Simulation of unconventional fuels for diesel engine combustion

Kerschgens, Bruno; Pitsch, Heinz Günter; Pischinger, Stefan

doi:GVK:565994476

Simulation of unconventional fuels for diesel engine combustion = Simulation unkonventioneller Kraftstoffe für die dieselmotorische Verbennung

Kerschgens, Bruno

2015 & 2016

VerantwortlichkeitsangabeBruno Clemens Kerschgens

ImpressumAachen : Shaker 2015

UmfangXII, 115 S. : Ill., graph. Darst.

ISBN978-3-8440-3910-8

ReiheBerichte aus der Energietechnik

Zugl.: Aachen, Techn. Hochsch., Diss., 2015

Druckausgabe: 2015. - Auch veröffentlicht auf dem Publikationsserver der RWTH Aachen University 2016

Genehmigende Fakultät
Fak04

Hauptberichter/Gutachter
Pitsch, Heinz Günter (Thesis advisor) ; Pischinger, Stefan (Thesis advisor)

Tag der mündlichen Prüfung/Habilitation
2015-06-02

Online
URN: urn:nbn:de:hbz:82-rwth-2015-053423
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/538518/files/538518.pdf
URL: http://publications.rwth-aachen.de/record/538518/files/538518.pdf?subformat=pdfa

Einrichtungen

Lehrstuhl und Institut für Technische Verbrennung (411410)

Inhaltliche Beschreibung (Schlagwörter)
Ingenieurwissenschaften und Maschinenbau (frei) ; combustion (frei) ; diesel engine (frei) ; CFD simulation (frei)

Thematische Einordnung (Klassifikation)
DDC: 620

Kurzfassung
Gegenstand dieser Arbeit ist die “computational fluid dynamics” (CFD)Simulation der dieselmotorischen Verbrennung unkonventioneller Kraftstoffe. Diese bestehen aus einer Diesel/Benzin Mischung, Di-Methyltetrahydrofuran(2-MTHF), einer Mischung aus 2-MTHF und Di-n-Butylether (DnBE), n-Octan, DnBE und n-Octanol. Experimentelle Daten zweier verschiedener Dieselmotorprüfstände stehen zum Vergleich und zur Validierung der Simulationsergebnissezur Verfügung. Gute Ergebnisse werden im Bezug auf Druckkurven, Wärmefreisetzungsraten und Schadstoffemissionen erreicht. Der Einfluss der Kraftstoffeigenschaften wird analysiert und detaillierte Einsichten in die Zusammenhänge von molekularer Struktur der Kraftstoffe und deren Verbrennungseigenschaften werden gewonnen. Die Simulationen werden mit dem Representative Interactive Flamelet (RIF) Modell durchgeführt, welches schon vielfach zur Simulation dieselmotorischer Verbrennung verwendet wurde. Durch die Verwendung detaillierter chemischer Reaktionsmechanismen berücksichtigt das RIF Modell Selbstzündung im Niedertemperatur- und Hochtemperaturbereich, die Wärmefreisetzung bei der Verbrennung und die Bildung von Schadstoffen. Zur Simulation der neuartigen Kraftstoffe in dieser Arbeit müssen die Modellierungsansätze angepasst und die zugrundeliegenden Annahmen überprüft werden. Zur Validierung der Spray-Simulation und um die Modellparameter des Strahlzerfall-Modells anzupassen, werden Simulationen eines Spraykammer-Experiments mit verschiedenen Kraftstoffen durchgeführt und mit den entsprechenden experimentellen Daten verglichen. Zunächst wird eine Mischung aus Diesel und Benzin mittels Simulation und Experiment analysiert. Ziel des Experiments ist, die Zündfähigkeit des Kraftstoffs zu reduzieren um eine längere Zeit für die Gemischbildung und somit eine Niedertemperaturverbrennung zu ermöglichen. Dies ist ein erster Schritt, die Eigenschaften eines Kraftstoffs an die Anforderungen eines speziellen Brennverfahrens anzupassen. Ein Ersatzkraftstoff-Gemisch wird verwendet, um die Reaktionschemie des Diesel/Benzin-Gemisches zu beschreiben. Dies ist ein üblicher Modellierungsansatz für komplexe flüssige Kohlenwasserstoff-Kraftstoffe. Die Zusammensetzung des Ersatzkraftstoffs wird so gewählt, daß sie verschiedene kinetische Eigenschaften des experimentellen Kraftstoffs abbildet. Im Experiment werden erhöhte Emissionen von Kohlenmonoxid und relativ hohe Stickoxid-Emissionen beobachtet. Die Simulationen zeigen wo diese Schadstoffe gebildet werden, wie dies mit den geänderten Kraftstoffeigenschaften zusammenhängt, und wie die Emissionen möglicherweise reduziert werden könnten. Im Folgenden werden reines Di-Methyltetrahydrofuran (2-MTHF) und eine Mischung aus 2-MTHF und Di-n-Butylether (DnBE) untersucht. In dieselmotorischen Experimenten werden vielversprechende Ergebnisse mit diesen Biokraftstoff-Kandidaten erzielt. Die Reaktionschemie der Kraftstoffe wird mit einem Ersatzkraftstoff-Gemisch beschrieben, was einen neuen Aspekt hinsichtlich der Anwendung solcher Gemische darstellt. In diesem Fall wird nicht ein Gemisch von hunderten oder sogar tausenden Kohlenwasserstoffendurch eine reduzierte Anzahl an Kraftstoffen modelliert, sondern das Verhalten eines reinen und eines zwei-Komponenten Kraftstoffs mit nur ungenau beschriebener Reaktionskinetik wird durch eine Mischung von Ersatzkraftstoffen beschrieben. Die Methodik zur Bestimmung der Zusammensetzung dieser Mischung wird detailliert beschrieben. Vergleiche mit dieselmotorischen Experimenten und Experimenten im homogenen Reaktor bestätigen den generellen Ansatz und insbesondere die Methodik zur Bestimmung der Ersatzkraftstoff-Zusammensetzung. Darüber hinaus erlaubt der Ansatz detaillierte Einblicke in die Schadstoff-Entstehungsprozesse im Motor. Abschließend werden die drei n-C8 Kraftstoffe n-Octan, DnBE und n-Octanol untersucht. Diese Kraftstoffe haben eine sehr ähnliche Molekülstruktur, aber sehr unterschiedliche Eigenschaften hinsichtlich Einspritzung, Zündung und Verbrennung. Sie sind ein gutes Beispiel um den Einfluss kleiner Unterschiede in der Moleküstruktur zu untersuchen. Zur Simulation dieser Kraftstoffe stehen detaillierte Reaktionsmechanismen zur Verfügung. Die Ergebnisse werden analysiert um die jeweiliegen Effekte von Gemischbildung, Kraftstoff-Stöchiometrie und Reaktionskinetik zu verstehen. Die Schadstoffemissionen hängen wesentlich von der zur Gemischbildung verfügbaren Zeit ab, die durch die Cetanzahl der Kraftstoffe sehr gut wiedergegeben wird. Die deutlich geringere Cetanzahl von n-Octanol im Vergleich zu n-Octan wird durch Analyse von Motorsimulationen und Berechnungen im homogenen Reaktor erklärt. Diese Kraftstoffe haben sehr ähnliche Zündverzugszeiten im homogenen Reaktor, aber recht unterschiedliches Zündverhalten bei dieselmotorischen Bedingungen. Es kann gezeigt werden, daß hierfür die Stöchiometrie der Kraftstoffe eine deutlich größere Rolle spielt als das ebenfalls sehr unterschiedliche Einspritzverhalten.

This study focuses on computational fluid dynamics (CFD) simulationsof diesel engine combustion of unconventional fuels. The fuels are: A diesel/gasoline blend, di-methyltetrahydrofurane (2-MTHF), a blend of 2-MTHF and di-n-butylether (DnBE), n-octane, DnBE, and n-octanol. Experimental data from two different diesel engine test benches are available for comparison and validation of the simulations. Good results regarding pressure traces, heat release rates, and pollutant emissions are obtained. Fuel property effects are analyzed individually and detailed insights into the interdependencies of fuel molecular structure and combustion behavior are gained. Simulations are perfomed using the Representative Interactive Flamelet (RIF) model, which has been applied in many studies modeling compression ignitionin internal combustion engines. By the use of detailed chemical reaction mechanisms, the RIF model inherently accounts for low and high temperature auto-ignition, heat release, and pollutant formation. For simulation of the novel fuels in this study, the modeling approaches had to be adapted and assumptions had to be reassessed. To validate the spray representation and to set the model parameters of the liquid breakup model, simulations of a spray vessel experiment using several fuels are performed and compared to the respective experimental data. The first fuel to be analyzed by simulation and experiment is a diesel/gasoline blend. Here, the experimental aim is to reduce the ignitability of the fuel to enable longer premixing duration and thus low temperature combustion. This presents a step towards tailoring a fuel’s properties to the requirementsof the combustion system. A surrogate fuel blend is used to describe there action chemistry of the diesel/gasoline blend, which is a common modeling approach for complex liquid hydrocarbon fuels. The surrogate composition is chosen to match several kinetic properties of the fuel blend. Increased emissions of carbon monoxide and rather high emissions of nitrogen oxides are observed experimentally. The simulations show where these originate, how this is related to the modified fuel properties, and how the emissions could possibly be reduced. The next two fuels in this study are neat di-methyltetrahydrofurane (2-MTHF) and a blend of 2-MTHF and di-n-butylether (DnBE). As biofuel candidates, these fuels have a very promising performance in the diesel engine experiments. Their reaction chemistry is described by a surrogate mixture, which represents a new aspect to a reaction chemistry surrogate. Here, not a mixture of hundreds or thousands of hydrocarbons is modeled by a reducedset of fuels, like for the diesel/gasoline blend above, but one single and one dual component fuel with only roughly known reaction chemistry are modeled by a well defined mixture of fuel components. The methodology to define this mixture is described in detail. Comparisons with diesel engine experiments and homogeneous reactor experiments confirm the approach and the methodology to define the surrogate composition, and demonstrate that the approach allows for insights into the pollutant formation processes in the engine. The final set of fuels in this study are three n-C8 fuels, namely n-octane, DnBE, and n-octanol. These fuels feature very similar molecular structures, but very different spray formation, ignition, and combustion properties. As such, they present an example to understand the influence of small changes in molecular structure on the combustion behavior. For the simulations oft hese fuels, detailed reaction mechanisms are used. Results are analyzed to investigate the effects of mixture formation, fuel stoichiometry, and reaction chemistry individually. Pollutant emissions are found to be mainly dependent on the time available for premixing of the charge, as reflected by the cetaneratings of the fuels. The substantially lower cetane rating of n-octanol compared to n-octane is explained by analysis of engine simulations and homogeneous reactor calculations. These fuels have similar ignition delay times in homogeneous reactor experiments, but quite different ignition behavior in engine relevant conditions. This is shown to be a strong effect of the fuel’s stoichiometries, rather than being related to the very different spray properties of the fuels.

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