Computational study on OMEx-type fuels under ECN Spray A conditions

Abstract

[ES] Dado el creciente aumento en el consumo enérgico y los cada vez más restrictivos objetivos de reducción de gases de efecto invernadero, es necesario, entre otras medidas medioambientales, disminuir el consumo de la principal fuente energética hasta el momento a nivel mundial, los combustibles fósiles. El sector del transporte en particular se encuentra inmerso en una transición imparable hacia la movilidad eléctrica, lo cual es muy prometedor, pero de todos modos las necesidades de autonomía del vehículo dificultan la electrificación en las aplicaciones de mayor potencia. Por este motivo, el uso de plantas propulsivas basadas en motores de combustión a corto-mediano plazo seguirá siendo necesario en este sector.

Esto significa que los combustibles fósiles deberán ser reemplazados, independientemente de la electrificación, por otras alternativas también sostenibles, en forma principalmente de combustibles sintéticos y renovables. Este cambio será razonable si, entre otros aspectos, sus emisiones contaminantes permiten cumplir las legislaciones al respecto. En este sentido, son prometedores los combustibles sin enlaces carbono-carbono, ya que producen una cantidad muy pequeña de hollín, la cual se reduce a medida que aumenta el contenido de oxígeno en el combustible. Ello permite mejorar el balance entre emisiones de hollín y de óxidos de nitrógeno (NOx) en motores de encendido por compresión.

El presente trabajo se centra en una primera aproximación al modelado CFD de dos combustibles que cumplen estas condiciones y pertenecen a la familia de los denominados los poli-oximetilen dimetil éteres (OMEx), caracterizados justamente por la ausencia de enlaces carbono-carbono en sus moléculas y al mismo tiempo ser combustibles oxigenados. Además, tienen propiedades físicas y químicas compatibles para su utilización en los sistemas de propulsión convencionales. Estos combustibles son el foco de una importante actividad en el sector del transporte en la transición a una descarbonización del mismo.

Se ha seleccionado un combustible mono-componente de esta familia, en concreto el de cadena más corta (OME1) y una mezcla de componentes de diferente longitud de cadena (OMEx). La comprensión del proceso de combustión de estos combustibles sintéticos y renovables es fundamental para mejorar los sistemas de combustión actuales. El estudio se ha llevado a cabo en condiciones de funcionamiento de un motor de encendido por compresión, con el fin de evaluar los cambios en la estructura de la llama al introducir estos nuevos combustibles. El entorno experimental y de modelado se ha realizado en condiciones definidas por la Engine Combustion Network (ECN), en particular con el Spray A, siendo este el inyector de menor tamaño.

Los cálculos CFD se han realizado en el entorno de CFD CONVERGE. Se han utilizando dos modelos de combustión diferentes, por un lado uno basado en la resolución de la cinética química detallada y el otro basado en la teoría de `flamelets¿. Este último ha sido desarrollado dentro de CMT y se trabajó en su adaptación para el correcto modelado de los nuevos combustibles en estudio. En cuanto a la turbulencia, se ha utilizado el planteamiento del promediado de Reynolds para las ecuaciones de Navier¿Stokes (RANS) en todos los casos, conjuntamente con un enfoque lagrangiano-euleriano para el tratamiento multifásico.

El análisis de resultados pone especial atención en la evaluación de las diferencias entre modelos de combustión, en la capacidad predictiva del modelo frente a resultados experimentales, así como en la estructura de llama obtenida para estos combustibles frente a otros más convencionales analizados hasta el momento.

[EN] Due to the steady increase in energy consumption and the increasingly restrictive objectives to reduce greenhouse gases, it is necessary, among other environmental measures, to reduce the consumption of the main energy source so far worldwide, the fossil fuels. The transport sector in particular is immersed in an unstoppable transition towards electric mobility, which is very promising, but in any case, the vehicle needs for autonomy make electrification difficult in higher power applications. For this reason, the use of propulsion plants based on combustion engines in the short-medium term will continue to be necessary in this sector.

This means that fossil fuels will have to be replaced, regardless of electrification, by other sustainable alternatives, mainly in the form of synthetic and renewable fuels. This change will be reasonable if, among other aspects, its polluting emissions allow it to comply with the legislation in this regard. In this sense, fuels without carbon-carbon bonds are promising as they produce a very small amount of soot, which decreases with the increase in oxygen content in the fuel. This makes it possible to improve the trade-off between emissions of soot and nitrogen oxides (NOx) in compression-ignition engines.

This work focuses on a first approximation to CFD modeling of two fuels that meet these conditions and belong to the family of the so-called poly-OxyMethylene dimethyl Ethers (OMEx), characterized by the absence of carbon-carbon bonds in their molecules and at the same time being oxygenated fuels. Furthermore, they have compatible physical and chemical properties for use in conventional propulsion systems. These fuels are the focus of an important activity in the transport sector in the transition towards decarbonisation.

A single-component fuel from this family has been selected, specifically the shortest chain one (OME1) as well as a blend of components of different chain length (OMEx). Understanding the combustion process for these synthetic and renewable fuels is fundamental to improve current combustion systems. The study has been carried out in operating conditions of a compression ignition engine, in order to evaluate the changes in the flame structure when introducing these new fuels. The experimental and modeling environment has been carried out under conditions defined by the Engine Combustion Network (ECN), in particular with Spray A, this being the smallest injector.

CFD calculations have been carried out within the CFD CONVERGE environment. Two different combustion models have been used, on the one hand one based on the resolution of detailed chemical kinetics and the other hand another one based on the theory of `flamelets¿. The latter has been developed within CMT and work has been done on its adaptation for the correct modeling of the new fuels under study. Regarding turbulence, the Reynolds Averaged Navier-Stokes (RANS) approach has been used in all cases, together with a Lagrangian-Eulerian approach for multiphase treatment.

The analysis of results pays special attention to the evaluation of the differences between combustion models, to the predictive capacity of the model compared to experimental results, as well as to the flame structure obtained for these fuels compared to other more conventional ones analyzed so far.