Toelating tot bruikleen

Transcriptie

1

2 Voorwoord De scriptie die voor u ligt, is het resultaat van een jaar intensief onderzoek en denkwerk. Dit resultaat kon er enkel komen dankzij de gewaardeerde steun van zij die direct en indirect betrokken waren bij dit onderzoek. In de eerste plaats wil ik Prof. Dr. ir. R. Sierens en Dr. ir. S. Verhelst bedanken voor de kans die ik gekregen heb om uitgerekend dit boeiende onderzoek te kunnen doen. Ik wil ze allebei ook uitdrukkelijk bedanken voor de wijze waarop ze mij gemotiveerd en begeleid hebben en cours de route. Aanvankelijk ging ik met een bang hart naar de veertiendaagse vergaderingen waarin ik mijn vorderingen kon bespreken met Prof. Dr. ir. R. Sierens en Dr. ir. S. Verhelst. Later keek ik uit naar deze bijeenkomsten omdat ik altijd een grote stap verder kon zetten dankzij hun zeer vakkundige en enthousiaste begeleiding. In het bijzonder wil ik mijn promotor Dr. ir. S. Verhelst nogmaals van harte danken omdat zijn deur altijd open stond. Dat was een ongelooflijke luxe want op die manier heb ik nooit tijd verloren als ik met een probleem worstelde. Verder wil ik mijn ouders en zus danken voor de steun die ze me gaven gedurende het volledige academiejaar. Ik ben hen ook zeer erkentelijk voor hun taalkundige en stilistische adviezen. Een speciale vermelding verdient ook Noemi, mijn vriendin. De confrontaties met haar steeds kritische geest waren zeer belangrijk in periodes van twijfel. Haar voortdurende vertrouwen gaf mij een altijd aanwezige steun waarop ik steeds weer kon rekenen. ii

3 Toelating tot bruikleen De auteur geeft de toelating deze scriptie voor consultatie beschikbaar te stellen en delen van de scriptie te kopiëren voor persoonlijk gebruik. Elk ander gebruik valt onder de beperkingen van het auteursrecht, in het bijzonder met betrekking tot de verplichting de bron uitdrukkelijk te vermelden bij het aanhalen van resultaten uit deze scriptie. Tom Van Den Noortgaete, juni 2008 iii

4 Simulatie van waterstofmotoren: validatie van het simulatieprogramma GUEST door Tom VAN DEN NOORTGAETE Scriptie ingediend tot het behalen van de academische graad van burgerlijk werktuigkundig-elektrotechnisch ingenieur Academiejaar Promotor: Dr. ir. S. VERHELST Co-Promotor: Prof. Dr. ir. R. SIERENS Faculteit Ingenieurswetenschappen Universiteit Gent Vakgroep voor Mechanica van Stroming, Warmte en Verbranding Voorzitter: Prof. Dr. ir. R. SIERENS Samenvatting Hoofdstuk 1 geeft een algemene inleiding op deze scriptie, waarbij de belangrijkste eigenschappen van waterstof worden toegelicht. In hoofdstuk 2 wordt een kort overzicht gegeven van de simulatiemodellen gevonden in de literatuur. Hierbij wordt vooral aandacht besteed aan het simulatieprogramma GUEST en de eerste simulatieresultaten. De karakteristieken van de gebruikte proefmotoren worden hier ook kort besproken. Hoofdstuk 3 beschrijft beknopt de werking van het simulatieprogramma GUEST. Vooraleer de eigenlijke simulaties uitgevoerd kunnen worden, dient een simulatieprogramma afgestemd te worden op de proefmotoren. De zogenaamde kalibratie van GUEST wordt besproken in hoofdstuk 4. In hoofdstuk 5 wordt het simulatieprogramma gevalideerd met betrekking tot variabele mengselrijkheden. Hoe de verbrandingsmodellen reageren bij variaties van het torental komt aan bod in hoofdstuk 6. In hoofdstuk 7 wordt ten slotte onderzocht wat de invloed is van het toepassen van EGR-mengsels. In hoofdstuk 8 worden de finale conclusies geformuleerd. Trefwoorden waterstof, simulatieprogramma GUEST, toerental, mengselrijkheid, EGR. iv

5 Extended Abstract Today, more than 80% of the global energy demand is met by fossil fuels. One of the greatest consumers of energy is the transportation sector and in particular the automotive section. However, the environmental impact and the increase of the oil prices as a result of depleting reserves are urgently requesting competitive alternative energy resources. One of the most promising long-term alternatives appears to be hydrogen because its resources are vast and it has the ability to be generated in several ways. Moreover, hydrogen has the main advantage that, when it is burnt, no greenhouse gases are emitted. For transportation purposes, the choice between a fuel cell and an internal combustion engine ICE is a widely discussed topic. Currently, fuel cell technology is, besides the higher theoretical efficiency compared to an ICE, still an expensive alternative, and furthermore, they cope with considerably lower power to weight ratios. In the short term, the use of hydrogen in sparkignited internal combustion engines may be feasible as a low-cost technology to reduce emissions of criteria pollutants and global warming via carbon dioxide. The working process is after all basically the same as in other spark ignited engines fuelled by conventional fuels. However, a hydrogen engine combines both the advantages of high thermal efficiencies as in diesel engines and excellent operation performances that are found in gasoline engines. Nevertheless, some difficulties typical of the hydrogen engines combustion should be overcome before engines go into common use, such as pre-ignition, backfire and knock. Experimental research has so far been a key procedure to modify engines for specific operation with hydrogen. The fine-tuning can be done by building a prototype engine and monitoring different parameters. However, the latter is a very time-consuming method and therefore implies major expenses. Another possible way of monitoring the engine operation, can be done by means of numerical combustion simulations. In this present work a quasi dimensional twozone combustion code is used to perform parameter calculations of the power cycle in order to simulate the performance of SI hydrogen-fuelled engines. The simulation program, Ghent University Engine Simulation Tool ( GUEST ), consists therefore of several turbulent combustion models based on underlying laminar data to calculate the temperature and pressure traces within the combustion chamber. It is clear that GUEST could provide a powerful tool to test the influence of engine operating conditions, such as mixture richness, ignition timing, engine rotation speed, etc., without the necessity of building a prototype. Of course, before such mathematical models can be purposefully utilized, they have to be submitted to validation processes to check if the engine s performances at different operating points are accurately v

6 predicted. In a previous research, GUEST has been successfully validated on a CFR engine for the effects of variable compression ratio, ignition timing and equivalence ratio. In this work, this validation process will be expanded by also taking into account the influence of the engine speed and EGR mixtures. Additional simulations will be carried out to validate GUEST against ultra-lean conditions in order to extend the lean limits used for the validation process on the CFR engine. For this purpose a single cylinder Audi engine is used. As a result the real research will start with tuning GUEST to this trial engine. The so-called calibration will be done by matching a simulated cylinder pressure trace to a measured pressure trace. Once a good calibration result is achieved, the model s predictive capability in other working conditions can be assessed. Next, the first tests will be carried out. The models will be assessed concerning their performance when the effects of the mixture richness are predicted. This test will prove to be a difficult criterion that furthermore distinguishes the various combustion models. Additional problems will arise that will cause some models themselves to fail in predicting the leanest conditions. The reason of these problems will be found. Subsequently, the models will be subjected to the influence of the engine speed. Again clear differences between the models will be noticed. Yet the results are more satisfying than those in simulations with varying mixture richness. Finally, the models performance will be assessed when predicting the influence of variable EGR concentrations. These simulations will be executed on the CFR motor as no EGR measurements are available on the Audi engine. For this purpose GUEST will need to be calibrated again. Contrary to the Audi engine, the calibration results will not be satisfying. Nevertheless, a first analysis will be carried out in order to have an idea of how GUEST reacts during simulations to the effects of mixtures with varying EGR mass concentrations. During this analysis problems will again arise with the combustions models concerning the prediction of mixtures with high EGR concentrations. A provisional solution will be proposed. The work closes with the most important conclusions of this research. In addition, recommendations are given for further research. vi

7 Inhoudsopgave Voorwoord Overzicht Extended Abstract Nomenclatuur ii iv v x 1 Inleiding Situering thesisonderwerp Waterstof als alternatieve brandstof in verbrandingsmotoren Algemeen Belangrijkste karakteristieken van waterstof Doel van deze scriptie 7 2 Overzicht van de literatuur Numeriek onderzoek Ghent University Engine Simulation Tool Inleiding Resultaten GUEST Kalibratie Validatie Conclusie De proefmotoren De CFR-motor De Audi-motor 17 3 Het simulatieprogramma GUEST Inleiding Laminaire en turbulente verbrandingssnelheden Laminaire verbrandingssnelheid Algemene bespreking Instabiliteiten Modellering van de laminaire verbrandingsnelheid 24 vii

8 3.2.2 Turbulente verbrandingssnelheid Algemene bespreking Modellering van de turbulente verbrandingssnelheid Simulatie van de arbeidscyclus Inleiding Submodellen en onderstellingen Kalibratie van het simulatiemodel 31 4 De kalibratie Inleiding De Audi-motor Meetselectie Instellen van de kalibratiecoëfficiënten Resultaten Toepassing van een vlamontwikkelingsmodel 40 5 Validatie: Variabele mengselrijkheid Inleiding Resultaten Analyse van de resultaten Problematiek: Armemengselcondities Studie van het model van Lipatnikov Uitbereiding naar de overige modellen Effect van een aangepaste rms turbulente verbrandingssnelheid Inbouwen van veiligheidsfuncties 57 6 Validatie: Variabele motorsnelheid Inleiding Resultaten Analyse van de resultaten 67 7 Validatie: Variabele EGR-concentraties Inleiding Meetselectie Kalibratie Instellen van de kalibratiecoëfficiënten Kalibratieresultaten 75 viii

9 7.4 Resultaten Problematiek: Hoge EGR-concentraties Oorzaak Implementatie van een temperatuursafhankelijke γ Besluit 83 8 Conclusies 84 Bijlagen 87 A Validatieresultaten: Variabele rijkheid 88 B Validatieresultaten: Variabele motorsnelheid 93 C Kalibratieresultaten: Variabele EGR-concentraties 98 Bibliografie 101 ix

10 Nomenclatuur Symbolen a - constante van Annand A m² oppervlakte C - constante Da - Damköhlergetal D3 - fractal dimensie f - fractie restgassen Ka - Karlovitzgetal Le - Lewisgetal m kg massa n - toerental p Pa / bar druk Q Nm³/h debiet r m straal Re - Reynoldsgetal s m slag S m/s vlamsnelheid t s tijd T K temperatuur ul m/s laminaire verbrandingssnelheid ut m/s turbulente verbrandingssnelheid ut,t m/s ontwikkelende turbulente verbrandingssnelheid u m/s root mean square turbulente verbrandingssnelheid v m/s snelheid V m³ volume W J arbeid x

11 Griekse symbolen α 1/s vlamrek αt - temperatuursexponent βp - drukexponent γ - restgasfactor δ m vlamdikte η - rendement θ kh krukhoek λ - luchtfactor Λ - integrale lengteschaal ν m²/s dynamische viscositeit τ - tijdsconstante φ - fuel to air equivalence ratio Subscripts 0 referentieconditie b verbrand gas e opgenomen gas i geïndiceerd l laminair n laminair s rek t turbulent xi

12 Afkortingen ABDC ATDC BBDC BTDC BDP ca CFR CR EGR EVC EVO GUEST ICE IVC IVO kh MBT NO ODP rms rpm SAE SI tpm TWC VBDP VO after bottom dead center after top dead center before bottom dead center before top dead center bovenste dode punt crank angle Cooperative Fuel Research compression ratio (compressieverhouding) exhaust gas recirculation exhaust valve closing time exhaust valve opening time Ghent University Engine Simulation Tool internal combustion engine inlet valve closing time inlet valve opening time krukhoek minimum spark advance for best torque ( kh VBDP) na-ontsteking onderste dode punt root mean square resolutions per minute Society of Automotive Engineers spark ignition toeren per minuut Three Way Catalyst voor bovenste dode punt ontstekingstijdstip ( kh VBDP) xii

13 Hoofdstuk 1 Inleiding 1.1 Situering thesisonderwerp De voortdurende economische ontwikkeling en de steeds toenemende wereldbevolking zorgen voor een ongekende energievraag. Vandaag komen fossiele brandstoffen voor meer dan tachtig procent tegemoet aan deze energienood. De actuele problematiek in verband met de onomkeerbare uitputting van deze primaire energiebronnen, hun nefaste invloed op het klimaat en de toenemende energieprijzen vraagt echter om drastische veranderingen. De zoektocht naar nieuwe technologieën en alternatieve brandstoffen is daarom belangrijker dan ooit tevoren. De onafhankelijkheid van niet-hernieuwbare energiebronnen en een wereld gebaseerd op een milieuvriendelijke energievoorziening is een streefscenario geworden. De mogelijkheid om een op waterstof gebaseerde economie te ontwikkelen, geniet daarom vandaag van een steeds toenemende aandacht op zowel politiek, technologisch als economisch vlak [4, 12]. Als alternatieve brandstof biedt waterstof immers het potentieel om aan de groeiende energiebehoeften te voldoen zonder de directe omgevingsimpact die de huidige fossiele brandstoffen met zich meebrengen. Waterstof is als energiedrager echter wel, in tegenstelling tot fossiele brandstoffen, een secundaire energiebron. Bijgevolg moet er dus energie aangewend worden om ze aan te maken. Anderzijds kan de brandstof wel geproduceerd worden met behulp van verscheidene primaire energiebronnen. Hierbij is het natuurlijk cruciaal dat voor de ontwikkeling van een eventuele waterstofeconomie een dergelijke productie efficiënt, milieuvriendelijk en tegen een minimale kost kan gebeuren. Een belangrijke energieverbruiker is de transportsector en in het bijzonder de automobielsector. Als goede vergelijkingsbasis kan vermeld worden dat deze laatste verantwoordelijk is voor ongeveer 10% van de wereldwijde CO2-uitstoot. Een bijkomend gegeven is dat de brandstofprijzen zeer hoog geworden zijn waardoor de roep naar snelle oplossingen groot wordt. Onderzoek naar en aanwending van alternatieve brandstoffen is daardoor binnen deze sector sinds enkele jaren een hot topic geworden. Verschillende 1

14 Hoofdstuk 1. Inleiding 2 gangbare vervangingsbrandstoffen zoals methanol, ethanol, biogas, biodiesel en waterstof winnen meer en meer aan belangstelling. Al moet het gezegd dat biodiesel de laatste maanden onder vuur komt te liggen omdat het volgens veel instanties en gezaghebbenden ethisch niet te verantwoorden is dat vruchtbare grond gebruikt wordt voor de productie van brandstof, zolang er nog hongersnood in de wereld is. Waterstof biedt - in tegenstelling tot de organische brandstoffen - de mogelijkheid om toegepast te worden in verbrandingsmotoren, brandstofcellen of zelfs gasturbines zonder hierbij schadelijke broeikasgassen uit te stoten. Daardoor blijft deze propere brandstof een geprefereerde keuze, ondanks het feit dat ze een secundaire energiebron is. Het Labo voor Vervoertechniek aan de Gentse Universiteit voert nu al gedurende 15 jaar experimenteel onderzoek uit op waterstofmotoren [35]. Hiervoor werden verschillende motoren omgebouwd tot op waterstof draaiende prototypes. Recent werd het simulatieprogramma GUEST ontworpen dat nu ook numeriek onderzoek op deze motoren mogelijk maakt. GUEST, een acroniem voor Ghent University Engine Simulation Tool, is een quasi-dimensionaal tweezone verbrandingsmodel dat gedurende de arbeidscyclus door middel van de vlamvoortplanting zowel het druk- als temperatuursverloop in een waterstofverbrandingsmotor berekent. De invloed van verschillende factoren, zoals bijvoorbeeld de motorsnelheid, de compressieverhouding, het ontstekingstijdstip en de mengselsamenstelling, kunnen aan de hand van geïmplementeerde parameters - die eenvoudig varieerbaar zijn via een gebruiksvriendelijke user interface - op een snelle en goedkope manier bestudeerd worden. Het is al gauw duidelijk dat een dergelijk simulatieprogramma een krachtig hulpmiddel is voor de studie naar de optimalisatie van de motorkarakteristieken en/of voor het onderzoek naar alternatieve brandstoffen. Het doel van dergelijke programma s is om uiteindelijk de werking van een motor te kunnen voorspellen in verschillende werkingspunten zonder hiervoor steeds een prototype te moeten bouwen. Vandaar dat het van uiterst belang is om een betrouwbaar rekenprogramma op punt te stellen. De bedoeling van deze scriptie is dan ook om een bijdrage te leveren aan de optimalisatie van GUEST.

15 Hoofdstuk 1. Inleiding Waterstof als alternatieve brandstof in verbrandingsmotoren Algemeen In de automobielsector is de keuze tussen brandstofcellen of verbrandingsmotoren een veel besproken thema. Het theoretisch rendement van brandstofcellen ligt dan wel hoger dan dat van verbrandingsmotoren, maar de technologie is echter nieuw en staat dus nog in de kinderschoenen [7, 35]. Brandstofcellen hebben bovendien een veel lagere vermogen/gewichtverhouding in vergelijking met verbrandingsmotoren en er moet zeer zuivere waterstof aangewend worden om een goede werking te garanderen, m.a.w. om katalysatorvergiftiging te vermijden. Voorlopig is de brandstofceltechnologie nog een zeer dure aangelegenheid onder meer ook door het gebruik van specifieke elektroden waardoor vooralsnog de verbrandingsmotoren terrein winnen. Interne verbrandingsmotoren aangedreven op waterstof tonen immers het potentieel om hoge specifieke vermogens te halen, hoger dan de huidige benzinemotoren, en de mogelijkheid om hoge rendementen te bereiken. Rendementen die in de buurt komen van of beter zijn dan de huidige dieselmotoren [34]. Toch zijn er nog enkele nadelige factoren in verband met de praktische toepassing van waterstof als brandstof waardoor de prestaties van de motor aanzienlijk lager uitvallen dan verwacht. De oorzaak is vooral te zoeken bij het optreden van abnormale verbrandingsverschijnselen zoals gloeiontsteking, klopverschijnselen en vlamterugslag of backfire. Zo is bijvoorbeeld gebleken dat bij bijna alle praktische toepassingen van waterstofmotoren de meest limiterende factor voor de vermogensoutput de gloeiontsteking is. Hierdoor valt het maximale vermogen - in combinatie met de lagere volumetrische rendementen voor waterstof (zie verder) - 30% tot 50% lager uit dan bij gelijkaardige benzinemotoren. Op deze problematiek wordt echter niet dieper ingegaan aangezien het voor deze studie in de eerste plaats van belang is om het simulatieprogramma GUEST te valideren aan de hand van de gebouwde motorprototypes in het labo. Hiervoor worden er enkel numerieke simulaties uitgevoerd op cycli waarbij dergelijke nadelige verschijnselen niet optreden. Bij het uitvoeren van numerieke studies is het evenwel van belang om een goed inzicht te hebben in de karakteristieken van waterstof als brandstof. Het interpreteren van de resultaten en het begrijpen van de algemene werking van een motor werkende op waterstof berust immers vaak op deze kenmerken. Daarom volgt er in de volgende paragraaf een kritische bespreking van de belangrijkste kenmerken en eigenschappen van waterstof als alternatieve brandstof.

16 Hoofdstuk 1. Inleiding Belangrijkste karakteristieken van waterstof Waterstof in vrije toestand is het kleinste, lichtste en meest eenvoudige chemisch element. Het is onder atmosfeervoorwaarden gasvormig en ongeveer 14 maal lichter dan lucht. Bij kamertemperatuur is het een kleur, geur- en smaakloos niet-giftig gas. Het is echter wel zeer brandbaar. Naast de theoretisch onuitputtelijke beschikbaarheid heeft het gas ook een aantal unieke eigenschappen waardoor het uitermate geschikt is voor toepassing als brandstof in verbrandingsmotoren. De belangrijkste brandstofeigenschappen zijn samengevat in de onderstaande tabel (tabel 1.1). Deze eigenschappen zijn opgemeten bij 25 C en 1 atmosfeer [17, 30]. De kenmerken worden steeds vergeleken met die van benzine. Property Hydrogen Gasoline Density (kg/m³) 0,0824 ~730 a Molecular mass (kg/kmol) 2,016 ~114 Octane number > Flammability limits (volume % in air) ,4-7,6 Flammability limits (λ) 0, ,25-1,43 Autoignition temperature in air (K) 858 ~550 Minimum ignition energy (mj) b 0,02 0,24 Flame velocity (m/s) b 1,85 0,37-0,43 Adiabatic flame temperature (K) b 2390 ~2275 Quenching distance (mm) b 0,64 2 Stoichiometric air/fuel mass ratio 34,50 14,10 Stoichiometric volume fraction % 29,53 2 c Lower Heating Value H U (MJ/kg) ,5 Tabel 1.1: Brandstofeigenschappen van waterstof. a Vloeibaar bij 0 C b Bij stoichiometrische condities c Gasvormig Natuurlijk stelt het algemeen gebruik van waterstof als brandstof voor een voertuig heel wat specifieke eisen op het vlak van prestaties, opslag, emissies... Geen enkele brandstof is immers perfect. De volgende opsomming vat daarom kort de hoofdkenmerken van de alternatieve brandstof samen met bijhorende eventuele voor- en nadelen. Een zeer belangrijke eigenschap van waterstof is de uitermate kleine dichtheid. Hierdoor is waterstof een zeer volumineus gas. Daaruit volgt dat bij verbranding van

17 Hoofdstuk 1. Inleiding 5 een waterstof/luchtmengsel grote volumes waterstof dienen aangewend te worden voor eenzelfde massa. Dit limiteert echter het inneembaar luchtvolume. Bij bijvoorbeeld een stoichiometrisch mengsel van lucht en waterstof zal waterstof ongeveer 30% (zie tabel 1.1) van het volume van de verbrandingskamer innemen, terwijl dit in het geval van een benzine/luchtmengsel onder dezelfde condities benzine slechts 2 volumeprocent bedraagt. De eigenschap heeft dus een nefaste invloed op het volumetrisch rendement van de verbrandingskamer. We moeten hierbij wel opmerken dat dergelijke lage volumetrische rendementen vooral voorkomen bij motoren die gebruikmaken van voorgemengde waterstof/luchtmengsels zoals bijvoorbeeld bij poortinjectie het geval is. Bij het hanteren van directe injectie - injectie na het sluiten van de inlaatklep - kan deze rendementsdaling immers grotendeels vermeden worden. De lage dichtheid brengt ook heel wat problemen met zich omtrent de opslag en dus de veiligheid van waterstof in het voertuig. Tegenwoordig zijn er drie methoden voor opslag gangbaar: ofwel gasvormig onder hoge druk (350 bar of hoger), ofwel vloeibaar bij -253 C, ofwel geabsorbeerd in metaalhydriden [30]. Het zonet besproken vermogensverlies wordt evenwel gedeeltelijk gecompenseerd door de hogere energie-inhoud van waterstof (zie eveneens tabel 1.1). Hierdoor is er weinig massa waterstof in de verbrandingskamer vereist waardoor het waterstof/luchtmengsel toch nog een aanvaardbare energie-inhoud heeft. Toch komt de algemene rendementsdaling neer op een vermindering van 15% van de maximale vermogensdichtheid in vergelijking met een gelijkaardige benzinemotor. In tegenstelling tot de huidige koolwaterstoffen heeft waterstof een zeer breed ontbrandingsspectrum (4 tot 75 vol% waterstof in een waterstof/luchtmengsel). Deze eigenschap in combinatie met de zeer hoge vlamsnelheid (5 tot 8 maal hoger dan voor benzine) en de lage minimum ontstekingsenergie (ongeveer een orde kleiner dan bij benzine) maken zeer arme-mengselwerking in verbrandingsmotoren mogelijk (tot λ 4). Hierdoor kan de belasting van de motor net zoals bij dieselmotoren kwalitatief geregeld worden. Er wordt dus geen gebruikgemaakt van een gasklep wat een rendementswinst inhoudt. Bij variatie van de belasting wordt de luchtfactor aangepast. De mogelijkheid tot arme-mengselwerking wordt ook dankbaar toegepast om de NOxuitstoot te reduceren. Stikstofoxides worden immers gevormd door de thermische dissociatie en oxidatie van stikstof uit de ingenomen lucht. Deze reacties gaan door bij een voldoende hoge procestemperatuur De kans op NOx-vorming is dus des te groter naarmate de grens van stoichiometrische verbranding bereikt wordt aangezien dan de verbrandingstemperaturen het hoogst oplopen. Bij armere mengsels daarentegen zijn de

18 Hoofdstuk 1. Inleiding 6 verbrandingstemperaturen veel lager waardoor de NOx-emissies tot quasi nihil gereduceerd kunnen worden, onder meer door eveneens gebruik te maken van een driewegkatalysator (TWC 1 ). Natuurlijk blijft het probleem van NOx-uitstoot bestaan bij hogere belasting van de motor en dus bij meer stoichiometrische mengsels. De BMW-Group heeft echter ook hiervoor een methode ontwikkeld waarbij - door het hanteren van mengsels die licht rijker zijn dan de stoichiometrische verhouding (bijvoorbeeld λ < 0.97) - bij hoge vermogenvraag de NOx-emissie toch verminderd wordt [20]. Hier wordt echter niet dieper op ingegaan, de geïnteresseerde lezer wordt verwezen naar [20]. Waterstof heeft een hoge zelfontbrandingstemperatuur waardoor het gas toepasbaar is bij condities waar hoge temperaturen voorkomen. Deze hoge zelfontbrandingstemperatuur maakt waterstof evenwel niet geschikt voor werking bij zelfontsteking zoals bij dieselmotoren. Merkwaardig is dat ondanks deze eigenschap, waterstof - zoals reeds vermeld - toch een zeer lage ontstekingsenergie heeft. Deze eigenschap zorgt er echter voor dat waterstof veel gevoeliger is voor spontane ontbrandingen in vergelijking met benzine. Hierdoor kunnen wel nadelige fenomenen zoals gloeiontsteking veel sneller opduiken ( hot spots ). Ten slotte kan nog vermeld worden dat de hoge vlamsnelheid van waterstof leidt tot een verhoogde verbrandingssnelheid waardoor de verbranding dichter het ideale 2 isochore proces benadert. Nog een pluspunt is het hogere octaangetal in vergelijking met benzine. Dat hogere octaangetal biedt immers de mogelijkheid om de compressieverhouding te verhogen, wat het thermische rendement van de waterstofmotor ten goede komt. Waterstof biedt ook het voordeel dat het in gasfase de motor binnenkomt waardoor geen faseovergang in de cilinder nodig is. Hierdoor zijn homogenere mengsels mogelijk en zijn problemen bij koud starten uitgesloten. Deze korte uiteenzetting vormt voorlopig een voldoende beeld van het gebruik en het toepassen van waterstof in verbrandingsmotoren. We merken hierbij nogmaals op dat voor de simulaties die hieronder volgen enkel cycli gebruikt worden waarbij geen nadelige verbrandingsverschijnselen optreden. Deze fenomenen - gloeiontsteking, klop en vlamterugslag - drukken echter wel hun stempel op het gebruik van waterstof als alternatieve brandstof. 1 TWC: Three Way Catalyst. 2 Een verbranding bij constant volume levert het hoogste rendement.

19 Hoofdstuk 1. Inleiding Doel van deze scriptie De bedoeling van dit proefschrift is om een bijdrage te leveren aan de optimalisatie van het simulatieprogramma GUEST. Meer specifiek houdt dit in dat het programma getest en gevalideerd dient te worden in zijn bekwaamheid om de invloed van verschillende parameters te voorspellen. GUEST is zo bijvoorbeeld reeds gevalideerd voor de effecten van variabele compressieverhouding, rijkheid en ontstekingstijdstip. Hiervoor werd de numerieke simulatieoutput steeds vergeleken met de experimenteel gemeten waarden op een van de prototypes in het labo. De bekomen resultaten zijn veelbelovend. Toch is verder en uitgebreider onderzoek ter validatie van het model vereist. Het doel van deze scriptie is daarom ook het toetsen van het simulatieprogramma voor een groter bereik van condities. Meer specifiek is het de bedoeling om het rijkheidsgebied uit te breiden t.o.v. de reeds bekomen resultaten (hoofdstuk 5). Het is evenzeer van belang om te bestuderen hoe variaties in het toerental de verbranding beïnvloeden (hoofdstuk 6). Ten slotte moet ook onderzocht worden wat de invloed is van het toepassen van EGR-mengsels 3 (hoofdstuk 7). Vooraleer we de resultaten kunnen bespreken en analyseren, gaan we kort in op de werking van het simulatieprogramma GUEST (hoofdstuk 3). Ten slotte dient het programma ook eerst afgesteld te worden op de te onderzoeken proefmotor. De zogenaamde kalibratie wordt besproken in hoofdstuk 4. Zoals zonet vermeld, werd het programma reeds beproefd voor de invloed van een aantal condities: compressieverhouding, ontstekingstijdstip en mengselrijkheid. We starten deze scriptie met het aanhalen van de resultaten (hoofdstuk 2). 3 EGR: Exhaust Gas Recirculation

20 Hoofdstuk 2 Overzicht van de literatuur 2.1 Numeriek onderzoek Een omschakeling naar een alternatieve brandstof vereist een aantal aanpassingen aan de huidige motoren. Waterstof heeft het voordeel dat het werkingsproces fundamenteel hetzelfde is als in een conventionele interne vonkontstekingsmotor. De onderzoeksgroep Vervoertechniek aan de universiteit van Gent heeft - zoals reeds vermeld in hoofdstuk 1 - reeds verschillende motormodellen omgebouwd voor de specifieke werking op waterstof [32, 35]. Deze motoren bieden de mogelijkheid om op experimentele wijze onderzoek te doen naar hun optimale werking bij deze propere brandstof. Een andere werkwijze die het mogelijk maakt om motoren te evalueren, is het gebruik van numerieke simulatieprogramma s. Op die manier kunnen doelgerichte, maar vooral goedkope en snelle parameterstudies uitgevoerd worden om zo de optimale motorkarakteristieken voor een bepaalde brandstof te bepalen. Toch is er in de literatuur slechts weinig informatie te vinden omtrent simulatieprogramma s die specifiek ontworpen zijn voor onderzoek op waterstofverbrandingsmotoren. De laatste jaren zijn CFD-simulaties 4 zeer krachtige hulpmiddelen geworden voor het ontwikkelen van interne verbrandingsmotoren [23]. De uiterst nauwkeurige modellering van de verbrandingskamer maakt het mogelijk om de complexe interacties gedurende de verbrandingsfase te bestuderen en te begrijpen. Voor de meeste commerciële brandstoffen en nu ook voor waterstof bestaan er reeds specifieke additionele CFD-modellen die de karakteristieke mengselvorming en verbranding berekenen [23]. Natuurlijk vergen dergelijke multi-dimensionale modellen voor complexe geometrieën zoals een verbrandingskamer veel rekentijd en dus krachtige processors. Toch levert het toepassen van deze modellen een tijdwinst en zeker een kostenbesparing op ten opzichte van experimenteel onderzoek. Deze modellen vormen dan ook vaak de basis voor onderzoek en ze hebben bijvoorbeeld bij de BMW-Group gediend als hulpmiddel voor het ontwikkelen van de nieuwe Hydrogen 7 [20]. 4 CFD: Computational Fluid Dynamics. 8

21 Hoofdstuk 2. Overzicht van de literatuur 9 Andere modellen zoals quasi-dimensionale en nuldimensionale modellen zijn minder complex en vragen dus minder rekentijd. In zekere zin boeten deze modellen dan wel in aan nauwkeurigheid t.o.v. CFD-simulaties. De vereiste nauwkeurigheid hangt dan weer af van wat men met numerieke simulaties wil onderzoeken. Zo zijn quasi-dimensionale en nuldimensionale modellen uiterst geschikt voor het uitvoeren van parameteranalyses, i.v.m. ontstekingstijdstip, compressieverhouding,., vanwege hun acceptabele rekentijden. In de literatuur zijn er enkele van deze modellen terug te vinden. Toch blijkt dat weinig van deze modellen volledig gevalideerd is aan de hand van experimentele metingen voor de specifieke werking op waterstof. Bovendien zijn er nog steeds tekortkomingen in deze modellen die de accuraatheid van de simulatieprogramma s aantasten. Zo maken Fagelson et al. gebruik van een quasi-dimensionaal tweezone verbrandingsmodel om het vermogen en de NOx-uitstoot van een vonkontstekingsmotor op waterstof te begroten [8]. Het model werd enkel gevalideerd voor variabele luchtfactor en ontstekingsmoment. In het model wordt bovendien de warmtetransfer genegeerd en wordt de laminaire verbrandingssnelheid berekend uit een chemische reactie aan de hand van een geschatte activatie-energie. Deze reacties houden echter geen rekening met het optreden van instabiliteiten gedurende de verbranding, zoals we verder zullen zien (hoofdstuk 3). Johnson gebruikt de Kiva-3V engine simulatiecode die ontwikkeld is in the Los Alamos National Laboratory [19]. Het model bevat één parameter die aangepast is voor toepassingen met waterstof. Simulaties zijn enkel mogelijk voor variabele motorsnelheid en ontstekingsmoment bij een constante luchtfactor en vast volumetrisch rendement. Een nuldimensionaal model wordt door Ma et al. gebruikt om de invloed van een variabele compressieverhouding en ontstekingsmoment te berekenen [22]. Het model wordt eveneens toegepast voor het bepalen van een optimale cilinderdiameter voor een motor werkend op waterstof. De validatie van het model is echter nergens te vinden. We merken ook nog op dat in de literatuur modellen te vinden zijn die speciaal ontworpen of aangepast zijn voor de studie naar bi-fuel operaties (zie bijvoorbeeld [7, 9, 10, 18]). Deze operaties, waarbij een fossiele brandstof gemengd wordt met een fractie waterstof en beide dus gelijktijdig verbrand worden, hebben de bedoeling de positieve eigenschappen van waterstof nuttig aan te wenden om zo een betere algemene prestatie van de huidige verbrandingsmotoren te bekomen. Zo leidt een menging van bijvoorbeeld waterstof en benzine tot een vermindering van de schadelijke emissies gedurende de koude start en worden betere condities bij deelbelasting bereikt. Conte en Boulouchos gebruikten hiervoor een quasi-dimensionaal model om de invloed van de toevoeging van concentraties waterstof in een benzinemengsel te bestuderen [7]. Ook Fontana et al. voerden dergelijke studies uit met behulp van een aangepaste Kiva-3V code [10].

22 Hoofdstuk 2. Overzicht van de literatuur Ghent University Engine Simulation Tool Inleiding Aan de Universiteit Gent is recent een simulatiemodel ontwikkeld als onderwerp van een doctoraatsproefschrift [32, 33, 34]. Het betreft een quasi-dimensionaal tweezone verbrandingsmodel dat ontworpen is om gedurende de arbeidscyclus door het verloop van de verbrande massa zowel het druk- als temperatuursverloop in een waterstofverbrandingsmotor te berekenen. Het model kreeg de naam GUEST : Ghent University Engine Simulation Tool. De keuze voor een quasi-dimensionaal model voor de waterstofverbrandingscyclus was voor de ontwerper dus het resultaat van de afweging van zowel nauwkeurigheid als rekentijd. Om dit duidelijk naar voren te brengen verdelen we de basismodellen onder in drie groepen, meer bepaald nul-, quasi- en multi-dimensionale modellen. Quasi-dimensionale modellen zijn net zoals nuldimensionale modellen gebaseerd op thermodynamische modellen [32, 40]. De gebruikte modelvergelijkingen zijn afgeleid van de formules van behoud van massa en energie en zijn enkel afhankelijk van de tijd. Multidimensionale modellen daarentegen worden dynamische- of stromingsmodellen genoemd omdat zij ook nog gebruikmaken van de Navier-Stokes vergelijkingen. Hierdoor vragen dergelijke modellen, zelfs voor de krachtigste processors, wel veel rekentijd. Een quasi-dimensionaal model verschilt in wezen van nuldimensionale modellen doordat het gebruikmaakt van bepaalde geometrische parameters. In het geval van GUEST gaat het om de straal van een dunne interface - het vlamfront of de reactiezone - die in de verbrandingskamer het verbrande gas van het onverbrande gas scheidt [32]. Vandaar de naam tweezonemodel. Nuldimensionale modellen worden daarom ook enkelzone modellen genoemd. Nog een verschil is dat bij quasi-dimensionale modellen evenals bij multi-dimensionale modellen het verloop van de verbrande massa gemodelleerd wordt. De waarde van deze dient gekend te zijn om de cilinderdruk en temperatuur te begroten [32]. In deze scriptie wordt hiervoor, zoals we verder zullen zien, een turbulent verbrandingsmodel gebruikt. Het achterliggende idee voor het ontwerpen van een simulatiemodel zoals GUEST is dus om op een snelle manier een kijk te hebben op de verbranding van waterstof in verbrandingsmotoren. In de praktijk moeten we hiervoor het programma eerst fijnregelen of kalibreren. Deze kalibratie is nodig om het simulatieprogramma volledig af te stemmen op een specifieke motor. Hiervoor worden de karakteristieken van de testmotor eerst geïmplementeerd in het model. Vervolgens worden de kalibratiecoëfficiënten - in een vooraf gekozen vast werkingspunt - aangepast totdat de numerieke resultaten overeenkomen met de experimenteel opgemeten waarden. Pas dan kan het model aangewend worden om de werking

23 Hoofdstuk 2. Overzicht van de literatuur 11 van de motor in andere werkingspunten te voorspellen. Via eenvoudige variaties van de parameters kunnen dan ook de invloeden van verschillende factoren bestudeerd worden. GUEST werd reeds gekalibreerd op een CFR-motor met de bedoeling de eerste geldigheidstesten uit te voeren. Ondertussen is het simulatieprogramma reeds gevalideerd voor de effecten van variabele compressieverhouding, ontstekingstijdstip en mengselrijkheid. In de volgende paragraaf worden de resultaten aangehaald. Zij vormen immers de basis voor het verdere onderzoek in deze scriptie. Merk hierbij op dat hoewel een beknopte bespreking van de werking van GUEST pas in hoofdstuk 3 aan bod komt, de resultaten ook zonder voorkennis interpreteerbaar zijn Resultaten GUEST Kalibratie Voor de kalibratie van het programma werd een vast meetpunt gekozen uit een samengestelde dataset. De keuze ging uit naar een punt met tussenliggende waarden 5 voor compressieverhouding (CR), ontstekingsongenblik (VO) en luchtfactor (λ), namelijk CR = 9, VO = 15 en λ = 1.7. Het toerental is zoals reeds vermeld constant en bedraagt n = 600 tpm. In figuur 2.1 worden de numerieke resultaten vergeleken met de experimenteel opgemeten waarden voor het gekalibreerde meetpunt. De druk in functie van de krukhoek wordt getoond evenals de arbeidscyclus (druk-volume diagram). Het model dat hier getoond wordt is een van de ingebouwde verbrandingsmodellen: het model van Damköhler (zie hoofdstuk 3). We merken op dat de bekomen overeenstemming tussen het gemeten en het gesimuleerde drukverloop niet perfect is maar wel als zeer goed beschouwd kan worden. Enkel rond de maximumdruk verschillen de gesimuleerde drukwaarden met de opgemeten waarden. Volgens de programmeur van GUEST kan de reden van deze overschatting te wijten zijn aan het negeren van de gaslek 6 [32]. 5 Tussenliggende waarden = gemiddelde van de hoogste en laagste waarde. (De keuze van de tussenliggende waarde is natuurlijk afhankelijk van de beschikbare meetgegevens.) 6 Gaslek of Blow-by : lek tussen de zuiger en de cilinderkop van een motor (zie hoofdstuk 3).

24 Hoofdstuk 2. Overzicht van de literatuur 12 Figuur 2.1: Numeriek drukverloop versus opgemeten drukverloop, model van Damköhler [32] Validatie De controle of een simulatieprogramma eveneens functioneert in andere situaties dan het kalibratiepunt wordt de validatie genoemd. Het programma GUEST werd gevalideerd voor variabel ontstekingsmoment, compressieverhouding en mengselrijkheid. Verder in deze scriptie, wordt er voor het aanhalen van simulatieresultaten vaak gebruikgemaakt van het uitgebreide model van Zimont: het turbulente verbrandingsmodel van Lipatnikov & Chomiak, of kortweg het model van Lipatnikov. De reden van deze keuze is de goede performantie van het model op de validatieparameters [32]. Enkel deze resultaten worden daarom hier getoond. De geïnteresseerde lezer verwijzen we naar [32]. De simulatieresultaten met betrekking tot variabel ontstekingstijdstip, compressieverhouding en mengselrijkheid worden getoond in respectievelijk de figuren 2.2, 2.3 en 2.4.

25 Hoofdstuk 2. Overzicht van de literatuur 13 Figuur 2.2: Numeriek drukverloop versus opgemeten drukverloop, model van Lipatnikov. Metingen worden getoond in symbolen. Performantie m.b.t. variabele VO [32]. Figuur 2.3: Numeriek drukverloop versus opgemeten drukverloop, model van Lipatnikov. Metingen worden getoond in symbolen. Performantie m.b.t. variabele CR [32].

26 Hoofdstuk 2. Overzicht van de literatuur 14 Figuur 2.4: Numeriek drukverloop versus opgemeten drukverloop, model van Lipatnikov. Metingen worden getoond in symbolen. Performantie m.b.t. variabele λ [32] Conclusies De resultaten met betrekking tot een variabel ontstekingstijdstip (figuur 2.2) zijn veelbelovend. Het gemeten drukverloop wordt in de bestudeerde werkingspunten zeer goed benaderd. Enkel rond de piekdrukken merken we een kleine afwijking op. Deze afwijking is grosso modo voor elke waarde van de voorontsteking gelijk [32]. Zoals reeds vermeld, kan de overschatting van de piekdruk haar oorzaak vinden bij het negeren van de gaslek. Het weggelekte deel van de brandstof neemt immers niet meer deel aan de verbranding in de verbrandingskamer. Dit heeft een drukdaling tot gevolg. Hiermee wordt dus geen rekening gehouden. De validatieresultaten op het vlak van variabele compressieverhouding (figuur 2.3) kunnen eveneens als vrij goed beschouwd worden. Zo wordt bijvoorbeeld de evolutie van toenemende oppervlakte van de arbeidscyclus bij stijgende compressieverhouding correct voorspeld. We merken wel op dat voor lage compressieverhoudingen (CR = 7:1, CR = 8:1) het drukverloop eerder overschat wordt, terwijl bij hogere compressieverhouding (CR = 9:1, CR = 9.5:1) het eerder onderschat wordt.

27 Hoofdstuk 2. Overzicht van de literatuur 15 De simulaties bij een variërende mengselrijkheid (figuur 2.4) leveren de minst goede resultaten op. Toch wordt de algemene trend nog goed gereproduceerd door de numerieke simulaties. Bemerk dat ook hier het reële drukverloop eerder onderschat wordt bij armere mengsels. Bij rijkere mengsels daarentegen wordt het reële drukverloop eerder overschat. Deze evolutie kan waarschijnlijk verklaard worden door het gehanteerde verbrandingsmodel (zie verder). Een turbulent verbrandingsmodel bestaat uit een laminair en een turbulent deel (zie hoofdstuk 3). Het verloop van het laminaire deel domineert het verloop van het turbulente deel en dus ook het verloop van de totale verbrandingssnelheid bij simulaties in functie van de rijkheid. De waarde van het laminaire deel is hoger bij eerder rijke mengsels in vergelijking met de lagere waarden bij eerder arme mengsels. Het hogere, dominante laminaire deel zorgt nu voor een hogere totale turbulente verbrandingssnelheid bij eerder rijke mengsels. Deze hogere verbrandingssnelheid heeft dan op zich een stijging van de druk in de verbrandingskamer tot gevolg. Bij armere mengsels is deze drukstijging minder uitgesproken vanwege de lagere laminaire verbrandingssnelheid. Deze redenering lijkt nu nog vrij complex aangezien de verbrandingsmodellen nog niet behandeld werden. We komen we hierop dan ook terug in hoofdstuk 5. Ten slotte merken we nog op dat de piekdrukken steeds later optreden (bij een hogere krukhoek) voor armer wordende mengsels. Pas vanaf zeer arme mengsel (λ > 2.5) komt de piekdruk terug dichter bij het BDP. Ook deze trend wordt goed gereproduceerd door GUEST. In het algemeen kan geconcludeerd worden dat de validatieresultaten met het simulatieprogramma GUEST veelbelovend zijn. Toch vermelden we hierbij dat er nog geen validatie doorgevoerd is met betrekking tot variabele motorsnelheden. In de praktijk worden eveneens arbeidscycli opgemeten onder extreem arme condities (λ 4). Het is dus eveneens van belang om GUEST te onderwerpen aan een test met een breder rijkheidsgebied. Bovendien is het interessant om de invloed van het toepassen van EGRmengsels naderbij te bekijken. Het onderzoeken en bestuderen van al de vermelde factoren is dan ook het doel van deze scriptie..

28 Hoofdstuk 2. Overzicht van de literatuur De proefmotoren Het is vanzelfsprekend dat bij het uitvoeren van simulaties op een proefmotor deze motor eerst geïmplementeerd moet worden. De proefmotoren die in deze scriptie gebruikt worden voor het numerieke onderzoek zijn de CFR-motor en de Audi-motor. Om dit hoofdstuk compleet te maken worden de belangrijkste karakteristieken van beide motoren aangehaald De CFR-motor De CFR-motor is een ééncilinder viertaktmotor. Het is een motor van het type Cooperative Fuel Research (CFR) die omgebouwd werd voor de werking op waterstof. De motor is uitgerust met een MoTeC motormanagementsysteem, een driewegkatalysator (TWC) en er is een mogelijkheid tot EGR-werking. Ook zijn er debietmeters op de motor aangebracht voor het meten van het lucht- en waterstofdebiet. Aan de uitlaat is er eveneens een λ-sonde 7 gemonteerd die aan de hand van een uitgelezen spanning het zuurstofgehalte in de uitlaatgassen weergeeft. De voornaamste kenmerken van deze motor zijn dat deze draait met een constant toerental (600 tpm) en dat variabele compressieverhoudingen - door een verplaatsbare cilinderkop - mogelijk zijn. Dat laatste kenmerk maakt deze motor - ondanks het constante en onrealistisch lage toerental voor automobiele toepassingen - zeer interessant voor numerieke studies. Metingen op de CFR-motor kunnen dus uitgevoerd worden bij variabele mengselrijkheid, compressieverhouding en ontstekingstijdstip. Een belangrijke ontbrekende parameter is hierbij het toerental. Om simulaties te kunnen uitvoeren, dient de motor, zoals zonet aangehaald, logischerwijze geïmplementeerd te worden in het simulatiemodel. Hiervoor is er een eenvoudige en gebruiksvriendelijke user interface voorzien die de kenmerkende parameters van het design van de motor laat invoeren. In tabel 2.1 worden de belangrijkste karakteristieken van de motor vermeld. De kleppentiming werd gehaald uit de recentste metingen, aangezien de openingstijd van de kleppen verkort door slijtage [26]. 7 λ-sonde: sensor die zich bevindt in de uitlaat van een motor. De sensor meet het aandeel zuurstof in de uitlaatgassen en geeft dit door aan het motormanagementsysteem [17].

29 Hoofdstuk 2. Overzicht van de literatuur 17 Eigenschappen Waarde Aantal cilinders 1 Toerental (cte) 600 tpm Boring 82,55 mm Drijfstanglengte 254 mm Slag 114,3 mm Slagvolume 611,7 cm³ Compressieverhouding variabel IVO 17 ca ATDC IVC 26 ca ABDC EVO 32 ca BBDC EVC 6 ca ATDC Tabel 2.1: Karakteristieken van de CFR-motor De Audi-motor De Audi-motor is eveneens een ééncilinder viertaktmotor. De motor werd oorspronkelijk gebruikt als een dieselmotor. Nu is deze motor omgebouwd tot een op waterstofdraaiende proefmotor en is hij voorzien van een oplaad- en een EGR-systeem. De ontstekingstiming en het injectiemoment worden gecontroleerd door een MoTeC M4Pro controle eenheid [14]. De motor heeft als voordeel t.o.v. de CFR-motor dat werking bij hoge en variabele toerentallen mogelijk is. De belangrijkste karakteristieken van de motor worden opgesomd in tabel 2.2. Ook hier worden de recentste metingen genoteerd [14]: Eigenschappen Waarde Aantal cilinders 1 Toerental variabel Boring 77,02 mm Drijfstanglengte 135,9 mm Slag 86,385 mm Slagvolume 402,47 cm³ Compressieverhouding 11 IVO 7 ca BTDC IVC 66 ca ABDC EVO 64 ca BBDC EVC 21 ca ATDC Tabel 2.2: Karakteristieken van de Audi-motor.

30 Hoofdstuk 2. Overzicht van de literatuur 18 De motor wordt opgestart door middel van een gelijkstroommotor. Daarna wordt de brandstof geïnjecteerd waardoor de verbrandingsmotor zelf vermogen begint te leveren. De elektromotor gaat dan over van motorwerking naar generatorwerking. Op de motor kunnen debietmetingen uitgevoerd worden. Bovendien zijn drukmetingen op drie verschillende plaatsen mogelijk. Drukpickups zijn immers geplaatst in de inlaat, uitlaat en de cilinder zelf.

31 Hoofdstuk 3 Het simulatieprogramma GUEST 3.1 Inleiding Het is evident dat het uitvoeren van numeriek onderzoek een grondige kennis vereist van de werking van het gebruikte simulatiemodel. Dit is echter verre van eenvoudig. Numerieke studies vragen immers om een fundamenteel begrip van de verbrandingsprocessen die zich in de cilinder voordoen. Deze processen houden echter complexe interacties van zowel stromingsdynamische en thermodynamische processen als van chemische verbrandingsprocessen in. Het is echter niet de bedoeling om de lezer te belasten met een gedetailleerde, mathematische beschrijving. Er wordt wel kort ingegaan op de stromingsproblematiek (paragraaf 3.2) en de gebruikte submodellen en onderstelling nodig voor het oplossen van de algemene energievergelijkingen (paragraaf 3.3). Een dergelijke uiteenzetting verschaft reeds een voldoende kennis om doelgerichte numerieke simulaties te kunnen uitvoeren met GUEST. Voor een meer uitgebreide bespreking van het progamma kan een beroep gedaan worden op de volgende werken [33, 34 maar vooral 32]. 19

32 Hoofdstuk 3. Het simulatieprogramma GUEST Laminaire en turbulente verbrandingssnelheden De ontwerper van het programma GUEST tracht, zoals reeds vermeld, in de eerste plaats via simulatie een idee te hebben van de druk- en temperatuursevolutie in de verbrandingskamer. Hiervoor dient natuurlijk het verbrandingsverloop berekend te worden. De belangrijkste parameters voor de modellering van een verbrandingsverloop zijn de laminaire en turbulente verbrandingsnelheden. Deze snelheden beschrijven immers de verbranding en hebben dus een directe invloed op de druk en de temperatuur in de verbrandingskamer. Het is echter zo dat voor bijna alle praktische toepassingen turbulente stromingen veeleer optreden dan laminaire stromingen. Dat is dus ook het geval voor de modellering van verbrandingsprocessen. Helaas zijn uitgerekend de interpretaties en de mathematische beschrijving van deze turbulente stromingen zeer ingewikkeld. Zonder in detail te treden wordt in deze paragraaf kort ingegaan op de modellering van het verbrandingsverloop. De ingebouwde laminaire en turbulente verbrandingsmodellen worden aangehaald, aangezien deze de basis vormen voor een goed begrip wat betreft de verbranding van een waterstofmengsel. Pas in een volgende paragraaf wordt de uiteindelijke samenbouw en werking van het simulatieprogramma besproken Laminaire verbrandingssnelheid Algemene bespreking Nagenoeg alle turbulente verbrandingsmodellen veronderstellen de geldigheid van het flamelet regime. Dit is een regime dat uitgaat van een lokale vlamvoortplanting met een snelheid die de (gerekte) laminaire verbrandingssnelheid genoemd wordt [32]. De turbulentiemodellen berusten dus op de gegevens van gekende laminaire verbrandingssnelheden bij een ogenblikkelijke temperatuur, druk en mengselsamenstelling. Het is dus van groot belang om de laminaire verbrandingssnelheid te kennen aangezien deze de basis vormt voor het verbrandingsmodel. De laminaire verbrandingssnelheid is een eigenschap van een brandbaar gasmengsel en ze wordt gedefinieerd als de snelheid waarmee een vlak vlamfront propageert in een stilstaand mengsel [32]. Deze verbrandingssnelheid is bijgevolg afhankelijk van de initiële condities van het mengsel, i.e. de druk, de temperatuur en de samenstelling van het gasmengsel. Merk hierbij op dat de samenstelling van het gasmengsel naast het verse mengsel ook kan bestaan uit een fractie interne restgassen, wat immers steeds het geval is bij motorwerking, en eventueel ook een fractie externe uitlaatgassen (EGR). Om deze laminaire verbrandingssnelheid te kunnen bepalen, moeten er verschillende metingen van waterstofvlammen uitgevoerd worden bij verschillende temperaturen, drukken, en variërende mengselsamenstellingen [6, 13, 32 en 36]. Vanwege de hoge vlamsnelheden van

33 Hoofdstuk 3. Het simulatieprogramma GUEST 21 waterstof zijn deze vlammen zo goed als sferisch. Dit betekent dat het mogelijk is methodes te ontwikkelen om via de vlamrek en vlamsnelheid van een naar buiten toe propagerende sferische vlam de laminaire verbrandingssnelheid te bepalen. Voor alle duidelijkheid wordt in deze analyse de vlamrek (α) gedefinieerd als genormaliseerde verandering van een infinitesimaal oppervlakje (A) van het vlamfront: (3.1) De vlamsnelheid (S) wordt gedefinieerd als de snelheid waarmee een vlam zich voortplant t.o.v. een vast coördinatenstelsel. De vlamsnelheid wijkt af van de verbrandingssnelheid door het expansie-effect [32]: (3.2) Hier stelt Sn de gerekte vlamsnelheid voor, vg de gasexpansiesnelheid en un de gerekte laminaire verbrandingsnelheid. Dergelijke methodes vormen een goede benadering voor de laminaire verbrandingsnelheid bij eerder lage drukken (± 1bar). Natuurlijk opereren motoren bij veel hogere drukken. Onder deze condities treedt er een bijkomend fenomeen op waardoor bovenstaande methodiek niet meer opgaat. De initieel sferisch propagerende, stabiele vlammen worden bij een bepaalde vlamstraal plots instabiel en vertonen een cellulaire vlammenstructuur. Bij het optreden van dergelijke fenomenen accelereert de vlam plots en is het niet meer mogelijk om met de oorspronkelijke methodes de laminaire verbrandingssnelheid te begroten. Door middel van moderne technieken is het mogelijk om via fotografie de vlampropagatie vast te leggen op beeld. In figuur 3.1 [32] is rechts een opname te zien bij hogere drukcondities (5 bar en stoichiometrische werking). Het is duidelijk zichtbaar dat reeds bij het eerste gecapteerde beeld de vlammen cellulair zijn. Let hierbij vooral op de tijdsintervallen waarbij deze opnames genomen zijn. Die tijdsintervallen wijzen, zoals uiteengezet, op een toename van de vlamsnelheid bij vorming van cellulariteit. De toegepaste techniek is de schlieren cine-fotografie met behulp van een Phantom V4.1 digitale camera. Opnamesnelheden van foto s per seconde zijn mogelijk.

34 Hoofdstuk 3. Het simulatieprogramma GUEST 22 Figuur 3.1: Opnames van vlamontwikkeling van een waterstof/lucht mengsel [32]. Zoals zojuist vermeld, is het zo dat de werking bij hogere drukken juist een conditie is die relevant is voor waterstofmotoren. Bij verbrandingsmotoren is de onderliggende laminaire verbranding van het waterstofmengsel dus zo goed als altijd instabiel. Hierbij komt ook nog dat deze laminaire instabiliteiten een directe invloed hebben op de turbulente instabiliteiten die hier verder behandeld worden. De instabiliteiten resulteren dus in een globaal effect op het verbrandingsverloop. Nieuwe methodes dienen dus ontwikkeld te worden die de laminaire verbrandingsnelheid bij het optreden van dergelijke instabiliteiten kunnen bepalen. Hiervoor dient natuurlijk onderzocht te worden wat de oorzaak is van deze laminaire instabiliteiten Instabiliteiten Verschillende mechanismen kunnen ervoor zorgen dat een laminaire vlam instabiel wordt [32]. De belangrijkste criteria worden hier opgesomd zonder in detail te treden. Hiervoor wordt ervan uitgegaan dat het vlamfront twee zones scheidt: de onverbrande zone en de verbrande zone. Het is al snel duidelijk dat er instabiliteiten kunnen voortkomen uit het verschil in dichtheid tussen de twee zones. Een eerste instabiliteit kan dus veroorzaakt worden door de discontinuïteit van de dichtheden. De zone met onverbrande massa heeft immers een hogere dichtheid dan de zone met verbrande massa. Deze hydrodynamische instabiliteit is gekend als de Darrieus-Landau instabiliteit [32]. Een tweede mechanisme dat hieruit kan voortkomen wordt de Rayleigh-Taylor instabiliteit genoemd. Door de lagere dichtheid van de verbrande zone t.o.v. de onverbrande zone kan de vlam instabiel zijn onder invloed van de zwaartekracht als het zware gas aanwezig is boven het lichte gas. Tot slot kan een vlaminstabiliteit ook voorkomen als gevolg van ongelijke diffusiviteiten. De vlamvoortplanting wordt immers beheerst door zowel de

35 Hoofdstuk 3. Het simulatieprogramma GUEST 23 opwarming van de onverbrande zone door het vlamfront als door de diffusie van reactanten uit de onverbrande zone naar het vlamfront [32]. Een verstoring van de balans tussen beide diffusieprocessen kan gestabiliseerd worden of juist versterkt worden. Bij het optreden van deze instabiliteiten en dus van celvorming neemt de vlamsnelheid S plots enorm toe. Dit geeft zeker geen negatieve invloed op de verbranding, integendeel, de stijging van de vlamsnelheid en dus van de laminaire verbrandingssnelheid zorgt voor een verhoogde verbrandingssnelheid. Het gevolg is dat de verbranding meer en meer het ideale isochore proces benadert. Uit verschillende experimenten [6, 13] is gebleken dat de druk een grote invloed heeft op de vorming van instabiliteiten. Links in figuur 3.2 is het effect van de druktoename te zien. De toename van de vlamsnelheid met de straal is veel groter voor verbranding bij drukken van 5 en 10 bar wat wijst op een verandering van de vlammenstructuur. Merk hierbij ook nog op dat de neiging tot celvorming des te groter is naarmate de druk toeneemt. a) variërende druk bij T = cte = 365 K b) variërende temperatuur bij p = cte = 1 bar Figuur 3.2: Vlamsnelheid in functie van de vlamstraal (λ = 1) [32]. De temperatuur heeft daarentegen weinig effect op het vlamgedrag. Een stijgende temperatuur zorgt wel voor een stijgende vlamsnelheid (figuur 3.2 b). Het is eveneens belangrijk om te melden dat een toenemende massafractie van restgassen in de verbrandingskamer - o.a. voor toepassingen met EGR - naast een vermindering van de vlamsnelheid een snellere neiging tot cellulariteit met zich meebrengt. Ook arme mengsels zijn instabiel. Dit omwille van de hoge moleculaire diffusiviteit van waterstof - waterstof is immers een zeer klein element. Deze mengsels vertonen dus ook een snellere overgang tot cellulariteit. Er kan uit deze uiteenzetting dus besloten worden dat voor mengsels in waterstofmotoren de onderliggende laminaire vlammen steeds instabiel zijn. Het is immers zo dat verbrandingsmotoren opereren bij hoge drukken en temperaturen. Bovendien worden mengsels gebruikt die variëren van een stoichiometrische tot een zeer arme samenstelling. Een

36 Hoofdstuk 3. Het simulatieprogramma GUEST 24 goede benadering van de werkelijke laminaire verbrandingssnelheid vereist dus een correlatie die alle bovenstaande factoren in rekening brengt Modellering van de laminaire verbrandingsnelheid Op basis van experimentele metingen en data uit de literatuur werd een correlatie voor de laminaire verbrandingsnelheid opgesteld. Deze correlatie, ingebouwd in het simulatieprogramma, brengt de hierboven besproken invloeden van temperatuur, druk, luchtfactor en fractie restgassen in rekening. Deze laminaire verbrandingssnelheid wordt gegeven door: (3.3) In deze vergelijking stellen factoren T0 en p0 respectievelijk de temperatuur en druk voor bij een referentieconditie. Ze worden gegeven door constante waarden T0 = 365 K en p0 = 5 bar. De invloed van de lucht/brandstofverhouding - de luchtfactor λ - bij deze referentiecondities wordt in rekening gebracht door de factor ul0. Deze laminaire verbrandingssnelheid bij referentiecondities wordt gegeven door (λ = 1/φ): (3.4) De druk p en de temperatuur T in vergelijking 3.3 worden op elk moment berekend. Ze stellen m.a.w. de initiële mengselcondities voor en worden in rekening gebracht door de exponenten αt en βp. De temperatuursexponent αt is constant en wordt gegeven door αt = De drukexponent βp wordt bepaald door de luchtfactor λ. Er wordt een opsplitsing gemaakt naargelang de rijkheid van het mengsel (λ = 1/φ): φ < 0.6: (3.5) φ 0.6: (3.6) Ten slotte is f de volumefractie van de restgassen, i.e. de fractie restgassen of interne EGR maar ook eventueel een fractie externe EGR. De invloed van de restgassen wordt bepaald door de parameter γ die net zoals de drukexponent functie is van de luchtfactor: (3.7)

37 Hoofdstuk 3. Het simulatieprogramma GUEST Turbulente verbrandingssnelheid Algemene bespreking Een model voor de turbulente verbrandingssnelheid is, zoals reeds vermeld, noodzakelijk voor de berekening van het verbrandingsverloop en dus voor de kennis van het druk- en temperatuursverloop in de verbrandingskamer. Turbulente verbrandingssnelheden hangen, in tegenstelling tot laminaire verbrandingssnelheden, naast van de mengseleigenschappen ook nog af van de stroming en de historiek van de vlam [32]. Hieruit volgt dat de laminaire instabiliteiten, zoals gezien in de vorige paragraaf, een directe invloed hebben op de turbulente instabiliteiten. Volgens de literatuur [32, 36] versterkt het effect met toenemende druk. Aangezien hoge drukken juist eigen zijn aan interne verbrandingsmotoren, mag dus hier ook verwacht worden dat de vlaminstabiliteiten gevolgen hebben voor de turbulente verbranding. De afhankelijkheid van de historiek van de vlam impliceert een vastlegging van de beginconditie van de vlam, d.w.z. een initialisatie van de ontsteking. Verschillende methoden zijn hiervoor voorhanden. De ontwerper van GUEST opteert voor de veronderstelling van een initiële kleine vlam op het moment van de ontsteking, waarna deze vlam zich turbulent ontwikkelt. De turbulente verbrandingssnelheid is dan een functie van de tijd verstreken sinds de ontsteking, of van de afstand tot de brander [32]. Het kan dus van belang zijn om naast het turbulentiemodel ook een vlamontwikkelingsmodel te voorzien. Verscheidene modellen die rekening houden met deze turbulente vlamontwikkeling kunnen in de literatuur gevonden worden. Er wordt hier dieper op ingegaan in paragraaf Ten slotte gaan, net zoals bij laminaire verbrandingssnelheden, nagenoeg alle turbulente verbrandingsmodellen uit van een lokaal zeer dun vlamfront - de reactiezone - dat verbrand en onverbrand scheidt. Bij turbulentie wordt als bijkomende onderstelling aangenomen dat de vlamstructuur die van een gerekte laminaire vlam is. Er wordt dus ondersteld dat de turbulente wervels de reactiezone niet binnendringen [32] Modellering van de turbulente verbrandingssnelheid Voor de begroting van de turbulente verbrandingssnelheid ut dient natuurlijk een turbulentiemodel aangewend te worden. De ontwerper van het simulatieprogramma heeft daarom een aantal veelgebruikte modellen geselecteerd. Al deze turbulente verbrandingsmodellen maken gebruik van een lineair afnemende rms turbulente verbrandingssnelheid u voor de begroting van de turbulentie: (3.8)

38 Hoofdstuk 3. Het simulatieprogramma GUEST 26 In vergelijking 3.8 is θ het aantal graden krukhoek en u TDC de rms turbulente verbrandingssnelheid bij het bovenste dode punt (θ = 360 kh). Deze wordt gelijkgesteld aan 75% van de gemiddelde zuigersnelheid. De rms turbulente verbrandingssnelheid u is dus enkel functie van het toerental 8 en het aantal graden krukhoek θ. De afnamesnelheid van u in functie van θ werd gehaald uit [15]. De gebruikte turbulentiemodellen werden verder nog aangepast om, waar nodig, de laminaire verbrandingssnelheid ul (=un) in rekening te brengen ter vervollediging van het model zodat als u nadert naar nul, ut nadert naar ul. De modellen worden hier aangehaald, het staat de gebruiker vrij een model te kiezen aan de hand van een user interface : Lipatnikov: (3.9) In deze vergelijking stelt Da het Damköhlergetal voor dat berekend wordt aan de hand van een laminaire vlamdikte in functie van de kinematische viscositeit. Hier wordt later nog op ingegaan (hoofdstuk 5). Bradley: (3.10) Hierin is Ka de Karlovitz rek-factor en Le het Leedsgetal. Ook hier wordt nog op teruggekomen (zie wederom hoofdstuk 5). Gülder: (3.11) Damköhler : (3.12) Peters: (3.13) Fractals : (3.14) hierin is D3: (3.15) 8 De gemiddelde zuigersnelheid is gelijk aan twee maal de lengte van de zuigerslag vermenigvuldigd met het aantal rotaties per seconde. Voor 1 krukasomwenteling beweegt de zuiger immers op en neer tussen het BDP en het ODP.

39 Hoofdstuk 3. Het simulatieprogramma GUEST 27 In de vergelijking van elk model is een coëfficiënt C2 toegevoegd. Deze factor maakt zoals we verder zullen zien een fijnregeling van het verbrandingsmodel mogelijk. 3.3 Simulatie van de arbeidscyclus Inleiding Het simulatieprogramma GUEST berekent de arbeidscyclus en meer bepaald de turbulente verbranding in interne verbrandingsmotoren op waterstof. Een dergelijk quasi-dimensionaal model berust op de vergelijkingen van behoud van massa en energie. Voor interne verbrandingmotoren kunnen deze vergelijkingen vereenvoudigd worden door enkele veronderstellingen te maken omtrent de mengseleigenschappen gedurende compressie, verbranding en expansie [32]. Om de energievergelijkingen te kunnen oplossen, moeten er nog enkele submodellen toegevoegd worden om zowel de warmteoverdracht, cilinderlek als het verbrandingsverloop te begroten. De belangrijkste submodellen en onderstellingen worden in deze paragraaf aangehaald. Er wordt niet ingegaan op de opbouw en oplossingsmethodes van de energievergelijkingen zelf. Een dergelijke uitvoerige bespreking draagt immers niet bij tot de inzichten nodig voor de simulaties. De geïnteresseerde lezer wordt hiervoor verwezen naar meer gespecialiseerde werken [32] Submodellen en onderstellingen Onderstellingen Er wordt ondersteld dat de temperatuur, druk en gassamenstelling, tijdens de compressie- en expansieslag, uniform zijn in de volledige cilinder. Voor het gasmengsel komt het erop neer dat de samenstelling tijdens de compressie onveranderlijk gehouden wordt en gedurende de expansie door chemisch evenwicht gegeven wordt. Tijdens de verbranding wordt de temperatuur en de gassamenstelling homogeen gehouden voor enerzijds de verbrande en anderzijds de onverbrande zone. De gassamenstelling is hierbij vast in de onverbrande zone en gegeven door chemisch evenwicht in de verbrande zone. Zoals reeds vermeld, worden de verbrande en onverbrande zone gescheiden door een infinitesimaal vlamfront. Er wordt hierbij aangenomen dat er geen warmtewisseling optreedt tussen beide zones. De druk wordt uniform verondersteld in de volledige verbrandingskamer. Ten slotte worden alle cilindergassen behandeld als ideale gassen.

40 Hoofdstuk 3. Het simulatieprogramma GUEST 28 Verbrandingsmodel: Om een verbrandingsmodel op te stellen dient het verloop van de verbrande massa uitgaande van de turbulente verbranding gekend te zijn. Enkel met kennis van deze grootheid kan het verloop van de druk en de temperatuur berekend worden. Het model dat hiervoor gebruikt wordt in deze scriptie is gebaseerd op het wervelopnamekader en bestaat uit twee differentiaalvergelijkingen [32]. De eerste vergelijking stelt de opnamesnelheid van onverbrand gas in het vlamfront voor: (3.16) Hier stelt me de opgenomen massa, Af een gemiddelde vlamoppervlakte en ute de turbulente opnamesnelheid voor (i.e. de snelheid waarmee het onverbrande mengsel verdwijnt). [32] De opgenomen massa wordt dan verondersteld te verbranden met een snelheid proportioneel met de hoeveelheid opgenomen verbrand gas en met een tijdsconstante τb. Dit brengt ons tot de tweede vergelijking [32]: Waarbij: (3.17) (3.18) In de eerste vergelijking stelt mb de verbrande massa voor. In de tweede vergelijking stelt l een turbulente lengteschaal voor en ul de reeds vermelde laminaire verbrandingssnelheid. Deze vergelijkingen worden gebruikt om via een wiskundige beschrijving de effecten van een eindige vlamdikte δt in rekening te brengen. Een en ander wordt duidelijk op de onderstaande figuur 3.3 [7]. Op deze figuur stelt rf de vlamstraal voor. Met deze straal wordt de reeds vermelde gemiddelde oppervlakte Af berekend. Deze oppervlakte stelt dus met andere woorden een sferisch vlamfront voor, gecentreerd aan de bougie. De opgenomen massa me wordt gezien als de massa achter een gemiddeld opnameoppervlak. Hiermee wordt niet de zonet beschreven gemiddelde oppervlakte Af bedoeld maar een oppervlakte die vergelijkbaar is met een gemiddeld schlierenoppervlak (zie figuur 3.1).

41 Hoofdstuk 3. Het simulatieprogramma GUEST 29 Figuur 3.3: Visuele voorstelling van het verbrandingsverloop [7]. Merk hierbij nog op dat als een dergelijk opnameoppervlak de cilinderwanden bereikt de verbranding nog doorgaat omwille van de eindige vlamdikte δt. Dit is logisch te verklaren aan de hand van figuur 3.3. De vlamborstel met dikte δt bestaat zoals te zien uit dalletjes en piekjes. Eenmaal de piekjes de wand bereikt hebben, dienen de dalletjes nog verbrand te worden. Dat fenomeen wordt dus ook in rekening gebracht. De turbulente opnamesnelheid ute wordt gezien als de parameter geleverd door het turbulent verbrandingsmodel. Zoals gezien in paragraaf werden verschillende modellen geïmplementeerd en staat het de gebruiker vrij welk model gekozen wordt. Om de vergelijkingen te sluiten dient nu nog enkel een keuze gemaakt te worden voor de turbulente lengteschaal l. De voorkeur wordt hierbij gegeven aan de integrale lengteschaal Λ, vermits de tijdsconstante τb een uitdrukking is voor de eindige vlamdikte die voornamelijk bepaald wordt door de grootste turbulente schalen [32]. Deze lengteschaal werd op één vijfde van de hoogte van de verbrandingskamer (BDP) ingesteld en wordt dus gegeven door de volgende vergelijking: (3.19) Ontstekingskern De verbrandingsmodellen kunnen niet opgelost worden zonder het vastleggen van een initiële beginconditie. Hiervoor wordt de ontsteking geïnitialiseerd. De ontsteking van het cilindermengsel wordt in dit simulatieprogramma niet in detail gemodelleerd. Het ontstekingmoment wordt beschreven als een ogenblikkelijke vorming van een initiële kern. Aan de kern zelf wordt er een sferisch volume toegekend met een diameter van één millimeter. Dit is een vrij goede benadering aangezien dit ongeveer de breedte is van de elektrodespleet van de bougie.

42 Hoofdstuk 3. Het simulatieprogramma GUEST 30 Vlamontwikkelingsmodel De turbulente verbrandingssnelheid is zoals reeds vermeld functie van de tijd verstreken sinds de ontsteking, of van de afstand tot de brander. Een vlamontwikkelingsmodel wordt dus, naast een verbrandingsmodel en de modellering van de ontstekingskern, geïmplementeerd om de vlamontwikkeling in rekening te kunnen brengen. Twee vlamontwikkelingsmodellen werden hiervoor ingebouwd. Zoals verder zal blijken, worden de beste simulatieresultaten behaald als geen gebruikgemaakt wordt van een model voor vlamontwikkeling (zie hoofdstuk 4). Laminaire verbrandingssnelheden In paragraaf 3.2 werd aangehaald dat de meeste turbulente verbrandingsmodellen onderstellen dat de lokale vlamsnelheid die van een laminaire vlam is bij dezelfde condities. Een correlatie voor de laminaire verbrandingssnelheid werd opgesteld (vergelijking 3.3) en toegevoegd in de turbulente verbrandingsmodellen (zie vergelijkingen 3.9 t.em. 3.14). Model voor de warmteoverdracht: Een model voor de warmteoverdracht is nodig om de ogenblikkelijke warmtetransfer tussen de cilinderwand en het gecompresseerde of verbrande mengsel te beschrijven. In verbrandingsmotoren wordt deze warmteoverdracht hoofdzakelijk gedomineerd door gedwongen turbulente convectie en mag de straling in de eerste plaats verwaarloosd worden. Voor de berekening van deze convectiecoëfficiënt wordt gebruikgemaakt van de correlaties van Annand die oorspronkelijk opgesteld werden voor diesel- en benzinemotoren [5]. Hoewel een waterstofvlam een kortere doofafstand (zie tabel 1.1) en dus een verhoogde warmteoverdracht heeft dan een diesel- of benzinevlam, genoot dat model toch de voorkeur. Trapped conditions Dit zijn initiële cilindercondities die aan het begin van de compressie, dus net na het sluiten van de inlaatklep, ingesteld worden. Meer specifiek betreft het de druk bij het sluiten van de inlaatklep, de massafractie restgassen f (met eventueel EGR), de massa of het debiet waterstof en de luchtfactor λ. De druk kan worden gehaald uit het experimenteel gemeten drukverloop, het verse mengsel wordt berekend uit het gemeten waterstof- en luchtdebiet en de restgasfractie wordt geschat. Op die manier ligt de gassamenstelling en bijgevolg de cilindermassa vast. Hieruit kan dan ook meteen de temperatuur berekend worden uit de ideale gaswet.

43 Hoofdstuk 3. Het simulatieprogramma GUEST 31 Deze condities moeten worden ingesteld omdat enkel een arbeidscyclus gesimuleerd wordt. Indien een complete cyclus gesimuleerd wordt, volgen de waarden aan de start van de arbeidscyclus uit de gasdynamica [32]. Blow-by model Waterstof is een kleine molecule. Een waterstof/luchtmengsel is dus zeer licht. Bijgevolg ontstaat er bij compressie en verbranding van een waterstofmengsel in een cilinderkamer een grotere lek tussen de zuiger en de cilinderkop dan bij gebruik van een benzinemengsel bij gelijkaardige condities. Deze lek dient in rekening gebracht te worden. In het huidige simulatiemodel wordt de gaslek in eerste instantie toch als verwaarloosbaar verondersteld. 3.4 Kalibratie van het simulatiemodel GUEST kan nu gebruikt worden om simulaties op motoren uit te voeren. Elke motor is natuurlijk intrinsiek anders en heeft bijgevolg ook andere eigenschappen. Voordat er kan gesimuleerd worden, dient dus eerst een kalibratie van de verschillende gebruikte modellen uitgevoerd te worden. Dat is nodig om het programma te kunnen afstemmen op de werking van de specifieke motor. De kalibratie is dus nodig om de coëfficiënten van het warmteoverdrachts-, vlamontwikkelings- en turbulent verbrandingsmodel in te stellen. Deze waardebepaling kan gebeuren door bijvoorbeeld het opgemeten drukverloop steeds te vergelijken met het gesimuleerde drukverloop. De coëfficiënten worden dan voortdurend aangepast totdat een zo goed mogelijke overeenkomst bekomen wordt of dus totdat het programma volledig afgestemd is op de motor. Eenmaal de code gekalibreerd is voor één enkele meting worden deze coëfficiënten constant gehouden en kunnen de uiteindelijke parameterstudies uitgevoerd worden. De kalibratieconstanten zijn: De coëfficiënt uit het warmteoverdrachtsmodel. De constante a in het model van Annand wordt gebruikt voor de kalibratie. Deze wordt zowel voor compressie, verbranding als expansie apart geijkt. Een verhoging van de coëfficiënt a verhoogt de warmteoverdracht in alle drie de gevallen.

44 Hoofdstuk 3. Het simulatieprogramma GUEST 32 Belangrijk om hierbij op te merken is dat gedurende de verbranding dezelfde waarde voor een coëfficiënt van Annand gebruikt wordt voor zowel de verbrande als de onverbrande zone. Annand stelde waarden tussen 0.35 en 0.8 voorop, afhankelijk van het motortype. De coëfficiënten van het vlamontwikkelingsmodel. Een coëfficiënt C1 wordt geplaatst in de vergelijkingen van het vlamontwikkelingsmodel. Een verhoging van C1 verlengt de ontwikkelingsperiode, of vertraagt de initiële verbranding. De coëfficiënten van het verbrandingsmodel. Voor het turbulente verbrandingsmodel werden twee coëfficiënten ingevoerd (C2 en C3). Een factor C2 werd toegevoegd in de formules van de turbulente verbrandingssnelheden (zie paragraaf ). Als de coëfficiënt C2 verhoogd wordt, verhoogt de turbulente verbrandingssnelheid en stijgt dme/dθ in vergelijking Hierdoor verandert dus ook de opgenomen massa me. In vergelijking 3.17 werd de coëfficiënt C3 toegevoegd voor de tijdsconstante τb. Een verhoging van C3 verlaagt de productie-verbrandingssnelheid dmb/dθ of verhoogt de vlamdikte. De kalibratriecoëfficiënten C1, C2 en C3 zijn alle drie fijnregelparameters. Van dergelijke afstemparameters wordt verwacht dat deze rond de eenheid liggen. In hoofdstuk 4 wordt dieper ingegaan op de kalibratiewaarden van de coëfficiënten.

45 Hoofdstuk 4 De kalibratie 4.1 Inleiding In hoofdstuk 2 werden de resultaten aangehaald van de eerste simulatiestudies met GUEST op de CFR-motor. De prestaties van de ingebouwde modellen werden daarin getoetst aan de effecten van variabele compressieverhouding, ontstekingstijdstip en mengselrijkheid. De belangrijkste aanbevelingen voor verder onderzoek zijn: ten eerste, het onderwerpen van GUEST aan een strengere test gesteld door zeer arme mengsels (λ > 2.65) en ten tweede het onderzoeken en valideren van de invloed van nieuwe parameters, i.e. variabele motorsnelheid en het toepassen van EGR-mengsels. Eer dergelijk onderzoek van start kan gaan, dient het simulatieprogramma vooreerst gekalibreerd te worden of m.a.w. zo goed mogelijk afgestemd te worden op de te bestuderen motor. Het uitgangspunt van deze scriptie was om in de eerste plaats verder te bouwen op de resultaten bekomen op de CFR-motor. Nieuwe metingen werden hiervoor geselecteerd met zeer arme mengsels en met EGR-werking. De kalibratie verliep echter moeilijker dan verwacht. Dat was deels te wijten aan enkele onzekerheden omtrent het opgemeten waterstofdebiet. Ten einde progressie te boeken werd er sneller overgeschakeld op de Audi-motor dan voorzien. Op deze motor worden de invloeden van de motorsnelheid en van het gebruik van zeer arme mengsels bestudeerd. De kalibratie van GUEST op deze motor wordt in dit hoofdstuk besproken. De EGR-simulaties op de CFR-motor komen pas in hoofdstuk 7 aan bod. 33

46 Hoofdstuk 4. De kalibratie De Audi-motor Meetselectie Ter validatie van de verbrandingsmodellen wordt een dataset samengesteld uit een reeks metingen op de Audi-motor [14]. Deze cilinderdrukmetingen worden zo geselecteerd dat de te onderzoeken parameters, i.e. de motorsnelheid en de mengselrijkheid, discreet variëren over een zo breed mogelijk gebied. De toename van de luchtfactor gebeurt hierbij steeds met stappen van ongeveer 0.3, terwijl het toerental varieert met 500 tpm. Om hun wederzijdse invloed uit te schakelen wordt bij de selectie de ene parameter telkens constant gehouden terwijl de andere wijzigt en andersom. De compressieverhouding is bij de Audi-motor constant: CR = 11:1 (hoofdstuk 2). Het ontstekingstijdstip VO is voor elke meting genomen volgens MBT timing. Dit is het ontstekingstijdstip waarbij de voorontsteking zo klein mogelijk gehouden wordt op een zodanige wijze dat het koppel maximaal blijft en de NOx-uitstoot zoveel mogelijk gereduceerd wordt [41]. Met deze definitie vormt de invloed van een variabel ontstekingstijdstip geen obstakel voor de vergelijkingsstudies van de simulatieresultaten die in de hoofdstukken 5, 6 en 7 aan bod komen. In tabel 4.1 wordt de dataset getoond. In het bovenste gedeelte van de tabel wordt het toerental constant gehouden terwijl de mengselrijkheid varieert, in het onderste gedeelte is dit omgekeerd. φ λ VO ( kh VBDP) n (tpm) CR 0,74 1, ,61 1,65 3, ,51 1,95 4, ,45 2,23 13, ,40 2,51 18, ,35 2, ,32 3,17 28, ,29 3,45 26, ,26 3,88 28, ,61 1,65 1, ,61 1,65 2, ,61 1,65 3, ,61 1,65 3, ,61 1,65 3, Tabel 4.1: Meetselectie op de Audi-motor.

47 Hoofdstuk 4. De kalibratie 35 Een vreemde trend is echter waarneembaar in het verloop van het ontstekingsogenblik in de set voor variabele rijkheid. Inderdaad, wordt het ontstekingsogenblik uitgezet versus de rijkheid in figuur 4.1 dan valt op dat twee metingen zichtbaar afwijken van een algemene trend (zie blauwe, volle curve: de metingen met luchtfactor λ = 1.95 en λ = 3.17). Deze afwijkingen kunnen wijzen op een foute schatting van de MBT timing [41]. Om de resultaten bij de hierna volgende validatiestudies van GUEST duidelijk te kunnen interpreteren en te vergelijken worden de twee metingen weggelaten als voorzorgsmaatregel. In figuur 4.1 wordt het resulterende verloop getoond (rode, gestreepte curve). Figuur 4.1: Voorstelling van de meetpunten uit tabel 4.1; ontstekingstijdstip volgens MBT timing versus de mengselrijkheid λ. Voorlopig zijn er nog geen experimentele drukmetingen uitgevoerd op de Audi-motor waarbij EGR-werking wordt toegepast. De performantie van de verbrandingsmodellen bij het voorspellen van dergelijke condities wordt daarom ook later besproken in deze scriptie (Zie hiervoor, zoals aangehaald in de inleiding, hoofdstuk 7) Instellen van de kalibratiecoëffciënten De kalibratie gebeurt door het gesimuleerde drukverloop aan te passen aan het opgemeten drukverloop in een vast meetpunt. Hierbij worden de kalibratiecoëfficiënten zoals besproken in hoofdstuk 3 ingesteld met het oog op een zo goed mogelijke overeenkomst. Eenmaal de juiste coëfficiënten gevonden, worden deze logischerwijze constant gehouden. Er kan dan gecontroleerd worden of de verbrandingsmodellen correct functioneren in andere situaties dan het kalibratiepunt, i.e. het validatieproces [27].

48 Hoofdstuk 4. De kalibratie 36 Voor de kalibratie wordt een meetpunt gekozen met een tussenliggende waarde voor de motorsnelheid: n = 2500 tpm. De luchtfactor wordt omwille van vergelijkingsredenen ingesteld op een waarde dicht bij de kalibratie-luchtfactor gebruikt op de CFR-motor: λ = 1.65 (zie [32]: luchtfactor gebruikt voor de kalibratie: λ = 1.7). De compressieverhouding en het ontstekingstijdstip bedragen respectievelijk CR = 11:1 en VO = 3.7 kh VBDP. Vooreerst dienen de trapped conditions geïnitialiseerd te worden. Zoals gezien in hoofdstuk 3 zijn dat de druk bij het sluiten van de inlaatklep PIVC, de massafractie restgassen f, het ingenomen waterstofdebiet QH2 en de luchtfactor λ. De vastlegging van deze parameters gebeurt aan de hand van de experimentele gegevens in het specifieke meetpunt: De opgemeten druk bij het sluiten van de inlaatklep bedraagt volgens de experimenten 1.68 bar. Gezien gedurende de meting geen oplading gebruikt werd, is dit een merkwaardig hoge waarde. Wordt er vergeleken met de overige metingen, dan zijn min of meer gelijkaardige overdrukken waarneembaar. De schommelingen zijn te wijten aan de geometrie van het inlaatgedeelte van de motor [14]. De luchttoevoer naar het inlaatspruitstuk gebeurt via een vrij lange flexibele inlaatbuis. Deze inlaatbuis is aan het andere uiteinde verbonden met een buffervat. Een buffervat wordt geplaatst om de pulsaties in de luchttoevoer die optreden bij een ééncilindermotor uit te vlakken zodat debietmetingen mogelijk zijn. Toch zorgt een samenspel van druk- en expansiegolven in het inlaatkanaal ten gevolge van inertieverschijnselen ervoor dat het drukverloop aan de inlaatklep nogal sterk schommelt. Deze inertie en dus de eindige snelheid van de luchtstroming zorgt voor een extra drukopbouw aan de start van de compressie. De massafractie restgassen f die nog aanwezig is in de cilinderkamer bij de start van de compressiefase is moeilijk meetbaar. Een vrij correcte inputwaarde is echter wel in zekere mate noodzakelijk aangezien deze restgassen een belangrijke invloed hebben op de vlamsnelheid en de verbrandingstemperatuur gedurende operatie [11]. Voor de schatting van de massafractie restgassen wordt gebruikgemaakt van een eenvoudig model gebaseerd op de restmassa nog aanwezig in de cilinderkamer bij het openen van de inlaatklep en de verse toegevoerde brandstof/luchtmassa. Een theoretische schatting van f = 7.5% werd gevonden. Deze waarde bleek achteraf volgens de bekomen kalibratieresultaten een goede schatting. Ten slotte wordt de geïnjecteerde massa waterstofgas bepaald uit de debietmetingen: Q = 4.85 Nm³/h. De luchtfactor is logischerwijze λ = Nu kunnen ook de kalibratieconstanten fijngeregeld worden. De beste overeenstemming wordt bekomen met de volgende waarden:

49 Hoofdstuk 4. De kalibratie 37 Voor het warmteoverdrachtsmodel werden de coëfficiënten van Annand voor compressie, verbranding en expansie ingesteld op respectievelijk de volgende waarden: 0.33, 0.8 en 0.6. Uit de simulaties is gebleken dat de beste overeenstemming tussen simulatie en meting eigenaardig genoeg bereikt werd zonder een vlamontwikkelingsmodel. Dezelfde conclusies konden destijds eveneens getrokken worden tijdens kalibraties op de CFRmotor [32]. Waarom een dergelijk model onnuttig blijkt te zijn wordt later besproken in paragraaf De coëfficiënt C1 is hier dus niet van toepassing en wordt arbitrair op de waarde 1.0 ingesteld. De coëfficiënt C2 wordt gebruikt om in de verbrandingsmodellen de turbulente verbrandingssnelheid fijn te regelen (zie de vergelijkingen 3.9 t.e.m uit hoofdstuk 3). Alle ingebouwde verbrandingsmodellen werden getoetst in het kalibratiepunt. De bijhorende kalibratieconstanten C2 worden gegeven door: - Lipatnikov: C2 = Gülder: C2 = Bradley: C2 = Damköhler : C2 = Peters: C2 = Fractals : C2 = De coëfficiënt C3 werd ingesteld op Deze gevonden waarde is dezelfde als destijds toegepast op de CFR-motor [32]. Aangezien hier gewerkt wordt met een hogere motorsnelheid, staaft dit in zekere zin de bemerking dat een kleine C3-waarde kan duiden op de keuze van de integrale lengteschaal 9 [32] Resultaten De kalibratieresultaten zijn voor alle verbrandingsmodellen zeer gelijkaardig. In figuur 4.2 wordt het gekalibreerde drukverloop getoond bekomen met het model van Lipatnikov (rode gepunte curve). Het numerieke resultaat wordt vergeleken met het gemeten drukverloop (zwarte volle curve). De overeenstemming tussen beide drukcurven is niet perfect maar kan wel als zeer goed beschouwd worden. Een kleine overschatting van het gemeten drukverloop net voorbij de piekdruk kan waargenomen worden. Dit kan te wijten zijn, zoals opgemerkt bij 9 Als keuze voor de turbulente lengteschaal in vergelijking (3.18) werd geopteerd voor de integrale lengteschaal (vergelijking 3.19). Deze voorkeur werd gegeven vermits de parameter τb een uitdrukking is van de eindige vlamdikte δt. δt wordt voornamelijk bepaald door de grote turbulente lengteschalen [32].

50 Hoofdstuk 4. De kalibratie 38 Figuur 4.2: Gekalibreerde drukverloop versus gemeten drukverloop; links: drukverloop over volledige motorcyclus; rechts: close-up van het verbrandingsproces. Figuur 4.3: Arbeidscyclus van het gekalibreerde drukverloop versus het gemeten drukverloop; links: p - V diagram; rechts: log p - log V diagram.

51 Hoofdstuk 4. De kalibratie 39 de simulaties op de CFR-motor [32], aan het negeren van de gaslek gedurende de arbeidscyclus. Deze gaslek is bij bedrijf op waterstof immers altijd aanwezig. De gemeten en de voorspelde arbeidscyclus worden getoond in figuur 4.3. De kleine overschatting van de druk aan de start van de expansieslag wordt ook hier duidelijk waargenomen. Wat opvalt in de rechter grafiek van figuur 4.2 is het gerimpelde verloop van de opgemeten cilinderdruk. Men zou kunnen denken dat tijdens de metingen klopverschijnselen optraden, maar dat was niet het geval. De storingen kunnen verklaard worden door de plaatsing van de druksensor in de cilinderkop van de Audi-motor [14, 24]. Om correcte metingen te bekomen wordt deze drukpickup het best in het vlak van de verbrandingskamer gemonteerd. Wegens plaatsgebrek in het kopstuk van de ééncilindermotor diende een nauwe boring aangebracht te worden die de sensor verbindt met de verbrandingkamer. Werken met een dergelijk fijn meetkanaaltje zorgt echter voor een aantal neveneffecten. Het geeft immers aanleiding tot drukgolven in het kanaaltje met een bepaalde frequentie. Het zijn nu deze golven die zorgen voor de verstoring van het gemeten druksignaal. In onderstaande figuur is te zien welk effect zo een kanaaltje heeft op het gemeten druksignaal [24]. Figuur 4.4: Bovenaan: gemeten drukverloop met meetkanaal; onderaan: gemeten drukverloop zonder meetkanaal.