Analysis and CFD-Guided optimization of advanced combustion systems in compression-ignited engines

Abstract

[ES] Reducir las emisiones de gases contaminantes de los motores de combustión interna alternativos (MCIA) es uno de los mayores retos para combatir el calentamiento global. Dado que los motores seguirán siendo utilizados por la industria durante décadas, es necesario desarrollar nuevas tecnologías. En este contexto, la presente tesis doctoral viene motivada por la necesidad de seguir mejorando los motores, tanto desde el punto de vista de la ingeniería técnica como desde el punto de vista social, debido a los efectos de los gases de efecto invernadero. El objetivo principal de esta tesis es desarrollar una metodología de optimización para sistemas de combustión de motores de encendido por compresión (MEC) mediante el acoplamiento de algoritmos de optimización con simulación por ordenador. Con la optimización de los sistemas de combustión es posible aumentar la eficiencia de los motores, reduciendo así el consumo de combustible junto con la reducción de emisiones contaminantes, en particular óxidos de nitrógeno (NOx) y hollín. En el primer paso, se abordan diferentes algoritmos de optimización con el fin de elegir el mejor candidato para esta metodología. A partir de aquí, la primera optimización se centra en un motor de encendido por compresión que funciona con combustible convencional para validar la metodología y también para evaluar el estado actual de evolución de estos motores. Con el objetivo de reducir el consumo de combustible manteniendo los niveles de NOx y hollín por debajo de los valores de un motor real, se inicia el proceso de optimización. Los resultados obtenidos confirman que un nuevo sistema de combustión específico para este motor podría generar una reducción del consumo de combustible manteniendo las emisiones de gases por debajo del valor estipulado. Además, se concluye que los motores MEC que utilizan combustible convencional se encuentran ya en un nivel de eficiencia muy elevado, y es difícil mejorarlos sin utilizar un sistema de postratamiento. Así pues, el segundo bloque de optimización se basa en el uso de motores MEC que funcionan con un combustible alternativo, que en este caso es el OME. El objetivo de este estudio es diseñar un sistema de combustión específico para un motor que utilice este combustible y que ofrezca un rendimiento del mismo orden de magnitud que un motor diésel. En la búsqueda de una mayor eficiencia, las emisiones de NOx son una restricción del sistema de optimización para que el sistema de combustión no emita más gases que un motor real. En este caso, el hollín no se tiene en cuenta debido a que las características del combustible no producen este tipo de contaminante. Los resultados mostraron que un sistema de combustión diseñado específicamente para esta operación podía ofrecer altas eficiencias, incluso la eficiencia obtenida fue alrededor de 2,2 % mayor en comparación con el motor diesel real. Además, fue posible reducir a la mitad las emisiones de NOx cuando el motor funciona con OME. El último bloque de optimización se refiere a una nueva arquitectura de motor que permite eliminar las emisiones de NOx. El modelo de oxicombustión resulta apasionante, ya que se elimina el nitrógeno de la mezcla de admisión y, por tanto, no se generan emisiones que contengan N2. Además, con el uso de este modo de combustión, es posible capturar CO$_{2}$ de los gases de escape, que luego puede venderse en el mercado. Dado que se trata de un tema nuevo y poco investigado, los resultados son prometedores. Demuestran que fue posible obtener un sistema de combustión específico capaz de ofrecer niveles de eficiencia cercanos a los de los motores convencionales. Además, se eliminaron las emisiones de NOx, así como las de hollín. Adicionalmente, este sistema fue capaz de reducir las emisiones de CO y HC a niveles similares a los motores convencionales. Por otra parte, los resultados presentados en esta tesis doctoral proporcionan una base de datos ampliada para explorar el funcionamiento del motor CI.

[CAT] Reduir les emissions de gasos contaminants dels motors de combustió interna alternatius (MCIA) és un dels majors reptes per a combatre el camvi climàtic. Atés que els motors continuaran sent utilitzats per la indústria durant dècades, és necessari desenvolupar noves tecnologies. En aquest context, la present tesi doctoral ve motivada per la necessitat de continuar millorant els motors, tant des del punt de vista de l'enginyeria tècnica com des del punt de vista social, degut a l'efecte dels gasos d'efecte d'hivernacle. L'objectiu principal d'aquesta tesi és desenvolupar una metodologia d'optimització per a sistemes de combustió de motors d'encesa provocada mitjançant l'acoblament d'algorismes d'optimització amb simulació per ordinador. Amb l'optimització dels sistemes de combustió és possible augmentar l'eficiència dels motors, reduint així el consum de combustible, concomitantment amb la reducció d'emissions de gasos, en particular òxids de nitrogen (NOx) i sutge. En el primer pas, s'aborden diferents algorismes d'optimització amb la finalitat d'elegir el millor candidat per a aquesta metodologia. A partir d'ací, la primera optimització se centra en un motor d'encesa per compressió que funciona amb combustible convencional per a validar la metodologia i també per a avaluar l'estat actual d'evolució d'aquests motors. Amb l'objectiu de reduir el consum de combustible mantenint els nivells de NOx i sutge per davall dels valors d'un motor real, s'inicia el procés d'optimització. Els resultats obtinguts confirmen que un nou sistema de combustió específic per a aquest motor podria generar una reducció del consum de combustible mantenint les emissions de gasos per davall del valor estipulat. A més, es conclou que els motors d'encesa per compressió que utilitzen combustible convencional es troben ja en un nivell d'eficiència molt elevat, i és difícil millorar-los sense utilitzar un sistema de posttractament. Així doncs, el segon bloc d'optimització es basa en l'ús de motors d'encesa per compressió que funcionen amb un combustible alternatiu, que en aquest cas és el OME. L'objectiu d'aquest estudi és dissenyar un sistema de combustió específic per a un motor que utilitze aquest combustible i que oferisca un rendiment del mateix ordre de magnitud que un motor dièsel. En la cerca d'una major eficiència, les emissions de NOx són una restricció del sistema d'optimització perquè el sistema de combustió no emeta més gasos que un motor real. En aquest cas, el sutge no es té en compte pel fet que les característiques del combustible no produeixen aquest tipus de contaminant. Els resultats van mostrar que un sistema de combustió dissenyat específicament per a aquesta operació podia oferir altes eficiències, fins i tot l'eficiència obtinguda va ser al voltant de 2,2 % major en comparació amb el motor dièsel real. A més, va ser possible reduir a la meitat les emissions de NOx quan el motor funciona amb OME. L'últim bloc d'optimització es refereix a una nova arquitectura del motor que permet eliminar les emissions de NOx. El model de oxicombustió resulta apassionant, ja que s'elimina el nitrogen de la mescla d'admissió i, per tant, no es generen emissions que continguen N2. A més, amb l'ús d'aquesta manera de combustió, és possible capturar CO$_{2}$ dels gasos de fuita, que després pot vendre's en el mercat. Atés que es tracta d'un tema nou i poc investigat, els resultats són prometedors. Demostren que va ser possible obtindre un sistema de combustió específic capaç d'oferir nivells d'eficiència pròxims als dels motors convencionals. A més, es van eliminar les emissions de NOx, així com les de sutge. Addicionalment, aquest sistema va ser capaç de reduir les emissions de CO i HC a nivells similars als motors convencionals. D'altra banda, els resultats presentats en aquesta tesi doctoral proporcionen una base de dades ampliada per a explorar el funcionament del motor CI.

[EN] Reducing emissions of pollutant gases from internal combustion engines (ICE) is one of the biggest challenges to combat global warming. As the engines will continue to be used by industry for decades, it is necessary to develop new technologies. In this context, the present doctoral thesis was motivated by the need to further improve engines, both from a technical engineering and social point of view, due to the effects of greenhouse gases. The main objective of this thesis is to develop an optimization methodology for compression ignition (CI) engine combustion systems by coupling optimization algorithms with computer simulation. With the optimization of the combustion systems, it is possible to increase the efficiency of the engines, thus reducing fuel consumption, concomitantly with the reduction of gas emissions, in particular nitrogen oxides (NOx) and soot. In the first step, different optimization algorithms are addressed in order to elect the best candidate for this methodology. From this point on, the first optimization is focused on a CI engine operating with conventional fuel in order to validate the methodology and also to evaluate the current state of evolution of these engines. With the goal of reducing fuel consumption while keeping NOx and soot levels below the values of a real engine, the optimization process begins. The results obtained confirm that a new combustion system specifically for this engine could generate a reduction in fuel consumption while keeping gas emissions below the stipulated value. Furthermore, it is concluded that CI engines using conventional fuel are already at a very high-efficiency level, and it is difficult to improve them without the use of an after-treatment system. Thus, the second optimization block is based on the use of CI engines operating on an alternative fuel, which in this case is OME. This study aimed to design a specific combustion system for an engine using this fuel that delivers efficiency on the same order of magnitude as a diesel engine. While searching for better efficiency, the NOx emissions are a restriction of the optimization system so that the combustion system does not emit more gases than a real engine. In this case, soot is not considered due to the characteristics of the fuel not producing this kind of pollutant. The results showed that a combustion system designed specifically for this operation could deliver high efficiencies, including the efficiency obtained was around 2.2 \% higher compared to the real diesel engine. In addition, it was possible to halve the NOx emissions when the engine operates with OME. The last optimization block concerns a new engine architecture that makes it possible to eliminate NOx emissions. The oxy-fuel combustion model is exciting since nitrogen is eliminated from the intake mixture, and thus no emissions containing N2 are generated. Furthermore, with the use of this combustion mode, it is possible to capture CO$_{2}$ from the exhaust gas, which can then be sold to the market. Since this is a new and little-researched topic, the results are promising. They show that it was possible to obtain a specific combustion system capable of delivering efficiency levels close to conventional engines. Furthermore, NOx emissions were eliminated, as well as soot emissions. Additionally, this system was able to reduce CO and HC emissions to levels similar to conventional engines. Moreover, the results presented in this doctoral thesis provide an extended database to explore the CI engine operation. Additionally, this work showed the potential of computational simulation allied with mathematical methods in order to design combustion systems for different applications.