Computational study on the effect of injection stratification sequence on diesel IC engine emission of soot and NOx

• Autorzy: Lopez-Parra F.

Warianty tytułu

PL

Numeryczne badanie wpływu uwarstwienia ładunku dla wtrysku sekwencyjnego na emisję sadzy i tlenków azotu dla silnika o spalaniu wewnętrznym z zapłonem samoczynnym

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The work contained in this paper represents the final stage of the PhD project, where the findings from the free-jet flames were applied to a typical Diesel IC engiiie in order to investigate whether a similar outcome was feasible. For this part of the research, a computational study on the effect of staggered fuel injection in a direct injection diesel engine is performed. This work is aimed at exploring the practical applications of previous work by the authors, where simultaneous soot and NOx abatement was achieved in turbulent diffusion flames by means of pulsing the fuel stream. The soot model employed in this investigation is based on the Eddy Dissipation Concept of Magnussen, which represents a reasonable intermediate step between the empirical and the phenomenological models, as it accounts for the effects of small scale turbulence in soot formation and combustion, but does not rely on multi-step reaction mechanisms. The results hereby presented aim to capture realistic soot formation trends that are based on real physical phenomena and, hence, serve as a stepping stone for more specific development work. The geometry was based on a simplified, 60-degree section of a valve-less Caterpillar 3406 single cylinder heavy-duty engine. The RNG k-s model was employed to solve for the turbulence field and the main reaction chemistry was solved with a single-step gasoil-air mechanism, whereas the Eddy Dissipation Concept was employed to predict the turbulence-chemistry interaction and the Discrete Ordinates model used for radiation. The results showed that there is a strong interaction between the pulse sequence and combustion development, although it is difficult to judge whether these differences are due to the dwell between the first two pulses of any sequence or the sequence itself. A 4-pulse injection sequence predicted reduced soot emissions, albeit maintaining higher in-cylinder temperatures during the expansion stroke, which increased the NO x production. The investigation was performed at two engine regimes: 1600 and 2300rpm, with some significant differences in the flame structure and development seen between these.

PL

Praca zawarta w niniejszej publikacji stanowi końcowy etap przewodu doktorskiego, gdzie wyniki z badań wydobywajqcych się z dyszy płomieni były zastosowane do typowego wysokoprężnego silnika spalinowego, w celu oceny czy jest możliwy do uzyskania podobny wynik badań. W tej części badań wykonywane byly numeryczne badania symulacyjne nad wpływem rozłożonego w czasie wtrysku paliwa dla silnika wysokoprężnego z wtryskiem bezpośrednim. Praca to ma na celu zbadanie przez autorów praktycznego wykorzystania wyników dotychczasowych prac, gdzie w dyfuzyjnym płomieniu turbulentnym za pomocą pulsacji strumienia paliwa została osiągnięta jednoczesna redukcja NOx i sadzy. Wykorzystany w niniejszym opracowaniu model sadzy jest oparty o koncepcję wirów rozproszonych Magnussena, co stanowi etap pośredni między modelami empirycznymi i modelami fenomenologicznymi, jak i obejmuje on w małej skali efekt turbulencji przy tworzeniu i spalaniu sadzy, ale nie jest oparty na wieloetapowych mechanizmach reakcji. Przedstawione niniejszym wyniki mają na celu uchwycenie realistycznych trendów w tworzeniu się sadzy, trendów, które są oparte na rzeczywistych zjawiskach fizycznych, a więc mogą służyć jako podstawa do bardziej szczegółowych prac rozwojowych. Geometria została oparta na uproszczonym jednocylindrowym bezzaworowym przekroju 60-stopniowego silnika Caterpillar 3406 do maszyn ciężkich. Do rozwiązania problemu w obszarze turbulencji został wykorzystany model RNG k-ε a chemię głównych reakcji rozwiązano za pomocą jednokrokowego mechanizmu: olejnapędowy-powietrze, podczas gdy do przewidywania wyników wzajemnego oddziaływania turbulencji i chemii została wykorzystana koncepcja rozpraszania wirów a dyskretny model współrzędnych wykorzystano do oceny promieniowania. Wyniki wykazały że istnieje silne oddziaływanie pomiędzy sekwencją impulsów i rozwojem procesu spalania, chociaż trudno jest ocenić czy różnice to wynikają z oddziaływania pomiędzy dwoma pierwszymi impulsami w dowolnej sekwencji czy też w samej sekwencji impulsów. Przewiduje się że sekwencja 4 impulsów wtrysku spowoduje zmniejszenie emisji sadzy, aczkolwiek utrzyma wyższą temperaturę w cylindrach podczas suwu rozprężania, która to zwiększa wydzielanie NOx. Badania przeprowadzono w dwóch obszarach pracy silnika: 1600 i 2300 obr/min, a pomiędzy tymi obszarami uwidaczniają się niektóre istotne różnice w strukturze i rozwoju płomienia.

Słowa kluczowe

EN

computational study; iniection stratification sequence; diesel; emission of soot; emission of NOx

PL

badanie numeryczne; uwarstwienie ładunku; wtrysk sekwencyjny; emisja sadzy; emisja tlenku azotu; silnik o spalaniu wewnętrznym z zapłonem samoczynnym

• Wydawca: Wydawnictwa Naukowe Instytutu Lotnictwa
• Czasopismo: Prace Instytutu Lotnictwa
• Rocznik: 2009
• Tom: Nr 5 (200)
• Strony: 141--154
• Opis fizyczny: Bibliogr. 26 poz., tab., wykr., wzory

Twórcy

autor

Lopez-Parra F.

• General Electric Company Polska

Bibliografia

• [1] Longwell, J. P. “Polycyclic aromatic hydrocarbons and soot from practical combustion engines”, In Lahaye, J. and Prado, G. (Eds) Soot Combustion Systems and its Toxic Properties, Plenum Press, New York pp. 37-57, 1981.
• [2] Boyland, E. “The Toxicology of Soot”. In Lahaye, J. and Prado, G. (Eds) Soot Combustion Systems and its Toxic Properties, Plenum Press, New York. pp. 13-24, 1981.
• [3] Farrell, P. V. and Rajalingam, B. “The Effect of Injection Pressure on Air Entrainment into Transient Diesel Sprays”, SAE Technical Paper 1999-01-0523, 1999.
• [4] Ayoub, N. S. and Reitz, R. D., “Multidimensional Modeling of Fuel Composition Effects on Combustion and Cold Starting in Diesel Engines” SAE Technical Paper 952425, 1995.
• [5] Stephenson, P. W. and Rutland, C. J. “Modeling the Effects of Valve Lift Profile in Intake Flow and Emissions Behaviour in a DI Diesel Engine”, SAE Technical Paper 952430, 1995.
• [6] Reitz, R. D. and Rutland, C. J., “Development and Testing of Diesel Engine CFD Models” Prog. Energy Combust. Sci., Vol. 21, pp. 173-196. 1995.
• [7] Curtis, E. V. V., Uludogan, A. and Reitz, R. D. “A New High-Pressure Droplet Vaporization Model for Diesel Engine Modeling”, SAE Technical Paper 952431, 1995.
• [8] Kong, S. C., Han, Z. and Reitz, R. D. “Development and Application of a Diesel Ignition and Combustion Model for Multidimensional Engine Simulation” SAE Technical Paper 950278, 1995.
• [9] Kong, S. C., Rutland, C. J. and Reitz, R. D. “Development of an Integrated Spray and Combustion Model for Diesel Simulations” Conference Proceedings Thiesel 2000: Thermofluidynamic Processes in Diesel Engines, 2000.
• [10] Barths, H, Antoni, C. and Peters, N., “Three-Dimensional Simulation of Pollutant Formation in a DI Diesel Engine Using Multiple Interactive Flamelets”, SAE Technical Paper 982459, 1998.
• [11] Pistch, H., Barths, H. and Petets, N. “Three-Dimensional Modeling of NOx and Soot Formation in DI-Diesel Engines Using Detailed Chemistry Based on the Interactive Flamelet Approach”, SAE Technical Paper 962057, 1996.
• [12] Bai, X. S., Balthasar, M., Mauss, F. and Fuchs, L. “Detailed Soot Modeling in Turbulent Jet Diffusion Flames”, 27th Symp. (int.) on Combustion, The Combustion Institute, pp. 1623-1630, 1998.
• [13] Mauss, F., Schafer, T., Bockhorn, H. and Rosner, D. E. “Inception and Growth of Soot Particles in Dependence on the Surrounding Gas Phase”, Combustion and Flame, Vol. 99, pp. 697, 1994.
• [14] Imaoka, R. T. and Sirignano, W. A. “A Generalized Analysis for Liquid-Fuel Vaporization and Burning” Int. Journal of Heat and Mass Transfer, Vol. 48, pp. 4342-4353, 2005.
• [15] Ahn, S. K., Kanimoto, T., Matsui, Y. Matsuoka, S. “Measurement of Flame Temperature in a DI Diesel Engine by Means of Image Analysis of Nega-Color Photographs”, Proc. 1st Japan Society of Automotive Engineers - Japan Society of Mechanical Engineers, 1981.
• [16] Magnussen B. F. “On the Structure of Turbulence and Generalized Eddy Dissipation Concept for Chemical Reaction in Turbulent Flow” 19th AIAA Science Meeting, St Louis, Missouri, USA, 1981.
• [17] Tesner, P. A., Snegiriova, T. D. and Knorre, V. G. “Kinetics of Dispersed Carbon Formation”, Combustion and Flame, Vol. 17, pp. 253-265, 1971.
• [18] Tesner, P. A. Tsygankova, E. I., Guilazetdinov, L. P., Zuyev, V. P. and Loshakova, G. V. “The Formation of Soot from Aromatic Hydrocarbons in Diffusion Flames of Hydrocarbon-Hydrogen Mixtures”, Combustion and Flame, Vol. 17, pp. 279-291, 1971.
• [19] Kolmogorov, A. N. “A Refinement of Previous Hypotheses Concerning the Local Structure of Turbulence in a Viscous Incompressible Fluid at High Reynolds Number”, Journal of Fluid Mechanics, Vol. 13. pp. 82-85, 1962.
• [20] Arpaci, V. S. “Microscales of Turbulent Combustion”, Prog. Energy Combust. Sci, Vol. 21, pp. 153-171, 1995.
• [21] Magnussen, B. F. and Hjertager, B. H “On Mathematical Modeling of Turbulent Combustion with Special Emphasis on Soot Formation and Combustion”, Proc. Combust. Instit. , Vol. 16, pp. 719-728, 1976.
• [22] Magnussen, B. F., Hjertager, B. H., Olsen, J. G. and Bhaduri, D., “Effect of Turbulence Structure and Local Concentrations on Soot Formation and Combustion in C2H2 Diffusion Flames” Proc. Combust. Instit. Vol. 17, pp. 1383-1391, 1979.
• [23] Singh, J., Balthasar, M., Kraft, M. and Wagner, W. “Stochastic Modeling of Soot Particle Size and Age Distributions in Laminar Premixed Flames”, Proc. Combust. Instit. Vol. 30, pp. 1457, 2005.
• [24] López-Parra, F. and Turan, A. “Computational Study on the Effects of Non-Periodic Flow Perturbations on the Emissions of Soot and NOx in a Confined Turbulent Methane/Air Diffusion Flame” Combust. Sci. and Tech, Vol. 179. pp. 1361-1384. July 2007.
• [25] López-Parra, F. and Turan, A. “Computational Study on the Effect of Turbulence Intensity and Pulse Frequency in the Soot Concentration in an Acetylene Diffusion Flame”. Int. Conference on Computational Sciences, pp. 120-128, LCNS 3516, Springer-Verlag, 2005.
• [26] Srivatsa, S. K. NASA-Lewis Research Center, NAS3-22542, NASA CR-167930, Garrett 21-4309, 1982.