Αριθμητική προσομοίωση καύσης και εκπομπής μονοξειδίου του αζώτου κινητήρων Otto αερίων βιοκαυσίμων: Ενεργειακή και εξεργειακή ανάλυση

Abstract

Βασικός σκοπός της παρούσας διδακτορικής διατριβής ήταν η ανάπτυξη ενός προωθημένου θερμοδυναμικού μοντέλου προσομοίωσης του κλειστού κύκλου λειτουργίας κινητήρων Otto προαναμειγμένης γόμωσης με στόχο την πρόβλεψη της λειτουργικής τους συμπεριφοράς και των εκπομπών μονοξειδίου του αζώτου. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκε εφαρμογή εξεργειακής ανάλυσης στη γόμωση του κυλίνδρου με στόχο την ποσοτικοποίηση των καταστροφών και απωλειών εξέργειας (διαθεσιμότητας) που λαμβάνουν χώρα εντός του θαλάμου καύσης. Ο συνδυασμός μοντέλου προσομοίωσης – εξεργειακής ανάλυσης εφαρμόστηκε στην ενδιαφέρουσα περίπτωση λειτουργίας κινητήρων Otto με αέρια βιοκαύσιμα. Τέλος, αναπτύχθηκε επιμέρους μοντέλο με στόχο να μελετηθεί η επίδραση της γεωμετρίας συμβατικών θαλάμων καύσης κινητήρων Otto στα γεωμετρικά χαρακτηριστικά του διαδιδόμενου μετώπου της φλόγας, τα οποία επηρεάζουν το ρυθμό καύσης και το ρυθμό απωλειών θερμότητας μέσω των τοιχωμάτων του κυλίνδρου.

Το μοντέλο προσομοίωσης αναπτύχθηκε σε δύο στάδια. Αρχικά, αναπτύχθηκε 0-διαστατικό μοντέλο προσομοίωσης, το οποίο χρησιμοποιήθηκε αποκλειστικά για να επιβεβαιωθεί ότι το πολυζωνικό μοντέλο που ενσωματώνει για την περιγραφή της θερμοδυναμικής κατάστασης της γόμωσης του κυλίνδρου, διαιρώντας το καμένο αέριο σε πολλαπλές διακριτές ζώνες, παρέχει ακριβέστερες προβλέψεις εκπομπών μονοξειδίου του αζώτου απ’ ό,τι τα απλούστερα διζωνικά μοντέλα. Το 0-διαστατικό μοντέλο προσομοίωσης περιλαμβάνει ένα 0-διαστατικό μοντέλο καύσης, το οποίο χρησιμοποιείται για να προδιαγραφεί η λειτουργική συμπεριφορά του κινητήρα, αφού προηγηθεί βαθμονόμησή του σε κάθε σημείο λειτουργίας ξεχωριστά. Εφαρμογή του 0-διαστατικού μοντέλου προσομοίωσης πραγματοποιήθηκε για λειτουργία ενός κινητήρα Otto με αέριο σύνθεσης σε διάφορες περιπτώσεις φορτίου.

Στη συνέχεια, το 0-διαστατικό μοντέλο προσομοίωσης αναβαθμίστηκε σε οιονεί-διαστατικό (προωθημένο μοντέλο προσομοίωσης) με την αντικατάσταση του 0-διαστατικού μοντέλου καύσης με ένα οιονεί-διαστατικό για την προσομοίωση της διάδοσης της φλόγας εντός του θαλάμου καύσης. Πέραν της πρόβλεψης των εκπομπών μονοξειδίου του αζώτου, το οιονεί-διαστατικό μοντέλο προσομοίωσης χρησιμοποιήθηκε για την πρόβλεψη της λειτουργικής συμπεριφοράς ενός κινητήρα Otto λειτουργούντα με μείγματα βιοαερίου-υδρογόνου μεταβλητής συγκέντρωσης υδρογόνου. Μέσω του οιονεί-διαστατικού μοντέλου καύσης, προβλέπεται ο ρυθμός έκλυσης θερμότητας, η διάδοση και ταχύτητα της φλόγας εντός του θαλάμου καύσης, καθώς και η απόκρισή της στους ρυθμούς τάσης που αυτή υφίσταται λόγω επιδράσεων καμπυλότητας και αεροδυναμικής (τυρβώδους) τάσης στη γενική περίπτωση όπου ο αριθμός Lewis του καυσίμου μείγματος είναι διαφορετικός της μονάδας. Επίσης, παρέχονται εκτιμήσεις της δομής της φλόγας και, συνεπώς, της φαινομενολογίας της καύσης.

Εφαρμογή εξεργειακής ανάλυσης πραγματοποιήθηκε τόσο στο 0- όσο και στο οιονεί-διαστατικό μοντέλο προσομοίωσης. Στα πλαίσια της πολυζωνικής θεώρησης της γόμωσης του κυλίνδρου, η εξίσωση ισοζυγίου διαθεσιμότητας εφαρμόζεται σε κάθε ζώνη ξεχωριστά, λαμβάνοντας υπόψη για τον υπολογισμό των μη-αντιστρεψιμοτήτων της καύσης την τοπική θερμοκρασία καύσης. Ποσοτική αποτίμηση του βαθμού της θερμοδυναμικής τελειότητας (αντιστρεψιμότητας) της διεργασίας της καύσης επιτυγχάνεται με την εισαγωγή του εξεργειακού βαθμού απόδοσης καύσης. Επίσης, αναγνωρίζονται και ποσοτικοποιούνται όλες οι συνιστώσες διαθεσιμότητας που απαρτίζουν την ολική διαθεσιμότητα κάθε ζώνης με βάση τη σύστασή της.

Τα σημαντικότερα αποτελέσματα της παρούσας διδακτορικής διατριβής έχουν ως εξής: • Το προωθημένο μοντέλο προσομοίωσης προβλέπει ορθά την επίδραση λειτουργικών παραμέτρων και παραμέτρων καυσίμου στη λειτουργική συμπεριφορά (πίεση κυλίνδρου, κλάσμα καμένης μάζας) και τις εκπομπές μονοξειδίου του αζώτου κινητήρων Otto. • Η χρήση πολυζωνικού μοντέλου για την περιγραφή της θερμοδυναμικής κατάστασης της γόμωσης του κυλίνδρου βελτιώνει σημαντικά την ακρίβεια των προβλέψεων των εκπομπών μονοξειδίου του αζώτου συγκριτικά με την περίπτωση χρησιμοποίησης διζωνικού μοντέλου. • Το προωθημένο μοντέλο προσομοίωσης αναπαράγει ποιοτικά ορθά το μηχανισμό στρωμάτωσης θερμοκρασιών και συγκεντρώσεων μονοξειδίου του αζώτου εντός του καμένου αερίου κατά τη διάρκεια της καύσης. • Κατά τη διάρκεια του κλειστού κύκλου λειτουργίας των κινητήρων Otto, καταστροφή διαθεσιμότητας λαμβάνει χώρα αποκλειστικά στη φάση της καύσης. • Ο βαθμός της αντιστρεψιμότητας της καύσης καθορίζεται σε μεγάλο βαθμό από τη θερμοκρασία καύσης. • Η προσθήκη υδρογόνου στο βιοαέριο οδηγεί σε επιτάχυνση της διεργασίας ανάπτυξης της φλόγας, όπως υποδεικνύεται τόσο από τη μείωση της γωνίας ανάπτυξης της φλόγας όσο και από την αύξηση του ρυθμού της καύσης, της ταχύτητας διάδοσης του μετώπου της φλόγας και των χαρακτηριστικών ταχυτήτων καύσης κατά το αρχικό στάδιο αυτής. • Ο συνδυασμός του υψηλού συντελεστή διάχυσης μάζας του υδρογόνου και των θετικά τεταμένων φλογών των κινητήρων Otto έχει ως αποτέλεσμα την αύξηση της έντασης της καύσης λόγω ύπαρξης τάσης φλόγας. • Η προσθήκη υδρογόνου στο βιοαέριο οδηγεί σε μείωση των μη-αντιστρεψιμοτήτων της καύσης. • Αύξηση του εμβαδού του μετώπου της φλόγας επιτυγχάνεται για θαλάμους καύσης με κοιλότητα εμβόλου και θαλάμους καύσης με κεντρική έναυση, με την επίδραση της θέσης του σπινθηριστή να υπερτερεί αυτής της μορφής του θαλάμου καύσης. • Θάλαμοι καύσης με κεντρική έναυση οδηγούν σε μείωση της διάρκειας της καύσης.

The main scope of the present PhD dissertation was the development of an advanced thermodynamic simulation model of the closed part of the operating cycle of homogeneous charge spark ignition engines for the prediction of performance and nitric oxide emissions. In addition, exergy analysis of the cylinder charge was applied in order to quantify the destruction and loss of exergy (availability) taking place inside the combustion chamber. The combination of simulation model and exergy analysis was applied to the interesting case of spark ignition engines operation on gaseous biofuels. Finally, a special model was developed in order to study the effect of the geometry of conventional combustion chambers of spark ignition engines on the geometric characteristics of the propagating flame front, influencing the rate of combustion and the rate of heat loss through the cylinder walls.

The simulation model was developed in two stages. Initially, a zero-dimensional simulation model was developed merely to verify that the multi-zone model incorporated for the description of the thermodynamic state of the cylinder charge, which was implemented by dividing the burned gas into multiple distinct zones, results in more accurate predictions of nitric oxide emissions, when compared to the simpler two-zone models. The zero-dimensional simulation model includes a zero-dimensional combustion model, which, after being calibrated at each operating point, is used in order to pre-specify the engine performance. Application of the zero-dimensional simulation model was carried out for a spark ignition engine operating on syngas fuel over various load cases.

Then, the zero-dimensional simulation model was upgraded to a quasi-dimensional one (advanced simulation model). This was accomplished by substituting the zero-dimensional combustion model for a quasi-dimensional one, simulating the propagation of the flame inside the combustion chamber. Apart from predicting nitric oxide emissions, the quasi-dimensional simulation model was used for the prediction of the performance of a spark ignition engine operating on variable composition biogas-hydrogen blends. The quasi-dimensional combustion model predicts the rate of heat release, the propagation and speed of the flame inside the combustion chamber, as well as the response of the flame to the induced stretch rates due to curvature and aerodynamic (turbulent) strain effects for the general case of nonunity Lewis number mixtures. In addition, the structure of the flame and, therefore, the phenomenology of the combustion process can be evaluated.

Both the zero- and quasi-dimensional simulation models were used for the application of exergy analysis. Within the framework of the multi-zone treatment of the cylinder charge, the availability balance equation is applied to each zone individually, with the local combustion temperatures taken into account for the calculation of the combustion irreversibilities. The degree of thermodynamic perfection (reversibility) of the combustion process is quantitatively assessed by the introduction of the combustion exergetic efficiency. Also, all availability components constituting the total availability of each zone are identified and quantified based on its composition.

The main results of the present PhD dissertation are the following: • The advanced simulation model predicts correctly the effect of operating and fuel parameters on the performance (cylinder pressure, mass fraction burned) and nitric oxide emissions of spark ignition engines. • The use of a multi-zone model for the description of the thermodynamic state of the cylinder charge improves significantly the accuracy of nitric oxide emissions predictions comparatively to the use of a two-zone model. • The advanced simulation model reproduces qualitatively in a correct manner the mechanism of temperature and nitric oxide concentration stratification developed throughout the burned gas during combustion. • During the closed part of the operating cycle of spark ignition engines, destruction of availability takes place only throughout the combustion phase. • The degree of reversibility of the combustion process is determined mainly by the combustion temperatures. • The addition of hydrogen in biogas results in the acceleration of the flame development process, as indicated both by the reduction of the flame-development angle and the increase of the rate of combustion, the flame front propagation speed and the combustion velocities during the early stages of combustion. • The high mass diffusivity of hydrogen, combined with the positively stretched flames of spark ignition engines, results in the enhancement of the burning intensity due to flame stretch effects. • The addition of hydrogen in biogas results in combustion irreversibilities reduction. • Increase in the area of the flame front is achieved for bowl-in-piston combustion chambers and combustion chambers with centre ignition, with the effect of spark plug position predominating over that of combustion chamber shape. • Combustion chambers with centre ignition result in combustion duration reduction.