Προαναμεμειγμένη καύση κινητήρων ντήζελ

Abstract

The objective of the doctoral dissertation is the study of Homogeneous Charge Compression Ignition combustion through simulation. Τhe dissertation initially involved the creation of a single-zone model followed by a new multi-zone model, both simulating the closed part of the engine cycle (compression, combustion and expansion). The single-zone model was used for the parametric investigation and the description of HCCI combustion. The multi-zone model includes sub-models for the description of combustion (Chemical Kinetics using CHEMKIN) and heat and mass transfer within the combustion chamber. Thus it provides an estimation of the temperature field and the mass flow from/to the crevices. These improvements allow a better understanding of the physicochemical processes involved in HCCI combustion and predictions concerning the ignition angle, the combustion rate and the emissions are more accurate. The multi-zone model was used for the parametric investigation of HCCI combustion, providing a useful description of physicochemical processes as well. The simulation produced the following results: 1. Temperature and compression ratio significantly affect the ignition angle, whilst initial pressure and fuel quantity have a lower effect, though they do determine the engine load. 2. Engine speed affects ignition angle as it determines the available time for the reactions which lead to ignition. 3. It is essential to model the chemical reactions which take place at low and high temperatures, in order to predict ignition angle and combustion rate. 4. The multi-zone model provides more accurate results than the single–zone model as far as physicochemical processes are concerned, at the expense of increased computational time. 5. Multi-zone model simulation revealed that heat and mass transfer mechanisms determine the temperature field within the combustion chamber and directly affect the formation of unburned hydrocarbons and carbon monoxide. It was concluded that the interaction between the crevices and the relatively cold regions located at the vicinity of the combustion chamber walls, is mainly responsible for the creation of CO and HC emissions. 6. The model was validated –as regards performance and emissions of HCCI engines- against experimental results provided by the Lund Institute of Technology. The validation revealed that the model describes qualitatively the combustion mechanism and the pollutant emissions formation.

Σκοπός της διδακτορικής διατριβής είναι η μελέτη της προαναμεμειγμένης καύσης εμβολοφόρων κινητήρων με χρήση υπολογιστικής προσομοίωσης. Kατά τη διάρκεια της διατριβής αναπτύχθηκε μονοζωνικό και πρωτότυπο πολυζωνικό μοντέλο προσομοίωσης του κλειστού κύκλου λειτουργίας του κινητήρα (συμπίεση-καύση-εκτόνωση). Το μονοζωνικό μοντέλο, χρησιμοποιήθηκε για την διεξαγωγή παραμετρικής διερεύνησης και την περιγραφή της προαναμεμειγμένης καύσης. Το πρωτότυπο πολυζωνικό μοντέλο περιγράφει την καύση (χημική κινητική με χρήση λογισμικού CHEMKIN) και τη μεταφοράς μάζας και θερμότητας εντός του θαλάμου καύσης. Έτσι παρέχει τη δυνατότητα εκτίμησης του θερμοκρασιακού πεδίου στο θάλαμο καύσης και περιγραφής της ροής μάζας από και προς τα διάκενα του θαλάμου καύσης. Ως αποτέλεσμα αυτών, εκτιμώνται ορθότερα η γωνία έναυσης, ο ρυθμός καύσης και οι εκπομπές ρύπων και παράλληλα κατανοούνται οι φυσικές και χημικές διεργασίες που διέπουν την προαναμεμειγμένη καύση. Το πολυζωνικό μοντέλο χρησιμοποιήθηκε για τη διεξαγωγή παραμετρικής διερεύνησης και για την περιγραφή των φυσικοχημικών διεργασιών της προαναμεμειγμένης καύσης. Από την προσομοίωση τόσο με το μονοζωνικό όσο και με το πολυζωνικό μοντέλο προέκυψαν τα εξής: 1. Η θερμοκρασία και ο βαθμός συμπίεσης επιδρούν καθοριστικά στη γωνία έναυσης, ενώ η αρχική πίεση και η ποσότητα του καυσίμου την επηρεάζουν σε μικρότερο βαθμό, αλλά καθορίζουν το φορτίο του κινητήρα. 2. Η ταχύτητα περιστροφής επηρεάζει τη γωνία έναυσης διότι καθορίζει το διαθέσιμο χρόνο για την πραγματοποίηση των αντιδράσεων που οδηγούν στην έναυση. 3. Η μοντελοποίηση πολλών χημικών αντιδράσεων με χρήση χημικής κινητικής είναι απαραίτητη για την ορθότερη πρόβλεψη της έναυσης και την περιγραφή των αντιδράσεων που πραγματοποιούνται σε κάθε θερμοκρασία. 4. Το πολυζωνικό μοντέλο δίνει ακριβέστερες και περισσότερες πληροφορίες για τις φυσικοχημικές διεργασίες από το μονοζωνικό, με το κόστος του αυξημένου υπολογιστικού χρόνου. 5. Από την εφαρμογή του πολυζωνικού μοντέλου προέκυψε ότι οι μηχανισμοί μεταφοράς μάζας και θερμότητας καθορίζουν το θερμοκρασιακό πεδίο εντός του θαλάμου καύσης και συμβάλλουν καθοριστικά στο σχηματισμό των ακαύστων υδρογονανθράκων και του μονοξειδίου του αζώτου. Διαπιστώθηκε ότι σχηματισμός τους είναι αποτέλεσμα της ροής μάζας μεταξύ των διακένων και των ψυχρών περιοχών που βρίσκονται κοντά στα τοιχώματα του θαλάμου καύσης. 6. Έγινε αξιολόγηση του μοντέλου όσον αφορά στην πρόβλεψη της λειτουργίας και εκπομπής ρύπων κινητήρων ομογενοποιημένης καύσης χρησιμοποιώντας πειραματικά αποτελέσματα που διατέθηκαν από το Ινστιτούτο Lund. Η σύγκριση απέδειξε ότι το μοντέλο προβλέπει ποιοτικά ορθά το μηχανισμό καύσης και του σχηματισμού ρύπων.