Impact of the cycle-to-cycle variation of an internal combustion engine to gaseous pollutants emissions

Abstract

Η εργασία στοχεύει στην υπολογιστική και πειραματική διερεύνηση της επίδρασης της κυκλικής διακύμανσης της καύσης σε κινητήρες, στο σχηματισμό ρύπων. Έμφαση δίνεται στις εκπομπές οξειδίων του αζώτου (NOx). Στο πλαίσιο αυτό, η παρούσα διδακτορική διατριβή συμβάλλει σε μια ερευνητική περιοχή που λίγο έχει μελετηθεί, μέσω των ακολούθων τριών προσεγγίσεων: α) της ανάπτυξης και επαλήθευσης ενός μοντέλου πρόβλεψης σχηματισμού ρύπων από κύκλο σε κύκλο, με χρήση ενός αναλυτικού μηχανισμού χημικών αντιδράσεων, β) Της πειραματικής διερεύνησης της κυκλικής διακύμανσης των εκπομπών ρύπων χρησιμοποιώντας αναλυτές ταχείας απόκρισης και συσχετίζοντας τα χαρακτηριστικά καύσης με τους μετρημένους σχηματιζόμενους ρύπους, γ) της χρήσης του προτεινόμενου μοντέλου πρόβλεψης σχηματισμού ρύπων και των πειραματικών δεδομένων, με στόχο τη διερεύνηση της δυνατότητας μοντελοποίησης της διακύμανσης των εκπομπών ρύπων.Το πρώτο και το τρίτο βήμα προϋποθέτουν ότι το νέο μοντέλο πρόβλεψης σχηματισμού ρύπων πρέπει να παρουσιάζει βελτιωμένη ακρίβεια σε σχέση με τα υπάρχοντα μοντέλα που υπάρχουν στην βιβλιογραφία. Το μοντέλο που αναπτύχθηκε χρησιμοποιεί έναν αναλυτικό μηχανισμό χημικής κινητικής και υποθέτει ότι κάθε “υπολογιστική” ζώνη καύσης είναι ένας ομογενής αντιδραστήρας. Σε σύγκριση με τα υπάρχοντα μοντέλα, το προτεινόμενο μοντέλο πλεονεκτεί διότι δεν απαιτεί τη χρήση της απλοποιημένης υπόθεσης χημικής ισορροπίας για τον υπολογισμό κανενός ρύπου καθώς και δεν απαιτεί τη χρήση οποιασδήποτε αυθαίρετης παραμέτρου για τη βαθμονόμησή του. Επιπλέον, το προτεινόμενο μοντέλο αναλυτικής χημείας απαιτεί υπολογιστικό χρόνο της ίδιας τάξης μεγέθους με τα παλαιότερα μοντέλα της βιβλιογραφίας. Δεδομένου ότι το προτεινόμενο μοντέλο παρουσιάζει βελτιωμένη ακρίβεια στην πρόβλεψη των εκπομπών οξειδίων του αζώτου (ΝΟx) σε σχέση με τα υπάρχοντα μοντέλα, χωρίς να αυξάνεται σημαντικά ο υπολογιστικός χρόνος, γίνεται σαφές ότι η συγκεκριμένη καινοτομία μπορεί να συμβάλει στον πιο αποδοτικό σχεδιασμό των μηχανών εσωτερικής καύσης.Ο δεύτερος στόχος αυτής της εργασίας είναι η πειραματική διερεύνηση της κυκλικής διακύμανσης των εκπομπών ρύπων. Αν και η επίδραση της κυκλικής διακύμανσης της καύσης έχει ερευνηθεί εκτενώς στην βιβλιογραφία, μόνο ένας πολύ μικρός αριθμός δημοσιεύσεων υπάρχουν πάνω στην πειραματική διερεύνηση της κυκλικής διακύμανσης των σχηματιζόμενων ρύπων κατά την καύση. Η πειραματική μελέτη που παρουσιάζεται σε αυτή την εργασία εστιάζει στην ποσοτικοποίηση της επίδρασης των διαφόρων παραμέτρων του κινητήρα, όπως το φορτίο, ο λόγος αέρα, και ο χρονισμός της ανάφλεξης στην κυκλική διακύμανση των εκπομπών.