Combustion Bowl Heat Transfer Analysis in Diesel and PPC Engines

Abstract

This thesis concerns a numerical investigation on heat transfer in internal combustion engines, with the aim of increasing engine efficiency. The efficiency gains are to be extracted from reduced heat transfer losses, by increasing the knowledge on how the heat transfer process is affected by various hardware and operational parameters in the engine. The engines concerned are both conventional diesel engines and engines operated in partially premixed combustion mode. In the thesis, heat transfer results for these two engine modes are compared and discussed. In addition, evaluation of the engine performance and emissions is done in order to confirm that reduced heat losses contribute to increased efficiency.



The numerical investigation is based upon three-dimensional computational fluid dynamics simulations using RANS based models, where transport equations for turbulent reacting flows inside the engine cylinder are solved. The engine is represented by an engine segment model, where a single spray enclosure for the closed volume part of the cycle is simulated. This provides information on the compression, combustion and expansion part of the cycle, where the interaction between combustion and heat transfer are studied for the two combustion modes.



The results showed that heat transfer can be affected by both operational and geometrical parameters, while the results for emission values differed between the engine concepts. Changing the piston geometry in the engine lead to changes in the engine flow-field and, thereby, the amount of heat transfered from the engine cylinder. Another efficient tool for affecting engine heat transfer was the manipulation of the injection strategy. A study showed that with a favorable injection strategy, the high-temperature in-cylinder gases could be stratified so the engine walls would be sheltered from the high-temperature gases. This lead to a reduced temperature gradient in the near-wall region and reduced heat transfer. Other parameters that had an effect on engine heat transfer were inlet pressure and temperature values. These were optimized for optimal trade-off between engine heat transfer, engine performance and emission levels. Comparing the conventional diesel combustion concept and the partially premixed combustion concept, while moving towards adiabatic conditions, revealed that even though engine performance was improved for both combustion concepts, emission levels were quite different. Lower temperature during combustion in the PPC mode resulted in a more modest increase in emission levels, while conditions were moved towards adiabatic wall conditions.

Abstract (Swedish)

Popular Abstract in Swedish

Transporter är viktiga för ett fungerande samhälle, men samtidigt innehåller avgaserna från en förbränningsmotor farliga utsläpp som förorenar vår miljö. Kan vi på något sätt hindra att miljön blir förstörd av farliga utsläpp genom förbättrad motordesign?



Frågan om global uppvärmning har varit vid liv enda sedan IPCC (Intergovernmental Panel on Climate Change) grundades och Kyoto-protokollet infördes, vilket har lett till kännedom om växthusgaser och deras inverkan på jordens temperatur. Den diskussionen har tagit mycket tid och plats i dagens media och resulterat i en rad lagstiftningar angående tillåten mängd emissioner från bland annat förbränningsmotorer. Mängden farliga emissioner som bildas i en förbränningsmotor är starkt kopplad till både mängden bränsle som förbränns, samt gastemperaturen under förbränningsprocessen. I en dieselmotor sugs atmosfärisk luft in till varje cylinder, ofta trycksatt med hjälp av en turbindriven kompressor. I cylindern komprimeras luften, innan bränslet sprutas in och självantänds på grund av det höga trycket och temperaturen. Under förbränningen frigörs värme när bränslet oxiderar och bildar förbränningsprodukter, t.ex. koldioxid (CO2) och vatten (H20). Under den termodynamiska cykeln omvandlas det frigjorda värmet till användbart mekaniskt arbete, som i sin tur driver, exempelvis, en bil framåt. Under cykelns gång uppstår det ett antal förluster, som, till stor del, inte går att återvinna. Traditionellt brukar man uppskatta att ungefär en tredjedel av bränsleenergin omvandlas till mekaniskt arbete, medan resten av energin delas nästan jämnt mellan en ren värmeförlust genom cylinderns väggar och avgasvärme. I nutida motorer har fördelningen av bränsleenergin blivit mer fördelaktig tack vare förbättrad motordesign, vilket innebär snålare motorer och lägre koldioxidutsläpp. Fortfarande försvinner mer än hälften av bränsleenergin i rena värmeförluster, vilket gör att bättre kunskap om värmetransporter i motorn och dessas inverkan på emissionsbildning är av yttersta vikt för framtida motorer.



Den här avhandlingen handlar om en numerisk studie av värmetransporter i dieselmotorer, där motorn har körts med två olika förbränningskoncept. Det ena är konventionell dieselförbränning och det andra är ett nytt förbränningskoncept som heter Partially-Premixed Combustion (PPC), vilket betyder partiellt förblandad förbränning. I PPC-konceptet frigörs värmet från förbränningen normalt under en kortare period än vid konventionell dieselförbränning. Dessutom är den maximala temperaturen under förbränningsfasen inte lika hög som i dieselförbränning, på grund av ändrad strategi för insprutning av bränsle och större mängd inerta gaser. Detta har gjort att PPC-förbränning har visat lägre värden på värmeförluster, samtidigt som verkningsgraden för motorn har stigit och mängden farliga emissioner har minskat. Detta har visats i encylindriga motorexperiment vid Lunds Universitet. Forskningen i denna avhandling har varit inriktad mot att återskapa motorexperiment med tre-dimensionella datorsimuleringar, för att bättre kunna studera värmetransporter. Dessa studier involverar dieselmotorer för både personbilar och lastvagnar, såväl som lastvagnsmotorer med PPC förbränning.



Resultaten visar att temperaturfördelningen för gaserna inuti motorcylindern kan påverkas av hur och när bränslet sprutas in i cylindern. Genom att påverka introduktionen av bränslet i cylindern var det möjligt att hålla gaserna nära väggarna kallare, vilket gjorde att energin inte försvann lika snabbt ut genom motorns väggar. En annan parameter som avgjorde hur mycket energi som transporterades genom väggarna var själva utformningen av förbränningsrummet. Hur förbränningsrummet ser ut kommer att ha inverkan på hela flödesfältet i motorn och om man kan utforma flödesfältet så att flödeshastigheterna nära väggarna blir lägre, så blir energitransporten genom väggarna lägre. Detta innebär att värmetransporterna i motorn kan påverkas genom en lämplig kombination av insprutningsstrategi och geometri.

• author: Fridriksson, Helgi
• supervisor: Bengt Sundén; Martin Tunér; Shahrokh Hajireza
• opponent: Professor Heikal, Morgan, University of Brighton, United Kingdom
• organization: Heat Transfer
• publishing date: 2013
• type: Thesis
• publication status: published
• subject: Energy Engineering
• keywords: Heat Transfer, CFD, Internal Combustion Engine, Diesel, PPC
• pages: 66 pages
• defense location: Lecture hall M:B, M-building, Ole Römers väg 1, Faculty of Engineering Lund University
• defense date: 2013-12-17 10:15:00
• ISBN: 978-91-7473-753-0
• ISBN: 978-91-7473-752-3 (print)
• language: English
• LU publication?: yes
• id: 0e7fdb52-3c4f-4d18-b7c6-7dd956f378b9 (old id 4172962)
• date added to LUP: 2016-04-04 09:54:46
• date last changed: 2018-11-21 20:55:38