Numerical modeling of spray-assisted dual-fuel ignition

Thumbnail Image

Files

isbn9789526085869.pdf (9.55 MB)

URL

Journal Title

Journal ISSN

Volume Title

School of Engineering | Doctoral thesis (article-based) | Defence date: 2019-05-31
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.

Authors

Date

2019

Department

Konetekniikan laitos
Department of Mechanical Engineering

Major/Subject

Mcode

Degree programme

Language

en

Pages

77 + app. 117

Series

Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 106/2019

Abstract

This dissertation belongs to the field of computational physics and chemistry with a research focus on reacting fuel sprays in internal combustion engine context. Computational fluid dynamics (CFD) and chemical kinetics modeling methods are utilized to simulate turbulent reacting fluid flows in engine conditions. The dissertation comprises four journal publications targeting the modeling of dual-fuel pilot ignition system, commonly used in natural gas engines. In such an ignition concept, high-reactivity fuel (e.g. diesel) is shortly injected into a mixture of low-reactivity natural gas and air during the compression stroke. Diesel fuel autoignites and releases enough energy to initiate a premixed natural gas-air flame. Hence, the diesel spray acts similar to a large spark. The use of natural gas as a primary fuel in engines is a contemporary topic of interest from the industrial and academic point of views. Utilization of a lean natural gas-air mixture together with modern low-temperature combustion techniques may enable reductions in emission levels. However, methane, the main component of natural gas, is a harmful greenhouse gas. Incomplete combustion due to e.g. unsuccessful ignition leads to direct methane emissions, degraded thermal efficiency and increase in fuel consumption. To avoid such complications, advanced ignition system designs have been proposed, including the dual-fuel pilot ignition. The focus of the present work is on the analysis of mixture formation and autoignition characteristics in engine conditions. The present study is the first numerical investigation on dual-fuel pilot spray ignition problem by large-eddy simulation (LES) and finite-rate chemistry. A major effort was put on creating a highly efficient finite-rate chemistry solver by utilizing two open source libraries OpenFOAM and pyJack. The developed solver framework enabled the use of high-resolution (62.5 micrometers) grid and complex chemical mechanisms (e.g. 97 species and 997 reactions) in the simulations. The investigated spray setup corresponds to the Engine Combustion Network (ECN) Spray A configuration. ECN provides an open-access data repository and a forum for international experimental and numerical collaboration, enabling an extensive validation of numerical models in terms of a single-fuel diesel spray. The dual-fuel simulations offer the following novel accomplishments: 1) The first published LES study on interactive physics and chemistry of the pilot spray ignition process. 2) The applied zero-, one- and three-dimensional simulations complement one another providing profound understanding on why methane prolongs diesel ignition. 3) Low- and high-temperature combustion characteristics are assessed, indicating the importance of low-temperature reactions. 4) Consistent with experiments, the connection between spray over-leaning and retarded ignition process is explained and quantified.

Tämä väitöskirja lukeutuu laskennallisen fysiikan ja kemian tutkimusalaan. Painopisteenä on reaktiivisten polttoainesuihkujen mallintaminen polttomottoreissa laskennallisen virtausmekaniikan ja kemian työkaluja hyödyntäen. Väitöskirja koostuu neljästä kansainvälisestä lehtijulkaisusta, jotka kaikki käsittelevät ns. sekundääripolttoaineen suoraruiskutusta maakaasumoottorin sytytysjärjestelmänä. Kyseisessä menetelmässä reaktiivista diesel-polttoainetta ruiskutetaan lyhyesti moottorin palotilaan, missä se puristuessaan syttyy ja mahdollistaa myös  maakaasu-ilmaseoksen syttymisen. Diesel-suihku toimii siis sytytystulpan korvikkeena. Maakaasun käyttö pääasiallisena polttoaineena polttomoottoreissa on herättänyt kiinnostusta viime vuosina. Maakaasun polttaminen hyödyntäen matalan lämpötilan palamistekniikoita mahdollistaa matalampien päästötasojen saavuttamisen. Maakaasu koostuu kuitenkin suureksi osin metaanista, joka itsessään on ilmastolle haitallinen kasvihuonekaasu. Vaillinainen palaminen kaasumoottorissa johtaa välittömiin metaanipäästöihin, heikentäen moottorin hyötysuhdetta, polttoainekustannuksia sekä kokonaisvaltaisia ympäristövaikutuksia. Ongelman välttämiseksi on kehitetty vaihtoehtoisia polttoaine-ilmaseoksen sytytystekniikoita, joista yllä kuvattu kaksoispolttoainekonsepti on tämän väitöskirjan aiheena. Tutkimuksen painopiste on ruiskutuksen mallintamisessa, polttoaineseoksen muodostumisessa sekä syttymisilmiön kartoittamisessa. Tässä työssä esitetään ensimmäinen laskennallinen malli kaksoispolttoainekonseptille käyttäen suurten pyörteiden menetelmää (LES) turbulenssin mal-lintamiseksi ja suoraa aikaintegrointia kemialle. Väitöskirjatyössä implementoitiin laskentamenetelmä yhdistäen kaksi modernia avoimen lähdekoodin ohjelmistoa nimeltään OpenFOAM ja pyJac. Kehitetyn laskenta-alustan avulla saavutettiin korkea paikkaresoluutio sekä laaja kemial-listen yhdisteiden määrä suhteessa aiempiin tutkimuksiin (62.5 mikrometriä, 97 yhdistettä ja 997 reak-tiota). Simulaatioiden lähtökohtana on "Engine Combustion Network" (ECN) Spray A-konfigu-raatio. ECN on kansainvälinen yhteistoiminnallinen organisaatio, joka mahdollistaa laajamittaisen vertailun laskennallisten ja kokeellisten mittausten välillä diesel-polttoaineen tapauksessa. Tutkimustyön saavutuksia ovat: 1) Ensimmäinen kansainvälinen lehtijulkaisu syttymisestä kaksoispolttoainekonseptissa LES-lähestymistapaa käyttäen. 2) Toisiaan vahvistavat nolla-, yksi- ja kolmiulotteiset simulaatiot, jotka tarjoavat lisätietoa prosesseista liittyen dieselin syttymisviiveen pidentymiseen metaani-ilmaseoksissa. 3) Matalan ja korkean lämpötilan palamisen ominaisuuksien määrittäminen, joihin liittyvät matalan lämpötilan kemialliset reaktiot todettiin erityisen tärkeiksi. 4) Yhdessä kokeiden kanssa simulaatiot selittävät diesel-seoksen laihenemisen ja pidentyvän syttymisviiveen välillä olevan yhteyden.

Description

Supervising professor

Vuorinen, Ville, Assist. Prof., Aalto University, Department of Mechanical Engineering, Finland

Thesis advisor

Kaario, Ossi, Dr., Aalto University, Department of Mechanical Engineering, Finland

Keywords

dual-fuel, pilot ignition, ECN, spray A, LES, diesel, metaani kaksoispolttoaine, syttyminen

Other note

Parts

  • [Publication 1]: H. Kahila, A. Wehrfritz, O. Kaario, M. Ghaderi Masouleh, N. Maes, B. Somers, V. Vuorinen. Large-eddy simulation on the influence of injection pressure in reacting Spray A. Combustion and Flame, 2018, 191, 142-159.
    Full text in Acris/Aaltodoc: http://urn.fi/URN:NBN:fi:aalto-201805222257
    DOI: 10.1016/j.combustflame.2018.01.004 View at publisher
  • [Publication 2]: H. Kahila, A. Wehrfritz, O. Kaario, V. Vuorinen. Large-eddy simulation of dual-fuel ignition: Diesel spray injection into a lean methane-air mixture. Combustion and Flame, 2019, 199, 131-151.
    DOI: 10.1016/j.combustflame.2018.10.014 View at publisher
  • [Publication 3]: H. Kahila, A. Zeeshan, O. Kaario, M. Ghaderi Masouleh, B. Tekgül, M. Larmi, V. Vuorinen. A large-eddy simulation study on the influence of diesel pilot spray quantity on methane-air flame initiation. Accepted for publication in Combustion and Flame, May 6th 2019.
  • [Publication 4]: M. Ghaderi Masouleh, A. Wehrfritz, O. Kaario, H. Kahila, V. Vuorinen. Comparative study on chemical kinetic schemes for dual-fuel combustion of n-dodecane/methane blends. Fuel, 191, 62-76, March 2017.
    DOI: 10.1016/j.fuel.2016.10.114 View at publisher

Citation

Permanent link to this item

https://urn.fi/URN:ISBN:978-952-60-8586-9

Collections

[diss] Insinööritieteiden korkeakoulu / ENG