Development of a reduced chemical kinetic model of n-heptane - NG blend for homogeneous charge compression ignition engine combustion

Abstract

ABSTRACT: As the transportation technologies move forward and the need of travelling becomes more important, the mankind is facing two major challenges, namely, emission of green-house gases and excessive fuel consumption. The homogeneous charge compression ignition (HCCI) engines have the well known benefits of emitting very low amounts of NOx and soot, while producing higher efficiencies compared to the conventional engines. Computational modeling is a useful tool for engine design and optimization. The full chemical kinetic mechanisms to simulate the fuel oxidation consist of hundreds or thousands of species and reactions. Utilizing such a detailed mechanism requires extremely long computational time. In order to facilitate practical simulations, reduced mechanisms of smaller sizes are necessary. A threestage reduction process is proposed in this research. The performance of the proposed method is investigated by producing reduced mechanisms of n-heptane fuel. This work is performed by using a validated single zone HCCI combustion model. To remove unimportant species at the first stage, the directed relation graph with error propagation (DRGEP) is applied. In the second stage, the computational singular perturbation (CSP) method is used to eliminate insignificant reactions. In the third stage, once again DRGEP is applied to the mechanism for further reduction. This combination of methods successfully reduced the comprehensive Curran's nheptane mechanism (561 species and 2539 reactions) to a reduced mechanism with only 118 species and 330 reactions, while maintaining small errors (less than 2 percent) compared to the detailed mechanism in predicting selected representative parameters. The simulation time required for calculation is decreased from about 601 minutes when the detailed mechanism is used to 8 minutes by applying reduced mechanisms to the model. Also, a reduced mechanism for a fuel blend of natural-gas and n-heptane is proposed. The approach is validated for the prediction of ignition timing in the HCCI combustion engine. A two-stage reduction process is used to produce two reduced mechanisms of existing detailed mechanisms for natural-gas and n-heptane fuels. The combination of the generated reduced mechanisms is used to develop a reaction mechanism for a fuel blend of natural-gas/n-heptane. Then, the genetic algorithm is used for optimization of reaction rate constants in the newly generated mechanism. The proposed mechanism includes only 41 species and 109 reactions. Simulation results agree well with the experimental results under various operating conditions, while maintaining small errors (less than 2 degrees) in predicting ignition timing. Furthermore, effect of heat transfer through the boundaries in HCCI combustion simulation in generating reduced mechanism from the detailed mechanism is also investigated. A two-stage reduction process is used to produce reduced mechanisms of existing detailed GRI-Mech. 3.0 mechanism. Small differences observed in the developed reduced mechanisms for HCCI combustion model with considering heat transfer and in the adiabatic condition. Keywords: HCCI engine, Ignition timing, Reduced mechanism, DRGEP, CSP, PCA, Blended fuel

…………………………………………………………………………………………………………………………

ÖZ: Seyahat gereksinimleri nin önemi artıp ulaşım teknolojileri geliştikçe, insanoğlu iki büyük sorunla karşı karşıya kalmaktadır. Bunlar, sürekli artan sera gazlarının atmosfere salınımı ve aşırı miktarda yakıt kullanımı olarak kayıtlarda yer almaktadır. Homojen dolgulu sıkıştırma ile ateşlemeli (HCCI) motorlarının çok düşük seviyelerde NOx ve kurum salınımları olması en bilinen faydalarındandır. Bu motorlar, bir yandan da geleneksel motorlara göre daha yüksek verimlilikte çalışmaktadır. Tasarım ve optimizasyon faaliyetlerinde en yararlı gereçlerin başında bilgisayarla modelleme yapmak gelmektedir. Yanmaya ait kimyasal kinetik mekanizmanın tamamı yüzbinlerce tür ve reaksiyondan oluşmaktadır. Böyle detaylı bir mekanizmayı kullanarak simülasyon yapmak için çok uzun bir bilgi işlem zamanına ihtiyaç duyar. Uygulanabilir simülasyonlar gerçekleştirebilmek için daha küçük boyutlara azaltılmış mekanizmalar kullanmak kaçınılmazdır. Bu araştırmada üç aşamalı bir azaltma süreci önerilmiştir. Önerilen yöntemin işleyişi n-heptan yakıtının azaltılmış mekanizmalarını oluşturarak incelemeye tabii tutulmuştur. Bu çalışma, geçerliliği isbat edilmiş tek bölgeli HCCI yanma modeli kullanılarak yürütülmüştür. İlk aşamada, önemsiz türleri mekanizmadan çıkarmak için hata yayılmalı yönlendirilmiş ilişki grafiği (DRGEP) uygulanmıştır. İkinci aşamada, hesaplamalı tekil karışıklık (CSP) metodu kullanılarak ilgisi olmayan reaksiyonlar elendmiştir. Üçüncü aşamada, daha fazla azaltma yapmak için DRGEP tekrar kullanılmıştır. Metodların bu şekilde birleştirilmesi Curran’ın (561 tür ve 2539 reaksiyondan oluşan) kapsamlı n-heptan modelini (sadece 118 tür ve 330 reaksiyondan oluşan) azaltılmış bir mekanizmaya düşürmeyi başarmıştır. Bunu yaparken de detaylı mekanizmaya göre temsili parametrelerin tahmininde yüzde 2’den daha az yanılgı payları elde edilmiştir. Hesaplamalar için detaylı mekanizma sırasında gereken simulasyon zamanı, 601 dakikadan, azatılmış mekanizmada 8 dakikaya kadar düşürülmüştür. Doğal gaz ve n-heptandan oluşan bir yakıt karışımı için de bir azaltılmış mekanizma önerilmiştir. Bu yaklaşım, HCCI motorunun ateşleme zamanını tahmin etmek için kullanılmış ve geçerliliği sınanmıştır. Doğal gaz ve n-heptan yakıtlarına ait mevcut detaylı mekanizmalar iki aşamalı bir azaltma süreci kullanılarak iki azaltma mekanizması meydana getirilmiştir. Bu iki mekanizmanın birleştirilmesiyle doğal gaz ve n-heptan yakıtlarının karışımı için bir azaltılmış mekanizma geliştirilmiştir. Daha sonra, yeni üretilmiş mekanizmaların reaksiyon oranı katsayılarını optimize etmek için genetik algoritma kullanılmıştır. Önerilen mekanizmada sadece 41 tür ve 109 reaksiyon bulunmaktadır. Bir çok değişik çalışma şartlarında, simülasyon sonuçları, deneysel sonuçlarla iyi örtüşmektedir. Bu mekanizma ile ateşleme zamanını tahmin etmede çok düşük hata payları (yüzde 2’den az) elde edilmiştir. Bir ileri tetkik olarak detaylı mekanizmadan azaltılmış mekanizma elde ederken HCCI yanma simülasyonu ile ilgili ısı kayıplarının etkisi sorgulanmıştır. Mevcut GRI-Mech 3.0 mekanizmasından azaltılmış bir mekanizma üretmek için iki aşamalı bir azaltma mekanizması kullanılmıştır. HCCI yanma modeli için geliştirilmiş azaltılmış mekanizmalarda ısı transferinin dikkate alınmasının çok az bir fark yarattığı gözlemlenmiştir. Anahtar kelimeler: HCCI motoru, Ateşleme zamanı, Azaltılmş mekanizma, DRGEP, CSP, PCA, yakıt karışımı.