Optimization and analysis by CFD of mixing-controlled combustion concepts in compression ignition engines

Abstract

El trabajo presentado en esta Tesis está motivado por la necesidad de los motores de combustión interna alternativos de reducir el consumo de combustible y las emisiones de CO2 mientras se satisfacen las cada vez más restrictivas regulaciones de emisiones contaminantes. Por lo tanto, el objetivo principal de este estudio es optimizar un sistema de combustión de encendido por compresión controlado por mezcla para probar su potencial como motores de futura generación. Con esta meta se ha desarrollado un sistema automático que combina CFD con métodos de optimización avanzados para analizar y entender las configuraciones óptimas. Los resultados presentados en este trabajo se dividen en dos bloques principales. El primero corresponde a la optimización de un sistema de encendido por compresión convencional alimentado con diésel. El segundo se centra en un concepto de combustión avanzado donde se ha sustituido el fuel por Dimetil-eter. En ambos casos, el estudio no sólo halla una configuración óptima sino que también se describen las relaciones causa/efecto entre los parámetros más relevantes del sistema de combustión. El primer bloque aplica métodos de optimización no-evolutivos a un motor medium-duty alimentado por diésel tratando de minimizar consumo a la vez que se mantienen las emisiones contaminantes por debajo de los estándares de emisiones contaminantes impuestos. Una primera parte se centra en la optimización de la geometría de la cámara de combustión y el inyector. Seguidamente se extiende el estudio añadiendo los settings de renovación de la carga de y de inyección al estudio, ampliando el potencial de la optimización. El estudio demuestra el limitado potencial de mejora de consumo que tiene el motor de referencia al mantener los niveles de emisiones contaminantes. Esto demuestra la importancia de incluir parámetros de renovación de la carga e inyección al proceso de optimización. El segundo bloque aplica una metodología basada en algoritmos genéticos al diseño del sistema de combustión de un motor heavy-duty alimentado con Dimetileter. El estudio tiene dos objetivos, primero la optimización de un sistema de combustión convencional controlado por mezcla con el objetivo de lograr mejorar el consumo y reducir las emisiones contaminantes hasta niveles inferiores a los estándares US2010. Segundo la optimización de un sistema de combustión trabajando en condiciones estequiométricas acoplado con un catalizador de tres vías buscando reducir consumo y controlar las emisiones contaminantes por debajo de los estándares 2030. Ambas optimizaciones incluyen tanto la geometría como los parámetros más relevantes de renovación de la carga y de inyección. Los resultados presentan un sistema de combustión convencional óptimo con una notable mejora en rendimiento y un sistema de combustión estequiométrica que es capaz de ofrecer niveles de NOx menores al 1% de los niveles de referencia manteniendo niveles competitivos de rendimiento. Los resultados presentados en esta Tesis ofrecen una visión extendida de las ventajas y limitaciones de los motores MCCI y el camino a seguir para reducir las emisiones de futuros sistemas de combustión por debajo de los estándares establecidos. A su vez, este trabajo también demuestra el gran potencial que tiene el Dimetil-eter como combustible para futuras generaciones de motores.

The work presented in this Thesis was motivated by the needs of internal combustion engines (ICE) to decrease fuel consumption and CO2 emissions, while fulfilling the increasingly stringent pollutant emission regulations. Then, the main objective of this study is to optimize a mixing-controlled compression ignition (MCCI) combustion system to show its potential for future generation engines. For this purpose an automatic system based on CFD coupled with different optimization methods capable of optimizing a complete combustion system with a reasonable time cost was designed together with the methodology to analyze and understand the new optimum systems. The results presented in this work can be divided in two main blocks, firstly an optimization of a conventional diesel combustion system and then an optimization of a MCCI system using an alternative fuel with improved characteristics compared to diesel. Due to the methodologies used in this Thesis, not only the optimum combustion system configurations are described, but also the cause/effect relations between the most relevant inputs and outputs are identified and analyzed. The first optimization block applies non-evolutionary optimization methods in two sequential studies to optimize a medium-duty engine, minimizing the fuel consumption while fulfilling the emission limits in terms of NOx and soot. The first study targeted four optimization parameters related to the engine hardware including piston bowl geometry, injector nozzle configuration and mean swirl number. After the analysis of the results, the second study extended to six parameters, limiting the optimization of the engine hardware to the bowl geometry, but including the key air management and injection settings. The results confirmed the limited benefits, in terms of fuel consumption, with constant NOx emission achieved when optimizing the engine hardware, while keeping air management and injection settings. Thus, including air management and injection settings in the optimization is mandatory to significantly decrease the fuel consumption while keeping the emission limits. The second optimization block applies a genetic algorithm optimization methodology to the design of the combustion system of a heavy-duty Diesel engine fueled with dimethyl ether (DME). The study has two objectives, the optimization of a conventional mixing-controlled combustion system aiming to achieve US2010 targets and the optimization of a stoichiometric mixing-controlled combustion system coupled with a three way catalyst to further control NOx emissions and achieve US2030 emission standards. These optimizations include the key combustion system related hardware, bowl geometry and injection nozzle design as input factors, together with the most relevant air management and injection settings. The target of the optimizations is to improve net indicated efficiency while keeping NOx emissions, peak pressure and pressure rise rate under their corresponding target levels. Compared to the baseline engine fueled with DME, the results of the study provide an optimum conventional combustion system with a noticeable NIE improvement and an optimum stoichiometric combustion system that offers a limited NIE improvement keeping tailpipe NOx values below 1% of the original levels. The results presented in this Thesis provide an extended view of the advantages and limitations of MCCI engines and the optimization path required to achieve future emission standards with these engines. Additionally, this work showed how DME is a promising fuel for future generation engines since it is able to achieve future emission standards while maintaining diesel-like efficiency

El treball presentat en esta Tesi està motivat per la necessitat dels motors de combustió interna alternatius de reduir el consum de combustible i les emissions de CO2 mentres se satisfan les cada vegada mes restrictives regulacions d'emissions contaminants. Per tant, l'objectiu principal d'este estudi es optimitzar un sistema de combustió d'encesa per compressió controlat per mescla per a provar el seu potencial com a motors de futura generació. Amb esta meta s'ha desenrotllat un sistema automàtic que combina CFD amb mètodes d'optimització avançats per a analitzar i entendre les configuracions òptimes. Els resultats presentats en este treball es dividixen en dos blocs principals. El primer correspon a l'optimització d'un sistema d'encesa per compressió convencional alimentat amb dièsel. El segon se centra en un concepte de combustió avançat on s'ha substituït el fuel per Dimetil-eter. En ambdós casos, l'estudi no sols troba una configuració òptima sinó que també es descriuen les relacions causa/efecte entre els paràmetres més rellevants del sistema de combustió. El primer bloc aplica mètodes d'optimització no-evolutius a un motor mediumduty alimentat per dièsel tractant de minimitzar consum al mateix temps que es mantenen les emissions contaminants per davall dels estàndards d'emissions contaminants impostos. Una primera part se centra en l'optimització de la geometria de la cambra de combustió i l'injector. A continuació s'estén l'estudi afegint els settings de renovació de la càrrega de i d'injecció a l'estudi, ampliant el potencial de l'optimització. L'estudi demostra el limitat potencial de millora de consum que té el motor de referència al mantindre els nivells d'emissions contaminants. Açò demostra la importància d'incloure paràmetres de renovació de la càrrega i injecció al procés d'optimització. El segon bloc aplica una metodologia basada en algoritmes genètics al disseny del sistema de combustió d'un motor heavy-duty alimentat amb Dimetil-eter. L'estudi té dos objectius, primer l'optimització d'un sistema de combustió convencional controlat per mescla amb l'objectiu d'aconseguir millorar el consum i reduir les emissions contaminants fins nivells inferiors als estàndards US2010. Segon l'optimització d'un sistema de combustió treballant en condicions estequiomètriques acoblat amb un catalitzador de tres vies buscant reduir consum i controlar les emissions contaminants per davall dels estàndards 2030. Ambdós optimitzacions inclouen tant la geometria com els paràmetres més rellevants de renovació de la càrrega i d'injecció. Els resultats presenten un sistema de combustió convencional òptim amb una notable millora en rendiment i un sistema de combustió estequiomètrica que és capaç d'oferir nivells de NOx menors al 1% dels nivells de referència mantenint nivells competitius de rendiment. Els resultats presentats en esta Tesi oferixen una visió estesa dels avantatges i limitacions dels motors MCCI i el camï que s'ha de seguir per a reduir les emissions de futurs sistemes de combustió per davall dels estàndards establits. Al seu torn, este treball també demostra el gran potencial que té el Dimetil-eter com a combustible per a futures generacions de motors.