Simulation and validation of in-cylinder combustion for a heavy-duty Otto gas engine using 3D-CFD technique

• Main Author: Arimboor Chinnan, Jacob
• Format: Others
• Language: English
• Published: KTH, Förbränningsmotorteknik 2018
• Subjects: CFD; AVL FIRE; Otto Gas Engine; Combustion Modelling; ECFM Model; Flame Tracking Particle Model; Flame Tracking Model; G-Equation Model; Ignition Models.; Otto Gasmotor; Förbränningsmodellering; ECFM-modell; Flamspårningspartikelmodell; Flamspårningsmodell; G-ekvationsmodell; Tändningsmodeller; Mechanical Engineering; Maskinteknik
• Online Access: http://urn.kb.se/resolve?urn=urn:nbn:se:kth:diva-245172

Utsläpp från bilar har spelat stor roll de senaste decennierna. Detta har lett till ökad användning av Otto gasmotorer som använder naturgas som bränsle. Nya motordesigner behöver optimeras för att förbättra motorens effektivitet. Ett effektivt sätt att göra detta på är genom användningen av simuleringar för att minska ledtiden i motorutvecklingen. Verifiering och validering av simuleringarna spelar stor roll för att bygga förtroende för och förutsägbarhet hos simuleringsresultaten. Syftet med detta examensarbete är att föreslå förbränningsmodellparametrarna efter utvärdering av olika kombinationer av förbrännings- och tändmodeller för Otto förbränning, vad gäller beräkningstid och noggrannhet. In-cylindertrycksspår från simulering och mätning jämförs för att hitta den bästa kombinationen av förbrännings- och tändmodell. Inverkan av tändtid, antal motorcykler och randvillkor för simuleringsresultatet studeras också. Resultaten visar att ECFM-förbränningsmodellen förutsäger simuleringsresultaten mer exakt när man jämför med mätningarna. Effekten av tändningstiden på olika kombinationer av förbrännings- och tändningsmodell utvärderas också. Stabiliteten hos olika förbränningssimuleringsmodeller diskuteras också under körning för fler motorcykler. Jämförelse av beräkningstid görs även för olika kombinationer av förbrännings- och tändmodeller. Resultaten visar också att flamspårningsmetoden med Euler är mer känslig för cellstorlek och kvalitet hos simuleringsnätet, jämfört med övriga studerade modeller. Rekommendationer och förslag ges om nät- och simulerings-inställningar för att prediktera förbränningen på ett så bra sätt som möjligt. Några möjliga förbättringsområden ges som framtida arbete för att förbättra noggrannheten i simuleringsresultaten. === Emission from automobiles has been gaining importance for past few decades. This has gained a lot of impetus in search for alternate fuels among the automotive manufacturers. This led to the increase usage of Otto gas engine which uses natural gas as fuel. New engine designs have to be optimized for improving the engine efficiency. This led to usage of virtual simulations for reducing the lead time in the engine development. The verification and validation of actual phenomenon in the virtual simulations with respect to the physical measurements was quite important.  The aim of this master thesis is to suggest the combustion model parameters after evaluating various combination of combustion and ignition models in terms of computational time and accuracy. In-cylinder pressure trace from the simulation is compared with the measurement in order to find the nest suited combination of combustion and ignition models. The influence of ignition timing, number of engine cycles and boundary conditions on the simulation results are also studied. Results showed that ECFM combustion model predicts the simulation results more accurately when compare to the measurements. Impact of ignition timing on various combination of combustion and ignition model is also assessed. Stability of various combustion simulation models is also discussed while running for more engine cycles. Comparison of computational time is also made for various combination of combustion and ignition models. Results also showed that the flame tracking method using Euler is dependent on the mesh resolution and the mesh quality.  Recommendations and suggestions are given about the mesh and simulation settings for predicting the combustion simulation accurately. Some possible areas of improvement are given as future work for improving the accuracy of the simulation results.