Kia International Powertrain Conference 2015 Oct 27.
[3] Siokos K, Koli R, Prucka R, Schwanke J, Miersch J. Assessment of cooled low pressure EGR in a turbocharged direct injection gasoline engine. SAE International Journal of Engines. 2015 Sep 1;8(4):1535-43.
[4] Kleeberg H, Tomazic D, Dohmen J, Wittek K, Balazs A. Increasing efficiency in gasoline powertrains with a two-stage variable compression ratio (VCR) system. SAE Technical Paper; 2013 Apr 8. doi: 10.4271/2013-01-0288
[5] Lotfan S, Ghiasi RA, Fallah M, Sadeghi MH. ANN-based modeling and reducing dual-fuel engine’s challenging emissions by multi-objective evolutionary algorithm NSGA-II. Applied Energy. 2016 Aug 1;175:91-9. doi: 10.1016/j.apenergy.2016.04.099
[6] Bendu H, Deepak BB, Murugan SJ. Multi-objective optimization of ethanol fuelled HCCI engine performance using hybrid GRNN–PSO. Applied Energy. 2017 Feb 1;187:601-11. doi: 10.1016/j.apenergy.2016.11.072
[7] Duclos JP, Zolver M, Baritaud T. 3D modeling of combustion for DI-SI engines. Oil & Gas Science and Technology. 1999 Mar 1;54(2):259-64. doi: 10.2516/ogst:1999023
[8] Won D. A Study on Developing 0-Dimensional Turbulence Model Considering Tumble Motion in a Spark-Ignited Engine. PhD diss., Seoul National University, 2017.
[9] Payri F, Desantes JM, Benajes J. Compression Ignition Engines: State‐of‐the‐Art and Current Technologies. Future Trends and Developments. Handbook of Clean Energy Systems. 2015 Jun 4:1-35. doi: 10.1002/9781118991978.hces079
[10] Lee TK, Filipi ZS. Improving the predictiveness of the quasi-d combustion model for spark ignition engines with flexible intake systems. International Journal of Automotive Technology. 2011 Feb;12:1-9. doi: 10.1007/s12239-011-0001-4
[11] Richard S, Bougrine S, Font G, Lafossas FA, Le Berr F. On the reduction of a 3D CFD combustion model to build a physical 0D model for simulating heat release, knock and pollutants in SI engines. Oil & Gas Science and Technology-Revue de l'IFP. 2009 May 1;64(3):223-42. doi: 10.2516/ogst/2008055
[12] Rivas M, Higelin P, Caillol C, Sename O, Witrant E, Talon V. Validation and application of a new 0d flame/wall interaction sub model for si engines. SAE International Journal of Engines. 2012 Aug 1;5(3):718-33.
[13] Sjeric M, Kozarac D, Bogensperger M. Implementation of a single zone k-ε turbulence model in a multi zone combustion model. SAE Technical Paper; 2012 Apr 16. doi: 10.4271/2012-01-0130
[14] Bozza F, Teodosio L, De Bellis V, Fontanesi S, Iorio A. A refined OD turbulence model to predict tumble and turbulence in SI engines. SAE International Journal of Engines. 2019 Jan 1;12(1):15-30.
[15] Bozza F, Teodosio L, De Bellis V, Fontanesi S, Iorio A. Refinement of a 0D turbulence model to predict tumble and turbulent intensity in SI engines. Part II: model concept, validation and discussion. SAE technical paper. 2018;2018:1-5. doi: 10.4271/2018-01-0856
[16] De Bellis V, Bozza F, Fontanesi S, Severi E, Berni F. Development of a phenomenological turbulence model through a hierarchical 1D/3D approach applied to a VVA turbocharged engine. SAE International Journal of Engines. 2016 Apr 1;9(1):506-19.
[17] Riccardi M, De Bellis V, Sforza L, Beatrice C, Bozza F, Mirzaeian M. Advanced turbulence and combustion modeling for the study of a swirl-assisted natural gas spark-ignition heavy-duty engine. International Journal of Engine Research. 2023 Aug;24(8):3400-16. doi: 10.1177/14680874221150469
[18] Macián V, Salvador FJ, De La Morena J, Pagano V. Combustion analysis of a stratified pre-chamber ignition system by means of a zero-dimensional turbulence and flame speed model. Combustion and Flame. 2021 Oct 1;232:111526. doi: 10.1016/j.combustflame.2021.111526
[19] Perceau M, Guibert P, Guilain S. Zero-dimensional turbulence modeling of a spark ignition engine in a Miller cycle «Dethrottling» approach using a variable valve timing system. Applied Thermal Engineering. 2021 Nov 25;199:117535. doi: 10.1016/j.applthermaleng.2021.117535
[20] Pashaei J, Saray RK. Development of a quasi-dimensional, fractal-base combustion model for SI engines by simulating flame-wall interaction phenomenon. Fuel. 2019 Jan 15;236:13-29. doi: 10.1016/j.fuel.2018.08.155
[21] Marble FE, Broadwell JE. The coherent flame model for turbulent chemical reactions. West Lafayette, IN, USA: Project Squid Headquarters, Purdue University; 1977 Jan 1.
[22] Kim, N. A Study on Phenomenological Quasi-Dimensional Combustion Modeling of Spark-Ignited Engine. PhD diss., Seoul National University, 2016.
[23] Fogla N, Bybee M, Mirzaeian M, Millo F, Wahiduzzaman S. Development of a Kk-ϵ phenomenological model to predict in-cylinder turbulence. SAE International Journal of Engines. 2017 Apr 1;10(2):562-75.
[24] De Bellis V, Severi E, Fontanesi S, Bozza F. Hierarchical 1D/3D approach for the development of a turbulent combustion model applied to a VVA turbocharged engine. Part I: turbulence model. Energy Procedia. 2014 Jan 1;45:829-38. doi: 10.1016/j.egypro.2014.01.088
[25] Heywood JB. Internal Combustion Engine Fundamentals. New York: McGraw-Hill, 1988.
[26] Grasreiner S, Neumann J, Luttermann C, Wensing M, Hasse C. A quasi-dimensional model of turbulence and global charge motion for spark ignition engines with fully variable valvetrains. International Journal of Engine Research. 2014 Oct;15(7):805-16. doi: 10.1177/1468087414521615
[27] Poulos SG, Heywood JB. The effect of chamber geometry on spark-ignition engine combustion. SAE transactions. 1983 Jan 1:1106-29.
[28] Bozza F, Gimelli A, Merola SS, Vaglieco BM. Validation of a fractal combustion model through flame imaging. SAE transactions. 2005 Jan 1:973-87.
[29] Ramajo DE, Zanotti AL, Nigro NN. Validación de un modelo de tumble y turbulencia para un motor de cuatro válvulas de alto rendimiento. Mecánica Computacional. 2005:1527-42.
[30] Eiglmeier C. Phänomenologische Modellbildung des gasseitigen Wandwärmeüberganges in Dieselmotoren [dissertation]. Munich: Technical University of Munich; 2000.
[31] Ferguson CR, Kirkpatrick AT. Internal combustion engines: applied thermosciences. John Wiley & Sons; 2015 Jul 1.
[32] Halliday D, Resnick R, Walker J. Fundamentals of physics. John Wiley & Sons; 2013 Aug 13.
[33] Ramos JI. Internal Combustion Engine Modeling. New York: Hemisphere, 1989.
[34] Yoshihara Y, Nakata K, Takahashi D, Omura T, Ota A. Development of high tumble intake-port for high thermal efficiency engines. SAE Technical Paper; 2016 Apr 5. doi: 10.4271/2016-01-0692
دوره 71، شماره 4 - شماره پیاپی 77
مقالات انگلیسی
زمستان 1403
صفحه 77-101

  • تاریخ دریافت 14 فروردین 1404
  • تاریخ بازنگری 13 اردیبهشت 1404
  • تاریخ پذیرش 20 اردیبهشت 1404