Large Eddy Simulation of Turbulent Combustion in PPC and Diesel Engines

Abstract

This thesis deals with large eddy simulations (LES) of turbulent combustion processes in direct injection internal combustion (IC) engines. Modeling of direct injection IC engine combustion involves modeling of turbulent spray/gas two-phase flow, modeling of chemical reactions of large hydrocarbon fuels and coupling of chemistry with turbulent flows. LES is chosen in this thesis for it capability to resolve the turbulent structures and the fuel and air mixing, and to provide high spatial and temporal resolution of the unsteady fluid motions and the reaction processes. Lagrangian particle tracking (LPT) method is used to model the fuel spray. Finite rate chemistry is employed with a computationally efficient integration method, the chemistry coordinate mapping (CCM) method, which allows the use of large chemical reaction mechanisms with low computational time. The thesis consists of three parts. In part I the feasibility and accuracy of the LES/LPT approach are investigated for simulation of fuel spray injection, evaporation, and mixing with the ambient gas in high-pressure constant volume vessels known as the rigs of the Engine Combustion Network (ECN). The fuel and air mixing, the liquid penetration length and the vapor-phase fuel jet penetration predicted by the LES/LPT model are in good agreement with the experimental data and the importance of stochastic turbulence dispersion (STD) and spray-induced turbulence (SIT) is investigated. In part II the fuel/air mixing, ignition, liftoff and stabilization of diesel flames in modern diesel engines are studied. Diesel engines often employ multiple-hole injectors and inject at high pressures to control the rate of combustion. To deepen the knowledge of the combustion processes in modern diesel engines, LES is used to investigate the effect of inter-jet angles on the auto- ignition, lift-off length, and the wall effect on the mixing and soot formation process. For the three inter-jet angles employed, 45°, 90° and 135°, a clear inter-jet angle effect is captured, with the trends found in previous experiments properly predicted. From the simulations, the effect such as a shortened lift-off length with decreased inter-jet angle and the effect of varying inter-jet angles on the equivalence ratio in the near-wall regions are scrutinized. In part III, LES is employed to simulate the fuel and air mixing process, the onset of low temperature and high temperature ignition in light-duty and heavy-duty partially premixed combustion (PPC) engines. The PPC engine relies on the fuel and air charge stratification to control the combustion event. With LES the effects of umbrella angles, multiple injection strategies, mean swirling flow, and turbulence, on the mixing process and combustion process are simulated. The LES results reveal the detailed mixing process at different injection condition. The results indicate the high sensitivity of the performance of PPC engines to the operating condition and engine configurations, e.g., injection timing, fuel split and injection directions. The results provide insight into the complex physical and chemical process involved, which helps improving the understanding of the performance of PPC engines.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Trots ny fordonsteknik så har koldioxidutsläppen ökat med nästan 40% i Europa sedan 1990-talet. Detta beror främst på en tilltagande transport på våra vägar. Drivmedel som används inom transportsektorn är nästan uteslutande diesel och bensin, vilka härstammar från fossila bränslen. För att hantera konsekvenserna av transportfordons miljöpåverkan så blir lagstiftningen på utsläpp allt hårdare. Europa och USA ligger i framkant, men miljökraven är även på framfart i Asiatiska länder. Regelverket har hittills främst behandlat partikelutsläpp, obrända kolväten samt kväve- och svavelgaser, men har på senare tid också tilltagit för koldioxidutsläpp. Ettt av EUs framtida mål är att begränsa koldioxidutsläppen till mindre än 95g/kWh för personbilar. Samtidigt i Sverige så är utvecklingen på frammarsch med målet att göra sig oberoende av fossilt bränsle inom transportsektorn till år 2030 och att ha ett helt balanserat bidrag av koldioxidutsläpp till år 2050.

För att möta dessa mål måste förståelsen för förbränningsprocesser i personvagnar och lastbilar öka. Hittills har många av utsläppsproblemen kunnat lösas av efterbehandlingssystem, t.ex. katalysatorer och partikelfilter, men kostanden för dessa är höga så det finns en vilja att kunna minska emissionerna ytterligare direkt i motorcylindern. En del av dagens spjutspetsforskning är att undersöka potentialen av att spruta in bensinliknande bränsle i diesel-motorer som självantänder av den höga kompressionen, istället för det klassiska tändstiftet. Denna metod kallas för förbränning av delvis förblandat bränsle, eller partially premixed combustion (PPC). Metoden är komplicerad och kräver en kombination av t.ex. ökad insugstemperatur på luften eller en optimal insprutningsstrategi av bränsle. Experimentell forskning har dock påvisat hög motorverkningsgrad och låga utsläpp av skadliga avgaser under optimala förutsättningar.

För att öka förståelsen för förbränning av delvis förblandat bränsle och för att kunna optimera och designa morgondagens motorer kan man ta till hjälp av datoriserade matematiska beräkningsmetoder, så kallad computational fluid dynamics (CFD). CFD möjliggör tids- och rumsupplöst information om vad som pågår i förbränningsrummet och kan förklara var/hur källorna till utsläppen uppkommer. Den matematiska metoden är byggd på diskretisering av ekvationer som är kända för att kunna hantera typiska flödessituationer och trots att de flesta existerande förbränningsmodeller är förenklingar av verkligheten så har de visat sig kunna reproducera och öka kunskapen för väldigt komplexa förbränningsprocesser.

Avhandlingen består i huvudsak av två delar där den ena delen syftar till att använda CFD för att simulera PPC förbränning. Det huvudsakliga fallet är för en personvagn som arbetar vid låga laster och där flera insprutningstidpunkter av bensinrepresentativt bränsle skapar en delvis förblandad blandning. Modellen simulerar hur det flytande bränslet bryts upp och förångas vid insprutning och sedan blandas med luften, varvid det först insprutade bränslet undergår låg-temperaturreaktioner och sedan självantänder vid sista insprutningstillfället. Denna strategi ger en långsam tryckökning och värmefrigörelse så att knackning undviks, men ändå så pass kort att värmeförlusterna är låga. Genom att låta bränslet blandas med luft under (relativt) lång tid så minskar mängden partikelutsläpp och temperaturen är så pass låg att kväveoxider inte skapas. CFD simuleringarna visar också hur känslig metoden är mot olika insprutningsstrategier.

Den andra delen av avhandlingen undersöker förbränningsförloppet i en klassisk dieselmotor. Påverkan hos avståndet mellan insputningshålen i en injektor har undersökts både nära injektorn och nära cylinderväggen. Det visar sig att när hålen sitter närmare varandra så minskar syreinblandningen i sprayen, vilket kan ha en negativ påföljd, då sotmängden ökar när bränslet brinner under syrefattiga förhållanden. Simuleringarna visar att syreinblandningen påverkas även nära cylinderväggen, där ett minskat avstånd mellan hålen ger bränslerikare återcirkulationszoner. Detta kan också påverka sotbildningen negativt, eftersom syret är viktigt för att oxidera partiklar under expansionsfasen i en dieselmotor.

• author: Solsjö, Rickard
• supervisor: Xue-Song Bai
• opponent: Dr Angelberger, Christian, IFP Energies nouvelles (IFPEN), France
• organization: eSSENCE: The e-Science Collaboration; Fluid Mechanics
• publishing date: 2014
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Fluid Mechanics and Acoustics
• keywords: large eddy simulation (LES), turbulent spray combustion, Lagrangian particle tracking (LPT), diesel engines, partially premixed combustion (PPC) engines.
• pages: 125 pages
• defense location: Lecture hall MA1, Annexet, Sölvegatan 20, Lund University, Faculty of Enigneering, LTH.
• defense date: 2014-12-12 10:15:00
• ISBN: 978-91-7623-172-2
• ISBN: 978-91-7623-173-9
• language: English
• LU publication?: yes
• id: a4f79896-c724-447a-932a-eb3e7bba9fb8 (old id 4780146)
• date added to LUP: 2016-04-04 14:15:23
• date last changed: 2019-09-23 13:07:07