CFD simulation of a CI engine : analysis of the injection and combustion of OME compared to dodecane

The current global energy supply is characterised by a great sensitivity towards global warming. From this perspective, drastic changes in the transportation sector are necessary since it still relies on the utilization of internal combustion engines and fossil fuels. One of the most promising Diesel alternatives is the polyoxymethylene dimethyl ethers (OME) class. It is characterised by favourable injection and combustion properties, coupled with physical properties that allow its utilization in standard compression-ignition engines. In terms of environmental burden, the OME fuels can be considered as carbon neutral if the proper production process and feedstocks are used, and they burn almost without soot formation due to the high oxygen content. The scope of this work is to provide a CFD model for the simulation of the injection and combustion processes inside a compression-ignition engine, representing a Bowditch-type optical engine. A moving mesh is created and refined to allow a precise description of the standard Spray B injector, from the Engine Combustion Network database. A piston junk is added to the computational domain, for the implementation of the leakages through the piston rings incorporating blow-by losses otherwise neglected. Detailed reaction mechanisms are employed for a precise evaluation of the chemical process. Boundary conditions, including an estimation of the possible blow by losses, are extracted from a 1D GT-Suite model. The CFD model is validated through experimental measurements collected at the Institute for Combustion and Gas Dynamics (IVG) at the Universität Duisburg-Essen (UDE) for both OME and dodecane, a Diesel surrogate. The analysis of the ignition properties and pressure traces within the chamber highlights the promising potential of this synthetic fuels, despite the low energy content, that requires specific attention.

L’attuale contesto energetico è caratterizzato da una grande sensibilità nei confronti del surriscaldamento globale. Da questo punto di vista, cambiamenti drastici relativi al settore dei trasporti sono necessari, poiché risulta ancora fondato sull’utilizzo di motori a combustione interna e combustibili fossili. Una delle alternative più promettenti al Diesel convenzionale è la classe dei poliossimetilene dimetil eteri (OME), caratterizzata da proprietà favorevoli in termini di iniezione e combustione, oltre a proprietà fisiche che consentono il suo utilizzo in motori ad accensione spontanea standard. In termini di impatto ambientale, i combustibili OME possono essere considerati neutrali dal punto di vista delle emissioni di CO2 se i processi di produzione adatti, con materie prime non fossili ed energia elettrica pulita, vengono utilizzati. Inoltre, la reazione di combustione avviene quasi senza formazione di particolato grazie all’elevato contenuto di ossigeno. L’obbiettivo di questo lavoro è fornire un modello CFD per la simulazione dei processi di iniezione e combustione in un motore ad accensione spontanea, che rappresenta un motore ottico di tipo Bowditch. Una mesh mobile è costruita e rifinita in modo da permettere una precisa descrizione dell’iniettore standard Spray B, oggetto di studio proveniente dal database di Engine Combustion Network. Una regione addizionale è integrata al dominio di computazione, per l’implementazione delle perdite attraverso gli anelli del pistone. Ulteriormente, dei meccanismi di reazione dettagliati sono impiegati per una valutazione precisa dei processi chimici e le condizioni al contorno sono estratte da un modello 1D attraverso GT-Suite. Il modello CFD è validato attraverso misure sperimentali provenienti dal laboratorio presso l’UDE, sia per OME che per il dodecano, come surrogato del Diesel. L’analisi delle proprietà di combustione e delle curve di pressione nel cilindro evidenzia le potenzialità di questi combustibili sintetici, nonostante il ridotto potere calorifico richieda attenzione specifica.