Multi-Zone Model for HCCI Combustion

Today, car manufacturers are facing many different problems in terms of engine technology. The choice of the energy source as fuel is no longer only a matter of performances, but many other factors play a fundamental role, such as fuel availability, price, geopolitical aspects and the renewed consciousness of the public opinion about the environmental impact of these choices. Fossil fuels are actually still the primary energy resource and their use in the transportation sector represents one of the largest source of pollutant emissions. In the recent years, many different solutions have been proposed with the aim of guiding the transportation sector towards a cleaner future. However, many of these solutions (such as electric vehicles, hydrogen propulsion, etc.) are facing technical barriers and economic constraints, highlighting how Internal Combustion (IC) engines will have a primary role in the transportation sector for many years. The targets of higher efficiency and simultaneous reduction of NOx and particulate matter (PM) can be achieved by means of new Low Temperature Combustion (LTC) techniques, as the Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI), where a homogeneous mixture of air and fuel is auto-ignited due to compression. Although many fundamental works have been already done in order to address the control problems related with the very fast energy release of this engine, more research is required in order to increase the high-load limit without engine knock or other unstable combustion forms. Aim of this thesis is to develop a new comprehensive and predictive multi-zone model able to describe the characteristic behavior of the HCCI combustion, and possessing the capabilities of investigating the role of chemical kinetics by means of advanced kinetic analysis tools. The multi-zone model is able to manage detailed kinetic mechanisms for the prediction of the auto-ignition phenomena and the in-cylinder speciation. Sensitivity analysis, specifically developed for a Differential-Algebraic system of equations, coupled with the rate of production analysis allow to perform detailed kinetic investigation of the reactivity occurring during the engine cycle. The mathematical formulation of the model derives from different assumptions: the description of the mixture as an ideal gas, the adoption of an onion-like zone configuration, as well as heat and mass fluxes between neighboring zones. Crevices are described as a constant-volume variable-mass zone, causing convective fluxes during the engine cycle. The effects of residual burned gases between two cycles are also taken into account. The use of a wall-function approach to model the heat exchange with the cylinder walls significantly improves the accuracy of the multi-zone model in the near-wall region. Moreover, its coupling with a suitable turbulence model allows to properly reproducing the naturally occurring thermal stratifications and its effect on the pressure rise rate. The reliability of this approach has been tested with different engines under many different initial and geometric conditions and engine speeds. The multi-zone model is validated by means of experimental data of pressure, temperature, heat release, emissions and in-cylinder speciation obtained from four different engines, fueled with both fossil and biofuels, under several different conditions of compression ratio, engine speed and dilution. In the first part, crank-resolved species profiles obtained at Drexel University are used in order to show the role of different geometrical and operating conditions on the combustion duration, on the phasing and on the in-cylinder speciation. Then, the focus moves to the combustion process in terms of pressure rise rate and heat release, with the multi-zone model used to clarify the role of the chemical kinetics ruling the so-called Intermediate Temperature Heat Release (ITHR) phenomena. Two cases are considered: the gasoline combustion in the Sandia engine, and the data of biogas oxidation with different amount of n-heptane as pilot fuel studied in the UC Berkeley engine. Lastly, the data obtained from the modified CFR engine of the Michigan University are used to study the critical compression ratio and the exhaust emissions deriving from the oxidation of methyl esters, n-butanol and their mixtures with n-heptane.

Ad oggi le case automobilistiche stanno affrontando crescenti difficoltà nel rispettare le sempre più stringenti regolamentazioni in termini di emissioni. La scelta della fonte energetica da utilizzare è un problema estremamente attuale, svincolato dalla mera problematica delle performance. Altri fattori rivestono ormai un ruolo fondamentale in queste scelte, come la disponibilità, il prezzo, gli aspetti geopolitici e la rinnovata consapevolezza dell'opinione pubblica circa l'impatto ambientale di queste scelte. Attualmente, i combustibili fossili rappresentano la principale fonte di energia in molti settori, compreso quello dei trasporti. Questa scelta, tuttavia, fa del settore dei trasporti la maggior fonte di emissioni inquinanti. In questi termini, negli ultimi anni diverse soluzioni hanno alimentato la speranza di traghettare questo settore verso un futuro più pulito, seppur con scarsi risultati. Molte di queste soluzioni, infatti, come i veicoli elettrici, i motori ad idrogeno, ecc., si sono scontrate con problematiche di natura tecnologica e vincoli economici, evidenziando come i motori a combustione interna rivestiranno un ruolo fondamentale nel settore dei trasporti per molti anni ancora. Gli obiettivi di una maggiore efficienza e, parallelamente, dell'abbattimento delle emissioni di NOx e particolato carbonioso derivanti da questi motori a combustione interna possono essere raggiunti adottando nuove tecnologie di combustione a bassa temperatura (LTC), come l'Homogeneous Charge Compression Ignition (HCCI). Nonostante questa tecnologia sia già stata oggetto di numerose ricerche con l'obiettivo di risolvere i problemi di controllo che la caratterizzano, ampi margini di miglioramento sono ancora presenti, in particolare relativamente alla possibilità di aumentarne la capacità di operare a carichi elevati evitando forme anomale di combustione (ad esempio il battito in testa). Scopo di questa tesi è quello di sviluppare un nuovo modello predittivo per la descrizione della combustione HCCI sulla base di un approccio multi-zona, capace di descrivere gli aspetti caratteristici di questa tecnologia e di investigare il ruolo della cinetica chimica in condizioni HCCI attraverso strumenti di indagine cinetica avanzati. Il modello si contraddistingue per la capacità di gestire schemi cinetici complessi, utili per un’accurata descrizione dei fenomeni di autoignizione e della speciazione chimica. Inoltre, l'analisi di sensitività, sviluppata appositamente per un sistema di equazioni algebrico-differenziale, e la Rate of Production Analysis, permettono di condurre analisi cinetiche dettagliate sulla reattività del sistema. A livello matematico, la formulazione del modello è il risultato di diverse assunzioni, come la descrizione della miscela mediante un approccio di gas perfetto, l'utilizzo di una struttura a cipolla per la discretizzazione del volume reattivo, nonché l'inclusione dei flussi di massa e calore tra zone limitrofe. La descrizione dei crevices, trattati come zone a volume costante e massa variabile, porta all’inclusione dei flussi convettivi fra le zone, mentre l’effetto dei gas combusti rimasti intrappolati nel cilindro tra due cicli successivi è altresì descritto mediane un opportuno modello. La descrizione del calore scambiato con le pareti del cilindro attraverso un approccio basato su wall-function permette di aumentare notevolmente l'accuratezza del modello multi-zona nelle aree vicino alle pareti. Inoltre, l'accoppiamento di quest'ultimo con un adeguato modello di turbolenza permette di descrivere correttamente la stratificazione termica caratterizzante questi motori e gli effetti sulla velocità di aumento della pressione (PRR). L'affidabilità di questo approccio è stata verificata simulando molteplici motori con diverse geometrie, velocità di rotazione e configurazioni iniziali. Il modello è stato validato attraverso il confronto con dati sperimentali di pressione, calore rilasciato, emissioni e profili di specie misurate all'interno del cilindro, ottenuti da quattro diversi motori alimentati sia con combustibili fossili che di origine bio, ed utilizzando diverse condizioni di rapporto di compressione, velocità di rotazione e diluizione. Nella prima parte, i dati forniti dalla Drexel University relativi alla specie formate durante il processo di combustione direttamente nella camera di combustione sono stati utilizzati per mostrare l'impatto di diverse configurazioni geometriche e condizioni operative sulle specie formate, l'inizio e la durata della combustione. Successivamente, l'attenzione si è spostata sull'analisi del processo di ossidazione in termini di PRR e calore rilasciato. Qui, il modello multi-zona è stato impiegato per chiarire il ruolo della cinetica chimica sul fenomeno dell'Intermediate Temperature Heat Release (ITHR). I casi considerati sono stati due: il motore Sandia alimentato a benzina, ed i dati di miscele di biogas con diverso contenuto di n-eptano come pilota ottenuti dal motore installato presso la UC Berkeley. Da ultimo, i dati provenienti dalla Michigan University, ottenuti da un motore CFR opportunamente modificato, sono stati utilizzati per valutare il rapporto di compressione critico e le emissioni derivanti dall'ossidazione di n-butanolo e diversi metil esteri, sia puri che in miscela con n-eptano.