Ανάπτυξη Ρευστομηχανικού Μοντέλου Προσομοίωσης Φαινομένων Μεταφοράς και της Επίδρασής τους στη Λειτουργία και στο Σχηματισμό Ρύπων σε Εμβολοφόρες ΜΕΚ με Καύσιμο το Υδρογόνο

Abstract

Η παρούσα Διδακτορική Διατριβή εκπονήθηκε στο εργαστήριο Μηχανών Εσωτερικής Καύσης του Εθνικού Μετσόβιου Πολυτεχνείου, όπου δεν υπήρχε προηγούμενη εμπειρία σε ρευστομηχανικά μοντέλα προσομοίωσης. Στα πλαίσια της Διατριβής αυτής κατασκευάστηκε ένας ρευστομηχανικός κώδικας, με σκοπό να αναπτυχθεί η αντίστοιχη τεχνογνωσία και να υπάρξει εμπειρία σε τέτοιου είδους μοντέλα προσομοίωσης σε καθαρά ερευνητικό επίπεδο. Για τους λόγους αυτούς προτιμήθηκε η ανάπτυξη ενός κώδικα από την αρχή, παρά να εφαρμοστεί κάποιος εμπορικός κώδικας. Πιο συγκεκριμένα, αναπτύχθηκε εξ αρχής ένα ρευστομηχανικό μοντέλο προσομοίωσης σε καμπυλόγραμμες συντεταγμένες, στις τρεις διαστάσεις, για τον υπολογισμό των φαινομένων μεταφοράς στο εσωτερικό του κυλίνδρου εμβολοφόρων μηχανών εσωτερικής καύσης (ΜΕΚ) και την περιγραφή της προαναμεμιγμένης καύσης του υδρογόνου σε κινητήρα Otto και της παραγωγής των εκπεμπόμενων ρύπων μονοξειδίου του αζώτου. Παράλληλα, αναπτύχθηκαν ορισμένα μοντέλα, τα οποία ενσωματώθηκαν στο ρευστομηχανικό κώδικα και συντελούν σημαντικά στον αξιόπιστο υπολογισμό των διάφορων ιδιοτήτων του αερίου στο εσωτερικό των κυλίνδρων εμβολοφόρων ΜΕΚ. Συγκεκριμένα, αναπτύχθηκε ένα μοντέλο μεταφοράς θερμότητας, το οποίο βασίζεται σε συναρτήσεις τοιχώματος και περιλαμβάνει έναν όρο πίεσης και καύσης, με σκοπό τον αξιόπιστο υπολογισμό των τοπικών ροών θερμότητας. Επιπλέον, αναπτύχθηκε ένα απλό μοντέλο διακένων του εμβόλου, με το οποίο υπολογίζεται η μεταβολή της παγιδευμένης μάζας του αερίου εντός του κυλίνδρου σε κάθε χρονική στιγμή, η αποθήκευση αερίου στο εσωτερικό των διακένων και η απώλεια μάζας που διαφεύγει στο στροφαλοθάλαμο. Με τη χρήση των δύο αυτών μοντέλων προσομοιώνεται πιο ρεαλιστικά η λειτουργία εμβολοφόρων ΜΕΚ, αφού λαμβάνονται υπόψιν περισσότερες διεργασίες, ενώ δεν απαιτείται η ρύθμιση κάποιου διορθωτικού συντελεστή. Τέλος, αναπτύχθηκε εξ αρχής ένα μοντέλο διάδοσης της φλόγας κατά την προαναμεμιγμένη καύση του υδρογόνου σε κινητήρα Otto, το οποίο ενσωματώθηκε στο ρευστομηχανικό κώδικα. Με τη χρήση του μοντέλου αυτού προβλέπεται η διάδοση της φλόγας κατά την περίοδο της έναυσης και της τυρβώδους ανάπτυξης της φλόγας, ώστε κατόπιν να υπολογιστεί ο ρυθμός αντίδρασης των συστατικών στα υπολογιστικά κελιά, που βρίσκονται εντός της φλόγας, καθώς και οι εκπεμπόμενοι ρύποι μονοξειδίου του αζώτου. Ο βασικός σκοπός της Διδακτορικής Διατριβής είναι η αξιόπιστη και ρεαλιστική περιγραφή των φαινομένων μεταφοράς που λαμβάνουν χώρα στο εσωτερικό του κυλίνδρου εμβολοφόρων ΜΕΚ, τόσο σε συνθήκες ετεροκίνησης (σε κινητήρες Otto, Diesel και HCCI) όσο και σε συνθήκες με καύση (σε κινητήρα Otto με καύσιμο το υδρογόνο), καθώς επίσης και ο υπολογισμός των εκπεμπόμενων ρύπων μονοξειδίου του αζώτου. Ταυτόχρονα, είναι επιθυμητή η προσομοίωση διάφορων κινητήρων, χωρίς κανέναν περιορισμό ως προς τις γεωμετρίες του θαλάμου καύσης που συναντώνται. Από τη διερεύνηση και προσομοίωση διάφορων περιπτώσεων, φάνηκε ότι τόσο το μέσο πεδίο ροής του αερίου στο εσωτερικό του κυλίνδρου, όσο και το τοπικό, υπολογίζονται ικανοποιητικά, σε σύγκριση με υπολογισμένα αποτελέσματα και μετρήσεις αντίστοιχα. Επιπλέον, η ανάμιξη αέρα/υδρογόνου σε απλή γεωμετρία οχετού-εγχυτήρα και στον οχετό εισαγωγής ενός κινητήρα Otto προβλέπεται ποιοτικά σωστά, σε σύγκριση με εύρη μετρήσεων και υπολογιστικά αποτελέσματα αντίστοιχα. Σχετικά με την αξιολόγηση του νέου μοντέλου μεταφοράς θερμότητας που αναπτύχθηκε, διενεργήθηκε εκτενής μελέτη, αρχικά σε συνθήκες ετεροκίνησης, και εν συνεχεία σε συνθήκες με καύση. Το γενικό συμπέρασμα που προκύπτει είναι ότι οι τοπικές ροές θερμότητας με τη χρήση του μοντέλου που αναπτύχθηκε, προβλέπονται με αρκετή ακρίβεια κατά τη διάρκεια του κλειστού κύκλου λειτουργίας (κυρίως κατά τη συμπίεση), ενώ η γενική του επίδοση είναι καλύτερη από τα περισσότερα αντίστοιχα μοντέλα που μπορούν να βρεθούν στη βιβλιογραφία. Το μοντέλο διακένων του εμβόλου που αναπτύχθηκε, δοκιμάστηκε σε διάφορους κινητήρες και σημεία λειτουργίας (σε συνθήκες ετεροκίνησης και με καύση), ενώ για την αξιολόγησή του χρησιμοποιήθηκε κυρίως το δυναμοδεικτικό διάγραμμα, αφού η πίεση αποτελεί μια καλή ένδειξη της μάζας γομώσεως του κυλίνδρου. Με τη χρήση του μοντέλου αυτού φάνηκε ότι γίνεται πιο ρεαλιστικός ο υπολογισμός της παγιδευμένης μάζας του αερίου του κυλίνδρου σε κάθε χρονική στιγμή, ενώ επιπλέον η πίεση του κυλίνδρου βρίσκεται πιο κοντά στη μετρημένη σε κάθε περίπτωση που εξετάστηκε (ειδικά η μέγιστη πίεση). Στη συνέχεια αξιολογήθηκε το μοντέλο προαναμεμιγμένης καύσης υδρογόνου που αναπτύχθηκε σε κινητήρα Otto με καύσιμο το υδρογόνο, για τον οποίο είναι διαθέσιμα πειραματικά δεδομένα. Αρχικά, επιλέχθηκαν οι εκφράσεις της στρωτής και τυρβώδους ταχύτητας της φλόγας και ρυθμίστηκε ο μοναδικός διορθωτικός συντελεστής που χρησιμοποιήθηκε. Κατόπιν, συγκρίθηκαν τα υπολογιστικά αποτελέσματα με πειραματικά δεδομένα κατά τη μεταβολή του λόγου ισοδυναμίας, χρονισμού έναυσης και βαθμού συμπίεσης, όπου διαφάνηκε η αξιοπιστία των προβλέψεων του μοντέλου, που σχετίζονται με μεγέθη απόδοσης (π.χ. πίεση κυλίνδρου, ενδεικνύμενο έργο) και εκπεμπόμενων ρύπων μονοξειδίου του αζώτου. Στη συνέχεια έγινε μια λεπτομερής διερεύνηση των φαινομένων μεταφοράς στον ίδιο κινητήρα Otto με καύσιμο το υδρογόνο, αλλά σε διαφορετικά σημεία λειτουργίας. Συγκεκριμένα, υπολογίστηκε η απόδοση της καύσης και οι κύριοι μηχανισμοί απωλειών της διαθέσιμης χημικής ενέργειας του καυσίμου (διάκενα, άκαυστο καύσιμο, διάσταση προϊόντων), όπως επίσης και οι απώλειες θερμότητας του αερίου προς τα τοιχώματα του κυλίνδρου, κατά τη μεταβολή του φορτίου και του βαθμού συμπίεσης. Επιπλέον, φάνηκαν οι δυνατότητες του μοντέλου που αναπτύχθηκε, με το να παρέχει τις τοπικές κατανομές της θερμοκρασίας του αερίου και του κλάσματος μάζας του μονοξειδίου του αζώτου στο εσωτερικό του κυλίνδρου κατά τη διάρκεια της καύσης και της αποτόνωσης.

The current Ph.D. Thesis has been conducted in the Laboratory of Internal Combustion Engines of the National Technical University of Athens (NTUA), where a computational fluid dynamics (CFD) model has been developed, in order to gain the know-how in such numerical tools. For this reason, a dedicated computer model has been originally developed. More precisely, a three-dimensional CFD model has been developed at curvilinear coordinates, for the calculation of transport phenomena in the cylinders of internal combustion engines. Moreover, the combustion phenomena have been simulated, concerning a hydrogen-fuelled spark-ignition engine, where additionally the exhaust nitric oxide emissions have been calculated. In order for more reliable simulations to occur, critical sub-models have been also developed and incorporated in the CFD code. Specifically, a heat transfer model has been developed, which is actually a wall-function, it includes a pressure and combustion term and is based on the compressible version of the law-of-the-wall. Additionally, a piston-crevice phenomenological model has been developed, with which the variation of the trapped gas mass can be calculated, together with the flow rates at every crevice region and the gas that is lost to the crankcase (blow-by). With the use of these two sub-models, the simulations become more realistic and reliable, since the mass transport phenomena is taken into consideration, and the local heat fluxes are predicted more adequately. It should be noted that no calibration constant is used in these two sub-models. For the simulation of combustion phenomena, a sub-model for the prediction of the premixed flame front has been developed, and incorporated to the CFD code. This sub-model can simulate the hydrogen flame development during the ignition and the turbulent development phases, in order for the reaction rates to be then calculated at the computational cells that have been swept (fully or partially) by the flame front. Also, exhaust nitric oxide emissions are calculated using the extended Zeldovich mechanism. In this sub-model only one calibration constant is used, existing in the expression of the turbulent flame speed. The main scope of this Ph.D. Thesis is the reliable and realistic simulation of transport phenomena, occurring in the cylinders of reciprocating internal combustion engines, at motoring conditions (in spark-ignition, Diesel and HCCI engines), and at fired engines (in hydrogen-fuelled spark-ignition engine), together with the calculation of nitric oxide exhaust emissions. From the investigation of various simulation cases it has been revealed that the mean and local gas flow-field is calculated adequately, and the turbulent mixing of air with hydrogen is predicted qualitatively correct, in comparison to a range of measured data and computational results of other relevant numerical tools. Concerning the evaluation of the developed heat transfer model, an extended investigation has been conducted in a large variety of engines and different operating conditions, both at motoring and firing conditions. The general conclusion is that with the use of this sub-model the local heat fluxes can be calculated with higher accuracy, in comparison to measured data, relevant to their peak values and their trend during the compression and expansion stroke. Additionally, this sub-model performs much better than the most widely ones, used in commercial/research CFD codes. The developed crevice sub-model has been tested at different engines and operating conditions. The cylinder pressure has been used for its evaluation, since it is a good indication of the trapped gas mass at every time-instant during the closed engine cycle. With the use of this sub-model the variation of the trapped gas mass is calculated, together with the gas that is lost to the crankcase, while the predicted cylinder pressure matches in good terms the measured one, both at motoring and firing conditions. Afterwards, the developed hydrogen combustion model has been also evaluated. A hydrogen-fuelled spark-ignition engine has been simulated, for which an extensive database of measurements is available, provided by another research team (Univ. of Ghent, Belgium). The expressions of the hydrogen laminar and turbulent flame speed have been first selected, together with the adjustment of the sole calibration constant used in the CFD model. Then, an extended evaluation took place, where the calculated results were compared to measured data, when varying the equivalence ratio, compression ratio and spark-timing. These results concern the cylinder pressure, gross heat release rate, gross indicated work and nitric oxide exhaust emissions. In every simulation case has been revealed that the combustion model can adequately calculate such demanding combustion phenomena with good accuracy, in comparison to measured data. Then a very detailed investigation took place, concerning the same hydrogen-fuelled spark-ignition engine, but at different operating conditions. This investigation deals with the quantification of the hydrogen combustion efficiency and the main loss mechanisms that have been identified (hydrogen loss to crankcase, unburned hydrogen at the exhaust, combustion products dissociation). Moreover, the heat loss to the cylinder walls has been calculated, together with the available thermal energy of the exhaust gas. A more detailed investigation followed, describing the local mechanism of nitric oxide production pattern for various equivalence ratios. This investigation provided the dependence of the nitric oxide emissions from the local gas temperature, and the interaction with the prevailing flow-field, since combustion products are mixed at mid/low engine loads, due to the weak swirling flow.