Effects of Control Parameters on Performance and Emissions of HSDI Diesel Engines: Investigation via Two Zone Modelling

Effets des paramètres de contrôle sur les performances et les émissions de moteurs Diesel HSDI : étude au moyen de modélisation à deux zones

Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Università di Salerno, Via Ponte Don Melillo 1, 84084 Fisciano (SA) - Italy

Corresponding authors: iarsie@unisa.it pianese@unisa.it msorrentino@unisa.it

Abstract

The paper deals with the development and experimental validation of a two zones combustion model of High Speed Direct Injection (HSDI) Diesel engines. The model is aimed to support the engine control design for common-rail Diesel engines with multiple injections, where the large number of control parameters (i.e. injection timing, injection dwell, rail pressure, etc.) makes the recourse to experiments extremely expensive, in terms of time and money. The modelling approach is based on a semi-empirical two-zone combustion model coupled with an intensive identification analysis, in order to implement a predictive tool for simulating the effects of control strategies on combustion and exhaust emissions. Fuel spray and combustion are simulated by dividing the combustion chamber into two control volumes, accounting for fuel jet and surrounding air. The fuel jet is further divided in two zones to separate liquid and vapour phases, while the surrounding air zone is composed of fresh air and residual gases. Fuel evaporation and combustion models are based on the semi-empirical formulation proposed by Whitehouse and Way, which accounts for the occurrence of premixed and diffusive regimes. The fuel spray model evaluates the spray motion into the cylinder, assuming an empirical formulation for the break time, and predicts the air entrainment by means of the conservation of momentum. NOx and soot exhaust emissions are predicted according to the well known mechanisms proposed by Zeldovich and Hiroyasu, respectively. Model accuracy has been successfully tested over a wide set of experimental data, composed of nearly 100 engine cycles measured on a commercial common rail multi-injection Diesel engine. Moreover, only 9 measured operating conditions were needed for model identification, thus confirming the limited recourse to experiments. Simulation results also evidenced that the model can predict the effects of different injection parameters, in case of single and multiple injection, in a short computational time. Therefore its implementation is suitable for the accomplishment of intensive simulations or optimization analyses, aimed to minimize consumption and/or emissions vs. injection strategy (number of injections, injection timing, rail pressure, etc.).

Résumé

Cet article traite du développement et de la validation expérimentale d'un modèle de combustion à deux zones pour des moteurs Diesel (HSDI) à injection directe à grande vitesse. Ce modèle a pour but d'assister la conception du contrôle du moteur pour les moteurs Diesel common-rail à injections multiples, où le grand nombre de paramètres de contrôle (durée de l'injection, angle de came de l'injection, pression du rail, etc.) rend la réalisation d'expériences extrêmement coûteuse, en termes de temps et d'argent. L'approche de la modélisation est basée sur un modèle de combustion semi-empirique à deux zones, couplé à une analyse d'identification intensive, de manière à mettre en place un outil de prévision permettant de simuler les effets des stratégies de contrôle sur les émissions de combustion et d'échappement. La nébulisation de carburant et la combustion sont simulées en divisant la chambre de combustion en deux volumes de contrôle, représentant le jet de carburant et l'air environnant. Le gicleur de carburant est ensuite divisé en deux zones afin de séparer les phases liquide et vapeur, alors que la zone d'air environnante est composée d'air frais et de gaz résiduels. Les modèles d'évaporation de carburant et de combustion sont basés sur une description semi-empirique proposée par Whitehouse and Way, qui représente la présence de régimes prémélangés et de diffusion. Le modèle de nébulisation du carburant évalue le déplacement du jet dans le cylindre, en utilisant une description empirique du temps de désagrégation et prévoit l'entraînement de l'air au moyen de la conservation du mouvement. Les émissions de NOx et l'échappement de suie sont prévus conformément aux mécanismes, bien connus, proposés respectivement par Zeldovich et Hiroyasu. La précision du modèle a été testée avec succès sur un large ensemble de données expérimentales, composées de presque 100 cycles de moteur mesurés sur un moteur commercial common-rail diesel à multi-injection. En outre, il a suffi de mesurer 9 points de fonctionnement pour identifier le modèle et cela confirme le recours limité aux expériences. Les résultats de la simulation ont aussi démontré que le modèle peut prévoir les effets de différents paramètres d'injection, en cas d'injection simple et multiple, ceci avec une durée courte de simulation. Par conséquent, ce modèle peut être intégré facilement dans un schéma global de simulation pour accomplir des simulations intensives ou des analyses d'optimisation, destinées à minimiser la consommation et/ou les émissions par rapport à une stratégie d'injection (nombre d'injections, durée de l'injection, pression du rail, etc.).