Modelowanie i analiza przebiegu wyładowania iskrowego w silniku z zapłonem wymuszonym

• Autorzy: Sosnowski M.

Warianty tytułu

EN

Modelling and numerical analysis of spark discharge in SI engine

• Języki publikacji: PL

Abstrakty

PL

Celem pracy byla analiza i lepsze poznanie wpływu parametrów przepływowych oraz ciśnienia medium gazowego na przebieg wyładowania iskrowego inicjującego zapłon i późniejszy rozwój płomienia oraz opracowanie rozbudowanego modelu matematycznego wyładowania iskrowego, jego implementacja do kodu źródłowego programu KIVA-3V oraz weryfikacja z wynikami badań eksperymentalnych. W pracy zawarto kompleksową analizę przebiegu wyładowania iskrowego inicjującego zapłon oraz zaprezentowano aktualny stan wiedzy w tym zakresie. Ponadto scharakteryzowano zaprojektowane i wykonane w ramach pracy stanowisko do badania parametrów łuku elektrycznego. Przedstawiono opis zastosowanej metody pomiaru prędkości przepływu i wzorcowania sondy termoanemometrycznej wykorzystanej w trakcie realizacji pomiarów prędkości przepływu w komorze ciśnieniowej. Przedstawiono metodę rejestracji optycznej wyładowania iskrowego. Zdefiniowano charakterystyczne parametry geometrii łuku elektrycznego oraz przedstawiono wybrane wyniki badań. Ponadto w pracy dokonano przeglądu literatury dotyczącej modelowania matematycznego w zagadnieniach silnikowych, ze szczególnym uwzględnieniem zastosowania programu KIVA-3V do modelowania cyklu pracy silnika tłokowego. Opisano model wyładowania iskrowego inicjującego zapłon, opracowany na podstawie wyników badań eksperymentalnych. Przedstawiono ponadto algorytm działania modelu oraz omówiono róznice pomiędzy opracowanym modelem i standardowym modelem programu KIVA-3V. W ramach pracy wykonano trójwymiarowe modelowanie spalania mieszanki homogenicznej w komorze o stałej objętości. Zaprezentowano domenę obliczeniową warunki początkowe i brzegowe oraz wyniki modelowania z zastosowaniem obu analizowanych w pracy modeli wyładowania iskrowego. W celu porównania wyników badań eksperymentalnych i numerycznych z zastosowaniem obu analizowanych modeli w pracy zamieszczono opis oraz wyniki przeprowadzonych badań hamownianych silnika badawczego. Zaprezentowano obiekt badań eksperymentalnych, stanowisko pomiarowe oraz uzyskane wyniki w postaci przebiegów ciśnienia, temperatury oraz udziału ładunku spalonego w przestrzeni roboczej silnika w funkcji kąta obrotu wału korbowego. Przedstawiono wyniki modelowania spalania w komorze modelowanego silnika badawczego, przy czym inicjacja spalania poprzez wyładowanie iskrowe realizowana była z wykorzystaniem modelu standardowego i modelu opracowanego w ramach pracy. Dokonano zestawienia wyników badań eksperymentalnych z wynikami badań numerycznych. Rezultaty przeprowadzonych badań uzasadniają celowość stosowania rozszerzonego modelu wyładowania iskrowego inicjującego zapłon mieszanki palnej, uwzględniającego wpływ ciśnienia i prędkości mieszanki w pobliżu elektrod świecy zapłonowej w chwili wyładowania iskrowego.

EN

The aim of the paper was the analysis and improving knowledge of the influence of flow parameters and pressure of the spark discharge, which initiates the ignition and subsequent flame development. Moreover the aim was to develop the extended mathematical model of spark discharge, its implementation to the source code of KIVA-3V software and validation with experimental research results. The comprehensive analysis of spark discharge initiating the ignition was included in the paper. The up-to-date knowledge in this field was presented. Moreover the paper contains the detailed description of designed test stand made within the confines of the paper and dedicated to electric arc parameters analysis. The description of applied flow velocity measurement method and hot-wire probe calibration is also included in the paper as well as the spark discharge optical recording method description. The characteristic parameters of electric arc were defined and research results were presented. The paper also includes the review of literature dealing with mathematical modeling of engine cycles with mostly taking into account the application of KIVA-3V software to piston engine work cycle modeling. The model of spark discharge initiating the ignition developed on the basis of performed experimental research was described. The algorithm of the model was presented and the differences between the developed and standard KIVA-3V ignition model were discussed. The 3D modeling of homogeneous mixture combustion in cynstant volume chamber was carried out The computational domain, initial and boundary conditions as well as the results of modeling with the use of both ignition models analyzed in the paper were presented. The description and results of carried out experimental engine research were presented in order to compare them with the results of numerical research with the use of both ignition models. The test engine and the test stand were also presented in the paper as well as the obtained results in the form of pressure, temperature and mass fraction burned curves in function of crank angle. The results of combustion modeling in combustion chamber of analyzed test engine with the use of standard and extended ignition model were described. The comparison of experimental and numerical modeling results was shown. The results of carried out research justify the purposefulness of applying the extended ignition model taking into account the influence of pressure and flow parameters in the surroundings of spark plug electrodes at the time of spark discharge.

Słowa kluczowe

PL

modelowanie; analiza; wyładowanie iskrowe w silniku; silnik z wynuszonym zapłonem

EN

modelling; numerical analysis

• Wydawca: Wydawnictwa Naukowe Instytutu Lotnictwa
• Czasopismo: Prace Instytutu Lotnictwa
• Rocznik: 2009
• Tom: Nr 2 (197)
• Strony: 1--110
• Opis fizyczny: Bibliogr. 107 poz., rys., tab., wzory

Twórcy

autor

Sosnowski M.

• Instytut Lotnictwa

Bibliografia

• [1] Adach T., Shu C., M., Comparison of simulation and experimental results In cylinder air motion, International Symposium COMODIA, 1990.
• [2] Allocca L., Amato U., Bertoli C., Corcione F. E., Comparison of models and experiments for diesel fuel sprays, International Symposium COMODIA, 1990.
• [3] Altronic Inc., Altronic CPU-95: advanced digital ignition system for industrial engines, Girard, 1996.
• [4] Amsden A. A., KIVA-3: a KIVA program with block-structured mesh for complex geometries, Los Alamos National Laboratory, 1993.
• [5] Amsden A. A., KIVA-3V, a block-structured KIVA program for engines with vertical or canted valves, Los Alamos National Laboratory, 1997.
• [6] Amsden A. A., KIVA-3V, release 2, improvements to KIVA-3V, Los Alamos National Laboratory, 1999.
• [7] Amsden A. A., KIVA-3V: a block-structured computer program for 3-D flows with valves, chemical reactions and fuel sprays, Los Alamos National Laboratory, 1997.
• [8] Amsden A. A., O’Rourke P. J., Butler T. D., a computer program for chemically reactive flows with sprays, Los Alamos National Laboratory, 1989.
• [9] Ballal R., Lefebvre A. H., The influence of flow parameters on minimum ignition energy and quenching distance, 15th Symposium on Combustion, 1974.
• [10] Birch S., Yamaguchi J., Demmler A., Jost K., Mazd’s multi-plug lean-burn engine, Automotive Engineering, 1992.
• [11] Blanc M. V., Guest P. G., von Elbe G., Lewis B., Ignition of explosive gas mixtures by electric sparks. I. Minimum ignition energies and quenching distances of mixtures of methane, oxygen and insert gases, Journal of Chemistry and Physics, 1947.
• [12] Burgett R. R., Leptich J. M., Sangwan K. V. S., Measuring the effect of spark plug and ignition system design on engine performance, SAE Paper 720007, 1972.
• [13] Cartellieri W., Chmela F. G., Kapus P. E., Tatschl R. M., Mechanisms leading to stable and efficient combustion in lean burn gas engines, International Symposium COMODIA, 1994.
• [14] Checkel M. D., Thomas Turbulent explosions in closed vessels, I. Mech. E C57/83, 1983.
• [15] Chomiak J., Combustion: a study in theory, fact and application, Gordon and, Breach Science Publishers, 1990.
• [16] Chomiak J., Flame development from an ignition kernel in laminar and turbulent homogeneous mixtures, 17th Symposium on Combustion, 1978.
• [17] Cobine J. D., Gaseous conductors, McGraw-Hill Book Co. Inc., 1941.
• [18] Cupiał K., SILNIK32 wersja 2001.5 - program do opracowywania wykresów indykatorowych, Instytut Maszyn Tłokowych i Techniki Sterowania, Częstochowa, 2002.
• [19] Cupiał K., Sosnowski M., Analysis of flame kernel formation around a spark plug at different flow condition, XIV UKRAINIAN POLISH CONFERENCE “CAD in Machinery Design Implementation and Educational Problems”, 2006.
• [20] Cupiał K., Sosnowski M., a New Ignition Model in Numerical Modelling of SI Engine, VII International Scientific Conference GAS ENGINES 2006, 2006.
• [21] Cupiał K., Sosnowski M., Jamrozik A., Kociszewski A., Tutak W., Flame kernel formation around a spark plug of SI engine using KIVA 3V with standard and newly developed ignition model, PTNSS KONGRES2007, International Congress on Combustion Engines, 2007.
• [22] Dale J. D., Checkel M. D., Smy P. R., Application of high energy ignition systems to engines, Energy Combustion Science, 1997.
• [23] Das S., Chmiel D. M., Computational and experimental study of in-cylinder flow in a direct injection gasoline (DIG) engine, Delphi Automotive Systems, Technical Center Rochester, New York.
• [24] Delhaye B., Duverger T., Modelling of internal flow and combustion in a four valve lean-burn SI engine, The Fourth International Symposium COMODIA, 1998.
• [25] Demmler A., Mercedes-Benz new V6 engine, Automotive Engineering, 1997.
• [26] Duclos J., Colin O., Arc and kernel tracking ignition model for 3D spark-ignition engine calculations, The Fifth International Symposium on Diagnostics and Modeling of Combustion in Internal Combustion Engines COMODIA, 2001.
• [27] Elsner J. W., Drobniak S., Metrologia turbulencji przepływów, Wydawnictwo Polskiej Akademii Nauk, 1995.
• [28] Evans R. L., Combustion chamber design for a lean-burn SI engine, SAE Paper 921545, 1992.
• [29] Fabre A., Ferreira C., Three dimensional modeling of flow and mixture preparation in a two stroke engine, International Symposium COMODIA, 1990.
• [30] Fan L., Reitz R. D., Han Z., Modeling of fuel preparation and stratified combustion in gasoline direct injection engine, SAE Paper 1999-01-0175, 1999.
• [31] Franke A., Diagnostics of electrical phenomena in gases for the monitoring of spark-ignited combustion, Lund Institute of Technology, Lund University, 2000.
• [32] Geiger J., Pischinger S., Bowing R., Koss H. J., Thiemann J., Ignition systems for highly diluted mixtures in SI-engines, SAE Paper 1999-01-0799, 1999.
• [33] Golovitchev V. I., Nordin N., Jarnicki R., Chomiak J., 3-D diesel spray simulations using a new detailed chemistry turbulent combustion model, SAE Paper OOFL-447, 2000.
• [34] Goto S., Nakayama S., Nishi Y., Ono Y., Study on ignitron method for lean-mixture to improve thermal efficiency of gas engine, The Fifth International Symposium on Diagnostics and Modeling of Combustion in Internal Combustion Engines COMODIA, 2001.
• [35] Graas S., Nowoczesne urzqdzenie zapłonowe do samochodu, Radioelektronik nr 8, 1986.
• [36] Gruca M., LCTXR - program do rejestracji i analizy sygnałów, Instytut Maszyn Tłokowych i Techniki Sterowania, Częstochowa, 2001.
• [37] Han Z., Reitz R. D., a temperature wall function formulation for variable-density turbulent flows with application to engine convective heat transfer modeling, Journal of Heat Mass Transfer, 1997.
• [38] Harrington J. A., Shishu R. C., Asik J. R., a study of ignition system effects on power, emissions, lean misfire limit and EGR tolerance of a single-cylinder engine - multiple spark versus conventional single spark ignition, SAE Paper 740188, 1974.
• [39] Herweg R., Begleris P., Zettlitz A., Ziegler G. F. W., Flow field effect on flame kernel formation in a S. I. engine, SAE Paper 881639, 1988.
• [40] Heywood J. B., Internal combustion engine fundamentals, McGraw-Hill Book Company, 1988.
• [41] Jamrozik A., Kociszewski A., Sosnowski M., Tutak W, Simulation of combustion in SI engine with prechamber, XIV UKRAINIAN POLISH CONFERENCE “CAD in Machinery Design Implementation and Educational Problems”, 2006.
• [42] Jamrozik A., Kociszewski A., Sosnowski M., Tutak W.; Numerical analysis of prechamber in IC engine with two-stage combustion system geometry influence on engine cycle parameters, EUROPEAN KONES 2006, 2006.
• [43] Jamrozik A., Tworzenie i spalanie heterogenicznych mieszanek palnych w silnikach ZI, Praca doktorska, 2004.
• [44] Jarnicki R., Bocian P., Rychter T., Theoretical analysis of ignition of a gas fuel jet with the use of an ignition chamber, Journal of KONES, 2001.
• [45] Jarnicki R., Rychter T., Teodorczyk A., Modelowanie bezpośredniego wtrysku paliwa gazowego do komory o stałej objętości, 24th International Scientific Conference on Combustion Engines KONES, 1998.
• [46] Jarnicki R., Rychter T., Teodorczyk A., Symulacja numeryczna wtrysku gazu i spalania w komorze o stałej objętości, Journal of KONES Internal Combustion Engines, 1999.
• [47] Jarnicki R., Teodorczyk A., Golovitchev V. I., Chomiak J., Numerical simulation of spray formation, ignition and combustion in a diesel engine using complex chemistry approach, 2002.
• [48] Jarosiński J., Techniki czystego spalania, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 1996.
• [49] Jeanvoine N., Jonsson R., Muecklich F., Investigation of the arc and glow phase fractions of ignition discharges in air and nitrogen for Ag, Pt, Cu and Ni electrodes, 28th ICPIG, 2007.
• [50] Kalghatgi G. T., Spark ignition, early flame development and cyclic variation in LC engines, SAE Paper 870163, 1987.
• [51] Kech J. M., Reissing J., Gindele J., Spicher U., Analysis of the combustion process in a direct injection gasoline engine, The Fourth International Symposium COMODIA, 1998.
• [52] Kim Y., Lee S. H., Cho N. H., Effect of fair motion on fuel spray characteristics in a gasoline direct injection engine, SAE 1999-01-0177, 1999.
• [53] Klajny R., et al, Energetyka i ekologia, Tempu Project S JEP-12255-97, 1997.
• [54] Klimkiewicz D., Sutkowski M., Janata J., Teodorczyk A., Experimental and computational study of d lean burn natural gas engine, Journal of KONES, 2001.
• [55] Kociszewski A., Jamrozik A., Sosnowski M., Tutak W., Numerical analysis of combustion in multi-spark plug engine, XIV Ukrainian-Polish Conference on CAD in Machinery Design. Implementation and Educational Problems. CADMD’2006, 2006.
• [56] Kociszewski A., Jamrozik A., Sosnowski M., Tutak W., Numerical analysis of combustion in multi spark plug engine, XIV UKRAINIAN POLISH CONFERENCE “CAD in Machinery Design Implementation and Educational Problems”, 2006.
• [57] Kociszewski A., Jamrozik A., Sosnowski M., Tutak W., Symulacje procesu spalania w silniku wieloświecowym w programie KIVA-3V, Silniki Spalinowe, 2007.
• [58] Kociszewski A., Jamrozik A., Tutak W., Sosnowski M., Computational Analysis and Experimental Research into Lean Mixture Combustion in Multi-Spark Plug SI Engine, Journal of KONES Powertrain and Transport, 2006.
• [59] Kociszewski A., Silnik z zapłonem wielopunktowym, Praca magisterska, Politechnika Częstochowska, 1996.
• [60] Kociszewski A., Spalanie mieszanek homogenicznych w silniku tłokowym z zapłonem wielopunktowym, Praca doktorska, 2004.
• [61] Kono et al, Investigation on ignition ability of composite spark inflowing mixtures, 20th Symposium on Combustion, The Combustion Institute, 1984.
• [62] Kono S., Study of the stratified charge and stable combstion in DI gasoline engines, JSAE Review 16, 1995.
• [63] Konopiński M., Elektronika w technice motoryzacyjnej, WKŁ, 1977.
• [64] Kou T. W., Chang S., Three-dimensional computations of flow and fuel injection in an engine intake port, Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 1991.
• [65] Kowalewicz A., Dynamics of spark ignition of two-phase mixtures, Archiwum Procesów Spalania nr 1, 1970.
• [66] Kowalewicz A., Experimental investigation of probability of spark ignition of fuel droplet suspension in airstream, Archiwum Budowy Maszyn XIV, 1967.
• [67] Kowalewicz A., Podstawy procesów spalania, Wydawnictwa Naukowo-Techniczne, 2000.
• [68] Kowalewicz A., The probabilistic theory of spark ignition of fuel droplet suspension in air stream, Fluid Dynamics Transactions vol. 4, 1967.
• [69] Kowalewicz A., Wybrane zagadnienia samochodowych silników spalinowych, Politechnika Radomska, 2002.
• [70] Kowalewicz A., Zapłon iskrowy mieszanek palnych, Prace Instytutu Lotnictwa nr 27, 1966.
• [71] Kuo K. K., Principles of Combustion, Willey Interscience Publication.
• [72] Kusaka J., Okamoto T., Daisho Y., Kihara R., Saito T., Combustion and exhaust gas emission characteristic of a diesel engine dual-fueled with natural gas, JSAE Review 21, 2000.
• [73] Latsch R., The swirl-chamber spark plug: a means, of faster, more uniform energy conversion in the spark-ignition engine, SAE Paper 840455, 1984.
• [74] Lebrere L., Dillies B., Engine flow calculations using a Reynolds stress model in the KIVA-Il code, SAE 960636, 1996.
• [75] Lewis B., von Elbe G., Combustion, flames and explosions of gases, Academic Press Inc., 1987.
• [76] Lilleheie N. I., Pedersen E., Numerical investigation of a marine two-stroke diesel engine using the eddy dissipation concept with NO- and auto-ignition model, International Symposium COMODIA, 1994.
• [77] Löhner K., Müller H., Gemischbildung and Verbrennung im Ottomotor, Springer-Verlag, 1967.
• [78] Maly R., Spark ignition: Its physics and effect on the IC process, Fuel economy in road vehicle powered by spark ignition engines, Springer, 1984.
• [79] Mantel T., Three dimensional study of flame kernel formation around a spark plug, SAE Paper 920587, 1992.
• [80] Matzke W., Projektowanie głowic silników trakcyjnych, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, 1979.
• [81] McLandres A., Emerson R., McDowell P., Rytland Ch., Intake and in-cylinder flow modeling characterization of mixing and comparison with flow bench results, SAE, 1996.
• [82] Meyer R. C., Meyers D. P., King S. R., Liss W. E., Effects of spark plug number and location in natural gas engines, Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 1992.
• [83] Mirkowski J., The numerical correction of the hot-wire anemometry signal in the studies of combustion engines, Journal of KONES, 1994.
• [84] Morgan J. D., Principles of ignition, Isaac Pitman & Sons Ltd., 1942.
• [85] Ogawa H., Matsui Y., Kimura S., Kawashima J., Three-dimensional computation of in-cylinder flow and combustion characteristics in diesel engines - effect of wall impingement models of fuel droplet behavior on combustion characteristics, JSAE Review 18, 1997.
• [86] Ortega F.A., GMV version 2.9, General Mesh Viewer, Los Alamos National Laboratory, LAUR 95-2986, 1995.
• [87] Pischinger R., Klell M., Sams T., Thermodynamik der Verbrennungskraftmaschine, SpringerWienNewYork.
• [88] Poinsot T., Veynante D., Theoretical and Numerical Combustion, Edwards, 2001.
• [89] Pomykalski Z., Elektrotechnika samochodów, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, 1978.
• [90] Quader A. A., Lean combustion and the misfire limit in spark ignition engines, SAE Paper 741055, 1974.
• [91] Quader A. A., What limits lean operation in spark ignition engines - flame initiation or propagation? SAE Paper 760760, 1976.
• [92] Robinet C., Higelin P., Moreau B., Pajot O., Andrzejewski J., a new firing concept for internal combustion engines: I'APIR, SAE Paper 1999-01-0621, 1999.
• [93] Roethlisberger R. P., Favrat D., Investigation of the prechamber geometrical configuration of a natural gas spark ignition engine for cogeneration: part L Numerical simulation, International Journal of Thermal Sciences 42, 2003.
• [94] Rychter T. J., Spalanie ubogich mieszanek w silnikach tłokowych Część I i II, Technika motoryzacyjna nr 3 i 4, 1980.
• [95] Samurai T., Iko M., Okamoto K., Shoji F., Basic research on combustion chambers for lean burn gas engines, SAE Paper 932710, 1993.
• [96] Semenov N. N., Thermal theory of combustion and explosion, Technical Memorandum, National Advisory Committee for Aeronautics, 1942.
• [97] Sendyka M., Cygnar M., Dacyl L., Mitianiec W., Analysis of pressure and temperature traces during stratified charge combustion In gasoline direct injection engine (GDIE), Journal of KONES, 1999.
• [98] Smereka M., ANALIZA - program do analizy procesu wydzielania ciepła, Instytut Maszyn Tłokowych i Techniki Sterowania, Częstochowa, 2008.
• [99] Sosnowski M.; Modelowanie procesu inicjacji zapłonu w silniku ZI, Zeszyty Naukowe Politechniki Opolskiej, 2005.
• [100] Stiesch G., Modeling engine spray and combustion processes, Springer, 2003.
• [101] Strehlow R. A., Combustion fundamentals, McGraw-Hill Book Co.
• [102] Sułek M., Nowoczesne konstrukcje silników samochodowych, Auto-Technika Motoryzacyjna nr 5, 1997.
• [103] Sułek M., Silniki benzynowe z bezpośrednim wtryskiem paliwa, Auto-Technika Motoryzacyjna nr 4, 1997.
• [104] Swett C., Spark ignition of flowing gases, i - energies to ignite propane-air mixtures in pressure range of 2 to 4 inches mercury absolute, Research Memorandum, National Advisory Committee for Aeronautics, 1949.
• [105] Swett C., Spark ignition of flowing gases, II - effect of electrode parameters on energy required to ignite a propane-air mixture, Research Memorandum, National Advisory Committee for Aeronautics, 1951.
• [106] Taghavi R., Dupont A., Dupont J.F., Aerodynamic and thermal analysis of an engine cylinder head using numerical flow simulation, Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 1990.
• [107] Taghavi R., Dupont A., Investigation of the effect of inlet port on the flow in a combustion chamber using multidimensional modeling, Journal of Engineering for Gas Turbines and Power, 1989.