Investigation of RCCI engine emission and performance

Abstract

Son yıllardaki ham petrol kaynaklarına artan talepler ve çevre sorunları sebebiylearaç üreticileri ve araştırma enstitüleri, motorlarda temiz ve verimli yanma elde etmearaştırmalarına yöneldiler. Aftertreatment sistemleri emisyon azaltılmasında başarılıolmasına rağmen, regülasyon limitlerinin tutturulması özellikle yakıt ekonomisininsağlanmasında başarılı olamamakta. Araştırmaların büyük bir kısmı hem emisyonlarıdüşürme hem de yakıt ekonomisni iyileştirme olanağı sağlayan, LTC stratejisineyoğunlaşmış durumda. RCCI motorları LTC stratejisinin kullanım alanlarından biri.RCCI motorlarının temel prensibi düşük ve yüksek reaktiviteli yakıtların farklızamanlarda silindir içine ayrı enjektör sistemleriyle sağlanmasından oluşur. Bu konuçok yönlü CFD modellemenin kullanılmasıyla daha kısa sürede ve daha ucuz olarakaraştırılabilir.Bu çalışmada RCCI moturunda azotoksit ve partikül emisyonları, methanol ve dizelyakıtını farklı yakıt karışım oranları, farklı enjeksiyon zamanları ve bunlara EGRetkisi araştırılmıştır. Dizel motoru olarak Ecotorq 9L 380PS motoru kullanılmış olup,dizel modelinin doğrulanmasında kullanılmıştır. Dizel modelin doğrulanmasındaFORD OTOSAN test labratuarlarından alınan motor dinamometre sonuçları ile AVLFire CFD programının analiz sonuçları kullanılmıştır.RCCI motoru 32 farklı analiz deneyi ile incelenmiştir. Bu 32 deney; 700-740 derecekrank açısı arasında değişen metanol enjeksiyon zamanları, 704.8-714.8 derece krankaçısı arasında değişen dizel enjeksiyon zamanları, yüzde 30 ile yüzde 10 arasındafarklı EGR oranları ve 7 farklı metanol dizel karışım oranları ve birbirleriyle olankombinasyonları sonucunda oluşturulmuştur. İlk olarak AVL Fire programındaoluşturulan dizel modeli motor dinamometre sonuçları ile karşılaştırılmış vedoğrulanmıştır. Validasyonu tamamlanmış model için uygun mesh hücre boyutuseçimi 5 farklı seçenek arasından silindir içi ortalama basınç, sıcaklık, kümülatif ısıyayılımı, NO ve partikül madde kütlesel oranları karşılaştırılarak yapılmıştır.Metanol ve diesel yakıtlarını kullanan RCCI motorunun emisyon ve performansaçısından davranışlarını anlamak için model sonuçları incelenmiştir. Çalışmaboyunca oluşan kütlece NO oranı, kWh başı NO kütle oluşumu, kütlece is oluşumoranı, kWh başına kütlece is oluşumu, CO kütle oluşum oranı, indike güç, ortalamasilindir içi basınç ve sıcaklık, yanma odası içerisinde NO ve is dağılımı, ortalamahava kütlesi ve toplam kütle, zamana bağlı silindir içi dizel ve methanol kütle oranıdeğişimi sonuçları incelenmiş ve baz diesel modeli ile kıyaslanarak, parametrelerdekideğişim değerlendirilmiştir.Tüm çalışmalardan alınan sonuçlara göre is oluşumu azaltılmasında en büyükproblem teşkil etmiştir. Koşulan analizlerden, 25'ünde NO emisyonunda azalmagözlenebilirken, sadece 6 tanesinde is oluşumu düşürülebilinmiştir.İs oluşumunun dizel vaka (vaka1)'e göre azaltıldığı deneyler incelenmiştir. Bunagöre, 0.18 metanol oranlı vaka 2 varyantları ve 0.45 metanol oranlı vaka 3varyantları is oluşumunun azaltılmasında başarılı olmuştur. Bu vakalarda NOemisyonun da azaltılması sağlanmıştır. 6 vakada %7 oranında güç düşüşügözlemlenmiştir. NO ve is azaltılma oranları kWh başına düşen emisyon kütlesinegöre hesaplanmış olup, güç düşüleri ana karşılaştırma oranının içerisinde yeralmaktadır.Öncelik sırasına göre en iyi model seçilebilir. Eğer is oluşumu azaltılması esasalınıyorsa, vaka 3.h seçilebilir. Bu vaka 714.8 krank açısı dizel püskürtme başlangıcı,715 krank açısı metanol püskürtme başlangıcı, kütlece %10 EGR, %45 metanol oranıiçermektedir. Bu şekilde %80 oranında is oluşumunda, %4 oranında da NOazaltılabilir. Eğer NO emisyonu azaltılması esas alınırsa, vaka 3.j seçilebilir. Bu vakade 3.h ile aynı olup, yalnızca EGR oranı %25'e çıkarılmıştır. Bu şekilde de %62oranında NO emisyonunda azalma, %51 oranında is oluşumda azalmasağlanabileceği tespit edilmiştir.

The vehicle manufacturers and research institutes are seeking for clean and highefficiency combustion engine due to the increasing demand for crude oil andenvironment problems in recent years. Although aftertreatment system is capable ofreducing engine emissions to a low level, the limitation of these systems that cannotmake full use of fuel restricts the improvement in fuel economy. Large amount ofresearches focus on the LTC (low temperature combustion) strategy, which canachieve both the reduction of emissions and the improvement of fuel economy. RCCI(reactivity controlled compression ignition) is one of the tool to achieve this strategy,which is investigated in this study. The reactivity stratification in RCCI combustionis achieved by utilization of the separate injection system with low-reactivity andhigh-reactivity fuel introduced into cylinder directly in different injection timing. Byusing multi-dimensional CFD (computational fluid dynamics) modelling, it could beresearched with fast and inexpensive way.In this study RCCI engine investigated with diesel and methanol fuels based on NOand soot emission outputs regarding various mixture mass fractions and different SOItimings with EGR variants. Ecotorq 9L 380PS diesel engine has been used as dieselbase case to verify model. AVL Fire ESE Diesel program has been used to getcomputational results and it has been compared with diesel engine dyno meter resultstaken from FORD OTOSAN test laboratories.RCCI engine has been studied on 32 different variants overall. These 32 runincludes; different SOI timings of methanol between 700-740 degree CA, differentSOI timings of diesel between 704.8-714.8 degree CA, various EGR rates between%10 to %30, 7 different methanol mass fraction rated fuel mixtures overall. At firststep created AVL Fire diesel engine model has been verified with engine dyno metertest results. This validated model mesh cell size chosen from 5 mesh variant option,regarding sensitivity of pressure, temperature, accumulated heat release, NO massfraction, soot mass fraction results in order to achieve mesh independency.RCCI engine results reviewed to understand behaviour and characteristics ofmethanol-diesel fuelled RCCI engine emission and performance. During that studyNO mass fraction, NO mass per kWh, soot mass fraction, soot mass per kWh, COmass fraction, indicated power, mean in cylinder pressure, mean in cylindertemperature, NO and soot distribution over combustion chamber, mean mass, dieselmass fraction in cylinder, methanol mass fraction in cylinder have been investigatedand results compared with base diesel case for improvement assessment.Regarding all cases, most problematic part was soot improvement. In 25 cases, NOemission reduced from base diesel case, but soot improvement only achieved in 6cases.Soot mass reduced cases from base diesel case (Case 1) reviewed. Regarding results;case 2 with 0.184 methanol mass fraction and case 3 with 0.45 methanol massfraction are successful to achieve soot reduction. With all those cases NO emissionreduction also achieved simultaneously. In 6 cases power decrease, which reaches upto %7 percentage, observed. NO and soot reduction percentages calculated frommass per kWh, hence power decrease also calculated and even that emission decreaseobserved.According to priority best case could be selected. If soot reduction required to belowest one, case 3.h can be selected, which has 714.8 diesel SOI, 715 methanol SOI,%10 EGR, 0.45 methanol mass fraction. That provides %80 percentage sootreduction and %4 NO reduction. If NO reduction required being lowest one, case 3.jcan be selected, that has same attributes with increased EGR rate to 0.25. Thatprovides %62 NO reduction with %51 soot reduction.