Development of CFD model for the study of the potential of oxymethylene ethers for soot reduction in medium duty compression ignition engines

Abstract

[ES] La reducción de la huella de carbono de los motores de combustión interna y de las emisiones contaminantes es imprescindible para la supervivencia de esta tecnología, especialmente para vehículos medianos y pesados. En este sentido, los ¿e-fuels¿ (también denominados combustibles sintéticos) se consideran como una alternativa con potencial para lograr esta reducción e incluso mitigar de forma notable la huella de carbono en los motores de encendido por compresión (CI). Entre varios tipos de ¿e-fuels¿, los éteres de oximetileno (OMEX) destacan por su baja formación de hollín. Sin embargo, la complejidad de sus propiedades físicas y químicas dificulta su uso en motores convencionales. El objetivo de este trabajo es desarrollar un modelo de Dinámica de Fluidos Computacional (Computational Fluid Dynamic, CFD) para investigar el efecto de la estequiometría de los OMEX en la combustión dentro del cilindro y la formación de contaminantes cuando se mezcla con diésel fósil. El modelo se basa en un motor CI de vehículos medianos y se ha desarrollado con el software CONVERGE CFD. Los datos experimentales, recopilados del motor óptico basado en la misma geometría, se utilizan para ajustar los diferentes submodelos y validar los resultados de la simulación numérica. En una primera aproximación, se evalúan diferentes mecanismos de reacción que se pueden encontrar en la literatura para identificar el más adecuado, utilizando n-heptano como sustituto del diésel fósil y OME3 como sustituto de los OMEX. En un segundo enfoque, se desarrolla un mecanismo de reacción reducido para simular la combustión de mezclas de OMEX y diésel fósil con combustibles de sustitución más complejos que los anteriores, que reproducrián con mayor precisión el comportamiento de los originales. Las simulaciones numéricas resaltan las diferencias en términos de los niveles de relación aire/combustible que se alcanza al variar el contenido del ¿e-fuel¿ en las mezcla. Por lo tanto, el proceso de combustión es más rápido y la formación de hollín se reduce drásticamente cuando el contenido de éteres de oximetileno es superior al 30%. Esto hace que estas mezclas sean interesantes para reducir el conocido balance hollín-NOX de los motores de encendido por compresión.

[EN] The reduction of the carbon footprint of internal combustion engines and the pollutant emissions is mandatory for the survival of this technology especially for medium and heavy duty. In this sense, e-fuels (also termed as synthetic fuels) are considered as a potential pathway to achieve this reduction and even a remarkable carbon footprint mitigation in compression ignition (CI) engines. Among numerous e-fuels, oxymethylene ethers (OMEX) stand out because of their low soot formation characteristics. However, the complexity of their physical and chemical properties makes it a challenge to be used in conventional engines. The aim of this work is to develop a Computation Fluid Dynamic (CFD) model to investigate the effect of the stoichiometry of OMEX on the in-cylinder combustion behavior and the pollutant formation when blended with fossil Diesel. The model is based on a medium duty CI engine and has been developed with the software CONVERGE CFD. Experimental data, gathered from optical engine based on the same geometry, is used to adjust the different sub-models, and validate numerical simulation results. In a first approach, different reaction mechanism that can be found in the literature were evaluated to identify the most appropriate one, using n-heptane as the fossil diesel surrogate and OME3 as the OMEX surrogate. In a second approach, a reduced reaction mechanism is developed to simulate the combustion of OMEX ¿ fossil diesel blends with more complex surrogate fuels, that could reproduce with more accuracy the behavior of the orginals. The numerical simulations highlight the differences in terms of equivalence ratio fields achieved when varying the e-fuel content in the blend. Therefore, the combustion process is faster, and the soot formation is drastically reduced when the oxymethylene ethers content is above 30%. This makes these blends interesting to reduce the well-known soot-NOx trade off of compression ignition engines.