Zero-dimensional 2-phase combustion model in a dual-fuel compression ignition engine fed with gaseous fuel and a divided diesel fuel charge

• Autorzy: Mikulski M. , Wierzbicki S. , Piętak A.

Warianty tytułu

PL

Zero-wymiarowy 2-fazowy model spalania w dwupaliwowym silniku o zapłonie samoczynnym zasilanym paliwem gazowym i dzieloną dawką oleju napędowego

• Języki publikacji: EN PL

Abstrakty

EN

The problem of using alternative fueling sources for combustion engines has been growing in importance recently. This is connected not only with the dwindling oil resources, but also with the growing concern for the natural environment and the fight against global warming. This paper proposes the concept for a zero-dimensional model of a multi-fuel engine, enabling the determination of thermodynamic system parameters based on the basic geometric and material object data (complete model). The basic problems in the creation of this model and the modeling of the accompanying subprocesses have been outlined and the methodology of the numerical solution of the obtained mathematical description has been proposed. The basic characteristics of the developed model are: the application of an original model of liquid fraction injection based on normal distribution, a new Assanis correlation for computing the diesel fuel self-ignition delay period in the presence of gas, first-order chemical reaction kinetic equations for describing the course of combustion for combustible components of the gas/air mixture, the implementation of a self-consistency procedure in modeling heat exchange and the effect of exhaust recirculation, the inclusion of both a single liquid fuel injection and the possibility of performing computations for a divided charge.

PL

W ostatnim czasie problem wykorzystania alternatywnych źródeł zasilania silników spalinowych zyskuje szczególnie na znaczeniu. Związane jest to nie tylko z kurczącymi się zasobami ropy naftowej, ale również z coraz większą troską o środowisko naturalne oraz walką z globalnym ociepleniem. W niniejszej pracy zaproponowano koncepcję zero-wymiarowego modelu silnika wielopaliwowego, umożliwiającego, wyznaczenie parametrów termodynamicznych układu w oparciu o podstawowe dane geometryczne i materiałowe obiektu (model kompletny). Nakreślono podstawowe problemy w zagadnieniu tworzenia takiego modelu i modelowania podprocesów towarzyszących oraz zaproponowano metodykę numerycznego rozwiązywania uzyskanego opisu matematycznego. Podstawowe wyróżniki opracowanego modelu to: zastosowanie autorskiego modelu procesu wtrysku frakcji ciekłej opartego na rozkładzie normalnym, nowej korelacji Assanisa do obliczenia okresu zwłoki samozapłonu oleju napędowego w obecności gazu, jednostopniowych równań kinetyki reakcji chemicznej do opisu przebiegu spalania składników palnych mieszaniny gaz-powietrze, implementacja procedury samouzgodnienia w modelowaniu procesu wymiany ciepła i wpływu recyrkulacji spalin, uwzględnienie zarówno pojedynczego wtrysku paliwa ciekłego jak i możliwość prowadzenia obliczeń dla dawki dzielonej.

Słowa kluczowe

EN

dual-fuel engine; engine combustion process; mathematical model; computer simulation; heat exchange

PL

silnik dwupaliwowy; proces spalania w silniku; model matematyczny; symulacja komputerowa; wymiana ciepła

• Wydawca: Polskie Naukowo-Techniczne Towarzystwo Eksploatacyjne
• Czasopismo: Eksploatacja i Niezawodność
• Rocznik: 2015
• Tom: Vol. 17, no. 1
• Strony: 42--48
• Opis fizyczny: Bibliogr. 26 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Mikulski M.

• University of Warmia and Mazury in Olsztyn Faculty of Technical Sciences ul. Słoneczna 46A 10-710 Olsztyn, Poland

autor

Wierzbicki S.

• University of Warmia and Mazury in Olsztyn Faculty of Technical Sciences ul. Słoneczna 46A 10-710 Olsztyn, Poland

autor

Piętak A.

• University of Warmia and Mazury in Olsztyn Faculty of Technical Sciences ul. Słoneczna 46A 10-710 Olsztyn, Poland

Bibliografia

• 1. Agarwal A, Assanis DN. Multidimensional modeling of natural gas ignition under compression ignition conditions using detailed chemistry. SAE Technical Paper 1998; 980136.
• 2. Alla GH, Soliman HA, Badr OA, Rabbo FM. Combustion Quasi-zone predictive model for dual fuel engines. Energy Conversion and Management 2001; 42: 1477-1498.
• 3. Assanis N, Filipi ZS, Fiveland SB, Syrimis M. A predictive ignition delay correlation under steady-state and transient operation of a direct injection diesel engine. Journal of Engineering for Gas Turbines and Power 2005; 125(2): 450-457.
• 4. Chase M W. NIST–JANAF thermochemical tables. Geithersburg: National Institute of Standards and Technology, 1998.
• 5. Czech P, Wojnar G, Burdzik R, Konieczny Ł, Warczek J. Application of the discrete wavelet transform and probabilistic neural networks In IC engine fault diagnostics. Journal of Vibroengineering 2014; 16(4): 1619 1639.
• 6. Ghazikhani M, Feyz ME, Mahian O, Sabazadeh A. Effects of altitude on the soot emission and fuel consumption of a light-duty diesel engine. Transport 2013; 28(2): 130-139.
• 7. Heywood JB. Internal combustion engines fundamentals. Singapore: McGraw-Hill International, 1988.
• 8. Hiroyasu H, Kadota T, Arai M. Development and use of a spray combustion model to predict diesel engine efficiency and pollutant emission. Bulletin of the JSME 1983; 26(24): 569-575.
• 9. Hohenberg GF. Advanced approaches for heat transfer calculations. SAE Technical Paper 1979; 790825.
• 10. Hountalas DT, Papagiannakis RG. Development of a simulation model for direct injection dual fuel diesel–natural gas engines. SAE Technical Paper 2000; 2000-01-0286.
• 11. Hountalas DT, Papagiannakis RG. A simulation model for the combustion process of natural gas engines with pilot diesel fuel as an ignitron source. SAE Technical Paper 2001; 2001-01-1245.
• 12. Lata DB, Misra A. Theoretical and experimental investigations on the performance of dual fuel diesel engine with hydrogen and LPG as secondary fuel. International Journal of Hydrogen Energy 2010; 35: 11918-11931.
• 13. Ma J, Su Y, Zhou Y, Zhang Z. Simulation and prediction on the performance of a vehicle’s hydrogen engine. International Journal of Hydrogen Energy 2003; 28: 77-83.
• 14. Mansour C, Bounif A, Aris A, Gaillard F. Gas–Diesel (dual-fuel) modeling in diesel engine environment. International Journal of Thermal Sciences 2001; 40: 409-424.
• 15. Makarevičienė V, Matijošius J, Pukalskas S, Vėgneris R, Kazanceva I, Kazancev K: The exploitation and environmental characteristics of diesel fuel containing rapeseed butyl esters. Transport 2013; 28(2): 158-165.
• 16. Mikulski M. The problems of multi-fuel engines modeling in the context of systems operational parameters estimation – Part I – fuel injection. Zeszyty Naukowe Instytutu Pojazdów 2011; 5(86): 113-124.
• 17. Papagiannakis RG, Hountalas DT. Theoretical and experimental investigation of a direct injection dual fuel diesel–natural gas engine. SAE Technical Paper 2002; 2002-01-0868.
• 18. Papagiannakis R G, Hountalas D T, Kotsiopoulos P N. Experimental and theoretical analysis of the combustion and pollutants formation mechanisms in dual fuel DI diesel engines. SAE Technical Paper 2005; 2005-01-1726.
• 19. Papagiannakis RG, Hountalas DT, Rakopoulos CD. Theoretical study of the effects of pilot fuel quantity and its injection timing on the performance and emissions of a dual fuel diesel engine. Energy Conversion and Management 2007; 48: 2951–2961.
• 20. Pawlaczyk A, Gosiewski K. Estimation of kinetic parameters for the homogenous oxidation of lean methane – air mixtures based on experimental temperature profiles. Chemical and Process Engineering 2009; 30: 139–147.
• 21. Perini F, Paltrinieri F, Mattarelli EA. Quasi-dimensional combustion model for performance and emissions of SI engines running on hydrogen-methane blends. International Journal of Hydrogen Energy 2010; 35(10): 687-701.
• 22. Piętak A, Mikulski M. On the modeling of pilot dose ignition delay in a dual-fuel, self ignition engine. Silniki Spalinowe – Combustion Engines 2011; 3(146): 94-102.
• 23. Prakash G, Shaik AB, Remesh A. An approach for estimation of ignition delay in a dual fuel engine. SAE Technical Paper 1999; 1999-01-0232.
• 24. Raine RR. A performance model of the dual fuel (diesel/natural gas) engine. SAE Technical Paper 1990; 900387.
• 25. Stelmasiak Z. Studium procesu spalania w dwupaliwowym silniku o zapłonie samoczynnym zasilanym gazem ziemnym i olejem napędowym. Bielsko-Biała: Wydawnictwo ATH w Bielsku Białej, 2003.
• 26. Wang Y, Zhang X, Li C, Wu J. Experimental and modeling study of performance and emissions of SI engine fueled by natural gas-hydrogen mixtures. International Journal of Hydrogen Energy 2010; 35(7): 2680–2683.