Effect of CDC concept on the design parameters of heavy duty PPCI engine by use of multidimensional modeling

Abstract

BİR AĞIR İŞ PPCI MOTORUNUN TASARIM PARAMETRELERİNE CDC KAVRAMININ ETKİSİNİN ÇOK BOYUTLU MODELLEME KULLANILARAK İNCELENMESİ Homojen dolgulu sıkıştırma ateşlemeli (HCCI) kavramı, düşük NOx, is emisyonları ve yüksek verimlilik sebebiyle özellikle dizel motorlar için potansiyel bir yanma kavramına sahiptir. Sıkıştırma zamanı sırasındaki erken doğrudan püskürtme, HCCI konsepti içindeki NADITM kavramı ile bir seçenektir. Bu ise silindir içi yoğunluğun azalması sebebiyle cidara çarpma riskinin artması anlamına gelir. Cidara çarpmayı önlemek için yakıt spreyi çok iyi dağılmak zorundadır. Bu çalışmanın amacı Hesaplamalı Akışkanlar Dinamiğini (HAD) simülasyonu ve optimum doğrudan püskürtmeli HCCI’daki karışım oluşumuna göre yanma verimliliği ve düşük emisyonun optimizasyonunu elde etmek ve simülasyonunu yapmak için bir araç olarak kullanmaktır. NADITM kavramına göre 60o ve 80o sprey konik açılara sahip iki farklı nozul dikkate alınmıştır. Bu tez çalışması çok düşük motor-çıkış emisyonlarına ulaşmak için dizel yanmasının temellerinin bir araştırmasını göstermektedir. Öncelikle var olan bir tasarım incelenmiş ve gelecekteki emisyon sınırlamalarını karşılama potansiyelini sağlayacak bir konfigürasyon ve çalışma şartlarını tesis için PPCI modunun tek silindir simülasyon sonucuna dayanan bir değişiklik önerilmiş ve ikinci olarak yanma özelliklerinin ihtiyaçları anlaşılmasına yönelik bir anlayış geliştirme amaçlanmıştır. Çalışmanın ilk bölümü 1-B termodinamik simülasyonu kullanarak tek silindirli motor üzerinde yürütülen araştırmaların geçerliliğini göstermiş ve ileriki çalışmalar sağlam bir temel oluşturmuştur. İkinci bölümde silindir içi akış yeterliliklerinin etkileri, özellikle farklı türbülans modellerine göre soğuk akış incelenmiştir. Üçüncü bölümde, önemli ölçüde NOx düşüşüne neden olan püskürtme zamanlamasının etkisi araştırılmıştır. Kısmi önkarışım dolgulu yanma işlemi, yakıt tüketimi ve yanmamış hidrokarbon emisyonlarının artış-azalış ile NOx,CO ve is emisyonlarına yönelik faydasını göstermek için yeni çanak tasarımına uygulanmıştır. uygulanmıştır. Son olarak, CO, is ve NOx oluşum hesaplaması PPCI yanma için önerilmektedir.

EFFECT OF CDC CONCEPT ON THE DESIGN PARAMETERS OF A HEAVY DUTY PPCI ENGINE BY USE OF MULTIDIMENSIONAL MODELING The homogeneous charge compression ignition (HCCI) concept has a potential combustion concept for especially diesel engines, due to low NOx and soot emissions and high efficiency. Early direct-injection (DI) during the compression stroke is an option with NADITM concept in HCCI. This implies that the risk for wall impingement increases, due to the decreasing in-cylinder density. The fuel sprays has to be well dispersed in order to avoid wall impingement. The purpose of this work is to use Computational Fluid Dynamics (CFD) as a tool to simulate and evaluate the optimum of combustion efficiency and minimum emissions with respect to mixture formation in direct-injected HCCI. Two different nozzles are considered: two different nozzles with 60o and 80o spray cone angles in according to NADITM concept. The program of work described in this thesis represents an exploration of the fundamentals of diesel combustion to achieve ultra-low engine-out emissions. The objectives were firstly an existing design were explored and then the modification were suggested according to the result of single cylinder simulation of PPCI mode to establish operating conditions and configuration that offer the potential to meet future emissions legislation, and secondly to develop an improved understanding of these requirements on combustion characteristics. The initial part of the study demonstrated that the validity of conducting investigations on a single-cylinder engine by using 1D thermodynamic simulation and formed a solid baseline for following studies. In the second part it was examined that the effects of in-cylinder flow capabilities especially cold flow with respect to the different turbulence models. In the third part it was investigated that the impact of injection timing that led to significant NOx reductions. Partially premixed-charge combustion operation was applied to new bowl design to demonstrate NOx, CO and soot emissions benefits but also the trade-off with fuel consumption and UHC emissions. Finally, a CO, soot and NOx formation prediction is suggested for PPCI combustion.