The role of piston bowl shape in controlling soot emissions from heavy-duty Diesel engines.
Doktorsavhandling, 2018

The role of piston bowl shape in controlling soot emissions from heavy-duty Diesel engines.

Diesel combustion is often subject to a trade-off between emissions of soot and nitrogen oxides (NOx). This trade-off limits the scope for restricting the CO2 footprint of diesel engines by reducing fuel consumption while simultaneously reducing emissions of soot and NOx. 

This thesis examines a new piston bowl shape for diesel engines that was found to significantly reduce soot emissions, enabling the typical soot-NOx trade-off to be limited. Experimental and simulation studies showed that the improvements originated from enhancement of soot oxidation late in the combustion cycle, after the end of the fuel injection period. The late-cycle oxidation rate increased when the supply of oxygen to a radially developing turbulent mixing zone (RMZ) was improved. 

The mixing features of the RMZ depended on the interaction between the high velocity, high momentum fuel jet and the piston bowl shape. A clear coupling was identified between the piston bowl shape and the transport of oxygen to the trailing edge of the RMZ. Specifically, it was shown that the presence of a wave-shaped protrusion caused a smoother flow in the flame-flame area that improved oxygen transport to the trailing edge. This improved oxygen supply increased late-cycle mixing and thus increased the soot oxidation rate, reducing net soot emissions by up to 80% and also improving fuel consumption. Experiments with different fuel types revealed that this strategy also improves late cycle mixing for renewable fuels.

The findings were used to develop a qualitative model describing late-cycle heavy-duty low-swirl combustion. Together with previously introduced qualitative models of free diesel jets, this model could help clarify events that have important effects on various flame interactions. In addition, a new experimental setup was developed to enable detailed studies of RMZ behaviour in a spray-chamber. The setup consists of a two-hole fuel nozzle combined with different wall geometries. It is suggested that new insights into RMZ behaviour and late-cycle oxidation will be obtained by combining experiments using this setup with simulation studies. 

The work was partly funded by the Swedish Energy Agency (project 30754-1&2).

piston bowl

radial mixing zone

soot oxidation

wave-piston

low swirl

enhanced late-cycle combustion

diesel engine

FB Lecture hall, Fysikgården 4, Johanneberg
Opponent: Dr.Paul Miles, Sandia National Laboratories, USA

Författare

Jan Eismark

Chalmers, Mekanik och maritima vetenskaper, Förbränning

Role of formation and transportation of hydroxyl radicals for enhanced late soot oxidation in a low emissions heavy-duty diesel engine.

Thiesel 2010 conference on Thermo-and fluid dynamic processes in Diesel Diesel Engines,; (2010)p. 173-190

Paper i proceeding

Role of piston bowl shape to enhance late-cycle soot oxidation in low-swirl diesel combustion

Role of fuel properties and piston shape in influencing soot oxidation in heavy-duty low swirl

Role of spray chamber experiments in understanding flame-flame interaction events in heavy-duty diesel engine combustion.

Kolvformens inverkan på sotemissioner från en tung lastbilsmotor.

Dieselmotorer har en hög verkningsgrad och är bränsleflexibla vilket gör dem högst lämpliga att använda i arbetet att minska det globala CO2 fotavtrycket från tunga fordon. En svårighet i detta arbete är att finna åtgärder som höjer verkningsgraden utan att åtgärden samtidigt genererar högre emissioner av kväveoxider och sot i avgaserna.

Förbränningsrummet i en dieselmotor utgörs av en fördjupning i kolvtoppen. Formen på fördjupningen tillsammans med antalet bränslesprayer, sprayernas riktning och dess rörelsenergi bildar ett sammansatt system. I denna avhandling undersöks en ny kolvform som har visat sig kunna sänka utsläppen av sot från förbränningen upp till 80%. Orsaken till denna förbättring visades med experiment och simuleringar bero på att en intensivare turbulent blandning av bränsle och luft kunde åstadkomma. Detta sker framförallt under den efterförbränning som sker efter att insprutningen av bränsle redan har avslutats. Mer intensiv blandning under efterförbränningen  innebär att sot som bildats tidigare då insprutningen pågick får en större chans att oxideras vilket leder till att nettoutsläppet av sot kan minskas för både standard- och förnyelsebara dieselbränslen.

För en motor med relativt stillastående gas i cylinder när insprutningen startar (låg swirl) kunde en speciell blandningszon identifieras (”Radial mizing zone”, RMZ). RMZ rör sig radiellt från förbränningsrummets väggar tillbaka mot dess mitt där halten av syre fortfarande kan vara hög. Avhandlingen visar att kolvens form är av stor vikt för hur effektiv blandningen i RMZ blir och att beteendet av RMZ alltså är viktig för hur sotoxidation sker.

Resonemanget om RMZ användes för att föreslå en förklaringsmodell för global blandning och sotoxidation i dieselmotorer med låg swirl. Vidare utvecklades en ny metod för att i en så kallad spray-kammare kunna undersöka grundläggande egenskaper för RMZ där en bränslespridare med två hål kombineras med olika kolvliknande väggeometrier och optiska diagnosmetoder. En sådan försöksuppställning tillsammans med olika simuleringtekniker visade sig användbar för att analysera RMZ och föreslås därför som bas för framtida forskning. 

Detta arbete finansierades delvis av Energimyndigheten inom projekten 30754-1 & 2.

Ämneskategorier

Maskinteknik

Annan maskinteknik

Energiteknik

Strömningsmekanik och akustik

Drivkrafter

Hållbar utveckling

Styrkeområden

Transport

Energi

Fundament

Grundläggande vetenskaper

ISBN

978-91-7597-789-8

Doktorsavhandlingar vid Chalmers tekniska högskola. Ny serie: 4470

Utgivare

Chalmers tekniska högskola

FB Lecture hall, Fysikgården 4, Johanneberg

Opponent: Dr.Paul Miles, Sandia National Laboratories, USA

Mer information

Senast uppdaterat

2018-11-08