Numerical Modelling of Combustion and Emission Formation in a Diesel Engine with Different Fuel Injection Characteristics
Anttinen, Teemu (2005)
Tiivistelmä
Päästöjen vähentäminen on ollut viime vuosina tärkeässä osassa polttomoottoreita kehitettäessä.Monet viralliset tahot asettavat uusia tiukempia päästörajoituksia. Päästörajatovat tyypillisesti olleet tiukimmat autoteollisuuden valmistamille pienille nopeakäyntisille diesel-moottoreille, mutta viime aikoina paineita on kohdistunut myös suurempiin keskinopeisiin ja hidaskäyntisiin diesel-moottoreihin. Päästörajat ovat erilaisia riippuen moottorin tyypistä, käytetystä polttoaineesta ja paikasta missä moottoria käytetään johtuen erilaisista paikallisista laeista ja asetuksista. Eniten huomiota diesel-moottorin päästöissä täytyy kohdistaa typen oksideihin, savun muodostukseen sekä partikkeleihin.
Laskennallisen virtausmekaniikan (CFD) avulla on hyvät mahdollisuudet tutkia diesel-moottorin sylinterissä tapahtuvia ilmiöitä palamisen aikana. CFD on hyödyllinen työkalu arvioitaessa moottorin suorituskykyä ja päästöjen muodostumista. CFD:llä on mahdollista testata erilaisten parametrien ja geometrioiden vaikutusta ilman kalliita moottorinkoeajoja. CFD:tä voidaan käyttää myös opetustarkoituksessa lisäämään paloprosessin tuntemusta. Tulevaisuudessa palamissimuloinnit CFD:llä tulevat epäilemättä olemaan tärkeä osa moottorin
kehityksessä. Tässä diplomityössä on tehty palamissimuloinnit kahteen erilaisilla poittoaineenruiskutuslaitteistoilla varustettuun Wärtsilän keskinopeaan diesel-moottoriin. W46 moottorin ruiskutuslaitteisto on perinteinen mekaanisesti ohjattu pumppusuutin ja W46-CR moottorissa on elektronisesti ohjattu 'common rail' ruiskutuslaitteisto. Näiden moottorien ja käytössä olevien ruiskutusprofiilien lisäksi on simuloinneilla testattu erilaisia uusia ruiskutusprofiileja, jotta erityyppisten profiilien hyvät ja huonot ominaisuudet tulisivat selville. Matalalla kuormalla kiinnostuksen kohteena on nokipäästöjen muodostus ja täydellä kuormalla NOx-päästöjen muodostus ja polttoaineen kulutus. Simulointien tulokset osoittivat, että noen muodostusta matalalla kuormalla voidaan selvästi vähentää monivaiheisella ruiskutuksella, jossa yksi ruiskutusjakso jaetaan kahteen tai useampaan jaksoon. Erityisen tehokas noen vähentämisessä vaikuttaa olevan ns. jälkiruiskutus (post injection). Matalat NOx-päästöt ja hyvä polttoaineen kulutus täydellä kuormalla on mahdollista saavuttaaasteittain nostettavalla ruiskutusnopeudella. The reductionof emissions has been a very important development area of the engine manufactures during last years. Many official institutions drive the development towards lower emission limits for different engine types. Automotive high speed diesel engines have all the time had lower emission limits but now even manufacturers ofmedium and slow speed diesel engines have to meet big challenges, reducing emissions while keeping the fuel consumption as low as possible. There are differentemission limits depending on the engine type, fuel and location of the engine because of the local legislation and limits. Emissions of nitric oxides, smoke and particulate emissions are typically main areas where focus is needed in the diesel engines.
Computational fluid dynamics (CFD) offers especially goodpossibilities to examine the in-cylinder phenomena during combustion in the diesel engine. CFD can be also a useful tool for engine performance and emission predictions. It is possible to test different parameters and geometries in CFD which can reduce the need for the expensive engine measurements. CFD can also be used to increase the knowledge about the combustion process. In the future combustion simulations may become an important part of the engine development.
In this thesis, combustion simulations have been performed for two Wärtsilä medium speed diesel engines with different fuel injection systems. More specifically, the W46 has a conventional pump-line-nozzle system whereas the W46-CR is equipped with an electronically controlled common rail system. Additionally there were made also tests with various new, untried fuel injection profiles to examine what are the benefits and the weaknesses of each profile. The focus is on low load soot emissions and on NOx emissions and fuel consumption at full load. The simulation results indicated that the low load soot emissions can be significantly reduced by means of multiple fuel injections per cycle, especially so-called post injection. Low NOx emissions with good fuel consumption at full load can be achieved with gradually increased injection rates.
Laskennallisen virtausmekaniikan (CFD) avulla on hyvät mahdollisuudet tutkia diesel-moottorin sylinterissä tapahtuvia ilmiöitä palamisen aikana. CFD on hyödyllinen työkalu arvioitaessa moottorin suorituskykyä ja päästöjen muodostumista. CFD:llä on mahdollista testata erilaisten parametrien ja geometrioiden vaikutusta ilman kalliita moottorinkoeajoja. CFD:tä voidaan käyttää myös opetustarkoituksessa lisäämään paloprosessin tuntemusta. Tulevaisuudessa palamissimuloinnit CFD:llä tulevat epäilemättä olemaan tärkeä osa moottorin
kehityksessä. Tässä diplomityössä on tehty palamissimuloinnit kahteen erilaisilla poittoaineenruiskutuslaitteistoilla varustettuun Wärtsilän keskinopeaan diesel-moottoriin. W46 moottorin ruiskutuslaitteisto on perinteinen mekaanisesti ohjattu pumppusuutin ja W46-CR moottorissa on elektronisesti ohjattu 'common rail' ruiskutuslaitteisto. Näiden moottorien ja käytössä olevien ruiskutusprofiilien lisäksi on simuloinneilla testattu erilaisia uusia ruiskutusprofiileja, jotta erityyppisten profiilien hyvät ja huonot ominaisuudet tulisivat selville. Matalalla kuormalla kiinnostuksen kohteena on nokipäästöjen muodostus ja täydellä kuormalla NOx-päästöjen muodostus ja polttoaineen kulutus. Simulointien tulokset osoittivat, että noen muodostusta matalalla kuormalla voidaan selvästi vähentää monivaiheisella ruiskutuksella, jossa yksi ruiskutusjakso jaetaan kahteen tai useampaan jaksoon. Erityisen tehokas noen vähentämisessä vaikuttaa olevan ns. jälkiruiskutus (post injection). Matalat NOx-päästöt ja hyvä polttoaineen kulutus täydellä kuormalla on mahdollista saavuttaaasteittain nostettavalla ruiskutusnopeudella.
Computational fluid dynamics (CFD) offers especially goodpossibilities to examine the in-cylinder phenomena during combustion in the diesel engine. CFD can be also a useful tool for engine performance and emission predictions. It is possible to test different parameters and geometries in CFD which can reduce the need for the expensive engine measurements. CFD can also be used to increase the knowledge about the combustion process. In the future combustion simulations may become an important part of the engine development.
In this thesis, combustion simulations have been performed for two Wärtsilä medium speed diesel engines with different fuel injection systems. More specifically, the W46 has a conventional pump-line-nozzle system whereas the W46-CR is equipped with an electronically controlled common rail system. Additionally there were made also tests with various new, untried fuel injection profiles to examine what are the benefits and the weaknesses of each profile. The focus is on low load soot emissions and on NOx emissions and fuel consumption at full load. The simulation results indicated that the low load soot emissions can be significantly reduced by means of multiple fuel injections per cycle, especially so-called post injection. Low NOx emissions with good fuel consumption at full load can be achieved with gradually increased injection rates.