DOI: https://doi.org/10.1007/s11708-024-0926-8
تاريخ النشر: 2024-01-10
المؤلف: Frederik Wiesmann وآخرون
الموضوع الرئيسي: تكنولوجيا محركات الاحتراق المتقدمة
نظرة عامة
تقدم الدراسة آلية احتراق جديدة، تُعرف بآلية SJTU، لمحاكاة أكسدة الإيثرات الأوكسي ميثيلين (OME) ذات الأطوال السلسلية من n = 1-6. تم تقييم هذه الآلية باستخدام نموذج مفاعل متجانس 0D، حيث وُجد أن توقعاتها لنسب المول من CO وCO₂ وO₂ وH₂ كانت أكثر دقة من تلك الخاصة بآلية نيو السابقة عبر نسب التكافؤ ودرجات الحرارة المختلفة. أظهرت التحقق ضد أوقات تأخير الاشتعال (IDTs) لـ OME 3 أن آلية SJTU تفوقت باستمرار على آلية نيو.
تشير النتائج الرئيسية إلى أن آلية SJTU تحسن بشكل كبير توقعات IDT ضمن نطاق درجة حرارة من 800-1000 كلفن ومستويات أكسجين من 15% و21%. بينما لا تؤثر الآلية على طول الرفع واختراق جبهة اللهب، إلا أنها تعزز تركيز إنتاج الفورمالديهايد (CH₂O) عند درجات حرارة منخفضة بالقرب من محور مركز الرش. كما تلاحظ الدراسة أن أنظمة الخلط تتغير قليلاً فقط تحت أنماط الحقن الفردي، بينما تظهر أنماط الحقن المتعددة تأخيرًا في الاشتعال في الظروف الضعيفة للغاية. ستركز الأبحاث المستقبلية على تأثير نمذجة الاضطراب على شكل اللهب والفجوات في تركيزات الجذور الحرة OH* التي لوحظت تجريبيًا مقابل تلك التي تم التنبؤ بها من خلال المحاكاة، مما يشير إلى الحاجة إلى تحسين آليات التفاعل التي تأخذ في الاعتبار تقلب OH* المتحمس.
مقدمة
تؤكد مقدمة هذه الورقة البحثية على الحاجة الملحة للتحقيق في الوقود المحايد مناخيًا للتطبيقات الصناعية، وخاصة الوقود الاصطناعي المتجدد. يبرز هوانغ وآخرون مزايا هذه الوقود، مثل كثافة الطاقة العالية وقدرات التخزين على المدى الطويل، مقارنة بتقنيات تخزين الطاقة التقليدية. من بين الخيارات المختلفة، تُعتبر الوقود الاصطناعية المؤكسدة، وخاصة الإيثرات ثنائية الميثيل بولي أوكسي ميثيلين (PODEs أو OMEs)، ملحوظة لحيادها من CO₂ واحتراقها الخالي من السخام، مما يعالج التبادل بين السخام وNOx في محركات الديزل. تشير الدراسات الحديثة إلى أن OME 3-5 يمكن أن تعمل كبدائل فعالة لوقود الديزل، حيث تظهر انخفاضًا في انبعاثات الجسيمات وأوقات تأخير اشتعال أقصر (IDTs) عند مزجها مع الديزل.
تناقش الورقة أيضًا خصائص احتراق OMEs، كاشفة أن الأطوال السلسلية الأعلى ترتبط بانخفاض انبعاثات NOx، على الرغم من تأثيرات طفيفة على الكفاءة الحرارية. كما يشير المؤلفون إلى التحديات في استراتيجيات الحقن المتعددة بسبب الخصائص الفيزيائية لـ OMEs، والتي تؤثر على أداء الحقن. لتعزيز القدرات التنبؤية لنماذج الديناميكا الحرارية الحاسوبية (CFD)، تقترح الدراسة آلية أكسدة محسّنة لوقود OME، تم التحقق منها من خلال إعدادات تجريبية متنوعة. تهدف هذه الآلية إلى محاكاة تأخيرات الاشتعال وخصائص اللهب بشكل أفضل، مما يساهم في تحسين تطبيقات وقود OME في بيئات الاحتراق عالية الضغط.
طرق
تم إجراء الإجراء التجريبي للتحقيق في أكسدة خلطات OME (الإيثر الأوكسي ميثيلين) باستخدام مفاعل مُحرك بالتيار النفاث (JSR) بحجم داخلي 75 سم³ وقطر فوهة 0.3 مم. كان المؤكسد المستخدم هو الأكسجين (نقاء 99.99%) وكان النيتروجين هو الغاز الحامل. تم تسخين المفاعل إلى درجة حرارة قصوى تبلغ 1000 درجة مئوية، وتمت مراقبته بواسطة كابل حراري من النوع K. تم استخدام كروماتوغرافيا الغاز (GC) مع كاشف موصلية حرارية (TCD) للكشف عن الغازات مثل CO وCO₂ وH₂ وO₂، مع تقدير عدم اليقين في القياس بحوالي 10%. تم إجراء تجارب الأكسدة عند ضغط جوي، ضمن نطاق درجة حرارة من 500 إلى 900 كلفن، وعند نسب تكافؤ من 0.5 و1.0 و2.0، مع نسبة مول ثابتة للوقود تبلغ 0.005 ووقت إقامة قدره ثانيتين.
بالإضافة إلى ذلك، تم إجراء تحقيقات في رش الوقود في غرفة حقن ثابتة الحجم عالية الحرارة والضغط، والتي كانت متاحة بصريًا للتصوير. سمحت الغرفة بتغيير خلطات الغاز من النيتروجين النقي إلى الهواء النقي، مما يسهل الدراسات التفاعلية وغير التفاعلية. تم استخدام تقنيات القياس البصري، بما في ذلك الكيمياء الضوئية OH*، لتقييم تأخير الاشتعال، مع التقاط البيانات بمعدل إطار مرتفع يبلغ 40,000 إطار في الثانية باستخدام كاميرا Photron SA-Z. شملت كل حالة تشغيل 32 حقنة، وتم تحديد معدلات تدفق الكتلة باستخدام جهاز متاح تجاريًا يقيس التغيرات في الضغط لحساب الكتلة الإجمالية المحقونة. تم حساب نتائج 150 حقنة لكل نقطة تشغيل للتحليل.
نتائج
في قسم النتائج، تقدم الدراسة تحليلًا مقارنًا لآلية تفاعل OME جديدة مقابل الآلية الأصلية التي طورها نيو وآخرون [14]. تم تنظيم النتائج في ثلاثة أقسام رئيسية. يركز القسم 3.1 على الكميات العالمية مثل تأخير الاشتعال وطول الرفع اللهبي، مبرزًا الفروق في الأداء بين الآليتين. يفحص القسم 3.2 شكل اللهب، وخاصة التوزيع المكاني والزمني للتفاعلات ذات درجات الحرارة المنخفضة والعالية، كما يتضح من وجود الفورمالديهايد (CH₂O) والجذور الهيدروكسيلية (OH). أخيرًا، يناقش القسم 3.3 التغيرات في أنظمة الخلط الناتجة عن تنفيذ آلية التفاعل الجديدة، مع إجراء تحليلات لكل من أنماط الحقن الفردية والمتعددة.
مناقشة
في هذا القسم، يناقش المؤلفون خصائص وآليات أكسدة وقود الإيثر الأوكسي ميثيلين (OME)، مع التركيز بشكل خاص على تطوير والتحقق من آلية أكسدة جديدة تُعرف بآلية جامعة شنغهاي جياو تونغ (SJTU). يتوافق تركيب وقود OME مع الدراسات السابقة، وتم تحليل خصائصه لضمان تمثيل شامل لمسارات التفاعل. تتضمن آلية SJTU، التي تعتمد على آلية مختزلة طورها نيو وآخرون، 92 نوعًا و389 تفاعلًا. يشير التحقق ضد البيانات التجريبية، بما في ذلك أوقات تأخير الاشتعال (IDTs) وملفات نسب المول، إلى أن آلية SJTU تقدم توقعات محسّنة، خاصة في نطاقات درجات الحرارة من 500-600 كلفن و750-900 كلفن، مقارنة بآلية نيو الأصلية.
كما يوضح المؤلفون الإعداد العددي لمحاكاةاتهم، التي تستخدم معادلات نافير-ستوكس المتوسطة Reynolds وطريقة القطرات المنفصلة Lagrangian لنمذجة القطرات السائلة. تفحص الدراسة نقاط تشغيل مختلفة، بما في ذلك تغيرات درجة الحرارة ومحتوى الأكسجين، وتستخدم حقنين مختلفتين لتقييم التأثير على عمليات الاشتعال الذاتي. تظهر النتائج أن آلية SJTU تعزز دقة توقعات IDT مع الحفاظ على طول رفع ثابت مقارنة بآلية نيو. بالإضافة إلى ذلك، تسلط الدراسة الضوء على التحديات في نمذجة أنماط الحقن المتعددة وسلوك الاشتعال اللاحق، مما يشير إلى الفجوات بين نتائج المحاكاة والتجارب التي تتطلب مزيدًا من التحقيق. بشكل عام، تؤكد النتائج على أهمية آلية SJTU في محاكاة ديناميات احتراق وقود OME بدقة.
DOI: https://doi.org/10.1007/s11708-024-0926-8
Publication Date: 2024-01-10
Author(s): Frederik Wiesmann et al.
Primary Topic: Advanced Combustion Engine Technologies
Overview
The study presents a novel combustion mechanism, referred to as the SJTU mechanism, for simulating the oxidation of oxymethylene ethers (OME) with chain lengths of n = 1-6. This mechanism was evaluated using a 0D homogeneous reactor model, where its predictions for mole fractions of CO, CO₂, O₂, and H₂ were found to be more accurate than those of the previously established Niu mechanism across various equivalence ratios and temperatures. Validation against ignition delay times (IDTs) for OME 3 demonstrated that the SJTU mechanism consistently outperformed the Niu mechanism.
Key findings indicate that the SJTU mechanism significantly improves IDT predictions within a temperature range of 800-1000 K and oxygen levels of 15% and 21%. While the mechanism does not affect the lift-off length and flame front penetration, it enhances the concentration of low-temperature formaldehyde (CH₂O) production near the spray center axis. The study also notes that mixing regimes are only slightly altered under single injection patterns, while multi-injection patterns show delayed ignition at ultra-lean conditions. Future research will focus on turbulence modeling’s impact on flame morphology and the discrepancies in OH* radical concentrations observed experimentally versus those predicted by simulations, suggesting a need for improved reaction mechanisms that account for the volatility of excited OH*.
Introduction
The introduction of this research paper emphasizes the critical need for investigating climate-neutral fuels for industrial applications, particularly renewable synthetic fuels. Huang et al. highlight the advantages of these fuels, such as high energy density and long-term storage capabilities, over traditional energy storage technologies. Among the various options, oxygenated synthetic fuels, particularly polyoxymethylene dimethyl ethers (PODEs or OMEs), are noted for their CO₂ neutrality and soot-free combustion, addressing the soot-NOx trade-off in diesel engines. Recent studies indicate that OME 3-5 can serve as effective diesel fuel surrogates, demonstrating reduced particle emissions and shorter ignition delay times (IDTs) when blended with diesel.
The paper further discusses the combustion characteristics of OMEs, revealing that higher chain lengths correlate with reduced NOx emissions, albeit with minor impacts on thermal efficiency. The authors also note challenges in multi-injection strategies due to the physical properties of OMEs, which affect injector performance. To enhance the predictive capabilities of computational fluid dynamics (CFD) models, the study proposes an improved oxidation mechanism for OME fuels, validated through various experimental setups. This mechanism aims to better simulate ignition delays and flame characteristics, ultimately contributing to the optimization of OME fuel applications in high-pressure combustion environments.
Methods
The experimental procedure for investigating the oxidation of OME (Oxymethylene Ether) blends was conducted using a Jet Stirred Reactor (JSR) with a 75 cm³ internal volume and a nozzle diameter of 0.3 mm. The oxidant used was oxygen (99.99% purity) and nitrogen served as the carrier gas. The reactor was heated to a maximum temperature of 1000 °C, monitored by a K-type thermocouple. Gas chromatography (GC) with a thermal conductivity detector (TCD) was employed for the detection of gases such as CO, CO₂, H₂, and O₂, with an estimated measurement uncertainty of approximately 10%. The oxidation experiments were performed at atmospheric pressure, within a temperature range of 500 to 900 K, and at equivalence ratios of 0.5, 1.0, and 2.0, with a consistent fuel mole fraction of 0.005 and a residence time of 2 seconds.
In addition, fuel spray investigations were conducted in a high-temperature, high-pressure constant-volume injection chamber, which was optically accessible for imaging. The chamber allowed for varying gas mixtures from pure nitrogen to pure air, facilitating both reactive and inert studies. Optical measurement techniques, including OH*-chemiluminescence, were utilized to assess ignition delay, with data captured at a high frame rate of 40,000 fps using a Photron SA-Z camera. Each operating condition involved 32 injections, and the mass flow rates were determined using a commercially available device that measured pressure changes to calculate the total injected mass. Results from 150 injections per operating point were averaged for analysis.
Results
In the Results section, the study presents a comparative analysis of a novel OME reaction mechanism against the original mechanism developed by Niu et al. [14]. The findings are organized into three main subsections. Section 3.1 focuses on global quantities such as ignition delay and flame lift-off length, highlighting the performance differences between the two mechanisms. Section 3.2 examines flame morphology, particularly the spatial and temporal distribution of low- and high-temperature reactions, as indicated by the presence of formaldehyde (CH₂O) and hydroxyl radicals (OH). Finally, Section 3.3 discusses the variations in mixing regimes resulting from the implementation of the novel reaction mechanism, with analyses conducted for both single and multi-injection patterns.
Discussion
In this section, the authors discuss the properties and oxidation mechanisms of oxymethylene ether (OME) fuel, specifically focusing on the development and validation of a new oxidation mechanism referred to as the Shanghai Jiao Tong University (SJTU) mechanism. The OME fuel composition is consistent with previous studies, and its properties were analyzed to ensure comprehensive representation of reaction pathways. The SJTU mechanism, which builds upon a reduced mechanism developed by Niu et al., incorporates 92 species and 389 reactions. Validation against experimental data, including ignition delay times (IDTs) and mole fraction profiles, indicates that the SJTU mechanism provides improved predictions, particularly in the temperature ranges of 500-600 K and 750-900 K, compared to the original Niu mechanism.
The authors also detail the numerical setup for their simulations, which utilize Reynolds-averaged Navier-Stokes equations and a Lagrangian discrete droplet method to model liquid droplets. The study examines various operating points, including temperature and oxygen content variations, and employs two different injectors to assess the impact on auto-ignition processes. The results demonstrate that the SJTU mechanism enhances the accuracy of IDT predictions while maintaining a consistent lift-off length compared to the Niu mechanism. Additionally, the study highlights the challenges in modeling multi-injection patterns and the subsequent ignition behavior, indicating discrepancies between simulation and experimental results that warrant further investigation. Overall, the findings underscore the significance of the SJTU mechanism in accurately simulating OME fuel combustion dynamics.