Impact of the cycle-to-cycle variation of an internal combustion engine to gaseous pollutants emissions

Abstract

This work focuses on the computational and experimental investigation of cyclic emission variability, particularly on NOx emissions. In this context, this thesis contributes towards clarifying the following gray aspects of future engine development: a) the development and validation of a detailed chemistry emission model for the kinetically prediction of the gaseous pollutants emissions, b) the experimental investigation of cyclic emission variability, using fast response analyzersand the correlation with combustion characteristics, c) the utilization of the detailed chemistry model for the improved prediction of emission variability under engine homogeneous conditions.The first and third objectives requires the development of an advance emission modelthat presents improved accuracy compared to conventional emission approaches. This is performed with the utilization of a detailed chemical reaction scheme, assuming that eachburned zone is a well-stirred reactor. Compared to existing emission models, the modelis characterized by the absence of both the use of chemical equilibrium and any tuningparameter or calibration factor. The model presents computational time in the same orderof magnitude of conventional emission models. As this model presents improved accuracy of NO emissions and reduced computational time, it can contribute to the design of more efficient engines.Regarding the second objective, in this study is experimentally explained how combustion variability affects emissions variability. Although the impact of cyclic combustion variability has been extensively investigated in the past, only very little concern has been paid on cyclic emission variability. This experimental study presents the impact of various engine parameters, such as engine load, equivalence ratio, and ignition timing on cyclic emission variability.

Η εργασία στοχεύει στην υπολογιστική και πειραματική διερεύνηση της επίδρασης της κυκλικής διακύμανσης της καύσης σε κινητήρες, στο σχηματισμό ρύπων. Έμφαση δίνεται στις εκπομπές οξειδίων του αζώτου (NOx). Στο πλαίσιο αυτό, η παρούσα διδακτορική διατριβή συμβάλλει σε μια ερευνητική περιοχή που λίγο έχει μελετηθεί, μέσω των ακολούθων τριών προσεγγίσεων: α) της ανάπτυξης και επαλήθευσης ενός μοντέλου πρόβλεψης σχηματισμού ρύπων από κύκλο σε κύκλο, με χρήση ενός αναλυτικού μηχανισμού χημικών αντιδράσεων, β) Της πειραματικής διερεύνησης της κυκλικής διακύμανσης των εκπομπών ρύπων χρησιμοποιώντας αναλυτές ταχείας απόκρισης και συσχετίζοντας τα χαρακτηριστικά καύσης με τους μετρημένους σχηματιζόμενους ρύπους, γ) της χρήσης του προτεινόμενου μοντέλου πρόβλεψης σχηματισμού ρύπων και των πειραματικών δεδομένων, με στόχο τη διερεύνηση της δυνατότητας μοντελοποίησης της διακύμανσης των εκπομπών ρύπων.Το πρώτο και το τρίτο βήμα προϋποθέτουν ότι το νέο μοντέλο πρόβλεψης σχηματισμού ρύπων πρέπει να παρουσιάζει βελτιωμένη ακρίβεια σε σχέση με τα υπάρχοντα μοντέλα που υπάρχουν στην βιβλιογραφία. Το μοντέλο που αναπτύχθηκε χρησιμοποιεί έναν αναλυτικό μηχανισμό χημικής κινητικής και υποθέτει ότι κάθε “υπολογιστική” ζώνη καύσης είναι ένας ομογενής αντιδραστήρας. Σε σύγκριση με τα υπάρχοντα μοντέλα, το προτεινόμενο μοντέλο πλεονεκτεί διότι δεν απαιτεί τη χρήση της απλοποιημένης υπόθεσης χημικής ισορροπίας για τον υπολογισμό κανενός ρύπου καθώς και δεν απαιτεί τη χρήση οποιασδήποτε αυθαίρετης παραμέτρου για τη βαθμονόμησή του. Επιπλέον, το προτεινόμενο μοντέλο αναλυτικής χημείας απαιτεί υπολογιστικό χρόνο της ίδιας τάξης μεγέθους με τα παλαιότερα μοντέλα της βιβλιογραφίας. Δεδομένου ότι το προτεινόμενο μοντέλο παρουσιάζει βελτιωμένη ακρίβεια στην πρόβλεψη των εκπομπών οξειδίων του αζώτου (ΝΟx) σε σχέση με τα υπάρχοντα μοντέλα, χωρίς να αυξάνεται σημαντικά ο υπολογιστικός χρόνος, γίνεται σαφές ότι η συγκεκριμένη καινοτομία μπορεί να συμβάλει στον πιο αποδοτικό σχεδιασμό των μηχανών εσωτερικής καύσης.Ο δεύτερος στόχος αυτής της εργασίας είναι η πειραματική διερεύνηση της κυκλικής διακύμανσης των εκπομπών ρύπων. Αν και η επίδραση της κυκλικής διακύμανσης της καύσης έχει ερευνηθεί εκτενώς στην βιβλιογραφία, μόνο ένας πολύ μικρός αριθμός δημοσιεύσεων υπάρχουν πάνω στην πειραματική διερεύνηση της κυκλικής διακύμανσης των σχηματιζόμενων ρύπων κατά την καύση. Η πειραματική μελέτη που παρουσιάζεται σε αυτή την εργασία εστιάζει στην ποσοτικοποίηση της επίδρασης των διαφόρων παραμέτρων του κινητήρα, όπως το φορτίο, ο λόγος αέρα, και ο χρονισμός της ανάφλεξης στην κυκλική διακύμανση των εκπομπών.