Kurzbeschreibung
(Deutsch)
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Teilvorgemischte selbstgezündete Konzepte sind unter den vielversprechendsten niedrigst-emissions-Brennverfahren bei gleichzeitig hoher Kontrollierbarkeit des Verbrennungsprozesses, v.a. bei tiefen/mittleren Lasten/Drehzahlen. Dabei können simultan NOx und Russ gesenkt werden, gegenüber dem typischen trade-off bei der klassischen Dieselverbrennung. In diesem Projekt soll das Grundlagenverständnis der Gemischaufbereitung und Verbrennung bei teilvorgemischten Brennverfahren mit Mehrfacheinspritzung untersucht werden durch Kombination laser-optischer Experimente und der Large Eddy Simulation (LES).
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Kurzbeschreibung
(Englisch)
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Partially Premixed Charge Compression Ignition (PCCI) is among the most promising Diesel combustion concepts for ultra-low emissions and process controllability. Especially for low/medium load/speed engine operation, PCCI has shown simultaneously decreased engine out soot/NOx emissions, avoiding the trade-off present in ‘classical’ Diesel combustion. In contrast to Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI), PCCI retains controllability of the process, significantly facilitating its application. This project seeks to advance the fundamental understanding of multiple injection interactions during partially stratified mixture preparation and combustion by combining advance laser optical diagnostics and LES simulations.
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Schlussbericht
(Deutsch)
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Mit dieselmotorischen Brennverfahren wird bei verschiedenen Lastzuständen ein sehr guter Wirkungsgrad bei gleichzeitig hohem Drehmoment erreicht. Dies sind Vorteile, die bei zahlreichen heavy-duty Anwendungen wie Langstreckentransport, Baumaschinen oder Schifffahrt eine zentrale Rolle spielen. Auch wenn fossile Dieseltreibstoffe in der Zukunft nicht mehr genutzt werden, sollen diese Brennverfahren verbessert werden für alternative Krafstoffe wie Biodiesel, Dimethyl-Ether (DME), Polyoxymethylene-Dimethyl-Ether (OME) und langkettige synthetische Fischer-Tropsch Diesel. Vorgemischte Dieselverbrennungskonzepte (Premixed Charge Compression Ignition, PCCI) haben gegenüber typischen Dieselbrennverfahren erhebliches Potential, gleichzeitig NOx und Russemissionen zu reduzieren.
Aufgrund der leichten Stratifizierung in der Mischung durch mehrere gezielte Einspritzvorgänge werden Probleme mit der Steuerung des Brennbeginns, wie sie bei vollhomogenen Diesel Brennverfahren (Homogeneous Charge Compression Ignition, HCCI) auftreten, stark reduziert. Die experimentellen
Untersuchungen wurden in einer optisch zugänglichen Schnellverdichtungs-Apparatur (Rapid Compression Expansion Machine, RCEM) durchgeführt mit unterschiedlichen Einspritzstrategien, welche Variationen der Last, Reaktivität und Stratifizierung repräsentieren. Nebst einer sorgfältigen thermodynamischen Analyse wurden optische Untersuchungen durchgeführt. Laser-Induzierte Fluoreszenz (LIF) Verfahren ermöglichten die quantitative Charakterisierung der zeitlichen Entwicklung des Mischungsfeldes sowie einer Spezies (Formaldehyd), welche den Zündvorgang abbildet. Die Hochtemperaturreaktionen wurden anhand von Schlieren- und OH* Chemilumineszenzaufnahmen ebenfalls raum- und zeitaufgelöst erfasst. Die Analyse der Mischungsfelder und Verbrennungsindikatoren haben neue Erkenntnisse über die Wechselwirkung von Mehrfacheinspritzungen hervorgebracht. Large Eddy Simulationen wurden zudem durchgeführt und zeigen gute Übereinstimmungen in Bezug auf die Brennraten sowie den Strukturen der Jets für die
unterschiedlichen Betriebsbedingungen und ergänzten die experimentellen Untersuchungen bei der Interpretation der Wechselwirkungen und Zündprozesse von Mehrfacheinspritzungen. Die Simulation ermöglichte zudem Einblick in die Interaktion der ersten Einspritzung mit den Brennraumwänden, welche zu erheblicher Filmbildung führt und damit den relativ tiefen Brennstoffumsatz teilweise erklärt.
Das PCCI Konzept scheint deshalb besonders für Kraftstoffe mit niedrigerem Siedepunkt und hoher Zündwilligkeit ein attraktives Konzept zu sein. Insbesondere DME ist ein interessanter Kandidat. DME wird unter überkritischen Bedingungen eingespritzt, weist eine gute Gemischbildung auf, und eine
signifikante Wandbeaufschlagung kann vermieden werden. Aufgrund des Fehlens von C-C-Bindungen wurde ausserdem bereits bei der herkömmlichen Diesel-Verbrennung eine geringe Verrussungsneigung nachgewiesen.
DME könnte deshalb ein idealer Brennstoff sein, um bei hoher Effizienz niedrigste Emissionen zu erreichen, indem verschiedene Verbrennungsmodi für bestimmte Motorlastpunkte eingesetzt werden. DME sollte daher in zukünftigen Studien weiter untersucht werden.
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Schlussbericht
(Englisch)
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The conventional Diesel combustion concept enables very good efficiencies for a wide range of loads combined with high torque levels. These advantages are particularly important for a number of heavyduty applications such as long-haul freight transport, off-road construction and agricultural machinery
as well as shipping. Even though fossil fuels will be abandoned, the Diesel combustion process will continue to play an important role and hence requires improvements, especially with respect to alternative fuels such as Dimethyl-Ether (DME), Poly-oxymethylene-Dimethyl-Ether (OME) and longchain
synthetic Fischer-Tropsch fuels. Compared to conventional Diesel combustion concepts, Premixed Charge Compression Ignition (PCCI) has shown considerable potential to simultaneously reduce both particulate matter and NOx.
The tailored, slight mixture stratification stemming from multiple injections allows for more control of the combustion event compared to fully Homogenous Charge Compression Ignition Concepts (HCCI). The experimental investigations were carried out in a Rapid Compression Expansion Machine (RCEM) using different injection strategies, representing changes in load, reactivity and level of stratification. Aside dedicated thermodynamic analyses optical investigations were performed. Tracer Laser-Induced Fluorescence high-speed imaging allowed for quantification of the spatio-temporal evolution of the
mixing field. The ignition process was characterized by means of formaldehyde LIF while high-speed Schlieren and OH* chemiluminescence provided information on the high-temperature combustion process. The analysis of the mixing fields and combustion indicators provided new insights with respect
to the interactions between multiple injections. Large Eddy Simulations have further been performed, showing good agreement in terms of heat release rates and jet structure evolutions for the different operating conditions. The numerical results complemented the experimental findings in terms of
interpretation of the interactions and ignition process. In addition, the simulation provided insights on the interaction of the first injection with the combustion chamber walls leading to significant film formation, explaining in part the relatively low overall fuel conversion rate.
PCCI can therefore be considered particularly attractive for low boiling point fuels with high ignition propensity. In particular DME, which is injected at supercritical conditions, thereby promoting mixture formation and avoiding significant spray-wall interaction is an interesting candidate. Due to the absence
of C-C bonds, DME has shown very low sooting propensity even under conventional Diesel operation.
DME could therefore be an ideal candidate fuel to achieve highest efficiency with lowest emissions for a variety of combustion modes at specific operating conditions and should be further investigated in future studies.
Zugehörige Dokumente
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