Kraftstoffkennzahlen II

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: SI/500801
• Projekttitel Englisch: Characterisation of high boiling point/synthetic fuels for HCCI and partially stratified Diesel engine combustion by means of optical experiments and global reaction models.

Schlüsselwörter (Deutsch)

Voll- und teilhomogene Brennverfahren; Zünd- und Verbrennungsdiagnostik teilsynthetischer Kraftstoffe; Kennzahlerarbeitung für die Zündwilligkeitscharakterisierung; Entwicklung von vorher-sagekräftigen, reduzierten reaktionskinetischen Ansätze; 3D-CRFD

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Dieses Projekt beinhaltet die experimentelle Charakterisierung teilsynthetischer hochsiedender Kraftstoffe und die Entwicklung korrespondierender globaler/reduzierter Reaktionsmodelle für die voll- (HCCI) und teilhomogene Dieselverbrennung. Dabei wird eine Kennzahl erarbeitet, welche die Zündwilligkeit der untersuchten Kraftstoffe zuverlässig charakterisiert und die motorische Brennverfahrensentwicklung massgeblich unterstützt.

Kurzbeschreibung (Englisch)

In this project, partially synthetic high boiling point fuels are investigated experimentally in fully homogenous (HCCI) and partially stratified combustion in optically accessible test rigs and corre-sponding global/reduced reaction models are developed. Particular emphasis is on the develop-ment of a numerical index which accurately characterises the ignition propensity of these fuels providing guidance in the engine development process.

Schlussbericht (Deutsch)

In dieser Studie wurde die Zweckmässigkeit der Cetanzahl (CN) zur Charakterisierung der vollhomogenenen, kompressionsgezündeten Verbrennung (Homogeneous Charge Compression Ignition, HCCI) untersucht für verschiedene Kraftstoffe. Korrelationen zwischen CN und HCCI Selbstzündung wurden zuerst erarbeitet; im Anschluss daran wurden prädiktive Modelle entwickelt, die den komplexen Zündvorgang beschreiben. Hierzu wurden fundamentale experimentelle und numerische Untersuchungen von HCCI und teilhomomogenen (Partially-Premixed Compression Ingition, PCCI) Verbrennungsvorgängen durchgeführt. Surrogate mit gut definierten Eigenschaften und identischen CN der ursprünglichen Kraftstoffe wurden im optisch zugänglichen Einhubtriebwerk (RCEM) für weite motorische Bedingungen charakterisiert. Die bestimmenden Prozesse die zur Zündung führen sowie die relevanten HCCI-Kenngrössen wurden dabei identifiziert, namentlich Wärmefreisetzungen der Niedertemperaturzündung und der anschliessenden intermediate Phase, sowie Zündtemperatur. Zwei HCCI Modelle wurden erarbeitet und für die Surrogate weiterentwickelt: I) das 3-Arrhenius Modell zur Zündverzugsvorhersage, II) ein Modell für die Niedertemperaturwärmefreisetzung (Cool Flame model). Für die Parametrierung wurden neue Ansätze enwickelt welche Kalibrierung der Modellkonstanten für beliebige Kraftstoffe ermöglichen. Durch Kombination des 3-Arrhenius- und Cool Flame Modells mit einem Livengood-Wu-Zündintegral wurde ein prädiktives Modell zur Zündverzügsvorhersage im 0D und 3D-Kontext geschaffen; Validierung erfolgte anhand der RCEM-Daten, wobei ausgezeichnete Übereinstimmung mit den Messwerten der Surrogate demontriert wurde. Das 3D-Modell bildet darüberhinaus Einflüsse von Strömungsfeld, Stratifizierung (Mischung/Temperatur) und Wandwärmeverlusten ab. Dessen Vorhersagen in der RCEM zeigen im Vergleich zu einer 3D-CFD mit skeletaler Chemie gute Ergebnisse mit um Grössenordnungen reduzierter Rechenzeit. Eine erste Studie mit LES-CMC und RANS-CMC Verbrennungsmodellen von PCCI Verbrennung mit Mehrfacheinspritzungen (ECN „Spray A“) zeigte ebenfalls gute Übereinstimmung mit dem Experiment und ermöglichte ein vertieftes Verständnis der Wechselwirkungen der komplexen physikalischen Prozesse. 

Schlussbericht (Englisch)

This research project investigates the appropriateness of the cetane number (CN) as an index for Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI) combustion for numerous automotive fuels. Correlations between CN and HCCI auto-ignition are presented, followed by development of predictive models which describe the complex auto-ignition process. To this end, HCCI and PCCI combustion processes were studied from a fundamental perspective both experimentally and numerically: surrogate fuels with identical CN as the original fuels were characterized in an optically accessible Rapid Compression-Expansion Machine (RCEM) over a wide range of HCCI relevant engine conditions to provide an experimental database for model validation. The driving factors leading to ignition, as well as the resulting parameters of interest for HCCI combustion were identified, namely low and intermediate heat release, and ignition temperature. Two HCCI models were developed and extended for the surrogate fuels: I) a 3-Arrhenius model, suitable for ignition delay prediction and II) a model for the low temperature heat release (Cool-Flame model). New methodologies for model parameterization are presented which allow for model constant calibration of virtually any fuel. By combining the 3-Arrhenius and Cool-Flame models with a Livengood-Wu ignition integral, a fully predictive methodology for low and high temperature ignition delays was established, which can be used in both 0D- and 3D-simulations. The parameterized 0D model is validated for the surrogate data from the RCEM showing excellent agreement. When used in a 3D context, effects of flow-field, wall heat loss and stratification (temperature and mixture) can be accounted for. Predictions in the RCEM compare well to calculations using 3D-CFD with semi-detailed kinetics, at computational costs lower by several orders of magnitude. Towards PCCI combustion, two detailed numerical approaches (RANS-CMC and LES-CMC) were applied to study highly transient multiple injection combustion (ECN “Spray A”) for one diesel-like and one low temperature condition. Ignition delays and flame structures are predicted well and the results provide valuable insights w.r.t. the complex physical processes. 

Zugehörige Dokumente

• Characterisation of high boiling point/synthetic fuels for HCCI and partially stratified Diesel engine combustion by means of optical experiments and global reaction models. [PDF] 3'750 kB

Schlussbericht (Französisch)

Ce projet a étudié l’utilité de l’indice de cétane (CN) comme caractéristique de la combustion à allumage par compression à charge homogène (HCCI) pour différents carburants. Des corrélations entre l’indice de cétane et la tendance à l’auto-allumage ont été établies. Ensuite, de modèles prédictifs, capables de décrire le procès de l’allumage ont été développés. Une campagne d’investigations expérimentales et numériques de la combustion HCCI et partiellement homogène (Partially-Premixed Compression Ingition, PCCI) a fourni les données de base. A l’aide d’une machine à compression et expansion rapide (RCEM), un substitut aux propriétés bien-connues et à l’indice de cétane (CN) équivalent au combustible initial a été caractérisé sous des conditions semblables à celles dans un moteur à combustion. En particulier, le dégagement de chaleur pendant la phase d’allumage à température basse et la phase intermédiaire, ainsi que la température d’allumage ont été déterminés. Deux modèles prédictifs ont été développés pour les substituts : (1) le modèle « 3-Arrhenius » du retardement de l’allumage et (2) le modèle « Cool Flame » du dégagement de chaleur à température basse. Une nouvelle méthode de calibration des constantes de modélisation a été développée ; elle peut être appliquée à tout combustibles. La combinaison des modèles « 3-Arrhenius » et « Cool Flame » avec l’intégrale d’allumage Livengood-Wu fournit un modèle de prédiction du retardement de l’allumage dans un contexte 0D et 3D. Le modèle a été validé aux données RCEM et une coïncide excellemment avec les substituts. Le modèle 3D inclut l’influence du champ d’écoulement, de la stratification de mélange et de la température ainsi que de la perte de chaleur. Comparé à une simulation 3D-CFD, le temps nécessaire au calcul d’une prédiction fiable de la perte de chaleur pour l’RCEM est massivement réduit. Une étude préliminaire de la combustion PCCI à injection multiple (ECN « Spray A ») avec des modèles détaillés (LES-CMC et RANS-CMC) coïncide bien avec les données expérimentales et ouvre un aperçu approfondi de l’interaction complexe des processus physiques.