3D_CRFDModelle

• Forschungsstelle: BFE
• Projektnummer: SI/500818

Kurzbeschreibung (Deutsch)

Dieses Projekt beinhaltet die Weiterentwicklung eines 3D-CRFD-Modells hinsichtlich Auslegung von CO2- und emissionsarmen motorischen Brennverfahren bei der diffusionsgesteuerten Verbrennung. Fokus der Erweiterungen sind Dieselsurrogate und biogene/synthetische Kraftstoffe unter Verwendung detaillierter Reaktionskinetiken, um quantitiative Vorhersagen von motorisch relevanten Parametern zu ermöglichen. Zur Validierung werden begleitende Messungen in der Hochdruck/Temperaturzelle am LAV der ETH Zürich durchgeführt.

Kurzbeschreibung (Englisch)

This project seeks to develop a 3D-CRFD model to be employed in the engine development process for future low CO2/low-emission mixing controlled combustion concepts. Particular emphasis is placed on Diesel surrogates and biogenic/synthetic fuels with appropriately detailed reaction kinetics to enable quantitative predictions of engine relevant parameters. To support the model development and validation, experiments for these fuels will be conducted in the high pressure/high temperature test rig of LAV at ETH Zurich in parallel.

Schlussbericht (Deutsch)

Dieses Projekt untersucht Verbrennung und Russbildungsneigung konventioneller, synthetischer und biogener Kraftstoffsprays bei motorischen Bedingungen mittels optischer Diagnostik und numerischer Simulation. Hochgeschwindigkeitsaufnahmen der Spraymorphologie (Miestreuung/Schlieren), der Flamme (OH*) sowie des Russleuchtens (Dreiwellenpyrometrie) für fünf reine Kraftstoffe bzw. Mischungen davon (n-Heptan, Toluen, n-Butanol and Oxy-Methyl-Ester) wurden durchgeführt in der weiterentwickelten Hochdruck-Temperaturzelle der ETH, welche um ein H₂-Vorverbrennungssystem ergänzt wurde. Die Modellentwicklung umfasste Erweiterungen zur Abbildung von Mehrfacheinspritzungen, sowie In-Situ adaptive Tabellierungsmethoden, welche die Verwendung komplexer Kinetiken ermöglichen. Modellvalidierung erfolgt für Dieselsurrogate im Düsendurchmesserbereich von Automobil- bis Zweitakt- Marinemotoren (23 Betriebspunkte) mit hervorragender Übereinstimmung von Zündverzügen/-orten, Flammenstrukturen und räumlichen Russverteilungen. Das Modell wurde anhand von 54 Punkten eines heavy-duty Dieselmotors weiter validiert mit sehr guter Übereinstimmung von Druck- /Wärmefreisetzungsverläufen und Russ/NOx Emissionen in Funktion von Einspritzzeit, Temperatur und AGR-Rate. Nacheinspritzungen wurden ebenfalls untersucht; dabei wurde ein neues Verständnis der chemisch-physikalischen Prozesse bei Nacheinspritzungen generiert, komplementär zum Experiment. Simulationen des n-Dodekan «Spray A» des ECN zeigten ferner ausgezeichnete Übereinstimmung von Zeit/Ort der Zündung bzw. Russemission. Diverse Kinetiken für n-Butanol/n-Heptan repräsentativ für langkettige Alkohol/Dieselmischungen wurden untersucht. Thermochemische Eigenschaften sowie Reaktionskinetiken für Methyldekanoat wurden ferner ausfindig gemacht und getestet. Das entwickelte Modell weist für weite Bereiche der diffusionsgesteuerten Verbrennung und für eine Vielzahl von Kraftstoffen und Betriebsbedingungen sehr gute Vorhersagekraft aus. 

Schlussbericht (Englisch)

This project studies combustion and soot-forming propensity of Diesel surrogates, synthetic and biogenic fuel sprays at engine relevant conditions by means of experiments and three-dimensional Computational Fluid Dynamics. Highspeed imaging of spray morphology (Mie scattering/Schlieren), flame lift-off/penetration evolution (OH*) and combustion generated soot (broadband radiation/3-colour pyrometry) were performed for five pure fuels/blends, incl. n-heptane, toluene, n-butanol and oxy-methyl-ester. Upgrades to the ETH high-pressure/temperature spray combustion rig include development of a hydrogen precombustion system. Code developments encompass multiple injection adaptation and inclusion of complex kinetics (with in-situ adaptive tabulation). Validation is shown for diesel surrogates with injector diameters from automotive to large two-stroke marine engines (23 conditions). Excellent ignition delay/location, flame structure and soot distributions were predicted for changes in air temperature/oxygen content. The model was also applied to a heavy-duty single cylinder engine (54 conditions) with excellent agreement of pressure/heat release rates and soot/NOx emissions for changes to injection time, temperature and EGR. Post-injections were also studied, providing new insights w.r.t. post-injections soot reduction physics, complementing experimental findings. Simulation of ECN “Spray A” showed excellent ignition/soot timing/location predictions. n-butanol/n-heptane kinetics representing long-chain alcohol/Diesel blends were identified/tested. Methyl Decanoate kinetics and thermo-physical droplet data were procured and stand-alone testing performed. The developed code demonstrated very good combustion and emission prediction capabilities for wide ranges of operating conditions/injector diameters. It shows considerable promise for application to “classical” and future Low-Temperature Combustion concepts in compression ignition engines for conventional, synthetic and biogenic fuels. 

 

Zugehörige Dokumente

• 3D-CRFD models for low CO2/low-emission mixing controlled combustion of biogenic/synthetic fuels in engines based on detailed reaction kinetics [PDF] 10'936 kB

Schlussbericht (Französisch)

Ce projet étudie la combustion et la tendance de formation de suie des sprays de carburant conventionnel, synthétique et biogénique dans le moteur, au moyen de méthodes de diagnostic optique et de simulations numériques. L'imagerie à grande vitesse de la morphologie de pulvérisation (mie scattering/Schlieren), de la flamme (OH*) et du rayonnement des particules de suie (pyrométrie en 3 couleurs) a été réalisée pour cinq combustibles resp. mélanges y inclus n-heptane, toluène, n-butanol et oxyméthylester. Les expériences ont été réalisées dans le dispositif de combustion à haute pression/température de l'EPFZ; ce dernier fut augmenté par un système de précombustion à hydrogène. Au niveau de la modélisation, les codes ont été adaptés aux injections multiples et à l'inclusion de cinétiques complexes (au moyen de tabulation adaptative). Les modèles ont été validés pour les substituts de diesel avec des injecteurs de diamètres allant de l'automobile aux moteurs marins à deux temps (23 conditions); il résultait une excellente concordance entre les délais et lieux d'allumage, structure de la flamme et des distributions spatiales de suie. De même, le modèle reproduisait les courbes de pression, dégagement de chaleur et émissions de suie et NOx pour 54 variations du temps d'injection, de la température et de la recirculation des gaz d'échappement dans un moteur service intense. Une étude approfondie des post-injections a mené à de nouvelles perceptions des effets physico-chimiques lors de la post-injection, complétant les résultats expérimentaux. Des simulations n-Dodécaène «Spray A» de l’ECN conformaient avec les délais et lieux de l’inflammation et du rayonnement de suie. La cinétique du butanol et de l'heptane représentant les mé-langes alcool/diesel à longue chaîne a été identifiée et testée. Différents mécanismes réactionnels du n-Butanol et n-Heptan ont été explorés en lieu d’alcools et des mélanges Diesel à longues chaînes. En plus, les propriétés thermochimiques et mécanismes réactionnels du décanoate de méthyle ont été déter-minés. En conclusion, le modèle développé est prédictif pour la combustion par flamme de diffusion sous une large bande de conditions et pour différents combustibles.