Ultra-Lean operating conditions have a great potential toward the increase of engine thermal efficiency and control of pollutant emissions in Internal Combustion Engines; however, cyclic variability and stability are still critical issues to be solved. The use of natural gas may partially solve these issues due to a more efficient mixing process, widening the flammability limits. An analysis of natural gas ultra-lean combustion process is presented in this work using local charge stratification to stabilize the process. In particular, the predictive capabilities of the numerical model are here validated up to ultra-lean (λ=2.0) mixtures. Moreover, an analysis of the ignition timing has been performed, to find the optimal trade-off between flame quenching and turbulent kinetic energy decay as produced by the jet in the vicinity of the spark location. The optimal ignition timing has been calculated in the range of 5ms

چکیده

شرایط بهره برداری فوق-رقیق دارای قابلیت زیادی در جهت افزایش راندمان حرارتی و کنترل گازهای آلاینده در موتورهای احتراق داخلی، می باشد، هرچند هنوز هم قابلیت تغییر دوره ای و پایداری، موضوعات بسیار مهمی هستند که باید حل شوند. استفاده از گاز طبیعی، بواسطۀ راندمان بالاتر در فرایند اختلاط، و گسترده تر کردن محدودۀ اشتعال پذیری، می تواند بخشی از این مشکل را حل کند. در این تحقیق، یک تحلیل از فرایند احتراق گاز طبیعی فوق-رقیق، با استفاده از لایه​ای کردن تغذیۀ موضعی -به منظور پایدارکردن فرایند-، ارائه شده است. بویژه، قابلیت پیش بینی مدل عددی، تا مخلوطهای فوق-رقیق (λ=2.0)، معتبرسازی شده است. علاوه برآن، تحلیلی از زمانبندی اشتعال، جهت بدست آوردن تعادل بهینه بین خفه​شدگی شعله و اضمحلال انرژی جنبشی متلاطم، که توسط نازل در مجاورت محل جرقه، ایجاد می شود، صورت گرفته است. زمانبندی اشتعال بهینه، در محدودۀ 5 ms، محاسبه گردیده است.

1-مقدمه

صنعت خودروسازی در سال های اخیر تمام تلاش خود را برای بکارگیری مخلوط سوخت رقیق و رقیقتر، جهت برآورده کردن مقررات مربوط به آلودگی هوا، بکار بسته است. کارهای متعددی در زمینۀ احتراق رقیق (بویژه در زمینۀ مخلوط های رقیق گاز طبیعی (NG))، هم در اتاقک احتراق با حجم ثابت (CVCC)، و هم در موتورها، انجام شده است.

بواسطۀ کاهش درجه حرارت شعله و کنترل نسبی انتشار NOx  و تلفات گرمایی، راندمان حرارتی افزایش می یابد. علاوه برآن کنترل احتراق با نسبت سوخت-هوا، اجازۀ کاهش تلفات ناشی از پمپاژ در بار پایینتراز بار کامل را می دهد. هرچند که موضوعات متعددی در زمینۀ پایداری احتراق و تغییرات دوره​ای، مطرح می شود. گروه Prof. Evans، در دانشگاه بریتیش کلمبیا (UBC)، یک راهبرد احتراق ویژه، را توسعه داده و به کمک احتراق با تغذیۀ لایه بندی شدۀ بخشی (PSC)، سعی در حل این مشکلات کردند...