Development of a Combustion Model for Medium Speed Dual-Fuel Engines

Frerichs, Jelto

doi:10.24355/dbbs.084-202203271148-0

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Development of a Combustion Model for Medium Speed Dual-Fuel Engines

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Considering the global sulfur limitation for maritime fuels and the existing IMO Tier III legislation, natural gas as a fuel is getting more important in the shipping sector. One way to use natural gas is the dual-fuel combustion process where a homogeneous lean natural gas mixture is ignited by a micro pilot injection of diesel fuel.

In the present work a predictive combustion model for medium speed dual-fuel engines is developed and implemented in GT-Power. To predict the start of combustion, a detailed physically/chemically based ignition delay model is developed, based on the 1D spray model of Musculus and Kattke. Therefore, detailed correlations for the ignition delay times of the 2-stage ignition process are derived from reaction kinetics calculations. Using these correlations, the reaction progress inside the spray is calculated until ignition. Furthermore, the influence of wall contact of the spray is included in the model, as well as the prolonging effect of overmixing for long ignition delay times.

The spray model results at start of combustion are used to initialize the combustion model. The spray zone and the homogenous natural gas/air mixture are burned with different combustion models, to account for the effect of the inhomogeneous fuel distribution. Due to the implemented state-of-the art sub-models for laminar and turbulent flame speed, a wide range of air-fuel ratios is covered by the combustion model.

To account for the HC emissions two flame quenching models are included and extended with an empirical correlation. NO_x emissions are modelled using a standard Extended Zeldovich Mechanism and for the prediction of knocking combustion a detailed knock model from literature is implemented.

The models are calibrated and validated with measurement data from a single cylinder medium speed dual-fuel engine, except for the ignition delay model which does not require calibration. The start of combustion and the combustion parameters are predicted reasonably for a wide range of injection timings and operation conditions. Furthermore, the included HC models allow for a satisfactory prediction of the engine operation parameters brake specific fuel consumption and indicated mean effective pressure.

Due to the detailed description of the different combustion phases, the influence of the injection timing on the NO_x emission is captured well with the standard NO_x-model. This allows for a proper prediction of the NO_x-limited injection timing over a wide range of boundary conditions. The knock limit is also predicted within an acceptable range for different air-fuel ratios and charge air temperatures.

In Anbetracht der weltweiten Schwefelbegrenzung für Schiffskraftstoffe und der bestehenden IMO Tier III-Gesetzgebung gewinnt Erdgas als Kraftstoff zunehmend an Bedeutung. Eine Möglichkeit zur Nutzung von Erdgas ist das Dual-Fuel-Brennverfahren, bei dem ein homogenes, mageres Erdgas/Luft-Gemisch durch eine Piloteinspritzung gezündet wird.

In der vorliegenden Arbeit wird ein prädiktives Verbrennungsmodell für mittelschnell laufende Dual-Fuel-Motoren entwickelt und in GT-Power implementiert. Zur Vorhersage des Verbrennungsbeginns wird ein detailliertes physikalisch/chemisch basiertes Zündverzugsmodell entwickelt, das auf dem 1D-Spray-Modell von Musculus und Kattke aufbaut. Dazu werden aus reaktionskinetischen Berechnungen detaillierte Korrelationen für die Zündverzugszeiten der 2-stufigen Selbstzündung abgeleitet. Mit Hilfe dieser Korrelationen wird der Reaktionsverlauf innerhalb des Sprays bis zur Zündung berechnet. Außerdem wird der Kontakt des Sprays mit der Brennraumwand berücksichtigt, ebenso wie der verzögernde Einfluss von starker Abmagerung des Sprays auf den Zündverzug.

Die Ergebnisse des Spraymodells zum Zündzeitpunkt werden zur Initialisierung des Verbrennungsmodells verwendet. Die Sprayzone und das homogene Erdgas/Luft-Gemisch werden mit unterschiedlichen Verbrennungsmodellen verbrannt, um den Effekt der inhomogenen Brennstoffverteilung zu berücksichtigen. Durch die Verwendung von Submodellen für die laminare und turbulente Flammengeschwindigkeit, die dem aktuellen Stand der Technik entsprechen, kann eine große Bandbreite an Kraftstoff/Luft-Verhältnissen von dem Modell abgedeckt werden.

Zur Modellierung der HC-Emissionen werden zwei Flammenlöschungsmodelle einbezogen und mit einer empirischen Korrelation erweitert. Die NO_x-Emissionen werden mit einem Extended Zeldovich Mechanismus modelliert und zur Vorhersage der klopfenden Verbrennung wird ein detailliertes Klopfmodell aus der Literatur implementiert.

Die Modelle werden mit Messdaten eines mittelschnell laufenden Einzylinder Dual-Fuel Motors kalibriert und validiert, mit Ausnahme des Zündverzugsmodells, das keiner Kalibrierung bedarf. Der Beginn der Verbrennung und die Verbrennungsparameter werden für einen weiten Bereich von Einspritzzeitpunkten und Betriebsbedingungen gut vorhergesagt. Darüber hinaus werden unter Berücksichtigung von unverbranntem Kraftstoff auch die Motorbetriebsparameter spezifischer Kraftstoffverbrauch und indizierter Mitteldruck zufriedenstellend vorhergesagt. Aufgrund der detaillierten Beschreibung der verschiedenen Verbrennungsphasen wird der Einfluss des Einspritzzeitpunkts auf die NO_x-Emissionen mit dem Standard-NO_x-Modell gut erfasst. Es ist außerdem möglich den durch NO_x Emissionen begrenzten spätestmöglichen Einspritzzeitpunkt in zufriedenstellender Genauigkeit vorherzusagen. Die Klopfgrenze kann ebenso für verschiedene Luftverhältnisse und Ladelufttemperaturen zufriedenstellend vorhergesagt werden.