Development of a reaction mechanism for dual fuel combustion simulations

Abstract

Im Transportsektor bietet die Verwendung von Dual Fuel-Motoren anstelle von reinen Dieselmotoren das Potenzial für Emissionseinsparungen. Beim Dual Fuel-Verbrennungsprozess wird ein Gemisch aus Luft und Brenngas verdichtet und durch die Einspritzung eines reaktiven Flüssigkraftstoffs, wie z.B. Diesel, gezündet. Bei der Entwicklung moderner Verbrennungsmotoren ist der Einsatz von Simulationen unverzichtbar geworden. Eine Voraussetzung für die Simulation des Motorprozesses ist die Verfügbarkeit eines Reaktionsmechanismus zur Berechnung der bei der Zündung und Verbrennung ablaufenden Reaktionen. Der Dual Fuel-Verbrennungsprozess, bei dem zwei verschiedene Kraftstoffarten interagieren, ist sehr komplex und noch nicht im Detail verstanden. Ziel dieser Arbeit war es, den Dual Fuel-Verbrennungsprozess im Detail zu analysieren und einen Reaktionsmechanismus für die Simulation dieses Prozesses zu entwickeln. Zur Verifizierung der Simulationsergebnisse wurden Messergebnisse verwendet, die mit einer Rapid Compression Machine (RCM), einer Rapid Compression Expansion Machine (RCEM), einer Verbrennungsbombe (VB) und einem Stoßrohr (SR) ermittelt wurden. Als Grundlage für die Entwicklung des Mechanismus diente der Complete San Diego-Mechanismus mit Heptan-Erweiterung. Sensitivitäts- und Flusssanalysen wurden zur Identifizierung jener Reaktionen verwendet, die für die Optimierung des Mechanismus verwendet werden konnten. Der Mechanismus wurde durch Adjustierung der entsprechenden Arrhenius-Parameter angepasst. Der für RCEM- und VB-Simulationen optimierte TU Wien Dual Fuel-Mechanismus kann die mittels RCEM ermittelten Zündverzögerungszeiten (ZVZs) sowohl im reinen Dieselbetrieb als auch im Dual Fuel-Betrieb reproduzieren. Bei der Weiterentwicklung des Mechanismus, zur Erschließung eines größeres Anwendungsspektrum, wurde der Kinetik-kontrollierte Zündvorgang in homogenen Gemischen untersucht. Zur Berechnung der NOx-Bildung wurde der Mechanismus erweitert. Des Weiteren wurde die Simulation der Flammenausbreitung in der Brennkammer untersucht. Durch Sensitivitätsanalysen wurden einflussreiche Reaktionen identifiziert und zur Optimierung des Mechanismus angepasst. Der TU Wien Dual Fuel-Mechanismus 2.0 zeigt eine verbesserte Reproduktion der gemessenen ZVZ- und laminaren Flammengeschwindigkeitswerte.Die entwickelten Reaktionsmechanismen bieten der wissenschaftlichen Gemeinschaft neue Möglichkeiten für eine vertiefte Forschung auf dem Gebiet der Dual Fuel-Verbrennung.

In the transport sector, the use of dual fuel engines instead of pure diesel engines offers potential for emission savings. In the dual fuel combustion process, a mixture of air and fuel gas is compressed and ignited by the injection of a reactive liquid fuel pilot, such as diesel. In the development of modern combustion engines, the use of simulations has become indispensable. One prerequisite for simulating the engine process is the availability of a reaction mechanism for calculating the reactions taking place during ignition and combustion. The dual fuel combustion process, in which two different fuel types interact, is very complex and not yet understood in detail.This thesis aims to analyze the dual fuel combustion process in detail and develop a reaction mechanism for the simulation of this process. Measurement results, determined with a rapid compression machine (RCM), rapid compression expansion machine (RCEM), combustion vessel (CV) and a shock tube (ST), were used to verify the simulation results. The Complete San Diego mechanism with heptane extension served as the basis for the mechanism development. Sensitivity and flow analyses were performed to identify the reactions that could be used for the optimization of the reaction mechanism. The mechanism was adapted by adjusting the corresponding Arrhenius parameters and the associated change in reaction rate coefficients. The TU Wien dual fuel mechanism optimized for RCEM and CV simulations can reproduce the ignition delay times (IDTs) determined in the RCEM both in pure diesel operation and in dual fuel operation. During the further development of the reaction mechanism, intended to discover a greater range of applications, the purely kinetic-controlled ignition process was investigated in homogeneous mixtures. To calculate the formation of NOx during combustion, the reaction mechanism was extended. Furthermore, the simulation of flame propagation in the background gas of the combustion chamber was examined. Through sensitivity analyses, influential reactions were identified and used to optimize the mechanism. The TU Wien dual fuel mechanism 2.0 shows an improved reproduction of the measured IDT and laminar flame speed values.The developed reaction mechanisms offer the scientific community new possibilities for more in-depth research in the field of dual fuel combustion.