INTHODUCllON TO INTERNAL COMULISTIO

INTHODUCllON TO INTERNAL COMULISTION ENGINES

3.9 Combustion modelling


J .9.1 Introduction

l11e combustion model is one of the key clements in any computer simulation of internal combustion engine cydcs. In addition, all aspects of the engine operating cycle directly influence the combustion process . lleywom.l ( 19H8) provides a very good introdu ction to the subject and he emphasises the interdependence and complica tion of the combustion and engine operation . The combustion occurs in a three-dimensional. timc­ depcndcnl, turbulent flow, with a fuel containing a blend of hydrocarbons, and with poorly understood combustion chemistry . TI1c combustion chamber varies in shape, and the heat transfer is difficult to predict.
ll1crc arc three approaches to combustion modelling; in order of in­ creasing complexity, they arc:

(i) Zero-dimensional models (or phenomenological models .) These usc an empirical 'heat release' model, in which time is the only imlcpcn­ dent variable.
(ii) Quasi-dimensional models . These usc a separate submodcl for turbu­ lent combustion to derive a 'heat release' model.
(iii) Multi-dimensional models. These models solve numerically the equa­ tions for mass , momentum, energy and species conservation in one, two or three dimensions, in order lo predict the flame propagation .

All models can be used for estimating engine efficiency, performance, and emissions. l11c zero-dimensional and 4uasi-dimcnsional models arc readily incorporated inlo complete engine models, bul there is no explicit link with combustion chamber geometry. Consequently, these models nrc useful for parametric studies associated with engine development. When combustion chamber geometry is imporlanl or subject to much change, multi­ dimensional models have lo be used. Since the computationa l demands are very high, multi-dimensional models are used for combustion chamber modelling rather than complete engine modelling .
The more complex models are still subject to much research and refine­
ment, and rely on submodcls for the turbulence effects and chemical kinetics. Review papers by Tabaczynski ( 1983) and by Greenhalgh ( 1983) illustrate the usc of lasers in turbulence (laser doppler ancmomctry/ velocimetry - LOA, LDV) and the use of lasers in chemica l species measurements (spectrographic techniques), respectively. These techniques can be applied lo operaling engines fitted wilh 'luartz windows for optical access. All models require experimental validation with engines, and combustion films can be invaluable for checking combustion models . The ways the in-cylinder flow can be measured and defined arc discussed in

COMnUSTION AND FUELS 97

chapter 8, along with how turbulent combustion can be m delled in spark ignition engi1ics .


3.9.2 Zero-dimensional models

·n1is approach to combustion modelling is best explained by reference to a parti cular motlcl, the one described by Heywood et a/ . (1979), for spark ignitinn engines . This combustion model makes use of three zones , two of
which are burnt gas:

(i) unburnt gas
(ii) burnt gas
(iii) burnt gas adjaccnlto the combustion chamber- a thermal boundary
layer or 4ucnch layer.

This arrangement is shown in figure 3.16, in addition to the reaction zone or flame front scparaling the burnt and unburnl gases. The combustion docs not occur instantaneously, and can be modelled by a Wiebe function
(1967) :

x(O) = 1 - exp (-a [(0- 00)/&0b) m + 1}

where x( 0) is the mass fraction burnt at crank angle 0
0 is the crank angle at the start of combustion
and 60" is the duration of combustion .

a ami m are constants that can be varied so that a computed p- V diagram can be matched to that of a particular engine. Typically

a= 5 and m = 2

The effect of varying these parameters on the rate of combustion is shown in figure 3.17.
l11e heat transfer is predicted using the correlation developed by Wos·
chni ( 1967); although this was developed for compression ignition engines, it is widely used for spark ignition engines. The correlation has a familiar form, in tenns of Nussclt, Reynolds and Prandtl numbers:



111e constants a, band c will depend on the engine geometry and speed but typical values arc

a = 0.035, b = 0.8, c = 0.333

98 INTRODUCJ"ION TO INTERNAL COMUWn'lON ENGINES




..
c
:;
ID
c

u
...
u.
tl
:!E


0


COMBUSTION ANO FUELS







X
M N
0 0 .•
0 0 0 0
1''··, - -- .


'b

b u
ID- 0
Ill




Ill
.....
·C:

0....





E
:> I
m I


b oo
c

c
0
u
u.





10


Figure 3.17 Wiehe functions (reprinted with permission from Heywood et ul .
(197')), © Society of Automotive Engineers, Inc.)

As well as predicting the engine cflidency , this type of model is very useful in predicting engine emissions. The concentrations of carbon­ oxygen-hydrogen species in the burnt gas arc cakulalcd using equilibrium
thermodyn amics. Nitric oxide emissions arc more difficull to predict, since

I o' -u0..",'
I t- c,.
b u
M


- 'g
_ 'b,...

'o
- Ill
. · .

Kết quả (Việt) 1:

INTHODUCllON với động cơ nội bộ COMULISTION3.9 đốt trong mô hìnhJ.9.1 giới thiệul11e đốt cháy mô hình là một trong clements then chốt trong bất kỳ mô phỏng máy tính của đốt trong động cơ cydcs. Ngoài ra, tất cả các khía cạnh của động cơ hoạt động chu kỳ trực tiếp ảnh hưởng đến quá trình đốt cháy. lleywom.l (19H 8) cung cấp một ction rất tốt introdu đến chủ đề và ông emphasises tion phụ thuộc lẫn nhau và complica của các hoạt động đốt trong và động cơ. Đốt xảy ra trong một ba chiều. timc depcndcnl, turbulent flow, với nhiên liệu chứa một sự pha trộn của hydrocarbon, và kém hiểu đốt hóa học. Buồng đốt TI1c khác nhau trong hình dạng, và truyền nhiệt là khó dự đoán.ll1crc arc 3 phương pháp tiếp cận để đốt cháy mô hình; theo thứ tự trong hủy phức tạp, họ hồ quang:(i) số không chiều mô hình (hoặc mô hình phenomenological.) Usc một thực nghiệm 'nhiệt phát hành' mô hình, trong đó thời gian là biến dent imlcpcn duy nhất.(ii) quasi-chiều mô hình. Usc submodcl riêng cho turbu vay đốt để lấy được một mô hình 'nhiệt phát hành'.(iii) đa chiều mô hình. Những mô hình giải quyết numerically tions equa cho khối lượng, động lượng, năng lượng và tuyên truyền ngọn lửa dự đoán bảo tồn loài trong một, hai hoặc ba chiều, theo thứ tự lo.All models can be used for estimating engine efficiency, performance, and emissions. l11c zero-dimensional and 4uasi-dimcnsional models arc readily incorporated inlo complete engine models, bul there is no explicit link with combustion chamber geometry. Consequently, these models nrc useful for parametric studies associated with engine development. When combustion chamber geometry is imporlanl or subject to much change, multi­ dimensional models have lo be used. Since the computationa l demands are very high, multi-dimensional models are used for combustion chamber modelling rather than complete engine modelling .The more complex models are still subject to much research and refine­ment, and rely on submodcls for the turbulence effects and chemical kinetics. Review papers by Tabaczynski ( 1983) and by Greenhalgh ( 1983) illustrate the usc of lasers in turbulence (laser doppler ancmomctry/ velocimetry - LOA, LDV) and the use of lasers in chemica l species measurements (spectrographic techniques), respectively. These techniques can be applied lo operaling engines fitted wilh 'luartz windows for optical access. All models require experimental validation with engines, and combustion films can be invaluable for checking combustion models . The ways the in-cylinder flow can be measured and defined arc discussed in COMnUSTION AND FUELS 97chapter 8, along with how turbulent combustion can be m delled in spark ignition engi1ics .3.9.2 Zero-dimensional models·n1is approach to combustion modelling is best explained by reference to a parti cular motlcl, the one described by Heywood et a/ . (1979), for spark ignitinn engines . This combustion model makes use of three zones , two ofwhich are burnt gas:(i) unburnt gas(ii) burnt gas(iii) burnt gas adjaccnlto the combustion chamber- a thermal boundarylayer or 4ucnch layer.This arrangement is shown in figure 3.16, in addition to the reaction zone or flame front scparaling the burnt and unburnl gases. The combustion docs not occur instantaneously, and can be modelled by a Wiebe function(1967) :x(O) = 1 - exp (-a [(0- 00)/&0b) m + 1}where x( 0) is the mass fraction burnt at crank angle 00 is the crank angle at the start of combustionand 60" is the duration of combustion .a ami m are constants that can be varied so that a computed p- V diagram can be matched to that of a particular engine. Typicallya= 5 and m = 2The effect of varying these parameters on the rate of combustion is shown in figure 3.17.l11e heat transfer is predicted using the correlation developed by Wos·chni ( 1967); although this was developed for compression ignition engines, it is widely used for spark ignition engines. The correlation has a familiar form, in tenns of Nussclt, Reynolds and Prandtl numbers: 111e constants a, band c will depend on the engine geometry and speed but typical values arc
a = 0.035, b = 0.8, c = 0.333

98 INTRODUCJ"ION TO INTERNAL COMUWn'lON ENGINES




..
c
:;
ID
c

u
...
u.
tl
:!E


0


COMBUSTION ANO FUELS







X
M N
0 0 .•
0 0 0 0
1''··, - -- .


'b

b u
ID- 0
Ill




Ill
.....
·C:

0....





E
:> I
m I


b oo
c

c
0
u
u.





10


Figure 3.17 Wiehe functions (reprinted with permission from Heywood et ul .
(197')), © Society of Automotive Engineers, Inc.)

As well as predicting the engine cflidency , this type of model is very useful in predicting engine emissions. The concentrations of carbon­ oxygen-hydrogen species in the burnt gas arc cakulalcd using equilibrium
thermodyn amics. Nitric oxide emissions arc more difficull to predict, since

I o' -u0..",'
I t- c,.
b u
M


- 'g
_ 'b,...

'o
- Ill
. · .

Kết quả (Việt) 2:

ĐỘNG CƠ INTHODUCllON VỚI NỘI COMULISTION 3,9 Combustion mô hình J .9.1 Giới thiệu mô hình l11e đốt là một trong những clements quan trọng trong bất kỳ mô phỏng máy tính của cydcs động cơ đốt trong. Ngoài ra, tất cả các khía cạnh của chu kỳ kinh doanh động cơ trực tiếp ảnh hưởng đến quá trình đốt cháy. lleywom.l (19H8) cung cấp một ction introdu rất tốt để đối tượng và ông nhấn mạnh sự phụ thuộc lẫn nhau và complica tion của hoạt động đốt nhiên liệu và động cơ. Quá trình đốt cháy xảy ra trong một ba chiều. timc depcndcnl, dòng chảy hỗn loạn, với một nhiên liệu có chứa một sự pha trộn của hydrocarbon, và với hóa đốt chưa được hiểu rõ. Buồng đốt TI1c thay đổi về hình dạng, và truyền nhiệt là khó dự đoán. Ll1crc hồ quang ba cách tiếp cận để xây dựng mô hình đốt; theo thứ tự trong nhăn phức tạp, họ arc: (i) mô hình Zero-chiều Những USC một mô hình thực nghiệm 'nhiệt phát hành', trong đó thời gian chỉ là biến phụ imlcpcn (hoặc các mô hình hiện tượng học.). (ii) mô hình Quasi chiều . Những USC một submodcl riêng cho turbu vay đốt để lấy được một mô hình 'phát hành nhiệt'. (Iii) các mô hình đa chiều. Những mô hình giải quyết số lượng các tions equa cho khối lượng, động lượng, năng lượng và bảo tồn các loài trong một, hai hoặc ba chiều, để lo dự đoán sự truyền ngọn lửa. Tất cả các mô hình có thể được sử dụng để ước lượng hiệu suất động cơ, hiệu suất, và lượng khí thải. l11c zero-chiều và mô hình 4uasi-dimcnsional hồ quang dễ dàng kết hợp mô hình động cơ inlo hoàn chỉnh, bul không có liên kết rõ ràng với hình học buồng đốt. Do đó, các mô hình này NRC hữu ích cho nghiên cứu tham số gắn với phát triển cơ. Khi buồng đốt hình học là imporlanl hoặc bị thay đổi nhiều, các mô hình đa chiều đã lo được sử dụng. Từ nhu cầu computationa l là rất cao, các mô hình đa chiều được sử dụng cho mô hình buồng đốt chứ không phải là mô hình động cơ hoàn thành. Các mô hình phức tạp hơn vẫn là đối tượng để nghiên cứu nhiều và tinh chỉnh môi, và dựa vào submodcls cho các hiệu ứng nhiễu loạn và động học hóa học . Giấy tờ Review by Tabaczynski (1983) và bởi Greenhalgh (1983) minh họa các USC của laser trong bất ổn (laser doppler ancmomctry / velocimetry - LOA, LDV) và việc sử dụng laser trong các phép đo l loài chemica (kỹ thuật quang phổ), tương ứng. Những kỹ thuật này có thể được áp dụng cơ lo operaling lắp wilh 'cửa sổ luartz để truy cập quang. Tất cả các mô hình yêu cầu chứng thực nghiệm với động cơ, và bộ phim đốt có thể là vô giá cho việc kiểm tra mô hình đốt. Những cách trong xi-lanh dòng chảy có thể được đo và xác định hồ quang thảo luận trong COMnUSTION VÀ NHIÊN LIỆU 97 chương 8, cùng với cách hỗn loạn đốt có thể được m delled trong engi1ics đánh lửa. 3.9.2 mô hình Zero-chiều · n1is tiếp cận với mô hình đốt là giải thích tốt nhất bằng cách tham chiếu đến một cách cụ motlcl parti, được mô tả bởi Heywood et a /. (1979), cho tia lửa ignitinn động cơ. Mô hình đốt này sử dụng ba khu vực, hai trong số đó là các chất khí cháy: (i) khí không cháy (ii) khí đốt (iii) khí đốt adjaccnlto đốt chamber- một ranh giới nhiệt . Lớp hoặc lớp 4ucnch sắp xếp này được hiển thị trong hình 3.16, ngoài các khu vực phản ứng hoặc ngọn lửa trước scparaling khí đốt và unburnl. Các tài liệu đốt không xảy ra ngay lập tức, và có thể được mô hình hóa bởi một hàm Wiebe (1967): x (O) = 1 - exp (-a [(0- 00) / & 0b) m + 1} trong đó x (0) là phần khối lượng đốt ở tay quay góc 0 0 là góc quay vào lúc bắt đầu của quá trình đốt cháy và 60 "là thời gian của quá trình đốt cháy. a m ami là hằng số có thể được thay đổi để một sơ đồ p V tính toán có thể được xuất hiện với một động cơ đặc biệt thường. a = 5 và m = 2 Ảnh hưởng của việc thay đổi các thông số về tốc độ của quá trình đốt cháy được thể hiện trong hình 3.17. truyền nhiệt l11e được dự đoán bằng cách sử dụng tương quan phát triển bởi WOS · chni (1967), mặc dù điều này đã được phát triển cho động cơ đánh lửa nén, nó được sử dụng rộng rãi cho động cơ đánh lửa các mối tương quan có một hình thức quen thuộc, trong tenns số Nussclt, Reynolds và Prandtl:. 111e hằng số một, ban nhạc c sẽ phụ thuộc vào hình học động cơ và tốc độ nhưng giá trị điển hình vòng cung a = 0,035, b = 0.8, c = 0,333 98 INTRODUCJ "ION VỚI NỘI COMUWn'lON ĐỘNG CƠ .. c :; ID c u ... u. tl : E! 0 NHIÊN LIỆU QUÁ TRÌNH CHÁY ANO X M N 0 0 •. 0 0 0 0 1 '' ··, - -. 'b b u ID- 0 Ill Ill ..... · C: 0 .... E :> tôi m tôi b oo c c 0 u u. 10 Hình 3.17 chức năng Wiehe (in lại với sự cho phép của Heywood et ul. (197 ')), © Hội Kỹ sư ô tô, Inc) cũng như dự đoán cflidency động cơ, loại này của mô hình là rất hữu ích trong việc dự đoán khí thải động cơ. Nồng độ của các loài oxy-hydro carbon trong vòng cung khí đốt cakulalcd sử dụng cân bằng thermodyn amics. Khí thải oxit nitric arc hơn difficull để dự đoán, kể từ khi tôi o '-u0 .. "," Tôi t- c ,. bu M -' g _ 'b, ... ' o - Minh họa: ·..