Methodology for analysis of combustion system performance and optimization in compressionignited engines by means of CFD and particle swarm optimization

Abstract

[ES] Con el fin de mejorar la eficiencia y reducir el consumo de combustible y las emisiones de los motores, los códigos CFD se utilizan ampliamente en la simulación de motores. Estas herramientas computacionales pueden proporcionar resultados precisos en un tiempo razonable, con una buena concordancia entre los resultados y los costos operativos. Este Trabajo Final de Máster propone una metodología para analizar la influencia de la configuración de la geometría del pistón en el rendimiento de la combustión utilizando CFD. Este trabajo también propone una metodología de optimización que utiliza el particle swarm optimization (PSO) junto con el código CFD. El objetivo es obtener un diseño de sistema de combustión para un motor de encendido por compresión, optimizado con respecto a la reducción del consumo específico de combustible, NOx y emisiones de hollín. Como primer paso, el modelo CFD se configuró para reproducir la presión, la liberación de calor y las emisiones usando datos experimentales como referencia. Con el modelo CFD ya validado, la metodología de optimización se aplica para varias configuraciones. En total, se modificaron 9 parámetros en este trabajo: se utilizan 5 parámetros geométricos para controlar el diseño de la cámara de combustión en función de la forma del bowl; los otros cuatro parámetros son el número de orificios del inyector, el swirl, la presión de inyección y la tasa de EGR. Todas las geometrías generadas se prueban mediante simulación del motor en CFD en el software OpenFOAM y LibICE. Con alrededor de 800 simulaciones, fue posible obtener una configuración del sistema de combustión que proporciona una reducción en el consumo específico de combustible y en las emisiones de NOx y hollín.

[EN] In order to improve efficiency and reduce the fuel consumption and emissions of engines, computational fluid dynamics (CFD) codes are widely used in engine simulation since they can provide accurate results in a reasonable time, with good agreement between results and operational cost. This work proposes a methodology to analyze the influence of the bowl geometry configuration on the combustion performance using CFD. This work also proposes an optimization methodology using particle swarm optimization (PSO) coupled with the CFD code. The target is to obtain a combustion system design for a compression-ignited engine, optimized with respect to the reduction of the specific fuel consumption, NOx and soot emissions. As a first step, the CFD model was set up to reproduce the pressure trace, heat release and emissions against experimental data. With the CFD model already validated the optimization methodology is applied for several configurations. In total 9 parameters were modified in this work: 5 geometrical parameters are used to control the design of combustion chamber based on the piston bowl shape; the other four parameters are the injector hole number, swirl number, injection pressure and EGR rate. All the generated geometries are tested by CFD engine simulation in the software OpenFOAM and LibICE. With around 800 simulations it was possible to obtain a combustion system definition that provides a reduction in specific fuel consumption, NOx and soot emissions.