Ανάπτυξη ρευστομηχανικού μοντέλου προσομοίωσης φαινομένων μεταφοράς και της επίδρασής τους στη λειτουργία και στο σχηματισμό ρύπων σε εμβολοφόρες ΜΕΚ με καύσιμο το υδρογόνο

Abstract

A three-dimensional CFD model has been developed at curvilinear coordinates, for the calculation of transport phenomena in the cylinders of internal combustion engines. Moreover, the combustion phenomena have been simulated, concerning a hydrogen-fuelled spark-ignition engine, where additionally the exhaust nitric oxide emissions have been calculated. In order for more reliable simulations to occur, critical sub-models have been also developed and incorporated in the CFD code, which are a heat transfer model, a piston-crevice model, and a hydrogen premixed combustion model. The main scope of this Ph.D. Thesis is the reliable and realistic simulation of transport phenomena, occurring in the cylinders of reciprocating internal combustion engines, at motoring conditions (in various engines), and at fired engines (in hydrogen-fuelled spark-ignition engine), together with the calculation of nitric oxide exhaust emissions. From the investigation of various simulation cases it has been revealed that the gas flow-field is calculated adequately, and the turbulent mixing of air with hydrogen is predicted qualitatively correct. Concerning the evaluation of the developed heat transfer model, an extended investigation has been conducted in a large variety of engines and different operating conditions, both at motoring and firing conditions, where reliable calculations occurred. The crevice sub-model has been tested at different engines and operating conditions, where the predicted cylinder pressure matched in good terms the measured one, both at motoring and firing conditions. The developed hydrogen combustion model has been also evaluated. An extended evaluation took place, where a hydrogen-fuelled spark-ignition engine has been simulated and the calculated results (performance values and the nitric oxide emissions) were compared to measured data, for various operating conditions. In every simulation case has been revealed that the combustion model can adequately calculate such demanding combustion phenomena with good accuracy. Then a detailed investigation took place, concerning the same engine, where the hydrogen combustion efficiency was calculated, together with its main loss mechanisms, and the heat loss to the cylinder walls. Afterwards, the local mechanism of nitric oxide production pattern was described for various equivalence ratios, providing the dependence of these emissions from the local gas temperature, and the interaction with the prevailing flow-field.

Στα πλαίσια της Διατριβής αυτής κατασκευάστηκε εξ αρχής ένα ρευστομηχανικό μοντέλο προσομοίωσης σε καμπυλόγραμμες συντεταγμένες, στις τρεις διαστάσεις, για τον υπολογισμό των φαινομένων μεταφοράς του αερίου στο εσωτερικό του κυλίνδρου εμβολοφόρων μηχανών εσωτερικής καύσης (ΜΕΚ) και για την περιγραφή της προαναμεμιγμένης καύσης του υδρογόνου σε κινητήρα Otto και της παραγωγής των εκπεμπόμενων ρύπων μονοξειδίου του αζώτου. Παράλληλα, αναπτύχθηκαν ορισμένα μοντέλα, τα οποία ενσωματώθηκαν στο ρευστομηχανικό κώδικα και συντελούν σημαντικά στον αξιόπιστο υπολογισμό των ιδιοτήτων του αερίου, όπως το μοντέλο μεταφοράς θερμότητας, το μοντέλο διακένων του εμβόλου και το μοντέλο προαναμεμιγμένης καύσης του υδρογόνου σε κινητήρα Otto. Ο βασικός σκοπός της Διδακτορικής Διατριβής είναι η αξιόπιστη και ρεαλιστική περιγραφή των φαινομένων μεταφοράς που λαμβάνουν χώρα στο εσωτερικό του κυλίνδρου εμβολοφόρων ΜΕΚ, τόσο σε συνθήκες ετεροκίνησης (σε διάφορους κινητήρες) όσο και σε συνθήκες με καύση (σε κινητήρα Otto με καύσιμο το υδρογόνο), καθώς επίσης και ο υπολογισμός των εκπεμπόμενων ρύπων μονοξειδίου του αζώτου. Από τη διερεύνηση και προσομοίωση διάφορων περιπτώσεων, φάνηκε ότι το πεδίο ροής του αερίου στο εσωτερικό του κυλίνδρου υπολογίζεται ικανοποιητικά, ενώ η ανάμιξη αέρα/υδρογόνου σε απλή γεωμετρία οχετού-εγχυτήρα και στον οχετό εισαγωγής ενός κινητήρα Otto προβλέπεται ποιοτικά σωστά. Σχετικά με την αξιολόγηση του νέου μοντέλου μεταφοράς θερμότητας που αναπτύχθηκε, διενεργήθηκε εκτενής μελέτη, αρχικά σε συνθήκες ετεροκίνησης, και εν συνεχεία σε συνθήκες με καύση, όπου διαφάνηκε η αξιοπιστία του. Επιπλέον, το μοντέλο διακένων δοκιμάστηκε σε διάφορους κινητήρες και σημεία λειτουργίας, όπου φάνηκε ότι η υπολογισμένη πίεση του κυλίνδρου βρίσκεται πιο κοντά στη μετρημένη σε κάθε περίπτωση που εξετάστηκε. Στη συνέχεια αξιολογήθηκε το μοντέλο προαναμεμιγμένης καύσης υδρογόνου που αναπτύχθηκε σε κινητήρα Otto με καύσιμο το υδρογόνο. Αρχικά, συγκρίθηκαν τα υπολογιστικά αποτελέσματα με πειραματικά δεδομένα κατά τη μεταβολή διάφορων παραμέτρων, όπου διαφάνηκε η αξιοπιστία των προβλέψεων του μοντέλου, σχετικά με μεγέθη απόδοσης και ρύπων. Στη συνέχεια έγινε μια λεπτομερής διερεύνηση των φαινομένων μεταφοράς στον ίδιο κινητήρα Otto, όπου επιπλέον φάνηκαν οι δυνατότητες του μοντέλου που αναπτύχθηκε, παρέχοντας σε τοπικό επίπεδο την κατανομή της θερμοκρασίας του αερίου και του κλάσματος μάζας του μονοξειδίου του αζώτου κατά τη διάρκεια της καύσης και της αποτόνωσης.