Advanced

On Zero-dimensional Modelling of Combustion and NOx Formation in Diesel Engines

Egnell, Rolf LU (2001)
Abstract (Swedish)
Popular Abstract in Swedish

Kraven på fordonstillverkare att tillverka motorer med låga avgasemissioner kommer att bli betydligt hårdare i framtiden. När det gäller dieselmotorer är det främst utsläppen av partiklar och kväveoxider som utgör de verkliga utmaningarna. Idag finns avgasreningsteknik för att kraftigt reducera dieselmotorns utsläpp, men fortsatt minskning av bildningen av skadliga och giftiga avgaser i motorn är nödvändig för att kunna möta framtidens krav på ett ekonomiskt och stabilt sätt.



De tekniker som står till buds när det gäller att minska bildningen av partiklar och kväveoxider i motorn är baserade på avancerade system för bränsleinsprutning. För att kunna utnyttja hela den potential,... (More)
Popular Abstract in Swedish

Kraven på fordonstillverkare att tillverka motorer med låga avgasemissioner kommer att bli betydligt hårdare i framtiden. När det gäller dieselmotorer är det främst utsläppen av partiklar och kväveoxider som utgör de verkliga utmaningarna. Idag finns avgasreningsteknik för att kraftigt reducera dieselmotorns utsläpp, men fortsatt minskning av bildningen av skadliga och giftiga avgaser i motorn är nödvändig för att kunna möta framtidens krav på ett ekonomiskt och stabilt sätt.



De tekniker som står till buds när det gäller att minska bildningen av partiklar och kväveoxider i motorn är baserade på avancerade system för bränsleinsprutning. För att kunna utnyttja hela den potential, som dessa system erbjuder, måste kunskapen om hur olika variabler påverkar förbränningen och emissionsbildning ökas och göras tillgänglig för motorutvecklare. Ett led i denna process är att utveckla datormodeller.



Den modell som presenteras i denna avhandling är nolldimensionell, vilket innebär att den inte ger någon rumslig upplösning av de förlopp som äger rum i motorns cylindrar. Istället förutsätts att cylinderinnehållet kan fördelas på två eller fler zoner vars sammansättningar är homogena. En naturlig zonindelning är t.ex. att placera alla förbränningsprodukter in en zon och allt oförbränt i en zon.



Cylinderinnehållet under förbränningen i en dieselmotor är mycket heterogent. Svårigheten är därför att, i en nolldimensionell modell, bestämma förutsättningarna för förbränningen, t.ex. att kunna avgöra under vilket förhållande mellan bränsle och luft som bränslet brinner. Den teknik som utnyttjas i rubricerat arbete, är att beräkna kväveoxidbildningen i de zoner som innehåller förbränningsprodukter och jämföra de beräknade halterna med uppmätta värden. Förhållandet mellan bränsle och luft i zonerna anpassas så att överensstämmelse uppnås. Det på detta sätt bestämda bränsle/luftförhållandet, kan användas som en konstant när effekten av olika insprutningsstrategier ska analyseras. Modellen kan därför användas som ett enkelt och snabbt verktyg för att studera trender avseende kväveoxidemissioner vid ändringar i förbränningsförloppet. (Less)
Abstract
Diesel engine developers are facing major challenges when meeting future demands on NOx and particulate emissions. The exhausts after treatment systems are rapidly improving and the technologies available in a few years will be capable of cutting emission levels close to the demanded levels. However, in order to reach the low emissions required in a long-lasting, cost effective way, the potential of reducing engine-out emissions must be fully utilized. Fortunately, engine management systems and hardware are now available to optimize fuel injection and heat release for low emissions while maintaining the trademarks of the diesel engine, i.e. low fuel consumption and dependable performance. The possibilities offered by the new technologies... (More)
Diesel engine developers are facing major challenges when meeting future demands on NOx and particulate emissions. The exhausts after treatment systems are rapidly improving and the technologies available in a few years will be capable of cutting emission levels close to the demanded levels. However, in order to reach the low emissions required in a long-lasting, cost effective way, the potential of reducing engine-out emissions must be fully utilized. Fortunately, engine management systems and hardware are now available to optimize fuel injection and heat release for low emissions while maintaining the trademarks of the diesel engine, i.e. low fuel consumption and dependable performance. The possibilities offered by the new technologies are so wide-ranging that, in order to use them optimally, models must be developed to guide the engine developer.



The model developed by the author is a zero-dimensional multizone model. Input to the model could be either a measured pressure trace or an arbitrary heat release rate. One of the cornerstones of the model is the assumption that NO is formed in zones that are burning close to stoichiometric conditions. The actual lambda value in these zones is found by comparing calculated and measured concentrations in the exhaust. According to the results, some of the effects observed on NO formation when varying the parameters of injection are due to the differences in local lambda.



It has been found that the local lambda determined with the model for a given injection system stays constant, even if the settings of the injection system are changed. Thus, there are reasons to expect that predicted trends of limited variations of injection parameters will be close to reality.



The results obtained with the model agree with results from more advanced models and with laser based measurements in optically accessible engines. (Less)
Please use this url to cite or link to this publication:
author
opponent
  • Dr Chmela, Franz, AVL, Austria
organization
publishing date
type
Thesis
publication status
published
subject
keywords
framdrivningssystem, Motorer, Motors and propulsion systems, NOx Formation, Zero-Dimensional, Modelling, Diesel Engines, Termisk teknik, Thermal engineering, applied thermodynamics, termodynamik
pages
122 pages
publisher
Department of Heat and Power Engineering, Lund university
defense location
Maskinhuset, Lunds Tekniska Högskola, room M:B
defense date
2001-05-09 10:15
ISSN
0282-1990
language
English
LU publication?
yes
id
d5d5151d-27f6-4177-8b26-b6fa6333e060 (old id 41582)
date added to LUP
2007-06-21 09:56:57
date last changed
2018-05-29 10:57:56
@phdthesis{d5d5151d-27f6-4177-8b26-b6fa6333e060,
  abstract     = {Diesel engine developers are facing major challenges when meeting future demands on NOx and particulate emissions. The exhausts after treatment systems are rapidly improving and the technologies available in a few years will be capable of cutting emission levels close to the demanded levels. However, in order to reach the low emissions required in a long-lasting, cost effective way, the potential of reducing engine-out emissions must be fully utilized. Fortunately, engine management systems and hardware are now available to optimize fuel injection and heat release for low emissions while maintaining the trademarks of the diesel engine, i.e. low fuel consumption and dependable performance. The possibilities offered by the new technologies are so wide-ranging that, in order to use them optimally, models must be developed to guide the engine developer.<br/><br>
<br/><br>
The model developed by the author is a zero-dimensional multizone model. Input to the model could be either a measured pressure trace or an arbitrary heat release rate. One of the cornerstones of the model is the assumption that NO is formed in zones that are burning close to stoichiometric conditions. The actual lambda value in these zones is found by comparing calculated and measured concentrations in the exhaust. According to the results, some of the effects observed on NO formation when varying the parameters of injection are due to the differences in local lambda.<br/><br>
<br/><br>
It has been found that the local lambda determined with the model for a given injection system stays constant, even if the settings of the injection system are changed. Thus, there are reasons to expect that predicted trends of limited variations of injection parameters will be close to reality.<br/><br>
<br/><br>
The results obtained with the model agree with results from more advanced models and with laser based measurements in optically accessible engines.},
  author       = {Egnell, Rolf},
  issn         = {0282-1990},
  keyword      = {framdrivningssystem,Motorer,Motors and propulsion systems,NOx Formation,Zero-Dimensional,Modelling,Diesel Engines,Termisk teknik,Thermal engineering,applied thermodynamics,termodynamik},
  language     = {eng},
  pages        = {122},
  publisher    = {Department of Heat and Power Engineering, Lund university},
  school       = {Lund University},
  title        = {On Zero-dimensional Modelling of Combustion and NOx Formation in Diesel Engines},
  year         = {2001},
}