Theoretical and experimental investigation of the flow field and visualisation of the flame in internal combustion engines using renewable fuels

Abstract

The internal combustion engine will remain the major propulsion system for land transportation, for at least the next decade, as the transition to full electrification will not be imminent. The automotive industry always looks for cleaner and more efficient technologies and biofuels are a promising alternative to fossil fuels that reduce the net production of greenhouse gases (GHG) and they can be used in existing vehicle engines. The change of fuel requires a detailed re-assessment of the flow and combustion phenomena in order to improve the combustion efficiency and emissions. In order to achieve this, it is important to understand and control the in – cylinder flow evolution, and primarily the Tumble development as it is strongly linked with the mixing preparation, combustion process and emissions production. Flow field measurements were obtained by using low repetition rate PIV and time resolved PIV techniques in a 475cc optical single – cylinder Gasoline Direct Injection (GDI) spark ignition engine. Moreover, flame visualization and emission measurements were performed for gasoline and two biofuel blends. The results include flow fields visualisation using these two PIV techniques. Alongside, Large Eddy Simulation and Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS) simulations which were carried out in collaborating research laboratories using real engine geometry and initial conditions similar to the experiment, were used to compare the flow field and validate quantities such as Turbulent Kinetic Energy (TKE) and Tumble Ratio (TR). Moreover, quantitative comparison was conducted by using the relevance (RI) and the magnitude (MI) indices; and, the Γ1 criterion was used to identify the center of vortex structures. Subsequently, flame visualization measurements were conducted at different intake pressures (850mBar & 700mBar), engine speeds (1000, 1500, 2000 RPMs), injection strategies (single, double) and two air / fuel ratios (λ=1 & λ=1,2). This work showed that a tumble-like motion with Counterclockwise rotation (CCW) was present when the intake valves were open and continued to evolve at the intake and compression stroke. Comparing the experimental and simulation results, the same trend was observed for the TKE and TR at the intake stroke. The RI and MI gave acceptable quantitative comparison of the flow field for values above 60% and 80% respectively, and the Γ1 algorithm estimated the vortex center in both approaches, giving a good agreement in some CADs. Regarding the combustion process the stoichiometric combustion presented higher flame speed and higher rate of flame diameter growth. The ETBE20 presented the fastest flame development compared with other fuels under the same conditions. The emissions showed a decreasing trend by using biofuels blends.

Οι μηχανές εσωτερικής καύσης θα παραμείνουν το σημαντικότερο σύστημα πρόωσης για χερσαίες μεταφορές, τουλάχιστον για την επόμενη δεκαετία, καθώς η μετάβαση στην πλήρη ηλεκτροκίνηση δεν είναι εφικτή στο άμεσο μέλλον. Η αυτοκινητοβιομηχανία αναζητά καθαρότερες και πιο αποτελεσματικές τεχνολογίες. Η χρήση βιοκαυσίμων αποτελεί μια πολλά υποσχόμενη εναλλακτική λύση στη χρήση ορυκτών καυσίμων καθώς μειώνουν την καθαρή παραγωγή αερίων θερμοκηπίου (GHG) και μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε υπάρχοντες κινητήρες οχημάτων. Η αλλαγή καυσίμου απαιτεί εκ νέου διερεύνηση του ροϊκού πεδίου και των φαινομένων καύσης για τη βελτίωση της απόδοσης καύσης και των εκπομπών. Για να επιτευχθεί αυτό, είναι σημαντικό να κατανοήσουμε και να ελέγξουμε την ροής εντός κυλίνδρου, και κυρίως την ανάπτυξη του Tumble, καθώς συνδέεται στενά με την προετοιμασία της ανάμειξης, τη διαδικασία καύσης και τις εκπομπές ρύπων. Το πεδίο ροής μελετήθηκε με τη χρήση τεχνικών PIV χαμηλής χρονικής αλλά και υψηλής χρονικής ανάλυση (TR – PIV) σε οπτικό μονοκύλινδρο κινητήρα ανάφλεξης με σπινθηριστή, άμεσου ψεκασμού (GDI) 475 κυβικών εκατοστών. Επιπλέον, πραγματοποιήθηκε οπτικοποίηση της φλόγας και μετρήσεις εκπομπών ρύπων για βενζίνη και δύο μείγματα βιοκαυσίμων. Τα αποτελέσματα περιλαμβάνουν απεικόνιση πεδίων ροής χρησιμοποιώντας τις δύο τεχνικές PIV που προαναφέρθηκαν. Παράλληλα, τα αποτελέσματα από προσομοιώσεις Large Eddy Simulation (LES) και Reynolds Averaged Navier Stokes (RANS) χρησιμοποιώντας την πραγματική γεωμετρία του κινητήρα και αρχικές συνθήκες παρόμοιες με το πείραμα, που πραγματοποιήθηκαν σε συνεργαζόμενα ερευνητικά εργαστήρια, χρησιμοποιήθηκαν προκειμένου να συγκριθεί το πεδίο ροής, καθώς και ποσοτικά μεγέθη όπως η Τυρβώδης Κινητική Ενέργεια (TKE) και ο Λόγος Περιδίνησης (TR). Επιπλέον, πραγματοποιήθηκε ποσοτική σύγκριση με τη χρήση δεικτών συνάφειας (RI) και μεγέθους (MI) διανυσμάτων. Ακόμη το κριτήριο Γ1 χρησιμοποιήθηκε για τον προσδιορισμό του κέντρου της δίνης. Στη συνέχεια, πραγματοποιήθηκαν μετρήσεις οπτικοποίησης φλόγας σε διαφορετικές πιέσεις εισαγωγής (850mBar & 700mBar), στροφές κινητήρα (1000, 1500, 2000 σ.α.λ.), στρατηγικές ψεκασμού (μονός, διπλός) και δύο αναλογίες αέρα/καυσίμου (λ=1 & λ=1, 2). Η παρούσα εργασία έδειξε ότι παρουσιάστηκε αξονική περιδίνηση με αριστερόστροφη περιστροφή (CCW) όταν οι βαλβίδες εισαγωγής ήταν ανοιχτές και συνέχισε να εξελίσσεται κατά την εισαγωγή και τη διάρκεια της συμπίεσης. Συγκρίνοντας τα πειραματικά και υπολογιστικά αποτελέσματα παρατηρήθηκε η ίδια τάση για το TKE και το TR στην φάση της εισαγωγής. Οι δείκτες RI και MI έλαβαν ικανοποιητικές τιμές πάνω από 60% και 80% αντίστοιχα. Ο αλγόριθμος Γ1 εκτίμησε το κέντρο της δίνης και στις δύο προσεγγίσεις, δίνοντας καλή συμφωνία στα πεδία ροής σε ορισμένες γωνίες του στροφαλοφόρου άξονα. Όσον αφορά στη διαδικασία καύσης, η στοιχειομετρική καύση παρουσίασε υψηλότερη ταχύτητα φλόγας και υψηλότερο ρυθμό ανάπτυξης διαμέτρου της φλόγας. Το ETBE20 παρουσίασε την ταχύτερη ανάπτυξη φλόγας σε σύγκριση με τα άλλα καύσιμα υπό τις ίδιες συνθήκες. Οι εκπομπές παρουσίασαν πτωτική τάση με τη χρήση μιγμάτων βιοκαυσίμων.