Performance enhancement, modeling, and optimization of dual fuel RCCI engine

Abstract

Çift yakıtlı RCCI motorunun performansının geliştirilmesi, modellemesi ve optimizasyonu Dizel motorların geliştirilmesi, geliştirilmiş yanma verimliliği ve geliştirilmiş motor performansının yanı sıra fosil yakıtların yanması sırasında oluşan ve küresel ısınmaya ve sera etkisine katkıda bulunan NOx, CO2, UHC ve CO gibi tehlikeli egzoz emisyonlarını azaltma çabalarına odaklanarak devam etmektedir. Çok sayıda araştırma incelemesi, düşük sıcaklıkta yanmanın (LTC) düşük NOx ve kurum emisyonları ürettiğini ve dizel benzeri termal verimliliği koruduğunu, hatta aştığını göstermiştir.Bu çalışma, yukarıda belirtilen zorlukların giderilmesine katkı sağlamak amacıyla, düşük sıcaklıklı yanma (LTC) konseptlerinden biri olan reaktiflik kontrollü sıkıştırma ateşlemeli (RCCI) bir yaklaşım önermektedir. RCCI yöntemi, yanma odasında farklı kendiliğinden tutuşma karakteristiklerine sahip iki yakıtın bir arada kullanılması esasına dayanır. Yakıt miktarları ile enjeksiyon parametreleri yanma zamanlamasını belirlerken, yakıtların mekansal tabakalaşması ise yanma sürecinin gelişimini şekillendirmektedir. Bu kapsamda, temel dizel motor çift yakıtlı çalışmaya uyarlanmış ve hem QD hem de CFD tabanlı yöntemler kullanılarak modellenmiştir. Temel motor modeli, Anadolu’dan elde edilen deneysel verilerle; RCCI motor modeli ise ilgili bir dergi makalesinde yayımlanan veriler aracılığıyla doğrulanmıştır.RCCI motorunda, düşük reaktiviteli yakıt (hidrojen veya metan) emme portundan, yüksek reaktiviteli yakıt (dizel) ise doğrudan silindire enjekte edilir. Bu araştırmanın temel odağı, gelişmiş sıkıştırma ateşlemeli yanma tekniklerinde metan ve hidrojenin düşük reaktiviteli yakıtlar olarak potansiyelini incelemekti. Araştırma çerçevesi iki ana bölümden oluşmaktadır: İlki metan/ dizel RCCI motoruna, ikincisi ise hidrojen/ dizel RCCI motoruna yöneliktir. Ardından, doğrulanan model, her iki durum için de sıkıştırma oranı (CR), Düşük reaktiviteli yakıtın enerji katkı oranı, egzoz gazı devridaimi (EGR) ve enjeksiyon başlangıcının etkilerini belirleyen bir parametrik çalışma yürütmek için kullanılmıştır. Her iki durum için de kapsamlı bir optimizasyon çalışması uyarlanmıştır. Bu çalışmanın amacı, egzoz emisyonlarını azaltmak ve performansı artırmaktır. Bu çalışmalar sayesinde, daha düşük emisyon ve daha yüksek motor verimliliği sağlayan parametreler belirlenmiştir. Optimize edilmiş çift yakıtlı motorda CO2, CO, UHC, NOx ve kurum emisyonları her iki durumda da önemli ölçüde azaltılmış ve en düşük yakıt tüketimi sağlanmıştır.

Performance enhancement, modeling, and optimization of dual fuel RCCI engine The development of diesel engines is ongoing, focusing on enhanced combustion efficiency and improved engine performance, as well as efforts to mitigate hazardous tailpipe emissions, such as NOx, CO2, UHC, and CO, formed during the combustion of fossil fuels and contributing to global warming and the greenhouse effect. Numerous research investigations have demonstrated that low Temperature Combustion (LTC) produces low NOx and soot emissions and maintains, or even exceeds, diesel-like thermal efficiency. This study proposes a reactivity-controlled compression ignition (RCCI) technique, an LTC approach to alleviate the aforementioned challenges. The RCCI method mixes two fuels with different auto-ignition qualities in the combustion chamber. The amounts of these two fuels and the injection parameters control the combustion timing, while their spatial stratification determines how long it lasts. The base diesel engine was modified to work on dual fuel, and both were modeled using QD and CFD simulation approaches. The base engine results were validated against experimental data from Anadolu, while the RCCI engine was validated against data from a journal paper. In the RCCI engine, the low-reactivity fuel (hydrogen or methane) is injected through the intake port, and the high-reactivity fuel (diesel) is injected directly into the cylinder. The main focus of this research was to examine the potential of methane and hydrogen as low-reactivity fuels in advanced compression-ignition combustion techniques. The research framework is organized into two primary parts: the first one for the methane/ diesel RCCI engine and the second one for the hydrogen/ diesel RCCI engine. Then, the validated model was used to conduct a parametric study for both cases, determining the effects of compression ratio (CR), low-reactivity fuel energy share, exhaust gas recirculation (EGR), and the start of injection. A comprehensive optimization study for both cases was adapted. The target of the present work is to reduce tailpipe emissions and enhance performance. Through these studies, the parameters that produce lower emissions and higher engine efficiency were determined. The Emissions of CO2, CO, UHC, NOx, and soot in the optimized dual-fuel engine were drastically reduced in both cases, along with the lowest fuel consumption.