Ανάλυση πολλαπλών κλιμάκων ανάφλεξης υδρογονανθράκων

Abstract

The growing need for energy in conjunction with the limited oil reserves, requires thorough study and detailed design of internal combustion engines, which have and, as it turns out, will continue to have a dominant role in the transport sector for decades to come. To this end, the main challenge to be addressed is to increase engine efficiency. For this reason, systematic studies are being carried out in order to reduce fuel consumption, with the design of modern engines imposing operation in extreme combustion conditions, such as very high pressures, lean mixes and low temperatures. Various technological solutions have been proposed in this respect, the most important of which being the technology based on chemical kinetics, named Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI). This dissertation explores the development of a methodology for understanding the dominant processes associated with the ignition phenomena of hydrocarbon mixtures for the control of their various intrinsic characteristics and properties, with a view to optimizing the operation of internal combustion engines (e.g. auto-ignition time, pollutant production, explosions, etc.). In particular, ignition time is a key factor in the internal combustion engines design and the use of additives for its control is applicable to chemical kinetics-based engine technologies such as HCCI. To this end, the algorithmic tools derived from the Computational Singular Perturbation (CSP) methodology were used in order to investigate various auto-ignition problems of methane and n-heptane mixtures with air. This study focuses on four problems of homogeneous adiabatic auto-ignition, which simulate HCCI engine technology.Starting with methane, which is the main component of natural gas and the elementary hydrocarbon, in the chemistry of which every hydrocarbon ends, the dynamics of the dominant chemical kinetics is analyzed for its autoignition with air. The identification of the dominant reactions that promote or oppose methane autoignition provided a physical insight for understanding the mechanism that governs autoignition and was used as a guide for studying the autoignition mechanism of more complex hydrocarbons. n-heptane was selected as a complex fuel of study, because it is a gasoline component, it is used as a surrogate diesel fuel and it is commonly used in the HCCI technology research, since it has been observed that, under certain conditions, to be associated with engine explosions. Therefore, a better understanding of the n-heptane ignition mechanism is important for the realization of the potential benefits of HCCI engines. The development of a systematic methodology for selecting potential additives that have a significant effect on the ignition delay time when added in the initial mixture has shown that adding CH2O and H2O2 significantly reduce the ignition delay time of methane mixtures and their use is indicated to have a similar effect on the ignition delay time of any other hydrocarbon, since the importance of the reaction H2O2 (+M) → OH + OH (+M) for ignition was identified in all the mechanisms used, in each of the fuels, under all the different initial conditions. Furthermore, it was shown that as the autoignition process evolves, the nature of the chemical species and the reactions promoting ignition also evolves. Finally, the mechanism by which the explosion and the produced knock develop and affect the combustion chamber of a n-heptane/air mixture, was identified. This work combines three different fields of specialization: (i) applied mathematics, (ii) combustion and (iii) chemical kinetics. The need to use applied mathematics is highlighted by the wide range of time scales characterizing the dynamics of the physical processes being studied. The fields of combustion and chemical kinetics are inherently related to the dissertation subject, since the main issues of the analysis are (i) the configuration and operating conditions of the auto-ignition process of the fuels under consideration and (ii) the chemical kinetics mechanisms used. This study makes a major contribution to the environmental sustainability, aiming to establish reliable ignition. In particular, (i) the basic principles for the efficient use of fuels are defined and (ii) the study allows for the development of methodologies for the clean and efficient use of fuels in existing engines. The results of this research can lead to combustion processes that reduce exhaust gas emissions and slow the rate of use of mineral resources. Moreover, the identification of the basic principles of combustion enables interference in the design and modeling of new internal combustion engines. The method developed in this thesis, both for the study of dominant processes and for the systematic selection of additives in mixtures, is algorithmic in nature and therefore not obstructed by the size, type or complexity of the mathematical model governing the physical process under consideration. As a result, although the study is performed for a given fuel, it can be successfully applied to any other fuel.

Η ολοένα αυξανόμενη ανάγκη για ενέργεια σε συνδυασμό με τα περιορισμένα αποθέματα πετρελαίου, επιβάλλουν την εξονυχιστική μελέτη και το λεπτομερή σχεδιασμό των μηχανών εσωτερικής καύσης, οι οποίες έχουν και, όπως όλα δείχνουν, θα συνεχίσουν να έχουν για τις επόμενες δεκαετίες, πολύ σημαντικό ρόλο στον τομέα των μεταφορών. Για το λόγο αυτό, η κυρίαρχη πρόκληση που πρέπει να αντιμετωπιστεί είναι η αύξηση της απόδοσης των κινητήρων. Στα πλαίσια αυτού του σκοπού, γίνεται συστηματική μελέτη για τη μείωση της κατανάλωσης του καυσίμου, με το σχεδιασμό των μοντέρνων κινητήρων να επιβάλει λειτουργίες σε ακραίες συνθήκες καύσης, όπως πολύ υψηλές πιέσεις, φτωχά μίγματα και χαμηλές θερμοκρασίες. Διάφορες τεχνολογικές λύσεις έχουν προταθεί προς αυτήν την κατεύθυνση, με κυριότερη και σημαντικότερη ίσως, την τεχνολογία που βασίζεται στη χημική κινητική με την καύση ομογενούς μίγματος με συμπίεση (HCCI). Η συγκεκριμένη διατριβή διερευνά την ανάπτυξη μεθοδολογίας για την κατανόηση των κυρίαρχων διεργασιών στην ανάφλεξη μιγμάτων υδρογονανθράκων για τον έλεγχο των διαφόρων χαρακτηριστικών και ιδιοτήτων τους, όπως το χρόνος αυτανάφλεξης, την παραγωγή ρύπων ή την εκδήλωση έκρηξης, με σκοπό τη βελτιστοποίηση της λειτουργίας κινητήρων που σχεδιάζονται με την HCCI τεχνολογία. Η ανάλυση επικεντρώνεται στον έλεγχο του χρόνου ανάφλεξης με χρήση πρόσθετων, καθώς ο χρόνος ανάφλεξης αποτελεί βασικό μέγεθος στο σχεδιασμό ενός κινητήρα εσωτερική καύσης και η χρήση πρόσθετων για τον έλεγχό του βρίσκει εφαρμογή σε τεχνολογίες κινητήρων που βασίζονται στη χημική κινητική, όπως η HCCI. Για το σκοπό αυτό, τα αλγοριθμικά εργαλεία της υπολογιστικής μεθόδου ιδιόμορφων διαταραχών Computational Singular Perturbation (CSP) χρησιμοποιήθηκαν για τη μελέτη τεσσάρων προβλημάτων ισόχωρης αδιαβατικής ομοιογενούς αυτανάφλεξης, η οποία μοντελοποιεί την τεχνολογία HCCI, σε μίγματα μεθανίου και κανονικού επτανίου με τον αέρα. Ξεκινώντας από το μεθάνιο, το οποίο αποτελεί το κύριο συστατικό του φυσικού αερίου και τον στοιχειώδη υδρογονάνθρακα, στη χημεία της ανάφλεξης του οποίου καταλήγει η χημεία ανάφλεξης κάθε υδρογονάνθρακα, αναλύεται η κυρίαρχη δυναμική της χημικής κινητικής της αυτανάφλεξής του με τον αέρα. Η αναγνώριση των κυρίαρχων αντιδράσεων που προωθούν ή αντιτίθενται της αυτανάφλεξης του μεθανίου παρείχε τη φυσική εικόνα για την κατανόηση του μηχανισμού που διέπει την αυτανάφλεξη, η οποία αποτέλεσε οδηγό για τη μελέτη της ανάφλεξης πιο πολύπλοκων υδρογονανθράκων. Το κανονικό επτάνιο επιλέχθηκε ως πολύπλοκο καύσιμο μελέτης, διότι χρησιμοποιείται ως συστατικό στη βενζίνη, αποτελεί υποκατάστατο καύσιμο ντίζελ, ενώ χρησιμοποιείται στην έρευνα της τεχνολογίας HCCI καθώς έχει παρατηρηθεί ότι υπό συνθήκες σχετίζεται με την εκδήλωση έκρηξης στους κινητήρες. Συνεπώς, η καλύτερη κατανόηση του μηχανισμού που διέπει την ανάφλεξη του κανονικού επτανίου είναι σημαντική για την πραγματοποίηση των πιθανών πλεονεκτημάτων των κινητήρων HCCI. Η ανάπτυξη μεθοδολογίας για την επιλογή πιθανών πρόσθετων στο αρχικό μίγμα έδειξε ότι η προσθήκη CH2O και H2O2 έχει τη μεγαλύτερη επίδραση στο χρόνο ανάφλεξης στα μίγματα μεθανίου, ενώ η χρήση αυτών υποδεικνύεται ότι μπορεί να έχει αντίστοιχη επίδραση στο χρόνο ανάφλεξης κάθε άλλου υδρογονάνθρακα, καθώς η σημαντικότητα της αντίδρασης H2O2 (+M) → OH + OH (+M) για την ανάφλεξη αναγνωρίστηκε σε όλους τους μηχανισμούς που χρησιμοποιήθηκαν, σε κάθε ένα από τα καύσιμα, σε όλες τις διαφορετικές αρχικές συνθήκες. Περαιτέρω, δείχθηκε ότι καθώς εξελίσσεται η διαδικασία της αυτανάφλεξης, εξελίσσεται επίσης η φύση των χημικών ειδών και των αντιδράσεων που προωθούν την ανάφλεξη. Τέλος αναγνωρίστηκε ο μηχανισμός με τον οποίο εκδηλώνεται και επιδρά η έκρηξη και το παραγόμενο κρουστικό κύμα στο θάλαμο καύσης σε μίγμα κ-επτανίου/αέρα. Η συγκεκριμένη έρευνα συνδυάζει τρία διαφορετικά πεδία εξειδίκευσης: (i) τα εφαρμοσμένα μαθηματικά, (ii) την καύση και τη (iii) χημική κινητική. Η ανάγκη χρησιμοποίησης του τομέα των εφαρμοσμένων μαθηματικών αναδεικνύεται από το ευρύ φάσμα χρονοκλιμάκων που χαρακτηρίζει τη δυναμική των φυσικών διεργασιών που μελετώνται. Τα πεδία της καύσης και χημικής κινητικής σχετίζονται εγγενώς με το θέμα της διατριβής, δεδομένου ότι κεντρικά ζητήματα της ανάλυσης είναι (i) οι συνθήκες διαμόρφωσης και λειτουργίας της διαδικασίας αυτανάφλεξης των καυσίμων που εξετάζονται και (ii) οι μηχανισμοί χημικής κινητικής που χρησιμοποιούνται. Η έρευνα αυτή έχει μεγάλη συμβολή στην περιβαλλοντική βιωσιμότητα, στοχεύοντας στον καθορισμό αξιόπιστης ανάφλεξης. Ειδικότερα, (i) ορίζονται οι βασικές αρχές για την αποδοτική χρήση των καυσίμων και (ii) επιτρέπει την ανάπτυξη μεθοδολογιών για την καθαρή και αποδοτική χρήση των καυσίμων στις υπάρχουσες μηχανές. Τα αποτελέσματα της έρευνας μπορούν να οδηγήσουν σε διεργασίες καύσης που θα μειώσουν τις εκπομπές αερίων θερμοκηπίου και θα επιβραδύνει το ρυθμό χρήσης των ορυκτών πόρων. Επιπλέον ο προσδιορισμός των βασικών αρχών καύσης μέσω των εργαλείων αυτών δίνει τη δυνατότητα παρέμβασης στο σχεδιασμό και μοντελοποίησης νέων κινητήρων. Η μέθοδος που αναπτύσσεται στην παρούσα διατριβή, τόσο για τη μελέτη των κυρίαρχων διαδικασιών, όσο και για τη συστηματική επιλογή πρόσθετων στα μίγματα, έχει αλγοριθμικό χαρακτήρα και, συνεπώς, δεν εμποδίζεται από το μέγεθος, το είδος ή την πολυπλοκότητα του μαθηματικού μοντέλου που διέπει τη φυσική διαδικασία υπό μελέτη. Ως αποτέλεσμα, αν και η μελέτη πραγματοποιείται για δεδομένα καύσιμα, μπορεί να εφαρμοστεί επιτυχώς σε οποιοδήποτε άλλο καύσιμο.